Светоизлъчващият диод (LED) е по същество полупроводников диод с PN преход, който излъчва монохроматична (едноцветна) светлина, когато се работи в посока, отклонена напред. Основната структура на светодиода се състои от матрицата или излъчващ светлина полупроводников материал, оловна рамка, където матрицата е фактически поставена, и капсулиращата епоксидна смола, която обгражда и защитава матрицата (Фигура 1). Първите търговски използваеми светодиоди са разработени през 60-те години на миналия век чрез комбиниране на три основни елемента: галий, арсен и фосфор (GaAsP), за да се получи 655nm източник на червена светлина. Въпреки че интензитетът на светлината беше много нисък с нива на яркост от приблизително 1-10 mcd при 20 mA, те все още намериха приложение в различни приложения, предимно като индикатори. След GaAsP, GaP или галиев фосфид бяха разработени червени светодиоди. Установено е, че тези устройства показват много висока квантова ефективност, но те играят само незначителна роля в растежа на нови приложения за светодиоди. Това се дължи на две причини: Първо, излъчването с дължина на вълната от 700 nm е в спектрална област, където нивото на чувствителност на човешкото око е много ниско (Фигура 2) и следователно не „изглежда“ много ярко, въпреки че ефективността е високо (човешкото око е най-отзивчиво на жълто-зелена светлина). Второ, тази висока ефективност се постига само при ниски токове. С увеличаване на тока ефективността намалява. Това се оказва недостатък за потребители като производители на табели за съобщения на открито, които обикновено мултиплексират своите светодиоди при високи токове, за да постигнат нива на яркост, подобни на тези при непрекъсната работа с постоянен ток. В резултат на това GaP червените светодиоди в момента се използват само в ограничен брой приложения. С напредването на LED технологията през 70-те години на миналия век станаха налични допълнителни цветове и дължини на вълната. Най-често срещаните материали са GaP зелено и червено, GaAsP оранжево или високоефективно червено и GaAsP жълто, всички от които все още се използват днес (Таблица 3). Тенденцията към по-практични приложения също започна да се развива. Светодиодите са открити в продукти като калкулатори, цифрови часовници и тестово оборудване. Въпреки че надеждността на светодиодите винаги е била по-добра от тази на нажежаема жичка, неон и т.н., степента на отказ на ранните устройства е била много по-висока от сегашната технология. Това се дължи отчасти на действителното сглобяване на компонентите, което беше предимно ръчно по природа. Отделни оператори изпълняваха такива задачи като дозиране на епоксидна смола, поставяне на матрицата на място и смесване на епоксидна смола на ръка. Това е довело до дефекти като „епоксиден отклонение“, което е причинило изтичане на VF (предно напрежение) и VR (обратно напрежение) или дори късо съединение на PN съединение. Освен това методите на растеж и използваните материали не са били толкова рафинирани, колкото са днес. Големият брой дефекти в кристала, субстрата и епитаксиалните слоеве доведе до намалена ефективност и по-кратък живот на устройството.
Галиев алуминиев арсенид
Едва през 80-те години на миналия век, когато е разработен нов материал, GaAlAs (галиево-алуминиев арсенид), започва да се наблюдава бърз растеж в използването на светодиоди. Технологията GaAlAs осигурява превъзходна производителност в сравнение с наличните преди светодиоди. Яркостта беше над 10 пъти по-голяма от стандартните светодиоди поради повишената ефективност и многослойните структури от хетеропреходен тип. Напрежението, необходимо за работа, е по-ниско, което води до обща икономия на енергия. Светодиодите също могат лесно да бъдат импулсирани или мултиплексирани. Това позволи използването им в променливи съобщения и външни знаци. Светодиодите също са проектирани за приложения като скенери за баркодове, оптични системи за предаване на данни и медицинско оборудване. Въпреки че това беше голям пробив в LED технологията, все още имаше значителни недостатъци на материала на GaAlAs. Първо, той се предлагаше само в червена дължина на вълната от 660 nm. Второ, разграждането на светлинната мощност на GaAlAs е по-голямо от това на стандартната технология. Отдавна е погрешно схващането за светодиодите, че светлинната мощност ще намалее с 50% след 100 000 часа работа. Всъщност някои GaAlAs светодиоди могат да намалеят с 50% след само 50 000 -70 000 часа работа. Това е особено вярно в среда с висока температура и/или висока влажност. Също така през това време жълтото, зеленото и оранжевото отбелязаха само незначително подобрение в яркостта и ефективността, което се дължи главно на подобрения в растежа на кристалите и дизайна на оптиката. Основната структура на материала остава относително непроменена.
За преодоляване на тези трудни проблеми беше необходима нова технология. LED дизайнерите се обърнаха към лазерната диодна технология за решения. Успоредно с бързото развитие на LED технологията, лазерната диодна технология също напредва. В края на 80-те години на миналия век лазерните диоди с изход във видимия спектър започват да се произвеждат в търговската мрежа за приложения като четци на баркодове, системи за измерване и подравняване и системи за съхранение от следващо поколение. LED дизайнерите се стремяха да използват подобни техники за производство на светодиоди с висока яркост и висока надеждност. Това доведе до разработването на InGaAlP (Indium Gallium Aluminium Phosphide) видими светодиоди. Използването на InGaAlP като луминесцентен материал позволява гъвкавост в дизайна на LED изходния цвят, просто чрез регулиране на размера на енергийната междина. По този начин зелени, жълти, оранжеви и червени светодиоди могат да бъдат произведени с помощта на същата основна технология. Освен това, разграждането на светлинната мощност на InGaAlP материала е значително подобрено дори при повишена температура и влажност.
Текущи разработки на LED технологията Светодиодите InGaAlP направиха допълнителен скок в яркостта с нова разработка на Toshiba, водещ производител на светодиоди. Toshiba, използвайки процеса на растеж MOCVD (Химично отлагане на пари от метален оксид), успя да създаде структура на устройството, която отразява 90% или повече от генерираната светлина, пътуваща от активния слой към субстрата обратно като полезна светлинна мощност (Фигура 4). Това позволи почти двукратно увеличение на осветеността на LED в сравнение с конвенционалните устройства. Производителността на светодиода беше допълнително подобрена чрез въвеждане на токов блокиращ слой в LED структурата (Фигура 5). Този блокиращ слой по същество канализира тока през устройството, за да постигне по-добра ефективност на устройството. В резултат на това развитие голяма част от растежа на светодиодите през 90-те години на миналия век ще бъде съсредоточен в три основни области: Първата е в устройствата за контрол на движението като стоп светлини, сигнали за пешеходци, барикадни светлини и пътни знаци за опасност. Вторият е с променливи знаци за съобщения като този, разположен на Таймс Скуеър Ню Йорк, който показва стоки, новини и друга информация. Третата концентрация ще бъде в автомобилните приложения. Видимият светодиод измина дълъг път от въвеждането си преди почти 40 години и все още не показва признаци на забавяне. Син светодиод, който стана наличен в производствени количества през 90-те години, доведе до цяло поколение нови приложения. Сините светодиоди поради високата им енергия на фотоните (> 2.5eV) и относително ниската чувствителност на очите винаги са били трудни за производство. Освен това технологията, необходима за производството на тези светодиоди, е много различна и далеч по-малко напреднала от стандартните LED материали. Сините светодиоди, налични днес, се състоят от GaN (галиев нитрид) и SiC (силициев карбид) конструкция с нива на яркост над 10 000 mcd при 20 mA за GaN устройства. Тъй като синьото е един от основните цветове (другите два са червени и зелени), пълноцветните твърдотелни LED знаци, телевизори и т.н. станаха търговски достъпни. Други приложения за сини светодиоди включват медицинско диагностично оборудване и фотолитография.
LED цветове Възможно е също така да се произвеждат други цветове, използвайки същата основна технология на GaN и процеси на растеж. Например, разработен е зелен светодиод с висока яркост (приблизително 500 nm), който замени зелената крушка в светофарите. Възможни са и други цветове, включително лилаво и бяло. С въвеждането на сини светодиоди е възможно да се произвежда бяло чрез селективно комбиниране на правилната комбинация от червена, зелена и синя светлина. Този процес обаче изисква сложен софтуер и хардуерен дизайн за изпълнение. Освен това нивото на яркост е ниско и общата светлинна мощност на всяка използвана RGB матрица се влошава с различна скорост, което води до евентуален дисбаланс на цветовете. Друг подход, използван за постигане на бяла светлина, е използването на фосфорен слой (итриев алуминиев гранат) върху повърхността на син светодиод. В обобщение, светодиодите преминаха от ранна детска възраст към юношеска възраст и преживяват едни от най-бързите пазарни растежи през целия си живот. Чрез използването на InGaAlP материал с MOCVD като процес на растеж, съчетан с ефективно доставяне на генерирана светлина и ефективно използване на инжектирания ток, сега са налични едни от най-ярките, най-ефективните и най-надеждни светодиоди. Тази технология заедно с други нови LED структури ще осигури широко приложение на светодиодите. Новите разработки в синия спектър и на бялата светлина също ще гарантират непрекъснатото увеличаване на приложенията на тези икономични източници на светлина.
