Light Emitting Diode (LED) je v podstatě PN přechodová polovodičová dioda, která při provozu v dopředném směru vyzařuje monochromatické (jednobarevné) světlo. Základní struktura LED se skládá z matrice nebo polovodičového materiálu emitujícího světlo, olověného rámu, kde je matrice fakticky umístěna, a zapouzdřeného epoxidu, který obklopuje a chrání matrici (obrázek 1). První komerčně použitelné LED diody byly vyvinuty v 60. letech minulého století spojením tří primárních prvků: gallia, arsenu a fosforu (GaAsP) za účelem získání 655nm zdroje červeného světla. Přestože intenzita světla byla velmi nízká s úrovněmi jasu přibližně 1-10 mcd @ 20 mA, stále našly použití v různých aplikacích, především jako indikátory. Po GaAsP, GaP nebo fosfidu galia byly vyvinuty červené LED diody. Bylo zjištěno, že tato zařízení vykazují velmi vysokou kvantovou účinnost, nicméně v růstu nových aplikací pro LED hrála pouze malou roli. Bylo to způsobeno dvěma důvody: Za prvé, emise o vlnové délce 700 nm je ve spektrální oblasti, kde je úroveň citlivosti lidského oka velmi nízká (obrázek 2), a proto se „nezdá“ jako velmi jasné, i když účinnost je vysoká (lidské oko nejvíce reaguje na žlutozelené světlo). Za druhé, této vysoké účinnosti je dosaženo pouze při nízkých proudech. S rostoucím proudem se účinnost snižuje. To se ukazuje jako nevýhoda pro uživatele, jako jsou výrobci venkovních informačních cedulí, kteří obvykle multiplexují své LED při vysokých proudech, aby dosáhli úrovní jasu podobných jako při stejnosměrném nepřetržitém provozu. V důsledku toho se červené LED GaP v současnosti používají pouze v omezeném počtu aplikací. Jak technologie LED postupovala v 70. letech 20. století, byly k dispozici další barvy a vlnové délky. Nejběžnějšími materiály byly GaP zelená a červená, GaAsP oranžová nebo vysoce účinná červená a GaAsP žlutá, všechny se používají dodnes (Tabulka 3). Začal se také rozvíjet trend k praktičtějším aplikacím. LED diody byly nalezeny v takových produktech, jako jsou kalkulačky, digitální hodinky a testovací zařízení. Přestože spolehlivost LED byla vždy lepší než spolehlivost žárovek, neonů atd., míra poruchovosti raných zařízení byla mnohem vyšší, než dosahuje současná technologie. To bylo částečně způsobeno skutečnou montáží součástí, která byla primárně manuální. Jednotliví operátoři prováděli takové úkoly, jako je dávkování epoxidu, umístění formy na místo a míchání epoxidu, vše ručně. To mělo za následek defekty jako „epoxidový slop“, který způsobil únik VF (dopředné napětí) a VR (reverzní napětí) nebo dokonce zkrat PN přechodu. Navíc metody růstu a použité materiály nebyly tak rafinované jako dnes. Vysoký počet defektů v krystalu, substrátu a epitaxních vrstvách měl za následek sníženou účinnost a kratší životnost zařízení.
Gallium aluminium arsenid
Teprve v 80. letech 20. století, kdy byl vyvinut nový materiál GaAlAs (arsenid gallia a hliníku), začal docházet k rychlému nárůstu používání LED. Technologie GaAlAs poskytuje lepší výkon než dříve dostupné LED. Jas byl více než 10krát vyšší než u standardních LED díky zvýšené účinnosti a vícevrstvým strukturám typu heteropřechodů. Napětí potřebné pro provoz bylo nižší, což vedlo k celkové úspoře energie. LED mohou být také snadno pulzní nebo multiplexní. To umožnilo jejich použití ve variabilních zprávách a venkovních nápisech. LED diody byly také navrženy pro takové aplikace, jako jsou skenery čárových kódů, systémy přenosu dat pomocí optických vláken a lékařská zařízení. Ačkoli to byl velký průlom v technologii LED, stále existovaly významné nevýhody materiálu GaAlAs. Za prvé, byl k dispozici pouze v červené vlnové délce 660nm. Za druhé, degradace světelného výkonu GaAlAs je větší než u standardní technologie. U LED je dlouho mylná představa, že světelný výkon se po 100 000 hodinách provozu sníží o 50 %. Ve skutečnosti se některé LED diody GaAlAs mohou snížit o 50 % již po 50 000 - 70 000 hodinách provozu. To platí zejména v prostředí s vysokou teplotou a/nebo vysokou vlhkostí. Během této doby zaznamenaly žluté, zelené a oranžové pouze malé zlepšení jasu a účinnosti, což bylo primárně způsobeno zlepšením růstu krystalů a designu optiky. Základní struktura materiálu zůstala relativně nezměněna.
K překonání těchto obtížných problémů bylo zapotřebí nové technologie. Návrháři LED se při řešení obrátili na technologii laserových diod. Souběžně s rychlým vývojem v technologii LED pokročila také technologie laserových diod. Koncem 80. let 20. století se začaly komerčně vyrábět laserové diody s výstupem ve viditelném spektru pro aplikace, jako jsou čtečky čárových kódů, systémy měření a zarovnání a úložné systémy nové generace. Designéři LED se zaměřili na použití podobných technik k výrobě LED s vysokým jasem a vysokou spolehlivostí. To vedlo k vývoji viditelných LED diod InGaAlP (Indium Gallium Aluminium Phosphide). Použití InGaAlP jako luminiscenčního materiálu umožnilo flexibilitu při návrhu barvy výstupu LED jednoduše úpravou velikosti mezery energetického pásma. Zelené, žluté, oranžové a červené LED diody by tedy mohly být vyráběny stejnou základní technologií. Navíc degradace světelného výkonu materiálu InGaAlP je výrazně zlepšena i při zvýšené teplotě a vlhkosti.
Aktuální vývoj LED technologie InGaAlP LED udělaly další skok v jasu díky novému vývoji od společnosti Toshiba, předního výrobce LED. Toshiba byla pomocí růstového procesu MOCVD (Metal Oxide Chemical Vapor Deposition) schopna vytvořit strukturu zařízení, která odrážela 90 % nebo více generovaného světla putujícího z aktivní vrstvy do substrátu zpět jako užitečný světelný výstup (obrázek 4). To umožnilo téměř dvojnásobné zvýšení jasu LED oproti běžným zařízením. Výkon LED se dále zlepšil zavedením vrstvy blokující proud do struktury LED (obrázek 5). Tato blokovací vrstva v podstatě vede proud skrz zařízení pro dosažení lepší účinnosti zařízení. V důsledku tohoto vývoje se velká část růstu LED diod v 90. letech 20. století soustředí do tří hlavních oblastí: První je v zařízeních pro řízení dopravy, jako jsou brzdová světla, signály pro chodce, závorová světla a dopravní značky. Druhá je ve variabilních cedulích se zprávami, jako je ta umístěná na Times Square v New Yorku, která zobrazuje komodity, zprávy a další informace. Třetí koncentrace by byla v automobilových aplikacích. Viditelná LED dioda ušla od svého představení před téměř 40 lety dlouhou cestu a dosud nevykazovala žádné známky zpomalení. Modrá LED, která se začala vyrábět v 90. letech 20. století, vedla k celé generaci nových aplikací. Modré LED diody kvůli jejich vysokým fotonovým energiím (& gt;2.5eV) a relativně nízké citlivosti oka bylo vždy obtížné vyrobit. Technologie potřebná k výrobě těchto LED je navíc velmi odlišná a mnohem méně pokročilá než standardní materiály LED. Modré LED diody, které jsou dnes k dispozici, se skládají z konstrukce GaN (nitrid gallia) a SiC (karbid křemíku) s úrovněmi jasu přesahujícími 10 000 mcd @ 20 mA pro zařízení GaN. Vzhledem k tomu, že modrá je jednou ze základních barev (další dvě jsou červená a zelená), staly se komerčně dostupné plnobarevné LED značky, televizory atd. Mezi další aplikace pro modré LED patří lékařská diagnostická zařízení a fotolitografie.
Barvy LED Je také možné vyrobit jiné barvy pomocí stejné základní technologie GaN a růstových procesů. Například byla vyvinuta zelená LED s vysokým jasem (přibližně 500 nm), která nahradila zelenou žárovku na semaforech. Jiné barvy včetně fialové a bílé jsou také možné. Se zavedením modrých LED je možné vyrábět bílé selektivní kombinací správné kombinace červeného, zeleného a modrého světla. Tento proces však vyžaduje sofistikovaný návrh softwaru a hardwaru. Kromě toho je úroveň jasu nízká a celkový světelný výstup každé použité matrice RGB klesá různou rychlostí, což má za následek eventuální nevyváženost barev. Dalším přístupem k dosažení výstupu bílého světla je použití fosforové vrstvy (Yttrium Aluminium Garnet) na povrchu modré LED. Stručně řečeno, LED diody prošly od dětství do dospívání a zažívají jeden z nejrychlejších růstů trhu za dobu své existence. Použitím materiálu InGaAlP s MOCVD jako růstovým procesem v kombinaci s efektivním dodáváním generovaného světla a efektivním využitím injektovaného proudu jsou nyní k dispozici některé z nejjasnějších, nejúčinnějších a nejspolehlivějších LED. Tato technologie spolu s dalšími novými strukturami LED zajistí široké uplatnění LED. Nový vývoj v modrém spektru a na výstupu bílého světla také zaručí pokračující nárůst aplikací těchto úsporných světelných zdrojů.
