Light Emitting Diode (LED) pada dasarnya adalah dioda semikonduktor sambungan PN yang memancarkan cahaya monokromatik (satu warna) ketika dioperasikan dalam arah bias maju. Struktur dasar LED terdiri dari bahan semikonduktor mati atau pemancar cahaya, kerangka timah tempat cetakan sebenarnya ditempatkan, dan epoksi enkapsulasi yang mengelilingi dan melindungi cetakan (Gambar 1). LED komersial pertama yang dapat digunakan dikembangkan pada tahun 1960-an dengan menggabungkan tiga elemen utama: galium, arsenik dan fosfor (GaAsP) untuk mendapatkan sumber cahaya merah 655nm. Meskipun intensitas cahaya sangat rendah dengan tingkat kecerahan sekitar 1-10mcd @ 20mA, mereka masih digunakan dalam berbagai aplikasi, terutama sebagai indikator. Mengikuti GaAsP, GaP, atau gallium phosphide, LED merah dikembangkan. Perangkat ini ditemukan menunjukkan efisiensi kuantum yang sangat tinggi, namun hanya memainkan peran kecil dalam pertumbuhan aplikasi baru untuk LED. Hal ini disebabkan oleh dua alasan: Pertama, pancaran panjang gelombang 700nm berada di wilayah spektral di mana tingkat sensitivitas mata manusia sangat rendah (Gambar 2) dan oleh karena itu, tidak “tampak” sangat terang meskipun efisiensi tinggi (mata manusia paling responsif terhadap cahaya kuning-hijau). Kedua, efisiensi tinggi ini hanya dicapai pada arus rendah. Dengan meningkatnya arus, efisiensi menurun. Ini terbukti menjadi kerugian bagi pengguna seperti produsen tanda pesan luar ruangan yang biasanya menggandakan LED mereka pada arus tinggi untuk mencapai tingkat kecerahan yang serupa dengan operasi kontinu DC. Akibatnya, LED merah GaP saat ini hanya digunakan dalam sejumlah aplikasi terbatas. Sebagai teknologi LED berkembang melalui tahun 1970-an, warna tambahan dan panjang gelombang menjadi tersedia. Bahan yang paling umum adalah GaP hijau dan merah, GaAsP oranye atau merah efisiensi tinggi dan GaAsP kuning, yang semuanya masih digunakan sampai sekarang (Tabel3). Kecenderungan ke arah aplikasi yang lebih praktis juga mulai berkembang. LED ditemukan dalam produk seperti kalkulator, jam tangan digital, dan alat uji. Meskipun keandalan LED selalu lebih unggul daripada lampu pijar, neon, dll., tingkat kegagalan perangkat awal jauh lebih tinggi daripada yang dicapai teknologi saat ini. Hal ini sebagian disebabkan oleh perakitan komponen aktual yang sebagian besar bersifat manual. Operator individu melakukan tugas-tugas seperti mengeluarkan epoksi, menempatkan cetakan pada posisinya, dan mencampur epoksi semuanya dengan tangan. Hal ini mengakibatkan cacat seperti “epoxy slop” yang menyebabkan kebocoran VF (tegangan maju) dan VR (tegangan mundur) atau bahkan korslet pada sambungan PN. Selain itu, metode pertumbuhan dan bahan yang digunakan tidak sehalus sekarang. Jumlah cacat yang tinggi pada lapisan kristal, substrat, dan epitaksi mengakibatkan penurunan efisiensi dan masa pakai perangkat yang lebih pendek.
Gallium Aluminium Arsenida
Tidak sampai tahun 1980-an ketika bahan baru, GaAlAs (gallium aluminium arsenide) dikembangkan, pertumbuhan pesat dalam penggunaan LED mulai terjadi. Teknologi GaAlAs memberikan kinerja yang unggul dibandingkan LED yang tersedia sebelumnya. Kecerahan lebih dari 10 kali lebih besar dari LED standar karena peningkatan efisiensi dan multi-layer, struktur tipe heterojunction. Tegangan yang diperlukan untuk pengoperasian lebih rendah sehingga menghasilkan penghematan daya total. LED juga bisa dengan mudah berdenyut atau multiplexing. Ini memungkinkan penggunaannya dalam pesan variabel dan tanda-tanda luar ruangan. LED juga dirancang untuk aplikasi seperti pemindai kode batang, sistem transmisi data serat optik, dan peralatan medis. Meskipun ini merupakan terobosan besar dalam teknologi LED, masih ada kelemahan signifikan pada material GaAlAs. Pertama, itu hanya tersedia dalam panjang gelombang 660nm merah. Kedua, degradasi keluaran cahaya GaAlAs lebih besar daripada teknologi standar. Sudah lama menjadi kesalahpahaman dengan LED bahwa output cahaya akan berkurang 50% setelah 100.000 jam operasi. Faktanya, beberapa LED GaAlAs dapat berkurang 50% setelah hanya 50.000 -70.000 jam pengoperasian. Hal ini terutama berlaku di lingkungan dengan suhu tinggi dan/atau kelembaban tinggi. Juga selama waktu ini, kuning, hijau dan oranye hanya melihat sedikit peningkatan dalam kecerahan dan efisiensi yang terutama disebabkan oleh peningkatan pertumbuhan kristal dan desain optik. Struktur dasar material tetap relatif tidak berubah.
Untuk mengatasi masalah-masalah sulit ini diperlukan teknologi baru. Desainer LED beralih ke teknologi dioda laser untuk solusi. Sejalan dengan pesatnya perkembangan teknologi LED, teknologi dioda laser juga mengalami kemajuan. Pada akhir 1980-an dioda laser dengan keluaran dalam spektrum tampak mulai diproduksi secara komersial untuk aplikasi seperti pembaca kode batang, sistem pengukuran dan penyelarasan, serta sistem penyimpanan generasi berikutnya. Desainer LED tampaknya menggunakan teknik serupa untuk menghasilkan LED dengan kecerahan tinggi dan keandalan tinggi. Hal ini menyebabkan pengembangan LED terlihat InGaAlP (Indium Gallium Aluminium Phosphide). Penggunaan InGaAlP sebagai bahan luminescent memungkinkan fleksibilitas dalam desain warna keluaran LED hanya dengan menyesuaikan ukuran celah pita energi. Dengan demikian, LED hijau, kuning, oranye dan merah semuanya dapat diproduksi dengan menggunakan teknologi dasar yang sama. Selain itu, degradasi keluaran cahaya dari material InGaAlP meningkat secara signifikan bahkan pada suhu dan kelembaban yang tinggi.
Perkembangan Teknologi LED Saat Ini LED InGaAlP mengambil lompatan lebih jauh dalam kecerahan dengan pengembangan baru oleh Toshiba, produsen LED terkemuka. Toshiba, menggunakan proses pertumbuhan MOCVD (Metal Oxide Chemical Vapor Deposition), mampu menghasilkan struktur perangkat yang memantulkan 90% atau lebih cahaya yang dihasilkan yang berjalan dari lapisan aktif ke substrat kembali sebagai keluaran cahaya yang berguna (Gambar 4). Ini memungkinkan peningkatan hampir dua kali lipat dalam pencahayaan LED dibandingkan perangkat konvensional. Kinerja LED lebih ditingkatkan dengan memperkenalkan lapisan pemblokiran arus ke dalam struktur LED (Gambar 5). Lapisan pemblokiran ini pada dasarnya menyalurkan arus melalui perangkat untuk mencapai efisiensi perangkat yang lebih baik. Sebagai hasil dari perkembangan ini, sebagian besar pertumbuhan LED pada tahun 1990-an akan terkonsentrasi di tiga bidang utama: Yang pertama adalah perangkat pengatur lalu lintas seperti lampu berhenti, sinyal pejalan kaki, lampu barikade, dan tanda bahaya jalan. Yang kedua adalah dalam tanda pesan variabel seperti yang terletak di Times Square New York yang menampilkan komoditas, berita dan informasi lainnya. Konsentrasi ketiga akan di aplikasi otomotif. LED yang terlihat telah berkembang jauh sejak diperkenalkan hampir 40 tahun yang lalu dan belum menunjukkan tanda-tanda melambat. LED Biru, yang tersedia dalam jumlah produksi pada tahun 1990-an, menghasilkan seluruh generasi aplikasi baru. LED biru karena energi foton yang tinggi (>2.5eV) dan sensitivitas mata yang relatif rendah selalu sulit untuk dibuat. Selain itu, teknologi yang diperlukan untuk membuat LED ini sangat berbeda dan jauh lebih canggih daripada bahan LED standar. LED biru yang tersedia saat ini terdiri dari konstruksi GaN (gallium nitrida) dan SiC (silikon karbida) dengan tingkat kecerahan lebih dari 10.000mcd @ 20mA untuk perangkat GaN. Karena biru adalah salah satu warna utama, (dua lainnya adalah merah dan hijau), tanda-tanda LED solid state warna penuh, TV, dll. telah tersedia secara komersial. Aplikasi lain untuk LED biru termasuk peralatan diagnostik medis dan fotolitografi.
Warna LED Dimungkinkan juga untuk menghasilkan warna lain menggunakan teknologi GaN dasar dan proses pertumbuhan yang sama. Misalnya, LED hijau kecerahan tinggi (kira-kira 500nm) telah dikembangkan yang menggantikan bohlam hijau di lampu lalu lintas. Warna lain termasuk ungu dan putih juga dimungkinkan. Dengan diperkenalkannya LED biru, dimungkinkan untuk menghasilkan warna putih dengan secara selektif menggabungkan kombinasi yang tepat dari cahaya merah, hijau dan biru. Namun, proses ini membutuhkan perangkat lunak dan desain perangkat keras yang canggih untuk diimplementasikan. Selain itu, tingkat kecerahannya rendah dan output cahaya keseluruhan dari setiap cetakan RGB yang digunakan menurun pada tingkat yang berbeda yang mengakibatkan ketidakseimbangan warna pada akhirnya. Pendekatan lain yang diambil untuk mencapai keluaran cahaya putih, adalah dengan menggunakan lapisan fosfor (Yttrium Aluminium Garnet) pada permukaan LED biru. Ringkasnya, LED telah berkembang dari masa bayi hingga remaja dan mengalami beberapa pertumbuhan pasar paling cepat sepanjang hidup mereka. Dengan menggunakan bahan InGaAlP dengan MOCVD sebagai proses pertumbuhan, dikombinasikan dengan pengiriman cahaya yang dihasilkan secara efisien dan penggunaan arus injeksi yang efisien, beberapa LED paling terang, paling efisien dan paling andal kini tersedia. Teknologi ini bersama dengan struktur LED baru lainnya akan memastikan aplikasi LED yang luas. Perkembangan baru dalam spektrum biru dan keluaran cahaya putih juga akan menjamin peningkatan berkelanjutan dalam aplikasi sumber cahaya ekonomis ini.
