Infrared photodetectors fabricated on 3D germanium crystals on silicon

CMOS (Complementary Metal–Oxide–Semiconductor) image sensors made by employing Si photodiodes are widely used for visible light imaging because the responsivity of silicon fully covers the wavelengths which the human eye can perceive [near1]. However, image sensors are not used only for visible light; they cover the whole spectral range from terahertz waves to X-ray. In particular, optical detectors in the near-infrared wavelength (800 nm–1600 nm) are used for optical communications as well as for industrial imaging, medical applications and spectroscopy. Hybrid III-V photodetectors have excellent characteristics in the near infrared (NIR) spectral range, but they are not compatible with the process of CMOS monolithical integration. For example, InGaAs photodiodes are sensitive up to 1700 nm, but their epitaxial growth on silicon is very challenging and a complex bump-bonding process has to be used to connect the sensing element to the Si based read-out integrated circuit (ROIC). Monolithical integration of photodetectors on a Si platform, compatible with CMOS circuitry, would simplify the fabrication processes and reduce costs. On the other hand, SiGe alloys, including pure Ge grown on a Si substrate, are compatible with CMOS processes, and they are capable to extend the cut-off from 1.1 µm (pure Si) to 1.6 µm (Ge). This boosted an intense research activity for the development of high performance Ge/Si photodetectors suitable for photonics interconnects at 1.55 µm. A crucial issue to obtain high-quality Ge epitaxy on Si is the 4.2% lattice mismatch between the two materials. Such a mismatch has two serious consequences: a high surface roughness due to Stransky–Krastanov growth and the presence of a high density of threading dislocations. The high surface roughness prevents CMOS integration; the large density of threading dislocations compromises the performance of Ge devices because of the recombination centers that are introduced along the dislocation line. The other main issue is the thermal expansion coefficient mismatch of Ge and Si, which is approximately 130 % at room temperature. In the case of thick Ge layers this is an inevitable source of mechanical stress during cool down from the growth temperature, leading to a relevant wafer bowing and layer cracking. During this thesis work a possible solution has been investigated. As explained in Chapter 1, if the formation of a continuous film is prevented, by growing far from equilibrium on patterned Si substrates, the listed problems can be avoided. Such substrates are patterned into arrays of uniformly spaced Si pillars by using optical lithography and reactive ion etching. With this method the epitaxial layer is replaced by tall, narrowly spaced, individual crystals. These Ge crystals can be used as the intrinsic region of a photodiode which can be processed starting from such structures. In order to realize a p-i-n diode to understand the absorption properties of these crystals, the problem of the deposition of a Si p+ layer on the top of a non continuous surface has been addressed, as described in Chapter 2. The optical lithography and the reactive ion etching processes necessary for the fabrication of the devices has required the development of new approaches to deal with this non planar sample. The optimization of these processes is presented in details in Chapter 3. In Chapter 4, all the elements constituing the experimental set-up used for the optical characterization and the necessary calibrations are carefully illustrated. The results and the analysis of the electrical and optical characterization are reported in Chapter 5. Finally, in Chapter 6, a critical analysis of the whole thesis work is done explaining the remaining issues that are yet to be solved along with the future perspectives. In this work I have successful processed p-i-n photodiodes using optical lithography and reactive ion etching techniques. Even though the responsivity for these devices is low, the measured optical spectra show the feasibility of using 3D Ge crystals grown on Si pillars to realize detectors with an enhanced absorption in the spectral region associated with the indirect transitions of Ge. The critical process was found to be the deposition of the top Si contact, which is attributed to be the responsible of the low performances. However, since this was the first test of processing of this non-standard sample the results are promising and encouraging. Further studies are planned to be performed in order to achieve higher responsivity.

I sensori di immagine vengono per la maggior parte realizzati utilizzando fotodetector in Si integrati in tecnologia CMOS. La responsività del Si è infatti in grado di coprire completamente l'intervallo di lunghezze d'onda per le quali l'occhio umano risulta sensibile [near1]. Tuttavia, i sensori di immagine non sono impiegati solo per la rivelazione della luce visibile, ma si hanno applicazioni che coprono l'intero spettro elettromagnetico dalle onde Thz ai raggi X. In particolare, i detector sensibili alla radiazione nel vicino infrarosso (800 nm–1600 nm) hanno applicazioni nel campo delle comunicazioni ottiche e in spettroscopia per applicazioni mediche e industriali. I fotodetector ibridi realizzati con materiali dei gruppi III-V presentano eccellenti caratteristiche nella regione spettrale del vicino infrarosso ma non sono compatibili con il processo di integrazione CMOS. Per esempio, i fotodetector in InGaAs sono sensibili fino a 1700 nm ma la loro crescita epitassiale sul Si è estremamente problematica e un complesso processo di bonding (bump bonding) si rende perciò necessario per connettere l'elemento foto-sensibile al circuito integrato di lettura in Si. La possibilità di un'integrazione monolitica di fotodetector su una piattaforma in Si che sia compatibile con il processo di fabbricazione di circuiti CMOS semplificherebbe notevolmente la fabbricazione e porterebbe a una significativa riduzione dei costi. Un'altra possibilità viene dall'utilizzo di leghe SiGe e dello stesso Ge; esse possono essere cresciute direttamente su di un substrato di Si e sono compatibili con il processo di fabbricazione CMOS. Presentano inoltre la possibilità di estendere la sensibilità dai 1.1 µm del Si ai 1.6 µm del Ge. Questo ha suscitato un notevole interesse e catalizzato un'intensa attività di ricerca per lo sviluppo di detector in Ge su Si con elevate responsività adatte all'utilizzo nell'ambito dell'interconnessione ottica in quanto sensibili alla lunghezza d'onda di 1.55 µm. Un problema cruciale nell'ottenere un Ge epitassiale di elevata qualità su Si è il 4.2% di lattice mismatch tra i due materiali. Questo mismatch ha due gravi conseguenze: la presenza di un'elevata rugosità superficiale dovuta alla modalità di crescita di tipo Stransky–Krastanov e la presenza di un'elevata densità di dislocazioni di threading. L'elevata rugosità superficiale impedisce l'integrazione CMOS mentre l'alta densità di dislocazioni di threading compromette le performance dei dispositivi in Ge perché lungo la linea di dislocazione vengono introdotti centri di ricombinazione. L'altro problema principale è dato dal mismatch del coefficiente di espansione termica tra Ge e Si, che è circa del 130 % a temperatura ambiente. Nel caso film di Ge spessi questo costituisce un inevitabile sorgente di stress durante il processo di raffreddamento dalla temperatura di crescita, portando ad un elevato bowing del substrato e alla creazione di crack nel film. Durante questo lavoro di tesi è stata studiata una possibile soluzione a questi problemi. Come spiegato nel Capitolo 1, se si previene la formazione di un film continuo, crescendo lontani dall'equilibrio su un substrato patternato di Si, i problemi citati possono essere evitati. Utilizzando la litografia ottica e l'etching da ioni reattivi tali substrati sono patternati in array di pilastri di Si uniformemente spaziati. Con questo metodo lo strato epitassiale sostituito da cristalli individuali di Ge spessi e finemente spaziati. Questi cristalli di Ge possono essere utilizzati come regione intrinseca di un fotodetector che può essere processato a partire da tali strutture. Con lo scopo di realizzare diodi p-i-n per studiare le proprietà di assorbimento di questi cristalli, è stato affrontato il problema della deposizione di uno strato di Si p+ al di sopra di una superficie non continua, come descritto nel capito 2. I processi di litografia ottica e l'etching da ioni reattivi che sono necessari per la fabbricazione dei dispositivi ha richiesto lo sviluppo di nuovi approcci per trattare questo tipo di campioni non planari. L'ottimizzazione di questi processi è presentata in dettaglio nel Capitolo 3. In Chapter 4, all the elements constituting the experimental set-up used for the optical characterization and the necessary calibrations are carefully illustrated. Nel capitolo 4, sono illustrati in dettaglio tutti gli elementi costitutivi del set-up sperimentale utilizzato per la caratterizzazione ottica e le necessarie calibrazioni. I risultati e l'analisi della caratterizzazione ottica ed elettrica sono riportate nel Capitolo 5. Infine nel Capitolo 6, è stata effettuata un'analisi critica di tutto il lavoro di tesi spiegando i problemi che necessitano ancora di essere risolti e le prospettive di lavori futuri. In questo lavoro ho fabbricato con successo fotodiodi p-i-n utilizzando la litografia ottica e l'etching da ioni reattivi. Nonostante la responsività di questi dispositivi sia bassa, gli spettri misurati mostrano la fattibilità di realizzare detector, utilizzando cristalli di Ge 3D cresciuti su pilastri di Si, che abbiano un assorbimento incrementato nella regione spettrale associata alle transizioni indirette del Ge. Il processo critico è risultato essere la deposizione del contatto superiore in Si, che è ritenuto responsabile delle basse performance. Tuttavia, essendo questo il primo test di un processo di fabbricazione di un campione non standard, i risultati sono comunque promettenti e incoraggianti. Ulteriori studi saranno effettuati con l'obiettivo di ottenere responsività più elevate.