Silicon Carbide photonic integrated circuits: study of material physical properties and design, fabrication and characterization of innovative active devices

Silicon Carbide (SiC) has gained increasing attention as a promising platform for advanced photonic applications, due to its excellent physical properties, which include a wide bandgap, high thermal conductivity, and large refractive index. This thesis focuses on an exploration of the potential of SiC in photonic applications through the characterization of its optical properties and the design, fabrication, and characterization of optical devices, such as photosensors and optical modulators. For a proper design of the optical devices, an in-depth understanding of the material's optical properties is essential. For this reason, after the study of the refractive index of 4H-SiC, 3C-SiC, and GaN via spectroscopic ellipsometry, the thermo-optic coefficient is experimentally evaluated for 4H-SiC and GaN, from room temperature to ≈500 K, at near-infrared (λ=1550 nm) and visible (λ=632 nm) range. In this thesis, the optical response of 4H-SiC-based photosensors is demonstrated. Specifically, an optically controlled power MOSFET, which comprises real-time optical junction temperature monitoring and its optical driving, is theoretically studied. In addition, an ultraviolet p-i-n photodetector is demonstrated with a responsivity of 0.168 A/W (quantum efficiency of 72.7%) at zero bias, which is the best value if compared to those found in the literature. Then, an ad-hoc numerical model is developed for comprehensive physical characterization. To enable detection in the visible and near-infrared range, where 4H-SiC exhibits transparency, alternative device structures need to be explored. For this purpose, the fabrication and characterization of a Schottky photodetector based on graphene/4H-SiC is demonstrated. The internal responsivity is evaluated at λ=406 nm, λ=633 nm, and λ=785 nm, and it is 3.275 mA/W, 0.268 mA/W, and 56.73 µA/W, respectively. Furthermore, the research involves an amorphous-SiC (a-SiC) thermo-optic modulator (TOM) on a SiC-on-Insulator (SiCOI) platform. Integrated with a Titanium microheater, the TOM demonstrates a noteworthy modulation depth of 96%, with the rise and fall time of 16 µs and 13 µs, respectively. Additionally, a successful demonstration of a single-mode, polarization-independent waveguide based on a 3C-SiC p-i-n structure epitaxially grown on an SOI wafer concludes the study. This comprehensive exploration contributes valuable insights into the potential of SiC for advanced photonic applications, paving the way for further advancements in this field.

Negli ultimi anni, il carburo di silicio (SiC) ha destato particolare interesse come materiale promettente per le applicazioni nel campo della fotonica, grazie alle sue eccezionali proprietà fisiche, tra le quali si evidenziano: la sua ampia banda proibita, la sua elevata conducibilità termica e il suo alto valore di indice di rifrazione. Questa tesi si concentra sull'esplorazione del potenziale del SiC nelle applicazioni ottiche attraverso la caratterizzazione delle sue proprietà ottiche e la progettazione, fabbricazione e caratterizzazione di dispositivi ottici come fotosensori e modulatori. Una conoscenza approfondita delle proprietà ottiche del materiale è essenziale per la corretta progettazione dei dispositivi ottici. Pertanto, dopo lo studio dell'indice di rifrazione del materiale tramite ellissometria spettroscopica, il coefficiente termo-ottico è stato valutato sperimentalmente, in un intervallo di temperature che va dalla temperatura ambiente a circa 500 K, sia nel vicino infrarosso che nel visibile. Per quanto riguarda i dispositivi ottici, è stata presa in considerazione la risposta ottica di tre fotosensori realizzati in 4H-SiC. In particolare, è stato dimostrato teoricamente un nuovo metodo per il controllo in tempo reale della temperatura di giunzione di un MOSFET di potenza mediante un fascio ottico, dimostrando anche l’attivazione ottica del suo canale. Successivamente, è stata studiata la risposta ottica di due diversi fotorivelatori nell'ultravioletto, nel visibile e nel vicino infrarosso. Sono state investigate le prestazioni ottiche di un fotodiodo p-i-n, nell’ultravioletto, che mostra risultati superiori a quelli di altri dispositivi precedentemente dimostrati in letteratura. In seguito, è stato sviluppato un modello numerico ad hoc per una caratterizzazione fisica completa. Per consentire la rilevazione nel visibile e nel vicino infrarosso, dove il 4H-SiC mostra trasparenza, sono state esplorate strutture alternative dei dispositivi. A tal fine, è stata dimostrata la fabbricazione e la caratterizzazione di un fotodiodo Schottky basato su grafene/4H-SiC la cui risposta ottica è stata attestata a tre diverse lunghezze d’onda nel visibile e nel vicino infrarosso, ovvero λ=406 nm, λ=633 nm e λ=785 nm. Infine, è stata condotta un'indagine sulle prestazioni dei modulatori ottici realizzati a partire dal substrato SiC-on-Insulator (SiCOI). In questa ricerca rientra lo studio sperimentale di un modulatore termo-ottico realizzato in carburo di silicio amorfo (a-SiC), i cui risultati si dimostrano essere i primi nella modulazione termo-ottica in SiC. Infine, è stata progettata con successo una guida d’onda ottica con la propagazione di un singolo modo, indipendente dalla polarizzazione, basata su una struttura p-i-n composta da crescite epitassiali consecutive di 3C-SiC.