Intersubband transitions in Ge/SiGe quantum wells for advanced mid-infrared integrated photonics

In the last decade the mid-infrared (MIR) spectral region (λ = 2 − 15 μm) has been the subject of important research efforts due to the presence of the fingerprint region, where the vibrational frequencies of most molecules are located. A photonic device operating in this region would serve in the detection, identification, and quantification of chemical and biological species, with applications in healthcare, safety and security, or environmental monitoring. Among the several material platforms under investigation, Si-based materials can provide high-density compact photonic platforms while exploiting state-of-the-art fabrication technologies in a large wafer size. However, typical platforms employed (Si3N4 and silicon-on-insulator) are limited to ∼5 μm wavelength, due to the strong phonon absorption that occurs in SiOx. A promising material platform to overcome these limitations is represented by Ge-on-Si and SiGe-on-Si: the high MIR transparency of Ge makes it possible to work in the full spectral range (3-15 μm). A possible implementation of several photonic building blocks, such as photodetectors and high-speed modulators, is the exploitation of intersubband transitions (ISBTs) in Ge/SiGe quantum wells (QWs). A typical scheme to exploit ISBTs for photodetection is represented by quantum well infrared (QWIP) photodetectors. This kind of device has been developed in the 1980s on III-V semiconductors platforms, but some implementations on Si/SiGe have already been demonstrated. This work consists in the exploitation of the most recent epitaxial growth technology advancements, along with an extensive structural and optical characterization, to achieve a Ge/SiGe heterostructure featuring an ISBT in the middle of the fingerprint region. Theoretical models have been employed both for the design of the structure and for the interpretations of the absorption spectra in temperature. On these bases, the first implementation of a room-temperature waveguide-integrated QWIP has been attempted, obtaining very promising preliminary result which can pave the way for the future integration of QWIPs in a Si-based PIC operating in the MIR spectral region.

Negli ultimi anni, la regione spettrale del medio infrarosso (MIR) (λ = 2−15 μm) è stata oggetto di importanti ricerche a causa della presenza della regione delle fingerprint, in cui si trovano le frequenze vibrazionali della maggior parte delle molecole. Un dispositivo fotonico operante in questa regione sarebbe utile per la rilevazione, l’identificazione e la quantificazione di specie chimiche e biologiche, con applicazioni nei settori della sanità, della sicurezza e del monitoraggio ambientale. Tra le diverse piattaforme di materiali in fase di studio, i materiali a base di silicio offrono la possibilità di realizzare dispositivi fotonici compatti e ad alta densità, sfruttando tecnologie di fabbricazione all’avanguardia su wafer di grandi dimensioni. Tuttavia, le piattaforme più comunemente utilizzate (Si3N4 e silicon-on-insulator) sono limitate a lunghezze d’onda fino a circa 5 μm, a causa del forte assorbimento fononico presente nel SiOx. Un materiale promettente per superare queste limitazioni è il Ge-on-Si (e il SiGe-on-Si): l’elevata trasparenza del germanio nel MIR consente di operare nell’intero intervallo spettrale (3-15 μm). Un possibile approccio per implementare diverse componenti, come fotorivelatori e modulatori ad alta velocità, è lo sfruttamento delle transizioni intersottobanda (ISBT) nei pozzi quantici (QW) Ge/SiGe. Uno schema tipico per sfruttare le ISBT nella fotorivelazione è rappresentato dai fotorivelatori a pozzo quantico per infrarossi (QWIP). Questo tipo di dispositivo è stato sviluppato negli anni ’80 su piattaforme a semiconduttori III-V, ma alcune implementazioni su Si/SiGe sono già state dimostrate. Questo lavoro si concentra sull’utilizzo dei più recenti progressi nella tecnologia di crescita epitassiale, insieme ad un’ampia caratterizzazione strutturale e ottica, per realizzare un’eterostruttura Ge/SiGe con una ISBT situata al centro della regione fingerprint. Modelli teorici sono stati impiegati sia per la progettazione della struttura sia per l’interpretazione degli spettri di assorbimento in funzione della temperatura. Sulla base di questi studi, è stata tentata la prima implementazione di un QWIP integrato in una guida d’onda funzionante a temperatura ambiente, ottenendo risultati preliminari molto promettenti che potrebbero aprire la strada alla futura integrazione dei QWIP in un circuito fotonico integrato (PIC) a base di silicio e operante nella regione spettrale MIR.