발광 다이오드(LED)는 본질적으로 전방 편향 방향으로 작동할 때 단색(단일 색상) 빛을 방출하는 PN 접합 반도체 다이오드입니다. LED의 기본 구조는 다이 또는 발광 반도체 재료, 다이가 실제로 배치되는 리드 프레임 및 다이를 둘러싸고 보호하는 캡슐화 에폭시(도 1)로 구성됩니다. 최초의 상업적 사용 가능한 LED는 1960년대에 갈륨, 비소 및 인(GaAsP)의 세 가지 주요 요소를 결합하여 655nm 의 적색 광원을 획득함으로써 개발되었습니다. 발광 강도는 약 1-10mcd @ 20mA의 밝기 수준으로 매우 낮았지만, 그들은 여전히 주로 지표로 다양한 응용 프로그램에서 사용을 발견했습니다. GaAsP, GaP, 또는 갈륨 인산염에 이어, 빨간 LED가 개발되었다. 이러한 장치는 매우 높은 양자 효율성을 나타내는 것으로 나타났습니다, 그러나, 그들은 LED에 대한 새로운 응용 프로그램의 성장에 사소한 역할을했다. 이는 첫째, 700nm 파장 방출은 사람의 눈의 감도 수준이 매우 낮은 스펙트럼 영역에 있기 때문입니다(그림 2) 효율이 높더라도 매우 밝게 "나타나지 않는다"(인간의 눈은 황색-녹색 빛에 가장 반응한다). 둘째, 이 고효율은 낮은 전류에서만 달성됩니다. 전류가 증가함에 따라 효율성이 감소합니다. 이는 DC 연속 작동과 유사한 밝기 수준을 달성하기 위해 일반적으로 높은 전류에서 LED를 멀티플렉스하는 실외 메시지 사인 제조업체와 같은 사용자에게 불리합니다. 따라서 GaP 빨간색 LED는 현재 제한된 수의 응용 프로그램에서만 사용됩니다. LED 기술이 1970년대를 거치면서 추가적인 색상과 파장이 제공되었습니다. 가장 일반적인 재료는 GaP 녹색과 빨간색, GaAsP 오렌지 또는 고효율 빨간색과 GaAsP 노란색이었다, 모두는 여전히 오늘 (표3)에 사용된다. 보다 실용적인 응용 프로그램을 향한 추세도 발전하기 시작했습니다. LED는 계산기, 디지털 시계 및 테스트 장비와 같은 제품에서 발견되었습니다. LED의 신뢰성은 항상 백열, 네온 등보다 우수하지만 초기 장치의 실패율은 현재 기술보다 훨씬 높았습니다. 이는 부분적으로 본질적으로 수동된 실제 구성 요소 어셈블리 때문입니다. 개별 연산자는 에폭시를 분배하고, 다이스를 제자리에 배치하고, 에폭시를 손으로 혼합하는 등의 작업을 수행했습니다. 이로 인해 VF(전방 전압) 및 VR(역전압) 누설 또는 PN 접합의 단락을 일으킨 "에폭시 슬롭"과 같은 결함이 발생했습니다. 또한, 사용되는 성장 방법과 재료는 현재와 같이 정제되지 않았습니다. 결정, 기판 및 상피 층의 결함수가 많으면 효율성이 저하되고 장치 수명이 짧아지게 되었습니다.
갈륨 알루미늄 아르세니데
새로운 소재인 GaAlAs(갈륨 알루미늄 아르세니드)가 개발되어 LED 사용이 급속히 증가하기 시작한 것은 1980년대가 아닙니다. GaAlAs 기술은 이전에 사용 가능한 LED에 비해 우수한 성능을 제공했습니다. 밝기는 효율성 증가및 다층, 이종 형 구조로 인해 표준 LED보다 10 배 이상 컸습니다. 작동에 필요한 전압이 낮아총 전력이 절감되었습니다. LED는 쉽게 펄스 또는 멀티플렉스될 수 있습니다. 이를 통해 가변 메시지와 실외 표지판에서 사용할 수 있었습니다. LED는 바코드 스캐너, 광섬유 데이터 전송 시스템 및 의료 장비와 같은 응용 분야에도 설계되었습니다. 이는 LED 기술의 획기적인 돌파구였지만 GaAlAs 자료에는 여전히 큰 단점이 있었습니다. 첫째, 빨간색 660nm 파장에서만 사용할 수 있었습니다. 둘째, GaAlA의 광 출력 저하는 표준 기술보다 큽습니다. LED는 100,000시간의 작동 시간 후에 빛의 출력이 50% 감소한다는 오해를 오랫동안 받아왔습니다. 실제로 일부 GaAlAs LED는 50,000 -70,000시간의 작동 후에 50% 감소할 수 있습니다. 이는 특히 고온 및/또는 습도가 높은 환경에서도 그렇습니다. 또한 이 기간 동안 노란색, 녹색 및 주황색은 주로 결정 성장과 광학 설계의 개선으로 인한 밝기와 효율성이 약간 개선되었습니다. 재료의 기본 구조는 상대적으로 변경되지 않았습니다.
이러한 어려운 문제를 극복하기 위해서는 새로운 기술이 필요했습니다. LED 설계자는 솔루션을 위한 레이저 다이오드 기술로 전환했습니다. LED 기술의 급속한 발전과 병행하여 레이저 다이오드 기술도 진전을 이루고 있었습니다. 1980년대 후반, 가시 스펙트럼의 출력을 갖춘 레이저 다이오드는 바코드 판독기, 측정 및 정렬 시스템 및 차세대 스토리지 시스템과 같은 애플리케이션을 위해 상업적으로 생산되기 시작했습니다. LED 설계자는 비슷한 기술을 사용하여 높은 밝기와 높은 신뢰성 LED를 생산하는 것을 보았습니다. 이것은 InGaAlP (인듐 갈륨 알루미늄 인스피더) 가시 LED의 개발로 이어졌습니다. InGaAlP를 발광 재료로 사용하면 에너지 밴드 갭의 크기를 조정하는 것만으로 LED 출력 색상의 설계에 유연성을 허용했습니다. 따라서 녹색, 노란색, 주황색 및 빨간색 LED는 모두 동일한 기본 기술을 사용하여 생성될 수 있습니다. 또한 InGaAlP 재료의 광 출력 분해는 높은 온도와 습도에서도 크게 개선됩니다.
LED 기술 InGaAlP LED의 현재 개발은 LED의 선도적 인 제조 업체 도시바에 의해 새로운 개발과 밝기의 추가 도약을했다. 도시바는 MOCVD(금속 산화물 화학 증기 증착) 성장 과정을 사용하여, 활성 층에서 기판으로 이동하는 생성된 빛의 90% 이상을 유용한 광 출력으로 반사하는 장치 구조를 생성할 수 있었다(도 4). 이를 통해 기존 장치에 비해 LED 휘도가 거의 2배 증가했습니다. LED 구조에 전류 차단 층을 도입하여 LED 성능이 더욱 향상되었습니다(그림 5). 이 차단 계층은 기본적으로 장치를 통해 전류를 채널하여 더 나은 장치 효율성을 달성합니다. 이러한 발전의 결과로, 1990 년대의 LED에 대한 성장의 대부분은 세 가지 주요 영역에 집중될 것입니다 : 첫 번째는 정지 조명, 보행자 신호, 바리케이드 조명 및 도로 위험 표지판과 같은 교통 관제 장치에 있습니다. 두 번째는 상품, 뉴스 및 기타 정보를 표시하는 타임스 스퀘어 뉴욕에위치한 것과 같은 가변 메시지 표지판입니다. 세 번째 농도는 자동차 응용 분야에 있을 것입니다. 가시적인 LED는 거의 40년 전에 도입된 이래로 먼 길을 왔으며, 아직 둔화의 징후를 보이지 않고 있습니다. 1990년대에 생산 수량으로 출시된 블루 LED는 전체 세대의 새로운 애플리케이션을 생성했습니다. 높은 광자 에너지(>2.5eV)와 상대적으로 낮은 눈 감도 때문에 청색 LED는 항상 제조하기가 어려웠습니다. 또한 이러한 LED를 제작하는 데 필요한 기술은 표준 LED 재료보다 매우 다르고 훨씬 덜 진보되어 있습니다. 오늘 사용할 수있는 파란색 LED는 GaN (갈륨 진피) 및 SiC (실리콘 카바이드) 10,000mcd @ GaN 장치에 대한 20mA를 초과하는 밝기 수준으로 구성된 구조로 구성됩니다. 파란색은 기본 색상 중 하나이기 때문에(다른 두 가지는 빨간색과 녹색), 풀 컬러 솔리드 스테이트 LED 사인, TV 등이 시판되고 있습니다. 블루 LED에 대한 다른 응용 프로그램은 의료 진단 장비 및 포토리소그래피를 포함한다.
LED 색상 동일한 기본 GaN 기술과 성장 프로세스를 사용하여 다른 색상을 생성할 수도 있습니다. 예를 들어, 신호등에서 녹색 전구를 대체한 고휘도 녹색(약 500nm) LED가 개발되었습니다. 보라색과 흰색을 포함한 다른 색상도 가능합니다. 파란색 LED의 도입으로 빨간색, 녹색 및 청색 광의 적절한 조합을 선택적으로 결합하여 흰색을 생성 할 수 있습니다. 그러나 이 프로세스에서는 정교한 소프트웨어 및 하드웨어 설계를 구현해야 합니다. 또한, 밝기 레벨이 낮고 각 RGB 다이의 전체 광 출력이 다른 속도로 저하되어 결국 색상 불균형이 발생합니다. 백색광 출력을 달성하기 위해 취한 또 다른 접근 방식은 파란색 LED 표면에 인광층(Yttrium 알루미늄 가넷)을 사용하는 것입니다. 요약하자면, LED는 유아기에서 사춘기로 사라졌으며 일생동안 가장 빠른 시장 성장을 경험하고 있습니다. InGaAlP 소재를 성장 과정으로 사용하여 생성된 빛의 효율적인 전달과 주입 전류의 효율적인 사용과 결합하여 가장 밝고 효율적이며 가장 신뢰할 수 있는 LED중 일부를 사용할 수 있습니다. 이 기술은 다른 새로운 LED 구조와 함께 LED의 넓은 적용을 보장합니다. 블루 스펙트럼과 백색 광 출력의 새로운 개발은 또한 이러한 경제적 광원의 응용 프로그램의 지속적인 증가를 보장합니다.
