Il diodo a emissione di luce, in sigla LED (dall'inglese: Light Emitting Diode), è un dispositivo optoelettronico che sfrutta la capacità di alcuni materiali semiconduttori di produrre fotoni attraverso un fenomeno di emissione spontanea quando attraversati da una corrente elettrica.
Il materiale semiconduttore presenta due zone drogate differentemente in modo da avere portatori di carica opposta, elettroni e lacune, i quali secondo i principi di funzionamento del diodo a giunzione si ricombinano emettendo energia sotto forma di fotoni. Il primo LED fu sviluppato nel 1962 da Nick Holonyak Jr.. Nel 2014 è stato assegnato il premio Nobel per la fisica a Isamu Akasaki e Hiroshi Amano dell'Università di Nagoya e a Shūji Nakamura dell'Università della California, Santa Barbara per le ricerche sul LED a luce blu.
Negli anni novanta, vennero realizzati LED con efficienza sempre più elevata e in una gamma di colori sempre maggiore, ma fu l'invenzione del led di colore blu a permettere di ottenere la luce bianca, ottenuta mischiando il blu il verde ed il rosso (RGB). Parallelamente, è aumentata la quantità di luce emessa a livelli competitivi con quelli delle comuni lampadine. Nell'illuminotecnica, il LED si configura come una tecnologia ad alta efficienza che garantisce un ottimo risparmio energetico.
Storia I primi dispositivi
Nel 1907, presso i laboratori della Marconi Company, Henry Joseph Round scoprì l'effetto della fotoluminescenza usando del carburo di silicio (SiC) e i componenti di una radio. Esattamente vent'anni dopo, Oleg Losev pubblicò in Russia una teoria, dove affermava di aver creato l'equivalente di un LED rudimentale; nonostante la pubblicazione fosse uscita anche nell'Impero tedesco e in quello britannico, per decenni non si trovarono applicazioni pratiche per la sua invenzione.
Nel 1936, ai laboratori di Marie Curie, il fisico Georges Destriau ottenne elettroluminescenza (che lui stesso definì "luce Losev") incapsulando del solfuro di zinco (ZnS) in un contenitore al cui interno applicò un campo elettrico alternato. Tre anni dopo, gli ungheresi Zoltán Bay e György Szigeti brevettarono un dispositivo in carburo di silicio in grado di emettere luce bianca o bianca tendente al giallo o verde, in base all'impurità presente. Nel 1951, Kurt Lehovec, Carl Accardo e Edward Jamgochian capirono per la prima volta il reale funzionamento di un diodo in grado di emettere luce, utilizzando cristalli di carburo di silicio e come fonte elettrica una batteria e un generatore di impulsi, confrontando nei due anni successivi i risultati ottenuti con altri ricavati variando il tipo di cristalli e la loro purezza.
Nel 1955, Rubin Braunstein, della Radio Corporation of America, ottenne emissione di luce infrarossa da arseniuro di gallio (GaAs) e da altri semiconduttori, come l'antimoniuro di gallio (GaSb), il fosfuro di indio (InP) e il germaniuro di silicio (SiGe), sia a temperatura ambiente sia a 77 kelvin. Due anni dopo, dimostrò che dei dispositivi rudimentali potevano essere usati per comunicare a breve distanza; tali dispositivi sarebbero stati poi utilizzati nelle comunicazioni ottiche.
Nel settembre 1961, alla Texas Instruments, James R. Biard e Gary Pittman scoprirono che un diodo ad effetto tunnel con substrato in arseniuro di gallio era in grado di emettere luce infrarossa con lunghezza d'onda di 900 nanometri. In ottobre, dimostrarono l'efficacia della comunicazione tra tale diodo e un fotorivelatore isolato elettricamente. L'8 agosto 1962, Biard e Pittman fecero richiesta di un brevetto dal titolo "Diodo radiante a semiconduttore": un diodo con giunzione p-n e zinco diffuso, con il catodo distanziato per permettere un'emissione efficiente di luce infrarossa quando il dispositivo è nella cosiddetta polarizzazione diretta. Dopo aver ricevuto richieste anche da General Electric, Radio Corporation of America, IBM, Bell Laboratories e MIT Lincoln Laboratory, l'ufficio brevetti statunitense consegnò ai due inventori il brevetto per il diodo a emissione di luce infrarossa in arseniuro di gallio, il primo vero LED per uso pratico. Subito dopo, la Texas Instruments diede il via ad un progetto per la loro realizzazione e, nell'ottobre del 1962, la società annunciò la messa in produzione a scopo commerciale di LED con struttura cristallina di arseniuro di gallio in grado di emettere luce con lunghezza d'onda di 890 nanometri.
Il primo LED ad emissione nello spettro visibile fu sviluppato alla General Electric da Nick Holonyak Jr. che pubblicò al riguardo un articolo il 1º dicembre 1962. L'aver ottenuto un LED con emissione nel visibile, quindi l'aver realizzato per la prima volta un componente elettronico in grado di emettere luce percepibile dall'uomo, rese Holonyak all'occhio del pubblico come il "padre" del LED. Nel 1972, George Craford, ex studente di Holonyak, realizzò il primo LED a luce gialla e migliorò di un fattore dieci l'emissione di luce dei LED rossi e rosso-arancio. Quattro anni dopo, T. P. Pearsall creò il primo LED ad alta efficienza e luminescenza, ottenendo nuovi composti semiconduttori adatti specificamente alle trasmissioni su fibra ottica.
L'utilizzo di massa
I primi LED commerciali furono impiegati per sostituire alcune lampade a incandescenza e al neon, per i display a sette segmenti, per gli optoisolatori, per equipaggiamenti costosi da laboratorio dapprima e per poi passare a calcolatrici, televisori, radio, telefoni e molto altro. Sia i LED a infrarossi sia quelli nel visibile erano però ancora estremamente costosi, nell'ordine dei duecento dollari ciascuno, di conseguenza erano usati relativamente poco. A partire dal 1968, la Monsanto Company fu la prima al mondo a iniziare la produzione in massa di LED nel visibile, usando gallio, arsenico e fosforo per realizzare LED rossi adatti come indicatori (frecce, numeri, ecc). Successivamente, iniziarono a essere disponibili altri colori e i LED cominciarono ad apparire su svariati altri equipaggiamenti e dispositivi. Negli anni settanta, dispositivi a LED venivano prodotti e commercializzati a meno di 5 ciascuno. Tali diodi erano formati da chip in semiconduttore fabbricati con il processo planare di crescita ideato da Jean Hoerni alla Fairchild Semiconductor. La combinazione di questo processo con metodi di incapsulamento innovativi permise alla Fairchild, sotto la guida del pioniere dell'optoelettronica Thomas Brandt, di ridurre fortemente i costi di produzione, facendo da apri pista per tutti gli altri produttori.
I primi LED avevano un involucro metallico simile a quello usato per i transistor, con una lente di vetro per il passaggio dei fotoni. Successivamente si passò a involucri trasparenti in plastica, di varie forme, e spesso con tinte corrispondenti al colore della luce emessa. Nel caso di LED infrarossi, la tinta può essere applicata per ottenere l'effetto contrario, ossia bloccare l'uscita di luce visibile. Specifici incapsulamenti sono stati poi ideati per la dissipazione efficiente di calore dei LED ad alta potenza.
L'avvento dei LED blu Il primo LED blu-violetto fu realizzato con nitruro di gallio (GaN) dopato con magnesio all'Università di Stanford nel 1972 da Herb Maruska e Wally Rhines, dottorandi in scienza dei materiali e ingegneria. L'anno precedente, un ex collega di Maruska, Jacques Pankive, assieme a Ed Miller, alla Radio Corporation of America, ottennero per la prima volta elettroluminescenza blu attraverso il nitruro di gallio però con drogaggio in zinco: da esso, poi, ottennero il primo diodo in nitruro di gallio a emettere luce verde. Nel 1974, Maruska, Rhines e il professor David Stevenson ricevettero il brevetto per la loro invenzione. Negli anni settanta, non si riuscì a trovare un uso pratico per diodi in nitruro di gallio dopati con magnesio e la ricerca rallentò, per ritornare in auge decenni dopo con lo sviluppo di LED blu e diodi laser.
Nell'agosto 1989, la Cree fu la prima società a commercializzare LED blu in carburo di silicio, quindi con una banda proibita indiretta che però rende il dispositivo molto poco efficiente. Sempre alla fine degli anni ottanta, dei traguardi chiave nella crescita epitassiale del nitruro di gallio con drogaggio di accettori portarono i dispositivi optoelettronici nell'era moderna. Su queste basi, nel 1991 Theodore Moustakas, della Boston University, ideò un metodo per la produzione di LED blu ad alta luminescenza attraverso un processo in due sole fasi, ottenendo un brevetto sei anni dopo.
Nel 1993, con un processo di crescita simile a quello di Moustakas, Shūji Nakamura, della Nichia, realizzò a sua volta un LED blu ad alta luminescenza. Sia Moustakas che Nakamura ricevettero un brevetto e ciò generò confusione su chi fosse il vero inventore del LED blu in nitruro di gallio, infatti Moustakas scoprì il suo metodo per primo ma la sua registrazione all'ufficio brevetti fu successiva a quella di Nakamura. La possibilità di produrre su scala industriale LED blu aprì allo sviluppo di nuove tecnologie e applicazioni nei decenni successivi, tanto che Nakamura ricevette nel 2006 il premio Millennium Technology e nel 2014, assieme a Hiroshi Amano e Isamu Akasaki, il premio Nobel per la fisica.
Parallelamente, a Nagoya, Isamu Akasaki e lo stesso Hiroshi Amano lavorarono allo sviluppo di un metodo di crescita del nitruro di gallio su un substrato di zaffiro, dopati con accettori, e sulla dimostrazione della maggiore efficienza di LED realizzati con questo procedimento. Nel 1995, all'Università di Cardiff, Alberto Barbieri studiò l'efficienza e l'affidabilità di LED ad alta luminescenza con una struttura formata da strati in fosfuro di alluminio, gallio e indio (AlGaInP) e arseniuro di gallio (GaAs), con un "contatto trasparente" ossia una pellicola trasparente di ossido di indio-stagno (noto anche come ITO, Indium tin oxide).
Tra il 2001 e il 2002, furono dimostrati con successo dei metodi di crescita del nitruro di gallio su silicio e, nel gennaio del 2012, OSRAM trovò il modo di produrre in quantità industriale LED in nitruro di indio e gallio (InGaN) cresciuti su substrati di silicio. Almeno fino al 2017, le aziende produttrici utilizzarono substrati di carburo di silicio, anche se il più comune rimase lo zaffiro poiché possiede proprietà molto simili al nitruro di gallio, cosa che riduce la formazione di difetti nella sua struttura cristallina durante la crescita.
Alla fine del decennio, Samsung e l'Università di Cambridge effettuano ricerche sui LED in nitruro di gallio cresciuti su substrato in silicio, inizialmente seguiti da Toshiba che però poi ne interrompe la ricerca. Alcuni hanno optato per la crescita epitassiale tramite litografia a nanostampa, mentre altri per una crescita multistrato per ridurre le differenze tra strutture cristalline e tasso di espansione termica, nel tentativo di evitare rotture del chip alle alte temperature, diminuire l'emissione di calore e aumentare l'efficienza luminosa.
I LED bianchi e l'uso nell'illuminazione
La luce bianca può essere prodotta usando congiuntamente LED di colore diverso: uno rosso, uno verde e uno blu; tuttavia la qualità del colore sarà bassa poiché solo tre strette bande dello spettro visibile vengono usate. Un metodo migliore prevede di sfruttare un LED blu ad alta efficienza, sfruttando le proprietà del fosforo per ottenere luce bianca. In questi dispositivi, quando la luce del LED blu colpisce uno strato sovrastante di fosforo, dopato con granato di ittrio, alluminio (YAG) e cerio (Y3Al5O12:Ce), produce una luce fluorescente gialla: l'effetto complessivo di luce blu e luce gialla ha una larghezza di banda molto ampia e quindi viene percepito come luce bianca dall'occhio umano, con indice di resa cromatica superiore a quello del bianco ottenuto combinando LED rossi, verdi e blu.