Dioda elektroluminescencyjna (LED) jest zasadniczo diodą półprzewodnikową złącza PN, która emituje światło monochromatyczne (jednokolorowe), gdy działa w kierunku przesuniętym do przodu. Podstawowa konstrukcja diody LED składa się z matrycy lub materiału półprzewodnikowego emitującego światło, ołowianej ramy, w której matryca jest faktycznie umieszczona, oraz powłoki epoksydowej, która otacza i chroni matrycę (rysunek 1). Pierwsze komercyjne diody LED zostały opracowane w latach 60-tych, łącząc trzy podstawowe pierwiastki: gal, arsen i fosfor (GaAsP), aby uzyskać źródło światła czerwonego o długości 655 nm. Chociaż natężenie światła było bardzo niskie przy poziomach jasności około 1-10mcd @ 20mA, nadal znajdowały zastosowanie w różnych zastosowaniach, głównie jako wskaźniki. Po GaAsP, GaP lub fosforku galu opracowano czerwone diody LED. Stwierdzono, że urządzenia te wykazują bardzo wysoką wydajność kwantową, jednak odegrały niewielką rolę w rozwoju nowych zastosowań diod LED. Wynikało to z dwóch powodów: po pierwsze, emisja o długości fali 700 nm występuje w obszarze widmowym, w którym poziom czułości ludzkiego oka jest bardzo niski (rysunek 2) i dlatego nie „wydaje się” być bardzo jasny, mimo że wydajność jest wysoka (ludzkie oko najlepiej reaguje na żółto-zielone światło). Po drugie, ta wysoka sprawność jest osiągana tylko przy niskich prądach. Wraz ze wzrostem prądu wydajność spada. Okazuje się to wadą dla użytkowników, takich jak producenci oznakowania komunikatów zewnętrznych, którzy zazwyczaj multipleksują swoje diody LED przy wysokich prądach, aby osiągnąć poziomy jasności podobne do jasności ciągłej pracy DC. W rezultacie czerwone diody GaP są obecnie używane tylko w ograniczonej liczbie zastosowań. Wraz z postępem technologii LED w latach 70. dostępne stały się dodatkowe kolory i długości fal. Najpopularniejszymi materiałami były GaP zielony i czerwony, GaAsP pomarańczowy lub wysokowydajna czerwień i GaAsP żółty, z których wszystkie są nadal używane (tabela 3). Zaczął się również rozwijać trend w kierunku bardziej praktycznych zastosowań. Diody LED znalazły się w takich produktach jak kalkulatory, zegarki cyfrowe i sprzęt testowy. Chociaż niezawodność diod LED zawsze przewyższała niezawodność żarówek, neonów itp., wskaźnik awaryjności wczesnych urządzeń był znacznie wyższy niż obecnie osiągana przez dzisiejszą technologię. Wynikało to częściowo z samego montażu komponentów, który miał głównie charakter ręczny. Poszczególni operatorzy wykonywali takie zadania, jak dozowanie żywicy epoksydowej, umieszczanie matrycy na miejscu i mieszanie żywicy epoksydowej ręcznie. Spowodowało to defekty, takie jak „pomyje epoksydowe”, które powodowały upływ VF (napięcie do przodu) i VR (napięcie wsteczne), a nawet zwarcie złącza PN. Ponadto metody wzrostu i użyte materiały nie były tak dopracowane, jak są dzisiaj. Duża liczba defektów w krysztale, podłożu i warstwach epitaksjalnych skutkowała obniżoną wydajnością i krótszym czasem życia urządzenia.
Arsenek galu i glinu
Dopiero w latach 80-tych, kiedy opracowano nowy materiał, GaAlAs (arsenek galu i glinu), zaczął następować gwałtowny wzrost wykorzystania diod LED. Technologia GaAlAs zapewniła lepszą wydajność w porównaniu z wcześniej dostępnymi diodami LED. Jasność była ponad 10 razy większa niż w przypadku standardowych diod LED dzięki zwiększonej wydajności i wielowarstwowym, heterozłączowym strukturom. Napięcie wymagane do pracy było niższe, co skutkowało całkowitą oszczędnością energii. Diody LED mogą być również z łatwością pulsowane lub multipleksowane. Umożliwiło to ich zastosowanie w zmiennym przekazie i znakach zewnętrznych. Diody LED zostały również zaprojektowane do takich zastosowań, jak skanery kodów kreskowych, światłowodowe systemy transmisji danych oraz sprzęt medyczny. Chociaż był to poważny przełom w technologii LED, nadal istniały istotne wady materiału GaAlAs. Po pierwsze, był dostępny tylko w czerwonej długości fali 660 nm. Po drugie, degradacja strumienia świetlnego GaAlAs jest większa niż w przypadku standardowej technologii. Od dawna panuje błędne przekonanie o diodach LED, że moc światła zmniejszy się o 50% po 100 000 godzin pracy. W rzeczywistości niektóre diody GaAlAs mogą spaść o 50% już po 50 000 -70 000 godzin pracy. Dotyczy to zwłaszcza środowisk o wysokiej temperaturze i/lub dużej wilgotności. Również w tym czasie kolory żółty, zielony i pomarańczowy odnotowały tylko niewielką poprawę jasności i wydajności, co było spowodowane głównie poprawą wzrostu kryształów i konstrukcji optyki. Podstawowa struktura materiału pozostała względnie niezmieniona.
Aby przezwyciężyć te trudne problemy, potrzebna była nowa technologia. Projektanci LED zwrócili się ku technologii diod laserowych w poszukiwaniu rozwiązań. Równolegle z szybkim rozwojem technologii LED postępowała również technologia diod laserowych. Pod koniec lat osiemdziesiątych zaczęto produkować diody laserowe o mocy wyjściowej w zakresie widzialnym do zastosowań takich jak czytniki kodów kreskowych, systemy pomiaru i osiowania oraz systemy przechowywania nowej generacji. Projektanci diod LED postanowili wykorzystać podobne techniki do produkcji diod LED o wysokiej jasności i niezawodności. Doprowadziło to do opracowania widocznych diod LED InGaAlP (fosforan indowo-galowo-glinowy). Zastosowanie InGaAlP jako materiału luminescencyjnego pozwoliło na elastyczność w projektowaniu koloru wyjściowego LED poprzez proste dostosowanie wielkości przerwy energetycznej. W ten sposób zielone, żółte, pomarańczowe i czerwone diody LED mogą być produkowane przy użyciu tej samej podstawowej technologii. Dodatkowo degradacja strumienia świetlnego materiału InGaAlP jest znacznie poprawiona nawet w podwyższonej temperaturze i wilgotności.
Aktualne postępy w technologii LED Diody LED InGaAlP poczyniły kolejny skok w jasności dzięki nowemu rozwiązaniu firmy Toshiba, wiodącego producenta diod LED. Toshiba, stosując proces wzrostu MOCVD (chemiczne osadzanie z fazy gazowej metali tlenkowych), była w stanie wytworzyć strukturę urządzenia, która odbijała 90% lub więcej generowanego światła wędrującego z warstwy aktywnej na podłoże z powrotem jako użyteczna moc wyjściowa (Rysunek 4). Pozwoliło to na prawie dwukrotny wzrost luminancji LED w stosunku do urządzeń konwencjonalnych. Wydajność diod LED została dodatkowo poprawiona przez wprowadzenie warstwy blokującej prąd do struktury diody LED (rysunek 5). Ta warstwa blokująca zasadniczo kieruje prąd przez urządzenie, aby osiągnąć lepszą wydajność urządzenia. W wyniku tych zmian znaczna część rozwoju diod LED w latach 90-tych będzie skoncentrowana w trzech głównych obszarach: pierwszy to urządzenia kontroli ruchu, takie jak światła stopu, sygnalizacja dla pieszych, światła na barykadach i znaki ostrzegawcze na drodze. Drugi to tablice o zmiennej treści, takie jak ten znajdujący się na Times Square w Nowym Jorku, który wyświetla towary, wiadomości i inne informacje. Trzecia koncentracja dotyczyłaby zastosowań motoryzacyjnych. Widoczna dioda LED przeszła długą drogę od czasu jej wprowadzenia prawie 40 lat temu i nie wykazuje jeszcze żadnych oznak spowolnienia. Niebieska dioda LED, która pojawiła się w produkcji w latach 90-tych, zaowocowała całą generacją nowych zastosowań. Niebieskie diody LED ze względu na ich wysoką energię fotonów (& gt;2,5eV) i stosunkowo niską czułość oka zawsze były trudne do wyprodukowania. Ponadto technologia niezbędna do wytwarzania tych diod LED jest bardzo różna i znacznie mniej zaawansowana niż standardowe materiały LED. Dostępne obecnie niebieskie diody LED składają się z konstrukcji GaN (azotek galu) i SiC (węglik krzemu) o poziomach jasności przekraczających 10 000 mcd przy 20 mA dla urządzeń GaN. Ponieważ niebieski jest jednym z podstawowych kolorów (pozostałe dwa to czerwony i zielony), pełnokolorowe tablice LED, telewizory itp. stały się dostępne na rynku. Inne zastosowania niebieskich diod LED obejmują medyczny sprzęt diagnostyczny i fotolitografię.
Kolory LED Możliwe jest również wytwarzanie innych kolorów przy użyciu tej samej podstawowej technologii GaN i procesów wzrostu. Na przykład opracowano zieloną diodę LED o wysokiej jasności (około 500 nm), która zastąpiła zieloną żarówkę w sygnalizacji świetlnej. Możliwe są również inne kolory, w tym fioletowy i biały. Wraz z wprowadzeniem niebieskich diod LED możliwe jest wytwarzanie bieli poprzez selektywne łączenie odpowiedniej kombinacji światła czerwonego, zielonego i niebieskiego. Proces ten jednak wymaga zaawansowanego oprogramowania i zaprojektowania sprzętu do wdrożenia. Ponadto poziom jasności jest niski, a ogólny strumień świetlny każdej używanej matrycy RGB ulega degradacji w różnym tempie, co ostatecznie powoduje nierównowagę kolorów. Innym podejściem do uzyskania białego światła jest zastosowanie warstwy luminoforu (granat itrowo-aluminiowy) na powierzchni niebieskiej diody LED. Podsumowując, diody LED przeszły od niemowlęctwa do okresu dojrzewania i doświadczają jednych z najszybszych wzrostów rynkowych w ich życiu. Dzięki zastosowaniu materiału InGaAlP z MOCVD jako procesu wzrostu, w połączeniu z wydajnym dostarczaniem generowanego światła i efektywnym wykorzystaniem wstrzykiwanego prądu, obecnie dostępne są jedne z najjaśniejszych, najbardziej wydajnych i najbardziej niezawodnych diod LED. Technologia ta wraz z innymi nowatorskimi konstrukcjami LED zapewni szerokie zastosowanie diod LED. Nowe osiągnięcia w zakresie widma niebieskiego i białego światła zagwarantują również dalszy wzrost zastosowań tych ekonomicznych źródeł światła.
