JPH02229487A - 多重量子井戸型半導体発光素子 - Google Patents
多重量子井戸型半導体発光素子Info
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- JPH02229487A JPH02229487A JP1051123A JP5112389A JPH02229487A JP H02229487 A JPH02229487 A JP H02229487A JP 1051123 A JP1051123 A JP 1051123A JP 5112389 A JP5112389 A JP 5112389A JP H02229487 A JPH02229487 A JP H02229487A
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- Led Devices (AREA)
Abstract
(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。
め要約のデータは記録されません。
Description
【発明の詳細な説明】
〔産業上の利用分野〕
本発明は多重量子井戸型半導体発光素子に関する.
〔従来の技術〕
半導体多層薄膜を活性層として有する多重量子井戸型半
導体レーザは、通常のダブルへテロ(DH)構造半導体
レーザと比べて、低しきい値電流,高い特性温度,挟線
幅,変調時のスペクトル拡がりが少ない等の優れた特性
を有している.その1つとして、AT&T Bell
研究所のDuttu等は、アプライド・フィジックスレ
ターズ誌(Appl.Phys.Lett.,vol.
46 、P1036 〜1038)において、多重量子
井戸型半導体レーザについて、報告を行い、このレーザ
は低しきい値電流,高効率,高い特性温度等の優れた特
性を持っていることを実験により明らかにした.また逸
見等は昭和63年度電子情報通倍学会秋貴全国大会(昭
和63年度電子情報通倍学会秋期全国大会予稿集、分冊
B−1,B−396)において、多重量子井戸型半導体
レーザを用いた伝送実験について報告を行い、2.4G
b/s,100}amの長距離伝送実験を行い、同時に
、このレーザは、変調時のスペクトル拡がりが少ないこ
とを示した。
導体レーザは、通常のダブルへテロ(DH)構造半導体
レーザと比べて、低しきい値電流,高い特性温度,挟線
幅,変調時のスペクトル拡がりが少ない等の優れた特性
を有している.その1つとして、AT&T Bell
研究所のDuttu等は、アプライド・フィジックスレ
ターズ誌(Appl.Phys.Lett.,vol.
46 、P1036 〜1038)において、多重量子
井戸型半導体レーザについて、報告を行い、このレーザ
は低しきい値電流,高効率,高い特性温度等の優れた特
性を持っていることを実験により明らかにした.また逸
見等は昭和63年度電子情報通倍学会秋貴全国大会(昭
和63年度電子情報通倍学会秋期全国大会予稿集、分冊
B−1,B−396)において、多重量子井戸型半導体
レーザを用いた伝送実験について報告を行い、2.4G
b/s,100}amの長距離伝送実験を行い、同時に
、このレーザは、変調時のスペクトル拡がりが少ないこ
とを示した。
多重量子井戸型半導体レーザにおいては、その量子効果
をより顕著なものにするためにはウェル層とバリア層と
のエネルギー差を大きくすることが有効である。例えば
、波長1.55μm帯の多重量子井戸型半導体レーザを
考えた場合、第4図(a)に示すように、I n,),
53G a.).47A s層をウェル層4、InP層
をバリア層5とする組み合せが、エネルギー差が最も大
きく、より顕著な量子効果を期待することができる。ウ
ェル層厚バリア層厚の具体的な値としてはともに100
人とすることにより波長1,55μm付近での発振が可
能となる。このような多重量子井戸型半導体レーザの活
性層における伝導帯のエネルギーバンド構造を第4図(
b)に示す。しかしながらレーザとして動作させる場合
、活性層3に、均一にキャリアが注入されるのが望まし
いのだが、エネルギーバンドを上述の構造(第4図(b
))にした場合、キャリアを各ウェル層4に均一に注入
することは困難である。すなわち、例えば、n型InP
クラッド層(第4図(a)の場合はInPバッファ層2
)より注入された電子は、活性層に達し、各ウェル層に
は、トンネル効果,拡散効果,ドリフト効果等によって
電子が注入されることが考えられるが、多重量子井戸型
半導体レーザにおいては、バリア層5の影響により各ウ
ェル層4における電子密度がn型クラッド層付近のウェ
ル層で高く、p型クラッド層に近づくにつれて低くなる
。
をより顕著なものにするためにはウェル層とバリア層と
のエネルギー差を大きくすることが有効である。例えば
、波長1.55μm帯の多重量子井戸型半導体レーザを
考えた場合、第4図(a)に示すように、I n,),
53G a.).47A s層をウェル層4、InP層
をバリア層5とする組み合せが、エネルギー差が最も大
きく、より顕著な量子効果を期待することができる。ウ
ェル層厚バリア層厚の具体的な値としてはともに100
人とすることにより波長1,55μm付近での発振が可
能となる。このような多重量子井戸型半導体レーザの活
性層における伝導帯のエネルギーバンド構造を第4図(
b)に示す。しかしながらレーザとして動作させる場合
、活性層3に、均一にキャリアが注入されるのが望まし
いのだが、エネルギーバンドを上述の構造(第4図(b
))にした場合、キャリアを各ウェル層4に均一に注入
することは困難である。すなわち、例えば、n型InP
クラッド層(第4図(a)の場合はInPバッファ層2
)より注入された電子は、活性層に達し、各ウェル層に
は、トンネル効果,拡散効果,ドリフト効果等によって
電子が注入されることが考えられるが、多重量子井戸型
半導体レーザにおいては、バリア層5の影響により各ウ
ェル層4における電子密度がn型クラッド層付近のウェ
ル層で高く、p型クラッド層に近づくにつれて低くなる
。
さらに、ホールについても同様な現象が生じるため、結
果として、低しきい値特性等の多重量子井戸型半導体レ
ーザの持つ優れた特性を十分に引き出せなくなる。この
ような現象を防ぐために、北村は中心のウェル層厚を大
きくして、拡散,ドリフト効果によりバリア層を越えて
注入されるキャリアの注入効率を高め、一方クラッド層
付近に近づくにつれ、ウェル層厚を小さくすることによ
りキャリアの注入効率を低くし、クラッド層付近でのキ
ャリアの集中を抑制したポテンシャル構造を特願昭61
−7302239号にて提案している。
果として、低しきい値特性等の多重量子井戸型半導体レ
ーザの持つ優れた特性を十分に引き出せなくなる。この
ような現象を防ぐために、北村は中心のウェル層厚を大
きくして、拡散,ドリフト効果によりバリア層を越えて
注入されるキャリアの注入効率を高め、一方クラッド層
付近に近づくにつれ、ウェル層厚を小さくすることによ
りキャリアの注入効率を低くし、クラッド層付近でのキ
ャリアの集中を抑制したポテンシャル構造を特願昭61
−7302239号にて提案している。
しかしながらこのポテンシャル構造では、各ウェル層に
おける基底量子レベルがウェル層厚の狭い所では高く、
ウェル層厚の広い所では低くなるため、ゲインカーブが
広がってしまい利得が低くなる。
おける基底量子レベルがウェル層厚の狭い所では高く、
ウェル層厚の広い所では低くなるため、ゲインカーブが
広がってしまい利得が低くなる。
本発明の目的は上述の問題点を解決し、量子効果が顕著
に現われ、キャリアの注入効率が高く、諸特性の向上し
た多重量子井戸型半導体発光素子を提供することにある
. 〔課題を解決するための手段〕 本発明では半導体多層薄膜から成る多重量子井戸構造を
活性層として有する多重量子井戸型半導体発光素子にお
いて、前記活性層を構成するウェル層厚が活性層の両端
のクラッド層近傍よりも活性層の中央部分に近づくにつ
れ厚くなり、さらに、各ウェル層において、遷移エネル
ギーがほぼ同一となる様に各ウェル層の組成が設定され
てなることを特徴とする構成になっている。
に現われ、キャリアの注入効率が高く、諸特性の向上し
た多重量子井戸型半導体発光素子を提供することにある
. 〔課題を解決するための手段〕 本発明では半導体多層薄膜から成る多重量子井戸構造を
活性層として有する多重量子井戸型半導体発光素子にお
いて、前記活性層を構成するウェル層厚が活性層の両端
のクラッド層近傍よりも活性層の中央部分に近づくにつ
れ厚くなり、さらに、各ウェル層において、遷移エネル
ギーがほぼ同一となる様に各ウェル層の組成が設定され
てなることを特徴とする構成になっている。
設定した遷移エネルギーになる様にウェル層の組成とウ
ェル幅を決定するには、第3図に示したエネルギーバン
ド図に基づいて、バリア層に囲まれたウェル層のエネル
ギーレベルを次式から求めればよい。
ェル幅を決定するには、第3図に示したエネルギーバン
ド図に基づいて、バリア層に囲まれたウェル層のエネル
ギーレベルを次式から求めればよい。
ここで
m11;バリア層における有効質量
m3f;ウェル層における有効質量
Lz;量子井戸の幅
h ;ブランク定数hを2πで割ったもの■o;バリア
層のポテンシャルの高さ E ;エネルギー固有値 ここで遷移エネルギーEoを求める必要がある。
層のポテンシャルの高さ E ;エネルギー固有値 ここで遷移エネルギーEoを求める必要がある。
このためには、Vo=Eoとして(1)〜(4)式を解
きE onを求め、V O = E vとして(1)
〜(4)式?解くことによりE■を求め、 E,−E2=E0+Ev ・(5) と、ミラー則を用い、 Eo : Ev=4 : 6 ・(6)Eo =E2
+E,.+Ev. ”・(7)として遷移エネルギ
ーEoを求める。
きE onを求め、V O = E vとして(1)
〜(4)式?解くことによりE■を求め、 E,−E2=E0+Ev ・(5) と、ミラー則を用い、 Eo : Ev=4 : 6 ・(6)Eo =E2
+E,.+Ev. ”・(7)として遷移エネルギ
ーEoを求める。
先述の問題点を解決する方法として、バリア層を薄くす
ることが考えられる.この方法を用いるとキャリアの分
布は均一になることが予想されるが、各ウェル層におけ
る電子の波動関数は互いに結合し合うことから多くのサ
ブバンドを形成し、利得が減少する。そこで、活性層の
中央部ではウェル層を100人,バリア層を100人.
遷移エネルギーが設定した波長λ。どなるようにウェル
層の組成を決定する。そして、活性層両端のクラッド層
に近づくにつれ、ウェル層厚を薄くすることにより活性
層のキャリアの分布を均一にし、前述と同様にして、ウ
ェル層における組成を決定することによって、量子サイ
ズ効果を損なうことなく、効率的にウェル層にキャリア
を注入することが可能となり、特性の優れた多量量子井
戸型半導体レーザを得ることができる. 第2図は本発明の作用,原理を説明するための電子分布
およびエネルギーバンド図を示す。
ることが考えられる.この方法を用いるとキャリアの分
布は均一になることが予想されるが、各ウェル層におけ
る電子の波動関数は互いに結合し合うことから多くのサ
ブバンドを形成し、利得が減少する。そこで、活性層の
中央部ではウェル層を100人,バリア層を100人.
遷移エネルギーが設定した波長λ。どなるようにウェル
層の組成を決定する。そして、活性層両端のクラッド層
に近づくにつれ、ウェル層厚を薄くすることにより活性
層のキャリアの分布を均一にし、前述と同様にして、ウ
ェル層における組成を決定することによって、量子サイ
ズ効果を損なうことなく、効率的にウェル層にキャリア
を注入することが可能となり、特性の優れた多量量子井
戸型半導体レーザを得ることができる. 第2図は本発明の作用,原理を説明するための電子分布
およびエネルギーバンド図を示す。
第2図(a)は従来例に相当し、ウェル層厚,バリア層
厚はぞれぞれ同じとして電子密度を求めた結果である。
厚はぞれぞれ同じとして電子密度を求めた結果である。
注入された電子はバリア層によってその波束が減衰され
、かたよった電子分布となる.このかたよった電子分布
により、発振しきい値電流の増大が起る。
、かたよった電子分布となる.このかたよった電子分布
により、発振しきい値電流の増大が起る。
第2図(b)は本発明に相当するものである。
電子分布を平坦にして、各ウェル層におけるキャリア密
度を一定にするために、活性層の中心からp,n両クラ
ッド層に近づくにつれ、ウェル層厚を小さくしたもめで
ある.さらに遷移エネルギーEoが同じになるように、
各ウェル層において組成を決定したものである。図に示
す様に、p,n両クラッド層に近づくにっれウェル.バ
リア層間のエネルギー差が大きくなるものである。
度を一定にするために、活性層の中心からp,n両クラ
ッド層に近づくにつれ、ウェル層厚を小さくしたもめで
ある.さらに遷移エネルギーEoが同じになるように、
各ウェル層において組成を決定したものである。図に示
す様に、p,n両クラッド層に近づくにっれウェル.バ
リア層間のエネルギー差が大きくなるものである。
以上、述べた方法により、電子分布が比較的均一で、発
振しきい値電流の小さく、なおかつ、発光スペクトル幅
の狭い、特性の優れた多量量子井戸型半導体レーザを得
ることができる.〔実施例〕 以下、図面を参照して本発明をより詳細に説明する.第
1図は本発明による一実施例を示す図で、第1図(a)
は断面構造、第1図(b)は多重量子井戸活性層3周辺
のエネルギーバンド図(伝導帯のみ)である。この実施
例においては、InP基板1上にn−InPバッファ層
2を厚さ0.5μm,多重量子井戸活性層3,p−In
Pクラッド層6を順次積層する。ウェル層4とバリア層
5を交互に多層積層して成る多重量子井戸活性層3はn
−InPバッファ層2の上にI nGaAsウェル層4
の厚さを70人、InGaAsPバリア層5の厚さを1
00人として、中央部分に向うにつれ1ウェル層当り6
〜8人ずつウェル層厚を増していき、また遷移エネルギ
ーはλ、=1.57μmとなるように、各ウェル層にお
ける組成を決定した.具体的には、In I−x G
a XA 8 y P 1−yとし、格子整合条件下に
おいて、yの値を変化させる。ここではI nGaAs
Pバリア層の組成をy=0.62とし、そしてn一In
Pバッファ層2に最も近いウェル層の組成はy=oとし
、中央部分に向うにつれ、1つのウェル層当り、yの値
を0.1ずつ増加させた。すなわち、バリア層はI n
O. 72G a 0. 2BA S 6, 62P
O. 3g、ウェル層は、n一・InPバッファ層2
に最も近いウェル層を第1のウェル層とし、中央に近づ
くにつれ、第2,第3のウェル層として第1のウェル層
: I n O, 55G a 0. 45A S 1,
o第2のウェル層: I n O,05G ao.g5A S o, I P
0.9とした。多重量子井戸活性層3の全体の厚さは
0.1μm程度である。このようにして作製した積層構
造に電極7,8を形成して共振器長300μmの全面電
極型の半導体レーザに形成すると、平均発振しきい値電
流密度は700A/cm2であった.これは通常の発光
層の厚さが0.1μm程度の半導体レーザのほぼ1/2
の値である.さらに上記積層構造をストライプ状に加工
した後、液相エビタキシャル成長によりストライプの両
側に半導体層を形成して埋め込み構造とした半導体レー
ザでは、室温CWでの発振しきい値電流が10mA、微
分量子効率が25%であった.レーザの温度特性を評価
すれば、その特性温度T。は90〜IOOKと通常のD
Hレーザと比べて、大幅に改善されている.しきい値に
おけるキャリアライフタイムの温度依存性も通常の半導
体レーザに比べてその変化量は少い.さらに、多重量子
井戸構造による階段状の状態密度を反映してパルス変調
時の発振スペクトル拡がりも、通常の半導体レーザと比
べて1/2〜1/3に低減した.〔発明の効果〕 以上のように本発明においては多重量子井戸型半導体発
光素子において、ウェル層厚を活性層中央に近づくにつ
れ厚くし、かつ遷移エネルギーは各ウェル層で一定とな
る様、ウェル層を構成する組成を決定した.この結果量
子効果を損うことなく、キャリア注入を効率良く行うこ
とが可能となり、特性の優れた多重量子井戸型半導体発
光素子を提供できる.なお、実施例においては、InP
,InGaAs系の材料を例に説明したが、本発明では
、用いる材料系はこれに限るものではなく、GaAs系
等他の材料系を用いても、何ら差しつかえない.また以
上は半導体レーザについての説明であったが、本発明の
構造は発光ダイオードについても有効である.
振しきい値電流の小さく、なおかつ、発光スペクトル幅
の狭い、特性の優れた多量量子井戸型半導体レーザを得
ることができる.〔実施例〕 以下、図面を参照して本発明をより詳細に説明する.第
1図は本発明による一実施例を示す図で、第1図(a)
は断面構造、第1図(b)は多重量子井戸活性層3周辺
のエネルギーバンド図(伝導帯のみ)である。この実施
例においては、InP基板1上にn−InPバッファ層
2を厚さ0.5μm,多重量子井戸活性層3,p−In
Pクラッド層6を順次積層する。ウェル層4とバリア層
5を交互に多層積層して成る多重量子井戸活性層3はn
−InPバッファ層2の上にI nGaAsウェル層4
の厚さを70人、InGaAsPバリア層5の厚さを1
00人として、中央部分に向うにつれ1ウェル層当り6
〜8人ずつウェル層厚を増していき、また遷移エネルギ
ーはλ、=1.57μmとなるように、各ウェル層にお
ける組成を決定した.具体的には、In I−x G
a XA 8 y P 1−yとし、格子整合条件下に
おいて、yの値を変化させる。ここではI nGaAs
Pバリア層の組成をy=0.62とし、そしてn一In
Pバッファ層2に最も近いウェル層の組成はy=oとし
、中央部分に向うにつれ、1つのウェル層当り、yの値
を0.1ずつ増加させた。すなわち、バリア層はI n
O. 72G a 0. 2BA S 6, 62P
O. 3g、ウェル層は、n一・InPバッファ層2
に最も近いウェル層を第1のウェル層とし、中央に近づ
くにつれ、第2,第3のウェル層として第1のウェル層
: I n O, 55G a 0. 45A S 1,
o第2のウェル層: I n O,05G ao.g5A S o, I P
0.9とした。多重量子井戸活性層3の全体の厚さは
0.1μm程度である。このようにして作製した積層構
造に電極7,8を形成して共振器長300μmの全面電
極型の半導体レーザに形成すると、平均発振しきい値電
流密度は700A/cm2であった.これは通常の発光
層の厚さが0.1μm程度の半導体レーザのほぼ1/2
の値である.さらに上記積層構造をストライプ状に加工
した後、液相エビタキシャル成長によりストライプの両
側に半導体層を形成して埋め込み構造とした半導体レー
ザでは、室温CWでの発振しきい値電流が10mA、微
分量子効率が25%であった.レーザの温度特性を評価
すれば、その特性温度T。は90〜IOOKと通常のD
Hレーザと比べて、大幅に改善されている.しきい値に
おけるキャリアライフタイムの温度依存性も通常の半導
体レーザに比べてその変化量は少い.さらに、多重量子
井戸構造による階段状の状態密度を反映してパルス変調
時の発振スペクトル拡がりも、通常の半導体レーザと比
べて1/2〜1/3に低減した.〔発明の効果〕 以上のように本発明においては多重量子井戸型半導体発
光素子において、ウェル層厚を活性層中央に近づくにつ
れ厚くし、かつ遷移エネルギーは各ウェル層で一定とな
る様、ウェル層を構成する組成を決定した.この結果量
子効果を損うことなく、キャリア注入を効率良く行うこ
とが可能となり、特性の優れた多重量子井戸型半導体発
光素子を提供できる.なお、実施例においては、InP
,InGaAs系の材料を例に説明したが、本発明では
、用いる材料系はこれに限るものではなく、GaAs系
等他の材料系を用いても、何ら差しつかえない.また以
上は半導体レーザについての説明であったが、本発明の
構造は発光ダイオードについても有効である.
第1図(a)は本発明の一実施例の断面構造図、第1図
(b)はその実施例における活性層周辺のエネルギーバ
ンド図、第2図及び第3図は本発明の作用を説明するた
めの電子分布エネルギーバンド図、第4図(a)は従来
例における多重量子井戸レーザの断面構造図、第4図(
b)はそのエネルギーバンド図である. 図中、1はInP基板、2はn−InPバッファ層、3
は多重量子井戸活性層、4はI nGaAsウェル層、
5はI nGaAsPバリア層、6はp−InPグラッ
ド層、7はp電極、8はn電極をあらわす.
(b)はその実施例における活性層周辺のエネルギーバ
ンド図、第2図及び第3図は本発明の作用を説明するた
めの電子分布エネルギーバンド図、第4図(a)は従来
例における多重量子井戸レーザの断面構造図、第4図(
b)はそのエネルギーバンド図である. 図中、1はInP基板、2はn−InPバッファ層、3
は多重量子井戸活性層、4はI nGaAsウェル層、
5はI nGaAsPバリア層、6はp−InPグラッ
ド層、7はp電極、8はn電極をあらわす.
Claims (1)
- 半導体多層薄膜から成る多重量子井戸構造を活性層とし
て有する多重量子井戸型半導体発光素子において、前記
活性層を構成するウェル層厚が活性層の両端のクラッド
層近傍よりも活性層の中央部分に近づくにつれ厚くなり
、さらに、各ウェル層において、遷移エネルギーがほぼ
同一となる様に各ウェル層の組成が設定されてなること
を特徴とする多重量子井戸型半導体発光素子。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1051123A JPH02229487A (ja) | 1989-03-02 | 1989-03-02 | 多重量子井戸型半導体発光素子 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1051123A JPH02229487A (ja) | 1989-03-02 | 1989-03-02 | 多重量子井戸型半導体発光素子 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH02229487A true JPH02229487A (ja) | 1990-09-12 |
Family
ID=12878029
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP1051123A Pending JPH02229487A (ja) | 1989-03-02 | 1989-03-02 | 多重量子井戸型半導体発光素子 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH02229487A (ja) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE4444980A1 (de) * | 1993-12-16 | 1995-06-22 | Mitsubishi Electric Corp | Halbleiterlaservorrichtung |
| JPH10294530A (ja) * | 1997-02-19 | 1998-11-04 | Sony Corp | 多重量子井戸型半導体発光素子 |
| JP2004335792A (ja) * | 2003-05-08 | 2004-11-25 | Sharp Corp | 酸化物半導体発光素子 |
-
1989
- 1989-03-02 JP JP1051123A patent/JPH02229487A/ja active Pending
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE4444980A1 (de) * | 1993-12-16 | 1995-06-22 | Mitsubishi Electric Corp | Halbleiterlaservorrichtung |
| US5544188A (en) * | 1993-12-16 | 1996-08-06 | Mitsubishi Denki Kabushiki Kaisha | Semiconductor laser device having a high emission efficiency and a large modulation bandwidth |
| JPH10294530A (ja) * | 1997-02-19 | 1998-11-04 | Sony Corp | 多重量子井戸型半導体発光素子 |
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