Светоизлучающий диод (LED) - это, по сути, полупроводниковый диод с PN-переходом, который излучает монохроматический (одноцветный) свет при работе в прямом смещенном направлении. Базовая структура светодиода состоит из кристалла или светоизлучающего полупроводникового материала, выводной рамки, на которой фактически размещается кристалл, и герметизирующей эпоксидной смолы, которая окружает и защищает кристалл (Рисунок 1). Первые коммерчески используемые светодиоды были разработаны в 1960-х годах путем объединения трех основных элементов: галлия, мышьяка и фосфора (GaAsP) для получения источника красного света 655 нм. Несмотря на то, что сила света была очень низкой с уровнями яркости примерно 1-10 мкд при 20 мА, они по-прежнему находили применение в различных приложениях, в первую очередь в качестве индикаторов. Вслед за GaAsP, GaP или фосфидом галлия были разработаны красные светодиоды. Было обнаружено, что эти устройства демонстрируют очень высокую квантовую эффективность, однако они сыграли лишь незначительную роль в росте новых приложений для светодиодов. Это произошло по двум причинам: во-первых, излучение с длиной волны 700 нм находится в спектральной области, где уровень чувствительности человеческого глаза очень низкий (рис. 2), и, следовательно, он «не кажется» очень ярким, даже если эффективность высокий (человеческий глаз наиболее чувствителен к желто-зеленому свету). Во-вторых, такой высокий КПД достигается только при малых токах. По мере увеличения тока КПД снижается. Это оказывается недостатком для таких пользователей, как производители наружных рекламных вывесок, которые обычно мультиплексируют свои светодиоды при высоких токах для достижения уровней яркости, аналогичных яркости при непрерывной работе на постоянном токе. В результате красные светодиоды GaP в настоящее время используются только в ограниченном количестве приложений. По мере развития светодиодной технологии в 1970-х годах стали доступны дополнительные цвета и длины волн. Наиболее распространенными материалами были зеленый и красный GaP, оранжевый или высокоэффективный красный GaAsP и желтый GaAsP, которые используются до сих пор (Таблица 3). Также начала развиваться тенденция к более практическому применению. Светодиоды использовались в таких продуктах, как калькуляторы, цифровые часы и испытательное оборудование. Хотя надежность светодиодов всегда была выше, чем у ламп накаливания, неона и т. Д., Частота отказов ранних устройств была намного выше, чем достигаются современные технологии. Частично это было связано с фактической сборкой компонентов, которая в основном выполнялась вручную. Отдельные операторы выполняли такие задачи, как дозирование эпоксидной смолы, установка матрицы на место и смешивание эпоксидной смолы вручную. Это привело к появлению таких дефектов, как «прослойка эпоксидной смолы», которая вызвала утечку VF (прямое напряжение) и VR (обратное напряжение) или даже короткое замыкание в PN-переходе. Кроме того, методы выращивания и используемые материалы не были столь совершенны, как сегодня. Большое количество дефектов в кристалле, подложке и эпитаксиальных слоях привело к снижению эффективности и сокращению срока службы устройства.
Галлий, арсенид алюминия
Только в 1980-х годах, когда был разработан новый материал, GaAlAs (арсенид галлия и алюминия), начался быстрый рост использования светодиодов. Технология GaAlAs обеспечивает превосходные характеристики по сравнению с ранее доступными светодиодами. Яркость была более чем в 10 раз выше, чем у стандартных светодиодов, благодаря повышенной эффективности и многослойным структурам типа гетероперехода. Напряжение, необходимое для работы, было ниже, что привело к общей экономии энергии. Светодиоды также могут быть легко импульсными или мультиплексированными. Это позволило использовать их в вывесках с переменным сообщением и в наружных вывесках. Светодиоды также использовались в таких приложениях, как сканеры штрих-кода, волоконно-оптические системы передачи данных и медицинское оборудование. Хотя это был большой прорыв в светодиодной технологии, материал GaAlAs все же имел существенные недостатки. Во-первых, он был доступен только с красной длиной волны 660 нм. Во-вторых, ухудшение светоотдачи GaAlAs больше, чем у стандартной технологии. В отношении светодиодов долгое время было заблуждение, будто светоотдача снижается на 50% после 100 000 часов работы. Фактически, некоторые светодиоды из GaAlAs могут уменьшиться на 50% после всего лишь 50 000–70 000 часов работы. Это особенно актуально в условиях высокой температуры и / или высокой влажности. Также за это время желтый, зеленый и оранжевый показали лишь незначительное улучшение яркости и эффективности, что в первую очередь было связано с улучшениями в росте кристаллов и конструкции оптики. Основная структура материала осталась относительно неизменной.
Чтобы преодолеть эти сложные проблемы, потребовались новые технологии. В поисках решений дизайнеры светодиодов обратились к технологии лазерных диодов. Параллельно с быстрым развитием светодиодной технологии развивалась и технология лазерных диодов. В конце 1980-х лазерные диоды с выходом в видимой области спектра начали коммерчески производиться для таких приложений, как считыватели штрих-кодов, системы измерения и юстировки, а также системы хранения следующего поколения. Разработчики светодиодов стремились использовать аналогичные методы для создания светодиодов высокой яркости и высокой надежности. Это привело к разработке видимых светодиодов InGaAlP (фосфид индия, галлия, алюминия). Использование InGaAlP в качестве люминесцентного материала дало возможность гибкости в дизайне выходного цвета светодиода, просто регулируя размер запрещенной зоны. Таким образом, зеленые, желтые, оранжевые и красные светодиоды могут быть произведены с использованием одной и той же базовой технологии. Кроме того, ухудшение светоотдачи материала InGaAlP значительно улучшается даже при повышенной температуре и влажности.
Текущие разработки светодиодной технологии Светодиоды InGaAlP сделали еще один скачок в яркости благодаря новой разработке Toshiba, ведущего производителя светодиодов. Toshiba, используя процесс выращивания MOCVD (Metal Oxide Chemical Vapor Deposition), смогла создать структуру устройства, которая отражает 90% или более генерируемого света, проходящего от активного слоя к подложке, обратно в качестве полезного светового потока (рис. 4). Это позволило почти вдвое увеличить яркость светодиодов по сравнению с обычными устройствами. Характеристики светодиода были дополнительно улучшены за счет введения в структуру светодиода слоя блокировки тока (рис. 5). Этот блокирующий слой по существу направляет ток через устройство для достижения большей эффективности устройства. В результате этих разработок большая часть роста производства светодиодов в 1990-х годах будет сосредоточена в трех основных областях: первая - в устройствах управления дорожным движением, таких как стоп-сигналы, пешеходные сигналы, заградительные огни и дорожные знаки опасности. Второй - в знаках с переменными сообщениями, например, на Таймс-сквер в Нью-Йорке, на котором отображаются товары, новости и другая информация. Третья концентрация будет в автомобильной промышленности. Светодиод видимого диапазона прошел долгий путь с момента своего появления почти 40 лет назад, и пока не обнаружил никаких признаков замедления. Синий светодиод, который стал доступен в серийном производстве в 1990-х годах, привел к появлению целого поколения новых приложений. Синие светодиоды из-за их высокой энергии фотонов (& gt; 2,5 эВ) и относительно низкой чувствительности глаза всегда были трудны в производстве. Кроме того, технология, необходимая для изготовления этих светодиодов, очень отличается и намного менее продвинута, чем стандартные светодиодные материалы. Доступные сегодня синие светодиоды состоят из конструкции GaN (нитрид галлия) и SiC (карбид кремния) с уровнями яркости более 10 000 мкд при 20 мА для устройств на основе GaN. Поскольку синий является одним из основных цветов (два других - красный и зеленый), полноцветные твердотельные светодиодные вывески, телевизоры и т. Д. Стали коммерчески доступными. Другие области применения синих светодиодов включают медицинское диагностическое оборудование и фотолитографию.
Цвета светодиодов. Также можно производить другие цвета, используя ту же базовую технологию GaN и процессы выращивания. Например, был разработан зеленый светодиод высокой яркости (примерно 500 нм), который заменил зеленую лампочку в светофоре. Также возможны другие цвета, включая фиолетовый и белый. С появлением синих светодиодов стало возможным получать белый цвет, выборочно комбинируя правильную комбинацию красного, зеленого и синего света. Однако для реализации этого процесса требуется сложное программное и аппаратное обеспечение. Кроме того, уровень яркости низкий, и общий световой поток каждого используемого кристалла RGB ухудшается с разной скоростью, что в конечном итоге приводит к цветовому дисбалансу. Другой подход, используемый для получения белого света, заключается в использовании слоя люминофора (иттрий-алюминиевый гранат) на поверхности синего светодиода. Таким образом, светодиоды прошли путь от младенчества до подросткового возраста и переживают один из самых быстрых темпов роста рынка за всю свою жизнь. Используя материал InGaAlP с MOCVD в качестве процесса роста, в сочетании с эффективной доставкой генерируемого света и эффективным использованием подаваемого тока, теперь доступны одни из самых ярких, эффективных и надежных светодиодов. Эта технология вместе с другими новыми светодиодными структурами обеспечит широкое применение светодиодов. Новые разработки в области синего спектра и белого света также гарантируют дальнейшее расширение применения этих экономичных источников света.
