Fabricar un semiconductor en un taller doméstico sigue siendo una proeza, pero casi todos los proyectos que ha documentado la comunidad maker se quedan en la demostración: estructuras que conmutan una vez y no vuelven a funcionar. El trabajo de Dr. Semiconductor apunta a otra cosa. Su objetivo es un proceso completo, con un método para unir el chip terminado a una placa de circuito impreso.
Ese último paso es el que trae el problema práctico. Alinear una PCB con los contactos que están en la cara inferior de una oblea de silicio opaca es un ejercicio a ciegas. Por eso eligió un ensayo intermedio: fabricar y montar chips LED transparentes, donde la luz que atraviesa el sustrato permite verificar la alineación.
¿De qué está hecho el chip de partida?
El material base es un epiwafer de LED de nitruro de galio (GaN): una estructura apilada de GaN con dopaje n, una capa de pozo cuántico de nitruro de indio y galio (InGaN) y GaN con dopaje p, todo crecido sobre un sustrato de zafiro.
Cuando circula corriente por esa pila, los electrones de la capa n y los huecos de la capa p se recombinan en el pozo cuántico y emiten luz azul. Es la misma arquitectura que usa la industria desde que el LED azul de InGaN, premiado con el Nobel de Física en 2014, abrió la puerta a la iluminación blanca de estado sólido.
Para convertir esa oblea en un LED funcional hacían falta contactos eléctricos a las dos capas dopadas. El contacto sobre la capa n obligaba a cortar a través de la capa p y del pozo cuántico.
Un láser ultravioleta en vez de plasma de cloro
Aquí está la desviación interesante respecto del proceso industrial. Ese corte se hace normalmente con grabado por iones reactivos en atmósfera de cloro, un equipo de vacío con manejo de gases corrosivos que no existe en ningún taller doméstico.
Dr. Semiconductor propuso otra ruta: un láser de grabado ultravioleta de 355 nm que descompone el GaN en galio y nitrógeno. El corte resultante queda sucio, así que lo limpia después con un ataque químico de hidróxido de potasio.
Los contactos los depositó con una secuencia reconocible para cualquiera que haya visto una línea de fabricación: formó una máscara de fotorresina, depositó níquel, plata y titanio en una cámara de sputtering y disolvió la máscara con revelador para arrancar el metal sobrante por lift-off.
| Etapa | Proceso industrial | Ruta casera de este proyecto |
|---|---|---|
| Corte hasta la capa n | Grabado por iones reactivos con cloro | Láser UV de 355 nm + ataque con KOH |
| Definición de contactos | Fotolitografía + lift-off | Fotolitografía + lift-off (igual) |
| Metalización | Sputtering | Sputtering de níquel, plata y titanio |
| Singulación del wafer | Sierra de diamante o stealth dicing | El mismo láser UV |
| Montaje | Bumps de oro o soldadura eutéctica | Bumps de indio electrodepositados |
Al aplicar corriente entre ambos contactos, el LED encendió en azul intenso.
¿Cómo se pega el chip a la placa?
El siguiente paso fue montarlo sobre la PCB. Primero cortó la oblea en chips individuales con el mismo láser ultravioleta. Luego electrodepositó bumps de indio sobre la placa impresa, posicionó el chip encima, agregó fundente de colofonia y fundió los bumps.
Esa operación soldó el chip a la placa y permitió que la placa alimentara el LED. El indio es una elección sensata para un taller: funde a 156,6 °C, muy por debajo de las aleaciones de estaño que exigen perfiles térmicos precisos, y es lo bastante blando como para absorber el desajuste de dilatación entre el zafiro y el laminado de la PCB.
Del azul al blanco: el papel del fósforo
Como la mayoría de los LED comerciales, estos emitían azul. Los ensamblajes comerciales agregan una capa de fósforo que absorbe la luz azul y emite otro color.
Para conseguir un LED blanco, Dr. Semiconductor mezcló polvo de granate de itrio y aluminio dopado con cerio (YAG:Ce) con silicona transparente y lo esparció sobre el chip. El fósforo absorbe parte del azul y emite amarillo, y la mezcla de ambos se percibe como blanca.
Es exactamente el truco que sostiene la iluminación LED de consumo: no existe un LED que emita blanco, existe un LED azul con un conversor encima.
¿Se puede replicar esto en Chile?
No con un pedido de retail. El insumo crítico, el epiwafer de GaN sobre zafiro, no se vende en distribuidores locales de electrónica y hay que importarlo desde proveedores asiáticos que suelen trabajar con volúmenes de laboratorio. El láser UV de 355 nm y la cámara de sputtering son el otro muro: son equipos de universidad, no de garaje.
Para quien quiera acercarse al tema sin fabricar la unión, el camino accesible sigue siendo el ensamblaje: comprar chips LED desnudos y practicar el montaje con bumps, que es la parte del proceso que sí se puede replicar con una placa de calor y una lupa estereoscópica.
Hackaday ya había cubierto la historia de los LED y la de los fósforos que los hacen útiles. Este parece ser el primer LED inorgánico casero documentado en el sitio, aunque antes hubo OLED hechos en el fregadero de la cocina y pantallas OLED de laboratorio doméstico.
