Leuchtdioden (LED) sind im Wesentlichen eine Halbleiterdiode mit PN-Übergang, die ein monochromatisches (einfarbiges) Licht emittiert, wenn sie in Durchlassrichtung betrieben wird. Die Grundstruktur einer LED besteht aus dem Die oder dem lichtemittierenden Halbleitermaterial, einem Leiterrahmen, auf dem der Die tatsächlich platziert ist, und dem Einkapselungsepoxid, das den Die umgibt und schützt (Abbildung 1). Die ersten kommerziell verwendbaren LEDs wurden in den 1960er Jahren entwickelt, indem drei Primärelemente kombiniert wurden: Gallium, Arsen und Phosphor (GaAsP), um eine 655-nm-Rotlichtquelle zu erhalten. Obwohl die Lichtstärke mit Helligkeiten von ca. 1-10mcd @ 20mA sehr gering war, fanden sie dennoch in einer Vielzahl von Anwendungen Verwendung, hauptsächlich als Anzeiger. Nach GaAsP, GaP oder Galliumphosphid wurden rote LEDs entwickelt. Es wurde festgestellt, dass diese Geräte sehr hohe Quanteneffizienzen aufweisen, jedoch spielten sie nur eine untergeordnete Rolle beim Wachstum neuer Anwendungen für LEDs. Dies hatte zwei Gründe: Erstens liegt die Emission mit 700 nm Wellenlänge in einem Spektralbereich, in dem die Empfindlichkeit des menschlichen Auges sehr gering ist (Abbildung 2) und daher „scheint“ sie nicht sehr hell zu sein, obwohl die Effizienz hoch ist (das menschliche Auge reagiert am stärksten auf gelbgrünes Licht). Zweitens wird dieser hohe Wirkungsgrad nur bei geringen Strömen erreicht. Mit steigendem Strom sinkt der Wirkungsgrad. Dies erweist sich als nachteilig für Benutzer wie Hersteller von Hinweisschildern im Freien, die ihre LEDs typischerweise bei hohen Strömen multiplexen, um Helligkeitsniveaus zu erreichen, die denen des Gleichstrom-Dauerbetriebs ähnlich sind. Daher werden rote GaP-LEDs derzeit nur in einer begrenzten Anzahl von Anwendungen verwendet. Mit dem Fortschritt der LED-Technologie in den 1970er Jahren wurden zusätzliche Farben und Wellenlängen verfügbar. Die gebräuchlichsten Materialien waren GaP grün und rot, GaAsP orange oder hocheffizient rot und GaAsP gelb, die alle noch heute verwendet werden (Tabelle 3). Auch der Trend zu mehr praktischen Anwendungen zeichnete sich ab. LEDs wurden in Produkten wie Taschenrechnern, Digitaluhren und Testgeräten gefunden. Obwohl die Zuverlässigkeit von LEDs der von Glühlampen, Neonlicht usw. immer überlegen war, war die Ausfallrate früherer Geräte viel höher, als es die aktuelle Technologie heute erreicht. Dies lag zum Teil an der eigentlichen Komponentenmontage, die hauptsächlich manueller Natur war. Einzelne Bediener führten Aufgaben wie das Dosieren von Epoxidharz, das Platzieren der Matrize in Position und das Mischen des Epoxidharzes von Hand durch. Dies führte zu Defekten wie „Epoxy Slop“, die VF (Vorwärtsspannung) und VR (Rückwärtsspannung) Leckage oder sogar einen Kurzschluss des PN-Übergangs verursachten. Zudem waren die verwendeten Aufzuchtmethoden und Materialien nicht so ausgereift wie heute. Eine hohe Anzahl von Defekten in den Kristall-, Substrat- und Epitaxieschichten führte zu einer verringerten Effizienz und einer kürzeren Lebensdauer der Vorrichtung.
Gallium-Aluminium-Arsenid
Erst in den 1980er Jahren, als ein neues Material, GaAlAs (Gallium-Aluminium-Arsenid), entwickelt wurde, begann eine rasante Zunahme der Verwendung von LEDs. Die GaAlAs-Technologie bietet eine überlegene Leistung gegenüber zuvor verfügbaren LEDs. Die Helligkeit war aufgrund der erhöhten Effizienz und der mehrschichtigen Strukturen vom Heteroübergangstyp über 10-mal höher als bei Standard-LEDs. Die für den Betrieb erforderliche Spannung war niedriger, was zu einer Gesamtenergieeinsparung führte. Die LEDs könnten auch leicht gepulst oder gemultiplext werden. Dies ermöglichte ihre Verwendung in Wechselverkehrs- und Außenzeichen. LEDs wurden auch für Anwendungen wie Strichcode-Scanner, faseroptische Datenübertragungssysteme und medizinische Geräte entwickelt. Obwohl dies ein großer Durchbruch in der LED-Technologie war, gab es immer noch erhebliche Nachteile des GaAlAs-Materials. Zunächst war es nur in einer roten Wellenlänge von 660 nm erhältlich. Zweitens ist die Lichtleistungsverschlechterung von GaAlAs größer als die der Standardtechnologie. Es war lange Zeit ein Irrglaube bei LEDs, dass die Lichtleistung nach 100.000 Betriebsstunden um 50 % abnimmt. Tatsächlich können einige GaAlAs-LEDs nach nur 50.000 bis 70.000 Betriebsstunden um 50% abnehmen. Dies gilt insbesondere in Umgebungen mit hoher Temperatur und/oder hoher Feuchtigkeit. Auch während dieser Zeit erfuhren Gelb, Grün und Orange nur eine geringfügige Verbesserung der Helligkeit und Effizienz, die hauptsächlich auf Verbesserungen im Kristallwachstum und Optikdesign zurückzuführen war. Die Grundstruktur des Materials blieb relativ unverändert.
Um diese schwierigen Probleme zu lösen, war eine neue Technologie erforderlich. LED-Designer wandten sich für Lösungen der Laserdiodentechnologie zu. Parallel zu den rasanten Entwicklungen in der LED-Technologie machte auch die Laserdioden-Technologie Fortschritte. In den späten 1980er Jahren begann die kommerzielle Produktion von Laserdioden mit einer Leistung im sichtbaren Spektrum für Anwendungen wie Strichcodeleser, Mess- und Ausrichtungssysteme und Speichersysteme der nächsten Generation. LED-Designer wollten ähnliche Techniken verwenden, um LEDs mit hoher Helligkeit und hoher Zuverlässigkeit herzustellen. Dies führte zur Entwicklung von InGaAlP (Indium Gallium Aluminium Phosphide) sichtbaren LEDs. Die Verwendung von InGaAlP als lumineszierendes Material ermöglichte Flexibilität bei der Gestaltung der LED-Ausgangsfarbe einfach durch Anpassen der Größe der Energiebandlücke. Somit könnten grüne, gelbe, orange und rote LEDs alle unter Verwendung der gleichen Basistechnologie hergestellt werden. Außerdem wird die Lichtleistungsverschlechterung von InGaAlP-Material selbst bei erhöhter Temperatur und Feuchtigkeit deutlich verbessert.
Aktuelle Entwicklungen in der LED-Technologie InGaAlP-LEDs machten mit einer Neuentwicklung von Toshiba, einem führenden Hersteller von LEDs, einen weiteren Helligkeitssprung. Toshiba konnte mithilfe des MOCVD-Wachstumsprozesses (Metal Oxide Chemical Vapour Deposition) eine Gerätestruktur herstellen, die 90 % oder mehr des erzeugten Lichts, das von der aktiven Schicht zum Substrat wandert, als nutzbare Lichtleistung reflektierte (Abbildung 4). Dadurch konnte die LED-Leuchtdichte gegenüber herkömmlichen Geräten fast verdoppelt werden. Die LED-Leistung wurde durch die Einführung einer Stromsperrschicht in die LED-Struktur weiter verbessert (Abbildung 5). Diese Sperrschicht leitet den Strom im Wesentlichen durch das Gerät, um eine bessere Geräteeffizienz zu erreichen. Als Ergebnis dieser Entwicklungen wird sich ein Großteil des Wachstums bei LEDs in den 90er Jahren auf drei Hauptbereiche konzentrieren: Der erste liegt in Verkehrssteuerungsgeräten wie Bremslichtern, Fußgängersignalen, Absperrungslichtern und Gefahrenschildern. Das zweite ist in Wechselverkehrszeichen wie dem am Times Square in New York, das Waren, Nachrichten und andere Informationen anzeigt. Die dritte Konzentration würde in Automobilanwendungen liegen. Die sichtbare LED hat seit ihrer Einführung vor fast 40 Jahren einen langen Weg zurückgelegt und zeigt noch keine Anzeichen einer Verlangsamung. Eine blaue LED, die in den 1990er Jahren in Serienproduktion verfügbar wurde, führte zu einer ganzen Generation neuer Anwendungen. Blaue LEDs waren wegen ihrer hohen Photonenenergien (>2,5eV) und relativ geringer Augenempfindlichkeit schon immer schwierig herzustellen. Darüber hinaus ist die zur Herstellung dieser LEDs erforderliche Technologie sehr unterschiedlich und weit weniger fortschrittlich als bei Standard-LED-Materialien. Die heute erhältlichen blauen LEDs bestehen aus GaN (Galliumnitrid) und SiC (Siliziumcarbid) Konstruktionen mit Helligkeitswerten von über 10.000 mcd @ 20 mA für GaN-Bauelemente. Da Blau eine der Primärfarben ist (die anderen beiden sind Rot und Grün), sind Vollfarb-Festkörper-LED-Schilder, Fernseher usw. im Handel erhältlich. Andere Anwendungen für blaue LEDs umfassen medizinische Diagnosegeräte und Photolithographie.
LED-Farben Es ist auch möglich, mit der gleichen grundlegenden GaN-Technologie und den gleichen Wachstumsprozessen andere Farben zu erzeugen. Zum Beispiel wurde eine grüne LED mit hoher Helligkeit (ca. 500 nm) entwickelt, die die grüne Glühbirne in Ampeln ersetzt hat. Andere Farben einschließlich Lila und Weiß sind ebenfalls möglich. Mit der Einführung von blauen LEDs ist es möglich, Weiß durch selektive Kombination der richtigen Kombination von rotem, grünem und blauem Licht zu erzeugen. Dieser Prozess erfordert jedoch ein ausgeklügeltes Software- und Hardwaredesign, um es zu implementieren. Darüber hinaus ist der Helligkeitspegel niedrig und die Gesamtlichtleistung jedes verwendeten RGB-Chips verschlechtert sich mit einer anderen Geschwindigkeit, was zu einem eventuellen Farbungleichgewicht führt. Ein anderer Ansatz, um eine weiße Lichtleistung zu erzielen, besteht darin, eine Phosphorschicht (Yttrium-Aluminium-Granat) auf der Oberfläche einer blauen LED zu verwenden. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass LEDs vom Säuglings- bis zum Jugendalter übergegangen sind und eines der schnellsten Marktwachstum ihrer Lebenszeit erleben. Durch die Verwendung von InGaAlP-Material mit MOCVD als Wachstumsprozess, kombiniert mit einer effizienten Lieferung von erzeugtem Licht und einer effizienten Nutzung des injizierten Stroms, sind jetzt einige der hellsten, effizientesten und zuverlässigsten LEDs erhältlich. Diese Technologie zusammen mit anderen neuartigen LED-Strukturen wird eine breite Anwendung von LEDs gewährleisten. Auch Neuentwicklungen im blauen Spektrum und in der weißen Lichtleistung werden die weitere Zunahme der Einsatzmöglichkeiten dieser sparsamen Lichtquellen garantieren.
