Light Emitting Diode (LED) er i hovedsak en PN-junction halvlederdiode som sender ut et monokromatisk (enfarget) lys når den drives i en foroverrettet retning. Den grunnleggende strukturen til en LED består av dysen eller lysemitterende halvledermateriale, en blyramme der dysen er faktisk plassert, og innkapslingsepoksyen som omgir og beskytter dysen (Figur 1). De første kommersielt brukbare LED-ene ble utviklet på 1960-tallet ved å kombinere tre primære elementer: gallium, arsen og fosfor (GaAsP) for å oppnå en 655nm rød lyskilde. Selv om lysstyrken var veldig lav med lysstyrkenivåer på omtrent 1-10 mcd @ 20mA, fant de fortsatt bruk i en rekke bruksområder, først og fremst som indikatorer. Etter GaAsP, GaP eller galliumfosfid ble det utviklet røde lysdioder. Disse enhetene ble funnet å vise svært høy kvanteeffektivitet, men de spilte bare en mindre rolle i veksten av nye applikasjoner for LED. Dette skyldtes to årsaker: For det første er bølgelengdeutslippet på 700 nm i et spektralområde der følsomhetsnivået til det menneskelige øyet er svært lavt (Figur 2), og derfor "ser det ikke ut til" å være veldig lyst selv om effektiviteten er høy (det menneskelige øyet reagerer mest på gulgrønt lys). For det andre oppnås denne høye effektiviteten kun ved lave strømmer. Når strømmen øker, reduseres effektiviteten. Dette viser seg å være en ulempe for brukere som produsenter av utendørs meldingsskilt, som vanligvis multipliserer LED-ene sine ved høye strømmer for å oppnå lysstyrkenivåer som ligner på DC-kontinuerlig drift. Som et resultat brukes GaP røde lysdioder for øyeblikket kun i et begrenset antall applikasjoner. Etter hvert som LED-teknologien utviklet seg gjennom 1970-tallet, ble flere farger og bølgelengder tilgjengelige. De vanligste materialene var GaP grønn og rød, GaAsP oransje eller høyeffektiv rød og GaAsP gul, som alle fortsatt brukes i dag (tabell 3). Trenden mot mer praktiske anvendelser begynte også å utvikle seg. LED ble funnet i produkter som kalkulatorer, digitale klokker og testutstyr. Selv om påliteligheten til lysdioder alltid har vært overlegen den til glødelamper, neon osv., var feilraten til tidlige enheter mye høyere enn dagens teknologi nå oppnår. Dette skyldtes delvis selve komponentmonteringen som hovedsakelig var manuell. Individuelle operatører utførte oppgaver som å dispensere epoksy, plassere dysen på plass og blande epoxy alt for hånd. Dette resulterte i defekter som "epoksy-slop" som forårsaket VF (foroverspenning) og VR (reversspenning) lekkasje eller til og med kortslutning av PN-krysset. I tillegg var vekstmetodene og materialene som ble brukt ikke så raffinerte som i dag. Høyt antall defekter i krystall-, substrat- og epitaksiallagene resulterte i redusert effektivitet og kortere levetid for enheten.
Gallium Aluminium Arsenid
Det var ikke før på 1980-tallet da et nytt materiale, GaAlAs (galliumaluminiumarsenid) ble utviklet, at en rask vekst i bruken av lysdioder begynte å skje. GaAlAs-teknologi ga overlegen ytelse i forhold til tidligere tilgjengelige lysdioder. Lysstyrken var over 10 ganger større enn standard LED-er på grunn av økt effektivitet og flerlags strukturer av heterojunction-type. Spenningen som kreves for drift var lavere, noe som resulterte i en total strømbesparelse. LED-ene kan også enkelt pulseres eller multiplekses. Dette tillot deres bruk i variabel melding og utendørs skilt. Lysdioder ble også designet for slike applikasjoner som strekkodeskannere, fiberoptiske dataoverføringssystemer og medisinsk utstyr. Selv om dette var et stort gjennombrudd innen LED-teknologi, var det fortsatt betydelige ulemper med GaAlAs-materiale. For det første var den bare tilgjengelig i en rød 660nm bølgelengde. For det andre er degraderingen av lyseffekten til GaAlAs større enn for standardteknologi. Det har lenge vært en misforståelse med LED at lyseffekten vil reduseres med 50 % etter 100 000 timers drift. Faktisk kan noen GaAlAs LED-er reduseres med 50 % etter bare 50 000 -70 000 timers drift. Dette gjelder spesielt i miljøer med høy temperatur og/eller høy luftfuktighet. Også i løpet av denne tiden så gul, grønn og oransje bare en mindre forbedring i lysstyrke og effektivitet, som først og fremst skyldtes forbedringer i krystallvekst og optikkdesign. Grunnstrukturen til materialet forble relativt uendret.
For å overvinne disse vanskelige problemene var det nødvendig med ny teknologi. LED-designere vendte seg til laserdiodeteknologi for løsninger. Parallelt med den raske utviklingen innen LED-teknologi, hadde laserdiodeteknologien også gjort fremskritt. På slutten av 1980-tallet begynte laserdioder med utgang i det synlige spekteret å bli kommersielt produsert for applikasjoner som strekkodelesere, måle- og justeringssystemer og neste generasjons lagringssystemer. LED-designere så på å bruke lignende teknikker for å produsere høy lysstyrke og høy pålitelighet LED. Dette førte til utviklingen av InGaAlP (Indium Gallium Aluminium Phosphide) synlige LED-er. Bruken av InGaAlP som det selvlysende materialet tillot fleksibilitet i utformingen av LED-utgangsfarge ganske enkelt ved å justere størrelsen på energibåndgapet. Dermed kan grønne, gule, oransje og røde lysdioder alle produseres med samme grunnleggende teknologi. I tillegg er lyseffektnedbrytning av InGaAlP-materiale betydelig forbedret selv ved forhøyet temperatur og luftfuktighet.
Nåværende utvikling av LED-teknologi InGaAlP LED-er tok et ytterligere sprang i lysstyrke med en ny utvikling av Toshiba, en ledende produsent av LED. Toshiba, ved å bruke MOCVD (Metal Oxide Chemical Vapor Deposition) vekstprosessen, var i stand til å produsere en enhetsstruktur som reflekterte 90 % eller mer av det genererte lyset som reiste fra det aktive laget til substratet tilbake som nyttig lyseffekt (Figur 4). Dette muliggjorde en nesten to ganger økning i LED-luminansen i forhold til konvensjonelle enheter. LED-ytelsen ble ytterligere forbedret ved å introdusere et strømblokkerende lag i LED-strukturen (Figur 5). Dette blokkeringslaget kanaliserer i hovedsak strømmen gjennom enheten for å oppnå bedre enhetseffektivitet. Som et resultat av denne utviklingen vil mye av veksten for lysdioder på 1990-tallet være konsentrert om tre hovedområder: Det første er i trafikkstyringsinnretninger som stopplys, fotgjengersignaler, sperrelys og fareskilt. Den andre er i variable meldingsskilt som den som ligger på Times Square New York som viser varer, nyheter og annen informasjon. Den tredje konsentrasjonen vil være innen bilapplikasjoner. Den synlige LED-en har kommet langt siden den ble introdusert for nesten 40 år siden og har ennå ikke vist noen tegn til å avta. En blå LED, som ble tilgjengelig i produksjonsmengder på 1990-tallet, resulterte i en hel generasjon av nye applikasjoner. Blå lysdioder på grunn av deres høye fotonenergier (& gt;2,5eV) og relativt lave øyefølsomhet har alltid vært vanskelig å produsere. I tillegg er teknologien som er nødvendig for å fremstille disse LED-ene veldig annerledes og langt mindre avansert enn standard LED-materialer. De blå lysdiodene som er tilgjengelige i dag består av GaN (galliumnitrid) og SiC (silisiumkarbid)-konstruksjon med lysstyrkenivåer på over 10 000 mcd @ 20mA for GaN-enheter. Siden blått er en av primærfargene (de to andre er rødt og grønt), har helfarge LED-skilt, TV-er osv. blitt kommersielt tilgjengelig. Andre bruksområder for blå lysdioder inkluderer medisinsk diagnostisk utstyr og fotolitografi.
LED-farger Det er også mulig å produsere andre farger ved å bruke samme grunnleggende GaN-teknologi og vekstprosesser. For eksempel er det utviklet en grønn LED med høy lysstyrke (ca. 500nm) som har erstattet den grønne pæren i trafikklys. Andre farger inkludert lilla og hvit er også mulig. Med introduksjonen av blå lysdioder er det mulig å produsere hvitt ved selektivt å kombinere den riktige kombinasjonen av rødt, grønt og blått lys. Denne prosessen krever imidlertid sofistikert programvare- og maskinvaredesign å implementere. I tillegg er lysstyrkenivået lavt, og den generelle lyseffekten til hver RGB-matris som brukes degraderes med en annen hastighet, noe som resulterer i en eventuell fargeubalanse. En annen tilnærming tatt for å oppnå hvitt lys, er å bruke et fosforlag (Yttrium Aluminium Granat) på overflaten av en blå LED. Oppsummert har lysdioder gått fra spedbarnsalder til ungdomsår og opplever noen av de raskeste markedsvekstene i livet. Ved å bruke InGaAlP-materiale med MOCVD som vekstprosess, kombinert med effektiv levering av generert lys og effektiv bruk av injisert strøm, er noen av de lyseste, mest effektive og mest pålitelige lysdiodene nå tilgjengelige. Denne teknologien sammen med andre nye LED-strukturer vil sikre bred anvendelse av LED. Nye utviklinger innen det blå spekteret og hvitt lys vil også garantere en fortsatt økning i bruken av disse økonomiske lyskildene.
