Chemie
Als die LED vor über 40 Jahren zum ersten Mal auf den Markt kam, achtete niemand wirklich darauf, wie sie hergestellt wurde oder woraus sie chemisch bestand. Dies lag unter anderem daran, dass nur wenige Grundtypen und -farben zur Verfügung standen (zB GaP – Rot und Grün und GaAsP – Gelb). Heutzutage werden viele neue Arten von chemischen Strukturen geschaffen, um neue Farben oder Wellenlängen zu erhalten und die Leistung und Zuverlässigkeit zu verbessern. Aus diesem Grund werden LEDs nicht mehr streng nach ihrer Farbe, sondern auch nach ihrem chemischen Namen wie InGaAlP oder GaAlAs bezeichnet. Wenn der Anwender mit der LED-Technik nicht vertraut ist oder kein Studium in Chemie und Werkstoffen hat, kann dieses Buchstabengewirr sehr verwirrend sein. Die folgenden Informationen sollen dazu beitragen, diese Verwirrung zu mildern.
Gallium
Das erste und wichtigste Element, das bei der Herstellung fast aller Halbleiter-LED-Bauelemente verwendet wird, ist Gallium. Gallium ist ein metallisches Material, das als Spurenelement in Kohle, Bauxit und anderen Mineralien vorkommt. Das Symbol für Gallium ist „Ga“ – (Ordnungszahl 31). In Kombination mit Arsen „As“ (Ordnungszahl 33), einem hochgiftigen graumetallischen Element, entsteht bei Temperaturen von etwa 4000 Grad Fahrenheit die Verbindung Galliumarsenid „GaAs“. Diese dunkelgraue kristalline Verbindung ist die Grundlage für die vor fast 40 Jahren hergestellten ursprünglichen Halbleiter-LEDs. Wenn diesem Material Strom/Energie zugeführt wird, werden Photonen oder Lichtteilchen emittiert. GaAs selbst emittiert Licht im Infrarotbereich, das für das menschliche Auge nicht sichtbar ist, wenn jedoch ein anderes Element, Phosphor (ein hochreaktives weißes oder gelbes, nichtmetallisches Element, das natürlicherweise in Phosphaten vorkommt, mit der Ordnungszahl 15 und dem Symbol „ P“) eingeführt wird, entsteht ein Mischkristall aus Gallium-Arsenid-Phosphid „GaAsP“. Je nach Phosphoranteil wird Licht im sichtbaren Bereich von Rot bis Gelb erreicht.
Neben dem oben beschriebenen GaAsP wurde die Materialkombination Galliumposphid „GaP“ entwickelt. Durch geeignetes Dotieren dieser Kristallverbindung konnten verschiedene Farben erhalten werden. Durch Zugabe von Zink-Sauerstoff zu GaP wird beispielsweise die Farbe Rot erhalten. Durch Zugabe von Stickstoff wird grünes Licht erreicht. Es ist wichtig zu beachten, dass in fast allen Halbleiter-LED-Die-Materialien die hinzugefügten Elemente wie Zink, Stickstoff, Beryllium usw. normalerweise nicht im allgemeinen Akronym für die Materialstruktur angegeben sind. Alle oben genannten Materialien sind, obwohl sie vor vielen Jahren entwickelt wurden, immer noch weit verbreitet und werden heute verwendet. (Tabelle 1)
Aluminium
In den späten 1970er Jahren wurde entdeckt, dass durch die Zugabe von Aluminium „Al“ (Ordnungszahl 13 und das am häufigsten vorkommende metallische Element in der Erdkruste) zu der GaAs-Verbindung eine rote Farbe mit einer Helligkeit und Effizienz erzeugt werden konnte, die deutlich über existierendes Produkt. Auf diese Weise wurde Gallium-Aluminium-Arsenid "GaAlAs" gebildet. Obwohl die Kombination von Gallium, Aluminium und Arsen seit ungefähr 30 Jahren existiert, variiert das tatsächliche Format der elementaren Konfiguration. Einige Hersteller bezeichnen die Verbindung als AlGaAs, während andere sie als GaAlAs bezeichnen. Ursprünglich dachten viele, dass das zuerst genannte Material in größeren Mengen gefunden wurde als die nachfolgenden Elemente. Wenn GaAlAs die Bezeichnung war, dann war Ga (Gallium) das Hauptelement in der Verbindung. Al (Aluminium) wäre an zweiter Stelle und As (Arsenid) an dritter Stelle. Dies veranlasste viele Benutzer zu der Annahme, dass jede der Verbindungen signifikant unterschiedlich war, wenn die Elementreihenfolge unterschiedlich war. Dies ist eine falsche Annahme. Die Reihenfolge, in der jedes Element in der Verbindung platziert wird, folgt weder chemischen Standardsequenzen noch ist dies erforderlich, da die genaue chemische Struktur nicht angegeben ist. GaAlAs sind nur die „primären“ Elemente, die in der Verbindung verwendet werden. Alle anderen zusätzlichen Elemente oder Dotierstoffe wie Zink oder Stickstoff und deren genaue Zusammensetzung sind nicht aufgeführt. Im Wesentlichen besteht der einzige Unterschied zwischen GaAlAs und AlGaAs in der Schreibweise des Akronyms.
In letzter Zeit wurde dieser Mischmasch aus Buchstaben und Materialtypen durch die Einführung vieler neuer Verbindungen wie Indium-Gallium-Aluminium-Phosphid „InGaAlP“ noch weiter verkompliziert. Durch die Zugabe von Indium „In“ (einer weichen, formbaren silbrig-weißen Metallverbindung, die hauptsächlich in Zink- und Zinnerzen mit der Ordnungszahl 49 vorkommt) wurde festgestellt, dass nicht nur die Helligkeit und Effizienz der LEDs verbessert, sondern auch die tatsächliche Lebensdauer erheblich erhöht würde gegenüber aktuellen Materialien wie GaAlAs erhöht. Darüber hinaus kann bei geeigneter Dotierung eine große Vielfalt von Farben und Wellenlängen erzeugt werden. Ähnlich wie bei Gallium-Aluminium-Arsenid kann das Akronym für Indium-Gallium-Aluminium-Phosphid auf verschiedene Weise ausgedrückt werden. Die beiden häufigsten sind InGaAlP und AlInGaP. Beide Formen sind chemisch das gleiche Material.
Elemente der Gruppe III und Gruppe V
Elemente wie (Al, Ga und In) werden als Elemente der Gruppe „III“ bezeichnet, während (P, As und N) Elemente der Gruppe „V“ sind. Ein lichtemittierendes Halbleiterprodukt wird typischerweise als "III-V"-Material bezeichnet, das aus dem Periodensystem stammt. Andere Verbindungen wie Siliziumkarbid „SiC“, das Silizium (ein nichtmetallisches Element, das in Silizium in der Erdkruste in großem Umfang vorkommt und zur Herstellung von Glas, Halbleiterbauelementen, Keramik usw. mit der Ordnungszahl 14 verwendet wird) und Kohlenstoff (ein natürlicher Bei der Herstellung blauer und grüner LEDs werden häufig nichtmetallische Elemente mit der Ordnungszahl 6) und Galliumnitrid „GaN“ verwendet, die in allen organischen oder lebenden Organismen vorkommen. Das Akronym für diese Verbindungen ist im Allgemeinen in der gesamten Branche einheitlich, kann jedoch jederzeit übernommen werden. Sobald eine chemische Verbindung hergestellt wurde, kann das Akronym, das diese Substanz beschreibt, sehr subjektiv von den Launen des Herstellers oder Entwicklers sein. Es ist wichtig zu beachten, dass eine Verbindung nicht als einer anderen Verbindung mit derselben chemischen Zusammensetzung, aber einer anderen chemischen Ordnung überlegen oder unterlegen interpretiert werden sollte.
