Gaismas diode (LED) būtībā ir PN savienojuma pusvadītāju diode, kas izstaro monohromatisku (vienas krāsas) gaismu, ja to darbina uz priekšu novirzītā virzienā. Gaismas diodes pamatstruktūra sastāv no matricas vai gaismu izstarojoša pusvadītāja materiāla, svina rāmja, kurā matrica ir faktiski novietota, un iekapsulēšanas epoksīda, kas ieskauj un aizsargā veidni (1. attēls). Pirmās komerciāli izmantojamās gaismas diodes tika izstrādātas 1960. gados, apvienojot trīs primāros elementus: galliju, arsēnu un fosforu (GaAsP), lai iegūtu 655 nm sarkanās gaismas avotu. Lai gan gaismas intensitāte bija ļoti zema ar spilgtuma līmeni aptuveni 1–10 mcd @ 20 mA, tās joprojām tika izmantotas dažādos lietojumos, galvenokārt kā indikatori. Pēc GaAsP, GaP vai gallija fosfīda tika izstrādātas sarkanās gaismas diodes. Tika konstatēts, ka šīm ierīcēm ir ļoti augsta kvantu efektivitāte, tomēr tām bija tikai neliela loma jaunu LED lietojumprogrammu izaugsmē. Tas notika divu iemeslu dēļ: pirmkārt, 700 nm viļņa garuma emisija atrodas spektra apgabalā, kur cilvēka acs jutības līmenis ir ļoti zems (2. attēls), un tāpēc tas “nešķiet” ļoti spilgts, lai gan efektivitāte. ir augsts (cilvēka acs visvairāk reaģē uz dzeltenzaļo gaismu). Otrkārt, šī augstā efektivitāte tiek sasniegta tikai ar zemu strāvu. Palielinoties strāvai, efektivitāte samazinās. Tas izrādās neizdevīgs lietotājiem, piemēram, āra ziņojumu zīmju ražotājiem, kuri parasti multipleksē savas gaismas diodes ar lielu strāvu, lai sasniegtu spilgtuma līmeni, kas ir līdzīgs nepārtrauktai līdzstrāvas darbībai. Rezultātā GaP sarkanās gaismas diodes pašlaik tiek izmantotas tikai ierobežotā skaitā lietojumu. 70. gados attīstoties LED tehnoloģijai, kļuva pieejamas papildu krāsas un viļņu garumi. Visizplatītākie materiāli bija GaP zaļš un sarkans, GaAsP oranžs vai augstas efektivitātes sarkans un GaAsP dzeltens, kas visi joprojām tiek izmantoti šodien (3. tabula). Sāka attīstīties arī tendence uz praktiskāku pielietojumu. Gaismas diodes tika atrastas tādos produktos kā kalkulatori, digitālie pulksteņi un pārbaudes iekārtas. Lai gan gaismas diožu uzticamība vienmēr ir bijusi augstāka par kvēlspuldžu, neona u.c. uzticamību, agrīno ierīču atteices līmenis bija daudz augstāks nekā pašreizējās tehnoloģijas. Tas daļēji bija saistīts ar faktisko sastāvdaļu montāžu, kas galvenokārt bija manuāla. Atsevišķi operatori veica tādus uzdevumus kā epoksīda dozēšana, matricas novietošana un epoksīda samaisīšana ar rokām. Tā rezultātā radās tādi defekti kā “epoksīda slīpums”, kas izraisīja VF (priekšējais spriegums) un VR (reversais spriegums) noplūdi vai pat PN savienojuma īssavienojumu. Turklāt izmantotās augšanas metodes un materiāli nebija tik rafinēti kā mūsdienās. Liels kristāla, substrāta un epitaksiālo slāņu defektu skaits izraisīja samazinātu efektivitāti un īsāku ierīces kalpošanas laiku.
Gallija alumīnija arsenīds
Tikai astoņdesmitajos gados, kad tika izstrādāts jauns materiāls GaAlAs (gallija alumīnija arsenīds), strauji pieauga gaismas diožu izmantošana. GaAlAs tehnoloģija nodrošināja izcilu veiktspēju salīdzinājumā ar iepriekš pieejamajām LED. Spilgtums bija vairāk nekā 10 reizes lielāks nekā standarta LED, pateicoties paaugstinātai efektivitātei un daudzslāņu heterosavienojuma tipa konstrukcijām. Darbībai nepieciešamais spriegums bija zemāks, tādējādi radot kopējo enerģijas ietaupījumu. Gaismas diodes var arī viegli impulsēt vai multipleksēt. Tas ļāva tos izmantot mainīgu ziņojumu un āra zīmēs. Gaismas diodes tika izstrādātas arī tādām lietojumprogrammām kā svītrkoda skeneri, optiskās šķiedras datu pārraides sistēmas un medicīnas aprīkojums. Lai gan tas bija nozīmīgs sasniegums LED tehnoloģijā, GaAlAs materiālam joprojām bija ievērojami trūkumi. Pirmkārt, tas bija pieejams tikai sarkanā 660 nm viļņa garumā. Otrkārt, GaAlAs gaismas jaudas pasliktināšanās ir lielāka nekā standarta tehnoloģijai. Jau sen ir maldīgs priekšstats par gaismas diodēm, ka pēc 100 000 darbības stundām gaismas jauda samazināsies par 50%. Faktiski dažas GaAlAs gaismas diodes var samazināties par 50% tikai pēc 50 000–70 000 stundu darbības. Tas jo īpaši attiecas uz augstas temperatūras un/vai augsta mitruma vidēm. Arī šajā laikā dzeltenajā, zaļajā un oranžajā krāsā tika novērots tikai neliels spilgtuma un efektivitātes uzlabojums, kas galvenokārt bija saistīts ar kristālu augšanas un optikas dizaina uzlabojumiem. Materiāla pamatstruktūra palika samērā nemainīga.
Lai pārvarētu šos sarežģītos jautājumus, bija nepieciešama jauna tehnoloģija. LED dizaineri risinājumu meklējumos pievērsās lāzerdiožu tehnoloģijai. Paralēli straujajai LED tehnoloģiju attīstībai progresēja arī lāzerdiožu tehnoloģija. Astoņdesmito gadu beigās lāzera diodes ar redzamā spektra izvadi sāka komerciāli ražot tādiem lietojumiem kā svītrkoda lasītāji, mērīšanas un izlīdzināšanas sistēmas un nākamās paaudzes glabāšanas sistēmas. LED dizaineri centās izmantot līdzīgas metodes, lai ražotu augstas spilgtuma un augstas uzticamības gaismas diodes. Tas noveda pie InGaAlP (indija gallija alumīnija fosfīda) redzamo gaismas diožu izstrādes. InGaAlP kā luminiscējošā materiāla izmantošana ļāva elastīgi izstrādāt LED izvades krāsu, vienkārši pielāgojot enerģijas joslas spraugas izmēru. Tādējādi zaļās, dzeltenās, oranžās un sarkanās gaismas diodes var ražot, izmantojot vienu un to pašu pamattehnoloģiju. Turklāt InGaAlP materiāla gaismas jaudas degradācija ir ievērojami uzlabota pat paaugstinātā temperatūrā un mitrumā.
Pašreizējie LED tehnoloģiju uzlabojumi InGaAlP gaismas diodes veica vēl lielāku spilgtuma lēcienu, pateicoties jaunajam vadošajam LED ražotājam Toshiba. Toshiba, izmantojot MOCVD (Metal Oxide Chemical Vapor Deposition) augšanas procesu, spēja izveidot ierīces struktūru, kas atspoguļoja 90% vai vairāk radītās gaismas, kas pārvietojas no aktīvā slāņa uz substrātu atpakaļ kā noderīgu gaismas atdevi (4. attēls). Tas ļāva gandrīz divas reizes palielināt LED spilgtumu salīdzinājumā ar parastajām ierīcēm. LED veiktspēja tika vēl vairāk uzlabota, LED struktūrā ieviešot strāvu bloķējošu slāni (5. attēls). Šis bloķējošais slānis būtībā novirza strāvu caur ierīci, lai panāktu labāku ierīces efektivitāti. Šīs attīstības rezultātā liela daļa gaismas diožu pieauguma 1990. gados tiks koncentrēta trīs galvenajās jomās: pirmā ir satiksmes kontroles ierīces, piemēram, bremžu signāli, gājēju signāli, barikāžu gaismas un ceļa bīstamības zīmes. Otrais ir mainīgs ziņojumu apzīmējums, piemēram, tas, kas atrodas Taimskvērā Ņujorkā un parāda preces, ziņas un citu informāciju. Trešā koncentrācija būtu automobiļu lietojumos. Redzamā gaismas diode ir nogājusi garu ceļu kopš tās ieviešanas gandrīz pirms 40 gadiem, un tai vēl nav palēninātas pazīmes. Blue LED, kas kļuva pieejams ražošanas apjomos 1990. gados, radīja veselu jaunu lietojumu paaudzi. Zilās gaismas diodes to augstās fotonu enerģijas (> 2,5 eV) un salīdzinoši zemās acu jutības dēļ vienmēr ir bijis grūti ražot. Turklāt šo gaismas diožu izgatavošanai nepieciešamā tehnoloģija ir ļoti atšķirīga un daudz mazāk attīstīta nekā standarta LED materiāli. Mūsdienās pieejamās zilās gaismas diodes sastāv no GaN (gallija nitrīda) un SiC (silīcija karbīda) konstrukcijas ar spilgtuma līmeni, kas pārsniedz 10 000 mcd pie 20 mA GaN ierīcēm. Tā kā zilā ir viena no galvenajām krāsām (pārējās divas ir sarkana un zaļa), tirdzniecībā ir kļuvušas pilnkrāsu cietvielu LED izkārtnes, televizori utt. Citas zilo gaismas diožu pielietojuma iespējas ir medicīniskās diagnostikas iekārtas un fotolitogrāfija.
LED krāsas Ir iespējams ražot arī citas krāsas, izmantojot to pašu GaN pamattehnoloģiju un augšanas procesus. Piemēram, ir izstrādāta augsta spilgtuma zaļā (apmēram 500nm) gaismas diode, kas luksoforos nomainījusi zaļo spuldzi. Ir iespējamas arī citas krāsas, tostarp violeta un balta. Ieviešot zilās gaismas diodes, ir iespējams ražot baltu, selektīvi kombinējot pareizu sarkanās, zaļās un zilās gaismas kombināciju. Tomēr šī procesa ieviešanai ir nepieciešama sarežģīta programmatūras un aparatūras dizains. Turklāt spilgtuma līmenis ir zems, un katras izmantotās RGB formas kopējā gaismas atdeve pasliktinās ar atšķirīgu ātrumu, kā rezultātā rodas krāsu nelīdzsvarotība. Vēl viena pieeja, lai panāktu baltās gaismas atdevi, ir izmantot fosfora slāni (itrija alumīnija granātu) uz zilas gaismas diodes virsmas. Rezumējot, gaismas diodes ir pārgājušas no zīdaiņa vecuma līdz pusaudža vecumam, un tās piedzīvo straujāko tirgus izaugsmi savā mūžā. Izmantojot InGaAlP materiālu ar MOCVD kā augšanas procesu, apvienojumā ar efektīvu ģenerētās gaismas piegādi un efektīvu injicētās strāvas izmantošanu, tagad ir pieejamas dažas no spilgtākajām, efektīvākajām un uzticamākajām gaismas diodēm. Šī tehnoloģija kopā ar citām jaunām LED konstrukcijām nodrošinās plašu LED pielietojumu. Jauni sasniegumi zilajā spektrā un baltās gaismas izvadē arī garantēs nepārtrauktu šo ekonomisko gaismas avotu pielietojuma pieaugumu.
