Growth of Ge and Si micro-crystals for single-photon detection

The manipulation and detection of single photons have gathered a lot of attention in both the research and industrial communities due to their application in multiple fields, such as healthcare, automotive, quantum computing and quantum secure communications. In particular, inexpensive, easy to use and integrate near-infrared single photon detectors are required in most of such applications. Germanium single photon avalanche detectors (SPADs) are being widely researched as a suitable candidate, which would satisfy all the requirements mentioned above. However, Ge SPADs require a material with a low defect density to avoid the degradation of their performance. In the past it has been proved that the self-assembly of Ge microcrystals is obtained by depositing germanium on ordered arrays of silicon pillars, obtained by the deep patterning of standard silicon wafers. Such approach, named vertical or 3D heteroepitaxy, is exploited in this thesis for the growth of Si and Ge micrometric SPADs. In particular, the growth process is described, and the resulting microcrystals are electrically characterized. The experimental data are analysed to find that the performance of microSPAD can be improved by fabricating the contacts so that the electric field is confined in the inner region of the crystals, which is then confirmed by experiments. The material quality of Ge microcrystals grown on fully faceted Si microcrystals is also investigated, showing that the density of threading dislocations reaching the surface is reduced with respect to Ge microcrystals grown on Si pillars. Moreover, it is also shown that by reducing the lateral size of the pillars below 1 micrometre it is possible to achieve the dislocation-free deposition of SiGe.

La manipolazione e detezione di singoli fotoni ha attirato grande interesse in ambito industriale ed accademico a causa delle possibili applicazioni in molti campi, quali la medicina, l’automotive, i computer e le comunicazioni quantistiche. In particolare, sono richiesti detector di singoli fotoni operanti nel vicino infrarosso che siano economici, semplici da utilizzare ed integrare in altri strumenti. Un possibile candidato su cui si stanno concentrando molti sforzi sono i diodi fotorivelatori a singolo fotone (SPAD) in germanio, che soddisferebbero tutti i requisiti. La fabbricazione di SPAD in germanio ad alte prestazioni richiede però un materiale con una bassa concentrazione di difetti. In passato è stato dimostrato che è possibile ottenere la formazione di microcristalli di germanio di elevata qualità crescendo il materiale su un substrato microfabbricato, che presenta pilastri di silicio di dimensioni micrometriche disposti regolarmente. In questa tesi tale approccio, chiamato eteroepitassia verticale o 3D, viene esplorato come metodo per fabbricare SPAD micrometrici in silicio e germanio. In particolare, viene descritto il processo di crescita e viene presentata una caratterizzazione elettrica di singoli microcristalli. L’analisi dei risultati sperimentali così ottenuti e successivi esperimenti mostrano che le prestazioni di tali microcristalli possono essere migliorate fabbricando un contatto in modo tale da confinare il campo elettrico nella parte centrale dei microcristalli. Oltre al comportamento elettrico, viene anche analizzata la qualità del germanio depositato su microcristalli di silicio faccettati. In particolare, si trova che, rispetto alla deposizione su pilastri di silicio, la densità di difetti viene ulteriormente ridotta. Inoltre, viene dimostrato che, riducendo la dimensione laterale dei pilastri di silicio al di sotto del micrometro, è possibile crescere microcristalli di silicio-germanio senza introdurre dislocazioni.