Extended wavelength responsivity of a germanium photodetector integrated with a silicon waveguide exploiting the indirect transition

Abstract

Photo-detection in the wavelength range 1850 to 2000 nm using evanescently-coupled germanium detectors grown on silicon waveguides is described. Devices were fabricated at a silicon photonics foundry using a process flow associated with operation in the O, C and L bands, and as such offer a solution for extended wavelength detection which is readily available. Intrinsic sensitivity is via indirect band transitions, which is enhanced by tensile strain and we postulate that it may be further enhanced by defects which arise from the thermal processes associated with Ge on Si growth. The responsivity of p-i-n detectors is 20 mA/W at 1850 nm falling to 5 mA/W at 2000 nm, for a detector length of 50 μm. Responsivity is suppressed by electrical doping in the germanium detector which provides parasitic absorption from free carriers. Modifications to the current design are suggested such that integrated germanium p-i-n detectors, directly grown on silicon waveguides would be suitable for high-bandwidth photo-detection up to at least a wavelength of 2000 nm. A Separate-Absorption-Charge-Multiplication Avalanche Photo-Detector is fabricated exploiting the same indirect transition. This detector has a responsivity of 0.31 A/W at 1850 nm and 0.08 A/W at 1970 nm, for a detector length of only 14 μm.El trabajo demuestra la detección integrada de luz en el rango 1850–2000 nm utilizando fotodetectores de germanio acoplados evanescentemente a guías de onda de silicio fabricados en una línea estándar de fotónica de silicio. Estos dispositivos, concebidos originalmente para operación en las bandas O, C y L, se explotan aquí más allá del borde de banda directa del Ge, aprovechando transiciones indirectas reforzadas por la tensión de tracción inducida durante el crecimiento epitaxial de Ge sobre Si y, posiblemente, por defectos asociados a dicho proceso. Se fabrican fotodiodos p i n integrados en guía de onda que alcanzan responsividades internas de aproximadamente 20 mA/W a 1850 nm, decreciendo exponencialmente hasta unos 5 mA/W a 2000 nm para longitudes de detector de 50 µm, comportamiento consistente con absorción por transición indirecta. Mediante medidas sistemáticas de fotocorriente frente a longitud de detector y longitud de sección pasiva de Ge, combinadas con simulaciones de elementos finitos, se descompone la pérdida óptica en contribuciones de absorción intrínseca en Ge y absorción parasitaria por portadores libres en las regiones fuertemente dopadas y contactos metálicos. Se obtiene un coeficiente de absorción efectivo α〖_"sum" 〗 ≈ 0.03 µm〖^(-1)〗 a 1900 nm, de los cuales solo una pequeña fracción (α〖_"Ge" 〗 ≈ 0.0017 µm〖^(-1)〗) se atribuye a Ge intrínseco, identificándose la absorción por portadores libres en el Ge altamente dopado como mecanismo limitante. Sobre esta base, se proponen modificaciones de diseño para aumentar la responsividad, en particular mediante la reducción de las regiones dopadas y optimización de la geometría de contacto. Además, se diseña y fabrica un fotodiodo de avalancha tipo Separate Absorption Charge Multiplication (SACM APD) que explota la misma transición indirecta, alcanzando responsividades de 0.31 A/W a 1850 nm y 0.08 A/W a 1970 nm con una longitud activa de solo 14 µm. Mi contribución se centra en la investigación orientada a interpretar los mecanismos físicos (transición indirecta, tensión, absorción por portadores libres) que permiten extender la detección más allá del borde de banda del Ge en el contexto de la Física de la materia condensada y la fotónica integrada. Este trabajo es representativo de la línea de investigación de mi trabajo postdoctoral en la Universidad de Manchester sobre el estudio de los mecanismos físicos que generan transiciones indirectas mediante estrés mecánico en semiconductores mediante técnicas espectroscópicas. Durante su realización fui miembro activo del grupo dirigido por Iain Crowe en la Universidad de Manchester participando en proyectos, contratos y actividades de difusión científica, con plena autonomía para proponer y coordinar nuevas líneas relacionadas con mi línea de investigación.