Light Emitting Diode (LED) er i det væsentlige en PN-junction-halvlederdiode, der udsender et monokromatisk (enfarvet) lys, når den betjenes i en fremadrettet retning. Den grundlæggende struktur af en LED består af matricen eller lysemitterende halvledermateriale, en blyramme, hvor matricen faktisk er placeret, og indkapslingsepoxyen, som omgiver og beskytter matricen (Figur 1). De første kommercielt anvendelige LED'er blev udviklet i 1960'erne ved at kombinere tre primære elementer: gallium, arsen og fosfor (GaAsP) for at opnå en 655nm rød lyskilde. Selvom lysstyrken var meget lav med lysstyrkeniveauer på ca. 1-10 mcd @ 20mA, fandt de stadig brug i en række forskellige applikationer, primært som indikatorer. Efter GaAsP, GaP eller galliumphosphid blev der udviklet røde lysdioder. Disse enheder viste sig at udvise meget høje kvanteeffektiviteter, men de spillede kun en mindre rolle i væksten af nye applikationer til LED'er. Dette skyldtes to årsager: For det første er 700nm bølgelængdeemissionen i et spektralområde, hvor følsomhedsniveauet for det menneskelige øje er meget lavt (figur 2), og derfor "ser" det ikke ud til at være særlig lyst, selvom effektiviteten er høj (det menneskelige øje reagerer mest på gulgrønt lys). For det andet opnås denne høje effektivitet kun ved lave strømme. Når strømmen stiger, falder effektiviteten. Dette viser sig at være en ulempe for brugere som f.eks. producenter af udendørs meddelelsesskilte, der typisk multiplexerer deres LED'er ved høje strømme for at opnå lysstyrkeniveauer svarende til det ved konstant DC-drift. Som følge heraf bruges GaP røde LED'er i øjeblikket kun i et begrænset antal applikationer. Efterhånden som LED-teknologien udviklede sig gennem 1970'erne, blev yderligere farver og bølgelængder tilgængelige. De mest almindelige materialer var GaP grøn og rød, GaAsP orange eller højeffektiv rød og GaAsP gul, som alle stadig bruges i dag (tabel 3). Tendensen mod mere praktiske anvendelser begyndte også at udvikle sig. LED'er blev fundet i produkter som lommeregnere, digitale ure og testudstyr. Selvom pålideligheden af LED'er altid har været overlegen i forhold til glødelamper, neon osv., var fejlraten for tidlige enheder meget højere, end den nuværende teknologi nu opnår. Dette skyldtes til dels selve komponentsamlingen, der primært var manuel. Individuelle operatører udførte sådanne opgaver som at dispensere epoxy, placere matricen på plads og blande epoxy alt i hånden. Dette resulterede i defekter såsom "epoxy-slop", som forårsagede VF (fremadspænding) og VR (omvendt spænding) lækage eller endda kortslutning af PN-forbindelsen. Derudover var de anvendte vækstmetoder og materialer ikke så raffinerede, som de er i dag. Højt antal defekter i krystal-, substrat- og epitaksiale lag resulterede i reduceret effektivitet og kortere levetid for enheden.
Gallium Aluminium Arsenid
Det var først i 1980'erne, da et nyt materiale, GaAlAs (galliumaluminiumarsenid) blev udviklet, at en hurtig vækst i brugen af LED'er begyndte at forekomme. GaAlAs-teknologi gav overlegen ydeevne i forhold til tidligere tilgængelige LED'er. Lysstyrken var over 10 gange større end standard LED'er på grund af øget effektivitet og flerlags strukturer af heterojunction type. Den nødvendige spænding til drift var lavere, hvilket resulterede i en total strømbesparelse. LED'erne kunne også let pulseres eller multiplekses. Dette tillod deres brug i variable meddelelser og udendørs skilte. LED'er blev også designet til sådanne applikationer som stregkodescannere, fiberoptiske datatransmissionssystemer og medicinsk udstyr. Selvom dette var et stort gennembrud inden for LED-teknologi, var der stadig betydelige ulemper ved GaAlAs-materiale. For det første var den kun tilgængelig i en rød 660nm bølgelængde. For det andet er lysoutputnedbrydningen af GaAlAs større end for standardteknologi. Det har længe været en misforståelse med LED'er, at lysudbyttet vil falde med 50% efter 100.000 timers drift. Faktisk kan nogle GaAlAs LED'er falde med 50 % efter kun 50.000 -70.000 timers drift. Dette gælder især i miljøer med høj temperatur og/eller høj luftfugtighed. Også i løbet af denne tid så gul, grøn og orange kun en mindre forbedring i lysstyrke og effektivitet, hvilket primært skyldtes forbedringer i krystalvækst og optikdesign. Materialets grundlæggende struktur forblev relativt uændret.
For at overvinde disse vanskelige problemer var der brug for ny teknologi. LED-designere henvendte sig til laserdiodeteknologi for at få løsninger. Parallelt med den hurtige udvikling inden for LED-teknologi havde laserdiodeteknologien også gjort fremskridt. I slutningen af 1980'erne begyndte laserdioder med output i det synlige spektrum at blive kommercielt produceret til applikationer som stregkodelæsere, måle- og justeringssystemer og næste generations lagersystemer. LED-designere så til at bruge lignende teknikker til at producere høj lysstyrke og høj pålidelighed LED'er. Dette førte til udviklingen af InGaAlP (Indium Gallium Aluminium Phosphide) synlige LED'er. Brugen af InGaAlP som det selvlysende materiale tillod fleksibilitet i designet af LED-outputfarve blot ved at justere størrelsen af energibåndgabet. Således kunne grønne, gule, orange og røde lysdioder alle fremstilles ved hjælp af den samme grundlæggende teknologi. Derudover er lysudgangsnedbrydningen af InGaAlP-materiale væsentligt forbedret, selv ved forhøjet temperatur og fugtighed.
Nuværende udvikling af LED-teknologi InGaAlP LED'er tog et yderligere spring i lysstyrke med en ny udvikling fra Toshiba, en førende producent af LED'er. Toshiba var ved at bruge MOCVD (Metal Oxide Chemical Vapor Deposition) vækstprocessen i stand til at producere en enhedsstruktur, der reflekterede 90 % eller mere af det genererede lys, der rejste fra det aktive lag til substratet, tilbage som nyttigt lysoutput (Figur 4). Dette muliggjorde en næsten to gange stigning i LED-luminansen i forhold til konventionelle enheder. LED-ydeevnen blev yderligere forbedret ved at indføre et strømblokerende lag i LED-strukturen (figur 5). Dette blokeringslag kanaliserer i det væsentlige strømmen gennem enheden for at opnå en bedre enhedseffektivitet. Som et resultat af denne udvikling vil en stor del af væksten for LED'er i 1990'erne være koncentreret om tre hovedområder: Det første er i trafikstyringsanordninger såsom stoplys, fodgængersignaler, spærrelys og vejskilte. Den anden er i variable meddelelsesskilte som den, der er placeret på Times Square New York, som viser varer, nyheder og anden information. Den tredje koncentration ville være i bilindustrien. Den synlige LED er kommet langt siden den blev introduceret for næsten 40 år siden og har endnu ikke vist nogen tegn på at bremse farten. En blå LED, som blev tilgængelig i produktionsmængder i 1990'erne, resulterede i en hel generation af nye applikationer. Blå LED'er har på grund af deres høje fotonenergier (& gt;2,5eV) og relativt lave øjenfølsomhed altid været vanskelige at fremstille. Derudover er den nødvendige teknologi til at fremstille disse LED'er meget anderledes og langt mindre avanceret end standard LED-materialer. De blå LED'er, der er tilgængelige i dag, består af GaN (galliumnitrid) og SiC (siliciumcarbid) konstruktion med lysstyrkeniveauer på over 10.000 mcd @ 20mA for GaN-enheder. Da blå er en af de primære farver (de to andre er rød og grøn), er fuldfarve solid state LED-skilte, tv'er osv. blevet kommercielt tilgængelige. Andre applikationer til blå lysdioder omfatter medicinsk diagnostisk udstyr og fotolitografi.
LED-farver Det er også muligt at producere andre farver ved hjælp af den samme grundlæggende GaN-teknologi og vækstprocesser. For eksempel er der udviklet en høj lysstyrke grøn (ca. 500nm) LED, der har erstattet den grønne pære i trafiklys. Andre farver inklusive lilla og hvid er også mulige. Med introduktionen af blå LED'er er det muligt at producere hvidt ved selektivt at kombinere den rigtige kombination af rødt, grønt og blåt lys. Denne proces kræver dog sofistikeret software- og hardwaredesign at implementere. Derudover er lysstyrkeniveauet lavt, og det samlede lysoutput fra hver RGB-matrice, der bruges, forringes med en forskellig hastighed, hvilket resulterer i en eventuel farveubalance. En anden tilgang til at opnå hvidt lysoutput er at bruge et fosforlag (Yttrium Aluminium Granat) på overfladen af en blå LED. Sammenfattende er LED'er gået fra barndom til ungdom og oplever nogle af de hurtigste markedsvækst i deres levetid. Ved at bruge InGaAlP-materiale med MOCVD som vækstproces, kombineret med effektiv levering af genereret lys og effektiv brug af indsprøjtet strøm, er nogle af de lyseste, mest effektive og mest pålidelige LED'er nu tilgængelige. Denne teknologi vil sammen med andre nye LED-strukturer sikre bred anvendelse af LED'er. Nye udviklinger inden for det blå spektrum og på hvidt lysoutput vil også garantere den fortsatte stigning i anvendelser af disse økonomiske lyskilder.
