如何有效的提高LED照明的亮度

電子發(fā)光被稱為電致發(fā)光，允許半導(dǎo)體二極管發(fā)光的偶然物理現(xiàn)象為LED指示器創(chuàng)造了一個(gè)巨大的產(chǎn)業(yè)。但是，當(dāng)試圖提高LED指示燈的光輸出以使其適合于一般照明時(shí)，工程師面臨一個(gè)大問題。實(shí)際上只有一小部分光子從器件發(fā)出。其余部分被內(nèi)部反射并被晶體重新吸收，產(chǎn)生不必要的熱量。

本文將解釋為什么會(huì)出現(xiàn)這個(gè)問題以及高亮度LED制造商正在采取的克服它的步驟。

折射率不匹配

穿過不同介質(zhì)（如半導(dǎo)體和空氣）的光線以不同的速度通過每種介質(zhì)移動(dòng)，導(dǎo)致光線在從一種介質(zhì)傳遞到另一種介質(zhì)時(shí)改變方向。兩種介質(zhì)的折射率的不匹配越大，光在通過時(shí)彎曲的越多。圖1說明了這種效應(yīng)。圖1：當(dāng)光線進(jìn)入折射率較高的材料時(shí)，光線向法線彎曲。當(dāng)移動(dòng)到折射率較低的材料時(shí)，光線會(huì)偏離正常。 （來源：Rick Reed）

當(dāng)光線進(jìn)入折射率較低的介質(zhì)時(shí)，它會(huì)偏離法線。如果入射角足夠大，則折射角變得很大，使得光線不會(huì)穿過兩種材料之間的邊界，而是使反射光重新進(jìn)入。這種情況稱為全內(nèi)反射。用于LED的光子發(fā)射元件（例如，砷化鎵（GaAs）和氮化鎵（GaN））的半導(dǎo)體類型具有大約3.7的高折射率?？諝獾恼凵渎事源笥?.相比之下，金剛石的折射率為2.4，水的折射率為1.3。

即使兩種材料的折射率存在很小的不匹配，也可能發(fā)生光的全內(nèi)反射。因此，僅產(chǎn)生的光總量的一小部分逸出沉積在平坦基板上的薄LED發(fā)光層。對于立方體形狀的LED，產(chǎn)生的光量略大或約為總量的百分之十。雖然在立方體形狀的LED中有更多的光子面逃逸，但是從一個(gè)面反射的光線很可能以相同的角度撞擊另一個(gè)面，并在芯片內(nèi)部反彈直到它被重新吸收。

設(shè)計(jì)人員可以對LED的發(fā)光模式進(jìn)行建模。圖2顯示了具有不透明底層的立方形LED的典型發(fā)光模式，假設(shè)光從芯片 ［1］ 中間的點(diǎn)光源發(fā)出。實(shí)際上，立方形LED中的發(fā)光比該圖中所示的更復(fù)雜，因?yàn)楣馐菑男酒瑑?nèi)部的區(qū)域發(fā)射的，而不是點(diǎn)光源。如圖所示，光從LED表面的一小部分發(fā)出。其余的光線在內(nèi)部反射并產(chǎn)生不必要的熱量。

圖2：來自具有不透明底層的立方形LED中的點(diǎn)源的發(fā)光錐。

整形和粗化

全內(nèi)反射是LED制造商在設(shè)計(jì)LED器件時(shí)發(fā)出盡可能多的光而不會(huì)變得太熱的主要挑戰(zhàn)。幸運(yùn)的是，有幾種技術(shù)可以提高LED的發(fā)光效率。第一種技術(shù)是改變芯片的形狀，使得發(fā)射的光子更有可能在發(fā)射后立即或在一次或兩次內(nèi)部反射之后以接近正常的入射角撞擊刻面。

實(shí)現(xiàn)這種技術(shù)的一種方法是改變模具的形狀，使不同的小平面不平行或彼此成直角。設(shè)計(jì)師測試了三角形，五邊形和八邊形等形狀。立方形LED的最佳光提取效率約為13％。三角形LED的最佳光提取效率僅為15％以上。其他形狀導(dǎo)致光提取效率接近20％。

最終的形狀是一個(gè)完美的球體，使得每個(gè)光子以正常角度撞擊半導(dǎo)體和空氣邊界，至少對于上面提到的點(diǎn)光源情況。

不幸的是，半導(dǎo)體制造工藝不適合制造除立方體以外的任何形狀的模具，因?yàn)樗褂弥变徢懈顏韽木A上去除模具。因此，制造成型模具需要額外的制造步驟，這可能變得昂貴。

更具成本效益和實(shí)用的替代方案是在從晶片切割出單個(gè)管芯之前使管芯的上表面變粗糙。使模具的上表面粗糙化確保半導(dǎo)體和空氣邊界包括隨機(jī)角度的數(shù)千個(gè)微小刻面，從而提高光子以接近法線的角度接近邊界的可能性。根據(jù)在倫斯勒理工學(xué)院 ［2］ 進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)，粗糙化上表面可以將發(fā)光效率從不到10％提高到僅超過20％。

制造商提供具有良好提取效率的設(shè)備，使用具有粗糙上表面的LED并將LED封裝在環(huán)氧樹脂或硅膠中，并使用半球形透鏡。我們將很快探討封裝。

Cree推出XM-L LED系列。這些器件是高功率LED，發(fā)光效率值高達(dá)140 lm/W，采用帶有圓頂?shù)谋砻尜N裝封裝（圖3）。

圖3：采用半球形鏡頭的Cree XM-L LED。 （資料來源：Cree）

歐司朗提供OSLON SSL系列產(chǎn)品，該系列產(chǎn)品的發(fā)光效率值介于70至97 lm/W之間，采用圓形鏡片和圓頂設(shè)計(jì)。

封裝

另一種在高亮度LED制造商中普及的技術(shù)是用一種折射率接近半導(dǎo)體的材料封裝LED。這可以在器件封裝期間完成，并且比成型模具便宜得多。

半導(dǎo)體和密封劑的折射率越接近，意味著光子可以以更高的入射角撞擊邊界并仍然被發(fā)射。因此，圖1中所示的光錐更寬，并且發(fā)射效率增加。光子必須穿過密封劑和空氣之間的第二邊界，但內(nèi)部反射受到限制，因?yàn)檫吔缤ǔＪ菆A頂形的。邊界通常也充當(dāng)鏡頭，因此幾乎所有光子都以正常角度擊中它。圖4示出了具有和不具有頂表面粗糙度的三個(gè)芯片的提取效率作為密封劑折射率的函數(shù)。密封劑折射率為2.5時(shí)，萃取效率提高到70％。

圖4：三種芯片的提取效率，作為密封劑折射率的函數(shù)，有或沒有頂面粗糙化。 （資料來源：倫斯勒理工學(xué)院。）

不幸的是，具有最佳折射率的密封劑很少且價(jià)格昂貴。商業(yè)上可獲得的密封劑，例如環(huán)氧樹脂或硅樹脂，具有約1.4至1.55的折射率。盡管如此，設(shè)計(jì)人員應(yīng)考慮使用帶有未成形但表面粗糙的LED芯片的材料，以將提取效率提高到45％。