Crescimento seletivo para a integração modulador de amplitude/guia de onda

O crescimento seletivo consiste em crescer camadas epitaxiais sobre um substrato previamente processado com um determinado padrão. Áreas do substrato ficam expostas e outras cobertas com óxido de silício. Só haverá crescimento na região exposta. A taxa de crescimento depende da largura tanto da região exposta quanto da região coberta com o dielétrico. O mesmo acontece para a composição de ligas crescidas com essa técnica. Assim, a espessura de poços quânticos crescidos seletivamente e a composição de uma liga utilizada dependem da geometria do padrão no substrato. Dessa forma, é possível obter sobre um mesmo substrato, numa só etapa de crescimento, regiões com espessuras de poços diferentes e composição na liga variada. Consequentemente, haverá regiões com energias de transição óptica diferentes, tornando-se possível a integração de um guia ou de uma fonte de luz com um modulador.

Crescemos, sobre substratos previamente processados com padrões de geometria variada, poços quânticos de InGaAs/InAlAs com o intuito de integrar uma estrutura de modulador de amplitude com uma de guia de onda. A taxa de crescimento e a composição na liga variam dependendo da geometria da máscara utilizada no processamento dos substratos. Primeiramente, tanto a taxa de crescimento como a composição na liga de camadas de InGaAs e de InAlAs foram calibradas usando medidas de raios-x e fotoluminescência a 20 K feitas numa amostra satélite (não processada) e comparando os resultados com medidas de microscopia de força atômica, fotoluminescência e perfilometria espacial nas regiões processadas. É sabido que para crescer compostos contendo In na liga casados  com o substrato de InP, o fluxo da fonte de In deve ser mais elevado que o da de Ga ou Al. Por outro lado, quando o crescimento é feito num substrato processado, tanto o InGaAs quanto o InAlAs são ricos em In comparado com o material crescido numa região não processada do substrato. Uma substancial redução no fluxo da fonte de In (TMIn) em relação ao da de Ga (TMGa) e Al (TMAl) foi observada em função da largura da máscara.

Fig. 1 Concentração de Ga na liga de InGaAs para amostras crescidas com deferentes frações [TMIn / (TMIn + TMGa)] na fase gasosa em funçào da largura máscara (W). A linha pontilhada são ajustes de dacaimento exponencial. A linha horizontal representa o InGaAs casado sobre um substrato de InP.

Fig. 2 Concentração de alumínio na liga de InAlAs para amostras crescidas com deferentes frações [TMIn / (TMIn + TMGa)] na fase gasosa em funçào da largura máscara (W). A linha pontilhada são ajustes de dacaimento exponencial. A linha horizontal representa o InAlAs casado sobre um substrato de InP.

Poços quânticos múltiplos de InGaAs/InAlAs também foram obtidos sobre substratos processados para serem usados na confecção de moduladores de amplitude para aplicação em telecomunicações, portanto em 1.55 µm. Assim, a energia de transição óptica deve ser bem controlada. Essa energia depende tanto da composição na liga dos compostos quanto da espessura dos poços. A composição na liga dos poços e a espessura foram determinadas com um perfilômetro espacial, fotoluminescência resolvida espacialmente e um cálculo da equação de Schrödinger utilizando a aproximação de massa efetiva. O conteúdo de In na liga aumenta exponencialmente com a largura da máscara, mas satura para máscaras de cerca de 40 µm a 50 µm. Dois regimes de crescimento seletivo são observados. Para máscaras até 40 µm tanto a taxa de crescimento quanto a composição na liga influenciam o crescimento seletivo. Para máscaras com mais de 50 µm de largura, a composição na liga se estabiliza e a seletividade ocorre devido à variação na taxa de crescimento.

Fig. 3 Menor energia da transição óptica para várias amostras de poços quânticos múltiplos de InGaAs/InAlAs crescidas com diversas frações [TMIn / (TMIn + TMGa)] na fase gasosa e tempos de crescimento em função da largura da máscara (W). As linhas são ajustes de decaimentos exponenciais.

Fig. 4 Concentração de Ga nas ligas de poços quânticos de InGaAs para dois poços quânticos de InGaAs/InAlAs crescidas com diferentes frações [TMIn / (TMIn + TMGa)] na fase gasosa em função da largura da máscara (W). As linhas são ajustes de decaimentos exponenciais.

Com as estruturas de poços quânticos obtidas seletivamente, um estudo sobre as propriedades de propagação da luz nos guias está em andamento. Parâmetros como recobrimento do modo óptico com a camada guiante da estrutura, campo próximo, acoplamento, perdas de inserção, dependência com a polarização e absorção no guia estão sendo determinados nas estruturas  crescidas seletivamente e nas estruturas crescidas convencionalmente.

Fig. 5 Microscopia de força atômica de um guia de onda crescido num substrato de InP (100) previamente processado por mascaras de larguras de 45 µm de SiO₂ (amostra 389). O guia de onda foi processado no centro da janela de 20 µm onde ocorre o crescimento.

Fig. 6 Imagem de campo próximo de um feixe guiado ao longo do guia de onda de uma amostras crescida num substrato de InP previamente processado (amostra 389).

• Influence of mask design on the selectivity mechanisms of InGaAs/InAlAs quantum wells grown on patterned substrates

  F. Racedo, M. P. Pires, B. Yavich, L. C. D. Gonçalves e P. L. Souza

  Materials Science and Engineering B: Solid-State Materials For Advanced Technology 74, 12, 2000.

• Influence of mask design on the optical transition energy of InGaAs/InAlAs quantum wells grown by selective area epitaxy

  B. Yavich, F. Racedo, M. P. Pires, L. C. D. Gonçalves e P. L. Souza

  Proceedings da 8th European Workshop on Metalorganic Vapor Phase Epitaxy, Praga, República Tcheca, junho de 1999.

• Influence of mask design on the selectivity mechanisms of InGaAs/InAlAs quantum wells grown on patterned substrates.

  F. Racedo, M. P. Pires, B. Yavich, L. C. D. Gonçalves e P. L. Souza

  Proceedings da 3rd International Conference on Low Dimensional Structures and Devices, Antalya, Turquia, setembro de 1999.