Silicon-Germanium Heterostructures for Silicon Photonics Applications

This first aim of this thesis is the development of high performance and low energy modulators based on Ge/SiGe multiple quantum wells by exploiting the Quantum Confined Stark Effect. The presented results show that Ge/SiGe multiple quantum wells have a great potential as a new material platform for the future development of silicon photonics. The second part of this thesis is focused on the realization of highly strained Ge micro-bridges and on the study of the impact of the growth parameters on the carrier lifetime in Ge-on-Si epilayers. The approach presented here is based on the fabrication of suspended micro-bridges in which the thermal strain, already present in the Ge epilayer before the processing, is strongly enhanced in the constricted region. By using this powerful top-down fabrication technique, we were able to reach an uniaxial tensile strain up to 3.1%, the highest reported so far. The aim of the second work was to highlight the role of the growth parameters on the carrier lifetime. Pump-probe transmission spectroscopy was performed on four differently prepared Ge-on-Si and Ge-on-GOI samples in order to investigate the role of doping, thermal annealing and defective Si/Ge interface on the carrier lifetime.

Il primo obiettivo di questa tesi è lo sviluppo di modulatori ottici ad alte prestazioni basati sull’effetto Stark quantistico confinato in quantum well multiple di Ge/SiGe. I risultati presentati confermano la possibilità di utilizzare le quantum well di Ge/SiGe come una nuova possibile piattaforma per lo sviluppo della fotonica basata su silicio. La seconda parte di questa tesi è dedicata allo studio dell’effetto della deformazione tensile sulle proprietà ottiche del germanio, ed allo studio del tempo di vita dei portatori in funzione dei parametri di crescita. In questo lavoro viene presentato un approccio top-down per la fabbricazione di microstrutture di germanio su silicio in grado di aumentare la deformazione tensile già presente nel film epitassiale di germanio dopo la crescita. Grazie a questa tecnica, è stato possibile raggiungere uno stato di deformazione tensile uniassiale pari al 3.1%. Inoltre, mediante spettroscopia pump-probe, è stato possibile determinare il ruolo del parametri di crescita (drogaggio, presenza dell’interfaccia Ge/Si, trattamenti termici) nella determinazione del tempo di vita dei portatori in film epitassiali di germanio su silicio.