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

本文將解釋為什么會出現(xiàn)這個問題以及高亮度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(如半導體和空氣)的光線以不同的速度通過每種介質移動，導致光線在從一種介質傳遞到另一種介質時改變方向。兩種介質的折射率的不匹配越大，光在通過時彎曲的越多。圖1說明了這種效應。圖1：當光線進入折射率較高的材料時，光線向法線彎曲。當移動到折射率較低的材料時，光線會偏離正常。 (：Rick Reed)

當光線進入折射率較低的介質時，它會偏離法線。如果入射角足夠大，則折射角變得很大，使得光線不會穿過兩種材料之間的邊界，而是使反射光重新進入。這種情況稱為全內反射。用于LED的光子發(fā)射元件(例如，砷化鎵(GaAs)和氮化鎵(GaN))的半導體類型具有大約3.7的高折射率。空氣的折射率略大于1.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)生光的全內反射。因此，僅產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，但是從一個面反射的光線很可能以相同的角度撞擊另一個面，并在芯片內部反彈直到它被重新吸收。

設計人員可以對LED的發(fā)光模式進行建模。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，假設光從芯片 [1] 中間的點光源發(fā)出。實際上，立方形LED中的發(fā)光比該圖中所示的更復雜，因為光是從芯片內部的區(qū)域發(fā)射的，而不是點光源。如圖所示，光從LED表面的一小部分發(fā)出。其余的光線在內部反射并產生不必要的熱量。

圖2：來自具有不透明底層的立方形LED中的點源的發(fā)光錐。

整形和粗化

全內反射是LED制造商在設計LED器件時發(fā)出盡可能多的光而不會變得太熱的主要挑戰(zhàn)。幸運的是，有幾種技術可以提高LED的發(fā)光效率。第一種技術是改變芯片的形狀，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部反射之后以接近正常的入射角撞擊刻面。

實現(xiàn)這種技術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。設計師測試了三角形，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。其他形狀導致光提取效率接近20%。

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

不幸的是，半導體制造工藝不適合制造除立方體以外的任何形狀的模具，因為它使用直鋸切割來從晶圓上去除模具。因此，制造成型模具需要額外的制造步驟，這可能變得昂貴。

更具成本效益和實用的替代方案是在從晶片切割出單個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體和空氣邊界包括隨機角度的數(shù)千個微小刻面，從而提高光子以接近法線的角度接近邊界的可能性。根據在倫斯勒理工學院 [2] 進行的實驗，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：Cree)

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

封裝

另一種在高亮度LED制造商中普及的技術是用一種折射率接近半導體的材料封裝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，但內部反射受到限制，因為邊界通常是圓頂形的。邊界通常也充當鏡頭，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，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：倫斯勒理工學院。)

不幸的是，具有最佳折射率的密封劑很少且價格昂貴。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，設計人員應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%。