DE1275704B - Verfahren zum Herstellen von stimulierbaren einkristallinen Halbleiterdioden fuer optische Sender oder Verstaerker - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. Cl.:

HOIs

Deutsche Kl.: 21g-53/08

Nummer: 1275 704

Aktenzeichen: P 12 75 704.9-33 (St 21618)

Anmeldetag: 29. Januar 1964

Auslegetag; 22. August 1968

Die Erfindung betrifft ein Herstellungsverfahren für stimulierbare einkristalline Halbleiterdioden für optische Sender oder Verstärker aus Kristallscheiben, Welche senkrecht zu den Oberflächen gespalten werden.

Bei genügend starker Anregung des stimulierbaren Mediums werden einige seiner Atome zur Aussendung einer monokromatischen kohärenten optischen Strahlung angeregt.

Ein sogenannter optischer Sender oder Verstärker mit einer elektrolumineszenten Halbleiterdiode als stimulierbarem Medium besteht aus einem Halbleiterkristall, der zwei optisch ebene, parallele Flächen senkrecht zu einer pn-Grenzschicht aufweist. Beim Zuschneiden, Schleifen und Polieren des Kristalls ergeben sich insofern Schwierigkeiten, als die durch das Schleifen und Polieren entstandenen Verunreinigungen in die Oberfläche eindringen. Ferner ist das Polieren optisch ebener Oberflächen des für optische Sender verwendeten Halbleitermaterials so schwierig, da es sich um sehr kleine Körper handelt, deren Dicke zwischen den optisch parallelliegenden Oberflächen beispielsweise nur einen halben Millimeter beträgt. Durch das mit der Erfindung vorgeschlagene Herstellungsverfahren werden diese Schwierigkeiten vermieden.

Das Herstellungsverfahren von stimulierbaren Halbleiterdioden nach der Erfindung besteht darin, daß die eine Kristallebene bildende Oberfläche der Halbleiterscheibe vor dem Spalten optisch eben geschliffen wird, daß parallel zu dieser optisch ebenen Oberfläche eine pn-Grenzschicht erzeugt wird und daß schließlich die Halbleiterscheibe durch Druck eines Ritzstiftes gegen die optisch ebene Oberfläche rechtwinklig zur pn-Grenzschicht längs Kristallebenen gespalten wird, so daß zueinander planparallele, optisch ebene Flächenpaare der stimulierbaren Halbleiterdioden entstehen.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sollen nun im Zusammenhang mit den Figuren näher erläutert werden.

"F i g. 1 ist eine perspektivische Darstellung einer Scheibe eines Halbleiterkristalls, die eine pn-Grenzschicht aufweist. In dieser Figur werden einige Ebenen dieses Kristalls gezeigt;

F i g. 2 zeigt eine perspektivische Ansicht eines aus einer Halbleiterkristallscheibe abgespaltenen Stabes;

F i g. 3 stellt den im optischen Sender oder Verstärker verwendeten Halbleiterkristall perspektivisch dar.

In einem Einkristall, der frei von Blasen ist, gibt Verfahren zum Herstellen von stimulierbaren
einkristallinen Halbleiterdioden für optische
Sender oder Verstärker

Anmelder:

Deutsche ITT Industries
Gesellschaft mit beschränkter Haftung,
7800 Freiburg, Hans-Bunte-Str. 19

Als Erfinder benannt:

Christopher David Dobson, Harlow, Essex;

Albert Bernard Kaiser,

Sawbridgeworth, Hertfordshire (Großbritannien)

Beanspruchte Priorität:

Großbritannien vom 31. Januar 1963 (4050) --

es genau definierte Ebenen, die zueinander verschiedene Winkel aufweisen. Einige dieser Ebenen sind in der Kristallographie als (HO)- und (Uli-Ebenen bekannt und stehen rechtwinklig zueinander. Wenn ferner der Kristall in eine seiner Ebenen gespalten wird, dann sind die abgespaltenen Flächen optisch eben und verlaufen parallel zu jeder anderen in dieselbe Ebene abgespalteten Fläche. Wenn beispielsweise ein Kristall an verschiedenen Stellen seiner (110)-Ebene gespalten wird, dann sind alle abgespalteten Flächen optisch eben und liegen parallel zueinander und rechtwinklig zu den (Uli-Flächen.

Die Bearbeitung eines Halbleiterkörper für eine stimulierbare Halbleiterdiode in einem optischen Sender oder Verstärker beginnt mit der Herstellung einer Scheibe aus einem möglichst blasenfreien Ein-

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kristall. Die Scheibe 1 gemäß F i g. 1 wird zur Unterteilung in ihren größeren Ebenen 2 und 3 parallel zu der Ebene (111) geschnitten. Diese Fläche kann in bekannter Weise röntgenographisch festgelegt werden. Die Fläche 2 wird dann bis auf zehn Bogenminuten in bezug zur (lll)-Ebene optisch eben poliert. Dies ist relativ einfach, da die Scheibe eine beachtliche Oberfläche und Dicke im Verhältnis zu der kleinen Größe des endgültigen Bauteils aufweist.

Der nächste Vorgang betrifft die Durchdringung der Scheibe mit Aktivatormaterial (das Dotieren) derart, daß eine parallel zur Fläche 2 liegende pn-Grenzschicht 4 entsteht. Da die Fläche 2 genau geformt ist und in bezug zu der Fläche (111) exakt angeordnet, kann die Grenzschicht 4 ebenfalls genau parallel zur Fläche 2 angeordnet werden.

Nach Herstellen der pn-Grenzschicht wird die Scheibe 1 längs der Ebene (110) jeweils in Abständen von etwa Vamm gespalten. Die Spaltungslinien sind in der F i g. 1 mit 5, 6 und 7 bezeichnet. Die Spal- ao tung selbst erfolgt durch Druck eines scharfen Ritzstiftes, beispielsweise eines diamantenen Tonabnehmerstiftes, der gegen die optisch ebene Oberfläche 2 gedrückt wird. Die Scheibe liegt auf einer ebenen Oberfläche unterhalb des Stiftes, der in einer mit einer Schraubführung versehenen Spannvorrichtung angeordnet ist, so daß er einen gleichmäßigen Druck auf die Scheibe ausüben kann. Es ist erforderlich, das Werkzeug zum Abspalten nahe einer Kante der Scheibe bei den Punkten 19 und 20 anzusetzen, da der Kristall in drei, alle als vom Typ (110) bezeichneten Ebenen 5, 6 und 7 aufgespalten wird. Diese drei Ebenen weisen einen Winkel von 120° zueinander auf, aber sie stehen alle drei rechtwinklig zu der Ebene (111). Die drei Ebenen vom Typ (110) können als (110), (TlO) und (ITO) bezeichnet werden. Alle (HO)-, (TlO)- bzw. (lTO)-Ebenen sind jeweils zueinander parallel. Wenn das Werkzeug zur Abspaltung nahe der Kante angesetzt wird, dann wird der größte Teil der Scheibe längs der (HO)-Ebenen abgespaltet.

Die dadurch entstandenen streifenförmigen Blöcke 8 gemäß der F i g. 2 aus Halbleitermaterial weisen zwei optisch ebene Flächen 9 und 10 auf, die zueinander parallel sind und zu der optisch ebenen Fläche 11 und der pn-Grenzschicht 12 im rechten Winkel verlaufen. Die streifenförmigen Blöcke 8 werden dann in Würfel 13 und 14 zerschnitten, die jeweils den endgültigen Körper des stimulierbaren Mediums gemäß der F i g. 3 darstellen, der die erforderlichen parallelen und optisch ebenen Flächen 16 und 17 rechtwinklig zur Grenzschicht 18 aufweist. Die Basis 21 eines solchen Würfels ist an der nicht dargestellten Wärmeableitung angelötet, die zugleich als Elektrode dient. Die andere, nicht dargestellte Elektrode ist an der oberen Fläche 22 angebracht. Das Hindurchfließen eines elektrischen Stromes in Durchlaßrichtung durch die Halbleiterdiode über einem Schwellenwert veranlaßt die angeregten Atome, stimuliertes Licht auszusenden. Ein Teil dieses Lichtes ist in dem durch die Fläche 9 und 10 gebildeten optischen Resonator eingeschlossen. Die Intensität dieses Lichtes wird durch weitere, bei jedem Durchgang durch das überbesetzt angeregte Medium vor sich gehende Auslösung erhöht, bis eine beachtliche Verstärkung zustande gekommen ist. Das verstärkte Licht wird durch eine oder beide der Flächen 9 und 10 in Form eines flachen Strahles hoher Intensität ausgesendet. AJs Halbleitermaterial für eine solche Diode eignet sich Gallium-Arsenid (GaAs) vom n-Leitfähigkeitstyp. Die pn-Grenzschicht entsteht dadurch, daß man Zink in das Gallium eindringen läßt. Die Oberflächenrauhtiefe (die Unebenheiten in der Oberfläche) der Spaltflächen eines solchen möglichst blasenfreien Kristalls beträgt höchstens eine Zehntelwellenlänge des ausgesandten Lichtes.

Auch andere kristallographische Spaltverfahren können verwendet werden. Für Flächen vom (lOO)-Typ ergeben sich mehrere von zueinander senkrecht stehenden Flächen vom (HO)-Typ. Aus Flächen vom (HO)-Typ ergeben sich jedoch eine Anzahl von zueinander senkrecht stehenden Flächen des gleichen Typs.

Stimulierbare Halbleiterdiodenkörper können auch dadurch hergestellt werden, daß auch die übrigen Flächen des Gallium-Arsenid-Würfels aus Spaltflächen des Einkristalls gebildet werden. Ausgehend von einer (lll)-Oberfläche lassen sich außerdem triangel-, trapez-, Parallelogramm- und hexagonalförmige stimulierbare Medien oder zur optischen Verstärkung geeignete Resonatoren abspalten.

Auch Oberflächen, die nach der Art der (100)- bzw. (HO)-Ebenen bearbeitet sind, eignen sich zur Herstellung von rechteckigen optischen Resonatoren.

Claims (7)

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Herstellen von stimulierbaren einkristallinen Halbleiterdioden für optische Sender oder Verstärker aus Kristallscheiben, welche senkrecht zu den Oberflächen gespalten werden, dadurch gekennzeichnet, daß die eine Kristallebene bildende Oberfläche (2) der Halbleiterscheibe vor dem Spalten optisch eben geschliffen wird, daß parallel zu dieser optisch ebenen Oberfläche eine pn-Grenzschicht (4) erzeugt wird und daß schließlich die Halbleiterscheibe durch Druck eines Ritzstiftes gegen die optisch ebene Oberfläche rechtwinklig zur pn-Grenzschicht längs Kristallebenen gespalten wird, so daß zueinander planparallele, optisch ebene Flächenpaare (16, 17) der stimulierbaren Halbleiterdioden entstehen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die eine (lll)-Ebene bildende Oberfläche optisch eben geschliffen wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die eine (HO)-Ebene bildende Oberfläche optisch eben geschliffen wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die eine (lOO)-Ebene bildende Oberfläche optisch eben geschliffen wird.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Halbleitermaterial Gallium-Arsenid (GaAs) verwendet wird.

6. Verfahren nach den Ansprüchen 2 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß die eine Oberfläche einer Scheibe aus Gallium-Arsenid (GaAs) bis auf zehn Bogenminuten in bezug zur (lll)-Ebene bildende Oberfläche optisch eben poliert wird, daß die pn-Grenzschicht durch Diffusion von Zinkatomen hergestellt wird, daß die Scheibe in streif enförmige Blöcke in der (HO)-Ebene auf ge-

spalten wird und daß schließlich diese Blöcke in die einzelnen stimulierbaren Halbleiterdioden würfelförmig zerschnitten werden.

7. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß an eine parallel zur pn-Grenzschicht liegende Oberfläche ein Wärmeableiter angelötet wird.

In Betracht gezogene Druckschriften:

Französische Patentschrift Nr. 1306192; USA.-Patentschrift Nr. 2 978 804;

Journal of Applied Physics, Bd. 34, Nr. 1, Januar 1963, S. 235 bis 236;

Transistor Technology, Bd. 1,1958, G.T.Coman, Kapitel 13, insbesondere S. 319.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen