JPS6080287A - 半導体レ−ザ装置 - Google Patents

半導体レ−ザ装置

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JPS6080287A
JPS6080287A JP18687383A JP18687383A JPS6080287A JP S6080287 A JPS6080287 A JP S6080287A JP 18687383 A JP18687383 A JP 18687383A JP 18687383 A JP18687383 A JP 18687383A JP S6080287 A JPS6080287 A JP S6080287A
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JP
Japan
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layer
semiconductor
semiconductor layer
multilayer
laser device
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Application number
JP18687383A
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English (en)
Inventor
So Otoshi
創 大歳
Shinichi Nakatsuka
慎一 中塚
Yuichi Ono
小野 佑一
Naoki Kayane
茅根 直樹
Takashi Kajimura
梶村 俊
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Hitachi Ltd
Original Assignee
Hitachi Ltd
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Publication date
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    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01SDEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00Semiconductor lasers
    • H01S5/04Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping, e.g. by electron beams
    • H01S5/042Electrical excitation ; Circuits therefor
    • H01S5/0421Electrical excitation ; Circuits therefor characterised by the semiconducting contacting layers
    • H01S5/0422Electrical excitation ; Circuits therefor characterised by the semiconducting contacting layers with n- and p-contacts on the same side of the active layer
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01SDEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00Semiconductor lasers
    • H01S5/20Structure or shape of the semiconductor body to guide the optical wave ; Confining structures perpendicular to the optical axis, e.g. index or gain guiding, stripe geometry, broad area lasers, gain tailoring, transverse or lateral reflectors, special cladding structures, MQW barrier reflection layers
    • H01S5/2054Methods of obtaining the confinement
    • H01S5/2059Methods of obtaining the confinement by means of particular conductivity zones, e.g. obtained by particle bombardment or diffusion

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  • Semiconductor Lasers (AREA)

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 本発明は薄膜結晶成長に依存して形成する半導体レーザ
装置に関するものである。
〔発明の背景〕
従来の横モード制御された半導体レーザの特性は薄膜結
晶成長におけるばらつきとともに、ウェハ処理プロセス
(リングラフィ、エツチング、拡散、イオン注入等)の
ばらつきによって大きく変動していた。第1図は利得導
波形半導体レーザ装置の一例を示す断面図で、プロトン
注入を用いた狭ストライプ構造である。また第2図は屈
折率導波形半導体レーザ装置の例としてリブ光導波路形
構造の断面図を示している。上記各側はn −Ga A
s基板1上に11 、 (Jao、55 Alo、45
 Asクラッド層2、アンドープGaO,86”0.1
4 AS活性層6を順次形成し、第1図の利得導波形半
導体レーザ装置ではさらにp、G a o 、s s 
kll o 、4s A Sクラッド層4、p −Ga
 Asキャップ層5を形成した後プロトン注入領域6を
設けることによって狭ストライプを形成し、p電極7.
1]電極8を設けている。また第2図の屈折率導波形半
導体レーザ装置では、上i己活性層6の上にリブ光導波
路を形成したpG、a o 、b s Alo 、3 
s A s光ガイド層9を設け、さらにl) G a 
o、ss Alo、4s ASクラッド層4を形成した
上に突出して設けたp−GaAsキャップ層5を除いて
上記クラッド層40表面を5102絶縁膜10で蔽い、
キャップ層5を含む表面にp電極7を設け、上記n −
Qa As基板1造の半導体レーザ装置は膜厚制御性が
良好なMOCVD法(有機金属の熱分解による気相成長
法)アルいtiMBE法(分子線エピタキシャル法)を
用いて製造しても、ウェハ処理プロセスで決まるストラ
イプ幅やリブ幅のウェハ面内でのばらつきが、そのまま
素子特性のばらつきとして反映され特性が一様に揃わな
かった。
〔発明の目的〕
本発明の目的はMOCVD法あるいはMB’E法を用い
て製造される、ウェハ面内での素子特性の一様性がよい
横モード制御された半導体レーザ装置を得ることにある
〔発明の概要〕
上記目的を達成するだめに本発明による半導体レーザ装
置は、膜厚制御性が良好なMOCVD法あるいはMBE
法を用い薄膜形成を行って積層された半導体層に段差を
設け、この段差の側壁における屈折率および不純物濃度
分布を利用して横モード制御と電流狭窄を行い、素子特
性が結晶成長以外のプロセスで生じるばらつきに対して
11とんど影響を受けない構造としたものである。すな
わち、半絶縁性の第1半導体層上に積層された少くとも
第1導電形の第2半導体層と半絶縁性の第6半導体層と
を含む第1多層半導体と、少くとも第1塙電形の第4半
導体層、該第4半導体層に比較して屈折率が大きく禁制
帯幅が小さい第5半導体層、該第5半導体層に比較して
屈折率が小さく禁制帯幅が大きい第2導電形の第6半導
体層を含む積層された第2多層半導体とを備えた半導体
レーザ装置において、第1多層半導体の一部を第1半導
体層の深さまで除去して形成した段差の少くとも側面を
上記第2多層半導体が蔽い、段差の上面を形成する第1
多層半導体または第2多層半導体の表面の一部から第2
半導体層に達するかあるいは貫通する深さまで第1導電
形の不純物を導入して形成した第1導電領域と、該第1
導電領域の上面に形成した第1電極および前記段差の側
面を蔽う第2多層半導体上に形成した第2電極とを設け
たことにより、接合に垂直方向の横モードや水平方向の
横モード、または電流狭窄の各寸法がほとんどすべて結
晶成長の膜厚制御や組成制御だけで決定される構造とし
たものである。第6図は上記半導体レーザ装置の一例を
示す断面図である。半絶縁性の第1半導体層11に積層
された第1導電形の第2半導体層12と半絶縁性の第6
半導体層18を含む第1多層半導体と、第1導電形の第
4半導体層であるクラッド層4、第5半導体層である活
性層3、第6半導体層である第2導電形のクラッド層2
を含む第2多層半導体を備え、上記第1多層半導体の一
部を第1半導体層11の深さ捷で除去して形成した段差
の側面を含む全面を上記第2多層半導体の各層4.6.
2で蔽い、段差の上面である第2多層半導体の表面の一
部から、第2半導体層12に達するかあるいは貫通する
深さまで第1導電形の不純物を導入した第1導電領域1
9を設け、該第1導電領域19の上面に形成した第1電
極2゜と上記段差の側壁を蔽う第2多層半導体の表面に
第2電極21を設けている。なお第1電極2oと第2電
極21との間には第2多層半導体の表面がら第3半導体
層18に達する溝17を設けて無効電流を防止している
。上記半導体レーザ装置において、接合に垂直方向のモ
ードは第1導電形の第2半導体層12の屈折率および第
1導電形の第4半導体層であるクラッド層4、第5半導
体層である活性層6、第2導電形の第6半導体層である
クラッド層2のそれぞれの屈折率および膜厚によって制
御される。また接合に水平方向のモードは第1導電形の
第2半導体層12、半絶縁性第1半導体層11、半絶縁
性の第6半導体層18、第1導電形の第4半導体層であ
るクラッド層4、第5半導体層である活性層6、第2導
電形の第6半導体層であるクラッド層2におけるそれぞ
れの屈折率および膜厚によって制御される。壕だ電流狭
窄は第1導電形第2半導体層12および第1導電形の第
4半導体層であるクラッド層4の膜厚によって制御され
る。上記のように本発明による半導体レーザ装置では、
横モード、電流狭窄ともに結晶成長のみによって制御で
きることになる。第6図に示す例は段差の側壁の角度が
直角の場合について記したが、段差の側壁が傾斜してい
ても本質的には同様である。
本発明の半導体レーザ装置をLPE法(液相成長法)で
製造することは、L P E法が凹凸構造では成長速度
に場所的不均一性がかなりあるために難しく、第6図に
おける第4半導体層であるクラッド層4、第5半導体層
である活性層6および第6半導体層であるクラッド層2
の膜厚制御が困難である。しかしMOCVD法やMBE
法は凹凸構造をかなりよく再現しながら成長するという
特徴を有しているから、上記第4半導体層4、第5半導
1体層6、第6半導体層2の各層を膜厚制御性よく均一
に成長させることができる。
また段差の形成においては、深さが半絶縁性第1半導体
層11が半絶縁性第6半導体層18の膜厚程度以上にエ
ツチングされていればよく、段差の側壁の角度もドライ
エツチングを用いれば容易に制御でき、あるいは結晶面
が出るような化学エツチングを用いてもよい。さらに不
純物拡散を行う第1導電領域19は第1導電形の第2半
導体層12に達していればよく、無効電流防止の溝17
も半絶縁性第6半導体層18に達していればよい。した
がって結晶成長以外のプロセスでは高い精度が要求され
ず、多少寸法や位置がばらついても素子特性にはほとん
ど影響しないため、上記MOCVD法やMBE法を用い
てウェハ面内で素子特性の一様性がよい半導体レーザ装
置が得られる。
〔発明の実施例〕
つぎに本発明の実施例を図面とともに説明するb第4図
は本発明による半導体レーザ装置の第1の実施例におけ
る製造工程を示す断面図で、(a)は第1多層半導体、
(b)は上記第1多層半導体に形成した段差、(C)は
上記段差の上面、側面、底面に積層した第2多層半導体
、(d)は上記第2多層半導体の表面から設けた溝、(
e)は第1導電領域を形成した状態、(f)は第1電極
と第2電極とを設けた状態を示し、第5図は本発明によ
る半導体レーザ装置の第2の実施例を示す断面図、第6
図は上記半導体レーザ装置の第6の実施例を示す断面図
、第7図は上記半導体レーザ装置の第4の実施例を示す
断面図である。第4図に示す第10実施例はGa A7
 As系利得導波形半導体レーザ装置の製造工程で、同
図(a)に示すように半絶縁性(以下l−と記す)の第
1半導体層としてi −GaAs基板11にMOCVD
法によりl G a、o、ss Al o、4s AS
層18′、第2半導体層であるpG a o、55 A
lo、45As層12オヨび第6半導体層である’ −
GaO,55”’0.45As層18を順次成長させて
第1多層半導体を形成した。つぎに同図(b)に示すよ
うにドライエツチングによシ上記第1多層半導体の表面
の一部から第1半導体層11の深さに達するまで除去し
て、垂直な側面を有する段差を形成した。その後再びM
OCvD法を用いて、第4半導体層であろp−Ga 、
kl Asクラッド層4、第5半導体層であ0.55 
0.45 るアンドープG ao、eb Alo、t4A S活性
層6および第6半導体層であるnGa0.55 ”0.
45 Asクラッド層2を含む第2多層半導体を、同図
(C)に示すように上記段差の側面および底面を含む第
1多層半導体の表面に形成した。一つぎにレーザ発振に
寄与しない電流(無効電流)が流れないように、第2多
層半導体の表面から第6半導体層であるI G a o
、ssAlo、as AS層18に達する深す+7)溝
17 全同図Cd)に示すように112SO4系のエツ
チング液でエツチングして形成し、第2多層半導体の第
6半導体層であるn Gao、ss Al□、45 A
s層2の表面の一部からi’3aO,55”0.45 
As層18′に達するまでZn拡散を行い、同図(e)
に示すようにZn拡散領域19を形成した。同図(d)
に示すように上記Zn拡散領域19の表面にri −M
o−Auを蒸着してp電極20を、また前記段差の側面
を蔽う第2多層半導体の表面にAuGeNi −Cr−
Auを蒸着してn電極21を設は半導体レーザ装置とし
た。上記実施例によって同一ウエバ面内でしきい電流が
40±Q、 5 mA、効率0.20±Q、 Q 1m
 W/+n A、またビーム広がシ角θ↓/θ11が3
0±1°/25±2°という非常に均一な素子特性の半
導体レーザ装置が得られた。
第5図に示す第2の実施例は屈折率導波形半導体レーザ
装置である。i −Ga As基板11(第1半導体層
)上にMOCVD法によ” 1−GaO,45”’0.
55As層22′、I Ga o、ss Alo、4s
 AS層18′、p−Gao、55A7io、4s A
 5層12(第2半導体層)、l −Gao、5sAN
 o、as As層18′および’ −GaO,45A
10.55λS層22(第3半導体層)の5層を順次積
層して第1多層半導体を形成し、化学エツチングによっ
て上記第1多層半導体の表面から第1半導体層であるi
 −GaAs基板11に達する深さの段差を形成した後
、pGa o、ss Alo、4s ASクラッド層4
(第4半導体層)、アンドープGaO,86AlO,1
4”’活性層6(第5半導体層)およびn G a o
、ss kl o、4s A Sクラッド層2(第6半
導体層)よりなる第2多層半導体をMOCVD法により
それぞれ成長させる。その後無効電力を除くため段差上
面の第2多層半導体の一部からl Gao、as ”’
0.55 As層22(第6半導体層)に達する深さま
でZnを注入してp形導電領域26を形成し、該p形導
電領域26の上記段差と反対側における第2多層半導体
の一部から同じ深さまで8iを注入してn形導電領域2
4を形成する。
つぎにn形導電領域24の上記段差と反対側の第2多層
半導体の表面の一部からi −Ga As基板11(第
1半導体層)に達する深さまでZnを拡散してZn拡散
領域19を形成し、該Zn拡散領域19上と段差の側面
を蔽ン第2多層半導体の表面部分とに、前記実施例と同
様の方法でp電極2oとn電極21を設けて半導体レー
ザ装置とした。上記実施例のように第2半導体層である
Gao、55Alo、45As層12およびqaO,5
5A11O,45As層18′の屈折率はGa0.45
 AlO,5S As層22.22′の屈折率より大き
いので、屈折率導波形となシ、高い光出力まで基本横モ
ードで発振させることができる。まだ電流はp、 Ga
o、s5 Alo、4sA5層12を流れるので電流狭
窄の効果が大きくなり、よりしきい値を下げることがで
きる。上記第2の実施例にょシ同−ウエバ面内で・しき
い電流′55十〇、5mA、効率0.3’0±0.01
mW/mA、ヒー ム広カb 角θ↓/ θn tri
 30f 1°/15±2°、基本横モードが安定に維
持される最大光出力が15上1mWという非常に均一な
素子特性が得られた。
第6図に示す第6の実施例は吸収を利用した屈折率導波
形半導体レーザ装置である。i”GaAs基板11(第
1半導体層)上に’ −GaO,55”’0.45As
層18″、pGa o、ss A10.45 A 8層
12(第2半導体層)、l −GaO,55A’0.4
5 As層18 および 1−Ga As層25(第6
半導体層)よ石なる第1多層半導体をM OCV D法
により順次成長させる。つぎにi−G’aAs基板11
にオイテ上記1−GaAs層25の膜厚以上の深さに達
するまで、第1多層半導体の一部の表面から化学エツチ
ングにより除去して段差を形成する。その後再びMoc
vD法によ#)p−Ga AI As クラッド層4(
第4半導体層)、0.55 0.45 アンドープqaO,86AlO,14As活性層6(第
5半導体層)および” Ga(1,55Al□、45 
Asクラノじ層2(第6半導体層)よりなる第2多層半
導体を順次成長させる。無効電流を除くため第2多層半
導体の一部の表面から1−GaAs層25に達する深さ
までプロトン注入を行って半絶縁性領域26を形成し、
前記実施例と同様にZn拡散領域19と、p電極2゜お
よびn電極21とを形成して半導体レーザ装置とした。
上記実施例に示すように第1半導体層11および第6半
導体層25の禁制帯幅は上記第5半導体層乙の活性層の
禁制帯幅と同程度がまたは小さいので、屈折率導波形と
なシ横モードが制御される。また電流は第2半導体層1
2を流れるので電流が狭窄され、低いしきい値のレーザ
が得られる。上記第6の実施例によシ同一つエノ・面内
で、L きいti33±0.5mA、効率0.50±0
.01mW/11A、ビーム広がり角θ↓/θ11が6
0±1°/13±1°、基本横モードが安定に維持され
る最大光出力18±1+nW、波長782±Q、5nm
という均一な素子特性が得られた。
第7図に示す第4の実施例は狭ストライプレーザな6連
にしたフェーズド・アレイレーザ装置である。i −Q
a As基板11上にl G a o、5541o、a
s As層18、p−Gao、55Alo、45AS層
12、l ’ Gao、5sA、/ As層12、l 
Ga o、55 Alo、4s AS層18、pO14
5 −GaO,55AlO,45A5層12. l Ga 
o、55 Alo、4s As層18の各半導体層をM
OCVD法によって順次成長させて第1多層半導体を形
成し、上記第1多層半導体の表面の一部から1−GaA
s基板11に達する深さまで化学エツチングによって除
去し段差を形成する。その後再びMOCVD法によりp
−Ga0.55AlASクラッド層4、アンドープGa
O,86”’0.140.45 As活性層3およびn G a o、55kl o、4
s Asり゛ラッド層2よシなる第2多層半導体を順次
成長させる。
無効電流を除くだめの溝27を■゛■2SO4系のエソ
チンダ液でエツチングして形成し、前記実施例と同様に
Zn拡散域19を形成する。つぎに上記溝270表面を
含み段差上面の両端部以外をCVD法によりS i 0
2絶縁膜28で蔽い、上記Z11拡散域19を蔽い一端
が絶縁膜28に達するp電極20と、段差の側面を蔽う
第2多層半導体の表面に形成し一端が上記絶縁膜28に
達する11電極21とを前記実施例と同様の方法で設け
て半導体レーザ装置とした。上記第4の実施例では同一
ウエノ・面内で、しきい電流105±2mA、最大光出
力500±10mWと非常に均一な高出力レーザ装置が
得られた。
上記各実施例ではそれぞれの半導体層を形成するのにM
OCVD法を用いたが、MBE法を用いてもほぼ同様の
効果が得られる。また上記各実施例における第1多層半
導体および第2多層半導体の各半導体層の屈折率、不純
物濃度あるいは禁制帯幅のいずれかが、各半導体層の膜
厚方向に連続的に変化している場合は、光の分布がガウ
ス分布を示す。なお本発明は実施例に示した波長0.7
8μ!n前後に限らず、波長0.68〜0.89 tt
 mのG’a A4 As系半導体レーザ装置で、室温
連続発振できる全範囲にわたり同様の結果が得られた。
本発明によモ半導体レーザ装置はGaAlAs系以外の
レーザ材料、例えばIn Ga As P系やInGa
P系の材料に対しても同様に適用できる。またレーザの
構造としては上記各実施例で示しだ6層導波路を基本に
するものに限らず、活性層の片側に隣接して光ガイド層
を設けるLOG構造や、活性層の両側にそれぞれ隣接し
て光ガイド層を設ける5CI−I構造およびこれらの光
ガイド層の屈折率および禁制帯幅が膜厚方向に分布して
いる(3RIN−8CH構造等に対しても同様に適用す
ることができる。さらに活性層が量子井戸構造をしてい
るものに対しても有効であり、また上記各実施例におい
て導電形を全べて反対にした構造(pをnに、ntf:
pに置換えた構造)においても同様の結果が得られた。
〔発明の効果〕
上記のように本発明による半導体レーザ装置は、半絶縁
性の第1半導体層上に積層された少くとも第1導電形の
第2半導体層と半絶縁性の第6半導体層とを含む第1多
層半導体と、少くとも第1導電形の第4半導体層、該第
4半導体層に比較して屈折率が大きく禁制帯幅が小さい
第5半導体層、該第5半導体層に比較して屈折率が小さ
く禁制帯幅が大きい第2導電形の第6半導体層を含む積
層された第2多層半導体とを備えた半導体レーザ装置に
おいて、第1多層半導体の一部を第1半導体層の深さま
で除去して形成した段差の少くとも側面を上記第2多層
半導体が蔽い、段差の上面を形成する第1多層半導体ま
たは第2多層半導体の表面の一部から第2半導体層に達
するかあるいは貫通する深さまで第1導電形の不純物を
導入して形成した第1導電領域と、該第1導電領域の上
面に形成した第1電極および前記段差の側面を蔽う第2
多層半導体上に形成した第2電極とを設けたことにより
、接合に垂直方向の横モードや水平方向の横モードまだ
は電流狭窄の各寸法がほとんどすべて結晶成長の膜厚制
御や組成制御だけで決定される構造としたため、膜厚制
御性が良好なMOCV17法あるいはMBE法を用いて
薄膜形成を行えば、ウェハ面内での素子特性の一様性が
よい、横モード制御された半導体レーザ装置を得ること
ができる。
【図面の簡単な説明】
第1図は従来の利得導波形半導体レーザ装置の断面図、
第2図は従来の屈折率導波形半導体レーザ装置の断面図
、第6図は本発明による半導体レーザ装置の一例を示す
断面図、第4図は本発明による半導体レーザ装置の第1
の実施例における製造工程を示す断面図で、(a)は第
1多層半導体、(b)は上記第1多層半導体に形成した
段差、(C)は上記段差の上面、側面、底面に積層した
第2多層半導体、(d、)は上記第2多層半導体の表面
から設けた溝、(e)は第1導電領域を形成した状態、
(f)は第1電極と第2電極とを設けた状態を示し、第
5図は本発明による半導体レーザ装置の第2の実施例を
示す断面図、第6図は上記半導体レーザ半導体レーザ装
置の第4の実施例を示す断面図である。 2・・・第6半導体層 6・・・第5半導体層4・・・
第4半導体層 11・・・第1半導体層12・・・第2
半導体層 18.22.25・・・第6半導体層 19・・・第1導電領域(Zn拡散領域)20・・・第
1電極(p電極) 21・・・第2電極(1]電極) 代理人弁理士 中村純之助 矛1 図 卆2図 1′F3図 卆4図 第1頁の続き 央研究所内

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. (1)半絶縁性の第1半導体層上に積層された少くとも
    第1導電形の第2半導体層と半絶縁性の第6半導体層と
    を含む第1多層半導体と、少くとも第1導電形の第4半
    導体層、該第4半導体層に比較して屈折率が大きく禁制
    帯幅が小さい第5半導体層、該第5半導体層に比較して
    屈折率が小さく禁制帯幅が大きい第2導電形の第6半導
    体層を含む積層された第2多層半導体とを備えた半導体
    レーザ装置において、第1多層半導体の一部を第1半導
    体層の深さまで除去して形成した段差の少くとも側面を
    上記第2多層半導体が蔽い、その際第6半導体層より第
    4半導体層が側面に近くなるように配置し、段差の上面
    を形成する第1多層半導体または第2多層半導体の表面
    の一部から第2半導体層に達するかあるいは貫通する深
    さまで、第1導電形の不純物を導入して形成した第1導
    電領域と、該第1導電領域の上面に形成した第1電極お
    よび前記段差の側面を蔽う第2多層半導体上に形成した
    第2電極とを設けたことを特徴とする半導体レニザ装置
  2. (2)上記°第2半導体層は屈折率が第1半導体層およ
    び第6半導体層の屈折率よりも相対的に大きいことを特
    徴とする特許請求の範囲第1項に記載した半導体レーザ
    装置。
  3. (3)上記第1半導体層および第6半導体層は禁制帯幅
    が第5半導体層の禁制帯幅に比較して同じかあるいは小
    さいことを特徴とする特許請求の範囲第1項に記載した
    半導体レーザ装置。
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