El diodo emisor de luz (LED) es esencialmente un diodo semiconductor de unión PN que emite una luz monocromática (de un solo color) cuando se opera en una dirección polarizada hacia adelante. La estructura básica de un LED consiste en el troquel o material semiconductor emisor de luz, un marco de plomo donde se coloca el troquel y la encapsulación epóxica que rodea y protege el troquel (Figura 1). Los primeros LED comercialmente utilizables se desarrollaron en la década de 1960 combinando tres elementos principales: galio, arsénico y fósforo (GaAsP) para obtener una fuente de luz roja de 655 nm. Aunque la intensidad luminosa era muy baja con niveles de brillo de aproximadamente 1 a 10 mcd a 20 mA, todavía encontraron uso en una variedad de aplicaciones, principalmente como indicadores. Después de GaAsP, GaP o fosfuro de galio, se desarrollaron LED rojos. Se encontró que estos dispositivos exhibían eficiencias cuánticas muy altas, sin embargo, solo jugaron un papel menor en el crecimiento de nuevas aplicaciones para LED. Esto se debió a dos razones: primero, la emisión de longitud de onda de 700 nm se encuentra en una región espectral donde el nivel de sensibilidad del ojo humano es muy bajo (Figura 2) y, por lo tanto, no "parece" ser muy brillante a pesar de que la eficiencia es alto (el ojo humano responde mejor a la luz amarillo-verde). En segundo lugar, esta alta eficiencia solo se logra a bajas corrientes. A medida que aumenta la corriente, la eficiencia disminuye. Esto demuestra ser una desventaja para los usuarios, como los fabricantes de letreros de mensajes para exteriores, que normalmente multiplexan sus LED a altas corrientes para lograr niveles de brillo similares a los del funcionamiento continuo de CC. Como resultado, los LED rojos de GaP se utilizan actualmente solo en un número limitado de aplicaciones. A medida que la tecnología LED avanzó a lo largo de la década de 1970, se dispuso de colores y longitudes de onda adicionales. Los materiales más comunes fueron GaP verde y rojo, GaAsP naranja o rojo de alta eficiencia y GaAsP amarillo, todos los cuales todavía se utilizan en la actualidad (Tabla 3). También comenzaba a desarrollarse la tendencia hacia aplicaciones más prácticas. Los LED se encontraron en productos como calculadoras, relojes digitales y equipos de prueba. Aunque la confiabilidad de los LED siempre ha sido superior a la de los incandescentes, neón, etc., la tasa de fallas de los primeros dispositivos era mucho mayor que la que logra la tecnología actual. Esto se debió en parte al ensamblaje de componentes real que era principalmente de naturaleza manual. Los operadores individuales realizaron tareas como dispensar epoxi, colocar el troquel en su posición y mezclar el epoxi a mano. Esto resultó en defectos tales como “caída de epoxi” que causó fugas de VF (voltaje directo) y VR (voltaje inverso) o incluso un cortocircuito en la unión PN. Además, los métodos de cultivo y los materiales utilizados no eran tan refinados como lo son hoy. Un gran número de defectos en el cristal, el sustrato y las capas epitaxiales dieron como resultado una eficiencia reducida y una vida útil más corta del dispositivo.
Arseniuro de galio y aluminio
No fue hasta la década de 1980 cuando se desarrolló un nuevo material, GaAlAs (arseniuro de galio y aluminio), que comenzó a ocurrir un rápido crecimiento en el uso de LED. La tecnología GaAlAs proporcionó un rendimiento superior a los LED disponibles anteriormente. El brillo era más de 10 veces mayor que el de los LED estándar debido a una mayor eficiencia y estructuras de tipo heterounión de múltiples capas. El voltaje requerido para la operación fue menor, lo que resultó en un ahorro total de energía. Los LED también pueden pulsarse o multiplexarse fácilmente. Esto permitió su uso en mensajes variables y letreros exteriores. Los LED también se diseñaron para aplicaciones tales como lectores de códigos de barras, sistemas de transmisión de datos por fibra óptica y equipos médicos. Aunque este fue un gran avance en la tecnología LED, aún existían importantes inconvenientes en el material GaAlAs. Primero, solo estaba disponible en una longitud de onda roja de 660 nm. En segundo lugar, la degradación de la salida de luz de GaAlAs es mayor que la de la tecnología estándar. Durante mucho tiempo ha sido un error con los LED que la salida de luz disminuirá en un 50% después de 100.000 horas de funcionamiento. De hecho, algunos LED de GaAlAs pueden disminuir en un 50% después de solo 50 000 a 70 000 horas de funcionamiento. Esto es especialmente cierto en entornos de alta temperatura y / o alta humedad. También durante este tiempo, el amarillo, el verde y el naranja vieron solo una pequeña mejora en el brillo y la eficiencia, que se debió principalmente a las mejoras en el crecimiento del cristal y el diseño de la óptica. La estructura básica del material se mantuvo relativamente sin cambios.
Para superar estos difíciles problemas, se necesitaba nueva tecnología. Los diseñadores de LED recurrieron a la tecnología de diodos láser en busca de soluciones. Paralelamente a los rápidos avances en la tecnología LED, la tecnología de diodos láser también había progresado. A fines de la década de 1980, los diodos láser con salida en el espectro visible comenzaron a producirse comercialmente para aplicaciones como lectores de códigos de barras, sistemas de medición y alineación y sistemas de almacenamiento de próxima generación. Los diseñadores de LED buscaron utilizar técnicas similares para producir LED de alto brillo y alta confiabilidad. Esto condujo al desarrollo de LED visibles InGaAlP (fosfuro de indio, galio y aluminio). El uso de InGaAlP como material luminiscente permitió flexibilidad en el diseño del color de salida del LED simplemente ajustando el tamaño de la banda prohibida de energía. Por lo tanto, todos los LED verde, amarillo, naranja y rojo podrían producirse utilizando la misma tecnología básica. Además, la degradación de la salida de luz del material InGaAlP mejora significativamente incluso a temperatura y humedad elevadas.
Desarrollos actuales de tecnología LED Los LED InGaAlP dieron un salto más en brillo con un nuevo desarrollo de Toshiba, un fabricante líder de LED. Toshiba, utilizando el proceso de crecimiento MOCVD (deposición química de vapor de óxido de metal), pudo producir una estructura de dispositivo que reflejaba el 90% o más de la luz generada que viajaba desde la capa activa al sustrato como salida de luz útil (Figura 4). Esto permitió un aumento de casi el doble en la luminancia del LED en comparación con los dispositivos convencionales. El rendimiento del LED se mejoró aún más mediante la introducción de una capa de bloqueo de corriente en la estructura del LED (Figura 5). Esta capa de bloqueo esencialmente canaliza la corriente a través del dispositivo para lograr una mejor eficiencia del dispositivo. Como resultado de estos desarrollos, gran parte del crecimiento de los LED en la década de 1990 se concentrará en tres áreas principales: la primera está en los dispositivos de control del tráfico, como semáforos, señales para peatones, luces de barricadas y señales de peligro en las carreteras. El segundo está en carteles de mensajes variables como el que se encuentra en Times Square Nueva York, que muestra productos básicos, noticias y otra información. La tercera concentración estaría en aplicaciones automotrices. El LED visible ha recorrido un largo camino desde su introducción hace casi 40 años y aún no muestra signos de desaceleración. Un LED azul, que estuvo disponible en cantidades de producción en la década de 1990, dio como resultado una generación completa de nuevas aplicaciones. Los LED azules debido a sus altas energías de fotones (& gt; 2.5eV) y su sensibilidad ocular relativamente baja siempre han sido difíciles de fabricar. Además, la tecnología necesaria para fabricar estos LED es muy diferente y mucho menos avanzada que los materiales LED estándar. Los LED azules disponibles en la actualidad consisten en una construcción de GaN (nitruro de galio) y SiC (carburo de silicio) con niveles de brillo superiores a 10,000 mcd a 20 mA para dispositivos de GaN. Dado que el azul es uno de los colores primarios (los otros dos son el rojo y el verde), los letreros LED de estado sólido a todo color, televisores, etc. se han vuelto disponibles comercialmente. Otras aplicaciones de los LED azules incluyen equipos de diagnóstico médico y fotolitografía.
Colores LED También es posible producir otros colores utilizando la misma tecnología básica de GaN y procesos de crecimiento. Por ejemplo, se ha desarrollado un LED verde de alto brillo (aproximadamente 500 nm) que ha reemplazado a la bombilla verde en los semáforos. También son posibles otros colores, incluidos el morado y el blanco. Con la introducción de los LED azules, es posible producir blanco combinando selectivamente la combinación adecuada de luz roja, verde y azul. Sin embargo, este proceso requiere un diseño sofisticado de software y hardware para su implementación. Además, el nivel de brillo es bajo y la salida de luz general de cada matriz RGB que se usa se degrada a una velocidad diferente, lo que resulta en un eventual desequilibrio de color. Otro enfoque adoptado para lograr una salida de luz blanca es utilizar una capa de fósforo (granate de itrio y aluminio) en la superficie de un LED azul. En resumen, los LED han pasado de la infancia a la adolescencia y están experimentando uno de los crecimientos de mercado más rápidos de su vida. Al utilizar material InGaAlP con MOCVD como proceso de crecimiento, combinado con la entrega eficiente de la luz generada y el uso eficiente de la corriente inyectada, ahora están disponibles algunos de los LED más brillantes, eficientes y confiables. Esta tecnología, junto con otras estructuras LED novedosas, garantizará una amplia aplicación de los LED. Los nuevos desarrollos en el espectro azul y en la emisión de luz blanca también garantizarán el aumento continuo de las aplicaciones de estas fuentes de luz económicas.
