如何有效的提高LED照明的亮度

电子发光被称为电致发光，允许半导体二极管发光的偶然物理现象为LED指示器创造了一个巨大的产业。但是，当试图提高LED指示灯的光输出以使其适合于一般照明时，工程师面临一个大问题。实际上只有一小部分光子从器件发出。其余部分被内部反射并被晶体重新吸收，产生不必要的热量。

本文将解释为什么会出现这个问题以及高亮度LED制造商正在采取的克服它的步骤。

折射率不匹配

穿过不同介质（如半导体和空气）的光线以不同的速度通过每种介质移动，导致光线在从一种介质传递到另一种介质时改变方向。两种介质的折射率的不匹配越大，光在通过时弯曲的越多。图1说明了这种效应。图1：当光线进入折射率较高的材料时，光线向法线弯曲。当移动到折射率较低的材料时，光线会偏离正常。 （来源：Rick Reed）

当光线进入折射率较低的介质时，它会偏离法线。如果入射角足够大，则折射角变得很大，使得光线不会穿过两种材料之间的边界，而是使反射光重新进入。这种情况称为全内反射。用于LED的光子发射元件（例如，砷化镓（GaAs）和氮化镓（GaN））的半导体类型具有大约3.7的高折射率。空气的折射率略大于1.相比之下，金刚石的折射率为2.4，水的折射率为1.3。

即使两种材料的折射率存在很小的不匹配，也可能发生光的全内反射。因此，仅产生的光总量的一小部分逸出沉积在平坦基板上的薄LED发光层。对于立方体形状的LED，产生的光量略大或约为总量的百分之十。虽然在立方体形状的LED中有更多的光子面逃逸，但是从一个面反射的光线很可能以相同的角度撞击另一个面，并在芯片内部反弹直到它被重新吸收。

设计人员可以对LED的发光模式进行建模。图2显示了具有不透明底层的立方形LED的典型发光模式，假设光从芯片 ［1］ 中间的点光源发出。实际上，立方形LED中的发光比该图中所示的更复杂，因为光是从芯片内部的区域发射的，而不是点光源。如图所示，光从LED表面的一小部分发出。其余的光线在内部反射并产生不必要的热量。

图2：来自具有不透明底层的立方形LED中的点源的发光锥。

整形和粗化

全内反射是LED制造商在设计LED器件时发出尽可能多的光而不会变得太热的主要挑战。幸运的是，有几种技术可以提高LED的发光效率。第一种技术是改变芯片的形状，使得发射的光子更有可能在发射后立即或在一次或两次内部反射之后以接近正常的入射角撞击刻面。

实现这种技术的一种方法是改变模具的形状，使不同的小平面不平行或彼此成直角。设计师测试了三角形，五边形和八边形等形状。立方形LED的最佳光提取效率约为13％。三角形LED的最佳光提取效率仅为15％以上。其他形状导致光提取效率接近20％。

最终的形状是一个完美的球体，使得每个光子以正常角度撞击半导体和空气边界，至少对于上面提到的点光源情况。

不幸的是，半导体制造工艺不适合制造除立方体以外的任何形状的模具，因为它使用直锯切割来从晶圆上去除模具。因此，制造成型模具需要额外的制造步骤，这可能变得昂贵。

更具成本效益和实用的替代方案是在从晶片切割出单个管芯之前使管芯的上表面变粗糙。使模具的上表面粗糙化确保半导体和空气边界包括随机角度的数千个微小刻面，从而提高光子以接近法线的角度接近边界的可能性。根据在伦斯勒理工学院 ［2］ 进行的实验，粗糙化上表面可以将发光效率从不到10％提高到仅超过20％。

制造商提供具有良好提取效率的设备，使用具有粗糙上表面的LED并将LED封装在环氧树脂或硅胶中，并使用半球形透镜。我们将很快探讨封装。

Cree推出XM-L LED系列。这些器件是高功率LED，发光效率值高达140 lm/W，采用带有圆顶的表面贴装封装（图3）。

图3：采用半球形镜头的Cree XM-L LED。 （资料来源：Cree）

欧司朗提供OSLON SSL系列产品，该系列产品的发光效率值介于70至97 lm/W之间，采用圆形镜片和圆顶设计。

封装

另一种在高亮度LED制造商中普及的技术是用一种折射率接近半导体的材料封装LED。这可以在器件封装期间完成，并且比成型模具便宜得多。

半导体和密封剂的折射率越接近，意味着光子可以以更高的入射角撞击边界并仍然被发射。因此，图1中所示的光锥更宽，并且发射效率增加。光子必须穿过密封剂和空气之间的第二边界，但内部反射受到限制，因为边界通常是圆顶形的。边界通常也充当镜头，因此几乎所有光子都以正常角度击中它。图4示出了具有和不具有顶表面粗糙度的三个芯片的提取效率作为密封剂折射率的函数。密封剂折射率为2.5时，萃取效率提高到70％。

图4：三种芯片的提取效率，作为密封剂折射率的函数，有或没有顶面粗糙化。 （资料来源：伦斯勒理工学院。）

不幸的是，具有最佳折射率的密封剂很少且价格昂贵。商业上可获得的密封剂，例如环氧树脂或硅树脂，具有约1.4至1.55的折射率。尽管如此，设计人员应考虑使用带有未成形但表面粗糙的LED芯片的材料，以将提取效率提高到45％。