Современные светодиоды

Отражатели с круговой направленностью

В настоящее время существует потребность в токопроводящих все­направленных резонаторах, обладающих высокой отражательной спо­собностью. Высококонтрастные зеркала Брэгга в воздухе демонстриру­ют всенаправленные отражательные характеристики. Кандидатом для использования в таких зеркалах Брэгга является пара материалов: кремний (п « 3,5 при А = 1 мкм) и SiC>2 (п и 1,46). Имеются данные об оптических свойствах всенаправленных отражателей, созданных на основе зеркал Брэгга из Si/SiC>2 и других систем материалов (Chen et al., 1999; Bruyant et al., 2003).

В отражателях с зеркалами Брэгга нетрудно получить круговые характеристики отражения поперечных электрических (ТЕ) волн, но добиться круговых характеристик для поперечных магнитных (ТМ) волн очень сложно. Препятствием для этого является угол Брюстера, при котором коэффициент отражения ТМ волн снижается до нуля. Диапазон углов вывода излучения 0° < © < 90° во внешней среде с низким показателем преломления, например в воздухе, превращается внутри материала с более высоким показателем преломления, например в зеркале Брэгга, в диапазон 0° < в < 90°. И если угол Брюстера не будет входить в этот диапазон внутренних углов, зеркало Брэгга можно считать всенаправленным отражателем.

Круговые характеристики отражения получаются на зеркалах Брэг­га со слоями из полистирола и теллура (Fink et al., 1998). Поскольку эти материалы обладают большой разницей в показателях преломления (^polyster = 1.8, ПТе = 5), лучи света из внешней воздушной среды, падающие на поверхность таких зеркал, не имеют возможности по­пасть в область, задаваемую углом Брюстера 0в, в результате чего в такой структуре отражателя для фотонов с длинами волн в диапазоне 10-15 мкм формируется запрещенная зона.

Другим интересным направлением в разработке всенаправленных отражателей является использование полимеров, обладающих свой­ством двойного лучепреломления. Такие полимеры в плоскостях, па­раллельных и перпендикулярных поверхности слоя, имеют разные по­казатели преломления (Weber et al., 2000). Задавать угол Брюстера можно подбором соответствующей разности показателей преломления полимера. Возможно получение углов Брюстера, превышающих 90°, а также его мнимых значений. Это означает, что волны с ТМ-поляри - зацией отражаются практически при любых углах падения.

К сожалению, все перечисленные всенаправленные отражатели со­стоят в основном из диэлектрических материалов, что делает практи­чески невозможным их использование в составе светодиодов.

Металлы способны отражать излучение в широком диапазоне длин волн и углов падения. Их область непрозрачности (высокой отража­тельной способности) ограничена плазменной частотой газа свободных электронов (Drude, 1904; Lorentz, 1909). Однако возбуждение элек­тронов, вызванное излучением, падающим на поверхность металлов, расходуется не только на отражение света, но и на его поглощение, что связано с электрон-фононным рассеянием. Поэтому для чисто ме­таллических отражателей характерны большие потери при отражении, особенно при использовании материалов с высокими показателями преломления.

На рис. 10.12 показан отражатель, обладающий высокой отража­тельной способностью и круговыми характеристиками отражения, спо­собный проводить ток (Schubert, 2001, 2004). Он состоит из трех слоев: полупроводникового, диэлектрического и металлического и называется трехслойным отражателем с круговой направленностью. В диэлектри­ческом слое сделан ряд микроконтактов, обеспечивающих электропро­водность всей структуры. Показатель преломления диэлектрического слоя должен быть как можно более низким для обеспечения большего различия в показателях преломления с соседними полупроводнико­вым и металлическим слоями. Из-за высоких коэффициентов погло­щения показатели преломления металлов выражаются комплексными числами.

На рис. 10.13 представлены зависимости отражательной способно­сти трехслойного отражателя с круговой направленностью от длины волны и углов падения излучения, рассчитанные матричным методом. Здесь же приведены аналогичные зависимости для двух типов зеркал Брэгга (Gessmann et al., 2003). Видно, что трехслойный отражатель обладает круговой направленностью отражательных характеристик и обеспечивает высокий коэффициент отражения в широком диапазоне

У {Ап) ^--------------------------------------------------- ^

§

металл (большое

слой с низким показателем значение к) преломления (и ~ 1,4) микроконтакты (покрывают ~1 % поверхности) полупроводник (п ~ 3,3)

Рис. 10.12. Структура отражателя с круговой направленностью, состоящего из трех слоев: полупроводникового, диэлектрического и металлического. Микро­контакты, выполненные в диэлектрическом слое, обеспечивают электропровод­ность всей структуры (Gessmann et al., 2003)

длин волн. Однако при углах падения ~ 30° на отражательных ха­рактеристиках ТМ-волн наблюдается небольшой провал коэффициента отражения. Этот провал вызван снижением отражательной способно­сти границы раздела полупроводник-диэлектрик для лучей, падающих под углом Брюстера. Интегральная отражательная способность трех­слойных отражателей очень велика и может даже превышать 99 %.

Для нормально падающих лучей (0 = 0°), коэффициент отражения трехслойного всенаправленного отражателя определяется следующим аналитическим выражением:

RoDR — ^[(fts Tlli) ' {P'li “Ь ftm) “Ь (щ 4" Пц) • +

"Ь [(ft-s Щі) ’ kjn - f* (тіц Пт) • (Jig -|- 77-^)] ^ X

^ ftZi) ’ (nu -|- Tim) “b (ft's 'П'іі) * ^*m] “b

_ _ _ _ _ _ -2

“b [(^s “b ft/і) ' km + (Пц Пт) ’ (ft’s Щі)] j > (10.30)

где пц и ns — показатели преломления диэлектрика и полупровод­ника, Nm = nm + ikm — комплексный показатель преломления метал­ла. В уравнении предполагается, что толщина диэлектрического слоя с низким показателем преломления равна Ао/(4пц), т. е. этот слой является четвертьволновым. Для структуры Al/InGaP/Si02/Ag, излу­чающей свет с длиной волны 630 нм, из уравнения (10.30) следует, что ее Rodr(0 — 0°) = 98,8%. Для структуры без диэлектрического слоя эта величина составляет 96,1%.

В работе Гессиана (Gessmann et al., 2003) описаны светодиоды AlInGaP с трехслойными всенаправленными отражателями, излучаю­щие на длине волны 650 нм. Площадь микроконтактов в них состав-

ляла 1 % от поверхности слоя. На рис. 10.14 показаны зависимости выходной оптической мощности от тока инжекции для нескольких типов светодиодов. Видно, что светодиоды с отражателями с круговой направленностью обладают большей выходной мощностью, чем свето­диоды с зеркалами Брэгга.

Были также созданы светодиоды с всенаправленными отражателя­ми на основе InGaN (Kim et al., 2004). Отражатели состояли из оми­ческого контакта R11O2, слоя GaN р-типа, четвертьволнового слоя Si02 с низким показателем преломления с сеткой микроконтактов и слоя серебра. Из расчетов следует, что для отражателей GaN/Si02/Ag сред­неугловая отражательная способность для излучения с длиной волны А = 450 нм составляет 98 %, что гораздо выше, чем у распределенных зеркал Брэгга Alo^sGaojsN/GaN (49%) и серебряных отражателей (94%). Было показано, что отражатели Ru02/Si02/Ag обладают более высоким коэффициентом отражения, чем зеркала Ni/Au и даже само серебро. Поэтому светодиоды на основе InGaN с всенаправленными от­ражателями также имеют и самый высокий коэффициент оптического вывода излучения. По электрическим свойствам светодиоды с отража­телями с круговой направленностью сравнимы со светодиодами с кон­тактами Ni/Au. На рис. 10.15 представлены в сравнении электрические и оптические характеристи светодиодов InGaN с всенаправленными отражателями.