河南农大研究生院-小学生国庆节手抄报

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兰　
文章编号：１００６—６２６８（２００６）１　 １－００７４—０５　
初探ＬＥ　Ｄ的出光率　
叶荣南。马承柏　
（ｉ（－Ｉ市现代半 导体照明产业化促进ｃｏ，Ｃ，，福建厦门３６１０００）　
摘　要：ＬＥＤ的低出光率制约了ＬＥＤ的 发展。它导致了芯片发热、光衰快、ＬＥＤ寿命降低等影　
响。另外。它也影响了ＬＥＤ厂商降低生产成 本的可能。目前一般使用光学透镜以增加光效，然而　
我们一直采用传统的电子元件封装方法而忽略了Ｌ ＥＤ作为照明的光学特性，这也给ＬＥＤ测量　
带来了相当大的误差。本文分析了ＬＥＤ芯片低出光率的 原因及其影响。同时也介绍了提高出光　
率的几种途径。　
关键词：出光率；光效；ＬＥＤ测量 误差　
中图分类号：ＴＮ３８３　文献标识码：Ａ　
Ｓｔｕｄｉｎｇ　ｔｈｅ　Ｌｉｇｈｔ　Ｅ ｘｔｒａｃｔｉｎｇ　Ｒａｔｅ　ｏｆ　ＬＥＤ　
ＹＥ　Ｒｏｎｇ－ｎａｎ，ＭＡ　Ｃｈｅｎｇ－ｂｏ　
（Ｘｉａｍｅｎ　ＬＥＤ　Ｐｒｏｍｏｔｉｏｎ　Ｃｅｎｔｒｅ，Ｆｕｊｉａｎ　３６１　０００，Ｃｈ ｉｎａ）　
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｌｏｗ　ｌｉｇｈｔ　ｅｘｔｒａｃｔｉｎｇ　ｒａｔｅ　ｏｆ 　ＬＥＤ　ｔｉｅｓ　ｕｐ　ｔｈｅ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｏｆ　ＬＥＤ．Ｉｔ　ｍａｋｅｓ　ｔｈｅ　< br>ｃｈｉｐ　ｈｅａｔ，ｌｉｇｈｔ　ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ　ｗｅａｋｅｒ，ａｎｄ　ｔｈｅ　ｌｉｆｅ　ｓ ｈｏｒｔｅｒ　Ｉｎ　ａｄｄｉｔｉｏｎ，ｉｔ　ａｆｆｅｃｔｓ　ｔｈｅ　ＬＥＤ　ｐｒｏｄｕｃｅｒ　
ｒｅｄｕｃｉｎｇ　ｔｈｅ　ｃｏｓｔ．Ｔｈｅ　ｏｐｅｒａｔｏｒ　ｕｓｅｓ　Ｏｐｔｉｃｓ　Ｌｅｎｓ　ｔ ｏ　ｉｎｃｒｅａｓｅ　ｔｈｅ　Ｌｉｇｈｔ　ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ．Ｈｏｗｅｖｅｒ，　
ｗｅ　ｆｏ ｌｌｏｗｅｄ　ｔｏ　ｕｓｅ　ｔｈｅ　ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ　ｗａｙ　ｏｆ　ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ　ｐ ａｃｋｉｎｇ　ａｎｄ　ｎｅｇｌｅｃｔｓ　ＬＥＤ　Ｏｐｔｉｃｓ　
Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ，ｗｈｉｃｈ　ｂｒｏｕｇｈｔ　ｇｒｅａｔｌｙ　ｍｅａｓｕｒｉｎｇ　ｍｉｓｔａｋｅｓ．Ｔｈｉｓ　ａｃｔ ｉｃｌｅ　ａｎａｌｙｚｅｓ　ｔｈｅ　
ｒｅｆｒａｃｔｉｖｅ　ｉｎｄｅｘ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｃｈｉｐ 　ｃａｕｓｉｎｇ　ｔｈｅ　ｌｏｗｅｒ　ｌｉｇｈｔ　ｅｘｔｒａｃｔｉｎｇ　Ｒａｔｅ．Ｍｅａｎｗｈｉｌｅ ，ｉｔ　ａｎａｌｙｚｅｓ　
ｔｈｅｓｅ　ａｂｏｖｅ—ｍｅｎｔｉｏｎｅｄ　ｖａｒｉｏｕｓ　ａｓｐ ｅｃｔｓ　ｏｆ　ｉｎｆｌｕｅｎｃｅｓ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｌｉｇｈｔ　ｅｘｔｒａｃｔｉｎｇ　Ｒａｔｅ．Ａｎ ｄ　ｉｔ　
ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ　ｔｈｅ　ｗａｙｓ　ｏｆ　ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ　ｔｈｅ　ｌｉｇ ｈｔ　ｅｘｔｒａｃｔｉｎｇ　ｒａｔｅ．　
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｔｈｅ　ｌｉｇｈｔ　ｅｘｔｒａｃｔ ｉｎｇ　ｒａｔｅ；ｔｈｅ　ｌｉｇｈｔ　ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ；ｔｈｅ　ＬＥＤ　ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ　 ｅｒｒｏｒ　
Ｐ层、Ｎ层及中间层组成，此中间层由双异质结构　
１　ＬＥＤ的发光机理　成，为发光区（图１）。利用外电源由ＰＮ结注入电子，　
在正向偏压作用下，Ｎ区半导体形成的电 子将正方　
半导体照明亦称固态照明，是一种基于半导体　
向扩散进入有源层，Ｐ区的空穴也将 负方向扩散进　
发光二极管这一新型光源的照明。ＬＥＤ由半导体之　
入有源层。电子与空穴复 合时将产生自发辐射光。　
７４现代显示Ａｄｖａｎｃｅｄ　Ｄｉｓｐｌａｙ　ＮＯＶ　２００６　收稿 日期：２００６—１０—２０　

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叶荣南，马承柏：初探 ＬＥＤ的出光率　
图１　ＬＥＤ半导体发光结构　
图２光线从光密物质向光疏物质的传播过程　
ＬＥＤ因材料不同其电子与空穴所占之能级也不　
界面，发射光线①’以大于入射角的方向进入 空气；　
光线②以临界角射向界面，则出射光线②’沿界面射　
出；光线③以大于临界角射向界 面，此时产生全反　
射，反射角与入射角相等。　
同，也就出现不同频率的光；频率不同，光的 颜色也　
就不同。ＬＥＤ是固体光源，不含汞，不需玻璃外壳，故　
使用安全并且无污染；同时 它还具有光色亮丽、色饱　
和度高、Ⅱ向应快（比一般灯泡快２个数量级）、重复开　
由折射定 律：　
ｎ・ｓｉｎ　ｉ＝ｎ’・ｓｉｎ　ｉ’　
关对寿命无影Ⅱ向、抗震性能好、寿命长、耗电 低、结构　
简单、体积小以及重量轻等特点，同时内部光效很　
高，集中了大部分光源的优点而 被誉为第４代照明　
光源。　
＝
因：空气折射率近于１，在临界条件时折射角　
９０。，则入射角ｉ称为临界角；在临界条件下，　
ｎ・ｓｉｎ　ｉ＝ｎ’・ｓｉｎ　ｉ’＝１　ｉ：ａｒｃｓｉ　
ｎ　
但是ＬＥＤ要想在照明领域上替代其他光源，还　
有几个问 题必须解决，即：　
（１）提高光效：　
对于ＩｎＧａＡＩＰ芯片，其ｎ＝３．３，则ｉ＝１７ ．６。　
也就是说芯片内只有±１７．６。的这部分光锥可　
（２）降低成本；　
（３ ）降低芯片发热量；　
（４）提高检测的一致性。　
射出芯片，其余部分被反射回芯片，这部分 射出的光　
锥在整个２Ｔｒ空间所占的比重，即为出光率。　
出光率，　
片）太低了１ 　
这４项都受ＬＥＤ的出光率的制约。　
－９．８。，（ＩｎＧａＡＩＰ芯　
２　ＬＥ Ｄ的出光率　
３　出光率的影响　
根据光学折射定律，光线从光密物质（如芯片）　
向 光疏物质（如空气）行进时，会发生全反射，条件是　
入射角需大于临界角（图２）。　
３．１ 　对光效的影响：　
芯片的电光转换效率（简称光效）是芯片的光功　
率（光通量）和电流注入 功率之比，单位是Ｉｍ／＼￣　
现代显示Ａｄｖａｎｃｅｄ　Ｄｉｓｐｌａｙ　７５　
图２中光 线①以小于临界角射向芯片与空气的　
Ｎｏｖ　２００６　

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叶荣南，马承柏：初探ＬＥＤ的出光率　
光效叼＝１　Ｊ・１．・１ｆ・订０　< br>式中：１ｉ器件的注入功率；　
力。内电光转换效率；　
４提高出光率的途径　
４．１　降低出射面两边介质的折射率差。增大　
力　电子输送效率；　
力０出光率。　
出射光锥　
其中由于掺杂大大提高了注入功率，由于外延工艺　
的成熟提高了内电光转换效率 ；在ＰＮ界面上开凿　
ｉ临：ａｒｃｓｉ　
量子井芯工艺使电子输送效率也提升了，也就是说　
若ｎ　趋近于ｎ，则ｉ临趋近于９０。，这意味着　
Ｔ１　、Ｔ１．、Ｔ１ｆ均达９０％以上， 再提高的空间有限，对提　
出光率趋近１００％；若ｎ　大于ｎ，则临界角不存在，　
高总光效 的贡献不大，而ＬＥＤ芯片的出光率很低，　
光线不仅全部透过出射面而且向法线靠拢。　
不到 １０％，稍有改进对光效的提高便有显著的作　（１）寻找低折射率的芯片材料。　
用。芯片的光效近乎 取决于芯片的出光率。　
若芯片折射率降至２．３，则ｉ临＝ａｒｃｓｉｎ　
‘－・ｕ　
＝
３．２对芯片发热量的影响　
２５．８。；出光率　０＝１４．３％；提高了４６％。　< br>前述ＬＥＤ之出光率仅１０％，９０％的光线返回　
（２）增加中间过渡层：如环氧树脂、硅胶， 甚至特　
芯片，最终消耗转化为热量，使芯片温度提高，光衰　
种玻璃等。　
加剧，光 效变差，寿命减短。也就是说ＬＥＤ发出之　
对于过渡层的要求：　
光，９０％不仅无用而且危 害极大，这个问题若不解　
ａ、透气、无色。　
决，ＬＥＤ简直无法使用。　
ｂ、中间 层的折射率ｎ中尽量接近ｎ芯，使芯片　
进入中间层的临界角加大。＼若ｎ中＝１－４９（环氧树　３．３对检测一致性的影响　
脂）则ｉ临：ａｒｃｓｉｎ粤：２ｎ思　６：８。；出光率－ｑ　０。 　：１４．　
为提高出光率，目前大部分ＬＥＤ产品在芯片和　
９％：　
空气之间加一 光学透镜来提高出光率，出光率可提　
若ｎ中＝２．３（特种玻璃），则ｉ临＝ａｒｃｓｉｎ　
高５０％左右，但其封装仍沿用了电子封装的概念，　
．
Ｊ　
仅是将元件放置在包装物 内，而光电子封装更应考　
＝
４４．２。；出光率－ｑ　０＝２４．５％；　
虑它对光 学性能的要求，因为ＬＥＤ的主要用途是作　
效果是很明显的。　
为光源使用，这一光源已非点 光源，而是一个面光源　
Ｃ、可塑性或可）ＪａＴ型，使其出射可具有曲面等　
加光学透镜的简 单光学系统，它已具备有光轴，封装　
形状，以便使进入中间层的光线尽量多地折射到空　
时应 有光轴定位，并应标示光束形态（如会聚度或发　
气层，若中间层仍为平面，则对出光率的提高毫无贡　
散度）。这样才能确定这一简单的”光学系统。的像　
献。　
点在何处，而此像点对于 今后使用时或测试时却是　
如图３，在临界条件下：ｎｌｓｉｎｉ１＝ｎ２ｓｉｎｉ２＝　
其发 光的物点（绝大部分是虚物点），这是极其重要　
ｎ３ｓｉｎｉ３＝１删ｉ１　ａｃｒｓｉｎ　；　的参照点。现在的问题不仅对光轴没有加以定位，而　
与光线从芯片直接进入空气的临界角一样，并 　
且”透镜系统根据需求形状各异，且原标示和定位，　
无改善。　
这样测量误差达到 百分之十几是完全可能的。这么　
大于ｉ　进入中间层的光线，在中间层产生了全　
大的误差在 光学测量中简直难以置信１　
反射，到不了空气层，所以必须改变出射面形状，如　
７６现代显 示Ａｄｖａｎｃｅｄ　Ｄｉｓｐｌａｙ　Ｎｏｖ　２００６　

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表１不同芯片位置的像面位置表　
　ｌ
Ｉ　
Ｉ　
Ｉ　
－　
Ｌ　－３　－４　－５　－６　－７　－２．５　
Ｉ　ｉ３　
。　
Ｌ　－３－３　－５．６６　－９．８　一ｌ９．１　－５９．３　－２．５　
ｎ２　
当芯片位置处于球面处，像与物点重合　
；　
（Ｌ＝一２．５，Ｌ。＝ 一２．５），光线沿原方向射出球　
面，则光强分布具有余弦辐射体的特点。即芯片之　
像Ｏ。 为虚像，位于球面顶点之左，此Ｏ。即为ＬＥＤ　
图３　
向外发射的发光点所在位置，对于使用 者或测量者　
真正要注意的是这个点而不是芯片位置，也不是顶　
球形、椭圆型、微棱锥体…… 以目前使用最广的球面　
点位置。ＣＩＥ为了较真实的反映光度学定义的发光　
透镜为例，来分 析它的光路。　
强度，而推荐了平均ＬＥＤ光强概念，并同时推出两　
（１）芯片位置的影响　
个测量标准条件（表２）。　
设芯片置于圆心之后（左侧），从图４可以看出，　
表２ 　ＣＩＥ推荐ＬＥＤ测量标准条件　
从芯片表面进入透镜系统的光线，经过球面后向光　
轴靠拢 。其虚像点Ｏ。在芯片之左侧（更远离圆心）。　
ＣＩＥ推荐　ＬＥＤ顶端到探测口距离　立体角　平面 角　
条件Ａ　３１６ｍｍ　Ｏ．０ｏｌｓｒ　２。　
条件Ｂ　１０ｏｍｍ　Ｏ．Ｏｌｓｒ　６． ５。　
其实符合远场条件（３１　６ｍｍ），其立体角并不等　
于０．００１　ｓｒ，符合近场 条件（１　００ｍｍ）其立体角不等　
于０．０１　ｓｒ。因为此出射光线的交点并不在顶点上，而　< br>随芯片位置和球面曲率的不同而异。一般在顶点之　
左（与光线行进方向相反）这就带来了测量误 差。而　
ｌＥＣ似平已经看到了这一点，它规定了近场条件Ｂ，　
但立体角写成＜０．０１　ｓ ｒ。　
（２）芯片倾角的影响：芯片面积０．２ｍｍ　ｘ　
图４　
０．２ｍｍ，大功率 ＬＥＤ的芯片面积达１ｍｍ　Ｘ　１ｍｍ以　
上，相对Ｒ＝２ｍｍ～６ｍｍ的芯片位置已不满足点光　< br>设Ｒ＝一２．５，Ｌ＝一４，ｎ＝１．４９，ｎ。＝１；　
源，而是一个面光源，而面光源的安装 倾角对光度测　
根据物像关系的阿贝不变量原理，在近轴区内　
量的影响是很大的，见图５：　
有：　
图５中ｄＡｓ为元发光面积；　
一
｝＝　，则芯片在不同位置上，光线 通　
ｄＡ为受光平面；　
过球面后的不同像面位置见下表１：　
为发光面与光轴的夹角 　
日　为受光面（或测量灵敏面）与光轴的夹角；　
Ｎｏｖ　２００６　现代显示Ａｄｖａｎｃ ｅｄ　Ｄｉｓｐｌａｙ　７７　

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叶荣南，马承柏：初探 ＬＥＤ的出光率　
形成了高４００ｍｍ一５００ｎｍ、相隔为１　５０ｍｍ　
２００ｎｍ的球状 聚苯乙烯。　
（４）将Ｎ型区会吸收的ＧａＳ层去除，并镀上反　
射层（Ａｇ或Ａ１），这一改 变可将射向底面的光线几乎　
全部反射回出光面，再次被利用，可大大提高出光　
率，并降低温 度。　
（５）将透明衬底ＧａＰ置换ＧａＳ并利用倒装技　
术，将ＧａＰ作为出光面，又可大大 提高出光面的透　
图５　
光率。　
则受光面上的照度　Ｅ＝　・ｃ。ｓ　８　ｚ　（６）直接在芯片外延时构造微球（或微棱锥）结　
构：这是不同于聚苯乙烯，或在其它中间层上构 造微　
而　『一Ｌ・ｄＡｓ・ＣＯＳ　８，　
球（或微棱锥）结构，这是在芯片外延时同时构造 微　
・
．．
Ｅ：　・ｃｏｓ　８１・ｃｏｓ　８　２。　
Ｉ　Ｘ　Ｉ　
结构，使ＬＥＤ发光层发出的光，直接进入微结构大　
即：受光面上的照度Ｅ与发光芯片的安装倾角的 余　
部分光线可直接进入空气层，反射回芯片的光线由　
弦成正比。而当前的情况是厂家在粘接 芯片时注意　
底部反射回来再被利用，如此多次反复出光率可大　
了芯片位于碗杯之中心，而忽 视了芯片倾角的校正，　
大提高。而用聚苯乙烯构造微球结构时，光从芯片进　
测量时只注意顶 点的位置而不在意光轴的定位，大　
入聚苯乙烯球体只有１５％，当然反射回底片的光可　
大加 剧了测量的误差。　
通过反射的方式重复利用，但是每次的取光率都较　
（３）增加出光面的透 过率　
低，而且都会有光损失。　
ａ、由于光从Ｐ／Ｎ结之Ｐ型区射出，而Ｐ型ＧａＮ　
的电导性能不佳，故在Ｐ区表面蒸镀一层半透明的　
参考文献：　
Ｎｉ—Ａｕ导电薄膜。膜层 太薄，电导性不佳；但膜层太　
【１】中国半导体照明产业发展报告（２００５）【Ｒ】．国家新　厚又影响出光率，要在两者之中折衷。为改善上述状　
材料行业生产力促进中心、国家半导体照明工 程　
况，采用氧化锡铟（ＩＴＯ）薄膜代替Ｎｉ—Ａｕ，透光率大　
研发及产业联盟编．北京： 机械工业出版社，　
于８０％。　
２００６．１．　
ｂ、改变芯片表面微结构，在其上 形成微球面或　
【２】茹考斯卡斯，舒尔，加斯卡．固体照明导论【Ｍ】．北　
微棱锥面结构， 以改变其初涉光线的入射角，使其大　
京：化学工业出版社，２００５．８．　
部分光线于临界 角射向表面，可大大提高出光率和　
简化结构。　
作者简介：叶荣南（１９３９一），男，籍贯 厦门，高级工程　
如日本东芝在ＬＥＤ表面涂敷一层液体玻璃，加　
师，１　９６２年毕业于浙 江大学光学仪器系，曾在兵器　
热至玻璃硬化。再在玻璃表面覆盖一层聚合物（聚苯　
部３１　 ８厂从事光学仪器研制和测量方法研究，并于　
乙烯与聚甲基丙烯酸甲酯加聚所得）并将其加热至　１　９７９年研制出变像管传递函数测试仪，获国务院国　
２００℃左右，使其中聚苯乙烯形成球体 ，再使用芯离　
防工办重大技术进步二等奖。现为厦门市ＬＥＤ促进　
子刻蚀去掉聚甲基丙烯酸 甲酯，使表面上形成球状　
中心专家组成员，参与建立和制订厦门市夜景工程　
聚苯乙烯，然后 将这些聚苯乙烯球遮住，再使用离子　
半导体照明器件部件产品技术规范，Ｅ—ｍａｉｌ：　
蚀 剂技术去掉未经遮盖的玻璃和半导体衬底，最后　
ｒｎｙｅ＠１　６３．ｃｏｍ。　
７８现代显 示Ａｄｖ￣ｌ　Ｄｉｓｐｌａｙ　Ｎｏｖ　２００６