JPH114042A - 半導体レーザおよびその製造方法 - Google Patents

半導体レーザおよびその製造方法

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JPH114042A
JPH114042A JP16798297A JP16798297A JPH114042A JP H114042 A JPH114042 A JP H114042A JP 16798297 A JP16798297 A JP 16798297A JP 16798297 A JP16798297 A JP 16798297A JP H114042 A JPH114042 A JP H114042A
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semiconductor
gaas
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JP16798297A
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Mitsuru Sugo
満 須郷
Akihiko Nishitani
昭彦 西谷
Ryuzo Iga
龍三 伊賀
Tatsuya Takeshita
達也 竹下
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 容易に高精度なリッジ構造が実現できる半導
体レーザと、レーザの端面近傍に堆積された絶縁膜から
発生する応力分布によって活性層内に転位欠陥が発生
し、ダークライン劣化などがおこる欠点のない信頼性の
高い半導体レーザの製造方法を提供する。 【解決手段】 本発明に係る半導体レーザは、n+ - G
aAs基板1上に、順次n -GaAsバッファ層2、n
-Aly Ga1-y Asクラッド層3、n -AlzGa
1-z Asガイド層4、n -AlGaAsSCH層5、I
nGaAs歪量子井戸活性層6、p -AlGaAsSC
H層7、p -Alz Ga1-z Asガイド層8、p -Al
y Ga1-y As第1クラッド層9、p -Alx Ga1-x
Asエッチング停止層10、p -Aly Ga1-y As第
2クラッド層11、p+ - GaAsコンタクト層12、
Alx Ga1-x Asサイドエッチング防止層13を形成
してなるものである。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、高出力半導体レー
ザおよび高出力半導体レーザの製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】従来、GaAs基板上に積層された半導
体層を有する半導体レーザが種々提案されている。この
ような半導体レーザによれば、GaAs/AlGaA
s、InGaPを活性層とした0.6〜0.8μm帯の
レーザは光情報記録、光情報記録再生に用いられてい
る。また近年、InGaAs/GaAs歪量子井戸層を
活性層とした0.8〜1.1μmまでの波長帯のレーザ
はEDFAやPDFAなどのファイバーアンプ用の励起
光源として用いられるようになっている。これらのレー
ザには高出力動作が求められていたが、高出力動作にお
いても十分な信頼性を有する半導体レーザが得にくいと
いう問題があった。
【0003】半導体レーザの劣化姿態については、これ
までいくつかの検討が行われてきている。これらは、共
振器端面の光学損傷破壊COD(Catastrophic Optical
Damage )や表面の変質、結晶転位欠陥の増殖、および
その他のオーミック電極の破損や点欠陥の発生に起因す
るものに大別される。とりわけ、GaAs基板上に積層
された半導体層を有する半導体レーザにおいては、共振
器端面のCODが高出力動作においてレーザの寿命を決
定づける重要な劣化姿態であることが指摘されている。
このCODは半導体レーザの共振器端面付近がレーザ光
に対して吸収領域になっていることによる。
【0004】これは、半導体結晶表面に存在する表面準
位を介した非発光再結合による温度上昇に起因したバン
ドギャップの減少に端を発している。このバンドギャッ
プの減少はさらに温度の上昇するフィードバックがかか
る。このため端面の溶融等が誘起され光出力が低下し、
非可逆的な破壊が起こるのである。
【0005】このCODの臨界光出力を高くするために
共振器端面をバンドギャップの高い半導体材料で構成す
るいわゆるウインドウ構造がとられていた。また、非発
光再結合による温度上昇を抑えるために端面近傍への電
流注入を抑制する、端面非励起構造がとられていた。こ
の端面非励起構造を実現するために端面近傍の導波路部
分の表面をSiO2 などの絶縁膜で覆うことにより電流
注入を抑制する方法がとられていた(図6参照)。
【0006】図6において、1はn+ - GaAs基板、
2はn -GaAsバッファ層、3はn -Aly Ga1-y
Asクラッド層、4はn -Alz Ga1-z Asガイド
層、5はn -AlGaAsSCH層、6はInGaAs
歪量子井戸活性層、7はp -AlGaAsSCH層、8
はp -Alz Ga1-z Asガイド層、17はp -Aly
Ga1-y Asクラッド層、12はp+ - GaAsコンタ
クト層、14は絶縁膜、15はp電極、16はn電極を
示す。
【0007】また、これらのレーザにとりもう一つ重要
な課題は基本横モードの安定性である。とりわけ高出力
励起レーザにおいては、シングルモードファイバーとの
結合においてのみ意味があるため基本横モード状態での
高出力化が最も重要な要求条件となっている。高出力励
起レーザの多くはリッジ形状における、屈折率分布と電
流狭窄または利得分布の制御により横モードの安定化を
図っているため、高精度なリッジ構造作製技術が要求さ
れている。通常リッジ構造は平坦な半導体の一部をエッ
チングにより除去することで形成されている。
【0008】このため、エッチングの深さ、導波路幅の
制御が重要となっている。高精度にリッジ構造を形成す
る技術としてドライエッチング法が挙げられる。この方
法にはエッチングの均一性、制御性に優れ、マスクパタ
ンとの変換差が少ない等の特徴がある。またウエットエ
ッチング法で形成する場合には、エッチングストップ層
を用いてエッチング深さを制御する方法が用いられてい
る。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】上述した従来の高出力
半導体レーザのうちでウインド構造の場合、不純物拡
散、並びに再成長により形成したものが提案されてい
た。不純物拡散によるウインド構造はZn,Si等の熱
拡散を利用し、活性層付近で結晶のディスオーダー化を
図り、実効屈折率を下げ発振波長に対して透明にするこ
とを利用している。再成長によるウインド構造は活性層
のバンドギャップより大きなバンドギャップの半導体材
料、例えば、Al組成の大きなAlGaAs、InGa
Pで共振器端面を構成することによって実現することが
できる。
【0010】しかし、これまでのウインド構造高出力半
導体レーザでは、不純物拡散の場合でも、再成長の場合
でも高温処理過程が必要であるため、レーザエピタキシ
ャル特性の劣化が懸念されていた。また、両者の場合と
もプロセス工程が複雑になるため再現性、歩留まり良く
良好な特性のレーザが得にくいという欠点を有してい
た。従来の高出力半導体レーザのうちで端面非励起構造
の場合、端面近傍の導波路部分の表面をSiO2 などの
絶縁膜で覆うことにより電流注入を抑制する方法が提案
されていた(図6参照)。
【0011】しかし、従来の端面非励起構造ではCOD
の臨界光出力を高くすることへの効果は確認されている
ものの、端面近傍にのみ堆積された絶縁膜から発生する
応力分布によって活性層内に転位欠陥が発生し、ダーク
ライン劣化が引き起こされるという欠点を有していた。
この転位は応力変化の大きな絶縁膜エッジ近傍から発生
しやすく、従来の端面非励起構造のように導波路部分の
一部をSiO2 などの絶縁膜で覆った場合には、この絶
縁膜エッジ近傍で発生したダークライン欠陥による劣化
がもたらされていた。
【0012】従来の高精度にリッジ構造を形成する技術
としてドライエッチング法を用いた場合、プラズマを用
いることによる損傷層が半導体表面に形成されてしま
う。このため、この損傷層の欠陥が核になり転位欠陥が
発生し、ダークライン劣化が引き起こされるという欠点
を有していた。また従来の高精度にリッジ構造を形成す
る技術としてウエットエッチング法で形成する場合に
は、エッチングストップ層を用いてエッチング深さを制
御する方法等が用いられていた。
【0013】しかし、マスク18としてレジストマス
ク、絶縁膜マスクを用いるが等方性エッチングであるが
ゆえ、必然的に生じるサイドエッチングによるマスクパ
タンとの変換差が大きく、導波路幅の制御性に欠け、ま
た均一性にも難があるという欠点を有していた〔図7
(a)参照〕。とりわけ、図7(a)に示すリッジ上部
R1のサイドエッチングによるリッジ幅の減少は電極と
のコンタクト面積の減少にもつながり、抵抗の上昇をも
たらしていた。
【0014】本発明は、上記のことに鑑み提案されたも
ので、その目的とするところは、上述した欠点のない、
新規な端面近傍に非励起領域を有する半導体レーザを実
現するための半導体レーザおよび半導体レーザの製造方
法を提案せんとするものである。
【0015】
【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
め、 (1)本発明は、Aly Ga1-y Asをクラッド層、A
z Ga1-z Asをガイド層とする半導体レーザにおい
て、クラッド層中またはガイド層中またはクラッド層と
ガイド層との間にエッチング停止層を有し、クラッド層
の外側に半導体サイドエッチング防止層を有することを
特徴としている。 (2)また、本発明は、前記(1)記載の発明であっ
て、エッチング停止層及び半導体サイドエッチング防止
層をAlx Ga1-x As(ただし、xは前記y、zより
大きい)層あるいはInGaP層とすることを特徴とし
ている。 (3)また、本発明は、端面近傍に非励起領域を有する
半導体レーザの製造方法において、前記(1)または
(2)の半導体レーザの半導体サイドエッチング防止層
をエッチングで除去することにより電流注入領域を作製
する工程を含むことを特徴としている。
【0016】
【作用】本発明による半導体レーザの積層構造によれ
ば、従来の半導体レーザの積層構造ように、リッジ構造
作製時に用いるレジストやSiO2 などの絶縁層マスク
をサイドエッチング防止層として用いる必要がないた
め、サイドエッチングによる導波路幅の変換差を考慮し
たパタン設計が不要となり、導波路幅のばらつきも少な
く、歩留まりも向上する。とりわけ、本発明では、従来
のリッジ構造を示す図7(a)と対比して図示した図7
(b)に示す如く、リッジ上部R2のサイドエッチング
によるリッジ幅の減少による電極とのコンタクト抵抗の
上昇の抑制に効果がある。また、SiO2 などの絶縁層
マスクを新たに形成する工程を必要としないため、プロ
セス工程数が減少し、生産性を損なうことなく容易に高
精度なリッジ構造を形成することが可能となる。
【0017】本発明による端面近傍に非励起領域を有す
る半導体レーザの製造方法によれば、従来のウインド構
造高出力半導体レーザでの不純物拡散、再成長で用いら
れた高温処理過程が不要であるため、レーザエピタキシ
ャル特性の劣化や、プロセス工程が複雑になるための再
現性、歩留まりを低下させることなく容易に実現するこ
とができる。
【0018】また、従来の高出力半導体レーザのうちで
端面非励起構造の場合のように、端面近傍の導波路部分
の表面をSiO2 などの絶縁膜で覆うことなく実現する
ことができるので、端面近傍にのみ堆積された絶縁膜か
ら発生する応力分布によって活性層内に転位欠陥が発生
し、ダークライン劣化が引き起こされるという欠点のな
い、信頼性の高い高出力半導体レーザを提供する事がで
きる。
【0019】
【発明の実施の形態】次に、図面を用いて、本発明の実
施例を説明する。実施例1 図1は本発明の第1の実施例による半導体レーザの積層
構造の断面図であり、図2は本発明の第1の実施例によ
る端面に非励起領域を有する半導体レーザの共振器方向
の断面図である。図1において、1はn+ - GaAs基
板、2はn -GaAsバッファ層、3はn -Aly Ga
1-y Asクラッド層、4は、n -Alz Ga1-z Asガ
イド層、5はn -AlGaAsSHC層、6はInGa
As歪量子井戸活性層、7はp -AlGaAsSCH
層、8はp -Alz Ga1-z Asガイド層である。な
お、SCHとは、Separated Confinement Heterostruct
ure の略である。また、9はp-Aly Ga1-y As第
1クラッド層、10はp -Alx Ga1-x Asエッチン
グ停止層、11はp -Aly Ga1-y As第2クラッド
層、12はp+ - GaAsコンタクト層、13はAlx
Ga1-x Asサイドエッチング防止層である。
【0020】この構造を実現するために、エピタキシャ
ル結晶成長装置(MOCVD法:有機金属気相成長装置
あるいはMBE法:分子線エピタキシー法)により、n
+ -GaAs基板1上に、順次n -GaAsバッファ層
2、n -Aly Ga1-y Asクラッド層、n -Alz
1-z Asガイド層4、n -AlGaAsSCH層5、
InGaAs歪量子井戸活性層6、p -AlGaAsS
CH層7、p -AlzGa1-z Asガイド層8、p -A
y Ga1-y As第1クラッド層9、p -Alx Ga
1-x Asエッチング停止層10、p -Aly Ga1-y
s第2クラッド層11、p+ - GaAsコンタクト層1
2、Alx Ga1-x Asサイドエッチング防止層13を
形成する。
【0021】MOVPE法では、半導体薄膜成長用の原
料としてトリメチルインジウム(TMI)、トリメチル
ガリウム(TMG)、トリメチルアルミニウム(TM
A)、アルシン(AsH3 )を、n型ドーパントとして
硫化セレン(H2 Se)、p型ドーパントとしてジエチ
ルジンク(DEZn)を利用した。エピタキシャル成長
温度は約700℃、成長圧力は約0.1気圧、キャリヤ
ガスは水素である。MBE法では原料として金属ガリウ
ム(Ga)、インジウム(In)、アルミニウム(A
l)、砒素(As固体)を、n型ドーパントとしてシリ
コン(Si)、p型ドーパントとして亜鉛(Zn)を利
用した。エピタキシャル成長温度は約650℃、成長圧
力は約10-5Torrとしている。
【0022】ここで、p -Alx Ga1-x Asエッチン
グ停止層10、Alx Ga1-x Asサイドエッチング防
止層13のAl組成xは0.5以上とし、レーザのp -
Alz Ga1-z Asガイド層8、及びp -Aly Ga
1-y As第1クラッド層9、p-Aly Ga1-y As第
2クラッド層11のAl組成y、z(0.3以下)より
も大きくしている。さらに、Alx Ga1-x Asサイド
エッチング防止層13は抵抗が大きくなるように故意に
ドーピングを行っていない。
【0023】成長後、Alx Ga1-x Asサイドエッチ
ング防止層13、p+ - GaAsコンタクト層12並び
にp -Aly Ga1-y As第2クラッド層11の一部を
加工して、幅1.5〜3μm程度のリッジを形成する
〔図5(a)参照〕。そのためにフォトリソグラフィー
でレジストパターニングし、これをマスクにウエットあ
るいはドライエッチングでAlx Ga1-x Asサイドエ
ッチング防止層13、p + - GaAsコンタクト層1
2、p -Aly Ga1-y As第2クラッド層11をエッ
チングする。ここでは、Al組成による選択性のないエ
ッチングを行い、エッチングによる側壁の各層間の段差
の発生を防止する。次に、選択性の大きなエッチングに
よりp -Aly Ga1-y As第2クラッド層11の残り
の部分をエッチングする。ここでは、例えば、クエン酸
のようにAl組成の小さい層のみエッチングし、Al組
成の大きなAlGaAs層のエッチングを行わないエッ
チング液を用いる。
【0024】このため、エッチングはAl組成の大きな
p- AlGaAsエッチング停止層10で停止し、精度
良くコントロールできる〔図5(b)参照〕。また、A
x Ga1-x Asサイドエッチング防止層13をマスク
としてエッチングを行うため、半導体とマスクの界面が
理想的な状態であることから、サイドエッチング、とり
わけ、リッジ上部でのサイドエッチングが大幅に低減で
き、エッチング中のパタン変換差の補正を必要とせず、
均一で高精度なリッジ構造の加工が可能となり、コンタ
クト抵抗の上昇も抑制される。
【0025】次に、共振器端面近傍の非励起領域以外の
電流注入領域のリッジ上のAlx Ga1-x Asサイドエ
ッチング防止層13をエッチングし、GaAsコンタク
ト層を表面に出す〔図5(c)参照〕。リッジ形成後、
図3及び図4に示す如く、スパッタリング等で絶縁膜1
4(SiO2 等)を表面全体に形成し、リッジ上部のS
iO2 をエッチオフした後、Cr/AuあるいはTi/
Pt/Au等のp電極15、AuGeNi等のn電極1
6を形成する。その後、熱処理し、電極部を形成する。
なお、図3および図4はそれぞれ、電流注入領域および
非励起領域における共振器方向に垂直な断面を示す図で
ある。
【0026】実施例2 実施例1と同様のレーザにおいてp -Alx Ga1-x
sエッチング停止層10、Alx Ga1-x Asサイドエ
ッチング防止層13をInGaP層とした場合にも実現
することが可能である。ここで、InGaP層の組成は
GaAs基板に格子整合する組成In0.5 Ga0.5 Pを
中心として、p -InGaPエッチング停止層とInG
aPサイドエッチング防止層の層厚に対応して格子不整
合による転位の発生の無い程度の範囲まで許容される。
エピ成長、作製工程は同様の手順で行うことができる。
【0027】この場合には、p -Aly Ga1-y As第
2クラッド層11のエッチングをp-Alx Ga1-x
sエッチング停止層10、Alx Ga1-x Asサイドエ
ッチング防止層13との選択エッチング、例えば、硫酸
系のエッチングにより実現することができる。上記実施
例では、クラッド層中、すなわち、p -Aly Ga1-y
As第1クラッド層9とp -Aly Ga1-y As第2ク
ラッド層11との間に、p -Alx Ga1-x Asエッチ
ング停止層10を形成しているが、p -Alz Ga1-z
Asガイド層8中またはp -Aly Ga1-y As第1ク
ラッド層9とp -Alz Ga1-z Asガイド層8との間
に、p- Alx Ga1-x Asエッチング停止層10を形
成してもよい。
【0028】
【発明の効果】本発明による半導体レーザ積層構造によ
れば、半導体とマスクとの界面が理想的な状態であるこ
とから、サイドエッチングが大幅に低減でき、サイドエ
ッチングによる導波路幅の変換差を考慮したパタン設計
が不要となり、導波路幅のばらつきも少なく、歩留まり
も向上した。とりわけ、リッジ上部のサイドエッチング
によるリッジ幅の減少に起因した電極とのコンタクト抵
抗の上昇を抑制していた。 また、SiO2 などの絶縁
層マスクを新たに形成する工程を必要としないため、プ
ロセス工程数が減少し、生産性が向上し、容易に高精度
なリッジ構造を形成することが可能となった。本発明に
よる端面近傍に非励起領域を有する半導体レーザの製造
方法によれば、高出力時の光出力の突発的劣化は見られ
ず、可逆的な熱飽和特性が観察され、高電流での長期通
電試験でも、CODによる故障劣化は解決された。ま
た、従来のウインド構造高出力半導体レーザの製造方法
での不純物拡散、再成長で用いられた高温処理過程が不
要であるため、レーザエピタキシャル特性の劣化や、プ
ロセス工程が複雑になるための再現性、歩留まりを劣化
させることなく容易に実現することができた。本発明に
よる端面近傍に非励起領域を有する半導体レーザの製造
方法によれば、従来の高出力半導体レーザの製造方法の
場合のように、端面近傍の導波路部分の表面をSiO2
などの絶縁膜で覆うことなく実現できるので、端面近傍
にのみ堆積された絶縁膜から発生する応力分布によって
活性層内に転位欠陥が発生し、ダークライン劣化が引き
起こされるという欠点のない、信頼性の高い高出力半導
体装置を提供する事ができる。上記実施例はGaAs基
板上に積層されたInGaAs/GaAs歪量子井戸層
を活性層とした0.8から1μm以上の波長帯の半導体
レーザに関するものであるが、同様の効果はGaAs基
板上に積層されたGaAs/AlGaAs、AlGaA
sを活性層とした半導体レーザにおいても有効である。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施例による半導体レーザの積
層構造の断面を示す図である。
【図2】本発明の第1の実施例による半導体装置の共振
器方向の断面図である。
【図3】図2のA−A′線に沿う断面図であり、半導体
装置の電流注入領域の構造を示している。
【図4】図2のB−B′線に沿う断面図であり、半導体
装置の非励起領域の構造を示している。
【図5】(a)ないし(c)はAlx Ga1-x Asサイ
ドエッチング防止層を用いてエッチングが行われる過程
を示す工程図である。
【図6】従来の非励起領域を有する半導体装置の共振器
方向の断面図である。
【図7】(a)は従来方法によりエッチングを行った後
のリッジ構造を示す断面図であり、(b)は本発明方法
によりエッチングを行った後のリッジ構造を示す断面図
である。
【符号の説明】
1 n+ - GaAs基板 2 n -GaAsバッファ層 3 n -Aly Ga1-y Asクラッド層 4 n -Alz Ga1-z Asガイド層 5 n -AlGaAsSCH層 6 InGaAs歪量子井戸活性層 7 p -AlGaAsSCH層 8 p -Alz Ga1-z Asガイド層 9 p -Aly Ga1-y As第1クラッド層 10 p -Alx Ga1-x Asエッチング停止層 11 p -Aly Ga1-y As第2クラッド層 12 p+ - GaAsコンタクト層 13 Alx Ga1-x Asサイドエッチング防止層 14 絶縁膜 15 p電極 16 n電極
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 竹下 達也 東京都新宿区西新宿三丁目19番2号 日本 電信電話株式会社内

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 Aly Ga1-y Asをクラッド層、Al
    z Ga1-z Asをガイド層とする半導体レーザにおい
    て、クラッド層中またはガイド層中またはクラッド層と
    ガイド層との間にエッチング停止層を有し、クラッド層
    の外側に半導体サイドエッチング防止層を有することを
    特徴とする半導体レーザ。
  2. 【請求項2】 請求項1において、エッチング停止層及
    び半導体サイドエッチング防止層をAlx Ga1-x As
    (ただし、xは前記y、zより大きい)層あるいはIn
    GaP層とすることを特徴とする半導体レーザ。
  3. 【請求項3】 端面近傍に非励起領域を有する半導体レ
    ーザの製造方法において、請求項1または2の半導体レ
    ーザの半導体サイドエッチング防止層をエッチングで除
    去することにより電流注入領域を作製する工程を含むこ
    とを特徴とする半導体レーザの製造方法。
JP16798297A 1997-06-10 1997-06-10 半導体レーザおよびその製造方法 Pending JPH114042A (ja)

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