Mid-infrared unipolar photonic devices based on p-doped Ge/SiGe quantum wells

This thesis presents the development of advanced SiGe heterostructures for the realization of unipolar mid-infrared optoelectronic devices. The research aims to establish a group-IV material platform enabling efficient, integrable, and scalable mid-infrared technologies, exploiting intersubband transitions in p-type SiGe quantum wells. The study encompasses three main objectives: the investigation of intersubband transitions in SiGe quantum wells, the realization of a waveguide-integrated quantum well infrared photodetector, and the assessment of the intersubband strong coupling regime in group-IV heterostructures. In the first chapter, the design, growth, and characterization of SiGe multiple quantum wells with square and parabolic profiles engineered to achieve intersubband absorption in the mid-infrared range are discussed. The heterostructures were grown by low-energy plasma-enhanced chemical vapor deposition, and structural analyses confirmed their excellent crystalline and compositional quality. Fourier-transform infrared spectroscopy revealed strong polarization-dependent intersubband absorption between 8 and 10 μm, in good agreement with theoretical models. The second chapter reports the first demonstration of a waveguide-integrated SiGe quantum well infrared photodetector. Room-temperature electro-optical measurements showed clear polarization-dependent responsivity peaks corresponding to the intersubband transitions. Although the responsivity remains below that of III-V devices, these results confirm the viability of monolithic integration into Si-compatible photonic integrated circuits. Finally, the third chapter presents simulations of metal-insulator-metal and hybrid metal-insulator-semiconductor microcavities incorporating parabolic SiGe quantum wells, which indicate the possibility of achieving the intersubband strong coupling regime in group-IV heterostructures. To experimentally realize hybrid microcavities, hyper-doped Ge and SiGe layers acting as mid-infrared reflectors were developed via pulsed laser melting, yielding carrier concentrations above 5×1019 cm−3. Structural and optical measurements confirmed their suitability as semiconducting mirrors in microcavities, though further optimization of epitaxial regrowth is required to mitigate dopant deactivation during heterostructure deposition.

Questa tesi presenta lo sviluppo di eterostrutture avanzate di SiGe per la realizzazione di dispositivi optoelettronici unipolari operanti nel medio infrarosso. L’obiettivo della ricerca è definire una piattaforma basata su materiali del gruppo IV, che permetta tecnologie nel medio infrarosso efficienti, integrabili e scalabili, sfruttando transizioni intersottobanda in pozzi quantici di SiGe drogato p. Il lavoro si pone tre obiettivi principali: lo studio delle transizioni intersottobanda in pozzi quantici di SiGe, la realizzazione di un fotorivelatore a pozzi quantici integrato in guida d’onda e la valutazione del regime di forte accoppiamento intersottobanda in eterostrutture del gruppo IV. Il primo capitolo descrive la progettazione, la crescita e la caratterizzazione di strutture a pozzi quantici multipli di SiGe con profili quadrati e parabolici, progettate per avere assorbimento intersottobanda nel medio infrarosso. Le eterostrutture sono state cresciute mediante deposizione chimica da vapore assistita da plasma a bassa energia, e le analisi strutturali hanno confermato la loro eccellente qualità cristallina e composizionale. Misure di spettroscopia infrarossa a trasformata di Fourier hanno evidenziato un forte assorbimento intersottobanda dipendente dalla polarizzazione tra 8 e 10 μm, in buon accordo con i modelli teorici. Il secondo capitolo riporta la prima dimostrazione di un fotorivelatore a pozzi quantici di SiGe integrato in guida d’onda. Le misure elettro-ottiche a temperatura ambiente hanno evidenziato picchi di responsività dipendenti dalla polarizzazione in corrispondenza delle transizioni intersottobanda. Sebbene la responsività risulti inferiore di quella di dispositivi basati su semiconduttori III-V, questi risultati confermano la fattibilità dell’integrazione monolitica in circuiti fotonici integrati compatibili con la tecnologia al silicio. Infine, il terzo capitolo presenta simulazioni di microcavità metallo-isolante-metallo e ibride metallo-isolante-semiconduttore contenenti pozzi quantici parabolici di SiGe, che indicano la possibilità di raggiungere il regime di forte accoppiamento intersottobanda in eterostrutture del gruppo IV. Per la realizzazione sperimentale di microcavità ibride, sono stati sviluppati strati iperdrogati di Ge e SiGe ottenuti mediante fusione laser impulsata, in grado di agire come riflettori nel medio infrarosso, con concentrazioni di portatori superiori a 5×1019 cm−3. Misure strutturali e ottiche hanno confermato l’idoneità di tali materiali come specchi semiconduttori per le microcavità, sebbene sia necessaria un’ulteriore ottimizzazione della ricrescita epitassiale per mitigare la disattivazione dei droganti durante la deposizione dell’eterostruttura.