Light Emitting Diode (LED) โดยพื้นฐานแล้วเป็นไดโอดเซมิคอนดักเตอร์จุดเชื่อมต่อ PN ที่ปล่อยแสงสีเดียว (สีเดียว) เมื่อใช้งานในทิศทางที่ลำเอียงไปข้างหน้า โครงสร้างพื้นฐานของ LED ประกอบด้วยไดย์หรือวัสดุเซมิคอนดักเตอร์ที่เปล่งแสง โครงตะกั่วที่วางไดย์อยู่ตามความเป็นจริง และอีพ็อกซี่ห่อหุ้มที่ล้อมรอบและปกป้องไดย์ (รูปที่ 1) LED ที่ใช้งานได้เชิงพาณิชย์เครื่องแรกได้รับการพัฒนาขึ้นในปี 1960 โดยการรวมองค์ประกอบหลักสามประการ ได้แก่ แกลเลียม สารหนู และฟอสฟอรัส (GaAsP) เพื่อให้ได้แหล่งกำเนิดแสงสีแดงขนาด 655 นาโนเมตร แม้ว่าความเข้มของการส่องสว่างจะต่ำมากโดยมีระดับความสว่างประมาณ 1-10mcd @ 20mA แต่ก็ยังพบว่ามีการใช้งานที่หลากหลาย โดยส่วนใหญ่เป็นตัวบ่งชี้ ตาม GaAsP, GaP หรือแกลเลียมฟอสไฟด์ ไฟ LED สีแดงได้รับการพัฒนา อุปกรณ์เหล่านี้พบว่ามีประสิทธิภาพควอนตัมที่สูงมาก อย่างไรก็ตาม อุปกรณ์เหล่านี้มีบทบาทเพียงเล็กน้อยในการเติบโตของแอพพลิเคชั่นใหม่สำหรับ LED เนื่องมาจากสาเหตุสองประการ: ประการแรก การแผ่รังสีความยาวคลื่น 700nm อยู่ในบริเวณสเปกตรัมที่ระดับความไวของดวงตามนุษย์ต่ำมาก (ภาพที่ 2) จึงไม่ "ปรากฏ" สว่างมากแม้ว่าประสิทธิภาพ สูง (ตามนุษย์ตอบสนองต่อแสงสีเขียวเหลืองได้มากที่สุด) ประการที่สอง ประสิทธิภาพสูงนี้ทำได้ที่กระแสต่ำเท่านั้น เมื่อกระแสเพิ่มขึ้น ประสิทธิภาพจะลดลง สิ่งนี้พิสูจน์ให้เห็นแล้วว่าเป็นผลเสียต่อผู้ใช้ เช่น ผู้ผลิตป้ายข้อความกลางแจ้ง ซึ่งโดยทั่วไปจะมัลติเพล็กซ์ LED ของพวกเขาที่กระแสไฟสูงเพื่อให้ได้ระดับความสว่างที่ใกล้เคียงกับการทำงานต่อเนื่องของ DC ด้วยเหตุนี้ ไฟ LED สีแดง GaP จึงถูกใช้งานในบางแอพพลิเคชั่นเท่านั้น ในขณะที่เทคโนโลยี LED ก้าวหน้าไปจนถึงปี 1970 มีสีและความยาวคลื่นเพิ่มเติมให้เลือก วัสดุที่พบบ่อยที่สุดคือ GaP สีเขียวและสีแดง GaAsP สีส้มหรือสีแดงประสิทธิภาพสูงและสีเหลือง GaAsP ซึ่งทั้งหมดยังคงใช้อยู่ในปัจจุบัน (ตารางที่ 3) แนวโน้มไปสู่การใช้งานจริงมากขึ้นก็เริ่มมีการพัฒนาเช่นกัน พบ LED ในผลิตภัณฑ์ต่างๆ เช่น เครื่องคิดเลข นาฬิกาดิจิตอล และอุปกรณ์ทดสอบ แม้ว่าความน่าเชื่อถือของ LED จะเหนือกว่าหลอดไส้ นีออน ฯลฯ เสมอมา แต่อัตราความล้มเหลวของอุปกรณ์ในยุคแรกๆ ก็สูงกว่าเทคโนโลยีในปัจจุบันที่ทำได้มาก สาเหตุส่วนหนึ่งมาจากการประกอบชิ้นส่วนจริงซึ่งโดยหลักแล้วเป็นแบบแมนนวล เจ้าหน้าที่ปฏิบัติงานแต่ละรายดำเนินการต่างๆ เช่น การจ่ายอีพ็อกซี่ การวางแม่พิมพ์ในตำแหน่ง และการผสมอีพ็อกซี่ทั้งหมดด้วยมือ ส่งผลให้เกิดข้อบกพร่อง เช่น “epoxy slop” ซึ่งทำให้ VF (แรงดันไปข้างหน้า) และ VR (แรงดันย้อนกลับ) รั่วไหล หรือแม้แต่การลัดวงจรของทางแยก PN นอกจากนี้ วิธีการปลูกและวัสดุที่ใช้ยังไม่ได้รับการขัดเกลาเหมือนในทุกวันนี้ ข้อบกพร่องจำนวนมากในชั้นคริสตัล ซับสเตรต และชั้นเอพิแทกเซียลส่งผลให้ประสิทธิภาพลดลงและอายุการใช้งานของอุปกรณ์สั้นลง
แกลเลียมอลูมิเนียม Arsenide
จนกระทั่งถึงช่วงทศวรรษ 1980 เมื่อมีการพัฒนาวัสดุใหม่ GaAlAs (แกลเลียมอลูมิเนียม arsenide) ซึ่งการเติบโตอย่างรวดเร็วของการใช้ LED เริ่มเกิดขึ้น เทคโนโลยี GaAlAs ให้ประสิทธิภาพที่เหนือกว่า LED ที่มีอยู่ก่อนหน้านี้ ความสว่างนั้นมากกว่า LED มาตรฐานถึง 10 เท่า เนื่องจากประสิทธิภาพที่เพิ่มขึ้นและโครงสร้างประเภท heterojunction แบบหลายชั้น แรงดันไฟฟ้าที่จำเป็นสำหรับการทำงานลดลง ส่งผลให้ประหยัดพลังงานโดยรวม ไฟ LED ยังสามารถพัลส์หรือมัลติเพล็กซ์ได้อย่างง่ายดาย อนุญาตให้ใช้ในข้อความตัวแปรและป้ายกลางแจ้ง ไฟ LED ยังได้รับการออกแบบในแอปพลิเคชันต่างๆ เช่น เครื่องสแกนบาร์โค้ด ระบบส่งข้อมูลด้วยไฟเบอร์ออปติก และอุปกรณ์ทางการแพทย์ แม้ว่านี่จะเป็นความก้าวหน้าครั้งสำคัญในเทคโนโลยี LED แต่ก็ยังมีข้อเสียที่สำคัญสำหรับวัสดุ GaAlAs ประการแรก มีเฉพาะความยาวคลื่นสีแดง 660 นาโนเมตรเท่านั้น ประการที่สอง การเสื่อมสภาพของเอาต์พุตแสงของ GaAlAs นั้นมากกว่าเทคโนโลยีมาตรฐาน เป็นความเข้าใจผิดเกี่ยวกับ LED มานานแล้วว่าปริมาณแสงจะลดลง 50% หลังจากใช้งาน 100,000 ชั่วโมง อันที่จริง LED GaAlAs บางดวงอาจลดลง 50% หลังจากใช้งานเพียง 50,000 -70,000 ชั่วโมงเท่านั้น โดยเฉพาะอย่างยิ่งในสภาพแวดล้อมที่มีอุณหภูมิสูงและ/หรือความชื้นสูง นอกจากนี้ ในช่วงเวลานี้ สีเหลือง สีเขียว และสีส้มมีการปรับปรุงเพียงเล็กน้อยในด้านความสว่างและประสิทธิภาพ ซึ่งสาเหตุหลักมาจากการปรับปรุงการเติบโตของคริสตัลและการออกแบบเลนส์ โครงสร้างพื้นฐานของวัสดุยังคงค่อนข้างไม่เปลี่ยนแปลง
เพื่อเอาชนะปัญหาที่ยากลำบากเหล่านี้ จำเป็นต้องมีเทคโนโลยีใหม่ นักออกแบบ LED หันมาใช้เทคโนโลยีเลเซอร์ไดโอดเพื่อแก้ปัญหา ควบคู่ไปกับการพัฒนาอย่างรวดเร็วของเทคโนโลยี LED เทคโนโลยีเลเซอร์ไดโอดก็มีความก้าวหน้าเช่นกัน ในช่วงปลายทศวรรษ 1980 เลเซอร์ไดโอดที่มีเอาต์พุตในสเปกตรัมที่มองเห็นได้เริ่มมีการผลิตในเชิงพาณิชย์สำหรับการใช้งานต่างๆ เช่น เครื่องอ่านบาร์โค้ด ระบบการวัดและการจัดตำแหน่ง และระบบจัดเก็บข้อมูลรุ่นใหม่ นักออกแบบ LED มองหาการใช้เทคนิคที่คล้ายคลึงกันในการผลิตไฟ LED ที่มีความสว่างสูงและความน่าเชื่อถือสูง สิ่งนี้นำไปสู่การพัฒนา InGaAlP (Indium Gallium Aluminium Phosphide) ไฟ LED ที่มองเห็นได้ การใช้ InGaAlP เป็นวัสดุเรืองแสงช่วยให้การออกแบบสีเอาต์พุต LED มีความยืดหยุ่นเพียงปรับขนาดช่องว่างแถบพลังงาน ดังนั้น LED สีเขียว สีเหลือง สีส้มและสีแดงทั้งหมดสามารถผลิตได้โดยใช้เทคโนโลยีพื้นฐานเดียวกัน นอกจากนี้ การเสื่อมสภาพของเอาต์พุตแสงของวัสดุ InGaAlP ยังดีขึ้นอย่างมากแม้ในอุณหภูมิและความชื้นที่สูงขึ้น
การพัฒนาในปัจจุบันของเทคโนโลยี LED InGaAlP LEDs มีความสว่างเพิ่มขึ้นอย่างก้าวกระโดดด้วยการพัฒนาใหม่โดยโตชิบา ผู้ผลิต LED ชั้นนำ โตชิบาใช้กระบวนการเจริญเติบโตของ MOCVD (Metal Oxide Chemical Vapor Deposition) สามารถผลิตโครงสร้างอุปกรณ์ที่สะท้อนแสงที่สร้างขึ้น 90% ขึ้นไปซึ่งเดินทางจากชั้นแอกทีฟไปยังซับสเตรตกลับเป็นแสงสว่างที่มีประโยชน์ (รูปที่ 4) ทำให้เพิ่มความสว่าง LED ได้เกือบสองเท่าเมื่อเทียบกับอุปกรณ์ทั่วไป ประสิทธิภาพของ LED ได้รับการปรับปรุงเพิ่มเติมโดยการแนะนำเลเยอร์การปิดกั้นปัจจุบันลงในโครงสร้าง LED (รูปที่ 5) เลเยอร์การบล็อกนี้ส่งสัญญาณกระแสผ่านอุปกรณ์เป็นหลักเพื่อให้อุปกรณ์มีประสิทธิภาพดีขึ้น เป็นผลมาจากการพัฒนาเหล่านี้ การเติบโตของ LED ในปี 1990 จะกระจุกตัวอยู่ในสามส่วนหลัก: อย่างแรกอยู่ในอุปกรณ์ควบคุมการจราจร เช่น ไฟหยุด สัญญาณคนเดินถนน ไฟกีดขวาง และสัญญาณอันตรายบนท้องถนน ประการที่สองอยู่ในป้ายข้อความที่เปลี่ยนแปลงได้เช่นป้ายที่ตั้งอยู่ในไทม์สแควร์นิวยอร์กซึ่งแสดงสินค้าโภคภัณฑ์ข่าวสารและข้อมูลอื่น ๆ ความเข้มข้นที่สามจะอยู่ในการใช้งานยานยนต์ LED ที่มองเห็นได้มาไกลตั้งแต่เปิดตัวเมื่อเกือบ 40 ปีที่แล้ว และยังไม่มีสัญญาณการชะลอตัวใดๆ ไฟ LED สีน้ำเงินซึ่งมีจำหน่ายในปริมาณการผลิตในปี 1990 ส่งผลให้มีการใช้งานรูปแบบใหม่ทั้งหมด ไฟ LED สีน้ำเงินเนื่องจากพลังงานโฟตอนสูง (>2.5eV) และความไวของดวงตาที่ค่อนข้างต่ำนั้นสร้างได้ยากเสมอ นอกจากนี้ เทคโนโลยีที่จำเป็นในการประดิษฐ์ไฟ LED เหล่านี้แตกต่างอย่างมากและมีความก้าวหน้าน้อยกว่าวัสดุ LED มาตรฐานอย่างมาก ไฟ LED สีฟ้าที่มีจำหน่ายในปัจจุบันประกอบด้วยโครงสร้าง GaN (แกลเลียมไนไตรด์) และ SiC (ซิลิกอนคาร์ไบด์) ที่มีระดับความสว่างเกิน 10,000mcd @ 20mA สำหรับอุปกรณ์ GaN เนื่องจากสีน้ำเงินเป็นหนึ่งในสีหลัก (อีกสองสีเป็นสีแดงและสีเขียว) ป้าย LED แบบทึบแบบเต็มสี ทีวี ฯลฯ จึงมีจำหน่ายในท้องตลาด การใช้งานอื่นๆ สำหรับ LED สีน้ำเงิน ได้แก่ อุปกรณ์วินิจฉัยทางการแพทย์และโฟโตลิโทกราฟี
สี LED สามารถผลิตสีอื่นโดยใช้เทคโนโลยี GaN พื้นฐานและกระบวนการเติบโตแบบเดียวกันได้ ตัวอย่างเช่น ไฟ LED สีเขียวความสว่างสูง (ประมาณ 500 นาโนเมตร) ได้รับการพัฒนามาแทนที่หลอดไฟสีเขียวในสัญญาณไฟจราจร นอกจากนี้ยังมีสีอื่น ๆ รวมทั้งสีม่วงและสีขาว ด้วยการนำ LED สีน้ำเงินมาใช้ ทำให้สามารถผลิตสีขาวได้โดยการผสมผสานแสงสีแดง สีเขียว และสีน้ำเงินเข้าด้วยกันอย่างเหมาะสม อย่างไรก็ตาม กระบวนการนี้ต้องใช้การออกแบบซอฟต์แวร์และฮาร์ดแวร์ที่ซับซ้อนเพื่อนำไปใช้ นอกจากนี้ ระดับความสว่างยังต่ำ และเอาต์พุตแสงโดยรวมของดาย RGB แต่ละตัวที่ใช้จะลดลงในอัตราที่ต่างกัน ส่งผลให้เกิดความไม่สมดุลของสีในที่สุด อีกวิธีหนึ่งเพื่อให้ได้แสงสีขาวคือการใช้ชั้นสารเรืองแสง (Yttrium Aluminium Garnet) บนพื้นผิวของ LED สีฟ้า โดยสรุป LED ได้เปลี่ยนจากวัยทารกไปสู่วัยรุ่นและกำลังประสบกับการเติบโตของตลาดอย่างรวดเร็วที่สุดในช่วงชีวิตของพวกเขา ด้วยการใช้วัสดุ InGaAlP ที่มี MOCVD เป็นกระบวนการเติบโต รวมกับการส่งแสงที่สร้างขึ้นอย่างมีประสิทธิภาพและการใช้กระแสไฟที่ฉีดอย่างมีประสิทธิภาพ ทำให้ LED ที่สว่างที่สุด มีประสิทธิภาพที่สุด และน่าเชื่อถือที่สุดบางส่วนมีจำหน่ายแล้ว เทคโนโลยีนี้ร่วมกับโครงสร้าง LED แบบใหม่อื่น ๆ จะช่วยให้มั่นใจได้ว่ามีการใช้งาน LED ในวงกว้าง การพัฒนาใหม่ในสเปกตรัมสีน้ำเงินและแสงสีขาวจะรับประกันการใช้งานแหล่งกำเนิดแสงที่ประหยัดเหล่านี้เพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่อง
