発光ダイオード（LED）は、基本的には、順方向にバイアスをかけて動作させると単色の光を発するPN接合半導体ダイオードです。LEDの基本構造は、ダイ（発光半導体材料）、ダイを実際に配置するリードフレーム、ダイを囲んで保護する封止用エポキシ樹脂で構成されています（図1）。
最初に実用化されたLEDは1960年代に開発されたもので、ガリウム、ヒ素、リンの3つの主要元素を組み合わせた（GaAsP）655nmの赤色光源でした。光度は20mAで約1～10mcdと非常に低いものでしたが、主にインジケーターとしてさまざまな用途に使われました。GaAsPに続いて、GaP（リン化ガリウム）の赤色LEDが開発されました。このデバイスは非常に高い量子効率を示しましたが、LEDの新しい用途の拡大にはあまり貢献しませんでした。その理由は2つあります。第一に、700nmの発光波長は人間の目の感度が非常に低いスペクトル域にあるため（図2）、効率が高くてもあまり明るく「見え」ないことです（人間の目は黄緑色の光に最も敏感です）。第二に、この高い効率は低電流でしか得られないことです。電流が増えると効率は低下します。これは、DC連続点灯と同程度の明るさを得るためにLEDを高電流でマルチプレックス駆動するのが一般的な、屋外表示板メーカーなどのユーザーにとって不利な点でした。そのため、GaPの赤色LEDは現在、限られた用途でしか使われていません。
1970年代にLED技術が進歩するにつれて、新しい色と波長も使えるようになりました。最も一般的な材料はGaPの緑と赤、GaAsPのオレンジまたは高効率赤、GaAsPの黄で、これらはすべて現在も使われています（表3）。より実用的な用途への流れも生まれ始めました。LEDは電卓、デジタル時計、計測機器などの製品に使われるようになりました。LEDの信頼性は白熱電球やネオン管などに比べて常に優れていましたが、初期のデバイスの故障率は、現在の技術に比べるとはるかに高いものでした。その一因は、部品の組立が主に手作業で行われていたことです。エポキシ樹脂の塗布、ダイの位置決め、エポキシ樹脂の混合といった作業は、すべて作業者が手作業で行っていました。その結果、「エポキシのはみ出し」などの不良が生じ、VF（順方向電圧）やVR（逆方向電圧）のリーク、さらにはPN接合の短絡を引き起こすこともありました。また、結晶成長の方法や材料も、現在ほど洗練されていませんでした。
結晶、基板、エピタキシャル層に多くの欠陥があったため、効率が下がり、デバイスの寿命も短くなっていました。
LEDの利用が急速に拡大し始めたのは、1980年代に新しい材料、GaAlAs（ヒ化アルミニウムガリウム）が開発されてからのことです。GaAlAs技術は、それまでのLEDを上回る性能を実現しました。効率の向上と多層のヘテロ接合構造により、明るさは標準的なLEDの10倍以上になりました。動作に必要な電圧も下がり、全体の消費電力を削減できました。また、パルス駆動やマルチプレックス駆動も容易になりました。これにより、可変情報表示板や屋外表示板に使えるようになりました。バーコードスキャナー、光ファイバーデータ伝送システム、医療機器などの用途にもLEDが採用されました。これはLED技術にとって大きな飛躍でしたが、GaAlAs材料にはまだ大きな欠点がありました。第一に、赤色660nmの波長でしか入手できなかったことです。第二に、GaAlAsの光出力の劣化は、従来の技術より大きいことです。LEDの光出力は10万時間の動作後に50%低下する、というのが長年の通説でしたが、実際には、GaAlAs LEDの中には5万～7万時間の動作だけで50%低下するものもあります。これは特に、高温や高湿の環境で顕著です。また、この時期、黄、緑、オレンジの明るさと効率はわずかしか改善されませんでした。その改善も主に結晶成長と光学設計の改良によるもので、材料の基本構造はほとんど変わりませんでした。
これらの難しい課題を克服するには、新しい技術が必要でした。LEDの設計者は、レーザーダイオードの技術に解決策を求めました。LED技術の急速な発展と並行して、レーザーダイオードの技術も進歩していました。1980年代後半には、可視スペクトルで発光するレーザーダイオードが、バーコードリーダー、測定・位置合わせシステム、次世代記録システムなどの用途向けに量産され始めました。LEDの設計者は、同様の手法を使って高輝度・高信頼性のLEDを作ろうと考えました。これが、InGaAlP（リン化インジウムガリウムアルミニウム）可視LEDの開発につながりました。発光材料にInGaAlPを使うことで、エネルギーバンドギャップの大きさを調整するだけでLEDの発光色を柔軟に設計できるようになりました。こうして、緑、黄、オレンジ、赤のLEDをすべて同じ基本技術で作れるようになりました。さらに、InGaAlP材料の光出力の劣化は、高温・高湿の環境でも大幅に改善されています。
InGaAlP LEDの明るさは、LEDの大手メーカーである東芝による新たな開発で、さらに大きく向上しました。東芝はMOCVD（有機金属気相成長法）による結晶成長プロセスを用いて、活性層から基板側へ進む光の90%以上を反射し、有効な光出力として取り出すデバイス構造を実現しました（図4）。これにより、LEDの輝度は従来のデバイスのほぼ2倍に向上しました。さらに、LED構造に電流ブロック層を導入することで、LEDの性能は一層向上しました（図5）。この電流ブロック層は、デバイス内の電流の流れを導き、デバイスの効率を高める役割を果たします。
これらの開発の結果、1990年代のLEDの成長は主に3つの分野に集中します。1つ目は、信号機、歩行者用信号、バリケードライト、道路の危険表示などの交通管制機器です。2つ目は、ニューヨークのタイムズスクエアにあるような、商品相場やニュースなどの情報を表示する可変情報表示板です。3つ目は、自動車用途です。可視LEDは、約40年前に登場して以来大きく進歩し、その勢いが衰える気配はありません。1990年代に量産されるようになった青色LEDは、まったく新しい世代の用途を生み出しました。青色LEDは光子エネルギーが高く（2.5eV超）、目の感度が比較的低いため、製造が難しいとされてきました。また、青色LEDの製造に必要な技術は標準的なLED材料とは大きく異なり、まだはるかに未成熟です。現在入手できる青色LEDはGaN（窒化ガリウム）とSiC（炭化ケイ素）を用いたもので、GaNデバイスでは20mAで10,000mcdを超える明るさが得られます。青は3原色の一つ（ほかの2つは赤と緑）なので、フルカラーの固体LED表示板やテレビなどが市販されるようになりました。青色LEDのそのほかの用途には、医療診断機器やフォトリソグラフィーがあります。
同じGaN技術と結晶成長プロセスを使って、ほかの色を作ることもできます。たとえば、信号機の緑色電球に代わる高輝度の緑色（約500nm）LEDが開発されています。紫や白などの色も実現できます。青色LEDの登場により、赤、緑、青の光を適切な組み合わせで混ぜて白色を作ることができるようになりました。ただし、この方法を実装するには高度なソフトウェアとハードウェアの設計が必要です。また、明るさのレベルが低いうえ、使用するRGBの各ダイの光出力がそれぞれ異なる速さで劣化するため、最終的に色のバランスが崩れます。白色光を得るもう一つの方法は、青色LEDの表面に蛍光体層（イットリウム・アルミニウム・ガーネット）を設けることです。
まとめると、LEDは黎明期から成長期に入り、これまでで最も急速な市場の成長を経験しています。InGaAlP材料とMOCVDによる結晶成長プロセスを使い、発生した光を効率よく取り出し、注入した電流を効率よく利用することで、最も明るく、最も効率が高く、最も信頼性の高いLEDが入手できるようになりました。この技術とほかの新しいLED構造により、LEDは幅広い用途に使われていくでしょう。青色スペクトルと白色光出力における新たな開発によっても、この経済的な光源の用途は今後も増え続けるはずです。