Светодиод, эффективность светоизвлечения

Эффективность преобразования в светодиоде электрической энергии в световую зависит от нескольких факторов. Одним из наиболее важных можно считать коэффициент светоизвлечения.

В принципе, 100% света можно извлечь из светодиода, но современный уровень эффективности светоизвлечения составляет около 50%. Ограничения в извлечении света включают внутреннее отражение на границах разделов. и поглощение света внутри устройства или в корпусе. На рисунке показаны некоторые методы светоизвлечения.

Инкапсуляция может уменьшить коэффициент преломления между полупроводником и воздухом, создавая благоприятную геометрию. Используются герметики с высоким коэффициентом преломления герметик-воздух и низким кристалл-герметик. Ограничения этого подхода включают прозрачность и деградацию эпоксидных герметиков под воздействием высоких температур и интенсивного излучения. По этой причине эпоксидную смолу заменяют силиконовыми герметиками.

Формирование определённой формы кристалла использовалось для увеличения светоотдачи светодиодов. Компания Lumileds использовала форму перевернутой пирамиды, чтобы усилить светоотдачу красного светодиода (AlGaInP) и добиться эффективности до 50% (полной, от резетки). Cree также использовала формирование кристалла для повышения эффективности своих коммерческих синих и зеленых светодиодов.

Текстурирование поверхности приводит к случайному рассеянию на поверхности, увеличивая вероятность того, что свет попадет на поверхность в пределах выходного конуса, тем самым увеличивая светоотдачу.

Фотонные кристаллы можно использовать разными способами для увеличения светоотдачи. Двумерные фотонные кристаллы могут быть использованы для рассеяния волноводных мод за пределы области активного слоя. Другой подход заключается в использовании двумерных фотонных кристаллов для изменения фотонной плотности состояний в активном слое так, чтобы не допускались никакие плоскостные моды. Это приводит к тому, что весь излучаемый из квантовых ям свет будет перпендикулярен поверхности светодиода, так что он будет лежать внутри выходного конуса и не отражаться. Третья возможность — повысить внутреннюю квантовую эффективность за счет увеличения фотонной плотности состояний на длине волны излучения светодиода. Наконец, трехмерные фотонные кристаллы можно использовать в качестве зеркал с высокой отражающей способностью для светодиодов с резонансным объемом и лазерных диодов, которые описаны ниже.

Светодиоды с резонатором или люминофоры с лазерной накачкой потенциально могут стать очень эффективными источниками белого света. Светодиоды с резонатором и лазеры имеют самую высокую эффективность преобразования энергии среди всех оптоэлектронных устройств (76% зарегистрировано для лазера в инфракрасном диапазоне). Несмотря на присущие потери энергии из-за преобразования фотонов возбуждающего люминофора, чистая светоотдача этой схемы может быть очень высокой.

Однако технологические затраты на производство этих сложных устройств могут сделать их слишком дорогими, чтобы их можно было использовать на практике.

Источник: Julia M. Phillips and others. Basic research needs for solid-state lighting. Report of the Basic Energy Sciences Workshop on Solid-State Lighting. May, 2006