Group IV based infrared photodetectors for SWIR and MIR detection

Detecting Short Wavelength Infrared Radiation (SWIR) and Mid-Infrared (MIR) is essential for numerous fields, such as automotive, biomedical, chemical detection, environmental monitoring, biology, astronomy, and remote sensing and imaging. Materials based on group IV semiconductors have emerged as promising technologies for SWIR and MIR detection, in respect to conventional detectors based on III-V semiconductors, because of their CMOS compatibility and cost-effectiveness. This work explores the fabrication and characterization of group IV based photodetectors for these interesting spectral regions. In the first part, an analysis of Ge-on-Si photodiodes for SWIR detection is conducted, particularly examining the physical mechanism that gives rise to the dark current and the photocurrent behavior. Ge-on-Si p-i-n structures were grown using Low-Energy Plasma Enhanced CVD (LEPECVD) on silicon substrates with varying doping levels. Temperature-dependent current-voltage and capacitance-voltage measurements were performed to assess the contributions of diffusion, generation recombination, and trap-assisted tunneling to the dark current. Photocurrent measurements were also performed to determine the Responsivity and its dependence on doping profiles. The results demonstrate that it is possible to optimize the doping profiles to reduce dark current density and that it is possible to find an optimal dopig level to maximize the Specific Detectivity. The second part of this work explores germanium-tin alloys (GeSn) for MIR detection, especially for gas sensing. GeSn is a promising material that has a tunable direct band gap but presents some challenges. Therefore, a discussion on the characterization of the germanium-tin alloy system is given, addressing its fundamental properties and critical challenges. An important advancement in GeSn-based MIR detection is the development of GeSn Avalanche Photodiodes (APDs), which utilize internal carrier multiplication for signal amplification. APDs offer superior sensitivity and improved signal-to-noise ratios, making them highly suitable for low-intensity infrared imaging and spectroscopy applications such as gas sensing. Finally, the focus shifts to the fabrication of avalanche photodiodes, addressing the challenges associated with the GeSn alloy. One of the primary limitations is the thermal budget that GeSn can withstand, as any processing temperature exceeding 200°C leads to tin segregation, resulting in phase separation rather than a stable alloy. Another critical issue is the etching process, as GeSn is incompatible with fluoride-based chemistry and instead requires chloride-based etching techniques. The fabricated devices were electrically characterized at different temperatures, demonstrating the feasibility of designing avalanche photodiodes using germanium-tin.

Il rilevamento della radiazione infrarossa a lunghezza d'onda corta (SWIR) e del medio infrarosso (MIR) è fondamentale in numerosi settori, tra cui l'automotive, il biomedicale, il rilevamento chimico, il monitoraggio ambientale, la biologia, l'astronomia e l'imaging. I materiali basati su semiconduttori del gruppo IV si sono affermati come tecnologie promettenti per il rilevamento SWIR e MIR rispetto ai tradizionali rivelatori basati su semiconduttori III-V, grazie alla loro compatibilità con la tecnologia CMOS e alla loro convenienza economica. Questo lavoro esplora la fabbricazione e la caratterizzazione di fotorivelatori basati su semiconduttori del gruppo IV per queste interessanti regioni spettrali. Nella prima parte, viene condotta un'analisi dei fotodiodi Ge-su-Si per il rilevamento SWIR, con particolare attenzione ai meccanismi fisici responsabili della corrente di buio e al comportamento della fotocorrente. Diodi Ge-su-Si con struttura p-i-n sono stati cresciuti mediante Low-Energy Plasma Enhanced CVD (LEPECVD) su substrati di silicio con differenti livelli di drogaggio. Sono state effettuate misure di corrente-tensione e capacità-tensione in funzione della temperatura per valutare il contributo dei maccanismi di diffusione, generazione-ricombinazione e tunneling assistito da trappole alla corrente di buio. Inoltre, sono state eseguite misure di fotocorrente per determinare la responsività e la sua dipendenza dai profili di drogaggio. I risultati dimostrano che è possibile ottimizzare i profili di drogaggio per ridurre la densità della corrente di buio e individuare un livello ottimale di drogaggio per massimizzare la detettività specifica. La seconda parte di questo lavoro esplora le leghe germanio-stagno (GeSn) per il rilevamento MIR, con particolare attenzione all'applicazione nel rilevamento di gas. Il GeSn è un materiale promettente caratterizzato da un band gap diretto modulabile, sebbene presenti alcune criticità. Viene quindi proposta un'analisi del sistema materiale della lega germanio-stagno, affrontando le sue proprietà fondamentali e le principali problematiche. Un avanzamento significativo nel rilevamento MIR basato su GeSn è lo sviluppo di fotodiodi a valanga (Avalanche Photodiodes, APD), che sfruttano la moltiplicazione interna dei portatori per amplificare il segnale. Gli APD offrono una sensibilità superiore e un miglior rapporto segnale-rumore, rendendoli particolarmente adatti per applicazioni di imaging e spettroscopia a bassa intensità, come il rilevamento di gas. Infine, l'attenzione si sposta sulla fabbricazione dei fotodiodi a valanga, affrontando le problematiche legate alla lega GeSn. Una delle principali limitazioni è il budget termico sostenibile dal GeSn: qualsiasi temperatura di processo superiore a 200°C induce la segregazione dello stagno, causando separazione dello stagno nel germanio anziché la formazione di una lega stabile. Un'ulteriore criticità è rappresentata dal processo di etching, poiché il GeSn è incompatibile con la chimica a base di fluoruri e richiede invece tecniche di etching basate su cloruri. I dispositivi realizzati sono stati caratterizzati elettricamente a diverse temperature, dimostrando la fattibilità della realizzazione di fotodiodi a valanga basati su germanio-stagno.