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1、10.反射器,Light Emitting Diodes(2nd Edition),1,内容提要,引论光的传播、全反射、吸收金属反射器分布布拉格反射器(DBR)全方向反射器(ODR)镜面反射器和漫反射器小结,2,引论,3,光从介质1向介质2传播,介质对光的吸收(),折射折射定律、全反射,反射镜面反射、漫反射,Snell 定律：,n1,n2,4,全反射,条件：光密介质(折射率大)到光疏介质；入射角大于等于临界角,应用：光导(波导 waveguide),5,内部全反射是半导体发光器件中的一个主要问题，因为全反射阻碍了半导体芯片的出光耦合。,由于半导体的折射率很大，通常为，产生内部全反射的临界角很小
2、。对于III-V族砷化物和磷化物(3.0)，内部全反射问题很严重；对III-V 族氮化物(2.0)，问题略有缓和。,有机发光二极管(OLED)几乎不存在内部全反射因为有机材料的折射率很低。,光在导电介质中的传播吸收,服从Maxwell方程组,对均匀各项同性介质,对光学波长,6,7,利用算符运算,8,考虑沿x方向传播的平面电磁波(电场沿y方向，磁场沿z方向),解得,9,由 v=c/N,得,对自由空间,复折射率(complex refractive index),n:通常意义上的折射率,10,用同样的方法，可得,其能流密度(以坡印廷矢量表示)正比于电矢量和磁矢量振幅的乘积,因此,11,另一方面，介
3、质中光衰减与光强成正比,积分，得,对比，得,k-消光系数,I(x),12,最后，讨论光学常数与电学常数的关系,对比实部和虚部，得,说明对于非导电材料，没有吸收，材料为透明状,13,光在导电媒介中传播与在电介质中传播的性质相似，所不同的是：,在电介质中，电磁波的传播无衰减“透明”在半导体或金属内，波的振幅随透射深度增加而减小,14,对反射器的一般要求,具有高反射率,高反射率对应的波长范围宽截止带宽,反射率受入射角影响小全方向性,金属反射器,15,金属-空气反射器的优点：,在很宽的波长范围内反射率高波长依赖性小反射率受入射角影响小角度(方向)依赖性小,16,反射率与透过率,T=1-R,根据能量守恒
4、，反射能流和透射能流之和等于入射能流,规定反射率为界面反射能流密度与入射能流密度之比,根据Fresnel公式，可推导得,17,金属-电介质界面的反射率,电介质：,金属：,则,|r|1,R1,对理想金属,实际金属的反射率小于1,18,部分金属-空气、金属-半导体反射器的反射率计算值,19,镜面损耗,发生一次反射的光损耗为 L=1-R,对于波导模式，损耗量很可观,I/I0=RN=(1-L)N1-NL,20,合金反射器,退火及合金过程形成低电阻欧姆接触；退火过程中，金属表面从光滑变成粗糙，反射率降低。,实例：Horng等将金属-半导体反射器用于AlGaInP LED，提高了取光效率。发光器件的各层顺
5、序为A1GaInP/AuBe/SiO2/Si,非合金反射器,非合金接触不需退火就能沉积在半导体上；接触电阻高于合金的接触电阻。,21,吸收(“不透明”)反射器,厚金属反射器和混合反射器；厚度50 nm时，金属接触实际上是不透明的,半透明反射器,非常薄的金属接触；对5-10 nm的金属膜厚度，大多数金属接触的透过率约为50%薄金属膜的电阻可能很大，尤其形成孤岛结构时,透明反射器,透明衬底 LED；为增加背面反射率，可采用仅含一小部分衬底的欧姆接触结构(多带形接触或环形接触)对生长在透明材料上的LED(如生长在蓝宝石衬底上GaInN LED)，粘结芯片的外延层也能用作反射器透可见光的欧姆接触ITO
6、,22,分布布拉格反射器(DBR),DBR的位置及作用,在吸收型衬底LED结构中，在衬底和有源区之间加入反射器，减少衬底对光的吸收；,只要反射器透明，可通过增加反射器对数增加反射率,23,反射率截止带(stop band),24,DBR 结构,DBR为多层结构，每一层由折射率不同的两种材料构成由于折射率不同，每个界面上都发生Fresnel反射通常两种材料的折射率差异很小，因此一层的Fresnel反射也很小合理选择两种材料的厚度，所有反射波发生结构干涉,对垂直入射，当两种材料的厚度取1/4波长(及其奇数倍)时，满足结构干涉条件,对斜入射情况，波向量可分解为平行量和垂直量。和垂直入射情形类似，DB
7、R层的厚度必须是波矢量垂直分量上波长的1/4(及其奇数倍)。,对于1/4波对足够多的DBR，可获得接近100%的反射率,25,对DBR的要求,由于DBR顶部通常生长有双异质结构，两者必须晶格匹配以避免失配性位错,除非DBR材料的折射率相差大，否则DBR材料的各组分应对工作波长范围透明,作为电流通道的DBR必须导电,26,DBR特性分析,DBR的两种材料为电介质，折射率分别为 和，这两种材料共有m对,每种材料的单层厚度取1/4波长：,DBR的周期为：Ll+Lh.,27,DBR特性分析,垂直入射到单一界面的反射率为,m对1/4波对的DBR在布拉格波长处的反射率为,截止带宽为,28,DBR特性分析,
8、实际上，光只能穿透有限对材料对，有效穿透对数为,对厚 DBR,29,DBR特性分析,将DBR的多层结构等效成单个反射器,30,DBR的反射率,在从金属镜面反射的波在z=0 处的相位差为,DBR特性分析,穿透深度：,31,DBR特性分析,对比两式,得,32,DBR特性分析,层厚不取1/4波长时，反射率减小，但截止带宽增加,实际DBR各层材料有吸收，最大反射率100%,DBR材料可以是透明或是吸收型的，吸收型对反射率上限有限制，但可以通过：采用折射率差异大的两种材料增加层数(对数)获得高反射率,实际应用时，实际应用中，透明层用于DBR的顶部(外沿边)附近，吸收层朝向DBR的底部(衬底边)。每一层都
9、不同，需进行优化，使波对数和吸收小，反射光谱带宽宽,33,DBR两种材料的折射率差异产生的影响,折射率差异大，则：反射率更大；反射率截止带更宽,34,透明和吸收性DBR的反射率计算值随波长和入射极角的变化规律,DBR的缺点：只在小入射角下反射率高,35,DBR反射率急剧下降的临界角度,外部介质是半导体，折射率为,布拉格波长会随入射角偏移。但是只要入射角足够小，截止带宽与入射角无关。,36,DBR反射率急剧下降的临界角度,于是，临界角满足条件：,再应用随角度变化的布拉格波长表达式和截止带宽表达式，得,解得,临界角受外部介质的折射率影响很大，如果外部介质是高折射率的半导体，很难获得全方向反射特性,
10、37,DBR反射率急剧下降的临界角度,实际算例,考虑以 GaP(=3.1)作为外部介质的AlAs/GaAs()DBR,接近于垂直入射，全方向反射特性差,38,DBR的优化,两种DBR互相堆叠 Chiou等(2000)：非吸收性(Al0.4Ga0.6)0.5In0.5P/Al0.5In0.5P DBR 在峰值发射波长590 nm处 发生共振；吸收性 AlAs/GaAs DBR折射率差异大,非周期性DBR截止带宽度更宽,高折射率差异材料 Chiou等(2003)Al2O31.75 AlGaAs3.25,39,DBR的问题,电流垂直于层面传导时，DBR的电阻很大。这么大的电阻会产生高正向电压，在LE
11、D和激光器结构中会产生大问题。大电阻是由突兀的异质结产生的。异质结给载流子传输设置了障碍。通过抛物线成分分级能完全去除异质结障碍。使DBR异质结产生的大电阻不再成为问题。,40,全方向反射器(ODR),光的偏振特性,二向色性(dichroism)某些晶体对偏振方向不同的电矢量具有选择性吸收,此时的入射角称为Brewster角,41,DB-ODR,把空气作为外层介质，用高差异折射率DBR能说明全方向反射(ODR)的特点,Brewster 角处，TE波具有全方向性的高反射率，而TM波得反射率降低到零，Brewster 角成为TM波获得全方向特性的障碍,采用聚苯乙烯和碲(Te)的DB-ODR也获得了
12、很好的全方向反射特性，因为两种材料的反射率差异很大，使从空气中入射的光在界面处达不到Brewster角，因此在10 to 15 m范围内获得了完整的光子带宽。,采用双折射聚合物，调整两个方向折射率的差异，可控制Brewster角的大小。Brewster角增加到高达90(掠入射)时，反射率甚至可能是虚数，这样使TM波对任何大小的入射角都具有高反射率。,42,DB-ODR应用有限，因为其组分材料为绝缘体,纯金属反射器，特别是用于高折射率材料时，反射损失很大,三层结构ODR,半导体层、电介质层和金属层,电介质层中用微结构阵列穿孔，实现导电。,43,三层结构ODR和两种DBR的反射率随波长和入射角的变
13、化,44,垂直入射(=0)时，三层结构ODR的反射率可由下式求得,公式适用于低折射率电介质层(如1/4波层)且厚度为0/(4nli)的情况,对发出630 nm处光的 AlGaInP/SiO2/Ag 结构，由公式求得垂直入射时的反射率 RODR(=0)为98.8%，而无介质层结构相应的反射率为96.1%。,45,采用GaInN材料体系的ODR型 LED,RuO2层与p型GaN实现欧姆接触；低折射率SiO2层厚度为1/4波长，受微接触穿孔 Ag层,=450 nm处的角平均反射率达98%，远高于用于Al0.25Ga0.75N/GaN LED的DBR(49%)及 Ag 反射器(94%),46,镜面反射
14、器和漫反射器,朗伯体光源(反射体)的辐亮度 是与观察角度无关的常数,朗伯余弦定理,47,朗伯反射器中的光逃逸,因为朗伯反射器使反射光强遵循余弦变化规律,反射光进入逃逸光锥角 范围内的概率为,利用Snell定律，得,48,假设朗伯反射体的反射率为一个单位(R=1.0),半导体内部的光强按几何级数衰减。,经N次反射后，光强衰减至(1-p)N。,平均反射次数,例：n1=2.5(GaN),n2=1(空气)，求的N=5.7，说明光线大约经过6次反射后逃逸出波导,49,对反射表面进行机械粗化通常会使镜面反射变为漫反射,漫反射器的实现,多孔硅(有选择地镀一种金属)具有漫反射特性，在孔和硅的界面处发生多次折射、反射和散射，使光子的传播方向不确定,制做理想的朗伯反射器需要反射器的粗糙度很大(大于光的波长),许多真实表面纹理的反射器混有镜面反射和漫反射特性，而沿镜面反射方向有一个整体取向,50,51,小结,光在导电媒介中的传播吸收,光在界面处的特性反射、折射,金属反射器结构简单反射率高全方向性好,DBR通过增加层数提高反射率只有小角度入射时反射率高,ODRTM波的Brewster角限制,镜面反射、全反射波导模式漫反射光逃逸,52,谢谢观赏,
