כיצד פועלים מחזירי בראג מבוזרים בהתקני LED ו-VCSEL: מקבצי שכבות ברבע גל, תכנון החזרתיות ורוחב פס, מערכות חומרים מוליכים למחצה לעומת דיאלקטריות, והמחזיר האחורי ב-LED מבוסס GaN.
מחזיר בראג מבוזר (DBR) הוא מבנה החזרה אופטי בעל יעילות גבוהה המבוסס על עקרון עקיפת בראג. הוא מורכב משני חומרים בעלי מקדמי שבירה שונים הנערמים לסירוגין במחזוריות (ABABAB…), כפי שמוצג באיור 1. כל שכבה מושקעת בעובי מדויק — בדרך כלל רבע מאורך הגל היעד בתוך אותו חומר, λ/4n — כך שאור באורך הגל המתוכנן מתחזק באופן בונה בכל ממשק ואורכי גל אחרים מתבטלים.
מכיוון שתנאי הפאזה מתקיים בכל ממשק, מקבץ מתוכנן היטב מגיע להחזרתיות גבוהה מאוד — בדרך כלל מעל 99% — וניתן לכוונן אותו על ידי שינוי ניגודיות מקדמי השבירה או עובי השכבות, ובכך להזיז גם את אורך הגל המרכזי וגם את רוחב פס ההחזרה.
העובי dᵢ של כל שכבה נבחר כך שהעובי האופטי שלה יהיה רבע מאורך הגל הייחוס λ, לפי יחס החזרת בראג שלהלן. כאן nᵢ הוא מקדם השבירה של השכבה, ולכן העובי הפיזי הפוך למקדם: שכבות בעלות מקדם גבוה דקות יותר משכבות בעלות מקדם נמוך באותו מקבץ.
ההחזרתיות של DBR תלויה בניגודיות מקדמי השבירה בין שני החומרים ובמספר המחזורים: ככל שיש יותר שכבות ומחזורים, ההחזרתיות גבוהה יותר, כפי שמוצג באיור 2.
מאפיין ההחזרה נקבע על ידי היחסים שלהלן, כאשר nH ו-tH הם החומר בעל מקדם השבירה הגבוה ועובי שכבותו, nL ו-tL החומר בעל המקדם הנמוך ועוביו, λ0 אורך הגל המרכזי, Δλ0 רוחב פס ההחזרה הגבוהה, N מספר המחזורים, R ההחזרתיות הכוללת, ו-na ו-nb המקדמים משני צידי המקבץ. בחירת החומרים וקביעת העובי, מספר המחזורים ושאר הפרמטרים מאפשרות לתכנן את המקבץ לעקומת החזרה נדרשת.
לבניית מקבצי DBR משתמשים בשתי משפחות חומרים: מוליכים למחצה וחומרים דיאלקטריים (מבודדים).
DBR מוליך למחצה יכול להוליך זרם דרך המקבץ, ולכן הוא מתאים לנתיבי זרם אנכיים. ואולם מוליכים למחצה מותאמי סריג נבדלים בדרך כלל רק במעט במקדם השבירה, ולכן נדרשות שכבות רבות — ומכאן מחזורים רבים — כדי להגיע להחזרתיות גבוהה.
כאשר המקבץ בנוי משני מוליכים למחצה בעלי פער אנרגיה שונה, ההיסטים ברצועת ההולכה וברצועת הערכיות ביניהם יוצרים מחסום חשמלי החוסם מעבר נושאי מטען — בעיה חמורה במיוחד ב-p-GaN. סימום מפחית את ההתנגדות אך במקביל מגביר את הבליעה האופטית במקבץ.
לזוגות מבודדים ניגודיות מקדמי שבירה גדולה בהרבה, ולכן משיגים החזרתיות גבוהה עם מספר זוגות קטן בהרבה. SiO₂/TiO₂ ו-SiO₂/Ta₂O₅ הפכו לבחירה המרכזית משום שהניגודיות גדולה (Δn מגיע ל-0.9–1.5) ותהליכי ההשקעה בשלים.
ה-DBR ב-LED מבוסס GaN הוא בדרך כלל מקבץ SiO₂ / Ti₃O₅, עם מקדם שבירה 1.46 ל-SiO₂ ו-2.35 ל-Ti₃O₅. SiO₂ הוא חומר שכבה דקה חשוב מאוד בזכות מקדמו הנמוך: הוא עמיד לפירוק ולבליעה, מפזר היטב ושקוף מ-160 עד 8000 ננומטר, ולכן הוא משולב לעיתים קרובות עם Ti₃O₅. Ti₃O₅ נמצא בשימוש נרחב גם במקבצים רב-שכבתיים — מקדם השבירה שלו גבוה, הוא שקוף בתחום הנראה וקשה מאוד.
שכבות אפיטקסיאליות של GaN גדלות על מצע ספיר, שהוא שקוף מאוד. לאחר האלקטרולומינסנציה של שכבת האפי, אור הנע לכיוון הספיר היה נבלע ישירות בחומר האריזה.
הוספת מחזיר בראג מבוזר — כפי שמוצג באיור 4 — מחזירה את האור החוצה מההתקן, מפחיתה אובדן פוטונים ומעלה את יעילות הוצאת האור של ה-LED.
GINECHIP משקיעה מקבצי שכבות אופטיים בבית ומשלב אותם עם שלבי הליתוגרפיה, התחריט, השיטוח וההצמדה שסביבם, כך שניתן לתכנן, להשקיע ולאמת מחזיר בראג מבוזר בתוך זרימת תהליך אחת במקום לפצל אותו בין מספר ספקים.
ריסוס PVD (DC, RF, מגנטרון, ריאקטיבי), אידוי בקרן אלקטרונים ותרמי, PECVD, LPCVD, ALD וציפוי אלקטרוליטי עבור מקבצי שכבות דיאלקטריים ומוליכים למחצה.
אליפסומטריה ורפלקטומטריה ספקטרוסקופיות על פרוסות ניטור שומרות על עובי רבע הגל ביעד across הפרוסה ומריצה לריצה, עם דיווח תקופתי על יכולת התהליך.
שכבות SiO₂, TiO₂, Ta₂O₅, Ti₃O₅, Al₂O₃, HfO₂ ו-Si₃N₄ על פרוסות סיליקון, ספיר, זכוכית, קוורץ, GaAs, SiC ו-GaN-on-sapphire.
ליתוגרפיה, הרמה (lift-off), תחריט חזרה דיאלקטרי, שיטוח CMP והצמדת פרוסות משלבים את המחזיר בזרימת התקן מלאה ולא כשלב ציפוי בודד.
SEM, AFM, אליפסומטריה ספקטרוסקופית, פרופילומטריה אופטית, מדידת ארבע נקודות ו-XRD מלווים כל אצווה, בגיבוי הסמכת ISO 9001:2015, עמידה בתקני SEMI ורישום ITAR.
מהרצות הנדסיות של פרוסה בודדת ועד ייצור פיילוט על שברים ופרוסות 100 עד 300 מ״מ, עם תעודת התאמה אחת המכסה את כל זרימת התהליך.
GINECHIP משקיעה מקבצי שכבות דקות דיאלקטריים ומוליכים למחצה בשיטות ריסוס, PECVD, ALD ואידוי, עם מטרולוגיית עובי ואופטיקה בקו, עבור פרוסות LED, VCSEL והתקנים פוטוניים מ-100 עד 300 מ״מ. שלחו אורך גל יעד, החזרתיות ורוחב פס לבדיקת תהליך.