灯具反射器PPT课件

1、1 灯具反射器 10. 反射器 Light Emitting Diodes (2nd Edition) 2 灯具反射器 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 3 灯具反射器 引论 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 1 1 2 Snell 定律： 2 2 1 1sinsinnn n1n2 )/arcsin( 90 12crit1, 2 nn 4 灯具反射器 全反射 条件条件： 光密介质(折射率大)到光疏介质； 入射角大于等于临界角 应用应用： 光导

2、(波导 waveguide) 5 灯具反射器 内部全反射是半导体发光器件中的一个主要问题， 因为全反射阻碍阻碍了半导体芯片的出光耦合出光耦合。 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。 6 灯具反射器 光在导电介质中的传播吸收 服从Maxwell方程组 0 0 D B t D JH t B E ED HB EJ 0r 0r 对均匀各项同性介质 对光学波长 1 r

3、0 0 0r 0 E H t E EH t H E 7 灯具反射器 )()( 2 2 0r 0 0 t E t E H t E EEE 2 )( 利用算符运算 0 2 2 0r 00 2 t E t E E 得关于电场的偏微分方程 8 灯具反射器 )-(iexp 0 v x t EEy 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) 代入 0 r0 02 i1 v 解得 0 2 2 0r 00 2 t E t E E 9 灯具反射器 由 v=c/N v c N 2 2 2 0 0 0 22 ) i ( rcN 得 0 r0 02 i1 v 对自由空间0,1,1 r N 0 0 1

4、 c 0 2 i rN 是复数时，当N0 knNi 复折射率 (complex refractive index) n: 通常意义上的折射率 10 灯具反射器 )(iexp)exp( 0 c nx t c kx EEy knNi )-(iexp 0 v x t EEy )(iexp)exp( 0 c nx t c kx HHz 用同样的方法，可得 )exp( c kx 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 ) 2 exp( 0 c kx I I 因此 HES E c E N HES 2 0 0 2 0 000 22 1 11 灯具反

5、射器 I x I d d 另一方面，介质中光衰减与光强成正比 eI I x 0 积分，得 ) 2 exp( 0 c kx I I k c k42 对比，得 k-消光系数 I(x) x=0 x x+dx I (0) dI 12 灯具反射器 c nk c kn c kn c N v 22 22 2 2 2 2 2 2 i i 1)( 最后，讨论光学常数与电学常数的关系 0 r0 02 i1 v 0 0 1 c 0 r 22 2 nk kn 对比实部和虚部，得 )11( 2 1 )11( 2 1 2 0 2 r 2 2 2 2 0 2 r 2 2 2 r r k n 解得 00k， 说明对于非导电材

6、料，没 有吸收，材料为透明状 13 灯具反射器 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 灯具反射器 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 15 灯具反射器 金属反射器 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 灯具反射器 反射率与透过率 12 12 r i ENN r E NN 2 22 2 12 12 22 1212 | | | | | | r

7、i ENN NN R r E NNNN T=1-R 根据能量守恒，反射能流和透射能流之和等于入射能流 规定反射率反射率为界面反射能流密度与入射能流密度之比 E c E N HES 2 0 0 2 0 000 22 1 根据Fresnel公式，可推导得 HES 17 灯具反射器 金属-电介质界面的反射率 电介质： 11Nn 金属： 222iNnk 则 122 122 i nnk r i nnk 2 2 12 2 2 2 12 2 () () nnk R nnk |r|1, R1, 对理想金属 k, 实际金属的反射率小于1 18 灯具反射器 部分金属-空气、金属-半导体反射器的反射率计算值 19

8、灯具反射器 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 灯具反射器 合金反射器 退火及合金过程形成低电阻低电阻欧姆接触； 退火过程中，金属表面从光滑变成粗糙，反射率反射率降低降低。 实例：Horng等将金属-半导体反射器用于AlGaInP LED，提高 了取光效率。发光器件的各层顺序为A1GaInP/AuBe/SiO2/Si 非合金反射器 非合金接触不需退火不需退火就能沉积在半导体上； 接触电阻高电阻高于合金的接触电阻。 21 灯具反射器 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

9、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 22 灯具反射器 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

10、23 灯具反射器 反射率截止带(stop band) 24 灯具反射器 DBR 结构 DBR为多层结构多层结构，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 )4/(4/ n t h1, 0h1,h1, 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，DBR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)。 )cos4/()cos4/(

11、h1, h1, 0h1,h1,h1, n t 对于1/4波对足够多的DBR，可获得接近100%的反射率 真空Bragg波长 25 灯具反射器 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 灯具反射器 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 ln hn 每种材料的单层厚度取1/4波长： lBragg l / (4) L n hBragg h / (4) L n DBR的周期为：Ll+Lh. 27 灯具

12、反射器 DBR特性分析 垂直入射到单一界面的反射率为 nn nn r 1h 1h m对1/4波对的DBR在布拉格波长处的反射率为 )/( )/( | 2 2 2 2 1 1 nn nn rR m m h1 h1 DBRDBR 截止带宽为 n n eff Bragg stopband 2 )( 11 2 1 nn n h1 eff 28 灯具反射器 DBR特性分析 实际上，光只能穿透有限对材料对，有效穿透对数为 )2tanh( 2 1 1h 1h 1h 1h eff nn nn m nn nn m 对厚 DBR, m 1)2tanh( 1h 1h nn nn m 则 nn nn m 1h 1h

13、eff 2 1 29 灯具反射器 DBR特性分析 将DBR的多层结构等效成单个反射器 30 灯具反射器 e pen Bragg i DBRDBR L rr )(2 | DBR的反射率 e pen )/i( metalmetal L z rr 22 0 | | 在从金属镜面反射的波在z=0 处的相位差为 DBR特性分析 )2tanh( 4 mr r LL L 21 pen 穿透深度： m时 nn nnLL r LL L 1h 1h2121 pen 44 31 灯具反射器 DBR特性分析 对比两式 nn nnLL r LL L 1h 1h2121 pen 44 nn nn m 1h 1h eff

14、2 1 得 )()2/1 ( LLmL21effpen 32 灯具反射器 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 都不同，需进行优化，使波对数和吸收小，反射光谱 带宽宽 33 灯具反射器 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

15、灯具反射器 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 灯具反射器 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 0n 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 0 Bragg 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 灯具反射器 DBR反射率急剧下降的临界角度 于是，临界角满足条件： stopbandCBraggBraggBragg 2 1 )() 0 ( 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 nnn n n n 021 BraggC

16、 1 0 Bragg 1 ) 0 (2)cos(1) 0 ( 解得 1 ) 2 (1arccos nnn n n n 0210 1 C arcos x2(1-x)1/2 (在x=1附近) nn n nn n 2100 1 C 22 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 37 灯具反射器 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 GaPn AlAsGaAs 3.0;3.5 nn 5.20 C 接近于垂直入射，全方向反射特性差 38 灯具反射器 DBR的优化 两种

17、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 灯具反射器 DBR的问题 电流垂直于层面传导时，DBR的电阻很大电阻很大。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

18、质结 产生的大电阻不再成为问题。 40 灯具反射器 全方向反射器(ODR) 光的偏振特性 二向色性二向色性(dichroism) 某些晶体对偏振方向不同的电矢量具有选 择性吸收 Brewster定律定律 时 2 21 ii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 1 2 10arctan n n i 41 灯具反射器 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(

19、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 灯具反射器 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。

20、43 灯具反射器 三层结构ODR和两种DBR的反射率随波长和入射角的变化 44 灯具反射器 垂直入射(=0)时，三层结构ODR的反射率可由下式求得 )()()()( )()()()( 22 22 nnnn k nn k nnnnnn nnnn k nn k nnnnnn R m1i1is m 1is m 1 sm1i1is m1i1is m 1is m 1ism1i1is ODR i 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 灯具反射器 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 灯具反射器 镜面反射器和漫反射器 朗伯朗伯体体光源(反射体)的辐亮度 是与观察角度无关的常数 朗伯余弦定理朗伯余弦定理 cos I I