Современные светодиоды

Металлические отражатели, отражающие и прозрачные контакты

Металлические отражатели с зеркальными поверхностями на гра­ницах раздела металл-воздух — это зеркала, обладающие высоки­ми отражательными характеристиками и используемые человечеством в течение нескольких тысячелетий. Для металлических отражателей характерны высокие значения коэффициента отражения в широком диапазоне длин волн и слабая зависимость отражательной способности от угла падения лучей. Первые высококачественные металлические зеркала применялись в астрономических телескопах (Bell, 1922).

На рис. 10.2 показана полученная экспериментально спектральная характеристика отражательной способности границы раздела серебро - воздух для нормально падающих лучей. Эта характеристика отличает­ся широкой полосой с высокой отражательной способностью и средним коэффициентом отражения 98,5%.

Коэффициент отражения излучения на границе раздела металличе­ского отражателя и внешней среды может быть найден при помощи

уравнения Френеля: _ ___

Er = JV-i - N2 Ei Ni+N2’

где N і и N2 — комплексные показатели преломления двух сред.

Интенсивности излучения, отраженного от границы двух сред и прошедшего через нее, пропорциональны квадратам напряженностей соответствующих электрических полей. Коэффициент отражения мощности излучения определяется выражением

R=H = м2 =

Eif

Из закона сохранения энергии вытекает соотношение для нахождения коэффициента пропускания мощности излучения через отражатель без потерь:

Т=1-Д. (10.3)

Поскольку в металлах всегда происходят потери излучения, ко­эффициент пропускания излучения в случае толстых металлических слоев приближенно равен нулю, т. е. Т « 0. Для нахождения отражаю­щей способности границы раздела металл-диэлектрик можно восполь­зоваться уравнением Френеля. Представив _комплексные показатели преломления диэлектрика и металла в виде N =щ и N2 = щ +гк2, получим уравнения для оценки коэффициента отражения зеркальной поверхности:

_ П1 - n2+ik2 „ (пі - п2)2 + к22 ппдч

ni+n2-ik2 (щ +п2)2 + kl'

Идеальные металлы обладают высокой проводимостью (а —> оо) и, следовательно, у них к —> оо. Заметим, что проводимость а и мнимая часть _показателя преломления к связаны соотношени­ем а = 2п - и ■ єо • к. Следует также отметить, что коэффициент погло­щения а можно найти при помощи выражения а = 4тгк/о. Тогда для идеальных металлов справедливы соотношения

|r| « 1, R~ 1, фт = ,к. (10.5)

Отсюда следует, что коэффициенты отражения идеальных металлов равны единице, а фазовый, сдвиг излучения при отражении от идеаль­ных металлических зеркал равен ж.

Проводимость реальных металлов, хотя и очень высокая, но не бес­конечно большая, поэтому их отражающая способность всегда меньше единицы. В работе Друде (Drude, 1904) предложена модель для_ана - лиза потерь в металлах. В табл. 10.1 представлены значения пик для нескольких металлов и полупроводников;

Используя уравнение (10.4), можно рассчитать коэффициенты от­ражения от границ раздела металл-воздух и металл-полупроводник. Результаты расчетов приведены в табл. 10.2. Как следует из нее, в ви­димой области спектра коэффициенты отражения на границах раздела металл-полупроводник всегда ниже, чем на границах металл-воздух.

Это связано с меньшей разницей показателей преломления металлов и полупроводников, чем металлов и воздуха.

Таблица 10.2. Расчетные значения коэффициентов отражения от границ раз­дела металл-воздух и металл-полупроводник при толщине металла 0,5 мкм

и 1,0 мкм

При всей простоте и широкой распространенности металлических отражателей зеркала имеют существенный недостаток — довольно вы­сокие потери. Потери при единичном отражении на границе раздела металл-полупроводник в таких отражателях, 1 — R, составляют ~ 5%, Они становятся еще более ощутимыми в случае излучения, проходяще­го по волноводам (рис. 10.3). Интенсивность затухания волноводных мод можно оценить при помощи соотношения

I/Jo = Rn = (1 - L)n и 1 - NL, (10.6) ,

где N — число отражений при прохождении оптической волны через волновод, L = 1 — R — потери при отражении (L> 1, поэтому й» 1). Из уравнения (10.6) видно, что небольшие изменения коэффициента отражения R (всего на несколько процентов) при большом числе отра­жений внутри волновода могут привести к существенному снижению интенсивности волноводных мод (например в два раза).

В работе (Horng et al., 1999а, 1999b) описаны светодиоды на ос­нове AlInGaP, в которых для повышения коэффициента оптического вывода излучения используются отражатели металл-полупроводник. Слоистую структуру таких светодиодов можно представить в виде AlInGaP/AuBe/Si02/Si. Граница раздела p-типа AlInGaP-AuBe, выпол-

няет две функции — отражателя и омического контакта с большой пло­щадью поверхности. Слой АиВе также играет роль поставщика акцеп­торов (Be), обеспечивающих низкое сопротивление контакта. Контакты отжигают при 450 °С в течение 15 мин. Рассматриваемые светодиоды изготавливают по технологии соединения подложек с использованием кремниевых подложек. По окончании выращивания требуемой струк­туры подложка GaAs, на которой выращивались эпитаксиальные слои, удаляется. Поскольку кремний по сравнению с GaAs обладает более высокой теплопроводностью, полученные светодиоды имеют более низ­кие температуры переходов и меньший сдвиг длины волны излучения, вызванный джоулевым нагревом. Интенсивность излучения светодио­дов на основе AlInGaP с металлическими отражателями выше, чем у диодов с зеркалами Брэгга, выращенных на подложках GaAs.

Омические контакты с низким сопротивлением формируются ме­тодом отжига и сплавления. Типичные температуры отжига сплавных контактов лежат в интервалах 375-450 °С для арсенидов и фосфидов III группы и выше 600 °С для нитридов III группы. При отжиге кон­тактов не только меняется вид металлической поверхности от гладкой до шероховатой, но также происходит уменьшение их оптической от­ражательной способности.

На практике также используют несплавные контакты, для нане­сения которых на полупроводник не требуются высокие температу­ры. Для обеспечения хороших вольтамперных характеристик таких контактов поверхность полупроводниковых слоев должна быть сильно легирована. Однако даже при выполнении этого условия сопротивление несплавных контактов обычно выше, чем у сплавных.

Толстые металлические и гибридные отражатели являются погло­щающими, и их нельзя использовать в структурах светодиодов для вывода излучения. При толщине более 50 нм металлические омические контакты фактически непрозрачны. Поэтому при достаточно толстых слоях металла пропускная способность гибридных отражателей стано­вится близкой к нулю (Tu et al., 1990).

Очень тонкие металлические контакты полупрозрачны. При тол­щине металлической пленки 5-10 нм коэффициент пропускания боль­шинства металлов приблизительно равен 50%. Для получения более точного значения коэффициента пропускания света в расчетах необхо­димо учитывать не только действительную, но и мнимую часть пока­зателя преломления (Palik, 1998). Однако очень тонкие металлические контакты могут иметь бугристую структуру. К тому же электрическое сопротивление металлических пленок может быть очень большим, осо­бенно если их структура бугристая.

В светодиодах на прозрачных подложках, например AlInGaP на подложке GaP, часть света, излучаемого активной областью, попадает на контакт подложки. Для увеличения отражательной способности обратной стороны подложки иногда используют контакт, закрывающий лишь незначительную часть ее поверхности — многополосковый или кольцевой. Применение проводящей Ag-содержащей эпоксидной смолы для крепления кристалла светодиода к корпусу обеспечивает высокую отражательную способность в участках, не покрытых омическим кон­тактом.

Эпоксидная смола для крепления кристаллов с прозрачными под­ложками в корпус, например в светодиодах на основе InGaN на сапфи­ровых подложках, также играет роль отражателя. Такая смола обла­дает не только хорошей проводимостью, но и высоким коэффициентом отражения, поэтому ее использование может привести к росту коэф­фициента оптического вывода излучения светодиодов с прозрачными подложками.

Существуют омические контакты, прозрачные для видимого света. В состав таких контактов входит оксид индия и олова, часто сокра­щенно называемый ITO (indium tin oxide) (Ray et al., 1983; Shen et al., 1998; Margalith et al., 1999; Merge 1 et al., 2000; Shin et al., 2001). Эти материалы можно считать полупроводниками на основе оксида олова, легированными индием. Индий замещает олово, выполняя роль акцептора. Удельное сопротивление контактов на основе оксидов индия и олова обычно выше сопротивления сплавных металлических контак­тов.