JPH0548194A - 半導体レーザ及びその製造方法 - Google Patents

半導体レーザ及びその製造方法

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JPH0548194A
JPH0548194A JP20068191A JP20068191A JPH0548194A JP H0548194 A JPH0548194 A JP H0548194A JP 20068191 A JP20068191 A JP 20068191A JP 20068191 A JP20068191 A JP 20068191A JP H0548194 A JPH0548194 A JP H0548194A
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JP20068191A
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Inventor
Shinji Sakano
伸治 坂野
Takaro Kuroda
崇郎 黒田
Toshihiro Kono
敏弘 河野
Motonao Hirao
元尚 平尾
Naoki Kayano
直樹 茅野
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Hitachi Ltd
Original Assignee
Hitachi Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 漏れ電流が少なくかつ高精度に活性層幅が制
御され、発振波長が揃った半導体レーザを得る。 【構成】 活性層4を含む周囲よりもバンドギャップエ
ネルギーが小さく、屈折率の大きい光導波層を直接パタ
ーニングして活性層4幅の精度を高め、さらに活性層4
の両側に電流阻止構造9、10を有し、漏れ電流を抑え
た埋込ヘテロ構造を形成する半導体レーザの構造と作成
法であり、特に基板1と逆の導電性を与える不純物(電
流阻止)層9は活性層4よりも基板1側に露出された
(111)A結晶面により終端させ、また活性層4の側
壁は(111)A結晶面以外の面として電流阻止層10
と接することにより接合と結晶面に依存する電流阻止層
を避けるものである。 【効果】 漏れ電流の低い構造が深さ及び活性層を高度
に制御した状態でえられるため、高効率で波長の揃った
半導体レーザが容易に得られる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は半導体レーザ及びその製
造方法、更に詳しくいえば波長精度が高く、かつ漏れ電
流が少ない埋込ヘテロ半導体レーザ及びその製造方法に
関する。
【0002】
【従来の技術】半導体レーザ内部に回折格子を有する分
布帰還型レーザの出現により、単一波長で発振するレー
ザが容易に得られるようになった。さらに光通信の分野
ではその発振波長を厳密に制御して、波長の異なる信号
を波長多重して光ファイバで伝送する波長多重通信が注
目されている。この波長多重通信に用いる光源として発
振波長が揃った半導体レーザが必要である。波長のバラ
ツキが2.5nm以内であると半導体レーザの25℃程
度の温度制御等で所望の発振波長を得ることができる。
すなわち波長バラツキが2.5nm以内が実用的な範囲
である。また、光通信に使用される光源のとしては、高
出力、低い発振閾値電流で無ければならない。
【0003】半導体レーザの発振波長を決める要素に半
導体レーザの活性層を中心とする多層膜の膜厚と活性層
幅がある。膜厚制御は近年気相成長の技術の確立により
格段によくなったが、活性層幅の制御は技術が完全に確
立されたとはいえない。又活性層の幅制御自体は希望す
る精度で実現されても、半導体レーザの高出力、低い閾
値電流に関係する漏れ電流を十分に小さくできないとい
う問題がある。
【0004】半導体レーザの活性層幅のバラツキを防ぐ
には、活性層を直接的にかつエッチング深さを浅く加工
すればよい。その一例としては活性層の上に0.1μm
程度の薄いガイド層を結晶成長を行った後、ガイド層と
活性層を直接パターニングし、パターニングの後、全域
に気相成長でクラッド層を形成し、さらにエッチングで
必要な活性層以外の活性層相当層を除去し、セルフアラ
イメントとしている(昭和63年電子情報通信学会半導
体、材料部門全国大会予稿集 p1−51(198
8))。この方法では、活性層をほぼ直接的に加工でき
るので活性層の寸法精度及び再現性は高い。しかし、活
性層の両側がホモ接合であり、電流阻止構造をとってお
らず漏れ電流が抑えきれない構造であった。
【0005】活性層領域のエッチング深さを浅くして、
電流阻止構造を形成した構造としてはp型のInP基板
上に、活性層を含む薄いn型InPクラッドまでを最初
に形成し、これをエッチングして逆メサ構造を作る。そ
の後活性層領域上の誘電体マスクを残した状態でエッチ
ングした領域にp−n−pのInP電流阻止層を形成し
た例がある(昭和62年電子情報通信学会半導体材料部
門全国大会257p2−44(1987))。しかし、
この時の閾値電流は30mAで、低いとはいえなかっ
た。さらに活性層の上にn型InPクラッド層があるた
め直接活性層を観察しながらパターニングするほどに活
性層幅の制御精度は高くない。
【0006】漏れ電流を抑え、発振閾値電流を低くした
半導体レーザとして、活性層以外の領域を逆接合を含む
電流阻止層又は高抵抗層を含む電流阻止層で埋込みヘテ
ロ型レーザが知られている。例えば高抵抗層としてFe
を添加したInP層を用いることにより発振閾値電流の
低減が行われている。特にn型のInP基板を用いてF
eを添加した高抵抗層と活性層上部のp型InPクラッ
ド層の間にn型InP層を挿入することにより3.5m
Aと低い発振閾値電流を得た例がある(第50回応用物
理学会学術講演予稿集30p−ZG−2(1989)9
55頁)。
【0007】ここで用いられている挿入n型InP層
は、Feを添加したInP層が電子に対してはFeの形
成する準位が電子に対する捕獲準位となり高抵抗層とし
て働くが、正孔に対しては高抵抗層として働かないた
め、p型層からの正孔の流入を防ぐ働きがある。しか
し、Fe添加層を電子に対する高抵抗層として働化せる
ためには、2μm程度以上の厚みが必要なため、この厚
みを活性層下まで確保する必要があり、前述のセルフア
ライメント法のようなエッチング深さをそのまま適用す
ることはできなかった。深いエッチングを行なうと、エ
ッチングバラツキを生じ、サイドエッチングが大きくな
り、活性層幅の制御性が低下したり、深さ方向での活性
層と挿入n型層の位置精度が落ちるという問題が生じ
る。また、深さ方向の位置精度が落ちると電流阻止層内
の層間の境界位置と活性層の位置がずれて電流阻止層の
n型層と活性層へ電流を注入するためのn型層が接した
り、p型層とFe添加層が接して漏れ電流を発生するこ
とになる。
【0008】また、漏れ電流を減らす他の半導体レーザ
として、Fe添加InP高抵抗層とp型InP層との間
にバンドギャップエネルギーの大きな層を挿入すること
により、漏れ電流を更に減らせることが示されている
(アイ イー イーイージャーナルオブ コンタム エ
レクトロニクス IEEE JournalofQua
ntum Electronics,Vol.25 N
o6,pp1362−1368 1989)。しかし、
実際にはp型InP層に添加不純物が拡散してp型とな
り、正孔の遮断層として働かなかった。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】上述のように従来の半
導体レーザは、活性層の幅の加工精度を高める構造では
漏れ電流を十分に抑える構造がとれず、また、漏れ電流
を低く抑える構造では電流阻止層を厚くしなければなら
ず、加工精度が落ちた。また、バンドギャップエネルギ
の大きな層を挿入する構造のものでは、添加物の拡散の
影響を受け、この層はキャリア遮断層として有効に働け
なかった。従って、本発明の主な目的は、漏れ電流を防
ぐ逆接合又は高抵抗層を電流阻止領域に用いる構造をと
りながら、かつ活性層幅の制御を実用的な範囲で行うこ
とができる構造の埋込ヘテロ型半導体レーザ及びその製
造方法を実現することである。
【0010】本発明の他の目的は、半導体レーザ製造時
の露出結晶面を制御して活性層からの漏れ電流を抑える
と同時に活性層周辺の漏れ電流を抑える構造及びその製
造方法を実現することである。本発明の更に他の目的
は、漏れ電流を防ぐための広いバンドギャップエネルギ
層を有効に働かせる構造を得るための半導体レーザの製
造方法を実現することである。
【0011】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明の半導体レーザは、半導体基板上に基板の一
部からなる突起部及び活性層を含む光導波層を持つメサ
部と上記メサ部両側に埋込層を持つ埋込ヘテロ接合型半
導体レーザにおいて、上記埋込層が上記基板上に上記基
板と逆の導電性を有する不純物を添加した第1の電流阻
止層と、上記基板と同じ導電性を与える不純物を含む層
又は基板と逆の導電性のキャリアを捕獲する準位を有す
る高抵抗層からなる第2の電流阻止層とが順次積層さ
れ、第1の電流阻止層の上記メサ部側壁との接合面が上
記突起部の側面の基板側に終端するように形成され、第
2の電流阻止層の上記メサ部側壁との接合面が上記基突
起部及び光導波層の側面と接するように形成されてい
る。
【0012】本発明の好ましい実施形態としては、上記
第1及び第2の電流阻止層の間にそれらよりバンドギャ
ップエネルギーの大きな第3の電流阻止層を形成する。
また、上記第2及び第3の電流阻止層と接するメサ部の
側壁面を(111)A結晶面とする。
【0013】上記構造の半導体レーザの製造するため、
上記半導体基板上に活性層を含む光導波層となる層を形
成し、光導波層を直接パターニングし、エッチングによ
って基板の一部(上記突起部)を含むストライプ状のメ
サ構造を形成する。その後、エッチングされた半導体基
板上かつメサ構造両側に電流阻止層を埋め込む。上記直
接パターニングとは活性層上のガイド層上にマスクとな
る保護膜を設けエッチングすることを意味する。
【0014】特に、上記メサ構造を形成する工程におい
ては、第1のエッチング工程によってメサ構造の側壁を
(111)A結晶面とし、その後、第1のエッチング工
程に使ったエンチャント異なるエンチャントを使用し
て、選択エッチング工程によって、上記光導波層の側壁
部を上記(111)A結晶面よりも内側に(111)A
結晶面以外の面として形成する。
【0015】
【作用】本発明の半導体レーザの構造は、本発明の製造
方法によって活性層の幅の加工精度を高めることがで
き、以下の理由によって、発振波長の精度が高く、かつ
漏れ電流を低く抑えた半導体レーザを実現できる。基板
と逆の導電性を有する不純物を添加した第1の電流阻止
層は、メサ部側壁との接合面が基板の突起部の側面の基
板側に終端するため、第1の電流阻止層が活性層と接触
し、漏れ電流を生じるようなことが防止される。特に上
記突起部の側面が(111)A結晶面となるときは、結
晶が成長せず高い不純物添加層の連続性を遮断すること
により漏れ電流を防ぐことになる。また、活性層を含む
光導波層の側壁部が、(111)A結晶面以外となると
きは、活性層の側壁に接する電流阻止層として、高抵抗
層か又は不純物を低能度に添加した高抵抗率な層とする
ことにより、活性層の両脇を流れる漏れ電流を抑制する
ことができる。
【0016】更に、第1及び第2の電流阻止層間に基板
よりバンドギャップエネルギーの大きな層を形成する実
施形態によれば、電流阻止層の厚さを更に減らし、温度
上昇に伴う発振閾値電流の増加を抑えることができる。
これは基板と逆の導電性を与える不純物を含む層が存在
するため基板からバンドギャップエネルギーの大きな層
への添加物の添加が防げるためである。その結果広いバ
ンドギャップが漏れ電流に対してより高い障壁層として
効き漏れ電流が減る。さらには温度上昇に伴う漏れ電流
の発生も抑えることになる。
【0017】本発明の半導体レーザの製造方法によれ
ば、活性層を含む光導波路層を構成する活性層上のガイ
ド層から直接エッチング加工するため、直接ガイド層の
幅が観測できるので加工精度を高めることができる。さ
らに、深さ方向の精度を高めた電流阻止層の埋込ができ
る。電流阻止層を上記直接エッチング加工した後に作り
出すときに重要な点は、活性層と電流阻止層の構造の相
対的な電気的接合位置を精度よく制御することである。
そのためにはエッチング深さをできるかぎり浅くして、
エッチング深さののバラツキの影響を少なくすると同時
に電流阻止層の層構造も制御することである。
【0018】本発明の方法では、まず電流阻止層を活性
層よりも基板側に高濃度に基板と逆の導電性を有する不
純物を添加した電流阻止層を用いる。例えばp型InP
基板を用いた場合、電流阻止層に1×1013/cm3
度以上の高濃度に基板と逆のn導電性を有する電流阻止
層を用いることにより、キャリアの拡散を0.5μm以
下の厚みで制御した構造とすることができる。基板と逆
の導電性を有する電流阻止層の構造を薄くできると、エ
ッチング深さが浅くてよいため、エッチングによる深さ
バラツキが低減できる。
【0019】エッチング深さ及びその後の電流阻止層の
膜厚が薄くなると、電流阻止層内の境界を活性層近傍に
精度よく持っていくことができる。その結果n型層同士
の接触を防ぐと共に、p型層同士か又はp型層と高抵抗
層の接触面積を少なくすることができ、これらの漏れ電
流の要因を減らすことができる。
【0020】
【実施例】以下本発明の実施例を図面を用いて説明す
る。 実施例1 図1は本発明による半導体レーザの1実施例の断面構成
図である。図示のように、本実施例の埋込ヘテロ接合型
半導体レーザは、p型InP半導体基板1上に、基板の
一部からなる突起部1’InGaAsPガイド層3、多
重量子井戸からなる活性層4及びInGaAsPガイド
層5が順に積層されたメサ部と、上記メサ部両側の埋込
層9、10と、上記InGaAsPガイド層5及び埋込
層9、10上に順次積層されたn型InP(クラッド)
層11、InGaAsPキャップ層23とから形成され
ている。更に、p型InP半導体基板1の下側には、p
電極24、InGaAsPキャップ層23の上には電流
注入領域のみに窓をあけたSiO2絶縁膜22を介して
n電極21が設けられている。
【0021】本実施例の第1の特徴は、上記埋込層が上
記基板1上に上記メサ部側壁のとの接合位置が上記基板
の突起部1’の下部の側壁の部分となるように形成さ
れ、上記基板1と逆の導電性を有する不純物を添加した
n型InP層(第1の電流阻止層)9と、上記第1の電
流阻止層9上に積層され、上記メサ部側壁のとの接合位
置が上記基板の突起部1’の上部の側壁の部分及び戸活
性層4を含む光導波層となるように形成された上記基板
と同じ導電性を与える不純物を含むInP層(又は基板
と逆の導電性のキャリアを捕獲する準位を有する高抵抗
層)からなる第2の電流阻止層10とで構成されている
ことである。
【0022】本実施例の第2の特徴は、上記メサ部の基
板の突起部1’の側壁が(111)A結晶面であり、活
性層4を含む光導波層部の側壁は(111)A結晶面以
外の面であることである。また、上記構成の半導体レー
ザはを実現するために以下に述べる製造工程によって作
られ、上記活性層4を含む光導波層部と基板の突起部
1’を含むメサ部の厚さは、2μm以下で構成されてい
る。
【0023】図2及び図3は上記図1に示した本発明に
よる半導体レーザの1実施例の製造工程を示す部分斜視
図である。Znを1〜2×1018/cm3添加したp型
InP基板1上にピッチが240nmの回折格子2を刻
み(a)、バンドギャップ波長が1.17μmのInG
aAsPのガイド層3を膜厚0.15μm形成する。井
戸層にInGaAsを用いて井戸幅7nmで、障壁層に
はバンドギャップ波長が1.17μmのInGaAsP
を厚さ10nmで4つの井戸からなる活性層4及びその
上にバンドギャップ波長が1.17μmのInGaAs
Pのガイド層5を0.15μm厚程度気相成長(MOV
PE)で形成する(b)。
【0024】その後ガイド層5上に幅が2.0μmのS
iO2膜6を形成し、ホトレジスト7をパターニングし
(c)、更にSiO2膜6をパターニングする。このS
iO2膜6を保護膜として1%の臭素を混合したメチル
アルコールでガイド層5、活性層4、ガイド層3及びp
型InP基板1を1.2μm程度エッチングする。この
とき活性層4下にはエッチングにより露出した(11
1)A結晶面を露出した逆メサ構造が形成される。くび
れの深さは0.8μmで幅は1μmまでエッチングする
(d)。
【0025】次にSeを1×1018/cm3添加したn
型InP層(電流阻止層)9を0.5μm気相成長する
(e)。この時n型InP層9は保護膜6があるため活
性層4上には結晶成長しない。また、n型InP層9は
(111)A面には結晶成長しにくいため結晶成長は抑
えられる。このため活性層4を含む光導波層領域以外の
n型InPの電流阻止層9と活性層4の接続が断たれ
る。さらに硫酸、過酸化水素を含んだInGaAsPの
選択性のエッチング液により導波層3、4、5の幅が
1.2μmになるように制御しながら導波層3、4、5
のみをエッチングする。
【0026】このとき活性層4の制御をサイドエッチン
グにより行うため、活性層4の側壁は(111)A結晶
面とは異なる面が突起部1’上面の幅より内側に露出す
る。引き続きFeを添加し高抵抗層(n型InP層)1
0を2μm程度形成する。このFe添加層10の厚さは
厳密でなくてよい。Fe添加層10は結晶成長が(11
1)B面の結晶面に沿って止まる(f)。最後に保護膜
6をエッチングで除去して、n型InPクラッド層11
を形成し(g)、電極等を形成する。
【0027】上記実施例の半導体レーザは、ウェハー内
及びウェハー間の特性バラツキが少なく、ほとんどの素
子を閾値電流10mA以下で発振させることができる。
発振波長も2nmのバラツキの範囲内に留めることがで
きる。Feを添加したInP電流阻止層の変わりにp型
InP層を用いても同様の電流阻止効果が得られる。ま
た1%の臭素を混合したメチルアルコールでエッチング
する工程(d)の後にInGaAsPの選択性エッチン
グ液で活性層を制御し、その後にn型のInPとFeを
添加した電流阻止層を連続してもよい。この時は活性層
の側に活性層が側壁が(111)A結晶面から異なるた
めに電流阻止層の第1層目の結晶が少し形成されるため
漏れ電流が少し生じる危険性がある。しかし、その領域
は0.4μm程度と少なく大きな漏れ電流の発生につな
がらない。この方法では工程は上記の方法に比べ簡単に
なる。
【0028】実施例2 図4は本発明による半導体レーザの第2の実施例の構成
を示す断面図である。本実施例で、図1に示した実施例
との相違は、電流阻止層の形成においてn型InP層9
と作成工程は概ね実施例1と同じであるが、電流阻止層
の形成においてn型InP層9とFeを添加した高抵抗
InP層10との間にInPよりもバンドギャップエネ
ルギーの大きなInGaP層12を形成した点である。
従って、本実施例の製作方法も、図2及び図3で示した
方法と実質的に同じで、n型InP層9の次にInGa
AsP層12を1nmの厚み形成し、その後Feを添加
した高抵抗InP層10を形成す工程が違う点である。
その後の工程は実施例1と同じである。本実施の半導体
レーザでは、発振閾値電流は5mA程度まで減少し、さ
らに温度上昇に伴う閾値電流の上昇が抑えられる。上記
各実施例ではInP系の材料について示したが、その他
の化合物半導体や導電性が変わっても同様な効果が得ら
れる。
【0029】
【発明の効果】1.本発明によれば、活性層の幅を高精
度で制御性できるとともに面内分布がよくなり、波長の
揃った半導体レーザが安定して得られる。 2.同時に本発明により電流阻止層の接合を再現性よく
活性層の近傍に持っていけるので漏れ電流を発生する経
路が減少して低閾値で高効率な半導体レーザが容易にえ
られ、歩留まりの向上に伴うコストの低減ができる。 3.本発明によりコヒーレント光通信に必要な波長の揃
った半導体レーザが実現され、波長多重通信用光源とし
て歩留まり向上に伴うコストの低減につながる。 4.本発明により漏れ電流が減少すると共に温度上昇に
伴う効率の低下が省け、温度特性も良くなる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明による半導体レーザの1実施例の構造を
示す断面図である。
【図2】本発明による半導体レーザの1実施例の作成工
程を示す部分斜視図である。
【図3】本発明による半導体レーザの1実施例の作成工
程を示す部分斜視図である。
【図4】本発明による半導体レーザの他の実施例の構成
を示す断面図である。
【符号の説明】
1:p型InP基板、 2:回折格
子、3:InGaAsPガイド層、 4:多重
量子井戸層活性層、5:InGaAsPガイド層、
6:SiO2保護層、7:パターニングされたホト
レジスト、 9:高濃度n型InP層、10:Fe添加
高抵抗InP層、 11:n型InP層、21:
n電極、 22:SiO2膜、2
3:InGaAsPキャップ層、 24:p電極。
フロントページの続き (72)発明者 平尾 元尚 長野県小諸市大字柏木190番地 株式会社 日立製作所小諸工場内 (72)発明者 茅野 直樹 東京都国分寺市東恋ケ窪一丁目280番地 株式会社日立製作所中央研究所内

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 半導体基板上に基板の一部からなる突起
    部と活性層を含む光導波層を持つメサ部と上記メサ部両
    側に埋込層を持つ埋込ヘテロ接合型半導体レーザにおい
    て、上記埋込層が上記基板と逆の導電性を有する不純物
    を添加した第1の電流阻止層及び上記基板と同じ導電性
    を与える不純物を含む層又は基板と逆の導電性のキャリ
    アを捕獲する準位を有する高抵抗層からなる第2の電流
    阻止層とで構成され、上記第1の電流阻止層は上記半導
    体基板上に上記メサ部側壁のとの接合面が上記突起部の
    側壁の下部と接する様に形成され、上記第2の電流阻止
    層は上記第1の電流阻止層上に積層され、上記メサ部側
    壁との接合面が上記基突起部及び光導波層の側面と接す
    るように形成されたこと半導体レーザ。
  2. 【請求項2】 請求項1記載の半導体レーザにおいて、
    上記第1及び第2の電流阻止層の間に上記第1及び第2
    の電流阻止層のバンドギャップエネルギーよりの大きな
    バンドギャップエネルギーをもつ第3の電流阻止層が形
    成された半導体レーザ。
  3. 【請求項3】 請求項1又は2記載の半導体レーザにお
    いて、上記突起部の側壁が(111)A結晶面で、上記
    光導波層の側壁が(111)A結晶面以外の面である半
    導体レーザ。
  4. 【請求項4】 半導体基板上に活性層、ガイド層となる
    層を形成し、上記ガイド層上にストライプ状保護膜を配
    してエッチング行い、上記半導体基板上に上記半導体基
    板の1部からる突起部及び上記活性層、ガイド層からな
    るメサ構造部を形成する第1工程と、上記メサ構造部の
    両側のエッチングされた半導体基板上かつメサ構造両側
    に電流阻止層を埋め込む第2工程を有する半導体レーザ
    の製造方法。
  5. 【請求項5】 請求項5記載の半導体レーザの製造方法
    において、第1工程が、上記突起部の側壁は反応律則に
    従うエッチング法により形成された (111)A
    結晶面により切られる領域を形成し、活性層、活性層上
    のガイド層の側壁はサイドエッチングにより(111)
    A結晶面以外の面とする加工工程を含み、上記第2工程
    は少なくとも基板と逆の導電性を与える不純物を含む第
    1電流阻止層を活性層よりも基板側の(111)A結晶
    面で終端させる半導体レーザの製造方法。
JP20068191A 1991-08-09 1991-08-09 半導体レーザ及びその製造方法 Pending JPH0548194A (ja)

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JP20068191A JPH0548194A (ja) 1991-08-09 1991-08-09 半導体レーザ及びその製造方法

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH08204284A (ja) * 1995-01-26 1996-08-09 Nec Corp 半導体レーザとその製造方法
US7226140B2 (en) 2003-09-09 2007-06-05 Konica Minolta Holdings, Inc. Adjusting apparatus for adjusting inclination of recording head of inkjet printer

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