Il diodo a emissione di luce (LED) è essenzialmente un diodo a semiconduttore a giunzione PN che emette una luce monocromatica (a un colore) quando viene utilizzato in una direzione polarizzata in avanti. La struttura di base di un LED è costituita dal materiale semiconduttore a emissione di luce o die, un telaio di piombo in cui è effettivamente posizionato il die e la resina epossidica di incapsulamento che circonda e protegge il die (Figura 1). I primi LED commercialmente utilizzabili sono stati sviluppati negli anni '60 combinando tre elementi primari: gallio, arsenico e fosforo (GaAsP) per ottenere una sorgente di luce rossa a 655 nm. Sebbene l'intensità luminosa fosse molto bassa con livelli di luminosità di circa 1-10mcd @ 20mA, hanno comunque trovato impiego in una varietà di applicazioni, principalmente come indicatori. Dopo GaAsP, GaP o fosfuro di gallio, sono stati sviluppati LED rossi. È stato scoperto che questi dispositivi mostrano efficienze quantistiche molto elevate, tuttavia hanno svolto solo un ruolo secondario nella crescita di nuove applicazioni per i LED. Ciò era dovuto a due ragioni: in primo luogo, l'emissione di lunghezza d'onda di 700 nm si trova in una regione spettrale in cui il livello di sensibilità dell'occhio umano è molto basso (Figura 2) e quindi non "sembra" essere molto luminoso anche se l'efficienza è alto (l'occhio umano è più sensibile alla luce giallo-verde). In secondo luogo, questa elevata efficienza si ottiene solo a basse correnti. All'aumentare della corrente, l'efficienza diminuisce. Questo si rivela uno svantaggio per gli utenti come i produttori di insegne per esterni, che in genere multiplexano i loro LED a correnti elevate per ottenere livelli di luminosità simili a quelli del funzionamento continuo CC. Di conseguenza, i LED rossi GaP sono attualmente utilizzati solo in un numero limitato di applicazioni. Con il progredire della tecnologia LED negli anni '70, divennero disponibili colori e lunghezze d'onda aggiuntivi. I materiali più comuni erano GaP verde e rosso, GaAsP arancione o rosso ad alta efficienza e GaAsP giallo, tutti utilizzati ancora oggi (Tabella 3). Cominciava anche a svilupparsi la tendenza verso applicazioni più pratiche. I LED sono stati trovati in prodotti come calcolatrici, orologi digitali e apparecchiature di prova. Sebbene l'affidabilità dei LED sia sempre stata superiore a quella delle lampade a incandescenza, neon, ecc., il tasso di guasto dei primi dispositivi era molto più alto di quello che la tecnologia attuale raggiunge oggi. Ciò era dovuto in parte all'effettivo assemblaggio dei componenti che era principalmente di natura manuale. I singoli operatori hanno svolto attività come l'erogazione di resina epossidica, il posizionamento dello stampo in posizione e la miscelazione della resina epossidica, tutto a mano. Ciò ha portato a difetti come "slop epossidico" che ha causato perdite VF (tensione diretta) e VR (tensione inversa) o addirittura cortocircuiti della giunzione PN. Inoltre, i metodi di crescita ei materiali utilizzati non erano così raffinati come lo sono oggi. Un numero elevato di difetti nel cristallo, nel substrato e negli strati epitassiali ha comportato una riduzione dell'efficienza e una durata dei dispositivi più breve.
Arsenuro di alluminio e gallio
Solo negli anni '80, quando fu sviluppato un nuovo materiale, il GaAlAs (arseniuro di gallio e alluminio), iniziò a verificarsi una rapida crescita nell'uso dei LED. La tecnologia GaAlAs ha fornito prestazioni superiori rispetto ai LED precedentemente disponibili. La luminosità era oltre 10 volte maggiore rispetto ai LED standard grazie alla maggiore efficienza e alle strutture multistrato di tipo eterogiunzione. La tensione richiesta per il funzionamento era inferiore con conseguente risparmio energetico totale. I LED possono anche essere facilmente pulsati o multiplexati. Ciò ha consentito il loro utilizzo in segnaletica a messaggio variabile e da esterno. I LED sono stati progettati anche in applicazioni quali scanner di codici a barre, sistemi di trasmissione dati in fibra ottica e apparecchiature mediche. Sebbene questo sia stato un importante passo avanti nella tecnologia LED, c'erano ancora notevoli inconvenienti nel materiale GaAlAs. Innanzitutto, era disponibile solo in una lunghezza d'onda rossa di 660 nm. In secondo luogo, la degradazione dell'emissione luminosa di GaAlAs è maggiore di quella della tecnologia standard. È stato a lungo un equivoco con i LED che l'emissione luminosa diminuisse del 50% dopo 100.000 ore di funzionamento. Infatti, alcuni LED GaAlAs possono diminuire del 50% dopo solo 50.000-70.000 ore di funzionamento. Ciò è particolarmente vero in ambienti ad alta temperatura e/o alta umidità. Inoltre, durante questo periodo, il giallo, il verde e l'arancione hanno visto solo un lieve miglioramento della luminosità e dell'efficienza, dovuto principalmente ai miglioramenti nella crescita dei cristalli e nel design dell'ottica. La struttura di base del materiale è rimasta relativamente invariata.
Per superare questi difficili problemi era necessaria una nuova tecnologia. I progettisti di LED si sono rivolti alla tecnologia a diodi laser per trovare soluzioni. Parallelamente ai rapidi sviluppi della tecnologia LED, anche la tecnologia dei diodi laser ha fatto progressi. Alla fine degli anni '80, i diodi laser con uscita nello spettro visibile iniziarono ad essere prodotti commercialmente per applicazioni come lettori di codici a barre, sistemi di misurazione e allineamento e sistemi di archiviazione di nuova generazione. I progettisti di LED hanno cercato di utilizzare tecniche simili per produrre LED ad alta luminosità e alta affidabilità. Ciò ha portato allo sviluppo di LED visibili InGaAlP (fosfuro di alluminio e gallio di indio). L'uso di InGaAlP come materiale luminescente ha consentito flessibilità nella progettazione del colore di uscita dei LED semplicemente regolando la dimensione del gap di banda di energia. Pertanto, i LED verdi, gialli, arancioni e rossi potrebbero essere prodotti utilizzando la stessa tecnologia di base. Inoltre, la degradazione dell'emissione luminosa del materiale InGaAlP è notevolmente migliorata anche a temperatura e umidità elevate.
Attuali sviluppi della tecnologia LED I LED InGaAlP hanno compiuto un ulteriore salto di luminosità con un nuovo sviluppo di Toshiba, un produttore leader di LED. Toshiba, utilizzando il processo di crescita MOCVD (Metal Oxide Chemical Vapor Deposition), è stata in grado di produrre una struttura del dispositivo che rifletteva il 90% o più della luce generata viaggiando dallo strato attivo al substrato come emissione di luce utile (Figura 4). Ciò ha consentito un aumento di quasi due volte della luminanza dei LED rispetto ai dispositivi convenzionali. Le prestazioni del LED sono state ulteriormente migliorate introducendo uno strato di blocco della corrente nella struttura del LED (Figura 5). Questo strato di blocco incanala essenzialmente la corrente attraverso il dispositivo per ottenere una migliore efficienza del dispositivo. Come risultato di questi sviluppi, gran parte della crescita dei LED negli anni '90 si concentrerà in tre aree principali: la prima riguarda i dispositivi di controllo del traffico come i semafori, i segnali pedonali, le luci delle barricate e i segnali di pericolo stradale. Il secondo è nei cartelli a messaggio variabile come quello situato a Times Square a New York che mostra merci, notizie e altre informazioni. La terza concentrazione sarebbe nelle applicazioni automobilistiche. Il LED visibile ha fatto molta strada dalla sua introduzione quasi 40 anni fa e non ha ancora mostrato alcun segno di cedimento. Un LED blu, disponibile in quantità di produzione negli anni '90, ha portato a un'intera generazione di nuove applicazioni. I LED blu a causa della loro elevata energia fotonica (& gt;2,5 eV) e della sensibilità dell'occhio relativamente bassa sono sempre stati difficili da produrre. Inoltre, la tecnologia necessaria per fabbricare questi LED è molto diversa e molto meno avanzata rispetto ai materiali LED standard. I LED blu oggi disponibili sono costituiti da una struttura in GaN (nitruro di gallio) e SiC (carburo di silicio) con livelli di luminosità superiori a 10.000 mcd a 20 mA per i dispositivi GaN. Poiché il blu è uno dei colori primari (gli altri due sono il rosso e il verde), sono diventati disponibili in commercio insegne a LED a stato solido a colori, TV ecc. Altre applicazioni per i LED blu includono apparecchiature diagnostiche mediche e fotolitografia.
Colori LED È anche possibile produrre altri colori utilizzando la stessa tecnologia di base GaN e processi di crescita. Ad esempio, è stato sviluppato un LED verde ad alta luminosità (circa 500 nm) che ha sostituito la lampadina verde nei semafori. Sono possibili anche altri colori tra cui viola e bianco. Con l'introduzione dei LED blu, è possibile produrre il bianco combinando selettivamente la giusta combinazione di luce rossa, verde e blu. Questo processo, tuttavia, richiede una progettazione hardware e software sofisticata per l'implementazione. Inoltre, il livello di luminosità è basso e l'emissione luminosa complessiva di ciascun die RGB utilizzato si degrada a una velocità diversa determinando un eventuale squilibrio del colore. Un altro approccio adottato per ottenere un'emissione di luce bianca consiste nell'utilizzare uno strato di fosforo (Yttrium Aluminium Garnet) sulla superficie di un LED blu. In sintesi, i LED sono passati dall'infanzia all'adolescenza e stanno vivendo una delle crescite di mercato più rapide della loro vita. Utilizzando il materiale InGaAlP con MOCVD come processo di crescita, combinato con l'erogazione efficiente della luce generata e l'uso efficiente della corrente iniettata, sono ora disponibili alcuni dei LED più luminosi, efficienti e affidabili. Questa tecnologia, insieme ad altre nuove strutture LED, garantirà un'ampia applicazione dei LED. Nuovi sviluppi nello spettro blu e nell'emissione di luce bianca garantiranno anche il continuo aumento delle applicazioni di queste sorgenti luminose economiche.
