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Verfahren zur Herstellung von Laserdioden-Resonatorspiegeln.
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfah ren zur Herstellung
von Laserdioden-Resonatorspiegeln, wie es im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegeben
ist.
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Laserdioden, auch als Halbleiterlaser bezeichnet, sind hinlänglich
bekannt. Es gibt eine Anzahl verschiedener Ausführungsformen, wobei es bei diesen
darauf ankommt, einenmöglichst niedrigen Schwellenstrom zu erreichen und/oder die
Erzeugung der Laserstrahlung im Halbleiterkörper auf einen schmalen Streifenbereich
zu beschränken. In diesem Zusammenhang sind Buried-Heterostruktur-Laser als indexgeführte
Laser und Laser mit aktiver Wellenführung, hervorzuheben. ueblich ist ein Aufbau
für Laserdioden, der bis zu vier übereinanderliegenden Schichten haben kann, wozu
z.B. insbesondere der Gallium-Aluminiumarsenid-Heterostruktur-Laser gehört. In diesem
Zusammenhang ist auch der Begriff des (GaAl)As-Oxidstreifenlaser zu nennen, der
einen ausgereiften Entwicklungsstand hat und bei dem ein streifenförmiger stromführender
Kontakt zu lateraler Wellenführung im Laser führt.
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Generell haben Diodenlaser für die Realisierung des notwendigen Resonators
einander gegenüberstehende, die Strahlung jeweils in sich zurückspiegelnde Spiegelflächen,
wobei bei Diodenlasern diese Spiegelflächen durch die Grenzflächen des Halbleitermaterials
gebildet werden.
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Hohe Qualität der Spiegelflächen gewährleistet dabei
hohe
Güte des Laserresonators und trägt wesentlich mit dazu bei, einen niedrigen Schwellenstrom-Wert
(für das Einsetzen der Laseremission) zu erreichen.
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Für die bisherige Herstellung dieser Spiegelflächen wurde der günstige
Umstand ausgenutzt, daß III-V-Halbleitermaterial, zu dem das erwähnte Galliumarsenid
gehört, sich entlang der (110)-Flächen spalten läßt.
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Beim Zerteilen einer Scheibe aus einem solchen Halbleitermaterial
in die die einzelnen Laserdioden bildenden Einzelchips entsShenweitgehend exakte,
hochwertige Spiegelflächen. Die Ausnutzung dieses Vorteils bedeutet aber, daß die
Scheibe aus Halbleitermaterial, aus der eine Vielzahlv#n Laserdioden erzeugt wird,
bereits zu einem sehr frühen Stadium des Gesamtherstellungsprozesses zerteilt werden
muß, was dazu führt, daß die weiteren notwendigen Arbeitsschritte, wie z.B. die
Spiegelpassivierung und die Funktionakontrolle, dann erheblichen Aufwand mit sich
bringen.
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Es ist daher eine neue Aufgabe auf dem Gebiet der Herstellung von
Laserdioden, qualitativ hochwertige Laserresonatorspiegel für die Laserdioden in
der Weise herzustellen, daß dazu keine vorherige Zerteilung der großflächigen Halbleiterscheibe
(wafer) erforderlich ist, auf bzw. in der eine Vielzahl von Laserdioden gleichzeitig
hergestellt wird. Die Aufgabe ist somit, ein planartechnisches Herstellungsverfahren
für Laserdioden zu finden, das die planartechnische Herstellung der Spiegel und
auch deren Passivierung sowie auch der Funktionskontrolle ermöglicht.
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Diese Aufgabe wird mit einem Herstellungsverfabren nach dem Oberbegriff
des Patentanspruchs 1 erfindungsgemäß mit den Verfahrensschritten des Kennzeichens
des Patent-
anspruchs 1 gelöst. Weitere Ausgestaltungen und Weiterbildungen
der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen hervor.
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Dem Auffinden des erfindungsgemäßen Verfahrens gingen jahrelange Versuche
der Erfinder voraus, die erst schrittweise zu befriedigenden Ergebnissen führten.
Es wurde versucht, die für die Laserresonatoren notwendigen Spiegelflächen, die
senkrecht zur Oberflächenebene der Halb leiterscheibe (wafer) stehen, mit Hilfe
eines der zahlreichen angewendeten naßchemischen Ätzverfahrens herzustellen. Es
mußte aber erkannt werden, daß aufgrund der Anisotropie der (GaAl )As-GaAs-Mischkristallschichtfolge
zu stark anisotrope Ätzreaktionen auftraten und nur unzulängliche Ergebnisse erbrachte
Es wurden auch andere Versuche mit Trockenätzverfahren durchgeführt. Erfolg brachte
endlich das im Patentanspruch 1 angegebene Verfahren. Das Ergebnis dieses Verfahrens
führte nicht nur zu ausgeze#et guten Laserresonator-Spiegeln an den Gallium-Aluminiumarsenid-Mischkristallschichtfolgen,
sondern ermöglichte in besonx ders Ubaras#i#d vorteilhafter Weise auch eine ausgezeichnete
Passivierungsbeschichtung der erzeugten Spiegelflächen, und zwar ebenfalls im Rahmen
der Planartechnobogie an der noch unzerteilten Halbleiterscheibe.
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An das im Vakuum durchzuführende, erfindungsgemäß anzuwendende Trockenätzverfahren
mit neutralisiertem Ionen strahl schließt sich entsprechend einem weiteren Schritt
des
erfindungsgemäßen Verfahrens unmittelbar folgend, d.h. noch in demselben Vakuum,
das Verfahren der Beschichtung mit der Passivierungsschicht an. Die Tat-.
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sache, daß beim erfindungsgemäßen Verfahren die gerade erzeugten Spiegelflächen
vor ihrer Passivierungsbeschich tung überhaupt nicht mit der Atmosphäre in Berührung
kommen, läßt besonders hochwertige Passivierung erreichen. Es tritt keinerlei störende
zwischenzeitliche Oxidation der Spiegelflächen auf.
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Beim erfindungsgemäßen Verfahren werden zur Abtragung des Halbleitermaterials
Teilchen (Atome) verwende-t, die zuvor als Ionen beschleunigt - und dann in einer
Elektronenquelle neutralisiert worden sind, ohne dort ihre kinetische Energie zu
verlieren.
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Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren konnte erreicht werden, daß keine
Strukturierungen beim fortschreitendem Ätzen der einzelnen Schichten der Mehrschichtfolgen
entstehen.
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Im Rahmen der Erfindung war es notwendig, nicht nur ein geeignetes
Ätzverfahren aufzufinden, sondern auch ein angepaßtes geeignetes Verfahren zur Spiegelpassivierung
mit zu integrieren. Unter den zahlreichen Möglichkeiten erwies sich eine Sekundärionen-Besputterung
als im Rahmen der Erfindung vorteilhaftestes Verfahren.
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Das oben erwähnte, erfindungsgemäß angewendete Trockenätzverfahren
mit neutralisiertem Ionenstrahl hatte sich zunächst ebenso wenig brauchbar erwiesen
wie die anderen oben erwähnten untersuchten Verfahren. Erst ein noch weiterer Schritt
führte zum wirklichen Erfolg, nämlich den neutralisierten Ionenstrahl in einen Winkel
schräg
zur Oberfläche der Halbleiterscheibe einfallen zu lassen.
Die Atzwirkung senkrecht einfallender neutralisierbr Ionenstrahlung erwies sich
nämlich (ebenfalls) als mangelhaft und wurde auch zunächst als ebenfalls unbrauchbar
verworfen. Es konnte aber dann festgestellt werden, daß diese Ätzanisotropie durch
den bereits erwähnten schrägen Einfall beseitigt werden konnte, wobei für das Maß
des optimalen Winkels am einfachsten Vorversuche durchzuführen sind. Zum Beispiel
kommen Winkel von etwa 200 bis 400 in Betracht, wobei dieser Winkel zwischen der
Einfallsrichtung der lonenstrahlung und der Normale der bzw. Senkrechten auf der
Halbleiteroberfläche gemessen ist. Mit diesem schrägen Winkel konnte einer lateralen,
d.h. in zur Scheibenebene parallelen, Richtung erfolgenden Ätzabtragung der für
das Ionenätzverfahren verwendeten (auf der Scheibenoberfläche befindlichen) Maske
entgegengewirkt werden.
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Die Erfindung führt mindestens zu den bisherigen Ergebnissen. Insbesondere
ist die Winkelgenauigkeit der zur Scheibenoberfläche senkrechten Lage der Spiegelflächen
sehr hoch. Die Winkelabweichung liegt unterhalb von 2° , denn bereits eine solche
Winkelabweichung von der Resonatorlängsachse führt zu einer schon erheblichen Schwellenstrom-Erhöhung,
die bei nach der Erfindung hergestellten Dioden nicht festgestellt wurde. Die nach
der Erfindung erzeugten Spiegelflächen sind derart eben, daß etwaige Unebenheiten
noch unterhalb von Bruchteilen der Wellenlänge liegen, d.h. unterhalb zum sind.
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Anderenfalls würden nämlich Störungen im Laserresonator auftreten.
Mit der Erfindung ließen sich ausreichend große Spiegelflächen mit z#B. ca. 10/um
Breite erzeugen. Insbesondere lassen sich nach der Erfindung Spiegel erzeugen, die
wenigstens 4/um, im
Regelfall sogar bis zu 10/um, tief in die Halbleiterscheibe
hereinreichen. Dies gewährleistet bei der fertigen Laserdiode, d.h. nach Zerteilung
der Scheibe, einen ungehinderten Strahlaustritt (worauf noch einzugehen sein wird).
Mit der Erfindung lassen sich im übrigen Laserresonatoren für Laserdioden mit einer
derart geringen Resonatorlänge von z.B. nur10/um herstellen, was - soweit bekannt
- nach anderen Verfahren noch nie erreicht werden konnte. Der vorliegenden Erfindung
ist des weiteren der Vorteil immanent, daß ihre Anwendung keinen nachteiligen Einfluß
auf die sonstigen Struktureigenschaften des Diodenlasers hat.
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Weitere Erläuterungen der Erfindung gehen aus der nachfolgenden, anhand
der beigefügten Figuren gegebenen Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung
hervor.
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Es zeigen Fig.1 die Schnittdarstellung einer Seitenansicht des Schichtaufbaues
einer Halbleiterscheibe, aus der nach Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens
eine Vielzahl von Laserdioden durch Zerteilen hergestellt wird, Fig.2 eine zur Fig.1
um nahezu 90° gedrehte perspektivische Ansicht mit teilweiser Schnittdarstellung,
Fig.3 der Fig.2 entsprechende Ansichten weiter fortge-und 4 schrittener stadien
des erfindungsgemäßen Verfahrens, Fig.5 ein weiteres Stadium eines erfindungsgemäßen
Verfahrens, wobei die Darstellung aus einer gegenüber
den Fig.2
bis 4 um ein geringes Winkelmaß geschwenkten Richtung gesehen ist, Fig. eine Variante
des erfindungsgemäßen Verfahrens und Fig. 6 eine Prinzipdarstellung für die Funktionsüberprüfung
der noch im Verband der Scheibe befindlichen Diode.
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Fig.1 zeigt in Seitenansicht den Schichtaufbau für eine bekannte Laserdiode
mit Heterostruktur. Mit 2 ist der in der Figur dargestellte Anteil der als Substrat
dienenden Halbleiterscheibe bezeichnet. Auf deren Oberfläche befindet sich eine
erste, beispielsweise N-dotierte Schicht 3 und darauf eine weitere, schwach N-dotierte
Schicht 4. Weiter folgt eine dritte, P-dotierte Schicht 5 und weiter bei diesem
Beispiel eine vierte Halbleiterschicht 6, die mit der Schicht 5 entgegengesetztem
Leitungstyp, also N-dotíert ist. Die abschließende Schicht 7 ist eine Metallschicht,
die die spätere Gegenelektrode zum Substratanschluß 2 bildet. Mit 8 ist ein nach
fotolithografischem Verfahren erzeugtes Diffusionsgebiet bezeichnet, das bei der
hier angegebenen Wahl des betreffenden Leitungstyp der Schichten P++-dotiert ist,
z.B. mit Zink.
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Wie aus der zur Seitenansicht der Fig.1 um 90° gedrehten Seitenansicht
der Fig.2 zu ersehen ist, hat dieser Diffusionsbereich 8 eine Streifenform. Er bestimmt
die Streifenform bzw. den streifenförmigen Bereich, in dem Laseraktivität bzw. Laseremission
in der Schichtfolge (vorzugsweise in der Ebene der Schicht 4) auftritt. Mit der
streifenfxrmigen Eindiffusion 8 ergibt sich somit eine Streifen-Laserdiode.
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Die Fig.2 zeigt einen Zeitpunkt des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens,
in dem sich auf der obersten (Metall-)Schicht 7 eine Schicht 11 aus Fotolack mit
mindestens 3/um (vorzugsweise nicht mehr als 7 bis 10/um) Dicke befindet. Durch
einen fotolithograf-ischen Prozeß ist bereits ein Streifen 12 der Oberfläche der
Schicht 7 freigelegt, wobei die beiden einander gegenüberliegenden Ränder 13 und
14 dieses Streifens 8 möglichst exakt rechtwinklig zum Streifen der Eindiffusion
8 verlaufen.
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Fig.3 zeigt im Vergleich zur Fig.2 einen zeitlich fortgeschrittenen
Zustand des erfindungsgemäßen Verfahrens, nämlich den Zustand, in dem mit Hilfe
der schräg einfallenden neutralisierten Ionenstrahlen 21 ein streifenförmiger #raben22durch
die Schichten 3 bis 7 hindurchgeätzt worden ist. Die durch dieses Ätzen erzeugte
Seitenwand 23 der Schichtfolge 3 bis 7 ist eine nach der Erfindung herzustellende
Laserresonator-Spiegelfläche.
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Diese Fläche 23 hat bei Einhaltung der erfindungsgemä-Ben Vorschriften
und insbesondere bei schrägem Einfall der Ionenstrahlen 21 höchste geforderte Qualität
als Resonatorspiegel. Die Ionenstrahlen 21 läßt man mit relativ geringem Winkel
cl. senkrecht zur Oberfläche der als Substrat 2 dienenden Halbleiterscheibe einfallen.
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Bezogen auf die Normalenrichtung der zu erzeugenden Spiegelfläche
23 fällt diese Ionenstrahlung 21 mit einem Winkel ein, der dementsprechend erheblich
verschieden von 90° ist. Für den Winkel α haben sich vorteilhafte Werte von
200 bis 400 ergeben. Die Fläche 23 wird dann sofort anschließend durch Aufsputtern
von z.B.
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Al203 mit der Schutzschicht 123 versehen.
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Fig.4 zeigt einen weiter fortgeschrittenen Zustand einer Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Verfahrens, in dem der Bereich mit dem in Fig.3 gezeifflten
Graben 22 und der
schon erzeugten einen Spiegelfläche 23 wieder
mit Fotolackschicht 31 bedeckt ist, die einen vergleichsweise zum Streifen 12 freien
Streifen 32 hat.
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Die Fig,5 zeigt schließlich den Zustand, in den wie in Fig.3 ein zweiter
Graben 52 hereingeätst wird. Dies erfolgt wiederum mit schräggerichteter neutralisierter
lonenstrahlung 51 . Es wird damit eine zweite Spiegelfläche 53 erzeugt. Diese Spiegelfläche
53 bildet zusammen mit der Spiegelfläche 23 jeweils einen Laserresonator für eine
Jeweilige Laserdiode 60, 61 ... . Ebenso wie die Fläche 23 wird die Fläche 53 sofort
anschließend mit der Schutzschicht 153 versehen.
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Den Spiegelflächen 23 und 53 Jeweils gegenüberliegend entstehen in
den Fig.3 und 5gegebenenfalls nur als vordere Kante sichtbare Flächen 91 und 92,
die für aus der Laserdiode ausgetretene Laserstrahlung gut spiegelnd sind.
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Die schematische Darstellung der Fig.6 zeigt, wie der bei Inbetriebnahme
einer Laserdiode durch die Spiegelflächen 23 und 53 hindurchtretende Laserstrahlungsanteil
durch die Spiegelflächen 91 und 92 umgelenkt wird und von einem jeweiligen Detektor
93 aufgenommen werden kann.
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Es kann damit die Funktion der Laserdioden 60, 61 überprüft werden,
und zwar noch ehe diese Laserdioden aus dem Verband im ganzen Substrat 2 bzw. in
der Halbleiterscheibe herausgetrennt worden ist. Damit läßt sich die Überprüfung
der hergestellten Laserdioden in sehr vereinfachter Weise durchführen und den Anforderungen
nicht entsprechende Dioden können nach dem Zerteilen des Substrats 2 sofort ausgesondert
werden. Nach dem Stand der Technik ist nämlich die Überprüfung erst an den herausgetrennten
Dioden durchgeführt worden, wobei diese wegen ihrer winzigen Größe dann erst montiert
sein mußten.
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Fig.7 zeigt eine schematische Darstellung des Prinzips, wie gemäß
einer vorteilhaften Variante des erfindungsgemäßen. Verfahrens die jeweils zwei
einander gegenüberstehenden Spiegelflächen 23 und 53 gleichzeitig geätzt werden
können.
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Ausgehend von der Fig.2 erhält die Fotolackschicht 11 gleichzeitig
die freien Streifen 12 und 32. Das Substrat wird - bezogen auf die dargestellte
Richtung der neutralisierten Ionenstrahlung 21 - für diese Weiterbildung der Erfindung
in wie dargestellter Schräglage mit dem Winkel #5( angeordnet, d.h. zwischen der
Normalen der Oberfläche des Substrats 2 und der Richtung der Strahlung 21 liegt
wieder der günstigste Winkel u vor. Das Substrat 2 mit den darauf befindlichen Schichten
läßt man nun um die in der Fig.7 angegebene, zur Strahlung 21 parallele Achse 65
rotieren. Das Substrat kommt dabei auch in die lediglich gestrichelt angedeutete
entgegengesetzte Schräglage, wieder mit dem Winkel cc . Wie eraichtlich, kann mit
der Ionenstrahlung 21 im Verlauf der Rotation um die Achse 65 gleichzeitig die Spiegelfläche
23 und die Spiegelfläche 53 durch Ätzen erzeugt werden.
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Wie bereits oben erwähnt, erfolgt dieses Ätzen mit neutralisiertem
Ionenstrahl im Vakuum. Wie ebenfalls bereits oben erwähnt, wird noch im selben Vakuum
die jeweilige Passivierungsschicht 123, 153 auf. die Flächen 23 (und 53) aufgebracht.
Auch bei der Verfahrensvariante nach Fig.7 kann dies in der Weise erfolgen, daß
man die zum Ätzen benötigte Ionenstrahlung 21 abschaltet und dann statt dessen die
Sekundärionen-Sputterstrahlung 66 (in der Fig.7 gestrichelt dargestellt) einsetzen
und solange in Betrieb läßt, bis die gewünschte Schichtdicke der Passivierung auf
den Spiegelflächen 23 während fortgesetzter Rotation 65 erreicht ist. Die Funktionskon-
trolle
kann hier zB. über reflektiertes Streulicht erfolgen.
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Die Verwendung von Fotolack für die Schichten 11, 31 hat sich als
technologisch besonders vorteilhaft erwiesen. Daran angepaßt empfiehlt es sich,
das Ätzverfahren mit neutralisierten Ionen durchzuführen, deren Beschleunigungsenergie
500 eV nicht übersteigt. Auch ist es günstig, die Ätzstrahlintensität auf einen
Wert zu beschränken, der einer Stromdichte on (maximal)0,5 bis 1 m #entspricht.
Damit erfolgt noch keine störende Beschädigung des Fotolackes und auch nachteiliges
damage des Halbleitermaterials in den Spiegelflächen. Besonders vorteilhaft ist
es, zum Ende des Ätzverfahrens für etwa die letzten 5 min die Beschleunigungsspannung
zu reduzieren, z.B auf 300 eV, womit die Gefahr eines damage noch weiter vermindert
wird. Man erkennt dies insbesondere an nicht feststellbarer Alterung erfindungsgemäß
hergestellter Laserdioden.
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Zur Passivierungsschicht 123 bzw. 153 ist noch zu erwähnt gen, daß
diese im wesentlichen jeweils nur auf den Flächen 23, 53 verbleibt und an anderen
Stellen der Dioden 60, 61 ... mit Wiederentfernen des Fotolackes 11, 31 abgehoben
und beseitigt wird.
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Die Zerteilung der Halbleiterscheibe bzw. des Substrats 2 in die einzelnen
Laserdioden 60, 61 ... erfolgt dann entlang der in Fig. 5 gezeigten Linien 63 und
entlang der Graben 22 und/oder 52. Bei Zerteilung nur entlang der Graben 22 oder
nurAentlang der Graben 52 verbleibt jeweils ein entsprechend weiterer Anteil 160
der ursprünglichen Halbleiterscheibe 2 an der Laserdiode 60, 61 Diese Möglichkeit,
die auf dem Umstand beruht, daß bei der Erfindung die Spiegelflächen 23, 53 nicht
wie üblich
durch Brechen erzeugt sind, bringt weitere Vorteile.
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Zum einen bleibt eine nach der Erfindung mit Spiegeln versehene Laserdiode
60, 61 ... selbst bei kürzester Resonatorlänge, d.h. bei nur geringem Abstand zwischen
den Spiegelflächen 23 und 53 ein und desselben Resonators, durch den anhängenden
Anteil 160 weiterhin gut handhabbar.
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In Fig.5 ist mit 63 auf eine auch noch an anderen Stellen beschriebene
Teilung der den Verband der einzelnen Laserdioden 60, 61... bildenden Halbleiterscheibe
hingewiesen.
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Die Teilung entlang einer jeweiligen Trennungslinie 63 kann z.B. durch
Sägen mit einer Diamantsäge erfolgen.
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Vorteilhafter im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist-es jedoch,
diese Teilung schließlich durch Brechen vorzunehmen, wozu vorher von der (in den
Figuren) oberen ~Fläche her eine entsprechende Vielzahl von orthogonal zu den Gräben
22 bzw. 52 verlaufender zusätzlicher Gräben (entlang den Trennungslinien (63) erzeugt
wird. Diese zusätzlichen Gräben können vorzugsweise fotolithografisch mit Ätzen
erzeugt werden, und zwar insbesondere jeweils gleichzeitig mit der Fotolithografie
und dem Ätzen 21, 51 entsprechend den Fig.3 und 5. Für das anschließende Brechen
kann es schon ausreichend sein, wenn diese zusätzlichen Gräben (entlang 63) weniger
tief geätzt werden als die Gräben 22 und 52. Auf jeden Fall wird dabei aber schon
im vorhandenen Verband der Laserdioden 60, 61... die Metall-Kontaktschicht 7 auch
in der zweiten orthogonalen Richtung verteilt, so daß eine jede Laserdiode 60, 61...
schon im Verband ihren eigenen, aus der ursprünglichen Schicht 7 entstandenen Metallkontakt
hat. Die Laserdioden 60,61...
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können damit noch im mechanischen Verband mit allen übrigen Laserdioden
befindlich, d.h. noch vor dem Brechen -z.B. für die Funktionsprüfung - elektrisch
bereits einzelt mit elektrischer Spannung kontaktiert werden.