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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen
Halbleiterlaser und insbesondere auf einen Halbleiterlaser
mit einer Vielzahl von Einheits-Strukuren bzw.
Teilstrukturen, die aufeinanderfolgend gestapelt sind,
wobei jede Einheits-Struktur eine zwischen Mantelschichten
sandwichartig eingeschlossene aktive Schicht enthält.
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Ein typischer Halbleiterlaser hat eine Einheits-
Struktur, in der eine aktive Schicht zwischen
Mantelschichten sandwichartig eingeschlossen ist.
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Um einen stärkeren Laserstrahl zu erhalten, ist im
Stand der Technik vorgeschlagen worden, eine Vielzahl
solcher Einheits-Strukturen aufeinanderfolgend unter
Bildung eines Halbleiterlasers zu stapeln. Fig. 5 zeigt
einen Querschnitt von solch einem Halbleiterlaser mit zwei
Einheits-Strukturen, die aufeinander gestapelt sind.
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In Fig. 5 umfaßt der Halbleiterlaser
aufeinanderfolgend:
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ein n-GaAs-Substrat 61 mit einer Dicke von
ungefähr 100 µm und einer Ladungsträgerdichte von 1 bis
3 x 10¹&sup8; cm&supmin;³;
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eine erste n-Al0,5Ga0,5As-Mantelschicht 62 mit einer
Dicke von 1,0 bis 1,5 µm und einer Ladungsträgerdichte von
0,5 bis 1 x 10¹&sup8; cm&supmin;³;
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eine erste undotierte aktive GaAs-Schicht 63 mit einer
Dicke von 0,01 bis 0,1 µm;
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eine zweite p- Al0,5Ga0,5As-Mantelschicht 64 mit
einer Dicke von 1,0 bis 1,5 µm und einer
Ladungsträgerdichte von 0,5 bis 1 x 10¹&sup8; cm&supmin;³;
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eine dritte n-Al0,5Ga0,5As-Mantelschicht 65 mit einer
Dicke von 1,0 bis 1,5 µm und einer Ladungsträgerdichte von
0,5 bis 1 x 10¹&sup8; cm&supmin;³;
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eine zweite undotierte aktive GaAs-Schicht 66 mit
einer Dicke von 0,01 bis 0,1 µm;
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eine vierte p-Al0,5Ga0,5As-Mantelschicht 67 mit
einer Dicke von 1,0 bis 1,5 µm und einer
Ladungsträgerdichte von 0,5 bis 1 x 10¹&sup8; cm&supmin;³;
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und eine p&spplus;-GaAs-Kontaktschicht 68 mit einer Dicke
von 0,3 bis 110 µm und einer Ladungsträgerdichte von 1 bis
10 x 10¹&sup8; cm&supmin;³.
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Der Halbleiterlaser umfaßt ferner eine Elektrode
22 auf der p-Seite und eine Elektrode 71 auf der n-Seite.
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Der wie vorstehend aufgebaute Halbleiterlaser kann
aufgrund der Bereitstellung der ersten aktiven Schicht 63
und der zweiten aktiven Schicht 66 in einem einzelnen
Halbleiterlaser einen stärkeren Laserstrahl ausstrahlen.
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Wenn eine Spannung quer über die Elektrode 72 auf
der p-Seite und die Elektrode 71 auf der n-Seite in dem
vorstehenden Halbleiterlaser des Stands der Technik in
solch einer Weise angelegt wird, daß die Elektrode 72 auf
der p-Seite ein positives Potential bezüglich der Elektrode
71 auf der n-Seite erhält, ist der pn-Übergang, der an der
Grenze zwischen der zweiten Mantelschicht 64 vom p-Typ und
der dritten Mantelschicht 65 vom n-Typ gebildet wird, in
der Rückwärtsrichtung vorgespannt Folglich wird eine
Durchbruchsspannung des pn-Übergangs zu mehr als 10 V, was
zu einem wesentlich erhöhten Energieverbrauch führt.
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Um zu vermeiden, daß eine Rückwärtsspannung quer
über die Schicht 64 vom p-Typ und die Schicht 65 vom n-Typ
angelegt wird, ist im Stand der Technik gemäß US-A-5 212
706 ein Verfahren vorgeschlagen worden, eine Tunneldioden-
Struktur zwischen der Schicht 64 vom p-Typ und der Schicht
65 vom n-Typ zu wachsen. Genauer gesagt werden eine dünne
Übergangsschicht vom p-Typ und eine dünne Übergangsschicht
vom n-Typ aufeinanderfolgend auf der oberen Oberfläche der
Schicht 64 vom p-Typ gebildet, und die Schicht 65 vom n-Typ
wird auf der Übergangsschicht vom n-Typ gebildet. Mit
diesem Aufbau sind die dünne Übergangsschicht vom p-Typ und
die dünne Übergangsschicht vom n-Typ wirkungsvoll, um eine
Tunneldioden-Struktur zu wachsen, die die Entwicklung der
Rückwärtsspannung verhindert.
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Dieses Verfahren erfordert jedoch einen
zusätzlichen Prozeß zum Wachsen der Tunneldioden-Struktur.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen
Halbleiterlaser bereitzustellen, der wirkungsvoll ist, um
die Entwicklung einer Rückwärtsspannung zu verhindern und
bei dem ein zusätzlicher Prozeß oder eine zusätzliche
Schicht beseitigt sind.
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Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden
Erfindung, die Dicke des Halbleiterlasers zu verringern.
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Diese Aufgaben werden gelöst durch einen
Halbleiterlaser gemäß der vorliegenden Erfindung, wie in
Anspruch 1 definiert, der eine erste Mantelschicht mit
einem ersten Leitfähigkeitstyp, eine erste aktive Schicht,
eine zweite Mantelschicht mit einem anderen
Leitfähigkeitstyp, eine dritte Mantelschicht mit dem ersten
Leitfähigkeitstyp, eine zweite aktive Schicht und eine
vierte Mantelschicht mit dem anderen Leitfähigkeitstyp
umfaßt, die aufeinanderfolgend gestapelt sind. Entweder die
zweite Mantelschicht mit dem anderen Leitfähigkeitstyp oder
die dritte Mantelschicht mit dem ersten Leitfähigkeitstyp
hat eine Dicke, die kleiner als die Dicke des
Verarmungsbereichs des pn-Übergangs an der Grenze zwischen
der zweiten Mantelschicht mit dem anderen Leitfähigkeitstyp
und der dritten Mantelschicht mit dem ersten
Leitfähigkeitstyp ist, der gebildet wird, wenn eine
Spannung quer über die erste Mantelschicht mit dem ersten
Leitfähigkeitstyp und die vierte Mantelschicht mit dem
anderen Leitfähigkeitstyp angelegt wird, so daß die zum
Verursachen eines Durchgriffs ("punch-trough") der Schicht
mit der Dicke erforderliche Spannung verringert ist.
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In dem Halbleiterlaser mit diesem Aufbau wird,
wenn eine Spannung quer über die erste Mantelschicht mit
dem ersten Leitfähigkeitstyp und die vierte Mantelschicht
mit dem anderen Leitfähigkeitstyp angelegt wird, entweder
durch die zweite Mantelschicht mit dem anderen
Leitfähigkeitstyp oder durch die dritte Mantelschicht mit
dem ersten Leitfähigkeitstyp, die eine Dicke kleiner als
die Dicke des Verarmungsbereichs, der dazwischen gebildet
wird, hat, durchgegriffen, was zu einer Verringerung der
Rückwärtsspannung führt, die an den pn-Übergang an der
Grenz zwischen der zweiten Mantelschicht mit dem anderen
Leitfähigkeitstyp und der dritten Mantelschicht mit dem
ersten Leitfähigkeitstyp angelegt wird, und folglich zu
einer Verringerung des Spannungsabfalls während des
Betriebs des Halbleiterlasers führt.
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Die vorstehenden und weitere Aufgaben, Merkmale,
Ausgestaltungen und Vorteile der vorliegenden Erfindung
werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung der
vorliegenden Erfindung im Zusammenhang mit den begleitenden
Zeichnungen deutlicher.
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Fig. 1 ist eine Querschnittsansicht eines
Halbleiterlasers gemäß einer ersten Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung;
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Fig. 2 ist eine Querschnittsansicht des
Halbleiterlasers gemäß einer zweiten Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung;
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Fig. 3 ist eine Querschnittsansicht des Halbleiterlasers
gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung;
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Fig. 4 ist eine Querschnittsansicht, die einen
praktischen Aufbau der ersten Ausführungsform zeigt;
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Fig. 5 ist ein Querschnitt eines Halbleiterlasers
des Stands der Technik.
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Nun werden die Ausführungsformen der vorliegenden
Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben.
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Fig. 1 zeigt einen Halbleiterlaser einer ersten
Ausführungsform, der aufeinanderfolgend:
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ein n-GaAs-Substrat 11 mit einer Dicke von
ungefähr 100 um und einer Ladungsträgerdichte von 1 bis
3 x 10¹&sup8; cm&supmin;³;
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eine erste n-Al0,5Ga0,5As-Mantelschicht 12 mit einer
Dicke von 1,0 bis 1,5 µm und einer Ladungsträgerdichte von
0,5 bis 1 x 10¹&sup8; cm&supmin;³;
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eine erste undotierte aktive GaAs-Schicht 13 mit
einer Dicke von 0,01 bis 0,1 µm;
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eine zweite p-Al0,5Ga0,5As-Mantelschicht 14 mit
einer Dicke von 1,0 bis 1,5 µm und einer
Ladungsträgerdichte von 0,5 bis 1 x 10¹&sup8; cm&supmin;³;
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eine dritte n-Al0,5Ga0,5As-Mantelschicht 15 mit
einer Dicke weniger als 0,036 µm und einer
Ladungsträgerdichte von 1 x 10¹&sup8; cm&supmin;³; und
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eine zweite und otierte aktive GaAs-Schicht 16 mit
einer Dicke von 0,01 bis 0,1 µm;
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eine vierte p-Al0,5Ga0,5As-Mantelschicht 17 mit
einer Dicke von 1,0 bis 1,5 µm und einer
Ladungsträgerdichte von 0,5 bis 1 x 10¹&sup8; cm&supmin;³; und
eine p&spplus;-GaAs-Kontaktschicht 18 mit einer Dicke von
0,3 bis 1,0 µm und einer Ladungsträgerdichte von 1 bis
10 x 10¹&sup8; cm&supmin;³ umfaßt.
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Der Halbleiterlaser umfaßt ferner eine Elektrode
52 auf der p-Seite und eine Elektrode 51 auf der n-Seite.
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Bei dem Betrieb des Halbleiterlasers mit dem
vorstehenden Aufbau wird eine Spannung quer über die
Elektrode 52 auf der p-Seite und die Elektrode 51 auf die
n-Seite in solch einer Weise angelegt, daß die Elektrode 52
auf der p-Seite ein positives Potential in Bezug auf die
Elektrode 51 auf der n-Seite erhält. Somit wird eine
Rückwärtsspannung an den p-Übergang angelegt, der an der
Grenze zwischen der zweiten p-Typ-Mantelschicht 14 und der
dritten n-Typ-Mantelschicht 15a gebildet ist.
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Während des Betriebs wird jedoch durch die dritte
n-Typ-Mantelschicht 15a mit einer kleineren Dicke
durchgegriffen wie vorstehend beschrieben, was zu einer
Verringerung der Rückwärtsspannung führt, die an den pn-
Übergang angelegt wird, der an der Grenze zwischen der
zweiten p-Typ-Mantelschicht 14 und der dritten n-Typ-
Mantelschicht 15a gebildet ist, und folglich führt dies zu
einer Verringerung des Spannungsabfalls während des
Betriebs des Halbleiterlasers.
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Diese Elemente können spezielle Werte wie folgt
annehmen. Unter der Annahme, daß die Durchgriffsspannung
bzw. "punch-trough-voltage" Vp während des Anlegens der
Rückwärtsspannung an die dritte n-Typ-Mantelschicht 15a
1 V ist, kann die Dicke des Verarmungsbereich W an dem
stufenförmigen pn-Übergang gemäß dem folgenden Ausdruck
erhalten werden:
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w = 2 x (2εVp/qN)1/2
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worin ε eine dielektrische Konstante bezeichnet, q eine
Elementarladung und n eine Ladungsträgerdichte. Gemäß dem
vorstehenden Ausdruck, wird W zu 0,036 µm berechnet. Daher
läßt die dritte Mantelschicht 15a mit einer Dicke von
weniger als 0,036 µm einen Durchgriff bei der Spannung von
1V zu.
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Fig. 2 zeigt den Halbleiterlaser einer zweiten
Ausführungsform mit:
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einer zweiten p-Al0,5Ga0,5As-Mantelschicht 14a mit
einer Dicke weniger als 0,036 µm und einer
Ladungsträgerdichte von 1 x 10¹&sup8; cm&supmin;³; und
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einer dritten n-Al0,5Ga0,5As-Mantelschicht 15 mit
einer Dicke von 1,0 bis 1,5 µm und einer
Ladungsträgerdichte von 0,5 bis 1 x 10¹&sup8; cm&supmin;³.
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Der Halbleiterlaser von dieser Ausführungsform hat
denselben Aufbau wie die erste Ausführungsform, außer der
vorstehend speziell erwähnten zweiten Mantelschicht 14a und
der dritten Mantelschicht 15.
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Während des Betriebs des Halbleiterlasers mit dem
vorstehenden Aufbau wird durch die zweite Mantelschicht 14a
durchgegriffen, was zu einer Verringerung der
Rückwärtsspannung führt, die an den pn-Übergang angelegt
wird, der an der Grenze zwischen der zweiten Mantelschicht
14a und der dritten Mantelschicht 15 gebildet ist, und
folglich zu einer Verringerung des Spannungsabfalls während
des Betriebs des Halbleiterlasers führt.
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Fig. 3 zeigt des Halbleiterlaser einer dritten
Ausführungsform mit N Einheitsstrukturen jeweils mit
demselben Aufbau wie bei der ersten Ausführungsform, wobei
die Einheitsstrukturen aufeinanderfolgend unter Bildung
eines Laminats gestapelt sind. In Fig. 3 umfaßt der
Halbleiterlaser:
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ein n-GaAs-Substrat 11;
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eine erste n-Al0,5Ga0,5As-Mantelschicht 12; und
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eine erste undotierte aktive GaAs-Schicht 13.
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Der Halbleiterlaser enthält ferner eine (2N-3)-te
n- Al0,5Ga0,5As-Mantelschicht 35a mit einer Dicke kleiner als
0,036 µm und einer Ladungsträgerdichte von 1 x 10¹&sup8; cm&supmin;³;
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eine (N-i)-te undotierte aktive GaAs-Schicht 36
mit einer Dicke von 0,01 bis 0,1 µm;
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eine (2N-2)-te p-Al0,5Ga0,5As-Mantelschicht 37 mit
einer Dicke von 1,0 bis 1,5 µm und einer
Ladungsträgerdichte von 0,5 bis 1 x 10¹&sup8; cm&supmin;³;
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eine (2N-i)-te n-Al0,5Ga0,5As-Mantelschicht 45a mit
einer Dicke kleiner als 0,036 µm und einer
Ladungsträgerdichte von 1 x 10¹&sup8; cm&supmin;³;
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eine N-te undotierte aktive GaAs-Schichte 46 mit
einer Dicke von 0,01 bis 0,1 µm; und
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eine 2N-te p-Al0,5Ga0,5As-Mantelschicht 47 mit einer
Dicke von 1,0 bis 1,5 µm und einer Ladungsträgerdichte von
0,5 bis 1 x 10¹&sup8; cm&supmin;³. Der Aufbau außer den vorstehend
spezifizierten Schichten ist derselbe wie der, der in
Verbindung mit der ersten Ausführungsform beschrieben
worden ist. Der Halbleiterlaser dieser Ausführungsform ist
ein Laminat, das aus N Einheitstrukturen zusammengesetzt
ist, in denen, in dem Bereich, in dem eine
Rückwärtsspannung quer über die obere Oberfläche der p-Typ-
Schicht der (J-1)-ten Einheitsstruktur und die untere
Oberfläche der n-Typ-Schicht der J-ten Einheitsstruktur
entwickelt wird, die Dicke der n-Typ-Schicht klein genug,
um einen Durchgriff bei Anlegen einer kleinen Spannung zu
verursachen, so daß der Energieverbrauch des
Halbleiterlasers verringert wird. Hier kann J eine ganze
Zahl von 2 bis N sein.
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Während des Betriebs des Halbleiterlasers mit dem
vorstehenden Aufbau wird beispielsweise durch den pn-
Übergang, der zwischen der (2N-2)-ten p-Typ-Mantelschicht
37 und der (2N-1)-ten n-Typ-Mantelschicht 45a gewachsene
pn-Übergang durchgegriffen, so daß der Spannungsabfall des
Halbleiterlasers verringert werden kann, in derselben Weise
wie in Verbindung mit der ersten Ausführungsform
beschrieben.
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Fig. 4 zeigt einen praktischen Aufbau im
Querschnitt der ersten Ausführungsform In Fig. 4 ist ein
Stromblockier-Isolierfilm 53 zwischen der Elektrode 52a auf
der p-Seite und der p&spplus;-GaAs-Kontaktschicht 18 gebildet. Der
Aufbau außer diesem Film ist derselbe wie der in der ersten
Ausführungsform.
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Somit kann, da der Stromblockier-Isolierfilm 53
die Fläche, durch die der Betriebsstrom fließt, beschränkt,
jedes erwünschte Ausstrahlungsmuster definiert werden, und
ferner kann der Wirkungsgrad der Ausstrahlung verbessert
werden.
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Obwohl in den vorstehenden Ausführungsformen jede
der AlxGa1-xAs-Mantelschichten ein
Zusammensetzungsverhältnis x von 0,5 hat, ist die Erfindung
nicht auf diesen Wert beschränkt, sondern x kann jeden
anderen Wert von 1 bis 0 annehmen. Darüber hinaus können
die Schichten vom n-Typ und vom p-Typ ausgetauscht werden.
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In den vorstehenden Ausführungsformen kann die als
eine aktive Schicht verwendete GaAs-Schicht durch eine
AlxGa1-xAs-Schicht ersetzt sein. Darüber hinaus kann solch
eine aktive Schicht durch einen LOC (großen optischen
Resonator) oder ein SCH (Heterostrukturlaser mit separatem
Eischluß) gebildet sein.
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Wie vorstehend beschrieben ist der Halbleiterlaser
mit einer Vielzahl von Einheitsstrukturen, die
aufeinanderfolgend gestapelt sind, gemäß der vorliegenden
Erfindung wirkungsvoll, um den Spannungsabfall, der während
des Betriebs des Halbleiterlasers auftritt, auf einen
praktischen Wert zu verringern. Dies stellt die
Verringerung des Energieverlusts während des Betriebs des
Halbleiterlasers und eine erweiterte Lebensdauer des
Halbleiterlasers sicher.
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Darüber hinaus kann, wenn die Betriebsspannung des
Halbleiterlasers verringert wird, die maximal anwendbare
Spannung der Energiequelle zum Betreiben des Lasers
verringert werden, wodurch die Verwendung einer weniger
teureren Engergiequelle zum Betreiben des Lasers zugelassen
wird. Im Vergleich mit dem System, bei dem eine
Tunneldioden-Struktur gewachsen wird, ist gemäß der
vorliegenden Erfindung weder ein zusätzlicher
Herstellungsschritt noch eine zusätzliche Schicht
erforderlich, und die Dicke des Halbleiterlasers kann
verringert werden.
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Während die Erfindung unter Bezugnahme auf ihre
bevorzugten Ausführungsformen beschrieben worden ist, ist
selbstverständlich, daß Veränderungen oder Variationen
leicht gemacht werden können, ohne vom Umfang der
vorliegenden Erfindung, der durch die beigefügten
Patentansprüche definiert ist, abzuweichen.
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Ein Halbleiterlaser umfaßt eine erste
Mantelschicht mit einem ersten Leitfähigkeitstyp, eine
erste aktive Schicht, eine zweite Mantelschicht mit einem
anderen Leitfähigkeitstyp, eine dritte Mantelschicht mit
dem ersten Leitfähigkeitstyp, eine zweite aktive Schicht
und eine vierte Mantelschicht mit dem anderen
Leitfähigkeitstyp, die aufeinanderfolgend gestapelt sind.
Entweder die zweite Mantelschicht mit dem anderen
Leitfähigkeitstyp oder die dritte Mantelschicht mit dem
ersten Leitfähigkeitstyp hat eine Dicke, die kleiner als
die Dicke des Verarmungsbereichs des an der Grenze zwischen
der zweiten Mantelschicht mit dem anderen Leitfähigkeitstyp
und der dritten Mantelschicht mit dem ersten
Leitfähigkeitstyp gewachsenen pn-Übergangs ist, der
gebildet wird, wenn Spannung quer über die erste
Mantelschicht vom ersten Leitfähigkeitstyp und die vierte
Mantelschicht mit dem anderen Leitfähigkeitstyp angelegt
wird, so daß die zum Verursachen von Durchgriff der Schicht
mit der Dicke erforderliche Spannung verringert ist.