提高Led出光效率的途径

如何把LED透镜的光学效率提高到99%

如何把LED透镜的光学效率提高到99%？功率型LED用于照明领域越来越成熟，为达到良好配光效果而采用了二次光学透镜，为满足不同效果而设计的各种性质的透镜，其使用材料大多为光学级亚克力（PMMA），其透光率约为92%。

您可能要说了，是啊，材料透光率已经92%了，你凭什么说能做到99%呢？客官莫急，听我道来：引起光损失的主要有以下两方面原因：1、透射界面的反射损失2、光学材料本身的吸收损失界面反射导致的光损失往往被忽视，大家更多关心的是材料本身的吸收。

其实，对于透射率较高、体量较小的透镜而言，界面反射造成的损失远远比材料本身吸收的损失要更大。

什么是界面反射损失？光线经过折射率有差异的的界面，均要发生界面反射，有必然的反射损失。

反射光通量与入射光通量之比称为反射系数（反射率）所以，普通透镜在使用时，光线是这样损失的：假设芯片发的光是104，通过一次透镜（封装）出来，经过一次界面损耗4%，剩下100；进入二次透镜时，又经过一次界面损耗4%，剩下96；从二次透镜出来，又是一次界面损耗4%，最终剩下92。

图：普通透镜的光损失情况如果把一、二次透镜之间的空隙填满呢？减少两次界面损耗，听上去是个好主意！这样，填胶透镜在使用时，光线是这样损失的：芯片发的光还是104，通过一次透镜出来，没有界面，没有损耗，剩下104；进入二次透镜时，没有界面，没有损耗，剩下104；从二次透镜出来，这次有界面损耗了，4%，最终剩下100！图：填满一次、二次透镜间隙的光损失情况100％－92％＝8％，光效提升8％这个“填满”的方法，就是“自适应胶体”技术自适应胶体技术透镜优点：1、透镜透光率超过99%，有些光源还能超过100%；2、与普通的路灯透镜对比，效率提升8~10%；透镜和胶体是这个样子的：图：填胶透镜图：自动填满间隙的胶体不能只是吹理论，咱实际测一下：1、在灯具不安装透镜的情况下，进积分球测试，得出结果如下：由测试报告得：裸光源光通量618.2lm色温3672K。

提高发光二极管(led)外量子效率的途径

提高发光二极管(led)外量子效率的途径1 LED基础知识发光二极管(LED)是一种常见的半导体器件，可以将电能转化为光能，并被广泛应用于照明、显示、通信等领域。

LED的外量子效率是指发出光子的数量与注入电子的数量之间的比值，是反映LED光电转换效率的重要参数。

提高LED的外量子效率可以增加其发光强度、降低其能量消耗和使用成本，对于LED产业的发展具有重要意义。

2 增加载流子浓度载流子浓度是影响LED发光效率的重要因素，可以通过增加注入电流、提高材料掺杂浓度等途径增加载流子浓度。

其原理是在P型和N 型半导体之间形成能带差，当施加正向电压时，电子从N型半导体向P 型半导体移动，空穴从P型半导体向N型半导体移动，当它们在PN结处复合时，会发射光子。

因此，增加载流子浓度可以促进载流子的复合，提高LED的发光效率。

3 提高材料品质发光效率受到材料品质的影响，包括晶格匹配度、散射、缺陷等因素。

材料品质差会导致载流子复合缓慢或通道散射，影响光子的产生和传输。

因此提高材料品质可以改善LED的外量子效率。

可以通过改变生长工艺、合适的后处理等方法来提高材料品质。

4 设计优化结构LED的结构设计也对其外量子效率产生一定影响。

结构设计方面包括对电极的布局、量子阱的设计、材料的选择等。

同时，指定适当的添加剂，可以提高发光强度。

因此，在阐述塞尔斯效应的基础上，不断优化LED器件结构，实现瞬态诱导荧光技术，可以更好的提高LED 外量子效率。

5 提高外部量子效率——光封装光封装是提高LED外量子效率的重要因素。

LED器件在出厂时需要进行封装后才能运用到各个领域。

光封装有直接耦合封装和反射杯封装两种，前者在外形小，光透过量大的项目使用较多；后者采用反射杯设计的光封装，能使光子反射并多次反射，从而提高LED外量子效率。

6 总结在提高LED的外量子效率方面，载流子浓度、材料品质、结构设计、光封装等因素都是需要考虑的重要因素。

进一步优化LED器件的结构设计，采用高品质材料，提高载流子浓度以及光封装等可以更好的提高LED的外量子效率，大大增强LED的发光强度，降低其能量消耗和成本，促进LED产业的持续发展。

几种增加LED亮度的方法

提高LED芯片出射效率的技术以目前的技术可以使InGaN有源层在常温，普通注入电流条件下的内量子效率达到90~95%。

当温度升高，内量子效率会比较大的下降。

因此要提高发光效率必须控制结温和提高出光效率。

1 提高LED芯片出射效率的技术1．1 衬底激光剥离技术（Lift-off）因为LED的GaAs基衬底的折射率非常大，所以它所造成的内部光吸收损失很大。

这种方法将LED 的GaAs 衬底剥离，换成透明衬底，然后粘结在透明的GaP衬底上，使光从下底面出射。

所以又被称为透明衬底LED（TS-LED）法。

[4]理论上讲，这种方法可以提高光的出射率一倍。

对于以蓝宝石衬底为主的GaAs系LED而言，其剥离技术（LLO）是基于GaN的同质外延发展的一项技术。

GaN基半导体材料和器件发展的一个重大问题是由于没有合适的衬底而造成的外延层质量问题，解决这个问题的一种可能途径是利用对衬底透明的短脉冲激光照射衬底，融化缓冲层而将GaN外延层从宝石衬底上剥离下来，再用HVPE生长技术制成GaN衬底，用以实现同质外延。

美国的惠普公司在上世纪末最先在AlGaInP/GaAs LED上实现；2002年，日亚正式把它用于UVLED的工艺上，使其发光效率得到很大的提高；2003年2月，德国OSRAM公司用LLO工艺将蓝宝石去除，将LED的出光效率提升至75%。

图1:制作透明衬底用GaP代替GaAs1．2利用光子晶体技术（Photonic Crystal）光子晶体实际上就是一种将不同介电常数的介质在空间中按一定周期排列而形成的人造晶体,该排列周期为光波长量级。

光子晶体中介质折射率的周期变化对光子的影响与半导体材料中周期性势场对电子的影响相类似。

在半导体材料中,由于周期势场的作用电子会形成能带结构,带与带之间有带隙(如价带与导带) ,电子的能量如果落在带隙中,就无法继续传播. 在光子晶体中,由于介电常数在空间的周期性变化,也存在类似于半导体晶体那样的周期性势场. 当介电常数的变化幅度较大且变化周期与光的波长可相比拟时,介质的布拉格散射也会产生带隙,即光子带隙. 频率落在禁带中的光是被严格禁止传播的. 光子晶体也叫电磁晶体(elect romagneticcrystals) 或光子带隙( PBG—photonic band gap ) 材料。

提高大功率白光LED出光效率的关键技术研究

• 147•从提高LED 出光效率的角度，阐述了LED 封装中的关键技术——封装材料、荧光粉涂覆技术。

探讨了LED 发光原理，分析了LED 封装中的关键技术对出光效率的影响，指出了常见封装材料的优劣，常用荧光粉涂覆技术的优劣，给出了提高LED 出光效率的有效方法。

在众多的照明技术中，白光LED 以节能、环保、显色性好、可靠性高、色彩丰富等优势能够完全取代传统光源（白炽灯、卤钨灯、荧光灯）成为21世纪的绿色照明光源。

LED 在芯片设计、封装工艺等方面发展迅猛且硕果累累，被广泛应用于日常生活的方方面面，例如路灯、指示灯、汽车照明、背光源等。

要使半导体照明真正被广大消费者接受，就必须提高白光LED 的发光效率以及发光稳定性。

本文介绍了提高LED 出光效率的思路，分析了提高LED 出光效率的方法和关键技术，以期引起国内同行的注意，为提高大功率白光LED 出光效率而努力。

1 LED概述1.1 LED发光原理LED 是一种半导体固体发光器件，其芯片结构是由P 型半导体和N 型半导体构成的PN 结结构，P 型半导体中存在大量的空穴，N 型半导体中存在大量的自由电子。

其工作原理如图1所示，当向LED 的p-n 结施加正向电压时，P 型里的空穴和N 型里的自由电子相对运动，在p-n 结处相遇并发生复合，从而辐射发光，实现了电能向光能的转化。

理想情况下，电光转换效率100%，但在实际情况下，由于内部损耗，电光效率大约只有20%-30%，大约70%的电能变成了热能，包括泄露电流产生的焦耳热、内部产生的光子由于全反射的作用无法全部射出到芯片外部而转化的热量，这些热量最终以声子的形式存在于芯片中。

图1 LED发光原理1.2 LED结构根据不同的应用场合、外形尺寸和发光效果，LED 封装结构经历了引脚式封装、平面式封装、贴片式封装、板上芯片封装四个阶段，其优缺点如表1所示。

总之，无论是小功率LED 还是大功率LED ，封装技术都是围绕光学、热学、材料、工艺等方面进行研究。

如何提高led显示屏的发光效率

深圳市迈扬科技有限公司1、激光剥离技能（LLO）激光剥离技能（LLO）是使用激光能量分化GaN/蓝宝石接口处的GaN缓冲层，然后完成LED外延片从蓝宝石衬底别离。

技能长处是外延片转移到高热导率的热沉上，可以改善大尺度芯片中电流扩大。

n面为出光面：发光面积增大，电极挡光小，便于制备微布局，并且削减刻蚀、磨片、划片。

更重要的是蓝宝石衬底可以重复运用。

2、芯片键合技能光电子器材对所需求的资料在功能上有必定的需求，一般都需求有大的带宽差和在资料的折射指数上要有很大的改变。

可怜的是，一般没有天然的这种资料。

用同质外延成长技能一般都不能构成所需求的带宽差和折射指数差，而用一般的异质外延技能，如在硅片上外延GaAs和InP等，不只本钱较高，并且联系接口的位错密度也十分高，很难构成高质量的光电子集成器材。

因为低温键合技能可以大大削减不一样资料之间的热失配疑问，削减应力和位错，因而能构成高质量的器材。

跟着对键合机理的逐步知道和键合制程技能的逐步老练，多种不一样资料的芯片之间现已可以完成相互键合，然后能够构成一些特别用处的资料和器材。

3、通明衬底技能InGaAlP LED显示屏一般是在GaAs衬底上外延成长InGaAlP发光区GaP窗口区制备而成。

与InGaAlP比较，GaAs资料具有小得多的禁带宽度，因而，当短波长的光从发光区与窗口外表射入GaAs衬底时，将被全部吸收，变成器材出光功率不高的主要原因。

在衬底与约束层之间成长一个布喇格反射区，能将笔直射向衬底的光反射回发光区或窗口，有些改善了器材的出光特性。

一个更为有用的办法是先去掉GaAs衬底，代之于全通明的GaP晶体。

4、外表微布局技能外表微布局制程是进步器材出光功率的又一个有用技能，该技能的根本关键是在芯片外表刻蚀很多尺度为光波长量级的小布局，每个布局呈截角四面体状，如此不光扩大了出光面积，并且改变了光在芯片外表处的折射方向，然后使透光功率明显进步。

丈量指出，关于窗口层厚度为20μm的器材，出光功率可增加30％。

高光效LED的核心原理与优化策略

高光效LED的核心原理与优化策略
高光效的原理可以主要归结于LED(发光二极管)的工作原理及其发光效率的优化。

以下是关于高光效原理的详细解释:
一、LED的基础原理
LED(Light Emitting Diode，发光二极管)是一种半导体器件，其核心结构由发光层(活性层)和两个半导体层(n型半导体和p型半导体)构成。

当电流通过LED时，n型半导体中的电子会跨越pn结与p型半导体中的空穴结合，发生电子-空穴复合过程。

在这个过程中，电子从高能级跃迁至低能级，释放出能量，形成光子，从而产生光。

二、提高光效的关键因素
1.内部量子效率:
定义:指在电子-空穴复合过程中，产生光子(即发光)的比例。

提高方法:使用高品质的半导体材料，减少缺陷和非辐射复合;优化活性层的带隙能级结构，增强辐射复合的概率。

2.注入效率:
定义:指电流成功注入到LED发光层中的比例。

提高方法:优化电极设计，提高电极与半导体的接触面积，选择良好的电极材料，减小接触电阻，从而提高注入效率。

3.光萃取效率:
定义:指从LED内部产生的光成功萃取到外部的比例。

提高方法:设计合理的封装结构和使用高透光性的封装材料，以减少内部光线的全反射和损失。

三、优化设计
为了实现高光效，需要在LED的设计和制造过程中综合考虑并优化以上所有因素。

这包括选择高品质的半导体材料、优化LED结构设计和封装技术、改进电极设计等。

总结来说，高光效的原理主要基于LED的工作原理，通过提高内部量子效率、注入效率和光萃取效率来实现。

在LED的设计和制造过程中，需要综合考虑并优化这些关键因素，以达到提高光效的目的。

提高LED发光效率的方法

如何提高LED发光效率王文瀚12S011029 1 引言发光二极管(Light Emitting Diode, LED)是一种可将电能转换为光能的有源电子器件，属于电致发光固态光源。

与传统的光源相比，具有体积小、寿命长、电压低、节能和环保等优点，是下一代照明的理想选择。

但半导体折射率很高，由于全反射等因素，有源层产生的光绝大部分在LED内部转换为热能白白损耗掉了，能够辐射到自由空间的光占很小部分，使传统LED的出光效率仍然很低，因此提高LED的出光效率在节能减排的今天具有重要的意义。

本文首先简要介绍了LED发光原理，并总结了几种主流的提高LED发光效率的方法。

2 LED发光原理发光二极管核心是PN结，因此它具有一般PN结的电流电压特性，即正向导通，反向截止或击穿特性。

此外，在一定条件下，它还具有发光特性。

在正向电压下，电子由N区注入P区，空穴由P区注入N区。

进入对方区域的少数载流子(少子)一部分与多数载流子(多子)复合而发光，如图1所示。

由于复合是在少子扩散区内发光的，所以光仅在靠近PN结面数微米以内产生。

有几种机制会影响正向电压的高低，包括接触电阻、透明导电层及P型与N型半导体内的载流子浓度及载流子迁移率。

图1 LED发光原理假设发光是在P区中发生的，那么注入的电子与价带空穴直接复合而发光，或者先被发光中心捕获后，再与空穴复合发光。

由不同化学成份的半导体材料，基于它们具有之能隙值各不相同，再经适当的组合后可以得到不同发光波长的发光二极管。

3 LED 发光效率描述3.1 内量子效率电子和空穴在PN 结过渡层中复合会产生光子，然而并不是每一对电子和空穴都会产生光子，由于LED 的PN 结作为杂质半导体，存在着材料品质、位错因素以及工艺上的种种缺陷，会产生杂质电离、激发散射和晶格散射等问题，使电子从激发态跃迁到基态时与晶格原子或离子交换能量时发生无辐射跃迁，也就是不产生光子，这部分能量不转换成光能而转换成热能损耗在PN 结内，于是就有一个复合载流子转换效率。

提高led发光效率的方法

提高led发光效率的方法
LED作为一种高效节能的光源，被广泛应用于各个领域。

然而，LED 发光效率的提高仍然是一个重要的研究方向。

以下是提高LED发光效率的方法：
一、优化材料
1.选择高质量的材料：选择纯度高、结晶度好、缺陷少的材料，如GaN、InGaN等。

2.控制材料生长方式：采用MOCVD等先进生长技术，在控制生长条件和过程中，可以得到更优质的材料。

3.掺杂：在LED芯片中加入适量的掺杂剂，可以增加载流子密度，提高电子-空穴复合率，从而提高发光效率。

二、改进结构设计
1.优化电极结构：采用金属反射层等技术，在电极表面形成反射层，增强反射，并减少损耗。

2.优化外部量子效率：在芯片表面添加抗反射涂层或纳米柱阵列等结构，可以增强外部量子效率，并减少光线反射和散射。

3.调整发光波长：通过调节芯片中InGaN中In含量比例，可以实现发光波长的调整，从而提高发光效率。

三、改进制造工艺
1.优化晶体生长：采用先进的晶体生长技术，如HVPE等，可以得到
更优质的晶体材料。

2.优化制造工艺：采用干法蚀刻或湿法蚀刻等制造工艺，可以得到更加精细的结构和更高的发光效率。

3.改善封装技术：采用先进的封装技术，如SMT等，可以提高LED芯片的亮度和稳定性，并延长使用寿命。

综上所述，通过优化材料、改进结构设计和改进制造工艺等方法，可
以有效提高LED发光效率。

在实际应用中，还需要根据具体情况进行
选择和调整。

提高LED出光效率的几个途径

2、提高LED出光效率的几个途径(1)透明衬底技术InGaAlP LED通常是在GaAs衬底上外延生长InGaAlP发光区GaP窗口区制备而成.与InGa AlP相比,GaAs材料具有小得多的禁带宽度,因此,当短波长的光从发光区与窗口表面射入GaAs衬底时,将被悉数吸收,成为器件出光效率不高的主要原因.在衬底与限制层之间生长一个布喇格反射区,能将垂直射向衬底的光反射回发光区或窗口,部分改善了器件的出光特性.一个更为有效的方法是先去除GaAs衬底,代之于全透明的GaP晶体.由于芯片内除去了衬底吸收区,使量子效率从4%提升到了25-30%.三年前,为进一步减小电极区的吸收,有人将这种透明衬底型的InGaAlP器件制作成截角倒锥体的外形,使量子效率有了更大的提高,如图9所示.显然,这种截角倒锥体形状的器件使透光面积增得更大,在红光区,这类器件的外量子效率可超过50%.图10指出了各类器件的光通量与正向电流的关系,明显表明了三类器件光通量的差异.对于吸收衬底的器件,由于量子效率很低,极大部分的输入能量变成了热,在很小的正向电流下,器件的结温就升得很高,使光通量迅速下降.透明衬底的LED器件,由于相当一部分输入电能变成了光能,相对地减少了升温效应,使器件可在大得多的电流状态下工作.(2)金属膜反射技术如果说透明衬底工艺首先起源于美国的HP、Lumileds等公司,那么金属膜反射法主要被日本、台湾等地的一些公司进行了大量的研究与发展.这种工艺不但回避了透明衬底专利,而且,更利于规模生产.其效果可以说与透明衬底法具有异曲同工之妙.该工艺通常谓之MB工艺,其基本要点如图11所示.首先去除GaAs衬底,然后在其表面与Si基底表面同时蒸镀Al质金属膜,然后在一定的温度与压力下熔接在一起.如此,从发光层照射到基板的光线被Al质金属膜层反射至芯片表面,从而使器件的发光效率提高2.5倍以上.实验证明,MB型红色LED,当电流为400mA与800mA时,光通量可分别达到37lm与74lm.该类器件已在日本三肯电气、台湾国联、全新等公司进入小批量生产.与传统器件相比,光效得到了大幅度提高.除MB结构的器件外,台湾国联还开发了一种谓之GB型的高亮度InGaAlP LED的新一代器件.所谓GB是英文Giga Bright的缩写.该工艺是采用一种新型的透明膠,将具有GaAs吸收衬底的LED外延片与一片蓝宝石基板粘合在一起,随后再将GaAs吸收衬底去除,并在外延层上制作电极,从而获得了很高的发光效率.(3)表面微结构技术表面微结构工艺是提高器件出光效率的又一个有效技术,该技术的基本要点是在芯片表面刻蚀大量尺寸为光波长量级的小结构,每个结构呈截角四面体状,如此不但扩展了出光面积,而且改变了光在芯片表面处的折射方向,从而使透光效率明显提高.图12指出了在具有纹理结构LED芯片的N种出光模式,由于纹理边缘的存在,使许多本来大于临界角的光可通过边缘部位的反射或折射透射出器件表面.显然,表面处纹理结构的存在,在出光机理上等同于大幅度增加了窗口层的厚度.窗口层的厚度越薄,纹理腐蚀得越深,则出光率的增加将越明显.测量指出,对于窗口层厚度为2 0µm的器件,出光效率可增长30%.当窗口层厚度减至10µm时,出光效率将有60%的改进.对于5 85-625nm波长的LED器件,制作纹理结构后,发光效率可达30lm/w,其值已接近透明衬底器件的水平.(4)倒装芯片技术通常兰绿光及白光LED的结构如图13所示.通过MOCVD技术在兰宝石衬底上生长GaN基L ED结构层,由P/N结发光区发出的光透过上面的P型区射出.由于P型GaN传导性能不佳,为获得良好的电流扩展,需要通过蒸镀技术在P区表面形成一层Ni-Au组成的金属电极层.P区引线通过该层金属薄膜引出.为获得好的电流扩展,Ni-Au金属电极层就不能太薄.为此,器件的发光效率就会受到很大影响,通常要同时兼顾电流扩展与出光效率二个因素.但无论在什么情况下,金属薄膜的存在,总会使透光性能变差.此外,引线焊点的存在也使器件的出光效率受到影响.采用GaN LED倒装芯片的结构可以从根本上消除上面的问题,如图14所示.由于芯片倒装于Si基垫上,LED发出的光直接透过兰宝石射出,不存在上述的Ni-Au金属膜与引线电极,因此出射的光没有损失,加上下面P-GaN层上蒸镀有Ag反射膜,进一步增强了出射光的强度.图15指出了兰绿光LED的量子效率随峰值波长的变化.实验指出,在450~530nm的峰值波长区域,倒装功率型L ED器件的量子效率要比普通型器件高出1.6倍.3、LED散热机制的分析正如上述,对于一个常规的LED器件,90%以上的输入功率将转换成热.为使器件能维持一个合适的温度,正常工作,这些热量必须通过管壳基板等媒介散发到周围环境中去.通常将二个节点间单位热功率输运所产生的温度差定义为该二个节点间的热阻,其数学表达式为:Rθ=ΔT/PD (9)其中Rθ为节点1与2之间的热阻,ΔT为节点1与2之间的温差,PD为二点间的热功率流.热阻Rθ表示了二点间的热散失能力,Rθ越大,散热能力越差;反之Rθ越小,散热能力越强.当电功率V=VF•IF施加到LED上后,在器件的P-N结处将产生大量的热,致使芯片温度迅速升高,由于器件良好的散热特性,大部分热量将通过银浆、管壳、散热基板,PCB散发到周围环境中去,从而抑制了器件芯片的升温.类同于电学中的电阻特性,热阻也存在着相同的运算法则,当n个LED安装于同一块基板上时,其热流图如图17所示.图中Tj、Tc与TB分别代表了某个LED管的P-N结区,管壳与基板处的温度、RθJ-C、RθC-B、RθB-A分别代表P-N结与管壳、管壳与基板、基板与环境之间的热阻,那么,该LED列阵的总热阻可表示为:RθJ-A= RθJ-C + RθC-B +RθB-A (10)其中,1/ΣRθJ-C=Σ(1/ RθJ-C),1/ΣRθC-B=Σ(1/ RθC-B),上式满足的基本条件是阵列中所有LE D具有完全相同的参数.热阻Rθ是LED的一个重要参量,当我们知道了某一器件的热阻的Rθ数值,那么根据式(9),即可求得LED的结温:Tj=TA+PDRθJ-A (11)其中Tj为器件的P-N结温,TA为环境温度,PD=I•V为器件的耗散功率,RθJ-A为器件P-N结与环境之间的热阻.显然,LED的热阻将严重影响器件的使用条件与性能,图18指出了不同热阻值的器件的最大正向电流与环境温度的关系,由图可见,当热阻较小时,光通量几乎与正向电流成正比例增加,当热阻较大时,由于P-N结温的上升,当正向电流加大到某值时,光通量将趋于饱和,并随之逐渐下降.对于一个LED管,设法降低P-N结与采用环境之间的热阻是提高器件散热能力的根本途径.由于环氧胶是低热导材料,因此P-N结处产生的热量很难通过透明环氧向上散失到环境中去,大部分热量通过衬底、银浆、管壳、环氧粘接层、PCB与热沉向下发散.显然,相关材料的导热能力将直接影响器件的热散失效率.表9与表10指出了若干常用衬底与热沉材料的导热系数值,银浆与环氧的数据未在表中列出.他们的导热系数值分别为2.7与0.2~0.8(w/mk).实验指出,对于一个普通型(Φ5)的LED,从P-N结区环境温度的总热阻在300~600˚C/w之间;对于一个具有良好结构的功率型L ED器件,其总热阻约为15~30˚C/w.巨大的热阻差异表明普通型器件只能在很小的输入功率条件下,才能正常地工作,而功率型器件的耗散功率可大到瓦级甚至更高.四、减小LED温升效应的对策LED的输入功率是器件热效应的唯一来源,能量的一部分变成了辐射光能,其余部分最终均变成了热,从而抬升了器件的温度.显然,减小LED温升效应的主要方法,一是设法提高器件的电光转换效率(又称外量子效率),使尽可能多的输入功率转变成光能,另一个重要的途径是设法提高器件的热散失能力,使结温产生的热,通过各种途径散发到周围环境中去.1、LED器件的量子效率所谓LED器件的量子效率,即是器件的电能转换成光能的能力,通常可将这种电光转换能力定义为外量子效率ηex,它是器件的注入效率ηJ、内量子效率ηi、电子输运效率ηf和出光效率ηo 的总和.ηex=ηJ•ηi•ηf•ηo (6)对于InGaAlP与InGaN LED器件中,由于P-N结二边的禁带宽度Eg与掺杂浓度均有一个较大差异,通常ηJ 1;由于器件发光区等结构,一切外延生长形成,发光区的P-N结为突变结,电子输运效率也接近于1.此外,鉴于当前InGaAlP与InGaN的器件结构与生长工艺十分成熟,实践证明,现代技术已足够使内量子效率提高到接近100%的水平.因此,LED器件的外量子效率主要取决于出光效率ηo,如将管芯看作是一个吸收系数为α,体积为v,被面积为Ai的N个面所包围的光学腔,那么该管芯的出光效率可表示为:ηN=ΣAiTi /〔Σ(1-Ri)Ai+4αv〕 (7)这里,Ti与Ri分别是Ai的透过率与反射率.对于一个实际的LED管芯,计算表明,芯片表面很小的透过率是LED器件出光效率变得很小的主要原因.其起因是由于芯片表面二侧物质所存在的较大的折射率差异,如图8所示,当芯片内的光沿方面1射向表面并沿方向2射入空气,根据折射定律:n1Sinθ1= n2Sinθ2 (8)通常芯片材料的折射率n1≈3.6,空气的折射率n2=1.可算得界面处发生全反射(θ2=90˚)的临界角θ1=θ0=16.2˚,也就是说,从芯片内部射向表面的光束,只有4%可以射出表面,其余的光能大部分反射回芯片材料内部而被(衬底)吸收.2、提高LED出光效率的几个途径(1)透明衬底技术InGaAlP LED通常是在GaAs衬底上外延生长InGaAlP发光区GaP窗口区制备而成.与InGaAlP相比,GaAs材料具有小得多的禁带宽度,因此,当短波长的光从发光区与窗口表面射入GaAs衬底时,将被悉数吸收,成为器件出光效率不高的主要原因.在衬底与限制层之间生长一个布喇格反射区,能将垂直射向衬底的光反射回发光区或窗口,部分改善了器件的出光特性.一个更为有效的方法是先去除GaAs衬底,代之于全透明的GaP晶体.由于芯片内除去了衬底吸收区,使量子效率从4%提升到了25-30%.三年前,为进一步减小电极区的吸收,有人将这种透明衬底型的InGaAlP器件制作成截角倒锥体的外形,使量子效率有了更大的提高,如图9所示.显然,这种截角倒锥体形状的器件使透光面积增得更大,在红光区,这类器件的外量子效率可超过50%.图10指出了各类器件的光通量与正向电流的关系,明显表明了三类器件光通量的差异.对于吸收衬底的器件,由于量子效率很低,极大部分的输入能量变成了热,在很小的正向电流下,器件的结温就升得很高,使光通量迅速下降.透明衬底的LED器件,由于相当一部分输入电能变成了光能,相对地减少了升温效应,使器件可在大得多的电流状态下工作.(2)金属膜反射技术如果说透明衬底工艺首先起源于美国的HP、Lumileds等公司,那么金属膜反射法主要被日本、台湾等地的一些公司进行了大量的研究与发展.这种工艺不但回避了透明衬底专利,而且,更利于规模生产.其效果可以说与透明衬底法具有异曲同工之妙.该工艺通常谓之MB工艺,其基本要点如图11所示.首先去除GaAs衬底,然后在其表面与Si基底表面同时蒸镀Al质金属膜,然后在一定的温度与压力下熔接在一起.如此,从发光层照射到基板的光线被Al质金属膜层反射至芯片表面,从而使器件的发光效率提高2.5倍以上.实验证明,MB型红色LED,当电流为400mA与800mA时,光通量可分别达到37lm与74lm.该类器件已在日本三肯电气、台湾国联、全新等公司进入小批量生产.与传统器件相比,光效得到了大幅度提高.除MB结构的器件外,台湾国联还开发了一种谓之GB型的高亮度InGaAlP LED的新一代器件.所谓GB是英文Giga Bright的缩写.该工艺是采用一种新型的透明膠,将具有GaAs吸收衬底的LED外延片与一片蓝宝石基板粘合在一起,随后再将GaAs吸收衬底去除,并在外延层上制作电极,从而获得了很高的发光效率.(3)表面微结构技术表面微结构工艺是提高器件出光效率的又一个有效技术,该技术的基本要点是在芯片表面刻蚀大量尺寸为光波长量级的小结构,每个结构呈截角四面体状,如此不但扩展了出光面积,而且改变了光在芯片表面处的折射方向,从而使透光效率明显提高.图12指出了在具有纹理结构LED芯片的N种出光模式,由于纹理边缘的存在,使许多本来大于临界角的光可通过边缘部位的反射或折射透射出器件表面.显然,表面处纹理结构的存在,在出光机理上等同于大幅度增加了窗口层的厚度.窗口层的厚度越薄,纹理腐蚀得越深,则出光率的增加将越明显.测量指出,对于窗口层厚度为2 0µm的器件,出光效率可增长30%.当窗口层厚度减至10µm时,出光效率将有60%的改进.对于5 85-625nm波长的LED器件,制作纹理结构后,发光效率可达30lm/w,其值已接近透明衬底器件的水平.(4)倒装芯片技术通常兰绿光及白光LED的结构如图13所示.通过MOCVD技术在兰宝石衬底上生长GaN基L ED结构层,由P/N结发光区发出的光透过上面的P型区射出.由于P型GaN传导性能不佳,为获得良好的电流扩展,需要通过蒸镀技术在P区表面形成一层Ni-Au组成的金属电极层.P区引线通过该层金属薄膜引出.为获得好的电流扩展,Ni-Au金属电极层就不能太薄.为此,器件的发光效率就会受到很大影响,通常要同时兼顾电流扩展与出光效率二个因素.但无论在什么情况下,金属薄膜的存在,总会使透光性能变差.此外,引线焊点的存在也使器件的出光效率受到影响.采用GaN LED倒装芯片的结构可以从根本上消除上面的问题,如图14所示.由于芯片倒装于Si基垫上,LED发出的光直接透过兰宝石射出,不存在上述的Ni-Au金属膜与引线电极,因此出射的光没有损失,加上下面P-GaN层上蒸镀有Ag反射膜,进一步增强了出射光的强度.图15指出了兰绿光LED的量子效率随峰值波长的变化.实验指出,在450~530nm的峰值波长区域,倒装功率型L ED器件的量子效率要比普通型器件高出1.6倍.3、LED散热机制的分析正如上述,对于一个常规的LED器件,90%以上的输入功率将转换成热.为使器件能维持一个合适的温度,正常工作,这些热量必须通过管壳基板等媒介散发到周围环境中去.通常将二个节点间单位热功率输运所产生的温度差定义为该二个节点间的热阻,其数学表达式为:Rθ=ΔT/PD (9)其中Rθ为节点1与2之间的热阻,ΔT为节点1与2之间的温差,PD为二点间的热功率流.热阻Rθ表示了二点间的热散失能力,Rθ越大,散热能力越差;反之Rθ越小,散热能力越强.当电功率V=VF•IF施加到LED上后,在器件的P-N结处将产生大量的热,致使芯片温度迅速升高,由于器件良好的散热特性,大部分热量将通过银浆、管壳、散热基板,PCB散发到周围环境中去,从而抑制了器件芯片的升温.类同于电学中的电阻特性,热阻也存在着相同的运算法则,当n个LED安装于同一块基板上时,其热流图如图17所示.图中Tj、Tc与TB分别代表了某个LED管的P-N结区,管壳与基板处的温度、RθJ-C、RθC-B、RθB-A分别代表P-N结与管壳、管壳与基板、基板与环境之间的热阻,那么,该LED列阵的总热阻可表示为:RθJ-A= RθJ-C + RθC-B +RθB-A (10)其中,1/ΣRθJ-C=Σ(1/ RθJ-C),1/ΣRθC-B=Σ(1/ RθC-B),上式满足的基本条件是阵列中所有LE D具有完全相同的参数.热阻Rθ是LED的一个重要参量,当我们知道了某一器件的热阻的Rθ数值,那么根据式(9),即可求得LED的结温:Tj=T A+PDRθJ-A (11)其中Tj为器件的P-N结温,TA为环境温度,PD=I•V为器件的耗散功率,RθJ-A为器件P-N结与环境之间的热阻.表9. LED衬底材料的热导系数材料热导系数(w/cm•k)Si 1.5Al2O3 0.46GaAs 0.54SiC 4.9表10. 常用的热沉材料的热导系数材料热导系数(w/cm•k)碳钢39.2-36.7黄铜109铝合金162钼138银427锡67锌121纯铜398纯铝236纯铁81.1显然,LED的热阻将严重影响器件的使用条件与性能,图18指出了不同热阻值的器件的最大正向电流与环境温度的关系,由图可见,当热阻较小时,光通量几乎与正向电流成正比例增加,当热阻较大时,由于P-N结温的上升,当正向电流加大到某值时,光通量将趋于饱和,并随之逐渐下降.对于一个LED管,设法降低P-N结与采用环境之间的热阻是提高器件散热能力的根本途径.由于环氧胶是低热导材料,因此P-N结处产生的热量很难通过透明环氧向上散失到环境中去,大部分热量通过衬底、银浆、管壳、环氧粘接层、PCB与热沉向下发散.显然,相关材料的导热能力将直接影响器件的热散失效率.表9与表10指出了若干常用衬底与热沉材料的导热系数值,银浆与环氧的数据未在表中列出.他们的导热系数值分别为2.7与0.2~0.8(w/mk).实验指出,对于一个普通型(Φ5)的LED,从P-N结区环境温度的总热阻在300~600˚C/w之间;对于一个具有良好结构的功率型L ED器件,其总热阻约为15~30˚C/w.巨大的热阻差异表明普通型器件只能在很小的输入功率条件下,才能正常地工作,而功率型器件的耗散功率可大到瓦级甚至更高.。

提高发光效率的方法

提高发光效率的方法发光效率是指LED灯具中电能转化为光能的比例。

提高发光效率可以减少LED灯具的能耗，延长使用寿命，降低热量和成本。

以下是一些提高发光效率的方法：1.选择高效的LED芯片LED芯片是LED灯具最重要的组成部分之一。

选择高效的LED芯片可以提高发光效率。

在选择LED芯片时，应考虑其亮度、色温、色彩还原度等因素。

2.优化散热设计散热是影响LED灯具寿命和稳定性的关键因素之一。

优化散热设计可以减少灯具内部温度，降低功耗和成本。

常见的散热方式包括风扇散热、铝制散热器和液冷系统等。

3.控制电流和电压控制电流和电压可以有效地提高LED灯具的发光效率。

在设计或使用LED驱动器时，应根据需要控制恰当的电流和电压，以避免过载或欠载现象。

4.优化光学设计优化光学设计可以使得 LED 灯具更加均匀地分布光线，从而提高发光效率。

常见的光学设计包括反射器、透镜和光学纤维等。

5.使用高质量的组件使用高质量的组件可以提高LED灯具的可靠性和稳定性，从而提高发光效率。

在选择LED灯具时，应选择有信誉的品牌和厂家，并检查其产品质量认证。

6.减少损耗减少损耗是提高LED灯具发光效率的关键因素之一。

在使用 LED 灯具时，应避免过度照明或不必要的照明，以减少能源浪费和损耗。

7.降低温度降低温度可以有效地提高LED灯具的发光效率。

在使用 LED 灯具时，应尽可能保持室内温度适宜，并避免过度照明或不必要的照明。

总之，提高 LED 灯具发光效率是一个复杂而系统性的工程。

需要从多个方面入手，如芯片、散热、电流、电压、组件等方面进行优化和改进。

通过不断地优化和改进，可以大大提高 LED 灯具发光效率并降低成本。

如何提高led发光效率

如何提高led发光效率
过去十多年来，通过在材料和器件设计方面的改进，使得LED的发光效率获得了极大提高。

在2000年，外量子效率为25%，而如今对蓝光GaN基LED最好的外量子效率已超过70%。

图2.9给出了从2000年到2008年GaN基LED外量子效率发展变化图。

从图上中可以看到提高LED的发光效率可以从两个方面考虑：（1）提高内量子效率（2）提高光提取效率。

这里先来说说如何提内量子效率的方法：
1、改变发光层的结构同质结LED是指在同一种半导体材料中通过掺杂制备PN结的LED工矿灯芯片。

这种结构主要存在的问题是：为了减少材料的吸收，窗口层（P层）做得尽可能薄，这样一来，在P型区，部分注入的电子易于穿过薄的P层到达表面，通过晶体的表面缺陷作无福射复合，无福射复合降低了发光效率；
2、由于电子分布在整个扩散长度上，复合发生要在一个较大的区域进行，发射光子被再吸收的几率增加，这将会影响发光效率。

为了克服同质结LED存在的问题，异质结LED被采用。

把两种不同禁带宽度材料制成的PN结LED称为异质结LED。

异质结又分为单异质和多异质结。

led的最高发光效率

led的最高发光效率
LED（发光二极管）的最高发光效率通常由其发光效率（光电转换效率）来衡量，以光电转换效率来表示能量输入与光输出之间的比率。

典型的LED发光效率范围是从10%到30%之间，这意味着只有一小部分输入电能被转换为可见光，而其余的被转化为热能。

最高的LED发光效率通常取决于LED的材料和结构设计。

高效的LED设计通常包括以下几个方面：
1.材料选择：使用具有较高发光效率的半导体材料，如氮化镓（GaN）。

2.量子效率：提高LED的量子效率，即在发光时转化电子能级为光子的效率。

3.热管理：有效的散热设计，防止LED过热，因为高温会降低发光效率。

4.光学设计：优化LED的光学结构，以提高光的抽运效率，确保更多的光能够逸出LED。

总体而言，虽然LED的最高发光效率在不断提高，但这仍然是一个在不同应用中需要权衡的因素。

在实际应用中，我们往往需要考虑成本、可靠性、寿命等因素，而不仅仅是追求最高的发光效率。

提高Led出光效率的途径

提高LED的出光效率方法研究摘要：本文介绍了提高LED的出光效率的几种方法及其研究进展方向，包括优化芯片发光层结构；提高光引出效率的芯片技术；光子晶体技术；电极和电流扩展技术；光学薄膜技术；改进光学封装技术，采用二次光学设计技术等。

关键词：发光效率芯片技术光子晶体光学薄膜光学设计LED是一种半导体PN结二极管，当有一个正向电压施加于PN结两端时，载流子从低能态被激发到高能态并处于不稳定状态而返回到低能态复合时，根据能量守恒定理，多余的能量将以光子形式释放。

LED这种电致发光原理使其成为一种固体冷光源，而不是像白炽灯等通过使物体升温而发光的。

LED光源是第四代光源，它的出现和发展将引发照明领域中的一次革命，具有划时代的意义。

随着MOCVD外延生长技术和多量子阱结构的发展，人们在精确控制外延生长、掺杂浓度和减少位错等方面都取得了突破，外延片的内量子效率已有很大提高。

像AlInGaP基LED，内量子效率已接近极限，可达100%。

由于LED的外量子效率取决于外延材料的内量子效率和芯片的出光效率，提高LED发光效率的关键是提高芯片的外量子效率，这在很大程度上取决于芯片的出光效率。

同时，LED的封装结构等也对出光效率有很大的影响。

提高LED出光效率的技术途径大概有几种：1.优化芯片发光层结构；2.提高光引出效率的芯片技术；3.光子晶体技术；4.电极和电流扩展技术；5.光学薄膜技术；6.改进光学封装技术，采用二次光学设计技术等。

一、优化芯片发光层结构通过设计不同的发光层结构，可以提高LED的光效。

主要采用两种发光层结构：双异质结和量子阱结构。

双异质结的P区和N区有带隙不同的半导体组分，两个势垒层对注入的载流子起限域作用，即通过第一个异质结界面扩散进入活性层的载流子，会被第二个异质结界面阻挡在活性层中，只是双异质结的活性层厚度远小于同质结，从而有效地提高注入载流子浓度和复合效率。

量子阱结构取决于活性层的厚度，不同的厚度活性层对载流子的限域和效率提高有不同作用。

如何提高LED产品的光效

如何提高LED产品的光效如何提高LED产品的光效OFweek半导体照明网讯近几年来，LED照明突飞猛进，LED产品的种类和样式也基本定型。

接下来，LED应用型企业要做的，就是如果提高LED产品的性能和品质。

其中LED产品的光效，是影响LED产品性能和品质的重要参数。

就光效而言，我公司的产品普遍在80lm/W以上，在行业来说，属于中等水平。

部分产品光效达到90lm/W，属中上等水平。

在今后，我们要做的工作，就是用大众的外观，制造出众的产品。

而“出众”无非就是性能和光效。

一、绪论早在2012年8月，美国CREE公司就发布了一款整灯光效超过170lm/W的LED球泡灯，功率7.3W，而光通量却高达1250lm。

不能不说对于LED的光通量，没有最高，只有更高。

对于LED应用型企业来说，如何提升LED产品的光效，是我们长期研发的课题和方向。

近几年来，LED照明突飞猛进，LED产品的种类和样式也基本定型。

接下来，LED应用型企业要做的，就是如果提高LED产品的性能和品质。

其中LED产品的光效，是影响LED产品性能和品质的重要参数。

对于企业来说，提高LED产品的光效，也将是势在必行。

目前LED产品主要包括室内的球泡灯，蜡烛灯，射灯，日光灯，筒灯，天花灯，面板灯和工矿灯等，室外灯具主要有路灯，隧道灯和投光灯。

就产品的外观样式来说，我公司的产品在行业中属于大众类型，没有自己的专利设计产品。

就光效而言，我公司的产品普遍在80lm/W以上，在行业来说，属于中等水平。

部分产品光效达到90lm/W，属中上等水平。

在今后，我们要做的工作，就是用大众的外观，制造出众的产品。

而“出众”无非就是性能和光效。

二、LED产品提高光效方法我们以18W的LED日光灯为例，讲述如何提高系统的光效。

2.1、LED日光灯技术指标18W的LED日光灯，主要技术指标如下：要求以最低的成本实现最高的光效。

基于以上指标，将从以下方面进行光效的提高。

2.2、LED日光灯的方案设计所采用2835 LED额定功率为0.2W，最高光通量高达26lm。

提高LED出光效率的几个途径

2、提高LED出光效率的几个途径(1)透明衬底技术InGaAlP LED通常是在GaAs衬底上外延生长InGaAlP发光区GaP窗口区制备而成.与InGa AlP相比,GaAs材料具有小得多的禁带宽度,因此,当短波长的光从发光区与窗口表面射入GaAs衬底时,将被悉数吸收,成为器件出光效率不高的主要原因.在衬底与限制层之间生长一个布喇格反射区,能将垂直射向衬底的光反射回发光区或窗口,部分改善了器件的出光特性.一个更为有效的方法是先去除GaAs衬底,代之于全透明的GaP晶体.由于芯片内除去了衬底吸收区,使量子效率从4%提升到了25-30%.三年前,为进一步减小电极区的吸收,有人将这种透明衬底型的InGaAlP器件制作成截角倒锥体的外形,使量子效率有了更大的提高,如图9所示.显然,这种截角倒锥体形状的器件使透光面积增得更大,在红光区,这类器件的外量子效率可超过50%.图10指出了各类器件的光通量与正向电流的关系,明显表明了三类器件光通量的差异.对于吸收衬底的器件,由于量子效率很低,极大部分的输入能量变成了热,在很小的正向电流下,器件的结温就升得很高,使光通量迅速下降.透明衬底的LED器件,由于相当一部分输入电能变成了光能,相对地减少了升温效应,使器件可在大得多的电流状态下工作.(2)金属膜反射技术如果说透明衬底工艺首先起源于美国的HP、Lumileds等公司,那么金属膜反射法主要被日本、台湾等地的一些公司进行了大量的研究与发展.这种工艺不但回避了透明衬底专利,而且,更利于规模生产.其效果可以说与透明衬底法具有异曲同工之妙.该工艺通常谓之MB工艺,其基本要点如图11所示.首先去除GaAs衬底,然后在其表面与Si基底表面同时蒸镀Al质金属膜,然后在一定的温度与压力下熔接在一起.如此,从发光层照射到基板的光线被Al质金属膜层反射至芯片表面,从而使器件的发光效率提高2.5倍以上.实验证明,MB型红色LED,当电流为400mA与800mA时,光通量可分别达到37lm与74lm.该类器件已在日本三肯电气、台湾国联、全新等公司进入小批量生产.与传统器件相比,光效得到了大幅度提高.除MB结构的器件外,台湾国联还开发了一种谓之GB型的高亮度InGaAlP LED的新一代器件.所谓GB是英文Giga Bright的缩写.该工艺是采用一种新型的透明膠,将具有GaAs吸收衬底的LED外延片与一片蓝宝石基板粘合在一起,随后再将GaAs吸收衬底去除,并在外延层上制作电极,从而获得了很高的发光效率.(3)表面微结构技术表面微结构工艺是提高器件出光效率的又一个有效技术,该技术的基本要点是在芯片表面刻蚀大量尺寸为光波长量级的小结构,每个结构呈截角四面体状,如此不但扩展了出光面积,而且改变了光在芯片表面处的折射方向,从而使透光效率明显提高.图12指出了在具有纹理结构LED芯片的N种出光模式,由于纹理边缘的存在,使许多本来大于临界角的光可通过边缘部位的反射或折射透射出器件表面.显然,表面处纹理结构的存在,在出光机理上等同于大幅度增加了窗口层的厚度.窗口层的厚度越薄,纹理腐蚀得越深,则出光率的增加将越明显.测量指出,对于窗口层厚度为2 0µm的器件,出光效率可增长30%.当窗口层厚度减至10µm时,出光效率将有60%的改进.对于5 85-625nm波长的LED器件,制作纹理结构后,发光效率可达30lm/w,其值已接近透明衬底器件的水平.(4)倒装芯片技术通常兰绿光及白光LED的结构如图13所示.通过MOCVD技术在兰宝石衬底上生长GaN基L ED结构层,由P/N结发光区发出的光透过上面的P型区射出.由于P型GaN传导性能不佳,为获得良好的电流扩展,需要通过蒸镀技术在P区表面形成一层Ni-Au组成的金属电极层.P区引线通过该层金属薄膜引出.为获得好的电流扩展,Ni-Au金属电极层就不能太薄.为此,器件的发光效率就会受到很大影响,通常要同时兼顾电流扩展与出光效率二个因素.但无论在什么情况下,金属薄膜的存在,总会使透光性能变差.此外,引线焊点的存在也使器件的出光效率受到影响.采用GaN LED倒装芯片的结构可以从根本上消除上面的问题,如图14所示.由于芯片倒装于Si基垫上,LED发出的光直接透过兰宝石射出,不存在上述的Ni-Au金属膜与引线电极,因此出射的光没有损失,加上下面P-GaN层上蒸镀有Ag反射膜,进一步增强了出射光的强度.图15指出了兰绿光LED的量子效率随峰值波长的变化.实验指出,在450~530nm的峰值波长区域,倒装功率型L ED器件的量子效率要比普通型器件高出1.6倍.3、LED散热机制的分析正如上述,对于一个常规的LED器件,90%以上的输入功率将转换成热.为使器件能维持一个合适的温度,正常工作,这些热量必须通过管壳基板等媒介散发到周围环境中去.通常将二个节点间单位热功率输运所产生的温度差定义为该二个节点间的热阻,其数学表达式为:Rθ=ΔT/PD (9)其中Rθ为节点1与2之间的热阻,ΔT为节点1与2之间的温差,PD为二点间的热功率流.热阻Rθ表示了二点间的热散失能力,Rθ越大,散热能力越差;反之Rθ越小,散热能力越强.当电功率V=VF•IF施加到LED上后,在器件的P-N结处将产生大量的热,致使芯片温度迅速升高,由于器件良好的散热特性,大部分热量将通过银浆、管壳、散热基板,PCB散发到周围环境中去,从而抑制了器件芯片的升温.类同于电学中的电阻特性,热阻也存在着相同的运算法则,当n个LED安装于同一块基板上时,其热流图如图17所示.图中Tj、Tc与TB分别代表了某个LED管的P-N结区,管壳与基板处的温度、RθJ-C、RθC-B、RθB-A分别代表P-N结与管壳、管壳与基板、基板与环境之间的热阻,那么,该LED列阵的总热阻可表示为:RθJ-A= RθJ-C + RθC-B +RθB-A (10)其中,1/ΣRθJ-C=Σ(1/ RθJ-C),1/ΣRθC-B=Σ(1/ RθC-B),上式满足的基本条件是阵列中所有LE D具有完全相同的参数.热阻Rθ是LED的一个重要参量,当我们知道了某一器件的热阻的Rθ数值,那么根据式(9),即可求得LED的结温:Tj=TA+PDRθJ-A (11)其中Tj为器件的P-N结温,TA为环境温度,PD=I•V为器件的耗散功率,RθJ-A为器件P-N结与环境之间的热阻.显然,LED的热阻将严重影响器件的使用条件与性能,图18指出了不同热阻值的器件的最大正向电流与环境温度的关系,由图可见,当热阻较小时,光通量几乎与正向电流成正比例增加,当热阻较大时,由于P-N结温的上升,当正向电流加大到某值时,光通量将趋于饱和,并随之逐渐下降.对于一个LED管,设法降低P-N结与采用环境之间的热阻是提高器件散热能力的根本途径.由于环氧胶是低热导材料,因此P-N结处产生的热量很难通过透明环氧向上散失到环境中去,大部分热量通过衬底、银浆、管壳、环氧粘接层、PCB与热沉向下发散.显然,相关材料的导热能力将直接影响器件的热散失效率.表9与表10指出了若干常用衬底与热沉材料的导热系数值,银浆与环氧的数据未在表中列出.他们的导热系数值分别为2.7与0.2~0.8(w/mk).实验指出,对于一个普通型(Φ5)的LED,从P-N结区环境温度的总热阻在300~600˚C/w之间;对于一个具有良好结构的功率型L ED器件,其总热阻约为15~30˚C/w.巨大的热阻差异表明普通型器件只能在很小的输入功率条件下,才能正常地工作,而功率型器件的耗散功率可大到瓦级甚至更高.四、减小LED温升效应的对策LED的输入功率是器件热效应的唯一来源,能量的一部分变成了辐射光能,其余部分最终均变成了热,从而抬升了器件的温度.显然,减小LED温升效应的主要方法,一是设法提高器件的电光转换效率(又称外量子效率),使尽可能多的输入功率转变成光能,另一个重要的途径是设法提高器件的热散失能力,使结温产生的热,通过各种途径散发到周围环境中去.1、LED器件的量子效率所谓LED器件的量子效率,即是器件的电能转换成光能的能力,通常可将这种电光转换能力定义为外量子效率ηex,它是器件的注入效率ηJ、内量子效率ηi、电子输运效率ηf和出光效率ηo 的总和.ηex=ηJ•ηi•ηf•ηo (6)对于InGaAlP与InGaN LED器件中,由于P-N结二边的禁带宽度Eg与掺杂浓度均有一个较大差异,通常ηJ 1;由于器件发光区等结构,一切外延生长形成,发光区的P-N结为突变结,电子输运效率也接近于1.此外,鉴于当前InGaAlP与InGaN的器件结构与生长工艺十分成熟,实践证明,现代技术已足够使内量子效率提高到接近100%的水平.因此,LED器件的外量子效率主要取决于出光效率ηo,如将管芯看作是一个吸收系数为α,体积为v,被面积为Ai的N个面所包围的光学腔,那么该管芯的出光效率可表示为:ηN=ΣAiTi /〔Σ(1-Ri)Ai+4αv〕 (7)这里,Ti与Ri分别是Ai的透过率与反射率.对于一个实际的LED管芯,计算表明,芯片表面很小的透过率是LED器件出光效率变得很小的主要原因.其起因是由于芯片表面二侧物质所存在的较大的折射率差异,如图8所示,当芯片内的光沿方面1射向表面并沿方向2射入空气,根据折射定律:n1Sinθ1= n2Sinθ2 (8)通常芯片材料的折射率n1≈3.6,空气的折射率n2=1.可算得界面处发生全反射(θ2=90˚)的临界角θ1=θ0=16.2˚,也就是说,从芯片内部射向表面的光束,只有4%可以射出表面,其余的光能大部分反射回芯片材料内部而被(衬底)吸收.2、提高LED出光效率的几个途径(1)透明衬底技术InGaAlP LED通常是在GaAs衬底上外延生长InGaAlP发光区GaP窗口区制备而成.与InGaAlP相比,GaAs材料具有小得多的禁带宽度,因此,当短波长的光从发光区与窗口表面射入GaAs衬底时,将被悉数吸收,成为器件出光效率不高的主要原因.在衬底与限制层之间生长一个布喇格反射区,能将垂直射向衬底的光反射回发光区或窗口,部分改善了器件的出光特性.一个更为有效的方法是先去除GaAs衬底,代之于全透明的GaP晶体.由于芯片内除去了衬底吸收区,使量子效率从4%提升到了25-30%.三年前,为进一步减小电极区的吸收,有人将这种透明衬底型的InGaAlP器件制作成截角倒锥体的外形,使量子效率有了更大的提高,如图9所示.显然,这种截角倒锥体形状的器件使透光面积增得更大,在红光区,这类器件的外量子效率可超过50%.图10指出了各类器件的光通量与正向电流的关系,明显表明了三类器件光通量的差异.对于吸收衬底的器件,由于量子效率很低,极大部分的输入能量变成了热,在很小的正向电流下,器件的结温就升得很高,使光通量迅速下降.透明衬底的LED器件,由于相当一部分输入电能变成了光能,相对地减少了升温效应,使器件可在大得多的电流状态下工作.(2)金属膜反射技术如果说透明衬底工艺首先起源于美国的HP、Lumileds等公司,那么金属膜反射法主要被日本、台湾等地的一些公司进行了大量的研究与发展.这种工艺不但回避了透明衬底专利,而且,更利于规模生产.其效果可以说与透明衬底法具有异曲同工之妙.该工艺通常谓之MB工艺,其基本要点如图11所示.首先去除GaAs衬底,然后在其表面与Si基底表面同时蒸镀Al质金属膜,然后在一定的温度与压力下熔接在一起.如此,从发光层照射到基板的光线被Al质金属膜层反射至芯片表面,从而使器件的发光效率提高2.5倍以上.实验证明,MB型红色LED,当电流为400mA与800mA时,光通量可分别达到37lm与74lm.该类器件已在日本三肯电气、台湾国联、全新等公司进入小批量生产.与传统器件相比,光效得到了大幅度提高.除MB结构的器件外,台湾国联还开发了一种谓之GB型的高亮度InGaAlP LED的新一代器件.所谓GB是英文Giga Bright的缩写.该工艺是采用一种新型的透明膠,将具有GaAs吸收衬底的LED外延片与一片蓝宝石基板粘合在一起,随后再将GaAs吸收衬底去除,并在外延层上制作电极,从而获得了很高的发光效率.(3)表面微结构技术表面微结构工艺是提高器件出光效率的又一个有效技术,该技术的基本要点是在芯片表面刻蚀大量尺寸为光波长量级的小结构,每个结构呈截角四面体状,如此不但扩展了出光面积,而且改变了光在芯片表面处的折射方向,从而使透光效率明显提高.图12指出了在具有纹理结构LED芯片的N种出光模式,由于纹理边缘的存在,使许多本来大于临界角的光可通过边缘部位的反射或折射透射出器件表面.显然,表面处纹理结构的存在,在出光机理上等同于大幅度增加了窗口层的厚度.窗口层的厚度越薄,纹理腐蚀得越深,则出光率的增加将越明显.测量指出,对于窗口层厚度为2 0µm的器件,出光效率可增长30%.当窗口层厚度减至10µm时,出光效率将有60%的改进.对于5 85-625nm波长的LED器件,制作纹理结构后,发光效率可达30lm/w,其值已接近透明衬底器件的水平.(4)倒装芯片技术通常兰绿光及白光LED的结构如图13所示.通过MOCVD技术在兰宝石衬底上生长GaN基L ED结构层,由P/N结发光区发出的光透过上面的P型区射出.由于P型GaN传导性能不佳,为获得良好的电流扩展,需要通过蒸镀技术在P区表面形成一层Ni-Au组成的金属电极层.P区引线通过该层金属薄膜引出.为获得好的电流扩展,Ni-Au金属电极层就不能太薄.为此,器件的发光效率就会受到很大影响,通常要同时兼顾电流扩展与出光效率二个因素.但无论在什么情况下,金属薄膜的存在,总会使透光性能变差.此外,引线焊点的存在也使器件的出光效率受到影响.采用GaN LED倒装芯片的结构可以从根本上消除上面的问题,如图14所示.由于芯片倒装于Si基垫上,LED发出的光直接透过兰宝石射出,不存在上述的Ni-Au金属膜与引线电极,因此出射的光没有损失,加上下面P-GaN层上蒸镀有Ag反射膜,进一步增强了出射光的强度.图15指出了兰绿光LED的量子效率随峰值波长的变化.实验指出,在450~530nm的峰值波长区域,倒装功率型L ED器件的量子效率要比普通型器件高出1.6倍.3、LED散热机制的分析正如上述,对于一个常规的LED器件,90%以上的输入功率将转换成热.为使器件能维持一个合适的温度,正常工作,这些热量必须通过管壳基板等媒介散发到周围环境中去.通常将二个节点间单位热功率输运所产生的温度差定义为该二个节点间的热阻,其数学表达式为:Rθ=ΔT/PD (9)其中Rθ为节点1与2之间的热阻,ΔT为节点1与2之间的温差,PD为二点间的热功率流.热阻Rθ表示了二点间的热散失能力,Rθ越大,散热能力越差;反之Rθ越小,散热能力越强.当电功率V=VF•IF施加到LED上后,在器件的P-N结处将产生大量的热,致使芯片温度迅速升高,由于器件良好的散热特性,大部分热量将通过银浆、管壳、散热基板,PCB散发到周围环境中去,从而抑制了器件芯片的升温.类同于电学中的电阻特性,热阻也存在着相同的运算法则,当n个LED安装于同一块基板上时,其热流图如图17所示.图中Tj、Tc与TB分别代表了某个LED管的P-N结区,管壳与基板处的温度、RθJ-C、RθC-B、RθB-A分别代表P-N结与管壳、管壳与基板、基板与环境之间的热阻,那么,该LED列阵的总热阻可表示为:RθJ-A= RθJ-C + RθC-B +RθB-A (10)其中,1/ΣRθJ-C=Σ(1/ RθJ-C),1/ΣRθC-B=Σ(1/ RθC-B),上式满足的基本条件是阵列中所有LE D具有完全相同的参数.热阻Rθ是LED的一个重要参量,当我们知道了某一器件的热阻的Rθ数值,那么根据式(9),即可求得LED的结温:Tj=T A+PDRθJ-A (11)其中Tj为器件的P-N结温,TA为环境温度,PD=I•V为器件的耗散功率,RθJ-A为器件P-N结与环境之间的热阻.表9. LED衬底材料的热导系数材料热导系数(w/cm•k)Si 1.5Al2O3 0.46GaAs 0.54SiC 4.9表10. 常用的热沉材料的热导系数材料热导系数(w/cm•k)碳钢39.2-36.7黄铜109铝合金162钼138银427锡67锌121纯铜398纯铝236纯铁81.1显然,LED的热阻将严重影响器件的使用条件与性能,图18指出了不同热阻值的器件的最大正向电流与环境温度的关系,由图可见,当热阻较小时,光通量几乎与正向电流成正比例增加,当热阻较大时,由于P-N结温的上升,当正向电流加大到某值时,光通量将趋于饱和,并随之逐渐下降.对于一个LED管,设法降低P-N结与采用环境之间的热阻是提高器件散热能力的根本途径.由于环氧胶是低热导材料,因此P-N结处产生的热量很难通过透明环氧向上散失到环境中去,大部分热量通过衬底、银浆、管壳、环氧粘接层、PCB与热沉向下发散.显然,相关材料的导热能力将直接影响器件的热散失效率.表9与表10指出了若干常用衬底与热沉材料的导热系数值,银浆与环氧的数据未在表中列出.他们的导热系数值分别为2.7与0.2~0.8(w/mk).实验指出,对于一个普通型(Φ5)的LED,从P-N结区环境温度的总热阻在300~600˚C/w之间;对于一个具有良好结构的功率型L ED器件,其总热阻约为15~30˚C/w.巨大的热阻差异表明普通型器件只能在很小的输入功率条件下,才能正常地工作,而功率型器件的耗散功率可大到瓦级甚至更高.。

led灯发光效率高的原因

led灯发光效率高的原因LED灯发光效率高的原因LED（Light Emitting Diode）发光二极管是一种半导体发光器件，相较于传统的白炽灯和荧光灯，LED灯具有更高的发光效率。

那么，为什么LED灯的发光效率如此高呢？本文将从材料、结构和发光机制三个方面进行探讨。

一、材料方面1. 发光材料：LED的发光材料是半导体材料，常见的有氮化镓（GaN）和磷化铝镓（AlInGaP）等。

这些材料具有窄带隙，能够实现高效的电能转化为光能。

此外，这些材料还具有高热导率和优异的稳定性，能够保证LED灯具有更长的使用寿命。

2. 衬底材料：LED的衬底材料一般采用蓝宝石（sapphire）或碳化硅（SiC），这些材料具有良好的热传导性能和光透过性能，能够有效地提高LED的发光效率。

二、结构方面1. LED芯片结构：LED芯片由多个层次的半导体材料构成，其中包括P型层、N型层和活性层。

在P型层和N型层之间形成的P-N结，能够将电能转化为光能。

此外，LED芯片还具有金属电极和衬底电极，能够提供电流和电压，从而实现LED的正常工作。

2. 光学设计：LED灯具有精确的光学设计，能够有效地控制光的发射方向和光的强度分布。

常见的光学设计包括反射杯、透镜和光导板等。

这些设计能够减少光的损失和散射，提高光的利用率，从而提高LED的发光效率。

三、发光机制方面1. 电子复合：LED中的电子和空穴在P-N结处发生复合，产生光子。

这种发光机制又称为辐射复合，能够将电能转化为光能。

LED材料的带隙决定了发光的波长，不同的材料可以发射不同颜色的光。

2. 发光效应：LED的发光效应是一种固态发光效应，与热辐射发光机制不同，因此具有更高的能量转化效率。

LED具有快速的开关速度，能够实现高频闪光，从而产生稳定、均匀的光照。

LED灯发光效率高的原因主要包括材料、结构和发光机制三个方面。

LED灯采用高效的发光材料，具有精确的结构设计和优化的发光机制，能够将电能高效地转化为光能。