DBR — 분산 브래그 반사기

개요

분산 브래그 반사기(DBR)는 브래그 회절 원리에 기반한 고효율 광학 반사 구조입니다. 굴절률이 다른 두 재료를 주기적으로(ABABAB…) 교대 적층하여 구성하며, 그림 1과 같습니다. 각 층은 정밀한 두께 — 일반적으로 해당 재료 내 목표 파장의 1/4, 즉 λ/4n — 로 증착되어 설계 파장의 빛은 모든 계면에서 보강 간섭하고 다른 파장은 상쇄됩니다.

모든 계면에서 위상 조건이 충족되므로 잘 설계된 적층은 매우 높은 반사율 — 일반적으로 99% 이상 — 을 달성하며, 굴절률 차이나 층 두께를 조정해 중심 파장과 반사 대역폭을 모두 이동시킬 수 있습니다.

1/4 파장 조건

각 층의 두께 dᵢ는 광학 두께가 기준 파장 λ의 1/4이 되도록 아래 브래그 반사 관계식에 따라 선택합니다. 여기서 nᵢ는 해당 층의 굴절률이므로 물리적 두께는 굴절률에 반비례합니다. 같은 적층에서 고굴절률 층이 저굴절률 층보다 얇습니다.

반사율, 대역폭 및 중심 파장

DBR의 반사율은 두 재료 간 굴절률 차이와 주기 수에 따라 달라집니다. 층과 주기가 많을수록 반사율이 높아지며, 그림 2와 같습니다.

반사 특성은 아래 관계식으로 결정됩니다. nH와 tH는 고굴절률 재료와 그 층 두께, nL과 tL은 저굴절률 재료와 그 두께, λ0는 중심 파장, Δλ0는 고반사 대역폭, N은 주기 수, R은 전체 반사율, na와 nb는 적층 양측의 굴절률입니다. 재료를 선택하고 두께, 주기 수 등의 파라미터를 설정하면 광학 시스템 요구에 맞는 반사 특성 곡선을 갖는 DBR 다층막을 설계할 수 있습니다.

DBR 막층 재료 선택

DBR 적층을 만드는 데 사용되는 재료는 두 가지입니다. 반도체 재료와 절연(유전체) 재료입니다.

반도체 재료

굴절률 차 작음 — 많은 주기 필요

절연체 재료

굴절률 차 큼 — 적은 쌍으로 충분

GaN 기반 LED에서의 역할

GaN 에피택셜 층은 투광성이 좋은 사파이어 기판 위에 성장합니다. 에피층이 전계 발광하면 사파이어 기판 쪽으로 향하는 빛은 그대로 패키징 재료에 흡수됩니다.

분산 브래그 반사기를 추가하면 — 그림 4와 같이 — 이 빛을 소자 밖으로 반사시켜 광자 손실을 줄이고 LED의 광 추출 효율을 높입니다.

GINECHIP의 DBR 및 광학 코팅 역량

GINECHIP은 광학 다층막 적층을 자체 공정으로 증착하고 전후 공정인 포토리소그래피, 에칭, 평탄화, 접합과 통합합니다. 따라서 분산 브래그 반사기를 여러 공급업체로 나누지 않고 하나의 공정 흐름 안에서 설계·증착·검증할 수 있습니다.