CN111108657B - 一种光学半导体装置及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

一种光学半导体装置，以单个基本横向模式运行，所述光学半导体装置包括位于n掺杂包层与p掺杂包层之间的波导层。所述波导层包括第一波导部分，以及位于所述第一波导部分和所述p掺杂包层之间的有源层，所述有源层的位置不对称，其距离所述p掺杂包层比所述n掺杂包层更近。所述n掺杂包层的折射率大于或等于所述p掺杂包层的折射率。第一波导部分的第一端口与n掺杂包层相邻。第一波导部分的第二端口与有源层的第一端口相邻。所述第一波导部分具有大于或等于2×1017cm‑3的期望供体浓度，用于在高注入水平下，控制第一波导部分中与载流子浓度相关的内部光损耗。

Description

一种光学半导体装置及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种光学半导体装置及其制造方法。
背景技术
在光谱范围为1400-1700nm的视觉安全区域内工作的高功率脉冲二极管激光器正变得越来越重要，其应用范围可从掺铒光纤放大器(EDFA)泵到激光雷达技术。此外，诸如汽车安全装置、激光雷达、三维成像、激光层析成像、时间成像光谱等的各种应用，也需要能有效产生光脉冲的光源。
然而，在所述光谱范围内有效地获取输出功率，比在更短的波长中获取输出功率(例如～1μm)更为复杂。这主要是因为对于能在所述光谱范围内产生激光辐射的四元化合物InGaAsP和AlGaInAs，在高电流下会产生更高的光损耗。
因此，半导体器件的光学效率有待提高。
发明内容
本发明的目的之一是提供一种改进的光学半导体装置。本发明一方面提供了根据权利要求1所述的光学半导体装置的制备方法。
本发明另一方面提供了根据权利要求6所述的光学半导体装置。
有益效果：在第一波导部分中掺杂期望的供体浓度可以提高光学半导体装置的效率，从而提高其输出功率。反过来，效率的提高是基于波导中的光损耗降低，而所述波导中的光损耗降低是非均匀载流子累积的减少导致的。
附图说明
下面依据具体实施例与附图对本发明作出详细的描述。
图1和图2是光学半导体装置的结构的示例；
图3是对于不同掺杂水平，在给定电流浓度下，电流产生的非平衡载流子浓度的横向分布的示例；
图4示出了在不同电流下，内部吸收与掺杂水平的相关性，所述内部吸收是由电流产生的非平衡载流子引起的；
图5示出了在不同电流下，内部吸收与功率的相关性，所述内部吸收是由双光子吸收(TPA)产生的非平衡载流子引起的；
图6示出了低掺杂和高掺杂情况下计算出的光电流曲线；
图7示出了光学半导体装置的制造方法的流程图。
具体实施方式
以下实施例仅为示例。尽管说明书中可能多处提到“一个”实施例，但不表示每个引用都指代相同的实施例，或该特征仅适用于单个实施例。不同实施例中的单个特征可以组合以支持其他的实施例。此外，应当理解的是，术语“包含”和“包括”不应限制为所述实施例仅由已提到的特征组成，所述实施例还可以包括没有具体提及的特征。
应当注意的是，虽然附图说明了各种实施例，但它们是仅显示某些结构和/或功能实体的简化图。所描述的装置也可以包括附图和本文中未提及的其他特征和结构，这对本领域技术人员来说是显而易见的。应当理解，一些细节与实际发明无关。因此，在本申请中无需作详细讨论。
半导体激光器和放大器的光损耗随着光限制层中载流子的累积(即高电流下的波导)达到显著的程度。例如，在InGaAsP(磷砷化镓铟)和AlGaInAs(铝镓铟砷)四元复合物中，这种载流子累积对光损耗影响很大。这至少有两个原因。首先，在人眼安全的光谱区域，III-V族元素组成的四元复合物中，自由空穴的IVBA(价带间光吸收)的截面相当高(2～6×10-17cm2，相比之下，GaAs/AlGaAs物质在～1μm的典型值为～1×10-17cm2)，该截面用以测量光损耗。关键的是，在III-V族四元复合物中(自由空穴的)价带间光吸收与自由电子吸收的截面之比特别高，远远高于单一的III-V族元素(几乎是两个数量级)。其次，OCL(光学限制层，即波导层)中的低空穴扩散系数会导致在OCL中产生高浓度不均匀分布的非平衡载流子(电子和空穴)，因此，通过OCL的载流子传输和双光子吸收产生的载流子会导致光损耗和复合损失。
加宽激光结构中造成光损耗的机制起主导作用，所述加宽激光结构在有源层的(近)对称位置。由于空穴扩散要比电子扩散弱得多，所以在OCL的p侧(位于有源层和p掺杂包层之间)的非均匀载流子累积会比OCL的n侧(位于n包层和有源层之间)的非均匀载流子累积要大得多。在研究过的所有条件和设计中，尽管OCLp侧的p掺杂降低了由电流引起的非平衡载流子的累积，其对内部光损耗的减少并未强于掺杂本身所引入的平衡空穴的吸收。因此，p掺杂对激光器或类似物的光学特性的净影响总是使光损耗增加。在中等电流下，可以通过掺杂来降低电阻，以克服其对功率转换效率的影响。但是，在大电流下，后者的作用相当弱。
图1和图2示出了光学半导体装置100的示例，所述示例抵消了电流引起的载流子累积的影响，该累积在高功率下导致光损耗。图1是所述光学半导体装置100的侧视图，图2是所述光学半导体装置100的俯视图。效率的提高以及因此带来的输出功率的提高，是基于适当供体掺杂的光学限制层即波导层102，特别是其中的n侧(第一波导部分200)。
所述光学半导体装置100可以是激光器或光学放大器。所述激光器可以是对人眼安全的激光器。所述光学半导体装置100以单个基本横向模式运行。所述光学半导体装置100包括波导(光学限制)层102，所述波导(光学限制)层102位于n掺杂包层112和p掺杂包层104之间。n掺杂是指将供体杂质添加到材料中。相应地，p掺杂是指将受体杂质添加到材料中。
所述波导层102包括第一波导(光学限制)部分200(n-OCL)和有源层108，运行所述光学半导体装置100时，电子和空穴在所述有源层108上受激结合，并产生光辐射。所述有源层108位于第一波导部分200和OCL的p掺杂部(p-OCL)208之间。所述有源层108在所述波导层102内的位置不对称，所述有源层108距离所述p掺杂包层104比所述n掺杂包层112更近。
此外，所述n掺杂包层112的折射率大于或等于所述p掺杂包层104的折射率。第一波导部分200的第一端口202与所述n掺杂包层112相邻。详细地，所述第一波导部分200的第一端口202与所述n掺杂包层112直接相邻。第一波导部分200的第二端口204与有源层108的第一端口206相邻。对应详细地，所述第一波导部分200的第二端口204与所述有源层108的第一端口206直接相邻。
由于内部光损耗取决于供体浓度，所以在所述第一波导部分200中掺杂期望的供体浓度，以控制所述第一波导部分200中的内部光损耗。
内部光损耗是由n掺杂的所述第一波导部分200中不均匀的空穴累积引起的，且通过适宜的供体浓度可以减少n掺杂的所述第一波导部分200中的空穴累积。掺杂的所述适宜的供体浓度可以很大。
如图1和图2所示的所述光学半导体装置100中，所述有源层108的位置不对称，所述有源层108距离所述p掺杂包层104比所述n掺杂包层112更近。在(几乎)不存在的极端不对称的情况下，可以确保所述波导(光学限制)层102中的p-OCL 208很薄。非对称有源层位置可以与折射率阶跃的不对称相结合，所述折射率阶跃位于所述有源层108与所述n掺杂包层112(低阶跃)和所述p掺杂包层104(高阶跃)的界面处。这样的或者类似的激光器使其在任意的宽频激光中都可以进行单一横向模式操作，并能够在宽域试验中提供高功率脉冲(在
Figure GDA0002427155270000041
处)。
然而，即便是拥有非对称位置的有源层108和波导层102(在λ～1μm运行)的激光器或是类似的激光器，在高注入水平下仍然表现出光功率的饱和，如图5所示，这表明一部分光损耗随着电流的增加而增加。至少有两个机制可以促成这一点。第一种是在所述n-OCL200中由电流引起的载流子的非均匀累积，当所述第一波导部分200非常宽(几微米)且IVBA截面很高时，即使在所述第一波导部分200中的效应比在所述p-OCL 208中的弱，但可能具有一定的重要性。第二种机制与直接或间接的双光子吸收(TPA)效应有关，间接效应是在OCL 102(即波导层)中由TPA产生的载流子引起的自由载流子吸收(FCA)，最重要的是由TPA产生的空穴引起的IVBA。在有源层108处于非对称位置的情况下，在波导层102中所述间接效应变得重要，其中所述有源层108(TPA激发态载流子的漏极位置)远离模峰(此处为载流子产生的最大值)。
非平衡载流子对IVBA的影响可能因所述第一波导部分200(n-OCL)的n掺杂而减弱，从而有效地消除了由于传输(主要是通过将漂移传输添加到扩散中)与TPA(主要是通过重组引入额外的电荷载流子耗散)导致的两种电荷载流子的累积效应。正如p掺杂的情况一样，这在一定程度上被掺杂本身所带入的某些自由载流子(平衡的，且在均匀掺杂的情况下均匀分布的)和因此产生的FCA所抵消，尤其是在中低注入水平下。然而，通过掺杂降低了浓度的非均匀分布的载流子是数量相等的电子和空穴，而通过n掺杂仅引入了电子。由于InGaAsP四元复合物及其类似物中的自由空穴吸收截面比自由电子吸收截面大得多，因此情况不同于p掺杂，n掺杂的净效应是减少了光损耗。
因此，尤其是在高注入水平的情况下，可在所述第一波导部分200中掺杂大于或等于2×1017cm-3的期望供体浓度，以控制所述第一波导部分200(n-OCL)中与载流子浓度相关的内部光损耗(请参见图6)。
图2示出了一个InGaAsP结构的示例，该结构设计为在λ≈1.5μm处发射。块状InGaAsP的有源层108距p掺杂包层104约0.15μm(因此，这是第二波导部分208(p-OCL)的厚度)。所述第二波导部分208(p-OCL)可以是相对高掺杂的(例如2×1017cm-3至6×1017cm-3)。例如，适宜的掺杂水平可以是5×1017cm-3。可在所述p掺杂包层104本身的相邻部分掺杂近似的水平。由于所述第二波导部分208(p-OCL)的厚度小，且模渗透进入所述p掺杂包层104的能力较弱，因此不会造成大的光损失。尽管所述波导层102的总宽度较宽(h＝3μm)，但是在所述第一波导部分200(n-OCL)和n掺杂包层112的界面处有一小折射率阶跃，所述折射率阶跃确保了所述波导层102支持单个基本横向模式，所述单个基本横向模式的轮廓(模态密度)也显示在图2中。计算出的快轴远场宽度约为17度半峰宽(FWHM)。
所述波导层102(n-OCL 200)中的载流子浓度可以分为两种：其一，与TPA无关的部分，包括空间均匀背景Nb和仅由电流引起的空间非均匀背景ΔNj(x)；其二，与TPA相关的部分ΔNTPA(x,z)，其与光功率的平方成正比：
N(x,z)＝Nb+ΔNj(x)+ΔNTPA(x) (1)
首先考虑由于注入电流引起的载流子累积。高功率脉冲激光二极管中的所述第一波导部分200(n-OCL)通常不掺杂或掺杂相对较低(电离供体浓度ND<1017cm-3)。此时，在高注入水平下，所述第一波导部分200(n-OCL)中的电流很大程度上归因于双极性扩散。这与所述第一波导部分200(n-OCL)中累积的载流子(电子和空穴)浓度相对应，这种累积是由于电流从所述有源层108到所述n掺杂包层界面的线性增加而导致的，ΔNj(x)≈(j/(2De))(la–x)(见图3虚线)。其中，j是电流浓度，De是电子扩散系数，la是所述第一波导部分200(n-OCL)和所述有源层108之间的界面。
图3示出了对于不同的掺杂水平，在给定的电流浓度(j＝50kA/cm2)下，电流产生的非平衡载流子浓度ΔNj的横向分布的示例。宽的所述第一波导部分200(n-OCL)的掺杂不固定。在高注入水平下，所述第一波导部分200(n-OCL)高掺杂时(电离供体浓度ND>1018cm-3)，可以实现所述波导层102(OCL)中最低的光损耗。图3中还提供了一相反示例，即整个所述波导层102(OCL)中的掺杂非常低的情况(ND约为1016cm-3)，以供对比和参考。
随着掺杂的增加，电流的漂移成分变得越来越重要，并且在ND>5×1017cm-3的掺杂水平下，电流几乎完全归因于漂移。这种情况下的分布ΔNj(x)可以使用超越方程计算：
Figure GDA0002427155270000061
其中0<x<la。
计算得出的ΔNj(x)值(如图3所示的实线)确实超过了约5×1016cm2，远小于ND。
所述空间均匀背景Nb可以用下式估算：
Figure GDA0002427155270000062
其中τcap是载流子被捕获到所述有源层108的特征时间，由于块状的所述有源层相对较厚(厚度da＝50nm
Figure GDA0002427155270000066
)，该特征时间可预期地维持在较短的水平；此处令τcap＝0.1ps，为常数。术语NbT描述了从所述有源层108到所述波导层102(OCL)的热逸散(该计算所需的所述有源层108中电子和空穴的准费米能级与计算电流相关的有效阈值同时获得)。在室温操作下，NbT不会超过(1～3)×1016cm-3，尽管在高温下它可能成为主导，而高温是实际连续波高功率操作的特征。
电流引起和热激发的载流子会产生自由载流子吸收，所述自由载流子吸收对内部光损耗的贡献可以计算为：
Figure GDA0002427155270000063
Figure GDA0002427155270000064
图4示出了在几个不同电流浓度值下，
Figure GDA0002427155270000065
与掺杂水平的相关性的示例。对于自由载流子吸收截面来说，σe约为0.05×10-17cm2，σh约为4×10-17cm2。Ψ2(x)是激光波导横向模式的振幅分布，标准化后
Figure GDA0002427155270000071
具体地，在所述波导层102(OCL)中，
Figure GDA0002427155270000072
其中
Figure GDA0002427155270000073
是所述波导层102(OCL)中波导模式的横波矢量，这是由所述波导层102(OCL)的折射率nOCL与基本模式(TE)的有效折射率n0所决定的。
即使在最高电流浓度下，所述第一波导部分200的掺杂也显著降低了吸收。当掺杂值ND处于1×1017cm-3至3×1017cm-3范围时似乎足以显著地降低吸收，而更高的掺杂值却不会再体现出更好的效果。例如，最大掺杂值ND可为3×1017cm-3。另举例，最大掺杂值ND也可以为5×1017cm-3。
如前文已阐述的，发生载流子累积也可缘于所述波导层102(OCL)中的双光子吸收(TPA)。即，InGaAsP四元复合物或其类似物在λ≈1.5μm处可具有较高的吸收系数(β2≈6×10-8cm/W)，可能使TPA产生的载流子的效应有害。然而，如同电流产生的效应，这种效应也可以通过对所述第一波导部分200(n-OCL)进行n掺杂来减小。为使这种吸收减少有效，掺杂水平应使得非平衡的少数空穴的重组时间比这些空穴向所述有源层108扩散的特征时间相当或更短。这与高掺杂的情况相对应，其中掺杂水平ND比ΔNTPA高得多，ΔNTPA是由TPA产生的非平衡载流子浓度(对于电子和空穴而言相等)。
图5示出了在不同输出功率水平下，在所述第一波导部分200进行几种不同的n掺杂时，TPA产生的非平衡载流子引起的内部吸收与功率的相关性。与电流引起的载流子吸收
Figure GDA0002427155270000074
的情况一样，可以看到由掺杂而引起的吸收显著降低，尽管二者的原因不同：在TPA产生的载流子中，主要是重组耗尽了载流子的累积从而降低了吸收，而不是漂移传输。
图6示出了低掺杂和高掺杂情况下计算得到的光电流曲线。当所述第一波导部分200的掺杂处于较低水平ND＝1016cm-3时，与ND＝2×1017cm-3的高掺杂水平相比，光学半导体激光器的输出功率(具体参数在图5中确定)要低得多。这样，可以通过对所述第一波导部分200的掺杂来控制所述光学半导体装置的操作功率。
在一实施例中，在制造阶段，所述第一波导部分200的供体浓度ND可以设置为大于或等于5×1017cm-3。
在一实施例中，可以设置所述第一波导部分200(n-OCL)的供体浓度ND，以使漂移电流成为注入电流的主要部分。所述漂移电流是由电场引起的。
在一实施例中，所述波导层102可包含一p掺杂的第二波导部分208。所述有源层108可位于所述第一波导部分200和所述第二波导部分208(p-OCL)之间。此外，第二波导部分208(p-OCL)的第一端口210可与所述p掺杂包层104相邻。所述第二波导部分208的第一端口210可与所述p掺杂包层104直接相邻。在一实施例中，所述p掺杂包层104还可以包括一阻碍层106，所述阻碍层106与所述第二波导部分208(p-OCL)相邻。进一步地，第二波导部分208的第二端口212可以与有源层108的第二端口214相邻。在一实施例中，所述第二波导部分208(p-OCL)的第二端口212可以与所述有源层108的第二端口214直接相邻。在这种实施例中，所述第二波导部分208比所述第一波导部分200更薄，所述第二波导部分208可以在所述有源层108与所述p掺杂包层104之间形成。所述第二波导部分208的厚度与所述有源层108和所述n掺杂包层112之间的距离相对应。
例如，在一实施例中，所述第二波导部分208(p-OCL)的厚度小于或等于0.5μm。例如，在一实施例中，所述第二波导部分208(p-OCL)的厚度小于或等于0.3μm。
例如，在一实施例中，所述光学半导体装置100可以是激光器。所述激光器可以是对人眼安全的激光器，不会输出可见光辐射。所述激光器可输出红外辐射。例如，在一实施例中，所述光学半导体装置100可以是光学放大器，所述光学放大器可应用在基于光纤的光缆系统中。
在一实施例中，所述光学半导体装置100可以包含InGaAsP。在一实施例中，所述光学半导体装置100可以包含AlGaInAs。在一实施例中，所述光学半导体装置100可以同时包含InGaAsP和AlGaInAs。
图7示出了所述光学半导体装置100的制造方法，所述光学半导体装置100用于以单个基本横向模式操作。前文已经阐述了所述光学半导体装置100的结构。在步骤700中，将期望的供体浓度掺杂在所述第一波导部分200中，以控制所述第一波导部分200中与供体浓度相关的内部光损耗。在可能的步骤702中，所述第二波导部分208在所述有源层108和所述p掺杂包层104之间形成，所述p掺杂包层104比所述第一波导部分200(n-OCL)薄。
应当理解的是，尽管已结合附图及相应实施例解释了本发明，但本发明不限于此，并且可以在本发明所附权利要求的保护范围内以不同方式加以改进。

Claims (8)

1.一种光学半导体装置的制造方法，其特征在于，所述光学半导体装置在波长范围为1400nm至1700nm处以单个基本横向模式运行，并且，所述光学半导体装置包括：
波导层，位于n掺杂包层与p掺杂包层之间；
所述波导层包括第一波导部分，以及位于所述第一波导部分和所述p掺杂包层之间的有源层，所述有源层的位置不对称，所述有源层距离所述p掺杂包层比所述n掺杂包层更近；
所述n掺杂包层的折射率大于或等于所述p掺杂包层的折射率；
第一波导部分的第一端口与所述n掺杂包层相邻；
第一波导部分的第二端口与有源层的第一端口相邻；且，
在所述第一波导部分中掺杂大于或等于2×1017cm-3的期望供体浓度，用以控制所述第一波导部分中与载流子浓度相关的内部光损耗，所述第一波导部分是III-V族元素组成的四元复合材料。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括将所述第一波导部分的供体浓度ND设置为大于或等于5×1017cm-3。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述方法还包括设置供体浓度ND，使得在所述第一波导部分中，漂移电流成为注入电流的主要部分。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述波导层包括第二波导部分，以及位于所述第一波导部分和所述第二波导部分之间的所述有源层；
第二波导部分的第一端口与所述p掺杂包层相邻；
第二波导部分的第二端口与有源层的第二端口相邻；并且，
所述第二波导部分在所述有源层和所述p掺杂包层之间形成，所述p掺杂包层比所述第一波导部分薄。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括形成所述第二波导部分，所述第二波导部分的厚度小于或等于0.3μm。
6.一种光学半导体装置，包括波导层，n掺杂包层以及p掺杂包层，其特征在于，所述光学半导体装置在波长范围为1400nm至1700nm处以单个基本横向模式运行，并且，
所述波导层包括第一波导部分，以及位于所述第一波导部分和所述p掺杂包层之间的有源层，所述有源层的位置不对称，所述有源层距离所述p掺杂包层比所述n掺杂包层更近；
所述n掺杂包层的折射率大于或等于所述p掺杂包层的折射率；
所述第一波导部分的第一端口与所述n掺杂包层相邻；
第一波导部分的第二端口与所述有源层的第一端口相邻；且，
所述第一波导部分具有大于或等于2×1017cm-3的期望供体浓度，用以控制所述第一波导部分中与载流子浓度相关的内部光损耗，所述第一波导部分是III-V族元素组成的四元复合材料。
7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述光学半导体装置是激光器和光学放大器中的一种。
8.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述光学半导体装置至少包含InGaAsP和AlGaInAs中的一种。
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Families Citing this family (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2019002694A1 (en) * 2017-06-30 2019-01-03 Oulun Yliopisto METHOD FOR MANUFACTURING SEMICONDUCTOR OPTICAL APPARATUS AND APPARATUS
US10852570B1 (en) 2019-10-16 2020-12-01 Inphi Corporation Dual-slab-layer low-loss silicon optical modulator
US11728619B2 (en) * 2020-07-07 2023-08-15 Marvell Asia Pte Ltd Side mode suppression for extended c-band tunable laser
US20220190560A1 (en) * 2020-12-15 2022-06-16 Marvell Asia Pte, Ltd. Gain medium structure for semiconductor optical amplifier with high saturation power
CN114079227B (zh) * 2022-01-07 2022-04-12 苏州长光华芯光电技术股份有限公司 一种低内损耗低电阻高效率半导体结构及其制备方法

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1778024A (zh) * 2003-03-19 2006-05-24 布克哈姆技术公共有限公司 具有大的光学超晶格波导的高功率半导体激光器
CN103119809A (zh) * 2010-09-20 2013-05-22 康宁股份有限公司 基于第iii族氮化物的绿光激光二极管及其波导结构

Family Cites Families (34)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0408373B1 (en) 1989-07-12 2000-04-26 Kabushiki Kaisha Toshiba Transverse-mode oscillation semiconductor laser device
JP3116675B2 (ja) 1993-07-28 2000-12-11 ソニー株式会社 半導体レーザー
RO109906B1 (ro) * 1994-09-09 1995-06-30 Prahova Iulian Basara Petrescu Dioda laser, de mare putere
JPH0945993A (ja) 1995-07-28 1997-02-14 Sony Corp 半導体発光素子
EP1024479B1 (en) 1997-01-17 2002-11-06 Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. Optical pickup and optical disk apparatus using the same
JP4387472B2 (ja) * 1998-02-18 2009-12-16 三菱電機株式会社 半導体レーザ
US6167073A (en) * 1998-07-23 2000-12-26 Wisconsin Alumni Research Foundation High power laterally antiguided semiconductor light source with reduced transverse optical confinement
US6389051B1 (en) * 1999-04-09 2002-05-14 Xerox Corporation Structure and method for asymmetric waveguide nitride laser diode
JP2001210910A (ja) * 1999-11-17 2001-08-03 Mitsubishi Electric Corp 半導体レーザ
JP2001160627A (ja) 1999-11-30 2001-06-12 Toyoda Gosei Co Ltd Ｉｉｉ族窒化物系化合物半導体発光素子
US20010053168A1 (en) * 2000-05-12 2001-12-20 Atul Mathur Asymmetric optical waveguide structure for reducing loss and enhancing power output in semiconductor lasers
MY139533A (en) * 2001-11-05 2009-10-30 Nichia Corp Nitride semiconductor device
JP2004031513A (ja) * 2002-06-24 2004-01-29 Sharp Corp 半導体発光素子
KR100991989B1 (ko) * 2003-05-07 2010-11-04 삼성엘이디 주식회사 비대칭 웨이브가이드 레이저 다이오드
US6907056B2 (en) * 2003-08-08 2005-06-14 Wisconsin Alumni Research Foundation Semiconductor light sources with doping gradients in optical confinement layers for improved device efficiency
US6940639B1 (en) * 2004-03-29 2005-09-06 Lucent Technologies Inc. Phase matched parametric light generation in monolithically integrated intersubband optical devices
JP2008515201A (ja) 2004-09-23 2008-05-08 セミネックス・コーポレーション 高エネルギー赤外半導体ダイオード発光デバイス
US7751455B2 (en) * 2004-12-14 2010-07-06 Palo Alto Research Center Incorporated Blue and green laser diodes with gallium nitride or indium gallium nitride cladding laser structure
JP4027392B2 (ja) * 2005-04-28 2007-12-26 キヤノン株式会社 垂直共振器型面発光レーザ装置
US20070002914A1 (en) * 2005-06-27 2007-01-04 Samsung Electronics Co., Ltd. Semiconductor laser diode having an asymmetric optical waveguide layer
CN100502180C (zh) * 2007-01-23 2009-06-17 河北工业大学 非对称金属膜垂直腔面发射激光器和制备方法
JP5092432B2 (ja) * 2007-02-02 2012-12-05 富士ゼロックス株式会社 面発光型半導体レーザ、面発光型半導体レーザの製造方法、光学装置、光照射装置、情報処理装置、光送信装置、光空間伝送装置および光伝送システム
EP2015412B1 (en) * 2007-07-06 2022-03-09 Lumentum Operations LLC Semiconductor laser with narrow beam divergence.
FI20085512A0 (fi) * 2008-05-28 2008-05-28 Oulun Yliopisto Puolijohdelaser
US20110108955A1 (en) * 2008-07-16 2011-05-12 Koninklijke Philips Electronics N.V. Semiconductor device and manufacturing method
US7903711B1 (en) * 2009-11-13 2011-03-08 Coherent, Inc. Separate confinement heterostructure with asymmetric structure and composition
US8571080B2 (en) * 2009-12-02 2013-10-29 Massachusetts Institute Of Technology High efficiency slab-coupled optical waveguide laser and amplifier
WO2011126799A2 (en) * 2010-04-05 2011-10-13 President And Fellows Of Harvard College Quantum cascade laser soure with ultrabroadband spectral coverage
US8816319B1 (en) * 2010-11-05 2014-08-26 Soraa Laser Diode, Inc. Method of strain engineering and related optical device using a gallium and nitrogen containing active region
DE102011002923A1 (de) * 2011-01-20 2012-07-26 Forschungsverbund Berlin E.V. Diodenlaser mit hoher Effizienz
US9231367B2 (en) 2012-05-17 2016-01-05 Finisar Corporation Co-modulation of DBR laser and integrated optical amplifier
CN104332825A (zh) * 2014-11-20 2015-02-04 长春理工大学 一种非对称反波导大光学腔半导体激光器结构
WO2019002694A1 (en) * 2017-06-30 2019-01-03 Oulun Yliopisto METHOD FOR MANUFACTURING SEMICONDUCTOR OPTICAL APPARATUS AND APPARATUS
JP7361728B2 (ja) * 2018-05-30 2023-10-16 エヌライト， インコーポレイテッド 量子井戸オフセットおよび効率的な単一モードレーザ発光を速軸に沿って有する大光共振器（ｌｏｃ）レーザダイオード

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1778024A (zh) * 2003-03-19 2006-05-24 布克哈姆技术公共有限公司 具有大的光学超晶格波导的高功率半导体激光器
CN103119809A (zh) * 2010-09-20 2013-05-22 康宁股份有限公司 基于第iii族氮化物的绿光激光二极管及其波导结构

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