DE1614846B2

DE1614846B2 - Halbleiterdiodenanordnung

Info

Publication number: DE1614846B2
Application number: DE1967T0034412
Authority: DE
Inventors: Manfred Dipl.-Phys. Dr. 7900 Ulm; Goldbach Günter DipL-Phys. Dr. 7106 Neuenstadt Börner
Original assignee: Telefunken Patentverwertungs GmbH
Current assignee: Telefunken Patentverwertungs GmbH
Priority date: 1967-07-26
Filing date: 1967-07-26
Publication date: 1976-09-23
Also published as: FR1572873A; DE1614846A1; US3614661A; GB1228989A

Description

Die Erfindung betrifft eine Halbleiterdiodenanordnung, bestehend aus mehreren lichtemittierenden oder lichtempfindlichen Dioden, die auf einem lichtdurchlässigen Trägerkörper so angeordnet sind, daß ihre PN-Ubergänge senkrecht zur Oberfläche des Trägerkörpers stehen, und die über den Trägerkörper mit einem weiteren optischen Element gekoppelt sind.

Aus der DT-AS 1234044 ist eine derartige HaIbleiterdiodenanordnung bekannt, bei der auf einem Lichtleiter lichtemittierende Dioden mit je einem PN-Übergang so angeordnet sind, daß die PN-Übcrgänge senkrecht zur Oberfläche des Lichtleiters verlaufen. Der Lichtleiter ist seinerseits auf einem stabform igen Laserkörper befestigt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Halbleiterdiodenanordnung anzugeben, bei der einzelne Lichtleiter gesondert angesteuert werden können und bei der die Dioden an verschiedene Lichtleiter angekoppelt werden können.

Diese Aufgabe wird bei einer Halbleiterdiodenanordnung der eingangs beschriebenen Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das weitere optische Element aus mehreren zu einem Kabel vereinigten Lichtfaserleitungen besteht, die mit ihren Stirnflächen an den Trägerkörper angeschlossen sind, und daß die Dioden derart auf dem Trägerkörper angeordnet sind, daß über jeder Lichtfaserleitung eine Diode vorhanden ist.

Die vorliegende Erfindung findet vor allem dann vorteilhafte Anwendung, wenn auf dem Trägerkörper eine Vielzahl räumlich voneinander getrennter planarer Laserdioden angeordnet sind.

Der Laserstrahl hat dank seiner Breitbandigkeit, durch die er praktisch einen theoretisch idealen Übertragungsträger bildet, mehr und mehr Interesse für einen Einsatz zur Nachrichtenübertragung gefunden. Zur Erzeugung des für die Nachrichtenübermittlung benötigten Laserstrahles eignen sich besonders Laserdioden, die auch als Injektionslaser bezeichnet werden.

Die Strahlung der Laserdioden rührt aus der Umgebung der Sperrschicht zwischen der N- und der P-

leitenden Zone des Halbleiterkörpers her, so daß der Laserstrahl die Diode in einer Richtung verläßt, die in der durch den PN-Übergang gebildeten Fläche liegt.

Es ist neuerdings der Vorschlag gemacht worden, den von einer Laserdiode ausgesandten Lichtstrahl in Lichtwellenfaserleitern zu übertragen. Die Übertragungseinrichtungen bestehen somit aus einer Laserdiode, einem Lichtwellenfaserleiter und einem Photoelement, durch das der Lichtstrahl wieder in elektrische Energie am Empfangsort umgewandelt wird. Der Lichtwellenfaserleiter hat den wesentlichen Vorteil, daß mit ihm eine beliebige Streckenführung möglich ist, da sich Lichtwellenfaserleiter praktisch allen Geländegegebenheiten anpassen lassen.

Durch die erfindungsgemäße Halbleiterdiodenanordnung ist es möglich, auf einfache Weise die einzelnen Lichtleiter eines Kabels aus Lichtleitern an jeweils eine Laserdiode anzukoppeln.

Die Erfindung soll im weiteren an Hand mehrerer Figuren näher beschrieben werden.

Fig. 1 zeigt eine Laserdiode auf einem isolierenden oder halb isolierenden lichtdurchlässigen Trägerkörper.

Fig. 2 zeigt die Anpassung einer Trägerplatte mit einer Vielzahl von Laserdioden an ein Kabel mit den Lichtwellenleitern.

Fig. 3 zeigt den Aufbau eines Kabels mit einer Vielzahl einzelner Lichtwellenleiter.

Fig. 4 zeigt, wie auf besonders vorteilhafte Weise die Laserdioden kontaktiert und mit elektrischen Anschlüssen versehen werden können.

An Hand der Fig. 5 bis 7 wird ein Verfahren zur Herstellung einer Vielzahl von Laserdioden auf einem Trägerkörper beschrieben, während an Hand der

Fig. 8 bis 10 ein anderes vorteilhaftes Herstellungsverfahren erläutert wird.

Fig. 1 zeigt einen Teil eines Trägerkörpers 1 und eine der darauf angeordneten Laserdioden. Der Trägerkörper besteht aus einem isolierenden oder halb isolierenden, lichtdurchlässigen Material. Hierfür eignet sich besonders hochohmiges Gallium-Arsenid oder einkristallines Aluminiumoxyd (Al₂O₃) das heißt ein Saphir. Auf dem Trägerkörper 1 befindet sich ein Halbleiterkörper 2, der sich aus einer N-Ieitenden Zone 3 und einer P-leitenden Zone 4 zusammensetzt. Der Halbleiterkörper besteht vorzugsweise aus einem Verbindungshalbleiter der III. und der V. Gruppe des periodischen Systems. Hierfür eignet sich beispielsweise Gallium-Arsenid. Zur Erfüllung der Laser-Bedingungen benötigt man einen hochdotierten PN-Übergang. Für die N-leitende Seite sind bei GaAs Tellurdotierungen von 5 ■ 10¹⁷ bis 3 ■ 10¹⁸ Störstellen/cm³ charakteristisch, während auf der P-leitenden Seite Zinkdotierungen bis zu 5 ■ 10¹⁹ Störstellen/cm³ auftreten.

Der im Halbleiterkörper verlaufende PN-Übergang 5 ist eben und verläuft senkrecht zu der die Diode tragenden Oberfläche des Trägerkörpers 1. Der Halbleiterkörper 2 ist auf seinen parallel zu der Oberfläche des Trägerkörpers verlaufenden Oberflächenseiten mit Schichten 6 und 7 versehen, die zusammen mit dem Halbleiterkörper einen Fabry-Perot-Resonator bilden.

Die reflektierenden Schichten 6 und 7 setzen sich aus jeweils mehreren Einzelschichten zusammen, die in Fig. 1 nicht im einzelnen dargestellt sind.

Der Fabry-Perot-Resonator kann auch dadurch gewonnen werden, daß die dem Halbleiterkörper 2 abgewandte Oberflächenseite 8 des Trägerkörpers 1 und die dem Trägerkörper abgewandte Oberflächenseite des Halbleiterkörpers mit reflektierenden Schichten versehen werden. Hierdurch wird der Trägerkörper in den Resonator einbezogen, so daß die Resonatorlänge künstlich vergrößert wird. Weiterhin besteht die Möglichkeit, die Oberflächenseiten des Halbleiterkörpers selbst als reflektierende Flächen zu

ίο verwenden.

Die beiden Zonen 3 und 4 des Halbleiterkörpers sind mit ohmschen Kontakten 9 und 10 versehen, über die die Diode so mit Strom versorgt wird, daß dieser die Diode zur Erzeugung eines Laser-Strahles in Durchlaßrichtung durchfließt.

Fig. 2 zeigt, wie die scheibenförmige Trägerplatte 1 auf vorteilhafte Weise mit dem Lichtleiterkabel 11 kombiniert wird. Das Lichtleiterkabel enthält

• nach Fig. 3 eine Vielzahl von Lichtwellenfaserleitungen 12, die beispielsweise aus Glas oder Quarz bestehen, und einen Durchmesser von einigen μπι besitzen. Die Lichtwellenleiter sind von einem lichtundurchlässigen Material umgeben oder sind in bekannter Weise als dielektrische Mehrschicht-Wellenleiter ausgebildet. An dem einen, in Fig. 3 dargestellten Ende des Kabels 12 wird nach Fig. 2 die Trägerplatte mit einer Vielzahl von Laserdioden 2 so aufgesetzt, daß dem PN-Übergang jeder Diode ein Lichtwellenfaserleiter zugeordnet ist, der von dem am PN-Übergang emittierten Laser-Lichtstrahl getroffen und optimal angeregt wird. An dem in den Fig. 2 und 3 nicht dargestellten Ende des Kabels 11 wird vorteilhafterweise eine der Trägerplatte !entsprechende Platte befestigt, die die Empfangsphotodioden trägt. Wenn der Laser-Lichtstrahl, wie dies bisher vorausgesetzt wurde, durch die Trägerplatte hindurch auf die Lichtwellenleiter trifft, darf die nach Fig. 1 auf der Trägerplatte angeordnete Schicht 6 des Fabry-Perot-Resonators nicht vollständig reflektierend sein, sondern der Laser-Lichtstrahl muß den Resonator nach einer bestimmten Anzahl von Reflexionen verlassen können. In diesem Fall besteht die andere Schicht 7 des Resonators aus einem 100% reflektierenden Material.
Fig. 4 zeigt eine vorteilhafte Kontaktierungsweise der Laserdioden. Auf einem Teilstück des Trägerkörpers 1 sind zwei würfelförmige Halbleiterkörper 2 mit jeweils einer N- und einer P-leitenden Zone dargestellt. Die N-leitende Zone 3 jeder Diode ist auf der dem Trägerkörper abgewandten Oberflächenseite des Halbleiterkörpers mit einer metallischen Elektrode ohmisch kontaktiert. Diese Elektrode hat die Form einer flächenhaften Leitbahn 13, die sich über die Halbleiteroberfläche und deren Seitenflächen auf den Trägerkörper 1 erstreckt. Auf dieser ersten Leitbahn befindet sich eine dielektrische Schicht 14, die zusätzlich den PN-Übergang an der Halbleiteroberfläche abdeckt. Auf der dielektrischen Schicht 14 ist dann die Leitbahn 15 angeordnet, durch die die P-leitende Zone 4 gleichfalls an ihren senkrecht zur Trägerober-.fläche verlaufenden Seitenflächen ohmisch kontaktiert wird. Bei diesem Aufbau der Leitbahnen erhält man eine an den Rand der Trägerplatte geführte Bandleitungsstruktur, über die eine Ansteuerung der Dioden bis zu sehr hohen Frequenzen (GHz.-Bereich) möglich ist. Durch Pfeile 16 ist in Fig. 4 die Austrittsrichtung der Laser-Strahlen durch die Trägerplatte hindurch angedeutet.

An Hand der Schnittdarstellungen der Fig. 5 bis

7 wird ein erstes Verfahren zur Herstellung der erfindungsgemäßen Dioden erläutert. Auf einen Trägerkörper 1 wird nach Fig. 5 eine erste dielektrische reflektierende Schicht 6 aufgebracht, die ihrerseits aus mehreren Einzelschichten bestehen kann. Auf diese Schicht 6 werden voneinander räumlich getrennte N-leitende Halbleiterbereiche 17 beispielsweise auf epitaktischem Weg unter Verwendung von Aufdampfmasken gebildet. Diese Halbleiterbereiche werden an ihrer Oberfläche mit einer amorphen Schutzschicht 18 bedeckt, die beispielsweise aus Süiziumdioxyd besteht. Danach werden die sich zwischen den N-leitenden Halbleiterbereichen 17 befindlichen freien Teile des Trägerkörpers - nach F i g. 6 - mit einem P-leitenden Halbleitermaterial 19 ausgefüllt. Hierzu eignet sich wiederum die epitaktische Abscheidung, wobei die amorphe Schutzschicht 18 eine Abscheidung auf den N-leitenden Halbleiterbereichen 17 verhindert. Anschließend wird die nunmehr zusammenhängende Halbleiterschicht aus einander abwechselnden N- und P-leitenden Bereichen - nach Fi g. 7 - so durch Sägen, Fräsen oder Ätzen aufgeteilt, daß räumlich voneinander getrennte Halbleiterbereiche 2 mit jeweils einer N- und einer P-leitenden Zone entstehen, wobei die PN-Übergänge senkrecht zur Oberfläche des Trägerkörpers verlaufen und der aus dem PN-Übergang tretende Laser-Lichtstrahl auf einen Lichtwellenleiter 12 des an die Trägerplatte angekoppelten Kabels 11 trifft. Auf der Oberfläche der einzelnen Dioden wird dann die Schutzschicht 18 durch eine zweite reflektierende Schicht 7 ersetzt und die einzelnen Zonen der Dioden werden mit ohmschen, zu Leitbahnen erweiterten Kontakten versehen, die vorzugsweise aufgedampft werden.

Ein weiteres Verfahren zur Herstellung der Laser-Dioden wird an Hand der Schnittdarstellungen der Fig. 8 bis 10 beschrieben. Auf einen Trägerkörper 1 wird eine erste dielektrische reflektierende Schicht 6 aufgebracht. Anschließend wird auf diese eine beispielsweise N-leitende Halbleiterschicht 20, deren Flächenausdehnung der des Trägerkörpers entspricht, epitaktisch abgeschieden. Durch die Bildung einer weiteren reflektierenden Schicht 7 auf der Halbleiterschicht 20 werden die Auf dampf- oder Abscheideprozesse beendet. Danach muß aus der Halbleiterschicht eine rasterförmige Struktur derart herausgeätzt oder herausgesägt werden, daß einzelne N-leitende Halbleiterbereiche entstehen. Setzt man voraus, daß das Material der reflektierenden Schichten und des Trägerkörpers undurchlässig für eine Dotierungssubstanz

ist, die im Halbleiterkörper P-Leitung hervorruft, bilden sich in einem nachfolgenden Diffusionsprozeß durch die seitliche Eindiffusion der Störstellensubstanz in dem Halbleiterkörper - nach der Fig. 9 P-leitende Zonen 21, die von dem ursprünglich N-leitenden Halbleitermaterial durch senkrecht zur Oberfläche des Trägerkörpers verlaufende PN-Übergänge 22 getrennt sind. Nun bedarf es nur noch eines weiteren Ätz- oder Sägeprozesses, damit - nach Fig. 3 auf der Trägeroberfläche einzelne Halbleiterbereiche 2 entstehen, die aus zwei durch einen PN-Übergang voneinander getrennten Halbleiterzonen bestehen. Die Diffusions- und Ätz- oder Sägeprozesse werden so gesteuert, daß der in jeder Diode 2vorhandene PN-Übergang 5 einem Lichtwellenleiter 12 des an die Trägerplatte angekoppelten Kabels 11 gegenüber so angeordnet ist, daß dieser durch den aus der Diode austretenden Laser-Lichtstrahl 16 optimal angeregt wird.

Bei den an Hand der Fig. 5 bis 10 beschriebenen Verfahrensweisen kann auch so vorgegangen werden, daß der Trägerkörper in den Resonator cinbezogen wird. Dann werden die Halbleiterbauelemente gemäß dem in den Ansprüchen 9 und 10 beschriebenen Verfahren unter Anwendung der Planartechnik hergestellt, wobei die dielektrische Schicht 6 an die den Halbleiterbauelementen abgewandte Oberflächenseite des Trägerkörpers verlegt wird.

Eine weitere Möglichkeit zur Herstellung der erf indungsgemäßen Halbleiterdiodenanordnung besteht darin, separat hergestellte Dioden mit planaren PN-Übergängen so auf einen Trägerkörper aufzukleben, daß die PN-Übergänge senkrecht zur Trägeroberfläche verlaufen.

Wesentlich ist bei der vorliegenden Halbleiteranordnung, daß unter Ausnutzung der bekannten Vorzüge der Planartechnik auf einem Trägerkörper eine Vielzahl Laserdioden untergebracht werden können, wobei zugleich jede Diode einen Lichtwellenleiter der in einem Kabel befindlichen beliebigen Zahl dicht benachbarter Lichtwellenleiter durch die ausgesandte Laserstrahlung anregt. Dadurch ist es möglich, Nachrichten, räumlich voneinander getrennt, auf einzelnen, einander benachbarten Kanälen weiterzuleiten. Die Verwendung planarer Halbleiterdioden, deren PN-Übergang senkrecht zur Oberfläche des die Diode tragenden Trägerkörpers verläuft, beschränkt sich nicht allein auf Laser-Dioden, sondern kann auch bei Photo- oder Lumineszenzdioden vorteilhafte Anwendung finden.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Halbleiterdiodenanordnung, bestehend aus mehreren lichtemittierenden oder lichtempfindlichen Dioden, die auf einem lichtdurchlässigen Trägerkörper so angeordnet sind, daß ihre PN-Übergänge senkrecht zur Oberfläche des Trägerkörpers stehen, und die über den Trägerkörper mit einem weiteren optischen Element gekoppelt sind, dadurch gekennzeichnet, daß das weitere optische Element aus mehreren zu einem Kabel vereinigten Lichtfaserleitungen besteht, die mit ihren Stirnflächen an den Trägerkörper angeschlossen sind, und daß die Dioden derart auf dem Trägerkörper angeordnet sind, daß über jeder Lichtfaserleitung eine Diode vorhanden ist.

2. Halbleiteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Dioden Laserdioden vorgesehen sind.

3. Halbleiteranordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Dioden auf ihrer dem Trägerkörper abgewandten Oberflächenseite und der Trägerkörper ganzflächig auf seiner den Dioden abgewandten Oberflächenseite mit die Strahlung reflektierenden Schichten versehen sind, die optische Resonatoren bilden.

4. Halbleiteranordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die die Strahlung reflektierenden Schichten als dielektrische Spiegel ausgebildet sind.

5. Halbleiteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Dioden aus auf dem Trägerkörper epitaktisch aufgewachsenem Halbleitermaterial bestehen.

6. Halbleiteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden der Dioden mit auf dem Trägerkörper verlaufenden Leitbahnen verbunden sind.

7. Halbleiteranordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß übereinander verlaufende Leitbahr.en auf dem Trägerkörper vorhanden sind, die durch eine dielektrische Zwischenschicht voneinander getrennt sind.

8. Halbleiteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Trägerkörper plattenförmig ausgebildet ist.

9. Verfahren zum Herstellen einer Halbleiteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß auf die eine Oberflächenseite eines einkristallinen Trägerkörpers eine Halbleiterschicht vom einen Leitungstyp epitaktisch aufgebracht wird, daß auf der epitaktischen Schicht eine Maskierungsschicht hergestellt wird, daß Teile dieser Maskierungsschicht und die unter diesen Teilen befindlichen Teile der Halbleiterschicht entfernt werden, daß die entfernten Teile der Halbleiterschicht durch Halbleitermaterial entgegengesetzten Leitungstyps mittels Epitaxie ersetzt werden und daß die Halbleiterschicht durch Entfernen von zwischen den PN-Übergängen befindlichem Halbleitermaterial in die einzelnen Dioden mit senkrecht verlaufenden und einzelnen Lichtfaserleitungen zugeordneten PN-Übergängen aufgeteilt werden.

10. Verfahren zum Herstellen einer Halbleiteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß auf die eine Oberflächenseite eines einkristallinen Trägerkörpers eine Halbleiterschicht vom einen Leitungstyp epitaktisch aufgebracht wird, daß auf der epitaktischen Schicht eine Maskierungsschicht hergestellt wird, daß Teile dieser Maskierungsschicht entfernt werden, daß in die freigelegten Teile der Halbleiterschicht bis zum Trägerkörper Störstellenmaterial eindiffundiert wird, welches in der Halbleiterschicht den zweiten Leitungstyp erzeugt und daß die Halbleiterschicht durch Entfernen von zwischen den PN-Übergängen befindlichem Halbleitermaterial in die einzelnen Dioden mit senkrecht verlaufenden und einzelnen Lichtfaserleitungen zugeordneten pn-Übergängen aufgeteilt wird.

11. Verfahren zum Herstellen einer Halbleiteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß Halbleiterdioden mit parallel zur Hauptfläche des Halbleiter.körpers verlaufenden PN-Übergängen hergestellt werden und daß diese Halbleiterdioden auf den Trägerkörper geklebt werden.