DBR — 分布ブラッグ反射鏡

概要

分布ブラッグ反射鏡（DBR）は、ブラッグ回折の原理に基づいて設計された高効率な光学反射構造です。屈折率の異なる2種類の材料を周期的（ABABAB…）に交互積層して構成され、図1に示すとおりです。各層は精密な厚さ——通常はその材料中での目標波長の4分の1、すなわち λ/4n——で成膜され、設計波長の光はすべての界面で強め合い、他の波長は位相差により打ち消されます。

すべての界面で位相条件が満たされるため、適切に設計された積層は非常に高い反射率——通常99%以上——を達成し、屈折率差や層厚を調整することで中心波長と反射帯域の両方をシフトできます。

4分の1波長条件

各層の厚さ dᵢ は、その光学厚さが参照波長 λ の4分の1になるように、以下のブラッグ反射関係式に従って選定します。ここで nᵢ はその層の屈折率であり、物理的な厚さは屈折率に反比例します。同じ積層では高屈折率層のほうが低屈折率層より薄くなります。

反射率・帯域・中心波長

DBRの反射率は、2つの材料間の屈折率差と周期数に依存します。層数が多く周期数が大きいほど反射率は高くなり、図2に示すとおりです。

反射特性は以下の関係式で決まります。nH・tH は高屈折率材料とその層厚、nL・tL は低屈折率材料とその層厚、λ0 は中心波長、Δλ0 は高反射帯域、N は周期数、R は全体反射率、na・nb は積層両側の屈折率です。材料の選定と厚さ・周期数などのパラメータ設定により、光学系の要求に応じた反射特性曲線をもつDBR多層膜を設計できます。

DBR膜層の材料選択

DBRの積層に用いられる材料には2種類あります。半導体材料と絶縁（誘電体）材料です。

半導体材料

屈折率差が小さい——多くの周期が必要

絶縁体材料

屈折率差が大きい——少ない対数で足りる

GaN系LEDにおけるDBR反射層の役割

GaNエピタキシャル層はサファイア基板上に成長し、サファイア基板は透光性が高い材料です。エピ層が電界発光した後、サファイア基板側へ向かう光は、そのままでは封止材に直接吸収されてしまいます。

分布ブラッグ反射鏡を追加すると（図4に示すとおり）、この光を反射して取り出すことができ、光子の損失を減らしてLEDの光取出し効率を高められます。

GINECHIPのDBR・光学コーティング能力

GINECHIPは光学多層膜積層を自社で成膜し、その前後のリソグラフィ、エッチング、平坦化、接合の各工程と統合します。これにより分布ブラッグ反射鏡を複数ベンダーに分けることなく、1つのプロセスフロー内で設計・成膜・検証できます。