A Light Emitting Diode (LED) lényegében egy PN átmenetű félvezető dióda, amely monokromatikus (egyszínű) fényt bocsát ki, ha előre előfeszített irányban működtetik. A LED alapszerkezete a szerszámból vagy fénykibocsátó félvezető anyagból, egy ólomkeretből, ahol a matrica ténylegesen el van helyezve, és a tokozási epoxiból, amely körülveszi és védi a szerszámot (1. ábra). Az első kereskedelemben használható LED-eket az 1960-as években fejlesztették ki három elsődleges elem: gallium, arzén és foszfor (GaAsP) kombinálásával, hogy 655 nm-es vörös fényforrást kapjanak. Bár a fényerősség nagyon alacsony volt, körülbelül 1-10 mcd @ 20 mA fényerővel, mégis számos alkalmazásban, elsősorban indikátorként használták őket. A GaAsP, GaP vagy gallium-foszfid nyomán vörös LED-eket fejlesztettek ki. Ezekről az eszközökről azt találták, hogy nagyon magas kvantumhatékonyságot mutatnak, azonban csak csekély szerepet játszottak a LED-ek új alkalmazásainak növekedésében. Ennek két oka volt: Először is, a 700 nm-es hullámhosszú emisszió olyan spektrális tartományban van, ahol az emberi szem érzékenységi szintje nagyon alacsony (2. ábra), ezért nem „látszik” túl fényesnek a hatásfok ellenére. magas (az emberi szem a sárga-zöld fényre reagál a legjobban). Másodszor, ez a nagy hatásfok csak alacsony áramerősség mellett érhető el. Az áramerősség növekedésével a hatásfok csökken. Ez hátránynak bizonyul az olyan felhasználók számára, mint például a kültéri üzenettáblák gyártói, akik általában nagy áramerősséggel multiplexelnek LED-eiket, hogy a folyamatos egyenáramú működéshez hasonló fényerőt érjenek el. Ennek eredményeként a GaP piros LED-eket jelenleg csak korlátozott számú alkalmazásban használják. A LED-technológia fejlődésével az 1970-es években további színek és hullámhosszak váltak elérhetővé. A legelterjedtebb anyagok a GaP zöld és piros, a GaAsP narancssárga vagy nagy hatékonyságú vörös és a GaAsP sárga színek voltak, amelyek mindegyike ma is használatos (3. táblázat). Kezdett kialakulni a gyakorlatiasabb alkalmazások irányába mutató tendencia is. LED-eket olyan termékekben találtak, mint a számológépek, digitális órák és tesztberendezések. Bár a LED-ek megbízhatósága mindig is jobb volt, mint az izzólámpáké, a neonoké stb., a korai eszközök meghibásodási aránya sokkal magasabb volt, mint a jelenlegi technológia. Ez részben a tényleges alkatrész-összeállításnak volt köszönhető, amely elsősorban kézi jellegű volt. Az egyes kezelők olyan feladatokat végeztek, mint az epoxi adagolása, a szerszám helyére helyezése és az epoxi keverése kézzel. Ez olyan hibákat eredményezett, mint például az „epoxi-csúszás”, amely a VF (előremenő feszültség) és a VR (fordított feszültség) szivárgását vagy akár a PN átmenet rövidre zárását okozta. Ráadásul az alkalmazott termesztési módszerek és anyagok nem voltak olyan kifinomultak, mint manapság. A kristály, a szubsztrátum és az epitaxiális rétegek nagyszámú hibája csökkenti a hatékonyságot és rövidebb élettartamot eredményezett.
Gallium-alumínium-arzenid
Csak az 1980-as években, amikor egy új anyagot, a GaAlA-t (gallium-alumínium-arzenidet) fejlesztettek ki, a LED-ek használata gyorsan terjedt. A GaAlAs technológia kiváló teljesítményt nyújtott a korábban elérhető LED-ekhez képest. A fényerő több mint 10-szer nagyobb volt, mint a hagyományos LED-eknél a megnövekedett hatékonyság és a többrétegű, heterojunction típusú struktúrák miatt. A működéshez szükséges feszültség alacsonyabb volt, ami teljes energiamegtakarítást eredményezett. A LED-ek könnyen pulzálhatók vagy multiplexelhetők. Ez lehetővé tette ezek használatát változó üzenetű és kültéri táblákban. A LED-eket olyan alkalmazásokhoz is tervezték, mint vonalkód-leolvasók, száloptikai adatátviteli rendszerek és orvosi berendezések. Bár ez jelentős áttörést jelentett a LED-technológiában, a GaAlAs anyagnak még mindig voltak jelentős hátrányai. Először is csak vörös 660 nm-es hullámhosszon volt elérhető. Másodszor, a GaAlA-k fénykibocsátásának csökkenése nagyobb, mint a szabványos technológiáé. Régóta tévhit a LED-ekkel kapcsolatban, hogy a fénykibocsátás 50%-kal csökken 100 000 üzemóra után. Valójában egyes GaAlAs LED-ek 50%-kal csökkenhetnek már 50 000-70 000 üzemóra után. Ez különösen igaz magas hőmérsékletű és/vagy magas páratartalmú környezetben. Ugyancsak ezalatt az idő alatt a sárga, zöld és narancssárga színek fényereje és hatékonysága csak kis mértékben javult, ami elsősorban a kristálynövekedés és az optika kialakításának javulásának volt köszönhető. Az anyag alapszerkezete viszonylag változatlan maradt.
E nehéz problémák leküzdéséhez új technológiára volt szükség. A LED-tervezők a lézerdióda technológiához fordultak a megoldásokért. A LED-technológia rohamos fejlődésével párhuzamosan a lézerdióda-technológia is fejlődésnek indult. Az 1980-as évek végén a látható spektrumban kibocsátott lézerdiódákat kereskedelmi forgalomba kezdték gyártani olyan alkalmazásokhoz, mint a vonalkód-leolvasók, mérő- és beállítórendszerek és a következő generációs tárolórendszerek. A LED-tervezők hasonló technikák alkalmazására törekedtek a nagy fényerejű és nagy megbízhatóságú LED-ek előállítására. Ez vezetett az InGaAlP (indium-gallium-alumínium-foszfid) látható LED-ek kifejlesztéséhez. Az InGaAlP lumineszcens anyagként való használata rugalmasságot tett lehetővé a LED kimeneti színek tervezésében, egyszerűen az energiasáv méretének beállításával. Így a zöld, sárga, narancssárga és piros LED-ek mindegyike ugyanazzal az alaptechnológiával állítható elő. Ezenkívül az InGaAlP anyag fényteljesítmény-romlása még magasabb hőmérsékleten és páratartalom mellett is jelentősen javul.
A LED-technológia jelenlegi fejlesztései Az InGaAlP LED-ek fényereje további ugrást tett a Toshiba, a LED-ek vezető gyártójának új fejlesztésével. A Toshiba a MOCVD (Metal Oxide Chemical Vapor Deposition) növesztési eljárással olyan eszközszerkezetet tudott előállítani, amely hasznos fénykibocsátásként visszaverte az aktív rétegből a szubsztrátumra jutó generált fény 90%-át vagy még többet (4. ábra). Ez lehetővé tette a LED fénysűrűségének közel kétszeresét a hagyományos eszközökhöz képest. A LED teljesítményét tovább javítottuk egy áramblokkoló réteg bevezetésével a LED szerkezetébe (5. ábra). Ez a blokkoló réteg lényegében átvezeti az áramot az eszközön, hogy jobb eszközhatékonyságot érjen el. E fejlesztések eredményeként az 1990-es években a LED-ek növekedésének nagy része három fő területre összpontosul: Az első a forgalomirányító eszközökre, például a féklámpákra, a gyalogosjelzőkre, a barikádlámpákra és a közúti veszélyt jelző táblákra összpontosul. A második változó üzenettáblákban található, mint például a New York-i Times Square-en található, amely árukat, híreket és egyéb információkat jelenít meg. A harmadik koncentráció az autóipari alkalmazásokban lenne. A látható LED nagy utat tett meg közel 40 évvel ezelőtti bevezetése óta, és még mindig nem mutatta a lassulás jeleit. A Kék LED, amely az 1990-es években gyártási mennyiségben vált elérhetővé, új alkalmazások egész generációját eredményezte. A kék LED-eket nagy fotonenergiájuk (& gt;2,5eV) és viszonylag alacsony szemérzékenységük miatt mindig is nehéz volt előállítani. Ezenkívül az ilyen LED-ek gyártásához szükséges technológia nagyon eltérő és sokkal kevésbé fejlett, mint a szabványos LED-anyagok. A manapság elérhető kék LED-ek GaN (gallium-nitrid) és SiC (szilícium-karbid) konstrukcióból állnak, és a GaN-eszközök fényereje meghaladja a 10 000 mcd @ 20 mA-t. Mivel a kék az egyik elsődleges szín (a másik kettő a piros és a zöld), a teljes színű szilárdtest LED-táblák, TV-k stb. kereskedelmi forgalomba kerültek. A kék LED-ek egyéb alkalmazásai közé tartozik az orvosi diagnosztikai berendezések és a fotolitográfia.
LED színek Lehetőség van más színek előállítására is ugyanazzal az alapvető GaN technológiával és növekedési eljárással. Például kifejlesztettek egy nagy fényerejű zöld (körülbelül 500 nm) LED-et, amely a közlekedési lámpák zöld izzóját váltotta fel. Más színek, köztük a lila és a fehér is lehetségesek. A kék LED-ek bevezetésével a piros, zöld és kék fény megfelelő kombinációjának szelektív kombinálásával fehéret lehet előállítani. Ez a folyamat azonban kifinomult szoftver- és hardvertervezést igényel. Ezen túlmenően a fényerő szintje alacsony, és az egyes használt RGB szerszámok általános fénykibocsátása eltérő ütemben romlik, ami végül színkiegyensúlyozatlanságot eredményez. Egy másik megközelítés a fehér fénykibocsátás elérésére az, hogy foszforréteget (ittrium-alumínium gránátot) használnak a kék LED felületén. Összefoglalva, a LED-ek csecsemőkortól serdülőkorig terjedtek, és életük leggyorsabb piaci növekedését tapasztalják. Az InGaAlP anyag MOCVD-vel, mint növekedési folyamattal, kombinálva a generált fény hatékony szállításával és a befecskendezett áram hatékony felhasználásával, a legfényesebb, leghatékonyabb és legmegbízhatóbb LED-ek közül néhány elérhető. Ez a technológia más újszerű LED-szerkezetekkel együtt biztosítja a LED-ek széles körű alkalmazását. A kék spektrum és a fehér fénykibocsátás új fejlesztései szintén garantálják e gazdaságos fényforrások alkalmazásának folyamatos növekedését.
