Svetelná dióda (LED) je v podstate PN prechodová polovodičová dióda, ktorá pri prevádzke v smere dopredu vyžaruje monochromatické (jednofarebné) svetlo. Základná štruktúra LED pozostáva z matrice alebo polovodičového materiálu emitujúceho svetlo, oloveného rámu, kde je matrica skutočne umiestnená, a zapuzdreného epoxidu, ktorý obklopuje a chráni matricu (obrázok 1). Prvé komerčne použiteľné LED diódy boli vyvinuté v 60-tych rokoch minulého storočia kombináciou troch primárnych prvkov: gália, arzénu a fosforu (GaAsP), čím sa získal 655nm zdroj červeného svetla. Hoci intenzita osvetlenia bola veľmi nízka s úrovňami jasu približne 1-10 mcd @ 20 mA, stále našli využitie v rôznych aplikáciách, predovšetkým ako indikátory. Po GaAsP, GaP alebo fosfide gália boli vyvinuté červené LED diódy. Zistilo sa, že tieto zariadenia vykazujú veľmi vysokú kvantovú účinnosť, avšak pri raste nových aplikácií pre LED hrali len malú úlohu. Bolo to z dvoch dôvodov: Po prvé, emisia s vlnovou dĺžkou 700 nm je v spektrálnej oblasti, kde je úroveň citlivosti ľudského oka veľmi nízka (obrázok 2), a preto sa „nezdá“ byť veľmi jasná, aj keď je účinnosť je vysoká (ľudské oko najviac reaguje na žltozelené svetlo). Po druhé, táto vysoká účinnosť sa dosiahne iba pri nízkych prúdoch. Keď sa prúd zvyšuje, účinnosť klesá. To sa ukazuje ako nevýhoda pre používateľov, ako sú výrobcovia vonkajších oznamovacích značiek, ktorí zvyčajne multiplexujú svoje LED diódy pri vysokých prúdoch, aby dosiahli úrovne jasu podobné ako pri nepretržitej prevádzke jednosmerného prúdu. Výsledkom je, že červené LED diódy GaP sa v súčasnosti používajú iba v obmedzenom počte aplikácií. Ako LED technológia postupovala v 70. rokoch 20. storočia, boli k dispozícii ďalšie farby a vlnové dĺžky. Najbežnejšími materiálmi boli GaP zelená a červená, GaAsP oranžová alebo vysokoúčinná červená a GaAsP žltá, pričom všetky sa používajú dodnes (Tabuľka 3). Začínal sa rozvíjať aj trend smerom k praktickejším aplikáciám. LED diódy boli nájdené v takých produktoch, ako sú kalkulačky, digitálne hodinky a testovacie zariadenia. Hoci spoľahlivosť LED diód bola vždy lepšia ako spoľahlivosť žiaroviek, neónov atď., miera zlyhania skorých zariadení bola oveľa vyššia, ako dosahuje súčasná technológia. Bolo to čiastočne spôsobené skutočnou montážou komponentov, ktorá bola primárne ručná. Jednotliví operátori vykonávali také úlohy, ako je dávkovanie epoxidu, umiestnenie formy na miesto a miešanie epoxidu ručne. To viedlo k poruchám, ako je „epoxidová chyba“, ktorá spôsobila únik VF (dopredné napätie) a VR (spätné napätie) alebo dokonca skrat PN prechodu. Navyše, metódy rastu a použité materiály neboli také rafinované ako dnes. Vysoký počet defektov v kryštáli, substráte a epitaxných vrstvách mal za následok zníženú účinnosť a kratšiu životnosť zariadenia.
Arzenid gálium-hlinitý
Až v 80. rokoch 20. storočia, keď bol vyvinutý nový materiál GaAlAs (arzenid gálium-hlinitý), sa začal objavovať rýchly rast používania LED. Technológia GaAlAs poskytovala vynikajúci výkon v porovnaní s predtým dostupnými LED diódami. Jas bol viac ako 10-krát vyšší ako u štandardných LED v dôsledku zvýšenej účinnosti a viacvrstvových štruktúr typu heterojunkcie. Napätie potrebné na prevádzku bolo nižšie, čo viedlo k celkovej úspore energie. LED diódy môžu byť tiež jednoducho pulzné alebo multiplexné. To umožnilo ich použitie vo variabilných správach a vonkajších znakoch. LED diódy boli navrhnuté aj do takých aplikácií, ako sú skenery čiarových kódov, systémy prenosu dát z optických vlákien a lekárske zariadenia. Hoci to bol veľký prelom v technológii LED, materiál GaAlAs mal stále značné nevýhody. Po prvé, bol dostupný iba v červenej vlnovej dĺžke 660 nm. Po druhé, degradácia svetelného výkonu GaAlAs je väčšia ako pri štandardnej technológii. Pri LED diódach je už dlho mylná predstava, že svetelný výkon sa po 100 000 hodinách prevádzky zníži o 50 %. V skutočnosti sa niektoré LED diódy GaAlAs môžu znížiť o 50 % už po 50 000 - 70 000 hodinách prevádzky. To platí najmä v prostredí s vysokou teplotou a/alebo vysokou vlhkosťou. Počas tohto obdobia zaznamenali žltá, zelená a oranžová len malé zlepšenie jasu a účinnosti, čo bolo primárne spôsobené zlepšením rastu kryštálov a dizajnu optiky. Základná štruktúra materiálu zostala relatívne nezmenená.
Na prekonanie týchto zložitých problémov bola potrebná nová technológia. Dizajnéri LED sa pri riešení obrátili na technológiu laserových diód. Súbežne s rýchlym vývojom technológie LED napredovala aj technológia laserových diód. Koncom osemdesiatych rokov sa začali komerčne vyrábať laserové diódy s výstupom vo viditeľnom spektre pre aplikácie, ako sú čítačky čiarových kódov, meracie a nastavovacie systémy a úložné systémy novej generácie. Dizajnéri LED hľadali použitie podobných techník na výrobu LED s vysokým jasom a vysokou spoľahlivosťou. To viedlo k vývoju viditeľných LED diód InGaAlP (Indium Gallium Aluminium Phosphide). Použitie InGaAlP ako luminiscenčného materiálu umožnilo flexibilitu pri navrhovaní výstupnej farby LED jednoducho úpravou veľkosti medzery v energetickom pásme. Zelené, žlté, oranžové a červené LED diódy by teda mohli byť vyrobené pomocou rovnakej základnej technológie. Navyše degradácia svetelného výkonu materiálu InGaAlP sa výrazne zlepšuje aj pri zvýšenej teplote a vlhkosti.
Aktuálny vývoj LED technológie InGaAlP LED urobili ďalší skok v jase vďaka novému vývoju od Toshiby, popredného výrobcu LED. Toshiba pomocou rastového procesu MOCVD (Metal Oxide Chemical Vapor Deposition) dokázala vytvoriť štruktúru zariadenia, ktorá odrážala 90 % alebo viac generovaného svetla putujúceho z aktívnej vrstvy do substrátu späť ako užitočný svetelný výstup (obrázok 4). To umožnilo takmer dvojnásobné zvýšenie svietivosti LED oproti bežným zariadeniam. Výkon LED sa ďalej zlepšil zavedením vrstvy blokujúcej prúd do štruktúry LED (obrázok 5). Táto blokovacia vrstva v podstate vedie prúd cez zariadenie, aby sa dosiahla lepšia účinnosť zariadenia. V dôsledku tohto vývoja sa veľká časť rastu LED diód v 90. rokoch sústredí do troch hlavných oblastí: Prvá je v zariadeniach na riadenie dopravy, ako sú brzdové svetlá, signály pre chodcov, závorové svetlá a dopravné značky. Druhá je vo variabilných znakoch správ, ako napríklad na Times Square v New Yorku, ktoré zobrazujú komodity, správy a ďalšie informácie. Tretia koncentrácia by bola v automobilových aplikáciách. Viditeľná LED dióda prešla od svojho predstavenia pred takmer 40 rokmi dlhú cestu a zatiaľ nevykazuje známky spomalenia. Modrá LED, ktorá bola dostupná vo výrobných množstvách v 90. rokoch, viedla k celej generácii nových aplikácií. Modré LED diódy kvôli ich vysokým fotónovým energiám (> 2,5 eV) a relatívne nízkej citlivosti oka sa vždy ťažko vyrábali. Navyše technológia potrebná na výrobu týchto LED je veľmi odlišná a oveľa menej pokročilá ako štandardné LED materiály. Modré LED diódy, ktoré sú dnes k dispozícii, pozostávajú z konštrukcie GaN (nitrid gália) a SiC (karbid kremíka) s úrovňou jasu presahujúcou 10 000 mcd @ 20 mA pre zariadenia GaN. Keďže modrá je jednou zo základných farieb (ďalšie dve sú červená a zelená), stali sa komerčne dostupné plnofarebné LED značky, televízory atď. Ďalšie aplikácie pre modré LED diódy zahŕňajú lekárske diagnostické zariadenia a fotolitografiu.
Farby LED Je tiež možné vyrobiť iné farby pomocou rovnakej základnej technológie GaN a rastových procesov. Napríklad bola vyvinutá zelená LED s vysokým jasom (približne 500 nm), ktorá nahradila zelenú žiarovku na semaforoch. Možné sú aj iné farby vrátane fialovej a bielej. So zavedením modrých LED je možné vyrábať biele selektívnou kombináciou správnej kombinácie červeného, zeleného a modrého svetla. Tento proces si však vyžaduje sofistikovaný dizajn softvéru a hardvéru. Okrem toho je úroveň jasu nízka a celkový svetelný výkon každej používanej matrice RGB klesá inou rýchlosťou, čo vedie k prípadnej nevyváženosti farieb. Ďalším prístupom k dosiahnutiu výstupu bieleho svetla je použitie fosforovej vrstvy (Yttrium Aluminium Garnet) na povrchu modrej LED. Stručne povedané, LED diódy prešli z detstva do dospievania a zažívajú jeden z najrýchlejších rastov trhu počas svojej životnosti. Použitím materiálu InGaAlP s MOCVD ako rastovým procesom v kombinácii s efektívnym dodávaním generovaného svetla a efektívnym využitím vstrekovaného prúdu sú teraz k dispozícii niektoré z najjasnejších, najefektívnejších a najspoľahlivejších LED. Táto technológia spolu s ďalšími novými štruktúrami LED zaistí široké uplatnenie LED. Nový vývoj v modrom spektre a výkone bieleho svetla tiež zaručí neustály nárast aplikácií týchto úsporných svetelných zdrojov.
