Wie verteilte Bragg-Reflektoren in LED- und VCSEL-Bauelementen funktionieren: Viertelwellenstapel, Reflexions- und Bandbreitendesign, Halbleiter- versus Dielektrikum-Materialsysteme und der Rückseitenreflektor in GaN-LEDs.
λ/4n (Viertelwelle)Schichtdicke
> 99%Typische Reflexion
Δn bis 1,5Indexkontrast der Dielektrika
SiO₂ / Ti₃O₅Stapel für GaN-LED
Übersicht
Ein verteilter Bragg-Reflektor (DBR) ist eine hocheffiziente optische Reflexionsstruktur nach dem Prinzip der Bragg-Beugung. Er besteht aus zwei Materialien mit unterschiedlichen Brechungsindizes, die periodisch abwechselnd gestapelt sind (ABABAB…), siehe Abb. 1. Jede Schicht wird mit präziser Dicke abgeschieden — üblicherweise ein Viertel der Zielwellenlänge im jeweiligen Material, λ/4n — sodass Licht der Designwellenlänge an jeder Grenzfläche konstruktiv interferiert, während andere Wellenlängen sich auslöschen.
Da die Phasenbedingung an jeder Grenzfläche erfüllt ist, erreicht ein gut ausgelegter Stapel eine sehr hohe Reflexion — typischerweise über 99% — und lässt sich über den Brechungsindexkontrast oder die Schichtdicken abstimmen, wodurch sich sowohl die Mittenwellenlänge als auch die Reflexionsbandbreite verschieben lassen.
Fig. 1Schema eines DBR-Multischichtstapels
Die Viertelwellen-Bedingung
Die Dicke dᵢ jeder Schicht wird so gewählt, dass ihre optische Dicke ein Viertel der Referenzwellenlänge λ beträgt, gemäß der untenstehenden Bragg-Beziehung. Dabei ist nᵢ der Brechungsindex der Schicht, die physikalische Dicke ist also umgekehrt proportional zum Index: Hochindexschichten sind dünner als Niedrigindexschichten im selben Stapel.
Eq. 1Viertelwellen-Dickenbedingung für jede Schicht im Stapel
Reflexion, Bandbreite und Mittenwellenlänge
Die Reflexion eines DBR hängt vom Brechungsindexkontrast der beiden Materialien und von der Periodenzahl ab: je mehr Schichten und Perioden, desto höher die Reflexion, siehe Abb. 2.
Die Reflexionscharakteristik wird durch die untenstehenden Beziehungen bestimmt: nH und tH sind das Hochindexmaterial und seine Schichtdicke, nL und tL das Niedrigindexmaterial und seine Dicke, λ0 die Mittenwellenlänge, Δλ0 die Hochreflexionsbandbreite, N die Periodenzahl, R die Gesamtreflexion sowie na und nb die Indizes beiderseits des Stapels. Materialwahl und die Einstellung von Dicke, Periodenzahl und weiteren Parametern erlauben die Auslegung des Stapels auf eine geforderte Reflexionskurve.
Eq. 2Auslegungsgleichungen für Schichtdicke, Periodenzahl und ReflexionFig. 2Reflexion als Funktion der Wellenlänge im DBR
Materialsysteme für DBR
Für DBR-Stapel werden zwei Materialfamilien verwendet: Halbleiter und dielektrische (isolierende) Materialien.
Halbleiter-DBRs
Ein Halbleiter-DBR kann Strom durch den Stapel führen und ist damit mit vertikalen Strompfaden kompatibel. Kristallgitterangepasste Halbleiter unterscheiden sich jedoch meist nur geringfügig im Brechungsindex, sodass für eine hohe Reflexion viele Schichten und damit viele Perioden nötig sind.
Besteht der Stapel aus zwei Halbleitern mit unterschiedlichen Bandlücken, erzeugen die Leitungs- und Valenzbandversätze zwischen ihnen eine elektrische Barriere, die den Ladungsträgertransport blockiert — besonders ausgeprägt in p-GaN. Dotierung senkt den Widerstand, erhöht aber gleichzeitig die optische Absorption im Stapel.
Dielektrische (isolierende) DBRs
Isolatorpaare haben einen deutlich größeren Brechungsindexunterschied, sodass eine hohe Reflexion mit weit weniger Paaren erreicht wird. SiO₂/TiO₂ und SiO₂/Ta₂O₅ sind zum Mainstream geworden, weil ihr Indexkontrast groß ist (Δn erreicht 0,9 bis 1,5) und die Abscheideprozesse ausgereift sind.
Der DBR in einer GaN-LED ist typischerweise ein SiO₂-/Ti₃O₅-Stapel mit einem Brechungsindex von 1,46 für SiO₂ und 2,35 für Ti₃O₅. SiO₂ ist wegen seines niedrigen Index ein sehr wichtiges Dünnschichtmaterial: Es ist beständig gegen Zersetzung und Absorption, streut gut und ist von 160 bis 8000 nm transparent — deshalb wird es so häufig mit Ti₃O₅ kombiniert. Ti₃O₅ wird ebenso breit in Multischichten eingesetzt: hoher Brechungsindex, transparent im sichtbaren Bereich und sehr hart.
Halbleiter-DBRsGeringer Indexkontrast — viele Perioden nötig
Dielektrische (isolierende) DBRsGroßer Indexkontrast — wenige Paare genügen
Fig. 3Stapelvergleich: viele dünne Perioden beim Halbleiter-DBR gegenüber wenigen dicken Paaren beim dielektrischen DBR
Rolle in GaN-basierten LEDs
GaN-Epitaxieschichten werden auf einem Saphirsubstrat gewachsen, das hochtransparent ist. Nach der Elektrolumineszenz der Epischicht würde Licht, das zur Saphirseite läuft, andernfalls direkt vom Verpackungsmaterial absorbiert.
Ein zusätzlicher verteilter Bragg-Reflektor — siehe Abb. 4 — reflektiert dieses Licht wieder aus dem Bauelement heraus, verringert den Photonenverlust und erhöht die Lichtausbeute der LED.
Fig. 4Rückseitenreflektor in einem LED-Chip
GINECHIP-Fähigkeiten für DBR und optische Beschichtungen
GINECHIP schließt optische Multischichtstapel im eigenen Haus ab und integriert sie mit den umgebenden Schritten aus Strukturierung, Ätzen, Planarisierung und Bonden — ein verteilter Bragg-Reflektor lässt sich so in einem einzigen Prozessablauf auslegen, abscheiden und verifizieren, statt auf mehrere Anbieter verteilt zu werden.
Abscheidung von Multischichtstapeln
PVD-Sputtern (DC, RF, Magnetron, reaktiv), Elektronenstrahl- und thermische Verdampfung, PECVD, LPCVD, ALD und Galvanik für dielektrische und Halbleiter-Multischichtstapel.
Dicken- und Optikkontrolle
Spektroskopische Ellipsometrie und Reflektometrie auf Monitorwafern halten die Viertelwellendicke über den Wafer und von Run zu Run im Ziel, mit regelmäßiger Prozessfähigkeitsberichterstattung.
Materialien und Substrate
SiO₂-, TiO₂-, Ta₂O₅-, Ti₃O₅-, Al₂O₃-, HfO₂- und Si₃N₄-Schichten auf Silizium-, Saphir-, Glas-, Quarz-, GaAs-, SiC- und GaN-on-Sapphire-Wafern.
Strukturierung und Integration
Fotolithografie, Lift-off, dielektrisches Rückätzen, CMP-Planarisierung und Wafer-Bonden integrieren den Reflektor in einen vollständigen Bauelementablauf statt in einen isolierten Beschichtungsschritt.
Messtechnik und Qualität
REM, AFM, spektroskopische Ellipsometrie, optische Profilometrie, Vierpunktmessung und XRD begleiten jedes Los — gestützt auf ISO 9001:2015, SEMI-Konformität und ITAR-Registrierung.
Volumen und Flexibilität
Von Einzel-Wafer-Engineering-Runs bis zur Pilotproduktion auf Fragmenten und 100- bis 300-mm-Wafern, mit einem Konformitätszertifikat für den gesamten Prozessablauf.
DBR-Dünnschichtstapel auf Ihren Wafern?
GINECHIP schließt dielektrische und Halbleiter-Multischichtstapel mittels Sputtern, PECVD, ALD und Verdampfung ab, mit Inline-Dicken- und Optikmesstechnik für LED-, VCSEL- und Photonik-Wafer von 100 bis 300 mm. Nennen Sie uns Zielwellenlänge, Reflexion und Bandbreite für eine Prozessprüfung.
