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Dipartimento di Fisica - Politecnico di Milano

Nanostrutture silicio-germanio per fotonica integrata

 

La tematica di tesi si inquadra in una collaborazione tra i gruppi di nano-ottica, crescita di semiconduttori e litografia elettronica del Dipartimento nell’ambito dello sviluppo di nano- e micro-risonatori a base di Ge e SiGe cresciuti su Si.


Il silicio domina l'industria microelettronica per le sue vantaggiose proprietà fisiche ed elettroniche e per la sua ampia disponibilità. Tuttavia, a causa della sua gap indiretta, è un emettitore di luce molto inefficiente. Per questo soluzioni più costose basate su semiconduttori III-V vengono utilizzate per la fabbricazione di sorgenti laser e la possibilità di combinare funzionalità fotoniche ed elettroniche richiede una piattaforma multi-materiale. Sviluppare la possibilità di un'interfaccia fotonica/elettronica basata su una sola piattaforma tecnologica avrebbe un impatto rivoluzionario nelle telecomunicazioni, interconnessioni on-chip e sensoristica a base silicio.

 

Da questo punto di vista il germanio è un materiale molto promettente perché, oltre ad essere facilmente integrabile su silicio (e dunque compatibile con l’attuale tecnologia CMOS), presenta una gap diretta che è solo 140 meV maggiore di quella indiretta. Ciò, oltre a fornire ottime proprietà di assorbimento al materiale, lo rende anche altamente promettente in vista di applicazioni riguardanti l’emissione (incoerente o coerente) di luce.


Il progetto di ricerca in cui si inquadra la proposta di tesi, finanziato dalla Fondazione Cariplo, si propone di sviluppare sistemi risonanti a base germanio su scale molto ridotte (dell’ordine della lunghezza d’onda emessa) che permettano un accrescimento dell’efficienza di emissione e una migliore integrazione in termini di ridotte dimensioni della cavità.
 

Il lavoro di tesi, dal forte carattere sperimentale, prevede il coinvolgimento dello studente nella progettazione, realizzazione e analisi di nanostrutture ottenute mediante tecniche litografiche a partire da film epitassiali di Ge e SiGe su Si. La parte di progettazione richiede l’utilizzo di codici commerciali di simulazione numerica delle proprietà ottiche di nanostrutture, al fine di ottimizzare il fattore di qualità del risonatore e ridurre le dimensioni delle strutture da fabbricare. La fabbricazione viene effettuata per litografia elettronica presso il polo di Como del Dipartimento. La caratterizzazione ottica presso il laboratorio SNOM del Dipartimento prevede l’analisi microscopica e spettroscopica delle proprietà di emissione delle nanostrutture prodotte.

 

 

(a) Rappresentazione schematica del funzionamento di un risonatore tipo Fabry-Perot;
(b) immagini al microscopio elettronico dei primi prototipi di risonatori;
(c) immagine al microscopio confocale dell'emissione dei risonatori intorno a 1.55  micron.

 



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