Los diodos emisores de luz (LED), pequeñas luces de colores disponibles en cualquier tienda de electrónica, son omnipresentes en la sociedad moderna. Son las luces indicadoras en nuestros equipos de música, tableros de instrumentos de automóviles y hornos de microondas. Las pantallas numéricas en radios de reloj, relojes digitales y calculadoras están compuestas por barras de LED. Los LED también encuentran aplicaciones en telecomunicaciones para la transmisión de señales ópticas de corto alcance, como los controles remotos de TV. Incluso han encontrado su camino en joyas y ropa: sean testigos de los parasoles con una serie de luces parpadeantes de colores que adornan el borde. Los inventores del LED no tenían idea del elemento revolucionario que estaban creando. Intentaban fabricar láseres, pero en el camino descubrieron un sustituto de la bombilla.
Las bombillas son en realidad cables conectados a una fuente de energía. Emiten luz porque el cable se calienta y emite parte de su energía térmica en forma de luz. Un LED, por otro lado, emite luz por excitación electrónica en lugar de generación de calor. Los diodos son válvulas eléctricas que permiten que la corriente eléctrica fluya en una sola dirección, tal como lo haría una válvula unidireccional en una tubería de agua. Cuando la válvula está “encendida”, los electrones se mueven desde una región de alta densidad electrónica a una región de baja densidad electrónica. Este movimiento de electrones se acompaña de la emisión de luz. Cuantos más electrones pasen a través del límite entre capas, conocido como unión, más brillante será la luz. Este fenómeno, conocido como electroluminiscencia, se observó ya en 1907. Sin embargo, antes de que se pudieran fabricar los LED, se tuvieron que desarrollar materiales más limpios y más eficientes.
Los LED se desarrollaron durante la era posterior a la Segunda Guerra Mundial; Durante la guerra hubo un gran interés en materiales para detectores de luz y microondas. Se desarrolló una variedad de materiales semiconductores durante este esfuerzo de investigación, y sus propiedades de interacción con la luz se investigaron con cierto detalle. Durante la década de 1950, quedó claro que los mismos materiales que se usaron para detectar la luz también podrían usarse para generar luz. Los investigadores de AT&T Bell Laboratories fueron los primeros en explotar las propiedades generadoras de luz de estos nuevos materiales en la década de 1960. El LED fue un precursor y un subproducto fortuito del esfuerzo de desarrollo del láser. Las pequeñas luces de colores tenían cierto interés para la industria, ya que tenían ventajas sobre las bombillas de un tamaño similar: los LED usan menos energía, tienen una vida útil más larga, producen poco calor y emiten luz de color.
Los primeros LED no eran tan confiables o útiles como los vendidos hoy. Con frecuencia, solo podían funcionar a la temperatura del nitrógeno líquido (-104 grados Fahrenheit o -77 grados Celsius) o menos, y se quemarían en solo unas pocas horas. Consumieron poder porque eran muy ineficientes y producían muy poca luz. Todos estos problemas pueden atribuirse a la falta de técnicas confiables para producir los materiales apropiados en las décadas de 1950 y 1960, y como resultado los dispositivos fabricados con ellos eran pobres. Cuando se mejoraron los materiales, siguieron otros avances en la tecnología: métodos para conectar los dispositivos electrónicamente, agrandar los diodos, hacerlos más brillantes y generar más colores.
Las ventajas del LED sobre la bombilla para aplicaciones que requieren una fuente de luz pequeña alentaron a fabricantes como Texas Instruments 
Para fabricar las obleas de semiconductores, primero se mezclan galio, arsénico y / o fósforo en una cámara y se los obliga a formar una solución. Para evitar que escapen al gas presurizado en la cámara, a menudo se cubren con una capa de óxido de boro líquido. A continuación, se sumerge una varilla en la solución y se extrae lentamente. La solución se enfría y cristaliza en el extremo de la varilla cuando se levanta de la cámara, formando un lingote de cristal largo y cilíndrico. El lingote se corta en obleas.
y Hewlett Packard para continuar con la fabricación comercial de LED. La aceptación generalizada y repentina del mercado en la década de 1970 fue el resultado de la reducción de los costos de producción y también de una comercialización inteligente, que hizo que los productos con pantallas LED (como los relojes) parecieran “de alta tecnología” y, por lo tanto, deseables. Los fabricantes pudieron producir muchos LED seguidos para crear una variedad de pantallas para usar en relojes, instrumentos científicos y lectores de tarjetas de computadora. La tecnología todavía se está desarrollando hoy en día, ya que los fabricantes buscan formas de hacer que los dispositivos sean más eficientes, menos costosos y en más colores.
Materias primas
Los diodos, en general, están hechos de capas muy delgadas de material semiconductor; una capa tendrá un exceso de electrones, mientras que la siguiente tendrá un déficit de electrones. Esta diferencia hace que los electrones se muevan de una capa a otra, generando así luz. Los fabricantes ahora pueden hacer estas capas tan delgadas como .5 micras o menos (1 micra = 1 diezmilésima de pulgada).
Las impurezas dentro del semiconductor se utilizan para crear la densidad electrónica requerida. Un semiconductor es un material cristalino que conduce electricidad solo cuando hay una alta densidad de impurezas en él. La rebanada, o oblea, de semiconductor es un cristal uniforme único, y las impurezas se introducen más tarde durante el proceso de fabricación. Piense en la oblea como un pastel que se mezcla y hornea de manera prescrita, y las impurezas como nueces suspendidas en el pastel. Los semiconductores particulares utilizados para la fabricación de LED son arseniuro de galio (GaAs), fosfuro de galio (GaP) o fosfuro de arseniuro de galio (GaAsP). Los diferentes materiales semiconductores (llamados sustratos) y las diferentes impurezas dan como resultado diferentes colores de luz del LED.
Las impurezas, las nueces del pastel, se introducen más adelante en el proceso de fabricación; a diferencia de las imperfecciones, se introducen deliberadamente para que el LED funcione correctamente. Este proceso se llama dopaje. Las impurezas comúnmente agregadas son zinc o nitrógeno, pero también se han utilizado silicio, germanio y teluro. Como se mencionó anteriormente, harán que el semiconductor conduzca electricidad y hará que el LED funcione como un dispositivo electrónico. Es a través de las impurezas que se puede crear una capa con un exceso o un déficit de electrones.
Para completar el dispositivo, es necesario llevar electricidad a él y desde él. Por lo tanto, los cables deben estar unidos al sustrato. Estos cables deben adherirse bien al semiconductor y ser lo suficientemente fuertes como para resistir 
Una forma de agregar las impurezas necesarias al cristal semiconductor es hacer crecer capas adicionales de cristal sobre la superficie de la oblea. En este proceso, conocido como “Epitaxia de fase líquida”, la oblea se coloca en un portaobjetos de grafito y se pasa por debajo de depósitos de GaAsP fundido.
Los patrones de contacto se exponen en la superficie de la oblea mediante fotorresistencia, después de lo cual las obleas se colocan en una cámara de vacío calentada. Aquí, el metal fundido se evapora sobre el patrón de contacto en la superficie de la oblea.
procesamiento como soldadura y calentamiento. Los compuestos de oro y plata se usan más comúnmente para este propósito, porque forman un enlace químico con el galio en la superficie de la oblea.
Los LED están encerrados en plástico transparente, como los pisapapeles de lucita que tienen objetos suspendidos en ellos. El plástico puede ser cualquiera de una variedad de variedades, y sus propiedades ópticas exactas determinarán la apariencia del LED. Algunos plásticos son difusivos, lo que significa que la luz se dispersará en muchas direcciones. Algunos son transparentes y pueden formarse en lentes que dirigen la luz directamente del LED en un haz estrecho. Los plásticos se pueden teñir, lo que cambiará el color del LED al permitir que pase más o menos luz de un color en particular.
Diseño
Se deben considerar varias características del LED en su diseño, ya que es un dispositivo electrónico y óptico. Las propiedades ópticas deseables como el color, el brillo y la eficiencia deben optimizarse sin un diseño eléctrico o físico irrazonable. Estas propiedades se ven afectadas por el tamaño del diodo, los materiales semiconductores exactos utilizados para fabricarlo, el grosor de las capas de diodo y el tipo y la cantidad de impurezas utilizadas para “dopar” el semiconductor.
La fabricación
Proceso de fabricación de obleas semiconductoras
- 1 Primero, se hace una oblea semiconductora. La composición particular del material (GaAs, GaP o algo intermedio) está determinada por el color del LED que se fabrica. El semiconductor cristalino se cultiva en una cámara de alta temperatura y alta presión. El galio, el arsénico y / o el fósforo se purifican y mezclan en la cámara. El calor y la presión se licúan y presionan los componentes para forzarlos a una solución. Para evitar que escapen al gas presurizado en la cámara, a menudo están cubiertos con una capa de óxido de boro líquido, que los sella para que se “peguen”. Esto se conoce como encapsulación líquida o el método de crecimiento de cristales de Czochralski. Después de que los elementos se mezclan en una solución uniforme, se sumerge una varilla en la solución y se extrae lentamente. La solución se enfría y cristaliza en el extremo de la varilla a medida que se levanta de la cámara, formando un lingote de cristal cilíndrico (o bola) largo de GaAs, GaP o GaAsP. Piensa en esto como hornear el pastel.
- 2 La bola se corta en obleas muy finas de semiconductores, de aproximadamente 10 milésimas de grosor, o casi tan gruesas como una bolsa de basura. Las obleas se pulen hasta que las superficies estén muy lisas, de modo que acepten fácilmente más capas de semiconductores en su superficie. El principio es similar a lijar una mesa antes de pintarla. Cada oblea debe ser un solo cristal de material de composición uniforme. Desafortunadamente, a veces habrá imperfecciones en los cristales que hacen que el LED funcione mal. Piense en las imperfecciones como trozos de flores o azúcar sin mezclar suspendidos en el pastel durante la cocción. Las imperfecciones también pueden resultar del proceso de pulido; Tales imperfecciones también degradan el rendimiento del dispositivo. Cuantas más imperfecciones, menos la oblea se comporta como un solo cristal; sin una estructura cristalina regular, el material no funcionará como un semiconductor.
- 3 A continuación, las obleas se limpian mediante un riguroso proceso químico y ultrasónico utilizando diversos solventes. Este proceso elimina la suciedad, el polvo o la materia orgánica que pueda haberse asentado en la superficie de la oblea pulida. Cuanto más limpio sea el procesamiento, mejor será el LED resultante.
Agregar capas epitaxiales
- 4 Se cultivan capas adicionales de cristal semiconductor en la superficie de la oblea, como agregar más capas a la torta. Esta es una forma de agregar impurezas, o dopantes, al cristal. Las capas de cristal crecen esta vez mediante un proceso llamado Liquid Phase Epitaxy (LPE). En esta técnica, las capas epitaxiales (capas semiconductoras que tienen la misma orientación cristalina que el sustrato de abajo) se depositan en una oblea mientras se dibuja debajo de depósitos de GaAsP fundido. Los depósitos tienen dopantes apropiados mezclados a través de ellos. La oblea descansa sobre un portaobjetos de grafito, que se empuja a través de un canal debajo de un recipiente que contiene el líquido fundido (o se funde, como se le llama). Se pueden agregar diferentes dopantes en fundidos secuenciales, o varios en el mismo fundido, creando capas de material con diferentes densidades electrónicas. Las capas depositadas se convertirán en una continuación de la estructura cristalina de la oblea.
LPE crea una capa de material excepcionalmente uniforme, lo que la convierte en una técnica preferida de crecimiento y dopaje. Las capas formadas tienen varios micrones de espesor. - 5 Después de depositar capas epitaxiales, puede ser necesario agregar dopantes adicionales para alterar las características del diodo en cuanto a color o eficiencia. Si se realiza dopaje adicional, la oblea se coloca nuevamente en un tubo de horno de alta temperatura, donde se sumerge en una atmósfera gaseosa que contiene los dopantes: el nitrógeno o el zinc-amonio son los más comunes. A menudo se agrega nitrógeno a la capa superior del diodo para hacer que la luz sea más amarilla o verde.
Agregar contactos metálicos
- ¿Por qué un diodo de unión pn conduce solo en el modo de polarización directa y no cuando se polariza inversamente?
- ¿Qué condiciones son necesarias para que un diodo Zener disipe la potencia mínima / máxima en un circuito regulador?
- ¿Cuál es la resistencia de CC de un diodo?
- ¿Se mueve un agujero (un agujero de electrones) en un diodo?
- ¿Por qué la resistencia del diodo varía a medida que varía el voltaje?
- 6 Los contactos metálicos se definen en la oblea. El patrón de contacto se determina en la etapa de diseño y depende de si los diodos se van a usar solos o en combinación. Los patrones de contacto se reproducen en fotorresistencia, un compuesto fotosensible; La resistencia líquida se deposita en gotas mientras la oblea gira, distribuyéndola sobre la superficie. La resistencia se endurece con una cocción breve a baja temperatura (aproximadamente 215 grados Fahrenheit o 100 grados Celsius). Luego, el patrón maestro, o máscara, se duplica en la fotorresistencia colocándola sobre la oblea y exponiendo la resistencia con luz ultravioleta (de la misma manera que se hace una fotografía desde un negativo). Las áreas expuestas de la resistencia se lavan con el revelador, y quedan áreas no expuestas, que cubren las capas de semiconductores.
- 7 El metal de contacto ahora se evapora sobre el patrón, rellenando las áreas expuestas. La evaporación tiene lugar en otra cámara de alta temperatura, esta vez sellada al vacío. Un trozo de metal se calienta a temperaturas que hacen que se vaporice. Se condensa y se adhiere a la oblea semiconductora expuesta, al igual que el vapor empañará una ventana fría. La fotorresistencia se puede lavar con acetona, dejando solo los contactos metálicos. Dependiendo del esquema de montaje final para el LED, se puede evaporar una capa adicional de metal en la parte posterior de la oblea. Cualquier metal depositado debe someterse a un proceso de recocido, en el que la oblea se calienta a varios cientos de grados y se deja permanecer en un horno (con una atmósfera inerte de hidrógeno o nitrógeno que fluye a través de él) durante períodos de hasta varias horas. Durante este tiempo, el metal y el semiconductor se unen químicamente para que los contactos no se desprendan.
- 8 Una sola oblea de 2 pulgadas de diámetro producida de esta manera tendrá el mismo patrón repetido hasta 6000 veces en ella; Esto da una indicación del tamaño de los diodos terminados. Los diodos se cortan separándolos (rompiendo la oblea a lo largo de un plano de cristal) o aserrándolos con una sierra de diamante. Cada segmento pequeño cortado de la oblea se llama dado. Un proceso difícil y propenso a errores, el corte resulta en mucho menos de 6000 LED utilizables totales y es uno de los mayores desafíos para limitar los costos de producción de dispositivos semiconductores.
Montaje y embalaje
- 9 Troqueles individuales están montados en el paquete apropiado. Si el diodo se usará solo como luz indicadora o para joyería, por ejemplo, está montado en dos cables metálicos de aproximadamente dos pulgadas de largo. Por lo general, en este caso, la parte posterior de la oblea está recubierta de metal y forma un contacto eléctrico con el cable en el que descansa. Se suelda un pequeño alambre de oro al otro cable y se une con alambre a los contactos estampados en la superficie de la matriz. En la unión de cables, el extremo del cable se presiona sobre el metal de contacto con una aguja muy fina. El oro es lo suficientemente suave como para deformarse y adherirse a una superficie metálica similar.
- 10 Finalmente, todo el conjunto está sellado en plástico. Los cables y la matriz están suspendidos dentro de un molde que tiene la forma correspondiente
Una luz indicadora LED típica muestra cuán pequeño es el LED real. Aunque la vida útil promedio de una bombilla pequeña es de 5-10 años, un LED moderno debería durar 100 años o más antes de que falle.
según los requisitos ópticos del paquete (con una lente o conector en el extremo), y el molde se llena con plástico líquido o epoxi. El epoxi está curado y el paquete está completo.
Control de calidad
La calidad en la fabricación de semiconductores toma dos formas. La primera preocupación es con el producto final producido, y la segunda con las instalaciones de fabricación. Cada LED se verifica cuando está unido por cable para las características de operación. Los niveles específicos de corriente deberían producir un brillo específico. El color de luz exacto se prueba para cada lote de obleas, y algunos LED se extraerán para pruebas de estrés, incluidas pruebas de por vida, descomposición de calor y energía, y daños mecánicos.
Para producir productos de manera consistente, la línea de fabricación debe operar de manera confiable y segura. Muchos de los pasos de procesamiento anteriores pueden automatizarse, pero no todos lo son. La limpieza general de la instalación y las obleas en blanco entrantes se monitorea de cerca. Se construyen instalaciones especiales (“salas limpias”) que mantienen el aire puro hasta una parte en 10,000 para pasos de procesamiento particulares (particularmente los números 1-5 anteriores). Todas estas comprobaciones surgen del deseo de mejorar el rendimiento, o la cantidad de LED exitosos por oblea.
El futuro
La optoelectrónica está floreciendo con la llegada de mejores y mejores técnicas de procesamiento. Ahora es posible hacer obleas con una pureza y uniformidad nunca antes vistas hace 5 años. Esto afectará cuán brillantes y cuán eficientes pueden ser los LED, y cuánto durarán. A medida que mejoran, son apropiados para aplicaciones cada vez más exigentes, como las comunicaciones. La vida útil promedio de una bombilla pequeña es de 5-10 años, pero el LED moderno promedio debería durar 100 años antes de la falla. Esto los hace adecuados para aplicaciones donde es difícil o imposible reemplazar piezas, como la electrónica submarina o exterior. Aunque los LED no son apropiados para la transmisión de fibra óptica de largo alcance, a menudo son útiles para la transmisión óptica de corto alcance, como controles remotos, comunicación de chip a chip o excitación de amplificadores ópticos.
Se están desarrollando otros materiales que permitirán la fabricación de LED de luz azul y blanca. Además de hacer posible una variedad más amplia de indicadores y juguetes con más colores, la luz azul es preferible para algunas aplicaciones, como el almacenamiento óptico y las pantallas visuales. La luz azul y blanca es más fácil para los ojos. Los colores adicionales sin duda abrirían nuevas aplicaciones.
Finalmente, a medida que avanza la tecnología de proceso y se hace posible incorporar más dispositivos en un solo chip, las pantallas LED se volverán más “inteligentes”. Un solo microchip contendrá toda la electrónica para crear una pantalla alfanumérica, y hará que la instrumentación sea más pequeña y sofisticada.
