JPH08181378A - 半導体レーザ素子 - Google Patents
半導体レーザ素子Info
- Publication number
- JPH08181378A JPH08181378A JP31795494A JP31795494A JPH08181378A JP H08181378 A JPH08181378 A JP H08181378A JP 31795494 A JP31795494 A JP 31795494A JP 31795494 A JP31795494 A JP 31795494A JP H08181378 A JPH08181378 A JP H08181378A
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- JP
- Japan
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- light emitting
- active layer
- emitting active
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Abstract
(57)【要約】
【目的】短波長半導体レーザにおける特性を改善する。
【構成】直接遷移Γ点エネルギが間接遷移X点エネルギ
に接近した材料により発光活性層が形成される短波長半
導体レーザで、n型不純物ドープによって5×1018/
cm3 以上の電子濃度を設定し、発光活性層の伝導帯の電
子密度を過剰にするバンドフィリング効果を容易に引き
起こさせる。このとき、発光活性層を多重量子井戸構造
とし、不純物散乱の影響を受けないように、量子障壁層
にn型不純物を変調ドープする。 【効果】n型不純物をドーピングしない従来素子に比べ
て、閾値電流を2/3に、内部量子効率を2倍以上に改
善させた高効率のレーザ素子を得た。
に接近した材料により発光活性層が形成される短波長半
導体レーザで、n型不純物ドープによって5×1018/
cm3 以上の電子濃度を設定し、発光活性層の伝導帯の電
子密度を過剰にするバンドフィリング効果を容易に引き
起こさせる。このとき、発光活性層を多重量子井戸構造
とし、不純物散乱の影響を受けないように、量子障壁層
にn型不純物を変調ドープする。 【効果】n型不純物をドーピングしない従来素子に比べ
て、閾値電流を2/3に、内部量子効率を2倍以上に改
善させた高効率のレーザ素子を得た。
Description
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、光情報処理或いは光応
用計測用に適した光源となる半導体レーザ素子に関す
る。
用計測用に適した光源となる半導体レーザ素子に関す
る。
【0002】
【従来の技術】従来の技術では、GaInP/AlGaInP可視発
光材料を用いてダブルヘテロ構造を作製することによ
り、赤色発光ダイオードの発光効率をホモ接合の場合に
比べて約十倍に高めたことについて、例えば、公知例
1)エレクトロニクス・レタース1993年,29巻,
1346頁(Electron. Lett.,29,1346−134
7(1993).)に述べられている。
光材料を用いてダブルヘテロ構造を作製することによ
り、赤色発光ダイオードの発光効率をホモ接合の場合に
比べて約十倍に高めたことについて、例えば、公知例
1)エレクトロニクス・レタース1993年,29巻,
1346頁(Electron. Lett.,29,1346−134
7(1993).)に述べられている。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】従来技術では、短波長
半導体レーザの量子効率を向上させるための構造的な手
段について述べていない。また発光活性層に対するキャ
リア注入の効率を向上させる方法について詳細を述べて
いない。
半導体レーザの量子効率を向上させるための構造的な手
段について述べていない。また発光活性層に対するキャ
リア注入の効率を向上させる方法について詳細を述べて
いない。
【0004】本発明の目的は、直接遷移のバンド構造が
間接遷移のバンド構造に接近している場合にも、直接遷
移のバンド構造に蓄積するキャリア密度を向上させる手
段を用いて、発光活性層に対するキャリア注入の効率を
向上させ、低閾値でかつ高効率のレーザ動作を達成する
ことにある。
間接遷移のバンド構造に接近している場合にも、直接遷
移のバンド構造に蓄積するキャリア密度を向上させる手
段を用いて、発光活性層に対するキャリア注入の効率を
向上させ、低閾値でかつ高効率のレーザ動作を達成する
ことにある。
【0005】
【課題を解決するための手段】本発明の主な目的は、直
接遷移Γ点エネルギが間接遷移X点エネルギに接近した
材料により半導体レーザの発光活性層が形成されるとき
に、これまでよりも低閾値でかつ高効率で動作する素子
を得るための手段を講じることである。この手段では、
発光活性層で伝導帯の電子密度を過剰にするバンドフィ
リング効果を容易に引き起こさせるために、n型不純物
ドープによって5×1018/cm3 以上の電子濃度を設定
する。このとき、発光活性層を多重量子井戸構造とし、
不純物散乱の影響を受けないように、量子障壁層に変調
ドープする。また、光導波層から発光活性層に電子を供
給するために、まず間接遷移型の光導波層を超格子構造
としてゾーンフォルディング効果によって直接遷移型の
バンド構造を形成させ、さらに超格子障壁層にn型不純
物を変調ドープする。超格子導波層に発生した電子は、
トンネル効果により発光活性層へ注入させる。
接遷移Γ点エネルギが間接遷移X点エネルギに接近した
材料により半導体レーザの発光活性層が形成されるとき
に、これまでよりも低閾値でかつ高効率で動作する素子
を得るための手段を講じることである。この手段では、
発光活性層で伝導帯の電子密度を過剰にするバンドフィ
リング効果を容易に引き起こさせるために、n型不純物
ドープによって5×1018/cm3 以上の電子濃度を設定
する。このとき、発光活性層を多重量子井戸構造とし、
不純物散乱の影響を受けないように、量子障壁層に変調
ドープする。また、光導波層から発光活性層に電子を供
給するために、まず間接遷移型の光導波層を超格子構造
としてゾーンフォルディング効果によって直接遷移型の
バンド構造を形成させ、さらに超格子障壁層にn型不純
物を変調ドープする。超格子導波層に発生した電子は、
トンネル効果により発光活性層へ注入させる。
【0006】
【作用】本発明では、直接遷移Γ点エネルギが間接遷移
X点エネルギに接近した材料の伝導帯バンド構造で、バ
ンドフィリング効果を十分生じる5×1018/cm3 以上
のキャリア濃度を発生させるにより、電子過剰の状態を
作り出す。このように、発光活性層と光導波層でn型不
純物をドープすることにより、間接遷移Xバンド構造に
分布する電子密度を極端に増大させると、直接遷移Γバ
ンド構造から間接遷移Xバンド構造へ移行する電子を抑
制させることができる。その結果、直接遷移Γバンド構
造に蓄積する電子密度を増大させることができ、キャリ
ア閉じ込めの効果が向上する。発光活性層では、直接遷
移の確率が増して発光効率が改善されることになる。
X点エネルギに接近した材料の伝導帯バンド構造で、バ
ンドフィリング効果を十分生じる5×1018/cm3 以上
のキャリア濃度を発生させるにより、電子過剰の状態を
作り出す。このように、発光活性層と光導波層でn型不
純物をドープすることにより、間接遷移Xバンド構造に
分布する電子密度を極端に増大させると、直接遷移Γバ
ンド構造から間接遷移Xバンド構造へ移行する電子を抑
制させることができる。その結果、直接遷移Γバンド構
造に蓄積する電子密度を増大させることができ、キャリ
ア閉じ込めの効果が向上する。発光活性層では、直接遷
移の確率が増して発光効率が改善されることになる。
【0007】
(実施例1)本発明の一実施例を図1,図2により説明
する。まず図1で、(001)面から25.2°傾いた
(311)面を有するn型GaAs基板1(N=5×1
017〜1×1018/cm3)を用いて、その上にPの組成が
グレーデッドに変化したn型GaAs1-xPxバッファ層
2(d=50〜70μm,N=5×1017〜1×1018/
cm3,x=0〜0.4),n型Ga0.7In0.3P層3(d
=5μm,N=7〜9×1017/cm3),n型(AlyG
a1-y)0.7In0.3P 光導波層4(d=1.3μm,N=
5〜7×1017/cm3,y=0.7),膜厚50nmのア
ンドープGa0.7In0.3P活性層5,p型(AlyGa
1-y)0.7In0.3P 光導波層6(d=1.0μm,N=3
〜5×1017/cm3,y=0.7),p型Ga0.7In0.3
P層7(d=0.1μm,N=7×1017〜1×1018
/cm3)をエピタキシャル成長した。
する。まず図1で、(001)面から25.2°傾いた
(311)面を有するn型GaAs基板1(N=5×1
017〜1×1018/cm3)を用いて、その上にPの組成が
グレーデッドに変化したn型GaAs1-xPxバッファ層
2(d=50〜70μm,N=5×1017〜1×1018/
cm3,x=0〜0.4),n型Ga0.7In0.3P層3(d
=5μm,N=7〜9×1017/cm3),n型(AlyG
a1-y)0.7In0.3P 光導波層4(d=1.3μm,N=
5〜7×1017/cm3,y=0.7),膜厚50nmのア
ンドープGa0.7In0.3P活性層5,p型(AlyGa
1-y)0.7In0.3P 光導波層6(d=1.0μm,N=3
〜5×1017/cm3,y=0.7),p型Ga0.7In0.3
P層7(d=0.1μm,N=7×1017〜1×1018
/cm3)をエピタキシャル成長した。
【0008】ここで活性層5の周辺の伝導帯および価電
子帯バンド構造の概略は図2のようになり、活性層5に
はn型不純物をドープして1×1019/cm3 濃度のキャ
リアを設定する。
子帯バンド構造の概略は図2のようになり、活性層5に
はn型不純物をドープして1×1019/cm3 濃度のキャ
リアを設定する。
【0009】この後、ホトリソグラフィによりSiO2
マスク(膜厚d=0.1μm)を形成し、ケミカルエッ
チングにより層6を活性層5から0.2μm 残すところ
まで層7と層6をエッチング除去してリッジストライプ
を形成する。次に、SiO2 マスクを残したまま、n型
GaAs0.6P0.4電流狭窄層8(d=1μm,N=1×
1018/cm3)を選択成長する。SiO2 マスクを除去
した後、p型GaAs0.6P0.4コンタクト層9(d=2〜3
μm,NA=5×1018〜1×1019/cm3)を埋め込み
成長する。その後、p電極10及びn電極11を蒸着す
る。さらに、劈開してバー状の素子に切り出し、図1の
断面を有する素子を得る。
マスク(膜厚d=0.1μm)を形成し、ケミカルエッ
チングにより層6を活性層5から0.2μm 残すところ
まで層7と層6をエッチング除去してリッジストライプ
を形成する。次に、SiO2 マスクを残したまま、n型
GaAs0.6P0.4電流狭窄層8(d=1μm,N=1×
1018/cm3)を選択成長する。SiO2 マスクを除去
した後、p型GaAs0.6P0.4コンタクト層9(d=2〜3
μm,NA=5×1018〜1×1019/cm3)を埋め込み
成長する。その後、p電極10及びn電極11を蒸着す
る。さらに、劈開してバー状の素子に切り出し、図1の
断面を有する素子を得る。
【0010】本実施例における素子では、波長範囲57
0〜590nmで、閾値電流は70〜90mAであり、
内部量子効率30〜50%のレーザ発振が可能であっ
た。これらは、n型不純物をドーピングしない素子に比
べて、閾値電流は2/3に低減できており、内部量子効
率は2倍以上の値である。
0〜590nmで、閾値電流は70〜90mAであり、
内部量子効率30〜50%のレーザ発振が可能であっ
た。これらは、n型不純物をドーピングしない素子に比
べて、閾値電流は2/3に低減できており、内部量子効
率は2倍以上の値である。
【0011】(実施例2)本発明の他の実施例を図3,
図4により説明する。まず図3で、実施例1と同様に素
子を作製し、発光活性層は膜厚8nmのアンドープGa
0.65In0.35P歪量子井戸層3層と,膜厚8nmのアン
ドープ(AlyGa1-y)0.7In0.3P(y=0.5 )量子
障壁層2層、および両側に設けた膜厚30nmのアンド
ープ(AlyGa1-y)0.7In0.3P(y=0.5)光分離
閉じ込め層から構成される歪多重量子井戸構造12とす
る。
図4により説明する。まず図3で、実施例1と同様に素
子を作製し、発光活性層は膜厚8nmのアンドープGa
0.65In0.35P歪量子井戸層3層と,膜厚8nmのアン
ドープ(AlyGa1-y)0.7In0.3P(y=0.5 )量子
障壁層2層、および両側に設けた膜厚30nmのアンド
ープ(AlyGa1-y)0.7In0.3P(y=0.5)光分離
閉じ込め層から構成される歪多重量子井戸構造12とす
る。
【0012】このとき多重量子井戸層周辺の伝導帯およ
び価電子帯バンド構造の概略は図4のようになる。
び価電子帯バンド構造の概略は図4のようになる。
【0013】n型不純物を変調ドープする量子障壁層と
光分離閉じ込め層には、1×1019/cm 3濃度のキャリ
アを設定する。その他、実施例1と全く同様に素子を作
製する。
光分離閉じ込め層には、1×1019/cm 3濃度のキャリ
アを設定する。その他、実施例1と全く同様に素子を作
製する。
【0014】本実施例の素子では、波長範囲570〜5
90nmで、閾値電流は50〜70mAであり、内部量
子効率50〜70%のレーザ発振が可能であった。これ
らは実施例1よりも改善できており、n型不純物をドー
ピングしない素子に比べて、閾値電流は2/3に低減で
きており、内部量子効率は2倍以上の値を得た。
90nmで、閾値電流は50〜70mAであり、内部量
子効率50〜70%のレーザ発振が可能であった。これ
らは実施例1よりも改善できており、n型不純物をドー
ピングしない素子に比べて、閾値電流は2/3に低減で
きており、内部量子効率は2倍以上の値を得た。
【0015】(実施例3)本発明の他の実施例を図5,
図6により説明する。まず図5で、実施例2と同様に素
子を作製し、発光活性層は同様の歪多重量子井戸構造と
するが、量子障壁層と光閉じ込め層の一部を3原子層か
ら成るアンドープGa0.7In0.3P超格子井戸層とn型
変調ドープした4原子層から成る(AlyGa1-y)0.7I
n0.3P (y=0.5)超格子障壁層により形成した超格
子構造の層13および層14とする。
図6により説明する。まず図5で、実施例2と同様に素
子を作製し、発光活性層は同様の歪多重量子井戸構造と
するが、量子障壁層と光閉じ込め層の一部を3原子層か
ら成るアンドープGa0.7In0.3P超格子井戸層とn型
変調ドープした4原子層から成る(AlyGa1-y)0.7I
n0.3P (y=0.5)超格子障壁層により形成した超格
子構造の層13および層14とする。
【0016】このとき多重量子井戸層周辺の伝導帯およ
び価電子帯バンド構造の概略は図6のようになる。
び価電子帯バンド構造の概略は図6のようになる。
【0017】n型不純物を変調ドープする超格子障壁層
には、1×1019/cm3 濃度のキャリアを設定する。そ
の他、実施例2と全く同様に素子を作製する。
には、1×1019/cm3 濃度のキャリアを設定する。そ
の他、実施例2と全く同様に素子を作製する。
【0018】本実施例における素子では、波長範囲57
0〜590nmで、閾値電流は30〜50mAであり、
内部量子効率60〜80%のレーザ発振が可能であっ
た。これらは実施例1および2よりも改善できており、
n型不純物をドーピングしない素子に比べて、閾値電流
は2/3に低減できており、内部量子効率は2倍以上の
値を得た。
0〜590nmで、閾値電流は30〜50mAであり、
内部量子効率60〜80%のレーザ発振が可能であっ
た。これらは実施例1および2よりも改善できており、
n型不純物をドーピングしない素子に比べて、閾値電流
は2/3に低減できており、内部量子効率は2倍以上の
値を得た。
【0019】
【発明の効果】本発明により、短波長半導体レーザで、
直接遷移のバンド構造が間接遷移のバンド構造に接近し
ている場合でも、直接遷移のバンド構造に蓄積されるキ
ャリア密度を向上させることにより、キャリア注入効率
を改善して発光効率を向上させることができた。これ
は、間接遷移を示すXバンド構造にバンドフィリング効
果を引き起こさせて十分キャリアを充満させることによ
り、直接遷移Γバンド構造から間接遷移Xバンド構造へ
移行するキャリアを抑制した効果を発現させた。本発明
では、従来よりも低閾値で高効率のレーザ素子を得るこ
とができ、n型不純物をドーピングしない素子に比べ
て、閾値電流を2/3に低減し、内部量子効率を2倍以
上の値に改善した。例えば、GaInP/AlGaInP材料系で、
発振波長570〜590nmでレーザ発振し、閾値電流
は30〜50mAであり、内部量子効率は60〜80%
を得ることが可能であった。
直接遷移のバンド構造が間接遷移のバンド構造に接近し
ている場合でも、直接遷移のバンド構造に蓄積されるキ
ャリア密度を向上させることにより、キャリア注入効率
を改善して発光効率を向上させることができた。これ
は、間接遷移を示すXバンド構造にバンドフィリング効
果を引き起こさせて十分キャリアを充満させることによ
り、直接遷移Γバンド構造から間接遷移Xバンド構造へ
移行するキャリアを抑制した効果を発現させた。本発明
では、従来よりも低閾値で高効率のレーザ素子を得るこ
とができ、n型不純物をドーピングしない素子に比べ
て、閾値電流を2/3に低減し、内部量子効率を2倍以
上の値に改善した。例えば、GaInP/AlGaInP材料系で、
発振波長570〜590nmでレーザ発振し、閾値電流
は30〜50mAであり、内部量子効率は60〜80%
を得ることが可能であった。
【図1】本発明の一実施例を示す素子の断面図。
【図2】本発明の一実施例における活性層内の伝導帯お
よび価電子帯バンド構造とn型不純物ドープを示す説明
図。
よび価電子帯バンド構造とn型不純物ドープを示す説明
図。
【図3】本発明の他の実施例を示す素子の断面図。
【図4】本発明の他の実施例における多重量子井戸活性
層内の伝導帯および価電子帯バンド構造と量子障壁層へ
のn型変調ドープを示す説明図。
層内の伝導帯および価電子帯バンド構造と量子障壁層へ
のn型変調ドープを示す説明図。
【図5】本発明の他の実施例を示す素子の断面図。
【図6】本発明の他の実施例における多重量子井戸活性
層内の伝導帯および価電子帯バンド構造と超格子量子障
壁層へのn型変調ドープを示す説明図。
層内の伝導帯および価電子帯バンド構造と超格子量子障
壁層へのn型変調ドープを示す説明図。
1…n型GaAs基板、2…n型GaAsPバッファ
層、3…n型GaInP層、4…n型AlGaInP光導波
層、6…p型AlGaInP光導波層、7…p型GaInP
層、8…p型GaAsP光吸収電流狭窄層、9…p型G
aAsPコンタクト層、10…p電極、11…n電極、
13…超格子光導波層、14…超格子量子障壁層。
層、3…n型GaInP層、4…n型AlGaInP光導波
層、6…p型AlGaInP光導波層、7…p型GaInP
層、8…p型GaAsP光吸収電流狭窄層、9…p型G
aAsPコンタクト層、10…p電極、11…n電極、
13…超格子光導波層、14…超格子量子障壁層。
Claims (7)
- 【請求項1】半導体発光活性層において、間接遷移を示
すXバンド構造に十分キャリアを充満させてバンドフィ
リング(Band Filling)効果を引き起こし、直接遷移Γ
バンド構造から前記間接遷移Xバンド構造へ移行するキ
ャリアを抑制することにより、前記直接遷移Γバンド構
造にキャリアが閉じ込められるバンド構造を形成し、前
記バンド構造の前記直接遷移Γバンド構造から発光する
遷移確率が増大してレーザ動作することを特徴とする半
導体レーザ素子。 - 【請求項2】請求項1において、前記発光活性層が、前
記直接遷移Γ点エネルギが前記間接遷移X点エネルギに
接近した材料によって形成されるときに、n型不純物を
前記発光活性層へ直接ドープするか或いは前記発光活性
層にキャリアを閉じ込めるための障壁となる層にドープ
する半導体レーザ素子。 - 【請求項3】請求項1または2において、前記発光活性
層は量子井戸層と量子障壁層を周期的に設けた多重量子
井戸構造から成り、前記量子障壁層にのみn型不純物を
変調ドープする半導体レーザ素子。 - 【請求項4】請求項1または2において、半導体基板上
に前記発光活性層の両側に光導波層を設けてあり、前記
光導波層は原子層オーダの膜厚から成る超格子構造から
形成されており、前記超格子構造が間接遷移型の材料で
形成されていても前記間接遷移Xバンド構造の前記直接
遷移Γバンド構造への折り返しによるゾーンフォルディ
ング(Zone Folding)効果により直接遷移のエネルギバ
ンド構造を示し、前記超格子障壁層にのみn型不純物を
変調ドープする半導体レーザ素子。 - 【請求項5】請求項1または4において、前記超格子障
壁層にドープしたn型不純物により発生したキャリアが
トンネル効果により輸送されて、前記発光活性層に注入
され蓄積される半導体レーザ素子。 - 【請求項6】請求項1または5において、前記発光活性
層に蓄積されるレーザ発振に必要なキャリア密度より
も、前記発光活性層における量子障壁層や前記超格子構
造における超格子障壁層に変調ドープした不純物による
キャリア濃度の方が相対的に高く、活性化したキャリア
濃度はバンドフィリング効果を容易に引き起こすために
十分な5×1018/cm3 以上に設定してある半導体レー
ザ素子。 - 【請求項7】請求項1,2,3,4,5または6におい
て、前記半導体基板は基板面方位が(001)面から0
°〜54.7°の範囲に傾いている半導体レーザ素子。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP31795494A JPH08181378A (ja) | 1994-12-21 | 1994-12-21 | 半導体レーザ素子 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP31795494A JPH08181378A (ja) | 1994-12-21 | 1994-12-21 | 半導体レーザ素子 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH08181378A true JPH08181378A (ja) | 1996-07-12 |
Family
ID=18093863
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP31795494A Pending JPH08181378A (ja) | 1994-12-21 | 1994-12-21 | 半導体レーザ素子 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH08181378A (ja) |
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP0851547A1 (en) * | 1996-12-21 | 1998-07-01 | Sharp Kabushiki Kaisha | Laser devices |
| US7211822B2 (en) | 1997-01-09 | 2007-05-01 | Nichia Chemical Industries, Ltd. | Nitride semiconductor device |
| JP2007288218A (ja) * | 2007-07-06 | 2007-11-01 | Hitachi Ltd | 半導体レーザ |
| US7365369B2 (en) | 1997-06-11 | 2008-04-29 | Nichia Corporation | Nitride semiconductor device |
| US7684456B2 (en) | 1999-08-04 | 2010-03-23 | Ricoh Company, Ltd. | Laser diode and semiconductor light-emitting device producing visible-wavelength radiation |
-
1994
- 1994-12-21 JP JP31795494A patent/JPH08181378A/ja active Pending
Cited By (10)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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