Điốt phát quang (LED) thực chất là một điốt bán dẫn tiếp giáp PN phát ra ánh sáng đơn sắc (một màu) khi hoạt động theo hướng phân cực thuận. Cấu trúc cơ bản của đèn LED bao gồm khuôn hoặc vật liệu bán dẫn phát sáng, khung dẫn nơi đặt khuôn trên thực tế và lớp epoxy bao bọc xung quanh và bảo vệ khuôn (Hình 1). Đèn LED có thể sử dụng thương mại đầu tiên được phát triển vào những năm 1960 bằng cách kết hợp ba nguyên tố chính: gali, asen và phốt pho (GaAsP) để thu được nguồn ánh sáng đỏ 655nm. Mặc dù cường độ sáng rất thấp với mức độ sáng xấp xỉ 1-10mcd @ 20mA, chúng vẫn được sử dụng trong nhiều ứng dụng, chủ yếu làm đèn báo. Sau GaAsP, GaP hoặc gallium phosphide, đèn LED màu đỏ đã được phát triển. Các thiết bị này được phát hiện có hiệu suất lượng tử rất cao, tuy nhiên, chúng chỉ đóng một vai trò nhỏ trong sự phát triển của các ứng dụng mới cho đèn LED. Điều này là do hai lý do: Thứ nhất, phát xạ bước sóng 700nm nằm trong vùng quang phổ mà mức độ nhạy cảm của mắt người rất thấp (Hình 2) và do đó, nó không "có vẻ" rất sáng mặc dù hiệu suất cao (mắt người phản ứng nhanh nhất với ánh sáng xanh lục vàng). Thứ hai, hiệu quả cao này chỉ đạt được ở dòng điện thấp. Khi dòng điện tăng lên, hiệu suất giảm. Điều này chứng tỏ là một bất lợi cho người dùng chẳng hạn như các nhà sản xuất biển báo ngoài trời thường ghép đèn LED của họ ở dòng cao để đạt được mức độ sáng tương tự như khi hoạt động liên tục DC. Do đó, đèn LED đỏ GaP hiện chỉ được sử dụng trong một số ứng dụng hạn chế. Khi công nghệ LED phát triển qua những năm 1970, các màu sắc và bước sóng bổ sung đã có sẵn. Các vật liệu phổ biến nhất là GaP xanh và đỏ, GaAsP da cam hoặc đỏ hiệu suất cao và GaAsP vàng, tất cả chúng vẫn được sử dụng cho đến ngày nay (Bảng 3). Xu hướng hướng tới các ứng dụng thực tế hơn cũng bắt đầu phát triển. Đèn LED được tìm thấy trong các sản phẩm như máy tính, đồng hồ kỹ thuật số và thiết bị thử nghiệm. Mặc dù độ tin cậy của đèn LED luôn vượt trội so với đèn sợi đốt, đèn neon, v.v., nhưng tỷ lệ hỏng hóc của các thiết bị ban đầu cao hơn nhiều so với công nghệ hiện tại. Điều này một phần là do quá trình lắp ráp thành phần thực tế chủ yếu là thủ công. Người vận hành cá nhân thực hiện các công việc như phân phối epoxy, đặt khuôn vào vị trí và trộn epoxy đều bằng tay. Điều này dẫn đến các khuyết tật như "dốc epoxy" gây ra rò rỉ VF (điện áp thuận) và VR (điện áp ngược) hoặc thậm chí là làm ngắn đường giao nhau PN. Ngoài ra, các phương pháp tăng trưởng và vật liệu được sử dụng không được tinh chế như ngày nay. Số lượng cao các khuyết tật trong tinh thể, chất nền và lớp biểu mô dẫn đến giảm hiệu quả và thời gian sử dụng thiết bị ngắn hơn.
Gali nhôm Arsenide
Cho đến những năm 1980 khi một vật liệu mới, GaAlAs (gali nhôm arsenide) được phát triển, thì sự phát triển nhanh chóng trong việc sử dụng đèn LED mới bắt đầu xảy ra. Công nghệ GaAlAs cung cấp hiệu suất vượt trội so với các đèn LED có sẵn trước đây. Độ sáng lớn hơn gấp 10 lần so với đèn LED tiêu chuẩn do tăng hiệu suất và cấu trúc nhiều lớp, kiểu không kết nối. Điện áp cần thiết cho hoạt động thấp hơn dẫn đến tổng tiết kiệm điện. Các đèn LED cũng có thể dễ dàng tạo xung hoặc ghép kênh. Điều này cho phép chúng được sử dụng trong các thông báo thay đổi và các biển báo ngoài trời. Đèn LED cũng được thiết kế thành các ứng dụng như máy quét mã vạch, hệ thống truyền dữ liệu cáp quang và thiết bị y tế. Mặc dù đây là một bước đột phá lớn trong công nghệ LED, nhưng vẫn có những hạn chế đáng kể đối với vật liệu GaAlAs. Đầu tiên, nó chỉ có ở bước sóng 660nm màu đỏ. Thứ hai, sự suy giảm sản lượng ánh sáng của GaAlAs lớn hơn so với công nghệ tiêu chuẩn. Từ lâu đã có một quan niệm sai lầm với đèn LED rằng hiệu suất ánh sáng sẽ giảm 50% sau 100.000 giờ hoạt động. Trên thực tế, một số đèn LED GaAlAs có thể giảm 50% chỉ sau 50.000 -70.000 giờ hoạt động. Điều này đặc biệt đúng trong môi trường nhiệt độ cao và / hoặc độ ẩm cao. Cũng trong thời gian này, màu vàng, xanh lá cây và cam chỉ có một sự cải thiện nhỏ về độ sáng và hiệu quả, chủ yếu là do những cải tiến trong thiết kế quang học và tăng trưởng tinh thể. Cấu trúc cơ bản của vật liệu không thay đổi.
Để khắc phục những vấn đề khó khăn này, cần phải có công nghệ mới. Các nhà thiết kế LED đã chuyển sang sử dụng công nghệ diode laser cho các giải pháp. Song song với sự phát triển nhanh chóng của công nghệ LED, công nghệ diode laser cũng đã có nhiều tiến bộ. Vào cuối những năm 1980, điốt laze có đầu ra trong phổ khả kiến bắt đầu được sản xuất thương mại cho các ứng dụng như máy đọc mã vạch, hệ thống đo lường và căn chỉnh và hệ thống lưu trữ thế hệ tiếp theo. Các nhà thiết kế đèn LED đã tìm cách sử dụng các kỹ thuật tương tự để tạo ra đèn LED có độ sáng cao và độ tin cậy cao. Điều này dẫn đến sự phát triển của InGaAlP (Indium Gallium Aluminium Phosphide) có thể nhìn thấy đượcLED. Việc sử dụng InGaAlP làm vật liệu phát quang cho phép sự linh hoạt trong thiết kế màu đầu ra của đèn LED chỉ đơn giản bằng cách điều chỉnh kích thước của khoảng cách vùng năng lượng. Do đó, tất cả các đèn LED xanh lá cây, vàng, cam và đỏ đều có thể được sản xuất bằng công nghệ cơ bản giống nhau. Ngoài ra, sự suy giảm sản lượng ánh sáng của vật liệu InGaAlP được cải thiện đáng kể ngay cả ở nhiệt độ và độ ẩm cao.
Sự phát triển hiện tại của công nghệ LED Đèn LED InGaAlP đã có một bước nhảy vọt hơn nữa về độ sáng với sự phát triển mới của Toshiba, nhà sản xuất đèn LED hàng đầu. Toshiba, bằng cách sử dụng quy trình tăng trưởng MOCVD (Metal Oxide Chemical Vapor Deposition), đã có thể tạo ra một cấu trúc thiết bị phản xạ 90% hoặc nhiều hơn ánh sáng được tạo ra truyền từ lớp hoạt động đến chất nền trở lại dưới dạng đầu ra ánh sáng hữu ích (Hình 4). Điều này cho phép độ sáng của đèn LED tăng gần hai lần so với các thiết bị thông thường. Hiệu suất của đèn LED đã được cải thiện hơn nữa bằng cách đưa một lớp chặn dòng điện vào cấu trúc đèn LED (Hình 5). Lớp chặn này về cơ bản phân kênh dòng điện qua thiết bị để đạt được hiệu quả thiết bị tốt hơn. Kết quả của những phát triển này, phần lớn sự phát triển của đèn LED trong những năm 1990 sẽ tập trung vào ba lĩnh vực chính: Thứ nhất là trong các thiết bị điều khiển giao thông như đèn dừng, tín hiệu dành cho người đi bộ, đèn rào chắn và biển báo nguy hiểm trên đường. Thứ hai là ở các bảng hiệu thông báo có thể thay đổi như bảng ở Quảng trường Thời đại, New York, nơi hiển thị hàng hóa, tin tức và các thông tin khác. Nồng độ thứ ba sẽ là trong các ứng dụng ô tô. Đèn LED có thể nhìn thấy đã đi một chặng đường dài kể từ khi được giới thiệu cách đây gần 40 năm và vẫn chưa có dấu hiệu chậm lại. Đèn LED xanh lam, được sản xuất với số lượng lớn vào những năm 1990, dẫn đến toàn bộ thế hệ ứng dụng mới. Đèn LED xanh lam vì năng lượng photon cao (& gt; 2,5eV) và độ nhạy mắt tương đối thấp luôn khó chế tạo. Ngoài ra, công nghệ cần thiết để chế tạo các đèn LED này rất khác và kém tiên tiến hơn nhiều so với các vật liệu LED tiêu chuẩn. Các đèn LED xanh dương hiện có ngày nay bao gồm cấu tạo GaN (gali nitride) và SiC (cacbua silic) với mức độ sáng vượt quá 10.000mcd @ 20mA cho các thiết bị GaN. Vì màu xanh lam là một trong những màu cơ bản, (hai màu còn lại là đỏ và xanh lục), nên các bảng hiệu đèn LED trạng thái rắn đủ màu, TV, v.v. đã trở nên có sẵn trên thị trường. Các ứng dụng khác cho đèn LED xanh bao gồm thiết bị chẩn đoán y tế và quang khắc.
Màu LED Cũng có thể tạo ra các màu khác bằng cách sử dụng cùng một công nghệ GaN cơ bản và các quy trình tăng trưởng. Ví dụ, đèn LED xanh lục có độ sáng cao (khoảng 500nm) đã được phát triển để thay thế bóng đèn xanh trong đèn giao thông. Các màu khác bao gồm tím và trắng cũng có thể. Với sự ra đời của đèn LED xanh lam, có thể tạo ra màu trắng bằng cách kết hợp có chọn lọc sự kết hợp thích hợp của ánh sáng đỏ, lục và lam. Tuy nhiên, quá trình này đòi hỏi phần mềm và thiết kế phần cứng phức tạp để thực hiện. Ngoài ra, mức độ sáng thấp và sản lượng ánh sáng tổng thể của mỗi khuôn RGB đang được sử dụng suy giảm ở một tốc độ khác nhau, dẫn đến sự mất cân bằng màu sắc cuối cùng. Một cách tiếp cận khác được thực hiện để đạt được hiệu suất ánh sáng trắng, là sử dụng một lớp phosphor (Yttrium Aluminium Garnet) trên bề mặt của đèn LED màu xanh lam. Tóm lại, đèn LED đã đi từ giai đoạn sơ sinh đến tuổi vị thành niên và đang trải qua một số tốc độ tăng trưởng thị trường nhanh nhất trong cuộc đời của chúng. Bằng cách sử dụng vật liệu InGaAlP với MOCVD làm quá trình tăng trưởng, kết hợp với việc phân phối hiệu quả ánh sáng được tạo ra và sử dụng hiệu quả dòng điện, một số đèn LED sáng nhất, hiệu quả nhất và đáng tin cậy nhất hiện đã có sẵn. Công nghệ này cùng với các cấu trúc đèn LED mới khác sẽ đảm bảo ứng dụng rộng rãi của đèn LED. Những phát triển mới trong quang phổ xanh lam và sản lượng ánh sáng trắng cũng sẽ đảm bảo sự gia tăng liên tục các ứng dụng của các nguồn sáng tiết kiệm này.
