Valgusdiood (LED) on sisuliselt PN-siirde pooljuhtdiood, mis kiirgab monokromaatilist (ühevärvilist) valgust, kui seda kasutatakse ettepoole kallutatud suunas. LED-i põhistruktuur koosneb matriitsist või valgust kiirgavast pooljuhtmaterjalist, pliiraamist, kuhu matriit on tegelikult paigutatud, ja kapseldatud epoksiidist, mis ümbritseb ja kaitseb stantsi (joonis 1). Esimesed kaubanduslikult kasutatavad LED-id töötati välja 1960. aastatel, ühendades kolm peamist elementi: gallium, arseen ja fosfor (GaAsP), et saada 655 nm punane valgusallikas. Kuigi valgustugevus oli väga madal ja heledustasemed olid umbes 1–10 mcd @ 20 mA, leidsid need siiski kasutust mitmesugustes rakendustes, peamiselt indikaatoritena. Pärast GaAsP, GaP või galliumfosfiidi töötati välja punased LED-id. Leiti, et neil seadmetel on väga kõrge kvantefektiivsus, kuid neil oli LED-ide uute rakenduste kasvus vaid väike roll. See oli tingitud kahest põhjusest: esiteks on 700 nm lainepikkusega emissioon spektripiirkonnas, kus inimsilma tundlikkus on väga madal (joonis 2) ja seetõttu ei tundu see kuigi ere, kuigi tõhusus. on kõrge (inimsilm reageerib kõige paremini kollakasrohelisele valgusele). Teiseks saavutatakse see kõrge efektiivsus ainult madalate voolude korral. Kui vool suureneb, siis efektiivsus väheneb. See osutub ebasoodsaks kasutajatele, nagu välistingimustes kasutatavate teadete siltide tootjad, kes tavaliselt multipleksivad oma LED-e suure vooluga, et saavutada alalisvoolu pideva tööga sarnase heledustasemega. Seetõttu kasutatakse GaP punaseid LED-e praegu vaid piiratud arvus rakendustes. LED-tehnoloogia arenedes läbi 1970. aastate muutusid kättesaadavaks täiendavad värvid ja lainepikkused. Kõige levinumad materjalid olid GaP roheline ja punane, GaAsP oranž või kõrge efektiivsusega punane ja GaAsP kollane, mis kõik on tänapäevalgi kasutusel (tabel 3). Samuti hakkas arenema trend praktilisemate rakenduste poole. LED-e leiti sellistest toodetest nagu kalkulaatorid, digikellad ja testimisseadmed. Kuigi LED-ide töökindlus on alati olnud parem kui hõõglampidel, neoonlampidel jne, oli varasemate seadmete rikete määr palju suurem kui praegune tehnoloogia. See oli osaliselt tingitud tegelikust komponentide kokkupanekust, mis oli peamiselt käsitsi. Üksikud operaatorid täitsid selliseid ülesandeid nagu epoksiidi väljastamine, stantsi oma kohale asetamine ja epoksiidi käsitsi segamine. Selle tulemuseks olid sellised defektid nagu "epoksüliin", mis põhjustas VF (pärispinge) ja VR (vastupinge) lekke või isegi PN-ristmiku lühise. Lisaks ei olnud kasutatud kasvumeetodid ja materjalid nii rafineeritud kui tänapäeval. Kristallide, substraadi ja epitaksiaalsete kihtide suur arv defekte vähendas tõhusust ja lühemas seadme tööiga.
Gallium-alumiiniumarseniid
Alles 1980. aastatel, kui töötati välja uus materjal GaAlAs (galliumalumiiniumarseniid), hakkas LED-ide kasutamine kiiresti kasvama. GaAlAs tehnoloogia tagab parema jõudluse võrreldes varem saadaolevate LED-idega. Heledus oli üle 10 korra suurem kui tavalistel LED-idel tänu suuremale efektiivsusele ja mitmekihilistele heteroliidese tüüpi struktuuridele. Tööks vajalik pinge oli madalam, mille tulemuseks oli kogu energiasääst. LED-e saab ka hõlpsalt impulss- või multipleksida. See võimaldas neid kasutada muutuva sõnumiga ja välimärkides. LED-id kavandati ka sellistesse rakendustesse nagu vöötkoodiskannerid, fiiberoptilised andmeedastussüsteemid ja meditsiiniseadmed. Kuigi see oli LED-tehnoloogia suur läbimurre, oli GaAlAs materjalil siiski olulisi puudusi. Esiteks oli see saadaval ainult punase 660 nm lainepikkusega. Teiseks on GaAlA-de valgusvõimsuse halvenemine suurem kui standardtehnoloogial. LED-ide puhul on pikka aega olnud eksiarvamus, et valgusvõimsus väheneb pärast 100 000 töötundi 50%. Tegelikult võivad mõned GaAlAs LED-id pärast 50 000–70 000 töötundi väheneda 50%. See kehtib eriti kõrge temperatuuri ja/või kõrge niiskusega keskkondades. Ka selle aja jooksul täheldati kollase, rohelise ja oranži heleduse ja tõhususe vähest paranemist, mis oli peamiselt tingitud kristallide kasvu ja optika disaini paranemisest. Materjali põhistruktuur jäi suhteliselt muutumatuks.
Nende keeruliste probleemide lahendamiseks oli vaja uut tehnoloogiat. LED-disainerid pöördusid lahenduste leidmiseks laserdiooditehnoloogia poole. Paralleelselt LED-tehnoloogia kiire arenguga oli edusamme teinud ka laserdiooditehnoloogia. 1980. aastate lõpus hakati kaubanduslikult tootma nähtava spektri väljundiga laserdioode selliste rakenduste jaoks nagu vöötkoodilugejad, mõõtmis- ja joondussüsteemid ning järgmise põlvkonna salvestussüsteemid. LED-disainerid soovisid kasutada sarnaseid tehnikaid suure heledusega ja suure töökindlusega LED-ide tootmiseks. See viis InGaAlP (indiumgallium-alumiiniumfosfiid) nähtavate LED-ide väljatöötamiseni. InGaAlP kasutamine luminestsentsmaterjalina võimaldas LED-väljundi värvi kujundamisel paindlikkust lihtsalt energiariba vahe suurust reguleerides. Seega saab rohelisi, kollaseid, oranže ja punaseid LED-e toota sama põhitehnoloogia abil. Lisaks paraneb InGaAlP materjali valgusvõimsuse halvenemine märkimisväärselt isegi kõrgendatud temperatuuri ja niiskuse korral.
LED-tehnoloogia praegused arengud InGaAlP LED-id tegid juhtiva LED-i tootja Toshiba uue arendusega heledushüppe. Toshiba, kasutades MOCVD (Metal Oxide Chemical Vapor Deposition) kasvuprotsessi, suutis toota seadme struktuuri, mis peegeldas kasuliku valgusväljundina 90% või rohkem genereeritud valgusest, mis liikus aktiivsest kihist substraadile tagasi (joonis 4). See võimaldas LED-i heledust tavaliste seadmetega võrreldes peaaegu kaks korda suurendada. LED-i jõudlust parandati veelgi, lisades LED-struktuuri voolu blokeeriva kihi (joonis 5). See blokeeriv kiht suunab sisuliselt voolu läbi seadme, et saavutada seadme parem tõhusus. Nende arengute tulemusena koondub suur osa LED-ide kasvust 1990. aastatel kolme põhivaldkonda: esimene on liikluskorraldusseadmed, nagu pidurituled, jalakäijate signaalid, barrikaadituled ja liiklusohu märgid. Teine on muutuvates sõnumimärkides, näiteks New Yorgis Times Square'is asuv, mis kuvab kaupu, uudiseid ja muud teavet. Kolmas kontsentratsioon oleks autotööstuses. Nähtav LED on alates selle kasutuselevõtust peaaegu 40 aastat tagasi teinud pika tee ega ole veel näidanud aeglustumise märke. Sinine LED, mis sai tootmismahtudes kättesaadavaks 1990. aastatel, tõi kaasa terve põlvkonna uusi rakendusi. Siniseid LED-e on nende kõrge footonenergia (> 2,5 eV) ja suhteliselt madala silmade tundlikkuse tõttu alati olnud raske valmistada. Lisaks on nende LED-ide valmistamiseks vajalik tehnoloogia väga erinev ja palju vähem arenenud kui standardsed LED-materjalid. Tänapäeval saadaolevad sinised LED-id koosnevad GaN (galliumnitriid) ja SiC (ränikarbiid) konstruktsioonist, mille heledusaste on üle 10 000 mcd @ 20 mA GaN-seadmete puhul. Kuna sinine on üks põhivärve (ülejäänud kaks on punane ja roheline), on täisvärvilised pooljuht-LED-märgid, telerid jne muutunud kaubanduslikult kättesaadavaks. Siniste LED-ide muud rakendused hõlmavad meditsiinilisi diagnostikaseadmeid ja fotolitograafiat.
LED värvid Sama GaN põhitehnoloogia ja kasvuprotsesside abil on võimalik toota ka teisi värve. Näiteks on välja töötatud suure heledusega roheline (ca 500nm) LED, mis on fooris rohelise pirni asendanud. Võimalikud on ka muud värvid, sealhulgas lilla ja valge. Siniste LED-ide kasutuselevõtuga on võimalik toota valget, kombineerides valikuliselt sobiva punase, rohelise ja sinise valguse kombinatsiooni. Selle protsessi rakendamiseks on aga vaja keerukat tarkvara ja riistvara disaini. Lisaks on heledustase madal ja iga kasutatava RGB-vormingu üldine valgusvõimsus halveneb erineva kiirusega, mille tulemuseks on värvide tasakaalustamatus. Teine valge valguse väljundi saavutamiseks kasutatud lähenemisviis on kasutada sinise LED-i pinnal fosforikihti (ütriumalumiiniumgranaat). Kokkuvõtteks võib öelda, et LED-id on jõudnud imikueast noorukieani ja kogevad oma eluea kiireimat turukasvu. Kasutades kasvuprotsessina InGaAlP materjali koos MOCVD-ga koos genereeritud valguse tõhusa edastamise ja sisestatud voolu tõhusa kasutamisega, on nüüd saadaval mõned eredamad, tõhusamad ja töökindlamad LED-id. See tehnoloogia koos teiste uudsete LED-struktuuridega tagab LED-ide laialdase kasutamise. Uued arengud sinise spektri ja valge valguse väljundis tagavad ka nende säästlike valgusallikate kasutuse jätkuva kasvu.
