灯具反射器课件

10.反射器LightEmittingDiodes(2ndEdition)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：n1n25

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2.0-3.5，产生内部全反射的临界角很小。

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67利用算符运算得关于电场的偏微分方程9由v=c/N得对自由空间复折射率

(complexrefractiveindex)n:通常意义上的折射率10用同样的方法，可得光波的电矢量和磁矢量都按指数规律衰减其能流密度(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，介质中光衰减与光强成正比积分，得对比，得k-消光系数I(x)x=0xx+dxI(0)dI13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17金属-电介质界面的反射率电介质：金属：则|r|≈1,R≈1,对理想金属实际金属的反射率小于118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)N≈1-NL21吸收(“不透明”)反射器厚金属反射器和混合反射器；厚度>50nm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5-10nm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GaInNLED)，粘结芯片的外延层也能用作反射器透可见光的欧姆接触——ITO22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(stopband)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26DBR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.29DBR特性分析将DBR的多层结构等效成单个反射器30DBR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：时31DBR特性分析对比两式得32DBR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)。每一层都不同，需进行优化，使波对数和吸收小，反射光谱带宽宽33DBR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35DBR反射率急剧下降的临界角度外部介质是半导体，折射率为垂直入射()时，在布拉格波长处(即截止带中央)满足布拉格条件λBragg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。36DBR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arcosx≈[2(1-x)]1/2(在x=1附近)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37DBR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38DBR的优化两种DBR互相堆叠Chiou等(2000)：

非吸收性(Al0.4Ga0.6)0.5In0.5P/Al0.5In0.5PDBR——在峰值发射波长590nm处

发生共振；

吸收性AlAs/GaAsDBR——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)

Al2O3——1.75AlGaAs——3.2539DBR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LED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Brewster定律反射光成为只有垂直于入射面分量的线偏振光此时的入射角称为Brewster角41DB-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10to15μm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。42DB-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化44垂直入射(θ=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λ0/(4nli)的情况对发出630nm处光的AlGaInP/SiO2/Ag结构，由公式求得垂直入射时的反射率RODR(θ=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LEDRuO2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λ=450nm处的角平均反射率达98%，远高于用于Al0.25Ga0.75N/GaNLED的DBR(49%)及Ag反射器(94%)46镜面反射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。定义经过N次反射后光强衰减至初始值的1/e，则(1-p)N=1/e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