JPH04218994A - Semiconductor light emitting device - Google Patents

Semiconductor light emitting device

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Publication number
JPH04218994A
JPH04218994A JP3091922A JP9192291A JPH04218994A JP H04218994 A JPH04218994 A JP H04218994A JP 3091922 A JP3091922 A JP 3091922A JP 9192291 A JP9192291 A JP 9192291A JP H04218994 A JPH04218994 A JP H04218994A
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JP
Japan
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layer
semiconductor
semiconductor layer
active layer
type
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Pending
Application number
JP3091922A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Nobuo Suzuki
信夫 鈴木
Yuzo Hirayama
雄三 平山
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Toshiba Corp
Original Assignee
Toshiba Corp
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Filing date
Publication date
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Abstract

PURPOSE:To improve emission efficiency by implanting carriers efficiently to an active layer. CONSTITUTION:On an n-type InP substrate 21 are stacked in order, through an n-type InP buffer layer 12, an InGaAs/InGaAsP multiple quantum well active layer 13, an In0.5218Ga0.0875Al0.3907As carrier overflow preventive layer 14, an In0.77Ga0.23As0.5P0.5 optical wave layer 15. And in the light wave guide pipe 15 is made a primary phase shift structure refractive grating 26, 1.55mum in Bragg wavelength. Thereon, further, are stacked a p-type Inp clad layer 17 and an InGaAsP contact layer 28. And a p-type ohmic electrode 213 is formed on the InGaAsP contact layer 28 and the p-type InGaAsP contact layer 212, while an n-type ohmic electrode 214 is made at the bottom of the substrate 21. This contact layer 212 and the electrode 214 work in a body as carrier implantation means.

Description

【発明の詳細な説明】[Detailed description of the invention]

[発明の目的] [Purpose of the invention]

【0001】0001

【産業上の利用分野】本発明は無効電流の防止層を改良
した半導体レーザ、発光ダイオード等の半導体発光装置
に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to semiconductor light emitting devices, such as semiconductor lasers and light emitting diodes, which have improved reactive current prevention layers.

【0002】0002

【従来の技術】これまで半導体発光装置において、活性
層からぬけ出るオーバーフロー電流やリーク電流といっ
た発光に寄与しない無効電流のレス化による特性向上が
図られてきた。従来の半導体レーザの斜視図を図11に
示す。
2. Description of the Related Art Hitherto, attempts have been made to improve the characteristics of semiconductor light emitting devices by eliminating reactive currents that do not contribute to light emission, such as overflow currents and leakage currents flowing out of active layers. FIG. 11 shows a perspective view of a conventional semiconductor laser.

【0003】基板111上にN型InPのバッファ(ク
ラッド層)112、InGaAs/InGaAsPの多
重量子井戸活性層113、InGaAsPの光導波層1
15、P型InPのクラッド層117が形成されており
活性層113で、それぞれ注入される電子(e)と正孔
(h)が再結合し発光する。ここで、活性層113で再
結合せずに、光導波層115にオーバーフローする電子
(e)を防ぐために、活性層113と光導波層115の
間にこれらよりも禁制帯幅の広いInPのキャリアオー
バーフロー防止層114を介在させている。
On a substrate 111 are an N-type InP buffer (cladding layer) 112, an InGaAs/InGaAsP multi-quantum well active layer 113, and an InGaAsP optical waveguide layer 1.
15. A P-type InP cladding layer 117 is formed, and the injected electrons (e) and holes (h) recombine in the active layer 113 to emit light. Here, in order to prevent electrons (e) from overflowing to the optical waveguide layer 115 without being recombined in the active layer 113, InP carriers having a wider forbidden band width than these are placed between the active layer 113 and the optical waveguide layer 115. An overflow prevention layer 114 is interposed.

【0004】この半導体レーザのA−A´断面における
バンドダイヤグラムを図12に示す。図中112〜11
7は図11の112〜117に対応している。図12に
示すように、こうした構造では、電子(e)の光導波層
115のオーバーフロー防止には有効であるが、正孔(
h)の活性層への注入に対しては障壁となっていた。 そのため、発光効率が向上せず、発熱による特性劣化と
いった問題を引き起こしていた。
FIG. 12 shows a band diagram of this semiconductor laser taken along the line AA'. 112-11 in the figure
7 corresponds to 112 to 117 in FIG. As shown in FIG. 12, such a structure is effective in preventing electrons (e) from overflowing into the optical waveguide layer 115, but holes (
h) was a barrier to injection into the active layer. As a result, luminous efficiency was not improved, leading to problems such as property deterioration due to heat generation.

【0005】[0005]

【発明が解決しようとする課題】このように従来の半導
体発光装置は、発光に寄与しない無効電流を効果的に低
減できないといった問題があった。
As described above, conventional semiconductor light emitting devices have had the problem of not being able to effectively reduce the reactive current that does not contribute to light emission.

【0006】本発明は上記事情を考慮したもので、その
目的とするところは活性層にキャリアを効率良く注入す
ることにより、より多くの光を発生でき発光効率の向上
が可能な良好な特性を持つ半導体発光素子を提供するこ
とにある。 [発明の構成]
The present invention has been developed in consideration of the above-mentioned circumstances, and its purpose is to provide good characteristics that can generate more light and improve luminous efficiency by efficiently injecting carriers into the active layer. The object of the present invention is to provide a semiconductor light emitting device having the following characteristics. [Structure of the invention]

【0007】[0007]

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、第1の発明は第1の半導体層から成る活性層と、前
記活性層を挟むようにして形成されたN型の第2の半導
体層及びP型の第3の半導体層と、前記活性層に前記第
2の半導体層を介して電子を注入し、前記第3の半導体
層を介して正孔を注入する手段と、前記活性層と前記第
3の半導体層の間に形成された第4の半導体層から成る
キャリアオーバーフロー防止層とを備え、前記キャリア
オーバーフロー防止層は電子に対する伝導帯の最低量子
準位のエネルギーレベルが前記活性層及び前記第3の半
導体層より高く、且つ正孔に対する価電子帯の最低量準
位のエネルギーレベルが前記活性層以上で、前記第3の
半導体層と実質的に等しい若しくは低いことを特徴とす
る半導体発光装置を提供するものである。
[Means for Solving the Problems] In order to achieve the above object, the first invention includes an active layer consisting of a first semiconductor layer, and an N-type second semiconductor layer formed so as to sandwich the active layer. and a P-type third semiconductor layer; means for injecting electrons into the active layer through the second semiconductor layer and injecting holes through the third semiconductor layer; a carrier overflow prevention layer consisting of a fourth semiconductor layer formed between the third semiconductor layer, and the carrier overflow prevention layer has an energy level of the lowest quantum level of the conduction band for electrons in the active layer and the carrier overflow prevention layer. A semiconductor characterized in that the energy level of the lowest level of the valence band for holes is higher than that of the third semiconductor layer, and is higher than the active layer and substantially equal to or lower than that of the third semiconductor layer. A light emitting device is provided.

【0008】また、第2の発明は、第1の半導体層から
成る活性層と、前記活性層を挟むようにして形成された
N型の第2の半導体層及びP型の第3の半導体層と、前
記活性層に前記第2の半導体層を介して電子を注入し、
前記第3の半導体層を介して正孔を注入する手段と、前
記活性層と前記第3の半導体層との間に形成された第4
の半導体層から成るキャリアオーバーフロー防止層とを
備え、前記キャリオーバーフロー防止層は正孔を前記第
3の半導体層から活性層に注入する際の障壁にならない
ように正孔に対する価電子帯の最低量子準位のエネルギ
ーレベルが設定されており、前記活性層よりも禁制帯幅
が広いスードモルフィック歪半導体層を障壁層とする量
子井戸構造を有することにより電子に対する障壁となる
ことを特徴とする半導体発光装置を提供するものである
[0008] A second invention also provides an active layer comprising a first semiconductor layer, an N-type second semiconductor layer and a P-type third semiconductor layer, which are formed to sandwich the active layer. injecting electrons into the active layer via the second semiconductor layer,
means for injecting holes through the third semiconductor layer; and a fourth semiconductor layer formed between the active layer and the third semiconductor layer.
a carrier overflow prevention layer consisting of a semiconductor layer of A semiconductor characterized by having a quantum well structure in which the energy level of the energy level is set and a pseudomorphic strained semiconductor layer having a wider forbidden band width than the active layer acts as a barrier layer for electrons. A light emitting device is provided.

【0009】また、第3の発明は、第1の半導体層から
成る活性層と、前記活性層を挟むようにして形成された
N型の第2の半導体層及びP型の第3の半導体層と、前
記第2の半導体層及び第3の半導体層を介して前記活性
層に電子と正孔を注入する手段と、前記第2の半導体層
と第3の半導体層の間に形成された電流リークを防止す
るリーク防止層とを備え、前記リーク防止層は前記第2
の半導体層及び第3の半導体層よりも禁制帯幅が広いス
ードモルフィック歪半導体層を障壁層とする量子井戸構
造を有することを特徴とする半導体発光装置を提供する
ものである。
[0009] A third aspect of the present invention also provides an active layer comprising a first semiconductor layer, a second N-type semiconductor layer and a third P-type semiconductor layer, which are formed to sandwich the active layer. means for injecting electrons and holes into the active layer through the second semiconductor layer and the third semiconductor layer; and a means for injecting current leakage formed between the second semiconductor layer and the third semiconductor layer. a leak prevention layer that prevents leakage, and the leakage prevention layer
The present invention provides a semiconductor light emitting device characterized by having a quantum well structure in which a pseudomorphic strained semiconductor layer having a wider forbidden band width than the semiconductor layer and the third semiconductor layer is used as a barrier layer.

【0010】ここで活性層とは、注入された電子と正孔
が再結合して光を放出する領域で、この電子と正孔はそ
れぞれキャリアを注入する手段例えば金属の電極等から
P型或いはN型の半導体層を介して注入されている。
The active layer is a region where injected electrons and holes recombine to emit light, and these electrons and holes are transferred to P-type or It is implanted through an N-type semiconductor layer.

【0011】第2、第3の発明におけるスードモルフィ
ック(pseudomorphic)層とは、半導体層
上に厚さを所望の臨界厚以下に抑えることにより格子整
合しない他の半導体層を弾性的に歪ませて面内格子定数
を一致させたものである。
[0011] The pseudomorphic layer in the second and third inventions refers to a layer formed on a semiconductor layer by suppressing the thickness to a desired critical thickness or less, thereby elastically straining another semiconductor layer that is not lattice-matched. The in-plane lattice constants are made to match.

【0012】0012

【作用】第1の発明によれば、活性層とP型半導体層の
間に介在するキャリアオーバーフロー防止層が、これら
の層に比べて電子に対する伝導帯の最低量子準位のエネ
ルギーレベルが高いため、活性層に注入された電子がこ
のキャリアオーバーフロー防止層を越えてP型半導体層
側の漏れる心配がない。一方、このキャリアオーバーフ
ロー防止層の正孔に対する価電子帯の最低量子準位のエ
ネルギーレベルは逆に活性層やP型半導体層に比べて実
質的に同じか或いは小さいので、P型半導体層からキャ
リアオーバーフロー防止層を通って活性層に正孔が容易
に注入される。従って、活性層には多くの正孔が注入さ
れると共に一方では注入された電子が漏れる心配が少な
くなり、正孔と電子の再結合が高まって発光効率が向上
する。
[Operation] According to the first invention, the carrier overflow prevention layer interposed between the active layer and the P-type semiconductor layer has a higher energy level of the lowest quantum level of the conduction band for electrons than these layers. There is no fear that electrons injected into the active layer will leak beyond this carrier overflow prevention layer to the P-type semiconductor layer side. On the other hand, the energy level of the lowest quantum level of the valence band for holes in this carrier overflow prevention layer is substantially the same or smaller than that of the active layer or the P-type semiconductor layer, so carriers are removed from the P-type semiconductor layer. Holes are easily injected into the active layer through the overflow prevention layer. Therefore, many holes are injected into the active layer, and at the same time, there is less fear that the injected electrons will leak, increasing the recombination of holes and electrons, and improving luminous efficiency.

【0013】第2の発明によれば、第1の発明に加えて
キャリアオーバーフロー防止層にスードモルフィック歪
半導体層を用いているため、電子に対する伝導帯の最低
量子準位のエネルギーレベルをより高くすることができ
、またこのキャリアオーバーフロー防止層中の複数の井
戸層の電子に対する伝導帯の最低量子準位のエネルギー
レベルが、活性層より高くなっているので、これに相当
するエネルギーを持たない電子は障壁層をトンネルする
ことができず、トンネルによるキャリアのオーバーフロ
ーを防止でき、さらに多くの発光効率の向上を見込める
According to the second invention, in addition to the first invention, since a pseudomorphic strained semiconductor layer is used for the carrier overflow prevention layer, the energy level of the lowest quantum level of the conduction band for electrons can be made higher. Furthermore, since the energy level of the lowest quantum level of the conduction band for electrons in the multiple well layers in this carrier overflow prevention layer is higher than that of the active layer, electrons that do not have the corresponding energy cannot tunnel through the barrier layer, and carrier overflow due to tunneling can be prevented, and further improvement in luminous efficiency can be expected.

【0014】第3の発明によれば、キャリアオーバーフ
ロー防止層と類似構造のリーク防止層を、こんどは第2
、第3の半導体層間に介在している。これにより、リー
ク防止層が活性層以外の第2、第3の半導体層間でリー
クするキャリアを防止するのでこの面からの発光効率の
一層の向上を見込める。
According to the third invention, the leakage prevention layer having a similar structure to the carrier overflow prevention layer is then added to the second layer.
, are interposed between the third semiconductor layers. As a result, the leak prevention layer prevents carriers from leaking between the second and third semiconductor layers other than the active layer, and further improvement in luminous efficiency from this aspect can be expected.

【0015】[0015]

【実施例】以下、本発明の実施例について図面を参照し
つつ詳細に説明する。図1は、第1の実施例である第1
の発明に係る分布帰還型半導体レーザ装置のバンドダイ
ヤグラムを示す図、図2は同レーザ装置の断面斜視図で
ある。図2は図1のA−A´断面に沿ったバンドダイヤ
グラムであり、11 −12間の実線は電子に対する伝
導帯の最低量子準位エネルギーレベルを示し、21 −
22 間の実線は正孔に対する価電子帯の最低量子準位
エネルギーレベルを示す。図1の12〜17は図2の1
2〜17に対応している。
Embodiments Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. FIG. 1 shows a first embodiment, which is a first embodiment.
FIG. 2 is a cross-sectional perspective view of the distributed feedback semiconductor laser device according to the invention. FIG. 2 is a band diagram along the AA' cross section in FIG.
The solid line between 22 and 22 indicates the lowest quantum level energy level of the valence band for holes. 12 to 17 in Figure 1 are 1 in Figure 2
It corresponds to numbers 2 to 17.

【0016】この半導体レーザ装置は、光導波層15と
量子井戸活性層13との間に、膜厚250Aの第4の半
導体層であるIn0.5218Ga0.0875Al0
.3907Asキャリアオーバーフロー防止層14を介
在させたことを特徴とするものである。
This semiconductor laser device has a fourth semiconductor layer of In0.5218Ga0.0875Al0 with a thickness of 250A between the optical waveguide layer 15 and the quantum well active layer 13.
.. It is characterized in that a 3907As carrier overflow prevention layer 14 is interposed therebetween.

【0017】すなわち、(100)主面をもつn型In
P基板21上に、膜厚2μmの第2の半導体層であるn
型InPバッファ(クラッド)層12を介して、InG
aAs/InGaAsP多重量子井戸活性層13、膜厚
250AのIn0.5218Ga0.0875Al0.
3907Asキャリアオーバーフロー防止層14、膜厚
1000AのIn0.77Ga0.23As0.5 P
0.5 光電波層15が順次積層されている。活性層1
3は膜厚75AのアンドープIn0.53Ga0.47
As井戸層を5層、膜厚100AのアンドープIn0.
77Ga0.23As0.5 P0.5 障壁層(バリ
ア層)を6層、交互に積層したものである。そして光導
波層15にはブラッグ波長1.55μmの1次の位相シ
フト構造回折格子26が形成されている。その上にはさ
らにP型の第3の半導体層として厚さ1.5μmのP型
InPクラッド層17、厚さ0.8μmのInGaAs
Pコンタクト層28が積層されている。これらの積層構
造は回折格子と垂直なメサストライプ状にエッチング加
工され、p型InP層29、n型InP層210、p型
InP層211およびp型InGaAsPコンタクト層
212により埋め込まれている。そしてInGaAsP
コンタクト層28およびp型InGaAsPコンタクト
層212の上にはp型オーミック電極(Ti/Pt/A
u)213が形成され、一方基板21の下にはn型オー
ミック電極(Au/Ge)214が形成されている。こ
のコンタクト層212と電極214が一体となってキャ
リア(電子)の注入手段として働く。正孔の注入手段も
同様である。
That is, an n-type In with a (100) main surface
On the P substrate 21, a second semiconductor layer with a thickness of 2 μm is formed.
InG via the InP type buffer (cladding) layer 12
aAs/InGaAsP multi-quantum well active layer 13, In0.5218Ga0.0875Al0. with a film thickness of 250A.
3907As carrier overflow prevention layer 14, In0.77Ga0.23As0.5P with a film thickness of 1000A
0.5 photoelectric wave layers 15 are sequentially laminated. active layer 1
3 is undoped In0.53Ga0.47 with a film thickness of 75A
Five As well layers, 100A thick undoped In0.
Six 77Ga0.23As0.5 P0.5 barrier layers are alternately laminated. A first-order phase shift structure diffraction grating 26 with a Bragg wavelength of 1.55 μm is formed in the optical waveguide layer 15. On top of that, a 1.5 μm thick P type InP cladding layer 17 is further formed as a P type third semiconductor layer, and a 0.8 μm thick InGaAs cladding layer 17 is formed as a P type third semiconductor layer.
A P contact layer 28 is laminated. These laminated structures are etched into mesa stripes perpendicular to the diffraction grating, and are filled with a p-type InP layer 29, an n-type InP layer 210, a p-type InP layer 211, and a p-type InGaAsP contact layer 212. and InGaAsP
A p-type ohmic electrode (Ti/Pt/A
u) 213 is formed, and an n-type ohmic electrode (Au/Ge) 214 is formed under the substrate 21. The contact layer 212 and the electrode 214 work together as carrier (electron) injection means. The same applies to the hole injection means.

【0018】そして長さ900μm、幅300μmのチ
ップに切り出され、端面には無反射コーティング膜が形
成される。そして、実際にはこのレーザチップは光アイ
ソレータ、ペルチエ冷却素子、光ファイバ・ピグテール
等とともにモジュールに実装されている。この半導体レ
ーザ装置の作用について説明する。
[0018] Then, it is cut into chips with a length of 900 μm and a width of 300 μm, and a non-reflective coating film is formed on the end face. In reality, this laser chip is mounted in a module together with an optical isolator, a Peltier cooling element, an optical fiber pigtail, etc. The operation of this semiconductor laser device will be explained.

【0019】図3は、InP基板に格子整合するIn1
−u Gau Asv P1−v (0≦v≦1)、u
=0.1894v/(0.4184−0.013v)±
δ)とIn1−s (Aa1−t Alt )s As
(0≦t≦1、S=0.47+0.01t)の真空準位
を基準としたバンドアライメントを示す図である。電子
に対する伝導帯の最低量子準位のエネルギーレベルであ
る伝導体の下端Ecは真空準位から電子親和力xだけ低
いエネルギー準位に位置している。そして正孔に対する
価電子帯の最低量子準位のエネルギーレベルである価電
子帯の頂点EvはEcからさらに禁制帯エネルギー幅E
g分だけ低いところに位置している。
FIG. 3 shows In1 lattice-matched to the InP substrate.
-u Gau Asv P1-v (0≦v≦1), u
=0.1894v/(0.4184-0.013v)±
δ) and In1-s (Aa1-t Alt )s As
It is a figure which shows the band alignment based on the vacuum level of (0<=t<=1, S=0.47+0.01t). The lower end Ec of the conductor, which is the energy level of the lowest quantum level of the conduction band for electrons, is located at an energy level lower than the vacuum level by electron affinity x. The apex Ev of the valence band, which is the energy level of the lowest quantum level of the valence band for holes, is further extended from Ec to the forbidden band energy width E
It is located at a lower location by g.

【0020】この図から、Evの位置がほぼ一致し、か
つEcはIn1−s(Ga1−t Alt)s As(
0≦t≦1、S=0.47+0.01t)の方が高くな
る組み合わせを得ることができる。
From this figure, the positions of Ev almost match, and Ec is In1-s(Ga1-t Alt)s As(
0≦t≦1, S=0.47+0.01t), it is possible to obtain a combination in which the value is higher.

【0021】ここではv=0.5、t=0.817とす
ることにより、Evの不連続がほとんどなく(ΔEv=
0)、かつEcのギャップはΔEc=0.3182eV
と高くなっている。
Here, by setting v=0.5 and t=0.817, there is almost no discontinuity in Ev (ΔEv=
0), and the Ec gap is ΔEc=0.3182eV
It is getting higher.

【0022】この図3からIn1−u Gau Asv
 P1−v とIn1−s (Ga1−t Alt )
s Asのヘテロ接合ではEvの位置はほぼ一致し、E
cはIn1−s (Ga1−t Alt)s Asが高
くなるような組み合わせを他にも得ることができること
がわかる。この実施例の場合、すなわちv=0.5、t
=0.817とした場合のバンドダイヤグラムが図1に
示したものである。
From FIG. 3, In1-u Gau Asv
P1-v and In1-s (Ga1-t Alt)
s In the As heterojunction, the positions of Ev are almost the same, and E
It can be seen that other combinations can be obtained in which c has a high value of In1-s (Ga1-t Alt)s As. For this example, i.e. v=0.5, t
A band diagram when =0.817 is shown in FIG.

【0023】かかるバンドダイヤグラムを有することに
より、本発明の半導体レーザ装置では、Evの不連続が
ほとんどなく(ΔEv=0)、かつEcのギャップΔE
c=0.3182eVと高くなっており、図2中のキャ
リアオーバーフロー防止層14は電子に対して障壁とな
るが、正孔の注入に対しては障壁とならない。また、こ
のキャリアオーバーフロー防止層14は250Aあるの
で、トンネル電流による電子の漏れ出しも防止すること
ができる。
By having such a band diagram, in the semiconductor laser device of the present invention, there is almost no discontinuity in Ev (ΔEv=0), and the gap ΔE in Ec is
The carrier overflow prevention layer 14 in FIG. 2 acts as a barrier to electrons, but does not act as a barrier to hole injection. Furthermore, since the carrier overflow prevention layer 14 has a thickness of 250 A, leakage of electrons due to tunnel current can also be prevented.

【0024】n型クラッド層12から活性層13に注入
された電子はIn0.53Ga0.47As井戸層13
1 の伝導帯2次元状態密度が小さいためレーザ発振状
態ではInGaAsP障壁層132 にもオーバーフロ
ーしている。 しかしキャリアオーバーフロー防止層14の電子に対す
る障壁ΔEcが十分に大きいため、光導波層15へのオ
ーバーフローは有効に防止される。
Electrons injected from the n-type cladding layer 12 into the active layer 13 are transferred to the In0.53Ga0.47As well layer 13.
Since the two-dimensional density of states in the conduction band 1 is small, it also overflows to the InGaAsP barrier layer 132 in the laser oscillation state. However, since the carrier overflow prevention layer 14 has a sufficiently large barrier ΔEc against electrons, overflow to the optical waveguide layer 15 is effectively prevented.

【0025】一方、p型クラッド層12から活性層13
に注入された電子は光導波層15、キャリアオーバーフ
ロー防止層14を通って活性層13へ注入される。そし
てこのとき、光導波層15、キャリアオーバーフロー防
止層14、活性層13には正孔に対する障壁はないため
効率良く量子井戸層131 に正孔を注入する事ができ
る。In0.53Ga0.47As井戸層131 の価
電子帯2次元状態密度は十分に大きいため、正孔のオー
バーフローはほとんど無視することができる。
On the other hand, from the p-type cladding layer 12 to the active layer 13
The electrons injected into the active layer 13 pass through the optical waveguide layer 15 and the carrier overflow prevention layer 14 . At this time, since there is no barrier to holes in the optical waveguide layer 15, carrier overflow prevention layer 14, and active layer 13, holes can be efficiently injected into the quantum well layer 131. Since the two-dimensional density of states in the valence band of the In0.53Ga0.47As well layer 131 is sufficiently large, overflow of holes can be almost ignored.

【0026】このようにして、光導波層での電子の正孔
の再結合を減らすことができる分だけ、発振閾値を下げ
ることができる。また、電子が光導波層15へオーバー
フロートしない分だけキャリアの注入に対する誘導放出
利得(微分利得)が大きくなる。従って発光効率も向上
する。さらに線幅増大係数は微分利得に反比例するため
、微分利得の増大は線幅増大係数の低減にも有効である
In this way, the oscillation threshold can be lowered by the amount that recombination of electrons and holes in the optical waveguide layer can be reduced. Furthermore, the stimulated emission gain (differential gain) for carrier injection increases to the extent that electrons do not overflow into the optical waveguide layer 15. Therefore, the luminous efficiency is also improved. Furthermore, since the linewidth increase coefficient is inversely proportional to the differential gain, increasing the differential gain is also effective in reducing the linewidth increase coefficient.

【0027】また、光導波層のプラズマ効果に起因する
線幅増大係数αの増大も防止することができる。従って
発振スペクトルの狭線幅化、高速変調時の波長チャーピ
ングの低減を計ることもできる。
[0027] Furthermore, an increase in the linewidth increase coefficient α due to the plasma effect of the optical waveguide layer can also be prevented. Therefore, it is possible to narrow the linewidth of the oscillation spectrum and reduce wavelength chirping during high-speed modulation.

【0028】そして、10Gb/sクラスの超高速光通
信用DFBレーザやコヒーレント光通信用半導体レーザ
の高性能化をはかることができる。本実施例はレーザだ
けでなく、共振器を持たないLEDに対しても適用でき
る。
Furthermore, it is possible to improve the performance of a DFB laser for 10 Gb/s class ultra-high speed optical communication and a semiconductor laser for coherent optical communication. This embodiment can be applied not only to lasers but also to LEDs without a resonator.

【0029】なお、前記実施例では、ΔEv=0とした
が、実際には完全に価電子帯の頂点を一致させることは
難しい。しかし、その差(障壁が)レーザ動作温度の熱
エネルギーkT(kはボルツマン定数、Tは絶対温度)
と比べて小さいならば、正孔の大部分はこのヘテロ障壁
を乗り越えることができる。ここで実質的に障壁がない
といっているのは、このような状態をさしているのであ
って、必ずしもΔEv=0に限定するものではなく、Δ
Ev<kTを満たすものであればよい。
In the above embodiment, ΔEv=0, but in reality it is difficult to make the apexes of the valence bands completely coincide. However, the difference (barrier) is the thermal energy of the laser operating temperature kT (k is Boltzmann's constant, T is the absolute temperature)
If it is small compared to , most of the holes can overcome this heterobarrier. Here, when we say that there is virtually no barrier, we are referring to such a state, and it is not necessarily limited to ΔEv=0, but ΔEv=0.
Any material that satisfies Ev<kT is sufficient.

【0030】次に、本発明の第2の実施例を説明する。 この実施例はキャリアオーバーフロー防止層が先の実施
例と異なる。以下では第1の実施例と同一部分は同一番
号を付し、その詳しい説明は省略する。
Next, a second embodiment of the present invention will be explained. This embodiment differs from the previous embodiment in the carrier overflow prevention layer. In the following, parts that are the same as those in the first embodiment are given the same numbers, and detailed explanation thereof will be omitted.

【0031】図4にこの実施例のレーザのバンドダイヤ
グラムを示すように、光導波層15からキャリアオーバ
ーフロー防止層44への正孔注入、およびキャリアオー
バーフロー防止層44から活性層の障壁層132 への
正孔注入に対して価電子帯障壁ができなければ、ΔEv
=0である必要はない。すなわち光導波層15から活性
層13に向かって価電子帯上端の正孔に対するエネルギ
ーレベルが低くなっていれば有効である。この様にして
も第1の実施例と同様の効果を奏する。
As shown in the band diagram of the laser of this embodiment in FIG. 4, holes are injected from the optical waveguide layer 15 to the carrier overflow prevention layer 44, and holes are injected from the carrier overflow prevention layer 44 to the barrier layer 132 of the active layer. If no valence band barrier is created for hole injection, ΔEv
=0 does not have to be the case. That is, it is effective if the energy level for holes at the upper end of the valence band decreases from the optical waveguide layer 15 to the active layer 13. Even in this case, the same effects as in the first embodiment can be achieved.

【0032】なお、前記実施例では、基板としてn型I
nP基板を用いたが、p型基板を用いても良いことはい
うまでもない。その場合には各層の上下関係を反転させ
るようにすればよい。
Note that in the above embodiment, the substrate is an n-type I
Although an nP substrate was used, it goes without saying that a p-type substrate may also be used. In that case, the vertical relationship of each layer may be reversed.

【0033】ここで、キャリアオーバーフロー防止層4
4が厚すぎると、屈折率の高い活性層と光導波層の間に
屈折率の低い層があることになるので、光導波特性に悪
影響が出る。また、キャリアオーバーフロー防止層44
を基板と格子整合しない材料とすることで、格子整合す
る材料よりも障壁を高くできる可能性があるが、この場
合、結晶性の劣化を起こさないためには、格子不整合層
の厚さを、面内の格子定数が基板に一致するように弾性
的に歪む臨界厚以下に設定する必要がある。このような
理由でキャリアオーバーフロー防止層44を十分に厚く
できない場合、活性層13から光導波層15へのトンネ
ル電流によりオーバーフローが生じることも考えられる
。図5は、これらの点に注目したもので第3の実施例で
ある第2の発明に係る半導体レーザ装置のバンドダイヤ
グラムを示す図である。これはトンネル電流によりキャ
リアオーバーフローも防止できる構造で第1の実施例と
同様の構造であるが、キャリアオーバーフロー防止層5
4は、スードモルフィック歪半導体層からなるInGa
AlAs障壁層541 とInGaAsP井戸層542
 、543 から構成されている。InGaAlAs層
41 はInPに格子整合する組成よりもInを減らし
Alを増やした組成になっており、その結果、InPに
格子整合したInGaAlAsを用いた場合よりも高い
障壁が実現できる。ただし、格子不整合による深い準位
を介したトンネル電流の増加や結晶欠陥による特性劣化
を避けるために、各InGaAlAs層541 の厚さ
は50Aとしている。この場合InGaAlAs層54
1 には面内に伸張歪(法線方向に圧縮歪)が入ってい
るため、価電子帯は重い正孔と軽い正孔の縮退が解け、
軽い正孔に対する禁制帯幅が狭くなる。ここではInG
aAlAs層541 の軽い正孔の価電子帯の最低量子
準位のエネルギーレベルである価電子帯頂点Evlh 
がInGaAsP層542 、543 の価電子帯頂点
とほぼ一致するように設定してあるので、正孔に対する
障壁は生じない。この価電子帯頂点Evlh は、第3
の半導体層である光導波層55の価電子帯頂点より正孔
に対する最低量子準位のエネルギーレベルが低く活性層
の障壁層132 の価電子帯頂点よりは高い。従ってp
型クラッド層17から井戸層131 への正孔の注入に
対する障壁は存在しない。一方、第2の半導体層を介し
て注入される電子に対しては量子井戸ができるので、I
nGaAsP層542 、543 の電子に対する最低
量子準位のエネルギーレベルは活性層の伝導帯端よりも
高いところにある。したがって、この最低量子準位に相
当するエネルギーを持っていない電子は、活性層の障壁
層132 からInGaAsP層542 へInGaA
lAs層541 をトンネルすることができない。従っ
て、トンネル電流によるオーバーフローを減らすことが
できる。この最低量子準位はInGaAsP層542 
の厚さが薄いほど高くなるので、InGaAsP層54
2 はできるだけ薄くするのが好ましい。さらに、量子
井戸を複数設けることで、トンネル確率を減らすことが
できる。このとき、共鳴トンネルによりトンネル電流が
増加するのを防ぐためには、各量子井戸層は厚さなどを
変えて量子準位レベルが異なるように設定するのが好ま
しい。図5の例では、活性層から見て最初のInGaA
sP層542 は厚さ40A、2番目のInGaAsP
層543 は25Aと設定している。この効果により、
InGaAsP層542 からInGaAsP層543
 へのトンネル確率が減少し、その結果、活性層13か
ら光導波層15へのトンネル電流によるキャリアオーバ
ーフローをほとんど防止することができる。
[0033] Here, the carrier overflow prevention layer 4
If 4 is too thick, there will be a layer with a low refractive index between the active layer with a high refractive index and the optical waveguide layer, which will adversely affect the optical waveguide characteristics. In addition, the carrier overflow prevention layer 44
By using a material that is not lattice-matched to the substrate, it is possible to make the barrier higher than a material that is lattice-matched, but in this case, in order to avoid deterioration of crystallinity, the thickness of the lattice-mismatched layer must be , it is necessary to set the in-plane lattice constant below a critical thickness at which elastic distortion occurs so as to match the substrate. If the carrier overflow prevention layer 44 cannot be made sufficiently thick for such reasons, overflow may occur due to tunnel current from the active layer 13 to the optical waveguide layer 15. FIG. 5 is a diagram showing a band diagram of a semiconductor laser device according to a second invention, which is a third embodiment, focusing on these points. This structure can also prevent carrier overflow due to tunnel current, and is similar to the first embodiment, but the carrier overflow prevention layer 5
4 is InGa consisting of a pseudomorphic strained semiconductor layer.
AlAs barrier layer 541 and InGaAsP well layer 542
, 543. The InGaAlAs layer 41 has a composition with less In and more Al than a composition that is lattice matched to InP, and as a result, a higher barrier can be achieved than when InGaAlAs that is lattice matched to InP is used. However, the thickness of each InGaAlAs layer 541 is set to 50 Å in order to avoid an increase in tunnel current through deep levels due to lattice mismatch and property deterioration due to crystal defects. In this case, the InGaAlAs layer 54
1 has in-plane tensile strain (compressive strain in the normal direction), so the degeneracy of heavy holes and light holes in the valence band is resolved,
The forbidden band width for light holes becomes narrower. Here InG
valence band peak Evlh, which is the energy level of the lowest quantum level of the valence band of light holes in the aAlAs layer 541;
is set to almost coincide with the valence band apex of the InGaAsP layers 542 and 543, so no barrier to holes is created. This valence band apex Evlh is the third
The energy level of the lowest quantum level for holes is lower than the valence band apex of the optical waveguide layer 55, which is a semiconductor layer, and higher than the valence band apex of the barrier layer 132 of the active layer. Therefore p
There is no barrier to hole injection from the type cladding layer 17 to the well layer 131. On the other hand, since a quantum well is formed for electrons injected through the second semiconductor layer, I
The energy level of the lowest quantum level for electrons in the nGaAsP layers 542 and 543 is higher than the conduction band edge of the active layer. Therefore, electrons that do not have energy corresponding to this lowest quantum level are transferred from the barrier layer 132 of the active layer to the InGaAsP layer 542.
It is not possible to tunnel through the lAs layer 541. Therefore, overflow due to tunnel current can be reduced. This lowest quantum level is the InGaAsP layer 542
The thinner the thickness of the InGaAsP layer 54, the higher the height.
2 is preferably made as thin as possible. Furthermore, by providing multiple quantum wells, the tunneling probability can be reduced. At this time, in order to prevent tunnel current from increasing due to resonance tunneling, it is preferable to set each quantum well layer to have different quantum level levels by changing the thickness, etc. In the example of FIG. 5, the first InGaA
The sP layer 542 is 40A thick and the second InGaAsP
The layer 543 is set to 25A. This effect causes
InGaAsP layer 542 to InGaAsP layer 543
As a result, carrier overflow due to tunnel current from the active layer 13 to the optical waveguide layer 15 can be almost prevented.

【0034】図6(a)は、第4の実施例である第3の
発明に係わる半導体レーザの構造断面図である。この半
導体レーザ装置は、第2の半導体層であるキャリア密度
3×1018cm−3のn型InP基板(クラッド層を
兼ねる)61上に、その上に積層された幅1.5μmの
ストライプ状のInGaAsP(波長1.3μm組成)
活性層63、基板61上の活性層63の無い部分に積層
されたリーク防止層64、これらの上に積層された、第
3の半導体層である厚さ1.5μm、キャリア密度1×
1018cm−3のp型InPクラッド層66、さらに
その上に積層された厚さ0.7μm、キャリア密度5×
1018cm−3のp型InGaAsPコンタクト層6
7、基板下部に設けられたn側電極68、コンタクト層
上部に設けられたp側電極69a、絶縁膜611が形成
されている。 またリーク電流を減らすため、活性層ストライプに沿っ
て幅16μm、高さ2.5μmのメサ610が形成され
ている。69bは電極配線である。電流阻止層64は、
In0.50Ga0.50Pを障壁層641 InPを
井戸層642 とする量子井戸構造を有している。障壁
層641の厚さは30A、下から順に第1の井戸層の厚
さは50A、第2の井戸層の厚さ30Aである。In0
.50Ga0.50PとInPの間には約3.7%の格
子不整合があるが、障壁層641 は薄いので弾性的に
歪んでスードモルフィック歪層となっている。そして長
さ300μmのチップに劈開され、モジュールに実装さ
れている。劈開面はレーザ発振させるための光共振器を
構成している。
FIG. 6(a) is a structural sectional view of a semiconductor laser according to the third invention, which is a fourth embodiment. This semiconductor laser device consists of an n-type InP substrate 61 (also serving as a cladding layer) with a carrier density of 3 x 1018 cm-3, which is a second semiconductor layer, and a striped InGaAsP substrate with a width of 1.5 μm stacked thereon. (Wavelength 1.3 μm composition)
An active layer 63, a leak prevention layer 64 laminated on the part of the substrate 61 where the active layer 63 is not present, and a third semiconductor layer laminated on top of these, with a thickness of 1.5 μm and a carrier density of 1×.
A p-type InP cladding layer 66 of 1018 cm-3 is further laminated on top of the p-type InP cladding layer 66 with a thickness of 0.7 μm and a carrier density of 5×.
1018 cm-3 p-type InGaAsP contact layer 6
7. An n-side electrode 68 provided at the bottom of the substrate, a p-side electrode 69a provided at the top of the contact layer, and an insulating film 611 are formed. Furthermore, in order to reduce leakage current, a mesa 610 with a width of 16 μm and a height of 2.5 μm is formed along the active layer stripe. 69b is an electrode wiring. The current blocking layer 64 is
It has a quantum well structure in which a barrier layer 641 is made of In0.50Ga0.50P and a well layer 642 is made of InP. The thickness of the barrier layer 641 is 30A, the thickness of the first well layer is 50A from the bottom, and the thickness of the second well layer is 30A. In0
.. There is a lattice mismatch of about 3.7% between 50Ga0.50P and InP, but since the barrier layer 641 is thin, it is elastically strained and becomes a pseudomorphic strain layer. Then, it is cleaved into chips with a length of 300 μm and mounted on a module. The cleavage plane constitutes an optical resonator for laser oscillation.

【0035】図6(b)に図6(a)で示したレーザに
おいて、レーザ発振高注入バイアス状態における、B−
B´断面に沿ったバンドダイヤグラムを示す。図中61
〜66は図6(a)の61〜66に対応している。In
0.50Ga0.50Pの歪んでいない状態での禁制帯
幅は約1.87eVである。InPに格子整合するよう
に伸張歪が入った状態では禁制帯幅は狭まるが、InP
の禁制帯幅1.35eVよりは大きく、そのバンド不連
続は伝導帯側で大きい。第1の井戸層642 と第2の
井戸層642 の伝導帯には量子化準位ができる。井戸
幅の狭い第2の井戸層642の方がその量子化準位のエ
ネルギーレベルが高くなっている。障壁層641 は3
0Aと薄いので電子のトンネルまで阻止することはでき
ないが、井戸層642 の量子化準位よりエネルギーの
低い電子はトンネルする先に電子の入る準位がないので
、トンネルすることができない。すなわち、n型クラッ
ド層61から井戸層642 にトンネルする電子は井戸
層642 の量子化準位よりも高いエネルギーをもって
いなければならず、第1の井戸層642 から第2の井
戸層642 にトンネルする電子は第2の井戸層642
 の量子化準位よりも高いエネルギーをもっていなけれ
ばならない。高いエネルギーを持つ電子の存在確率は指
数関数的に減少するから、リーク防止層64をリークす
る電流を大幅に減らすことができる。レーザ発振に寄与
しないリーク電流を大幅に減らせる結果、レーザの高出
力化、高効率化、低閾値化、温度特性向上を図ることが
できる。
FIG. 6(b) shows that in the laser shown in FIG. 6(a), B-
A band diagram along the B' section is shown. 61 in the diagram
66 correspond to 61 to 66 in FIG. 6(a). In
The forbidden band width of 0.50Ga0.50P in an unstrained state is about 1.87 eV. When tensile strain is applied to InP to achieve lattice matching, the forbidden band width narrows;
is larger than the forbidden band width of 1.35 eV, and the band discontinuity is large on the conduction band side. A quantization level is formed in the conduction bands of the first well layer 642 and the second well layer 642. The energy level of the quantization level is higher in the second well layer 642 having a narrower well width. The barrier layer 641 is 3
Since it is thin (0A), it cannot prevent electron tunneling, but electrons having energy lower than the quantization level of the well layer 642 cannot tunnel because there is no level at which the electrons can enter. In other words, electrons tunneling from the n-type cladding layer 61 to the well layer 642 must have energy higher than the quantization level of the well layer 642, and electrons tunneling from the first well layer 642 to the second well layer 642 must have energy higher than the quantization level of the well layer 642. The electrons are transferred to the second well layer 642.
must have a higher energy than the quantization level of Since the probability of the existence of high-energy electrons decreases exponentially, the current leaking through the leak prevention layer 64 can be significantly reduced. As a result of significantly reducing leakage current that does not contribute to laser oscillation, it is possible to achieve higher laser output, higher efficiency, lower threshold, and improved temperature characteristics.

【0036】図7は、上述したリーク防止層を発光ダイ
オードに応用した実施例である。層構成は、図6(a)
と同様である。n型InP基板71上に直径30μm、
厚さ0.8μmのInGaAsP活性層73、基板71
上の活性層73の無い部分に積層されたリーク防止層7
4、これらの上に積層された厚さ1μmのp型InPク
ラッド層76、その上に厚さ0.5μmのp型InGa
AsPコンタクト層77が形成されており、上面から光
が取り出される様に開口部が設けられている。開口部表
面には無反射コート75が施され、コンタクト層上部に
p側電極79、基板71下部にはn側電極78が形成さ
れている。リーク防止層74はIn0.50Ga0.5
0Pを障壁層、InPを井戸層とする多重量子井戸構造
を有している。この発光ダイオードにおいても同様にし
てリーク電流が減少し、同様の効果が得られる。
FIG. 7 shows an example in which the above-described leak prevention layer is applied to a light emitting diode. The layer structure is shown in Figure 6(a).
It is similar to On the n-type InP substrate 71, a diameter of 30 μm,
InGaAsP active layer 73 with a thickness of 0.8 μm, substrate 71
Leak prevention layer 7 laminated on the part without the upper active layer 73
4. A p-type InP cladding layer 76 with a thickness of 1 μm is laminated thereon, and a p-type InGa layer with a thickness of 0.5 μm is laminated thereon.
An AsP contact layer 77 is formed, and an opening is provided so that light can be extracted from the top surface. A non-reflection coating 75 is applied to the surface of the opening, a p-side electrode 79 is formed above the contact layer, and an n-side electrode 78 is formed below the substrate 71. Leak prevention layer 74 is In0.50Ga0.5
It has a multiple quantum well structure with 0P as a barrier layer and InP as a well layer. In this light emitting diode as well, the leakage current is reduced in the same way, and the same effect can be obtained.

【0037】図8は、第5の実施例である第3の発明に
係わる面発光レーザ装置を示す構造断面図である。n型
InP81上に、n型InP/InGaAsP(1.3
μm組成)からなる分布ブラッグ反射(DBR)層82
、厚さ40Aのアンドープ歪In0.70Ga0.30
As井戸層84(3層)と厚さ60AのアンドープIn
GaAsP(1.3μm組成)障壁層84からなる活性
層84および第3の半導体層を構成するp型InP/I
nGaAsP(1.3μm組成)からなる分布ブラッグ
反射(DBR)層85からなる積層体が形成されている
。DBR層82、85は発振波長が1.55μmになる
ように周期が設定されている。DBR層82、85と活
性層84の境界のInGaAsP層(1.3μm組成)
は、活性層84と合わせてDBR層82、85に対して
λ/4の位相シフトを与えるように、その厚さが設定さ
れている。この積層体は直径4μmの円柱状に加工され
、その周囲には、第2の半導体層を構成するn型InP
クラッド層86、In0.50Ga0.50P障壁層8
81 (30A二層)とInP井戸層882 (30A
一層)からなるリーク防止層、第3の半導体層を構成す
るp型InGaAsPクラッド層(1.05μm組成)
89が埋め込み積層形成されている。In0.50Ga
0.50P障壁層881 は、第4の実施例と同様に基
板と格子整合するように歪んで、スードモルフィック層
となっている。活性層84とリーク防止層88とは、お
おむね同一面内に位置するように調整されている。これ
らの層から成る積層体82〜89は直径8μmの円柱状
のメサ810に加工され、その周囲には、図示のように
絶縁膜811、p側電極812、n側電極813が配置
形成されている。
FIG. 8 is a structural sectional view showing a surface emitting laser device according to the third invention, which is a fifth embodiment. n-type InP/InGaAsP (1.3
Distributed Bragg reflection (DBR) layer 82 consisting of
, thickness 40A undoped strain In0.70Ga0.30
As well layer 84 (3 layers) and undoped In with a thickness of 60A
An active layer 84 consisting of a GaAsP (1.3 μm composition) barrier layer 84 and a p-type InP/I constituting the third semiconductor layer
A stack of distributed Bragg reflection (DBR) layers 85 made of nGaAsP (1.3 μm composition) is formed. The period of the DBR layers 82 and 85 is set so that the oscillation wavelength is 1.55 μm. InGaAsP layer (1.3 μm composition) at the boundary between DBR layers 82, 85 and active layer 84
The thickness of the active layer 84 is set so as to give a phase shift of λ/4 to the DBR layers 82 and 85 together with the active layer 84. This stacked body is processed into a cylindrical shape with a diameter of 4 μm, and around it is formed an n-type InP constituting the second semiconductor layer.
Cladding layer 86, In0.50Ga0.50P barrier layer 8
81 (30A double layer) and InP well layer 882 (30A
a p-type InGaAsP cladding layer (1.05 μm composition) constituting the third semiconductor layer
89 is embedded and laminated. In0.50Ga
The 0.50P barrier layer 881 is distorted to be lattice-matched to the substrate and becomes a pseudomorphic layer, as in the fourth embodiment. The active layer 84 and the leak prevention layer 88 are adjusted so as to be located approximately in the same plane. A laminate 82 to 89 made up of these layers is processed into a cylindrical mesa 810 with a diameter of 8 μm, around which an insulating film 811, a p-side electrode 812, and an n-side electrode 813 are arranged and formed as shown in the figure. There is.

【0038】電極812から注入された正孔は、p型ク
ラッド層89→p型DBR層85→活性層84と流れる
。一方、電極813から注入された電子は、n型基板8
1→n型クラッド層86およびn型DBR層82→活性
層84と流れる。In0.70Ga0.30As層84
2 に注入された正孔と電子により誘導放出ゲインが生
じ、発光が起こる。光は埋め込みクラット層86、89
により基板81に垂直な方向に閉じ込められる。DBR
層82、85は波長1.55μmに相当するブラッグ光
共振器を構成しているから、単一モード・レーザ発振が
得られる。発振光は上部の電極812の窓、あるいは基
板81の下部から取り出すことができる。リーク防止層
88は上下のクラッド層86、89の間にリーク電流が
流れるのを防ぎ、活性層への有効な電流閉じ込めを実現
している。すなわち、In0.50Ga0.50P障壁
層881 一層ではトンネルによりリークする電流まで
防止できないが、InP井戸層882 にできる量子準
位がp型InGaAsPクラッド層89のバンド端と比
べて高いため、トンネルによるリーク電流を大幅に減ら
せるわけである。この結果、発振閾値、効率の大幅な向
上が実現でき、また無効電流による熱の発生も減らせる
。本発明のリーク防止層は薄いので、このような微細発
光デバイスに適した構造といえる。このようなメサ81
0を基板81の上に多数配置することにより、2次元面
発光レーザアレイを作ることができる。本発明によれば
消費電力が減ることから、2次元アレイの密度向上、規
模拡大を計ることができる。集積化を行う場合には、基
板21を半絶縁性基板としてn型クラッド層86にn側
電極を形成してもよい。適当な素子分離を行うことによ
り、各レーザ出力を独立に制御できる。また、例えば基
板下部から光入力を入れて上部に出力する光演算素子な
どにも本発明を応用することができる。
Holes injected from the electrode 812 flow from the p-type cladding layer 89 to the p-type DBR layer 85 to the active layer 84. On the other hand, the electrons injected from the electrode 813
1→n-type cladding layer 86 and n-type DBR layer 82→active layer 84. In0.70Ga0.30As layer 84
Stimulated emission gain occurs due to holes and electrons injected into 2, and light emission occurs. Light is buried in the crat layers 86 and 89
is confined in a direction perpendicular to the substrate 81. DBR
Since the layers 82 and 85 constitute a Bragg optical resonator corresponding to a wavelength of 1.55 μm, single mode laser oscillation is obtained. The oscillated light can be extracted from the window of the upper electrode 812 or from the bottom of the substrate 81. The leakage prevention layer 88 prevents leakage current from flowing between the upper and lower cladding layers 86 and 89, realizing effective current confinement in the active layer. That is, a single In0.50Ga0.50P barrier layer 881 cannot prevent current leakage due to tunneling, but since the quantum level created in the InP well layer 882 is higher than the band edge of the p-type InGaAsP cladding layer 89, leakage due to tunneling cannot be prevented. This means that the current can be significantly reduced. As a result, the oscillation threshold and efficiency can be significantly improved, and heat generation due to reactive current can also be reduced. Since the leak prevention layer of the present invention is thin, it can be said to have a structure suitable for such a microscopic light emitting device. Mesa 81 like this
By arranging a large number of 0s on the substrate 81, a two-dimensional surface emitting laser array can be created. According to the present invention, since power consumption is reduced, it is possible to improve the density and expand the scale of a two-dimensional array. In the case of integration, the n-side electrode may be formed on the n-type cladding layer 86 using the substrate 21 as a semi-insulating substrate. By performing appropriate element separation, each laser output can be controlled independently. Further, the present invention can be applied to, for example, an optical arithmetic element that inputs light from the bottom of the substrate and outputs it from the top.

【0039】図9は、第6の実施例である第2、3の発
明に係わる半導体レーザ装置の断面構造図である。この
レーザは、第3の半導体層であるp型InP基板91上
にp型に厚さ30Aのp型InAlAsP電子障壁層9
21 (黒い領域)三層とp型InP量子井戸層922
 (白い領域)からなる電子阻止層92が形成されてい
る。p型InAlAsP障壁層921 の組成は、In
Pと価電子帯の頂点がほぼ一致するように選んでいる。 したがって、阻止層92は正孔に対しては障壁にならな
い。このInAlAsP障壁層92は基板と格子整合し
ないが、厚さが30Aと薄いので、スードモルフィック
歪半導体層となる。p型InP量子井戸層922 の厚
さは、2つの層のうち基板91に近い側が30A、遠い
側が50Aである。エッチストップ層923 はこのメ
サ94、95のエッチング形成の制御に用いられる。こ
の上には下部幅1.5μmの逆メサ状に、厚さ0.14
μmの波長1.3μm組成のInGaAsP活性層94
と第2の半導体層を構成する厚さ約1.5μmのn型I
nPクラッド層95が積層されている。このメサ94、
95の左右の部分は、厚さ約1.2μmのFeドープ半
絶縁性(SI)InP層96と第2の半導体を形成する
厚さ約0.4μmのn型InP層97によりほぼ平坦に
埋め込まれている。その全体の上にはn側電極98が、
基板下部にはp側電極99が形成されている。全体は長
さ300μmに劈開され、モジュールに実装されている
。劈開面はレーザ発振のための光共振器を形成している
FIG. 9 is a cross-sectional structural diagram of a semiconductor laser device according to the second and third inventions, which is a sixth embodiment. This laser has a p-type InAlAsP electron barrier layer 9 with a thickness of 30A on a p-type InP substrate 91 which is a third semiconductor layer.
21 (Black area) Three layers and p-type InP quantum well layer 922
An electron blocking layer 92 consisting of (white area) is formed. The composition of the p-type InAlAsP barrier layer 921 is In
It is selected so that P and the top of the valence band almost coincide. Therefore, the blocking layer 92 does not act as a barrier to holes. This InAlAsP barrier layer 92 does not lattice match with the substrate, but since it is as thin as 30A, it becomes a pseudomorphic strained semiconductor layer. Of the two layers, the thickness of the p-type InP quantum well layer 922 is 30 Å on the side closer to the substrate 91 and 50 Å on the side farther away. Etch stop layer 923 is used to control the etching formation of mesas 94 and 95. On top of this is an inverted mesa shape with a bottom width of 1.5 μm and a thickness of 0.14 μm.
InGaAsP active layer 94 with a wavelength of 1.3 μm
and an n-type I with a thickness of approximately 1.5 μm constituting the second semiconductor layer.
An nP cladding layer 95 is laminated. This mesa 94,
The left and right portions of 95 are buried almost flat with an Fe-doped semi-insulating (SI) InP layer 96 with a thickness of about 1.2 μm and an n-type InP layer 97 with a thickness of about 0.4 μm forming the second semiconductor. It is. On the whole, there is an n-side electrode 98,
A p-side electrode 99 is formed at the bottom of the substrate. The whole was cleaved to a length of 300 μm and mounted in a module. The cleavage plane forms an optical resonator for laser oscillation.

【0040】この半導体レーザのレーザ発振バイアス下
における、活性層94を含むC−C´断面に沿ったバン
ドダイヤグラムを図10(a)に、その近傍のSI−I
nP層96を含むD−D´断面に沿ったバンドダイヤグ
ラムを図10(b)に示す。図中91〜96は図9の9
1〜96に対応している。図10(a)において電子阻
止層92は活性層94からp型クラッド層(基板)91
への電子のオーバーフロー防止層として働く。p型In
P量子井戸層922 にできる電子の量子準位はバルク
InPの伝導帯の底より高い位置にできるので、電子阻
止層92が電子のトンネルを許容する厚さであるにもか
かわらず、電子のクラッド層へのオーバーフローを有効
に防止できる。また、二つの井戸層922 の内基板側
の井戸層922 の厚さが薄い、すなわち電子の量子準
位が高いことから、活性層側の井戸層922 にトンネ
ルした電子があっても、さらに基板側の井戸層922 
を介してp型クラッド層91へトンネルするのを防止で
きる。この電子阻止層92は、前述のようにp型クラッ
ド層91から活性層94への正孔注入に対して障壁にな
らないので、活性層94における高効率の発光再結合、
誘導放出が実現できる。なお、正孔は電子よりも有効質
量が重いので、活性層94からn型クラッド層95への
正孔のオーバーフローは無視できる。SI−InP埋め
込み層96により電流は活性層94に狭搾されるが、n
型InPクラッド層95とp型InPクラッド層91の
距離が近い活性層94の近傍では、高電界によるリーク
電流の発生が起こりやすい。特に、有効質量が小さくn
型クラッド層95での擬フェルミ・レベルの高い電子の
リークが懸念される。これに対して、本発明では、図1
0(b)のようなバンド配置になるので、図10(a)
の場合と同様に電子阻止層92が電子に対して有効な障
壁として働く。したがってリーク電流も有効に防止する
ことができる。したがって電子阻止層92はキャリアオ
ーバーフロー防止層及びリーク防止層の両方として働き
、オーバーフロー電流もリーク電流も防止できるので、
第3と第4の実施例をあわせた効果が得られ、効率、発
振しきい値、温度特性などに優れた高出力の半導体レー
ザを実現できる。
FIG. 10(a) shows a band diagram along the C-C′ cross section including the active layer 94 under the laser oscillation bias of this semiconductor laser, and the SI-I in the vicinity
A band diagram along the DD′ cross section including the nP layer 96 is shown in FIG. 10(b). 91 to 96 in the figure are 9 in FIG.
It corresponds to 1 to 96. In FIG. 10(a), the electron blocking layer 92 extends from the active layer 94 to the p-type cladding layer (substrate) 91.
acts as a layer to prevent electron overflow. p-type In
The quantum level of electrons formed in the P quantum well layer 922 can be formed at a position higher than the bottom of the conduction band of bulk InP, so even though the electron blocking layer 92 is thick enough to allow electron tunneling, the electron cladding Overflow to the layer can be effectively prevented. Furthermore, since the inner well layer 922 on the substrate side of the two well layers 922 is thin, that is, the quantum level of electrons is high, even if there are electrons tunneled into the well layer 922 on the active layer side, the substrate side well layer 922
This can prevent tunneling to the p-type cladding layer 91 via the p-type cladding layer 91. As described above, this electron blocking layer 92 does not become a barrier to hole injection from the p-type cladding layer 91 to the active layer 94, so that highly efficient radiative recombination in the active layer 94,
Stimulated emission can be achieved. Note that since holes have a heavier effective mass than electrons, overflow of holes from the active layer 94 to the n-type cladding layer 95 can be ignored. The current is narrowed to the active layer 94 by the SI-InP buried layer 96, but n
In the vicinity of the active layer 94 where the distance between the InP-type InP cladding layer 95 and the p-type InP cladding layer 91 is close, leakage current is likely to occur due to a high electric field. In particular, the effective mass is small n
There is a concern about leakage of electrons with a high pseudo-Fermi level in the mold cladding layer 95. In contrast, in the present invention, FIG.
Since the band arrangement will be as shown in 0(b), Fig. 10(a)
As in the case of , the electron blocking layer 92 acts as an effective barrier against electrons. Therefore, leakage current can also be effectively prevented. Therefore, the electron blocking layer 92 functions as both a carrier overflow prevention layer and a leakage prevention layer, and can prevent both overflow current and leakage current.
A combined effect of the third and fourth embodiments can be obtained, and a high-output semiconductor laser with excellent efficiency, oscillation threshold value, temperature characteristics, etc. can be realized.

【0041】本発明は、上述の実施例以外にも様々な変
形、応用が可能である。例えば、半導体レーザは劈開面
により共振器を構成するファブリ・ペロ・レーザ以外に
、分布帰還形(DFB)レーザ、DBRレーザ、複合共
振器レーザ、外部共振器レーザ、窓構造レーザなどであ
ってもよい。出射端面には高反射コーティング、無反射
コーティングなどが施されていてもよいし、エッチング
端面を有するレーザであってもよい。活性層の上下には
光導波層が形成されていてもよい。また、軸方向に複数
の電極を有する多電極レーザ、波長可変レーザ、双安定
レーザ、あるいは光変調器など他の光素子と集積化され
た光IC、電子回路と集積化したOEIC、位相同期レ
ーザアレイなどにも応用できる。活性層は量子井戸構造
、二重量子構造、ダブルバリア構造、その他の多重量子
井戸構造や、またこれらの内部に歪を有する構造などが
よい。また、この活性層は量子井戸構造に限るものでは
なく、アンドープ半導体層だけから成るものでも良い。 材料もInP、InGaAsP、InGaAs、InA
lAs、InGaAlAs、InAlAsP、GaAs
、AlGaAs、AlAs、GaP、InGaP、In
GaAlP、InAlP、InAs、InAsSb、G
aSb、InGaAsSb、InGaAlSb、GaA
lAsSb、GaAlPSb、ZnSeS、CdSeS
、ZnCdSe、ZnCdTe、HgCdTe、Si、
SiC、SiGe、カルコパイライト構造半導体など、
種々様々な組み合わせが考えられる。
The present invention can be modified and applied in various ways other than the embodiments described above. For example, semiconductor lasers include not only Fabry-Perot lasers in which a resonator is formed by a cleavage plane, but also distributed feedback (DFB) lasers, DBR lasers, composite cavity lasers, external cavity lasers, window structure lasers, etc. good. The output end face may be coated with a high reflection coating, a non-reflection coating, or the like, or the laser may have an etched end face. Optical waveguide layers may be formed above and below the active layer. In addition, multi-electrode lasers with multiple electrodes in the axial direction, wavelength tunable lasers, bistable lasers, optical ICs integrated with other optical elements such as optical modulators, OEICs integrated with electronic circuits, phase-locked lasers It can also be applied to arrays, etc. The active layer is preferably a quantum well structure, a double quantum structure, a double barrier structure, other multiple quantum well structures, or a structure having internal strain. Further, this active layer is not limited to a quantum well structure, and may be composed only of an undoped semiconductor layer. Materials include InP, InGaAsP, InGaAs, InA
lAs, InGaAlAs, InAlAsP, GaAs
, AlGaAs, AlAs, GaP, InGaP, In
GaAlP, InAlP, InAs, InAsSb, G
aSb, InGaAsSb, InGaAlSb, GaA
lAsSb, GaAlPSb, ZnSeS, CdSeS
, ZnCdSe, ZnCdTe, HgCdTe, Si,
SiC, SiGe, chalcopyrite structure semiconductors, etc.
Various combinations are possible.

【0042】レーザの動方向閉じ込め構造も上述の構造
に限られるものでなく、プレーナ埋め込みヘテロ(PB
H)構造、自己整合(SA)構造、リッジ導波構造、こ
れらの様々な変形などにも応用できる。もちろん半導体
レーザ装置のほか、発光ダイオード(LED)、半導体
レーザ増幅器、キャリア注入型光変調器・光スイッチ、
光演算・機能素子などにも応用しても同様な効果が得ら
れ発光効率として従来の2〜3倍程度の向上が可能とな
る。その他、本発明はその趣旨を逸脱しない範囲で種々
変形して実施することができる。
The laser motion direction confinement structure is not limited to the above-mentioned structure, but may also include a planar buried hetero (PB) structure.
H) structure, self-aligned (SA) structure, ridge waveguide structure, and various modifications thereof. Of course, in addition to semiconductor laser devices, there are also light emitting diodes (LEDs), semiconductor laser amplifiers, carrier injection type optical modulators/optical switches,
A similar effect can be obtained even when applied to optical calculation/functional devices, etc., and the luminous efficiency can be improved by about 2 to 3 times compared to the conventional technology. In addition, the present invention can be implemented with various modifications without departing from the spirit thereof.

【0043】[0043]

【発明の効果】本発明によれば、リーク電流、オーバー
フロー電流などの無効電流を有効に防止できるので、発
光効率に優れた半導体発光装置を実現できる。
According to the present invention, since reactive currents such as leakage current and overflow current can be effectively prevented, a semiconductor light emitting device with excellent luminous efficiency can be realized.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

【図1】  第1の実施例に係わる半導体レーザ装置の
バンドダイアグラムを示す図。
FIG. 1 is a diagram showing a band diagram of a semiconductor laser device according to a first embodiment.

【図2】  第1の実施例に係わる半導体レーザ装置の
断面斜視図。
FIG. 2 is a cross-sectional perspective view of the semiconductor laser device according to the first embodiment.

【図3】  第1の実施例に係わるInP基板に格子整
合するIn1−u Gau AsV P1−v (0≦
v≦1、u=0.1894v/(0.4184−0.0
13v)±δ)とIn1−s (Ga1−t Alt 
)s As(0≦t≦1、S=0.47+0.01t)
の真空準位を基準としたバンドアライメントを示す図。
FIG. 3 In1-u Gau AsV P1-v (0≦
v≦1, u=0.1894v/(0.4184-0.0
13v)±δ) and In1-s (Ga1-t Alt
)s As (0≦t≦1, S=0.47+0.01t)
A diagram showing band alignment based on the vacuum level of .

【図4】  第2の実施例に係わる半導体レーザ装置の
バンドダイヤグラムを示す図。
FIG. 4 is a diagram showing a band diagram of a semiconductor laser device according to a second embodiment.

【図5】  第3の実施例に係わる半導体レーザ装置の
バンドダイヤグラムを示す図。
FIG. 5 is a diagram showing a band diagram of a semiconductor laser device according to a third embodiment.

【図6】  第4の実施例に係わる半導体レーザ装置の
構造断面図、及びバンドダイヤグラムを示す図。
FIG. 6 is a diagram showing a structural cross-sectional view and a band diagram of a semiconductor laser device according to a fourth embodiment.

【図7】  第4の実施例に係る発光ダイオードの構造
の断面図。
FIG. 7 is a cross-sectional view of the structure of a light emitting diode according to a fourth example.

【図8】  第5の実施例に係わる面発光レーザ装置の
構造の断面の図。
FIG. 8 is a cross-sectional view of the structure of a surface emitting laser device according to a fifth embodiment.

【図9】  第6の実施例に係わる半導体レーザ装置の
構造の断面図。
FIG. 9 is a cross-sectional view of the structure of a semiconductor laser device according to a sixth embodiment.

【図10】  図9に示した半導体レーザ装置のバンド
ダイヤグラムを示す図。
10 is a diagram showing a band diagram of the semiconductor laser device shown in FIG. 9. FIG.

【図11】  従来の半導体レーザの断面斜視図。FIG. 11 is a cross-sectional perspective view of a conventional semiconductor laser.

【図12】  従来の半導体レーザのバンドダイヤグラ
ムを示す図。
FIG. 12 is a diagram showing a band diagram of a conventional semiconductor laser.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1…電子に対する伝導帯の最低量子準位のエネルギーレ
ベル 2…正孔に対する価電子帯の最低量子準位のエネルギー
レベル 12…n型InPバッファ層 13…InGaAs/InGaAsP多重量子井戸活性
層 14、44…InGaAlAsキャリアオーバーフロー
防止層 15…InGaAsP光導波層 17…p型InPクラッド層 21…InP基板 26…位相シフト構造回折格子 28…InGaAsPコンタクト層 29…p型InP層 54…スードモルフィック歪半導体層 64…リーク防止層 210…n型InP層 211…p型InP層
1...Energy level of the lowest quantum level of the conduction band for electrons 2...Energy level of the lowest quantum level of the valence band for holes 12...N-type InP buffer layer 13...InGaAs/InGaAsP multiple quantum well active layer 14, 44 ... InGaAlAs carrier overflow prevention layer 15 ... InGaAsP optical waveguide layer 17 ... p-type InP cladding layer 21 ... InP substrate 26 ... phase shift structure diffraction grating 28 ... InGaAsP contact layer 29 ... p-type InP layer 54 ... pseudomorphic strained semiconductor layer 64 ...Leak prevention layer 210...n-type InP layer 211...p-type InP layer

Claims (7)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】  第1の半導体層から成る活性層と、前
記活性層を挟むようにして形成されたN型の第2の半導
体層及びP型の第3の半導体層と、前記活性層に前記第
2の半導体層を介して電子を注入し、前記第3の半導体
層を介して正孔を注入する手段と、前記活性層と前記第
3の半導体層の間に形成された第4の半導体層から成る
キャリアオーバーフロー防止層とを備え、前記キャリア
オーバーフロー防止層は電子に対する伝導帯の最低量子
準位のエネルギーレベルが前記活性層及び前記第3の半
導体層より高く、且つ正孔に対する価電子帯の最低量子
準位のエネルギーレベルが前記活性層以上で、前記第3
の半導体層と実質的に等しい若しくは低いことを特徴と
する半導体発光装置。
1. An active layer consisting of a first semiconductor layer, an N-type second semiconductor layer and a P-type third semiconductor layer formed to sandwich the active layer, and a third semiconductor layer formed in the active layer. means for injecting electrons through the second semiconductor layer and holes through the third semiconductor layer; and a fourth semiconductor layer formed between the active layer and the third semiconductor layer. The carrier overflow prevention layer has an energy level of the lowest quantum level of the conduction band for electrons that is higher than that of the active layer and the third semiconductor layer, and a valence band of the conduction band for holes. The energy level of the lowest quantum level is higher than the active layer, and the third
A semiconductor light emitting device characterized in that the semiconductor layer has a thickness substantially equal to or lower than that of a semiconductor layer.
【請求項2】  前記活性層は井戸層、障壁層から成る
量子井戸構造を有することを特徴とする請求項1記載の
半導体発光装置。
2. The semiconductor light emitting device according to claim 1, wherein the active layer has a quantum well structure consisting of a well layer and a barrier layer.
【請求項3】  前記キャリアオーバーフロー防止層は
、井戸層、障壁層から成る量子井戸構造を有し、前記井
戸層は電子に対する伝導帯の最低量子準位のエネルギー
レベルが前記活性層より高いことを特徴とする請求項1
若しくは請求項2記載の半導体発光装置。
3. The carrier overflow prevention layer has a quantum well structure consisting of a well layer and a barrier layer, and the well layer has a lower energy level of the lowest quantum level of a conduction band for electrons than the active layer. Claim 1
Alternatively, the semiconductor light emitting device according to claim 2.
【請求項4】  第1の半導体層から成る活性層と、前
記活性層を挟むようにして形成されたN型の第2の半導
体層及びP型の第3の半導体層と、前記活性層に前記第
2の半導体層を介して電子を注入し、前記第3の半導体
層を介して正孔を注入する手段と、前記活性層と前記第
3の半導体層との間に形成された第4の半導体層から成
るキャリアオーバーフロー防止層とを備え、前記キャリ
オーバーフロー防止層は正孔を前記第3の半導体層から
活性層に注入する際の障壁にならないように正孔に対す
る価電子帯の最低量子準位のエネルギーレベルが設定さ
れており、前記活性層よりも禁制帯幅が広いスードモル
フィック歪半導体層を障壁層とする量子井戸構造を有す
ることにより電子に対する障壁となることを特徴とする
半導体発光装置。
4. An active layer consisting of a first semiconductor layer, an N-type second semiconductor layer and a P-type third semiconductor layer formed to sandwich the active layer, and a third semiconductor layer formed in the active layer. means for injecting electrons through the second semiconductor layer and holes through the third semiconductor layer; and a fourth semiconductor formed between the active layer and the third semiconductor layer. a carrier overflow prevention layer consisting of a layer, and the carrier overflow prevention layer has the lowest quantum level of the valence band for holes so as not to become a barrier when holes are injected from the third semiconductor layer into the active layer. A semiconductor light emitting device characterized in that it has a quantum well structure in which a pseudomorphic strained semiconductor layer having a wider forbidden band width than the active layer serves as a barrier layer and acts as a barrier to electrons. .
【請求項5】  前記量子井戸構造は、隣接する各井戸
層が電子に対する伝導帯の最低量子準位の異なるエネル
ギーレベルを有する多重量子井戸層からなることを特徴
とする請求項4記載の半導体発光装置。
5. The semiconductor light emitting device according to claim 4, wherein the quantum well structure is a multi-quantum well layer in which each adjacent well layer has a different energy level of the lowest quantum level of a conduction band for electrons. Device.
【請求項6】  第1の半導体層から成る活性層と、前
記活性層を挟むようにして形成されたN型の第2の半導
体層及びP型の第3の半導体層と、前記第2の半導体層
及び第3の半導体層を介して前記活性層に電子と正孔を
注入する手段と、前記第2の半導体層と第3の半導体層
の間に形成された電流リークを防止するリーク防止層と
を備え、前記リーク防止層は前記第2の半導体層及び第
3の半導体層よりも禁制帯幅が広いスードモルフィック
歪半導体層を障壁層とする量子井戸構造を有することを
特徴とする半導体発光装置。
6. An active layer consisting of a first semiconductor layer, an N-type second semiconductor layer and a P-type third semiconductor layer formed to sandwich the active layer, and the second semiconductor layer. and means for injecting electrons and holes into the active layer through a third semiconductor layer; and a leak prevention layer formed between the second semiconductor layer and the third semiconductor layer to prevent current leakage. A semiconductor light emitting device, characterized in that the leak prevention layer has a quantum well structure in which a pseudomorphic strained semiconductor layer having a wider forbidden band width than the second semiconductor layer and the third semiconductor layer is used as a barrier layer. Device.
【請求項7】  前記量子井戸構造は、前記障壁層を介
して隣接する各井戸層が電子に対する伝導帯の最低量子
準位のエネルギーレベルが異なる多重量子井戸構造から
なることを特徴とする請求項6記載の半導体発光装置。
7. The quantum well structure is a multi-quantum well structure in which each of the well layers adjacent to each other with the barrier layer in between has a different energy level at the lowest quantum level of a conduction band for electrons. 6. The semiconductor light emitting device according to 6.
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