A novel photodetector platform based on Ge and Si microcrystals for VIS-NIR detection

In this work, we devise a new type of photodetector based on Si and Ge-on-Si 3D self-assembled microcrystals. To this aim, we searched for the optimal growth parameters (doping profile and thickness) to reach a desired profile of the electric field inside the microcrystals. More specifically I developed a Finite Difference Time Domain simulation predicting an enhancement in the fraction of absorbed light of these microcrystals compared to planar epilayers. I experimentally demonstrated such enhancement by responsivity measurements. Simulations and experimental results nicely agrees both for single microcrystals and for devices based on microcrystal arrays. Finally, I have investigated the operation of the Si microcrystals as Avalanche PhotoDiodes (APDs) and Single Photon Avalanche Diodes (SPADs). Notably, the gain obtained in the APDs reaches a maximum value comparable to state-of-the-art commercial devices, while the SPAD measurements point towards the exploitation of Si microcrystals even as single photon detectors.

In questo lavoro, ideiamo un nuovo tipo di fotorilevatore basato su microcristalli 3D autoassemblati di Si e Ge-su-Si. A tal fine, abbiamo cercato i parametri di crescita ottimali (profilo di drogaggio e spessore) per raggiungere il profilo di campo elettrico all'interno dei microcristalli. Nello specifico, ho sviluppato una simulazione di tipo Finite Difference Time Domain che predice un aumento della frazione di luce assorbita dai microcristalli rispetto ad epilayer planari. Ho sperimentalmente dimostrato tale miglioramento mediante misure di responsivity. Simulazioni e risultati sperimentali concordano sia nel caso di singoli microcristalli che per dispositivi basati su matrici di microcristalli. Infine, ho studiato il funzionamento dei microcristalli di Si come Avalanche PhotoDiodes (APDs) e Single Photon Avalanche Diodes (SPADs). In particolare, il guadagno ottenuto negli APD raggiunge un valore massimo paragonabile allo stato dell’arte di dispositivi commerciali, mentre le misure SPAD pongono le basi per l’utilizzo dei microcristalli di Si come rivelatori di singoli fotoni.