Світлодіод (LED) — це, по суті, напівпровідниковий діод із PN-переходом, який випромінює монохроматичне (однокольорове) світло при роботі в прямому напрямку. Основна конструкція світлодіода складається з кристала або світловипромінювального напівпровідникового матеріалу, свинцевої рамки, де фактично розміщений кристал, і епоксидної смоли, яка оточує і захищає кристал (Малюнок 1). Перші комерційно використовувані світлодіоди були розроблені в 1960-х роках шляхом поєднання трьох первинних елементів: галію, миш'яку і фосфору (GaAsP) для отримання джерела червоного світла 655 нм. Незважаючи на те, що інтенсивність світла була дуже низькою з рівнями яскравості приблизно 1-10 мкд при 20 мА, вони все ж знайшли застосування в різних програмах, насамперед як індикатори. Після GaAsP, GaP або фосфіду галію були розроблені червоні світлодіоди. Було виявлено, що ці пристрої демонструють дуже високу квантову ефективність, однак вони відігравали лише незначну роль у розвитку нових застосувань для світлодіодів. Це було зумовлено двома причинами: по-перше, випромінювання з довжиною хвилі 700 нм знаходиться в спектральній області, де рівень чутливості людського ока дуже низький (Малюнок 2), і тому воно не «здається» дуже яскравим, навіть якщо ефективність є високим (людське око найбільше реагує на жовто-зелене світло). По-друге, такий високий ККД досягається лише при малих струмах. Зі збільшенням струму ККД падає. Це виявляється недоліком для користувачів, таких як виробники зовнішніх повідомлень, які зазвичай мультиплексують свої світлодіоди на високих струмах для досягнення рівнів яскравості, подібних до безперервної роботи постійного струму. В результаті червоні світлодіоди GaP наразі використовуються лише в обмеженій кількості застосувань. У міру розвитку світлодіодних технологій у 1970-х роках стали доступні додаткові кольори та довжини хвилі. Найпоширенішими матеріалами були GaP зелений і червоний, GaAsP оранжевий або високоефективний червоний і GaAsP жовтий, усі з яких використовуються донині (Таблиця 3). Також почала розвиватися тенденція до більш практичних застосувань. Світлодіоди були знайдені в таких продуктах, як калькулятори, цифрові годинники та тестове обладнання. Хоча надійність світлодіодів завжди була вищою за надійність ламп розжарювання, неонових тощо, рівень відмов ранніх пристроїв був набагато вищим, ніж теперішні технології. Частково це було пов’язано з фактичною збіркою компонентів, яка мала переважно ручний характер. Окремі оператори виконували такі завдання, як дозування епоксидної смоли, встановлення матриці на місце та змішування епоксидної смоли вручну. Це призвело до таких дефектів, як «епоксидний відхід», що спричинило витік VF (пряма напруга) і VR (зворотна напруга) або навіть замикання PN-переходу. Крім того, використовувані методи вирощування та матеріали не були такими вдосконаленими, як сьогодні. Велика кількість дефектів у кристалі, підкладці та епітаксіальних шарах призвела до зниження ефективності та скорочення терміну служби пристрою.
Галій-алюміній арсенід
Лише в 1980-х роках, коли був розроблений новий матеріал, GaAlAs (галій-алюмінієвий арсенід), почався швидке зростання використання світлодіодів. Технологія GaAlAs забезпечила кращу продуктивність порівняно з раніше доступними світлодіодами. Яскравість була більш ніж у 10 разів більшою, ніж у стандартних світлодіодів, завдяки підвищеній ефективності та багатошаровим структурам типу гетеропереходів. Напруга, необхідна для роботи, була нижчою, що призвело до загальної економії електроенергії. Світлодіоди також можуть бути легко імпульсними або мультиплексованими. Це дозволило використовувати їх у змінних повідомленнях та зовнішніх вивісках. Світлодіоди також були розроблені для таких додатків, як сканери штрих-коду, системи передачі волоконно-оптичних даних та медичне обладнання. Незважаючи на те, що це був великий прорив у світлодіодній технології, матеріал GaAlAs все ще мав значні недоліки. По-перше, він був доступний лише в червоній довжині хвилі 660 нм. По-друге, погіршення світлового виходу GaAlAs більше, ніж у стандартної технології. Довгий час існувала помилкова думка щодо світлодіодів, що світловіддача зменшиться на 50% після 100 000 годин роботи. Насправді, деякі світлодіоди GaAlAs можуть зменшитися на 50% лише після 50 000 -70 000 годин роботи. Це особливо актуально в умовах високої температури та/або високої вологості. Крім того, за цей час жовтий, зелений та помаранчевий відзначили лише незначне покращення яскравості та ефективності, що було насамперед через покращення росту кристалів та дизайну оптики. Основна структура матеріалу залишилася відносно незмінною.
Щоб подолати ці складні проблеми, були потрібні нові технології. Світлодіодні дизайнери звернулися до технології лазерних діодів для вирішення. Паралельно зі стрімким розвитком світлодіодної технології прогресувала також технологія лазерних діодів. Наприкінці 1980-х років лазерні діоди з виходом у видимому спектрі почали комерційно вироблятися для таких застосувань, як зчитувачі штрих-кодів, системи вимірювання та вирівнювання та системи зберігання нового покоління. Світлодіодні дизайнери намагалися використовувати подібні методи для виробництва світлодіодів високої яскравості та високої надійності. Це призвело до розробки видимих світлодіодів InGaAlP (Індій-галій-алюміній-фосфід). Використання InGaAlP як люмінесцентного матеріалу дозволило отримати гнучкість у дизайні вихідного кольору світлодіодів, просто регулюючи розмір ширини забороненої зони. Таким чином, зелені, жовті, помаранчеві та червоні світлодіоди можуть бути виготовлені за однією базовою технологією. Крім того, погіршення світлового виходу матеріалу InGaAlP значно покращується навіть при підвищеній температурі та вологості.
Сучасні розробки світлодіодної технології Світлодіоди InGaAlP зробили ще один стрибок у яскравості завдяки новому розробці Toshiba, провідного виробника світлодіодів. Toshiba, використовуючи процес вирощування MOCVD (металооксидне хімічне осадження з пари), змогла створити структуру пристрою, яка відбивала 90% або більше генерованого світла, що проходить від активного шару до підкладки, назад у вигляді корисного світлового потоку (Малюнок 4). Це дозволило майже вдвічі збільшити яскравість світлодіода порівняно зі звичайними пристроями. Ефективність світлодіодів була додатково покращена за рахунок введення шару блокування струму в структуру світлодіода (Малюнок 5). Цей блокуючий шар по суті направляє струм через пристрій для досягнення кращої ефективності пристрою. В результаті цих подій, більша частина зростання світлодіодів у 1990-х роках буде зосереджена в трьох основних сферах: перша стосується пристроїв контролю дорожнього руху, таких як стоп-сигнали, пішохідні сигнали, загороджувальні вогні та дорожні знаки. Другий — у змінних табличках, наприклад, на Таймс-сквер Нью-Йорка, на якому відображаються товари, новини та інша інформація. Третя концентрація буде в автомобільній промисловості. Видимий світлодіод пройшов довгий шлях з моменту його появи майже 40 років тому і ще не виявив жодних ознак уповільнення. Синій світлодіодний світлодіод, який став доступним у виробничих кількостях у 1990-х роках, привів до цілого покоління нових застосувань. Сині світлодіоди через їх високу енергію фотонів (& gt; 2,5 еВ) і відносно низьку чутливість очей завжди було важко виготовити. Крім того, технологія, необхідна для виготовлення цих світлодіодів, дуже відрізняється і набагато менш розвинена, ніж стандартні світлодіодні матеріали. Сині світлодіоди, доступні сьогодні, складаються з конструкції GaN (нітрид галію) і SiC (карбід кремнію) з рівнями яскравості понад 10 000 мкд при 20 мА для пристроїв GaN. Оскільки синій є одним із основних кольорів (два інших є червоним і зеленим), повнокольорові твердотільні світлодіодні вивіски, телевізори тощо стали комерційно доступними. Інші застосування синіх світлодіодів включають медичне діагностичне обладнання та фотолітографію.
Кольори світлодіодів. Також можна виробляти інші кольори, використовуючи ту саму базову технологію GaN і процеси росту. Наприклад, був розроблений світлодіод високої яскравості зеленого кольору (приблизно 500 нм), який замінив зелену лампочку на світлофорах. Також можливі інші кольори, включаючи фіолетовий і білий. З впровадженням синіх світлодіодів можна отримати білий колір шляхом вибіркового поєднання правильного поєднання червоного, зеленого та синього світла. Однак для реалізації цього процесу потрібне складне програмне та апаратне забезпечення. Крім того, рівень яскравості низький, а загальна світловіддача кожного використовуваного кристала RGB погіршується з різною швидкістю, що призводить до остаточного дисбалансу кольору. Інший підхід, використаний для досягнення білого світла, полягає у використанні шару люмінофора (ітрієво-алюмінієвого граната) на поверхні синього світлодіода. Підсумовуючи, світлодіоди пройшли шлях від дитинства до підліткового віку і переживають одні з найшвидших темпів зростання ринку за все своє життя. Завдяки використанню матеріалу InGaAlP з MOCVD як процесу росту, у поєднанні з ефективною подачею генерованого світла та ефективним використанням інжектованого струму, зараз доступні одні з найяскравіших, найефективніших і найнадійніших світлодіодів. Ця технологія разом з іншими новими світлодіодними конструкціями забезпечить широке застосування світлодіодів. Нові розробки в синьому спектрі та у віддаленні білого світла також гарантують подальше збільшення застосування цих економічних джерел світла.
