Light-Emitting Diode (LED)

Latar Belakang

Light-emitting diodes (LEDs)—lampu kecil berwarna yang tersedia di toko elektronik mana pun—ada di mana-mana dalam masyarakat modern. Mereka adalah lampu indikator pada stereo kami, mobil dashboard, dan oven microwave. Tampilan numerik pada radio jam, jam tangan digital, dan kalkulator terdiri dari batangan LED. LED juga menemukan aplikasi dalam telekomunikasi untuk transmisi sinyal optik jarak pendek seperti remote control TV. Mereka bahkan menemukan jalan mereka ke perhiasan dan pakaian—saksikan pelindung matahari dengan serangkaian lampu berwarna yang berkedip menghiasi pinggirannya. Para penemu LED tidak tahu tentang barang revolusioner yang mereka ciptakan. Mereka mencoba membuat laser, tetapi dalam perjalanan mereka menemukan pengganti bola lampu .

Bola lampu sebenarnya hanyalah kabel yang dipasang pada sumber energi. Mereka memancarkan cahaya karena kawat memanas dan mengeluarkan sebagian energi panasnya dalam bentuk cahaya. LED, di sisi lain, memancarkan cahaya dengan eksitasi elektronik daripada pembangkitan panas. Dioda adalah katup listrik yang memungkinkan arus listrik mengalir hanya dalam satu arah, seperti katup satu arah pada pipa air. Ketika katup "on", elektron berpindah dari daerah dengan kerapatan elektronik tinggi ke daerah dengan kerapatan elektronik rendah. Pergerakan elektron ini disertai dengan emisi cahaya. Semakin banyak elektron yang melewati batas antar lapisan, yang dikenal sebagai persimpangan, semakin terang cahayanya. Fenomena ini, yang dikenal sebagai electroluminescence, diamati pada awal 1907. Sebelum LED yang berfungsi dapat dibuat, bagaimanapun, bahan yang lebih bersih dan lebih efisien harus dikembangkan.

LED dikembangkan selama era pasca-Perang Dunia II; selama perang ada minat yang kuat dalam bahan untuk detektor cahaya dan gelombang mikro. Berbagai bahan semikonduktor dikembangkan selama upaya penelitian ini, dan sifat interaksi cahayanya diselidiki secara rinci. Selama tahun 1950-an, menjadi jelas bahwa bahan yang sama yang digunakan untuk mendeteksi cahaya juga dapat digunakan untuk menghasilkan cahaya. Para peneliti di AT&T Bell Laboratories adalah yang pertama mengeksploitasi sifat penghasil cahaya dari bahan-bahan baru ini pada 1960-an. LED adalah pelopor, dan produk sampingan yang kebetulan, dari upaya pengembangan laser. Lampu berwarna kecil menarik minat industri, karena memiliki keunggulan dibandingkan bola lampu dengan ukuran yang sama:LED menggunakan lebih sedikit daya, memiliki masa pakai lebih lama, menghasilkan sedikit panas, dan memancarkan cahaya berwarna.

LED pertama tidak dapat diandalkan atau berguna seperti yang dijual hari ini. Seringkali, mereka hanya dapat beroperasi pada suhu nitrogen cair (-104 derajat Fahrenheit atau -77 derajat Celcius) atau di bawahnya, dan akan terbakar hanya dalam beberapa jam. Mereka melahap daya karena sangat tidak efisien, dan menghasilkan sangat sedikit cahaya. Semua masalah ini dapat dikaitkan dengan kurangnya teknik yang dapat diandalkan untuk memproduksi bahan yang sesuai pada tahun 1950-an dan 1960-an, dan akibatnya perangkat yang dibuat dari bahan tersebut buruk. Ketika bahan ditingkatkan, kemajuan lain dalam teknologi mengikuti:metode untuk menghubungkan perangkat secara elektronik, memperbesar dioda, membuatnya lebih cerah, dan menghasilkan lebih banyak warna.

Keuntungan LED dibandingkan bola lampu untuk aplikasi yang membutuhkan sumber cahaya kecil mendorong produsen seperti Texas Instruments Untuk membuat wafer semikonduktor, galium, arsenik, dan/atau fosfor pertama-tama dicampur bersama di dalam ruang dan dipaksa menjadi solusi. Untuk mencegah mereka keluar ke dalam gas bertekanan di dalam ruangan, mereka sering ditutupi dengan lapisan oksida boron cair. Selanjutnya, batang dicelupkan ke dalam larutan dan ditarik keluar secara perlahan. Solusinya mendingin dan mengkristal di ujung batang saat diangkat keluar dari bilik, membentuk ingot kristal silindris yang panjang. Ingot kemudian diiris menjadi wafer. dan Hewlett Packard untuk mengejar pembuatan komersial LED. Penerimaan pasar yang meluas secara tiba-tiba pada tahun 1970-an adalah hasil dari pengurangan biaya produksi dan juga pemasaran yang cerdas, yang membuat produk dengan tampilan LED (seperti jam tangan) tampak "berteknologi tinggi" dan, oleh karena itu, diinginkan. Pabrikan mampu memproduksi banyak LED berturut-turut untuk membuat berbagai tampilan untuk digunakan pada jam, instrumen ilmiah, dan pembaca kartu komputer. Teknologi ini masih berkembang saat ini karena produsen mencari cara untuk membuat perangkat lebih efisien, lebih murah, dan lebih berwarna.

Bahan Baku

Dioda, pada umumnya, terbuat dari lapisan bahan semikonduktor yang sangat tipis; satu lapisan akan kelebihan elektron, sedangkan lapisan berikutnya kekurangan elektron. Perbedaan ini menyebabkan elektron berpindah dari satu lapisan ke lapisan lainnya, sehingga menghasilkan cahaya. Pabrikan sekarang dapat membuat lapisan ini setipis 0,5 mikron atau kurang (1 mikron =1 seperseribu inci).

Kotoran dalam semikonduktor digunakan untuk menciptakan kerapatan elektron yang diperlukan. Semikonduktor adalah bahan kristal yang menghantarkan listrik hanya ketika ada kepadatan tinggi dari pengotor di dalamnya. Irisan, atau wafer, semikonduktor adalah kristal seragam tunggal, dan pengotor diperkenalkan kemudian selama proses pembuatan. Pikirkan wafer sebagai kue yang dicampur dan dipanggang dengan cara yang ditentukan, dan kotoran sebagai kacang yang tersuspensi dalam kue. Semikonduktor khusus yang digunakan untuk pembuatan LED adalah galium arsenida (GaAs), galium fosfida (GaP), atau galium arsenida fosfida (GaAsP). Bahan semikonduktor yang berbeda (disebut substrat) dan kotoran yang berbeda menghasilkan warna cahaya yang berbeda dari LED.

Kotoran, kacang dalam kue, dimasukkan kemudian dalam proses pembuatan; tidak seperti ketidaksempurnaan, mereka sengaja diperkenalkan untuk membuat fungsi LED dengan benar. Proses ini disebut doping . Pengotor yang biasanya ditambahkan adalah seng atau nitrogen, tetapi silikon, germanium, dan telurium juga telah digunakan. Seperti disebutkan sebelumnya, mereka akan menyebabkan semikonduktor menghantarkan listrik dan akan membuat fungsi LED sebagai perangkat elektronik. Melalui pengotor inilah lapisan dengan kelebihan atau kekurangan elektron dapat dibuat.

Untuk melengkapi perangkat, Anda perlu membawa listrik ke dan darinya. Dengan demikian, kabel harus dipasang ke substrat. Kabel ini harus menempel dengan baik ke semikonduktor dan cukup kuat untuk menahan selanjutnya Salah satu cara untuk menambahkan pengotor yang diperlukan ke kristal semikonduktor adalah dengan menumbuhkan lapisan kristal tambahan ke permukaan wafer. Dalam proses ini, yang dikenal sebagai "Liquid Phase Epitaksi," wafer diletakkan pada slide grafit dan dilewatkan di bawah reservoir lelehan GaAsP.
Pola kontak diekspos pada permukaan wafer menggunakan photoresist, setelah itu wafer dimasukkan ke dalam ruang vakum yang dipanaskan. Di sini, logam cair diuapkan ke pola kontak pada permukaan wafer. pengolahan seperti penyolderan dan pemanasan. Emas dan senyawa perak paling sering digunakan untuk tujuan ini, karena mereka membentuk ikatan kimia dengan galium pada permukaan wafer.

LED terbungkus dalam plastik transparan, agak seperti pemberat kertas lucite yang memiliki benda-benda yang tergantung di dalamnya. Plastik dapat berupa salah satu dari sejumlah varietas, dan sifat optiknya yang tepat akan menentukan seperti apa tampilan output LED. Beberapa plastik bersifat difusi, yang berarti cahaya akan menyebar ke berbagai arah. Beberapa transparan, dan dapat dibentuk menjadi lensa yang akan mengarahkan cahaya langsung keluar dari LED dalam sinar sempit. Plastik dapat diwarnai, yang akan mengubah warna LED dengan membiarkan lebih banyak atau lebih sedikit cahaya dari warna tertentu melewatinya.

Desain

Beberapa fitur LED perlu dipertimbangkan dalam desainnya, karena merupakan perangkat elektronik dan optik. Sifat optik yang diinginkan seperti warna, kecerahan, dan efisiensi harus dioptimalkan tanpa desain listrik atau fisik yang tidak masuk akal. Sifat-sifat ini dipengaruhi oleh ukuran dioda, bahan semikonduktor yang digunakan untuk membuatnya, ketebalan lapisan dioda, dan jenis serta jumlah pengotor yang digunakan untuk "mengoles" semikonduktor.

Manufaktur
Proses

Membuat wafer semikonduktor

• 1 Pertama, wafer semikonduktor dibuat. Komposisi material tertentu—GaAs, GaP, atau sesuatu di antaranya—ditentukan oleh warna LED yang dibuat. Semikonduktor kristalin ditanam dalam suhu tinggi, ruang tekanan tinggi. Gallium, arsenik, dan/atau fosfor dimurnikan dan dicampur bersama di dalam chamber. Panas dan tekanan mencairkan dan menekan komponen bersama-sama sehingga dipaksa menjadi larutan. Agar mereka tidak keluar ke dalam gas bertekanan di dalam ruangan, mereka sering ditutupi dengan lapisan boron oksida cair, yang menyegelnya sehingga mereka harus "bersatu". Ini dikenal sebagai enkapsulasi cair, atau metode pertumbuhan kristal Czochralski. Setelah unsur-unsur tercampur dalam larutan yang seragam, sebatang batang dicelupkan ke dalam larutan dan ditarik keluar secara perlahan. Solusinya mendingin dan mengkristal di ujung batang saat diangkat keluar dari bilik, membentuk ingot kristal silindris (atau boule) panjang dari GaAs, GaP, atau GaAsP. Anggap saja ini seperti memanggang kue.
• 2 Boule tersebut kemudian diiris menjadi wafer semikonduktor yang sangat tipis, kira-kira setebal 10 mil, atau setebal kantong sampah. Wafer dipoles sampai permukaannya sangat halus, sehingga mereka akan dengan mudah menerima lebih banyak lapisan semikonduktor di permukaannya. Prinsipnya mirip dengan mengampelas meja sebelum mengecatnya. Setiap wafer harus berupa kristal tunggal dari bahan dengan komposisi yang seragam. Sayangnya, terkadang ada ketidaksempurnaan pada kristal yang membuat fungsi LED menjadi buruk. Pikirkan ketidaksempurnaan sebagai potongan bunga atau gula yang tidak tercampur tersuspensi dalam kue selama pemanggangan. Ketidaksempurnaan juga dapat terjadi akibat proses pemolesan; ketidaksempurnaan tersebut juga menurunkan kinerja perangkat. Semakin banyak ketidaksempurnaan, semakin sedikit wafer yang berperilaku seperti kristal tunggal; tanpa struktur kristal yang teratur, material tidak akan berfungsi sebagai semikonduktor.
• 3 Selanjutnya, wafer dibersihkan melalui proses kimia dan ultrasonik yang ketat menggunakan berbagai pelarut. Proses ini menghilangkan kotoran, debu, atau bahan organik yang mungkin telah mengendap di permukaan wafer yang dipoles. Semakin bersih pemrosesan, semakin baik LED yang dihasilkan.

Menambahkan lapisan epitaksi

• 4 Lapisan tambahan kristal semikonduktor tumbuh di permukaan wafer, seperti menambahkan lebih banyak lapisan ke kue. Ini adalah salah satu cara untuk menambahkan pengotor, atau dopan, ke kristal. Lapisan kristal ditumbuhkan kali ini dengan proses yang disebut Liquid Phase Epitaksi (LPE). Dalam teknik ini, lapisan epitaxial—lapisan semikonduktor yang memiliki orientasi kristal yang sama dengan substrat di bawahnya—diendapkan pada wafer saat ditarik di bawah reservoir lelehan GaAsP. Reservoir memiliki dopan yang sesuai dicampur melalui mereka. Wafer bertumpu pada slide grafit, yang didorong melalui saluran di bawah wadah yang menampung cairan cair (atau meleleh, seperti yang disebut). Dopan yang berbeda dapat ditambahkan dalam lelehan berurutan, atau beberapa dalam lelehan yang sama, menciptakan lapisan material dengan kerapatan elektronik yang berbeda. Lapisan yang diendapkan akan menjadi kelanjutan dari struktur kristal wafer.

  LPE menciptakan lapisan material yang sangat seragam, yang menjadikannya teknik pertumbuhan dan doping yang disukai. Lapisan yang terbentuk setebal beberapa mikron.

• 5 Setelah mendepositkan lapisan epitaxial, mungkin perlu menambahkan dopan tambahan untuk mengubah karakteristik dioda untuk warna atau efisiensi. Jika doping tambahan dilakukan, wafer ditempatkan lagi dalam tabung tungku suhu tinggi, di mana wafer direndam dalam atmosfer gas yang mengandung dopan—nitrogen atau seng amonium adalah yang paling umum. Nitrogen sering ditambahkan ke lapisan atas dioda untuk membuat cahaya lebih kuning atau hijau.

Menambahkan kontak logam

• 6 Kontak logam kemudian ditentukan pada wafer. Pola kontak ditentukan pada tahap desain dan tergantung pada apakah dioda akan digunakan secara tunggal atau kombinasi. Pola kontak direproduksi dalam photoresist, senyawa peka cahaya; penahan cairan disimpan dalam tetesan sementara wafer berputar, mendistribusikannya ke permukaan. Tahan dikeraskan dengan pemanggangan suhu rendah yang singkat (sekitar 215 derajat Fahrenheit atau 100 derajat Celcius). Selanjutnya, pola master, atau topeng, diduplikasi pada photoresist dengan menempatkannya di atas wafer dan mengekspos resist dengan sinar ultraviolet (dengan cara yang sama membuat foto dari negatif). Area resistan yang terpapar tersapu oleh pengembang, dan area yang tidak terpapar tetap ada, menutupi lapisan semikonduktor.
• 7 Logam kontak sekarang diuapkan ke pola, mengisi area yang terbuka. Penguapan terjadi di ruang suhu tinggi lainnya, kali ini vakum disegel. Sepotong logam dipanaskan sampai suhu yang menyebabkannya menguap. Ini mengembun dan menempel pada wafer semikonduktor yang terbuka, seperti uap yang akan mengaburkan jendela yang dingin. Photoresist kemudian dapat dicuci dengan aseton, hanya menyisakan kontak logam di belakang. Tergantung pada skema pemasangan akhir untuk LED, lapisan logam tambahan dapat diuapkan di sisi belakang wafer. Setiap logam yang disimpan harus menjalani proses anil, di mana wafer dipanaskan hingga beberapa ratus derajat dan dibiarkan tetap berada dalam tungku (dengan atmosfer inert hidrogen atau nitrogen yang mengalir melaluinya) untuk periode hingga beberapa jam. Selama waktu ini, logam dan semikonduktor terikat bersama secara kimiawi sehingga kontak tidak mengelupas.
• 8 Sebuah wafer berdiameter 2 inci yang diproduksi dengan cara ini akan memiliki pola yang sama yang berulang hingga 6000 kali; ini memberikan indikasi ukuran dioda jadi. Dioda dipotong baik dengan membelah (gertakan wafer sepanjang bidang kristal) atau dengan menggergaji dengan gergaji berlian. Setiap segmen kecil yang dipotong dari wafer disebut die. Proses yang sulit dan rawan kesalahan, pemotongan menghasilkan kurang dari 6000 total LED yang dapat digunakan dan merupakan salah satu tantangan terbesar dalam membatasi biaya produksi perangkat semikonduktor.

Pemasangan dan pengemasan

• 9 Dies individu dipasang pada paket yang sesuai. Jika dioda akan digunakan sendiri sebagai lampu indikator atau untuk perhiasan, misalnya, dipasang pada dua kabel logam yang panjangnya sekitar dua inci. Biasanya, dalam hal ini, bagian belakang wafer dilapisi dengan logam dan membentuk kontak listrik dengan timah tempat dudukannya. Sebuah kawat emas kecil disolder ke timah lainnya dan diikat dengan kawat ke kontak berpola pada permukaan cetakan. Dalam ikatan kawat, ujung kawat ditekan ke bawah pada logam kontak dengan jarum yang sangat halus. Emas cukup lunak untuk berubah bentuk dan menempel pada permukaan logam yang serupa.
• 10 Akhirnya, seluruh rakitan disegel dalam plastik. Kabel dan die digantung di dalam cetakan yang dibentuk sesuai Lampu indikator LED biasa menunjukkan seberapa kecil LED sebenarnya. Meskipun masa pakai rata-rata bola lampu kecil adalah 5-10 tahun, LED modern harus bertahan 100 tahun atau lebih sebelum gagal. dengan persyaratan optik paket (dengan lensa atau konektor di ujungnya), dan cetakan diisi dengan plastik cair atau epoksi. Epoxy sudah sembuh, dan paketnya selesai.

Kontrol Kualitas

Kualitas dalam manufaktur semikonduktor mengambil dua bentuk. Perhatian pertama adalah dengan produk akhir yang dihasilkan, dan yang kedua dengan fasilitas manufaktur. Setiap LED diperiksa ketika diikat kawat untuk karakteristik operasi. Tingkat arus tertentu harus menghasilkan kecerahan tertentu. Warna cahaya yang tepat diuji untuk setiap batch wafer, dan beberapa LED akan ditarik untuk pengujian tegangan, termasuk pengujian seumur hidup, kerusakan panas dan daya, dan kerusakan mekanis.

Untuk menghasilkan produk secara konsisten, lini manufaktur harus beroperasi dengan andal dan aman. Banyak langkah pemrosesan di atas dapat diotomatisasi, tetapi tidak semuanya. Kebersihan umum fasilitas dan wafer kosong yang masuk dipantau secara ketat. Fasilitas khusus ("ruang bersih") dibangun yang menjaga udara tetap murni hingga satu bagian dalam 10.000 untuk langkah pemrosesan tertentu (khususnya nomor 1-5 di atas). Semua pemeriksaan ini muncul dari keinginan untuk meningkatkan hasil, atau jumlah LED yang berhasil per wafer.

Masa Depan

Optoelektronik berkembang dengan munculnya teknik pemrosesan yang lebih baik dan lebih baik. Sekarang dimungkinkan untuk membuat wafer dengan kemurnian dan keseragaman yang belum pernah terjadi 5 tahun yang lalu. Ini akan mempengaruhi seberapa terang dan seberapa efisien LED dapat dibuat, dan berapa lama mereka akan bertahan. Saat mereka menjadi lebih baik, mereka sesuai untuk aplikasi yang semakin menuntut, seperti komunikasi. Masa pakai rata-rata bola lampu kecil adalah 5-10 tahun, tetapi rata-rata LED modern harus bertahan 100 tahun sebelum gagal. Hal ini membuat mereka cocok untuk aplikasi di mana sulit atau tidak mungkin untuk mengganti suku cadang, seperti elektronik bawah laut atau luar angkasa. Meskipun LED tidak sesuai untuk serat optik jarak jauh transmisi, mereka sering berguna untuk transmisi optik jarak pendek seperti remote control, komunikasi chip ke chip, atau eksitasi amplifier optik.

Bahan lain sedang dikembangkan yang akan memungkinkan pembuatan LED cahaya biru dan putih. Selain memungkinkan lebih banyak variasi indikator dan mainan dengan lebih banyak warna, cahaya biru lebih disukai untuk beberapa aplikasi seperti penyimpanan optik dan tampilan visual. Cahaya biru dan putih lebih mudah di mata. Warna tambahan tentu akan membuka aplikasi baru.

Akhirnya, seiring kemajuan teknologi proses dan menjadi mungkin untuk menggabungkan lebih banyak perangkat dalam satu chip, tampilan LED akan menjadi lebih "cerdas". Sebuah microchip tunggal akan menampung semua elektronik untuk membuat tampilan alfanumerik, dan akan membuat instrumentasi lebih kecil dan lebih canggih.