JP2567008B2 - Semiconductor laser device and manufacturing method thereof - Google Patents

Semiconductor laser device and manufacturing method thereof

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Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の目的〕 (産業上の利用分野) 本発明は、半導体レーザ素子特に光通信用レーザ光の
発振が可能である半導体レーザ素子、およびその製造方
法に関する。
The present invention relates to a semiconductor laser device, in particular, a semiconductor laser device capable of oscillating laser light for optical communication, and a manufacturing method thereof.

(従来の技術) 光通信用レーザ素子として、GaInAsPを活性層とし、I
nPをクラッド層とするダブルヘテロ接合レーザがあり、
様々な構造の素子が提案されている。GaInAsPを活性層
としたレーザでは、GaInAsP結晶の組成を変えることに
より、InP結晶に格子整合する範囲内でそのレーザ光の
発振波長を0.92μmから1.65μmまで自由に変化させる
ことができる。この発振波長内には、光通信用に用いら
れる光ファイバの最も損失の小さい波長である1.55μm
と、最も分散の小さい波長である1.3μmが含まれてい
るため、光通信用の光源として有望な半導体レーザ素子
である。
(Prior Art) As a laser element for optical communication, using GaInAsP as an active layer,
There is a double heterojunction laser with nP as the cladding layer,
Devices having various structures have been proposed. In the laser using GaInAsP as the active layer, the oscillation wavelength of the laser light can be freely changed from 0.92 μm to 1.65 μm within the range of lattice matching with the InP crystal by changing the composition of the GaInAsP crystal. Within this oscillation wavelength, the wavelength with the smallest loss of the optical fiber used for optical communication is 1.55 μm.
Since the wavelength of 1.3 μm, which has the smallest dispersion, is included, it is a promising semiconductor laser device as a light source for optical communication.

従来、これらの半導体レーザ素子は、主に液相成長法
(LPE)を用いて製造されており、最近になって気相成
長法によっても製造されるようになってきた。この様な
半導体レーザ素子では、特にp型InPにおいて高濃度に
ドーピングができないこと、正孔に対するショットキー
バリアの高さが高いこと等の理由で、p型のInPに対し
てオーミック電極を形成するのが困難であった。これら
の問題を回避するために、p型InPクラッド層の上にコ
ンタクト層として、InPに格子整合するp型のGaInAsP或
は、GaInAs層を設けこれに対してオーミック電極を形成
する方法が用いられていた。この様な方法を用いても、
オーミック接触の抵抗を充分に低くすることができない
ため、半導体レーザ素子の直列抵抗を低くすることがで
きなかった。
Conventionally, these semiconductor laser devices have been mainly manufactured by using a liquid phase epitaxy method (LPE), and recently, they have also been manufactured by a vapor phase growth method. In such a semiconductor laser device, an ohmic electrode is formed on p-type InP because, for example, p-type InP cannot be highly doped and the Schottky barrier for holes is high. Was difficult. In order to avoid these problems, a method of forming a p-type GaInAsP or GaInAs layer lattice-matching with InP as a contact layer on the p-type InP clad layer and forming an ohmic electrode on the layer is used. Was there. Even if you use such a method,
Since the ohmic contact resistance cannot be lowered sufficiently, the series resistance of the semiconductor laser device cannot be lowered.

(発明が解決しようとする問題点) 前記したように、GaInAsP/InP系材料を用いた半導体
レーザ素子では、発振波長を0.92μmから1.65μmまで
連続的にかつ任意に変化させることが可能であるという
利点はあったが、特にp側のオーミック電極の抵抗を低
くすることが困難であるという問題があった。
(Problems to be Solved by the Invention) As described above, in the semiconductor laser device using the GaInAsP / InP material, the oscillation wavelength can be continuously and arbitrarily changed from 0.92 μm to 1.65 μm. However, there is a problem that it is difficult to reduce the resistance of the ohmic electrode on the p-side in particular.

本発明は、この様な問題点を考慮して、GaInAsP/InP
系材料を用いた半導体レーザ素子において、特にp側の
オーミック電極を低抵抗にすることにより、素子の直列
抵抗を低くし、高速で動作する半導体レーザ素子とその
製造方法を提供することを目的とする。
In the present invention, in consideration of such problems, GaInAsP / InP
An object of the present invention is to provide a semiconductor laser device using a base material, particularly a semiconductor laser device which operates at high speed by reducing the series resistance of the device by making the ohmic electrode on the p-side low resistance, and a method for manufacturing the same. To do.

〔発明の構成〕[Structure of Invention]

(問題点を解決するための手段) この発明の第1は、InP基板上に第1導電型のInPバッ
ファ層兼クラッド層,Ga1-xInxAs1-yPy活性層,第2導電
型のInPクラッド層の少なくとも3層と、前記第2導電
型のInPクラッド層の上に積層した。InAs1-zPz層,InAs
層の少なくとも2層を具備した半導体レーザ素子であ
る。また、前記半導体レーザにおいて、InAs1-zPz層の
組成が第2導電型のInPクラッド層からInAs層まで漸近
的に変化させることを特徴とする。次に、この発明の第
2は、InP基板上に第1の導電型のInPバッファ層兼クラ
ッド層,Ga1-xInPxAs1-yPy活性層,第2導電型のInPクラ
ッド層の少なくとも3層と、前記第2導電型のInPクラ
ッド層の上に積層したInAs1-zPz層,InAs層の少なくとも
2層で構成される半導体レーザ素子の製造にあたり、そ
の構成層の少なくとも一層を有機金属気相成長法によっ
て形成することを特徴とする半導体レーザ素子の製造方
法である。
(Means for Solving Problems) The first aspect of the present invention is to provide a first conductivity type InP buffer layer / cladding layer, Ga 1-x In x As 1-y P y active layer, and second on the InP substrate. At least three conductive-type InP clad layers were laminated on the second conductive-type InP clad layer. InAs 1-z P z layer, InAs
A semiconductor laser device including at least two layers. Further, in the semiconductor laser, the composition of the InAs 1-z P z layer is asymptotically changed from the second conductivity type InP clad layer to the InAs layer. Next, according to the second aspect of the present invention, a first conductivity type InP buffer layer / cladding layer, a Ga 1-x InP x As 1-y P y active layer, and a second conductivity type InP clad layer are formed on an InP substrate. And at least two layers of the InAs 1-z P z layer and the InAs layer laminated on the second conductivity type InP clad layer. A method of manufacturing a semiconductor laser device, wherein one layer is formed by a metal organic chemical vapor deposition method.

叙上の如く、InPクラッド層の上にInAs1-zPz、InAs層
を積層形成することにより、低抵抗のオーミック電極が
形成できるようにし、半導体レーザ素子の直列抵抗を低
くするようにしたものである。InAs1-zPzの組成zは1
から0まで、すなわちInPからInAsまで次第に変化する
ようにしたものである。
As mentioned above, by stacking InAs 1-z P z and InAs layers on the InP clad layer, a low resistance ohmic electrode can be formed and the series resistance of the semiconductor laser device is lowered. It is a thing. The composition z of InAs 1-z P z 1
To 0, that is, from InP to InAs is gradually changed.

(作 用) 本発明により、バンドギャップの小さいInAsをコンタ
クト層として用いるため、ショットキーバリアの高さを
低くすることができ、かつInPに比べて高濃度に不純物
を添加できるようになる。また、InP層とInAs層の間にI
nAs1-zPz層を設け、その組成をInPからInAsまで漸近的
に変化させることにより、InPとInAsの間でバンドギャ
ップを連続的に変化させることができ、バンド不連続に
よるキャリアの移動の妨害が無くなる。このようにし
て、InPバッファ層、特にp型に対して、低抵抗の電極
が形成でき半導体レーザ素子の直列抵抗を低くすること
ができるため、高速で動作する半導体レーザ素子が得ら
れる。
(Operation) According to the present invention, since InAs having a small band gap is used as the contact layer, the height of the Schottky barrier can be reduced and the impurity can be added at a higher concentration than that of InP. In addition, I
By providing the nAs 1-z P z layer and changing its composition asymptotically from InP to InAs, the band gap can be continuously changed between InP and InAs, and carrier movement due to band discontinuity occurs. The interference of is eliminated. In this way, a low resistance electrode can be formed for the InP buffer layer, especially for the p-type, and the series resistance of the semiconductor laser device can be reduced, so that a semiconductor laser device operating at high speed can be obtained.

(実施例) 以下、本発明の一実施例につき図面を参照して説明す
る。
(Example) Hereinafter, one example of the present invention will be described with reference to the drawings.

第1図は一実施例にかかる半導体レーザ素子の断面図
である。第1図に示すように、n型InP基板11上に層厚
約1μmに形成されたバッファ層兼クラッド層のn型In
P層12、このn型InP層12上の一部に層厚約0.1μmで幅
約1.5μmに形成された活性層のGaInAsP層13、および、
このGaInAsP層13上に積層して層厚約1μmに形成され
たクラッド層のp型InP層14でダブルヘテロ接合が形成
されている。また、前記n型InP基板12上の活性層形成
域を除く域はその層厚が低減され、ここに、活性層のGa
InAsP層13とクラッド層のp型InP層14に隣接し、かつ埋
込むように形成された埋込層のp型InP層15とこのp型I
nP層15に積層して形成されたn型InP層16によって、前
記ダブルヘテロ接合の一部のp型InP層14の上面と概ね
平面をなしている。次に、前記平面上に組成遷移層であ
るp型InAs1-zPz層17が、このzの値が0≦z≦1の範
囲内で遷位し、かつこの層の下方から上方に向け漸次小
さくなるように形成され、その上面にコンタクト層のp
型InAs層18が積層して形成されている。さらに、前記p
型InAs層18上にはp側のオーミック電極20が一例のAu/A
uZnで、前記n型InP基板11にはn側のオーミック電極21
が一例のAu/AuGeで夫々形成されている。なお、へき開
によって共振長が約250μmの半導体レーザ素子が得ら
れている。
FIG. 1 is a sectional view of a semiconductor laser device according to an embodiment. As shown in FIG. 1, the n-type In of the buffer layer / cladding layer formed on the n-type InP substrate 11 to a thickness of about 1 μm.
A P layer 12, an GaInAsP layer 13 of an active layer formed on a portion of the n-type InP layer 12 with a layer thickness of about 0.1 μm and a width of about 1.5 μm, and
A double heterojunction is formed by the p-type InP layer 14 which is a clad layer laminated on the GaInAsP layer 13 and having a layer thickness of about 1 μm. In addition, the layer thickness is reduced in the region excluding the active layer formation region on the n-type InP substrate 12, where the Ga of the active layer is formed.
Adjacent to the InAsP layer 13 and the p-type InP layer 14 of the clad layer, a p-type InP layer 15 of a buried layer formed so as to be buried and the p-type I
The n-type InP layer 16 formed by laminating on the nP layer 15 is substantially flat with the upper surface of the p-type InP layer 14 which is a part of the double heterojunction. Next, the p-type InAs 1-z P z layer 17, which is a composition transition layer, is displaced on the plane within the range of z ≦ 0 ≦ z ≦ 1, and from the bottom to the top of this layer. The contact layer is formed so as to be gradually smaller toward the upper surface of the contact layer.
The type InAs layer 18 is formed by stacking. Furthermore, the p
The p-side ohmic electrode 20 is an example of Au / A on the InAs layer 18.
With uZn, the n-type InP substrate 11 has an ohmic electrode 21 on the n-side.
Are formed of Au / AuGe as an example. A semiconductor laser device having a resonance length of about 250 μm is obtained by cleavage.

次に、前記半導体レーザ素子の製造方法につき第1図
を参照説明する。
Next, a method of manufacturing the semiconductor laser device will be described with reference to FIG.

n型InP基板11を用いて、この上にn型InPバッファ層
兼クラッド層12を約1μm,GaInAsP活性層13を約0.1μm,
p型InPクラッド層14を約1μm順に積層成長してダブル
ヘテロ接合が形成されている。各半導体層は、有機金属
気相成長法(MOCVD法)によりエピタキシャル成長され
る。次に、幅約1.5μmのSiO2ストライプ膜をマスクと
してn型InPクラッド層の途中までエッチングすること
により、活性領域が形成される。次に、前記のSiO2スト
ライプ膜をマスクとして、p型のInP層15,n型のInP層16
を順次成長して活性領域を埋め込む。この埋め込み成長
には、有機金属気相成長法が用いられる。活性領域及び
埋め込み領域を有機金属気相成長法で成長する場合の原
料としては、TMGa(トリメチルガリウム),TMIn(トリ
メチルインジウム),AsH3,PH3を用いた。次に、前記SiO
2ストライプ膜を除去し、組成遷移層であるp型InAs1-z
Pz層17,p型InAsコンタクト層を順次成長する。p型InAs
1-zPz層107の組成zは、1から0まで格子定数の違いに
よる歪が緩和されるようにゆっくり変化される必要があ
る。最後に、活性領域以外の領域にSiO2膜19を形成し、
金属の蒸着によりn側のオーミックコンタクトのp側の
オーミックコンタクトを形成する。n側のオーミック電
極21の形成にはAu/AuGeがp側のオーミック電極20の形
成にはAu/AuZnが各々用いられる。
Using an n-type InP substrate 11, an n-type InP buffer layer / cladding layer 12 of about 1 μm, a GaInAsP active layer 13 of about 0.1 μm,
The p-type InP clad layer 14 is grown in the order of about 1 μm to form a double heterojunction. Each semiconductor layer is epitaxially grown by a metal organic chemical vapor deposition method (MOCVD method). Next, an active region is formed by etching the n-type InP clad layer halfway using the SiO 2 stripe film having a width of about 1.5 μm as a mask. Next, using the SiO 2 stripe film as a mask, the p-type InP layer 15 and the n-type InP layer 16 are formed.
Are sequentially grown to fill the active region. A metal organic vapor phase epitaxy method is used for this buried growth. TMGa (trimethylgallium), TMIn (trimethylindium), AsH 3 and PH 3 were used as raw materials when the active region and the buried region were grown by metalorganic vapor phase epitaxy. Next, the SiO
2 Stripe film is removed and p-type InAs 1-z which is a composition transition layer
A P z layer 17 and a p-type InAs contact layer are sequentially grown. p-type InAs
The composition z of the 1-z P z layer 107 needs to be slowly changed from 1 to 0 so that strain due to a difference in lattice constant is relaxed. Finally, a SiO 2 film 19 is formed in a region other than the active region,
The p-side ohmic contact of the n-side ohmic contact is formed by vapor deposition of metal. Au / AuGe is used to form the n-side ohmic electrode 21, and Au / AuZn is used to form the p-side ohmic electrode 20, respectively.

この実施例による半導体レーザ素子の発振しきい値電
流密度は、約20mAで従来製造されているものとほとんど
同じ値であった。しかし、素子の直列抵抗は、約5Ωで
あり、従来の約10Ωより小さい値であった。これは、コ
ンタクト層としてバンドギャップの小さいInAsを用い、
キャリア濃度を高くしたこと、InAsコンタクト層とInP
クラッド層の間にInAs1-zPz組成遷移層を設けたことに
よるものである。
The oscillation threshold current density of the semiconductor laser device according to this example was about 20 mA, which was almost the same value as that conventionally manufactured. However, the series resistance of the device was about 5Ω, which was smaller than the conventional value of about 10Ω. This uses InAs with a small band gap as the contact layer,
Higher carrier concentration, InAs contact layer and InP
This is because the InAs 1-z P z composition transition layer is provided between the clad layers.

本発明は、上記実施例に限られず、特許請求の範囲を
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 present invention is not limited to the above embodiments, and various modifications can be carried out without departing from the scope of the claims.

〔発明の効果〕〔The invention's effect〕

以上述べたように本発明によれば、コンタクト層とし
てバンドギャップの小さいInAs層を、また、InAsコンタ
クト層と、InPクラッド層との間にInAs1-zPzの組成遷移
層を備えた構造でダブルヘテロ接合半導体レーザ素子を
製造することにより、レーザ素子の直列抵抗を低減する
ことができ、動作速度の速い半導体レーザ素子が得られ
る顕著な利点がある。
As described above, according to the present invention, a structure provided with an InAs layer having a small bandgap as a contact layer, and an InAs 1-z P z composition transition layer between the InAs contact layer and the InP clad layer. By manufacturing the double heterojunction semiconductor laser device in (1), there is a remarkable advantage that the series resistance of the laser device can be reduced and a semiconductor laser device having a high operation speed can be obtained.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

第1図は本発明の一実施例の半導体レーザ素子の断面図
である。 11……n型InP基板 12……n型InP層 13……Ga1-xInxAs1-yPy 14……p型InP 15……p型InP 16……n型InP 17……p型InAs1-zPz 18……p型InAs 19……SiO2 20……Au/AuZn電極 21……Au/AuGe電極
FIG. 1 is a sectional view of a semiconductor laser device according to an embodiment of the present invention. 11 …… n-type InP substrate 12 …… n-type InP layer 13 …… Ga 1-x In x As 1-y P y 14 …… p-type InP 15 …… p-type InP 16 …… n-type InP 17 …… p-type InAs 1-z P z 18 …… p-type InAs 19 …… SiO 2 20 …… Au / AuZn electrode 21 …… Au / AuGe electrode

Claims (5)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】InP基板上に第1導電型のバッファ層兼ク
ラッド層、Ga1-xInxAs1-yPy活性層,第2導電型のInPク
ラッド層の少なくとも3層と、前記第2導電型のInPク
ラッド層の上に積層したInAs1-zPz層,InAs層の少なくと
も2層を具備した半導体レーザ素子。
1. At least three layers of a first-conductivity-type buffer / cladding layer, a Ga 1-x In x As 1-y P y active layer, and a second-conductivity-type InP clad layer on an InP substrate; A semiconductor laser device comprising at least two layers, an InAs 1-z P z layer and an InAs layer, which are laminated on a second conductivity type InP clad layer.
【請求項2】InAs1-zPz層の組成を第2導電型のInPクラ
ッド層からInAs層まで漸近的に変化させることを特徴と
する特許請求の範囲第1項に記載の半導体レーザ素子。
2. The semiconductor laser device according to claim 1, wherein the composition of the InAs 1-z P z layer is asymptotically changed from the second conductivity type InP clad layer to the InAs layer. .
【請求項3】InAs1-zPz層とInAs層の導電型が第2導電
型になるように不純物をドーピングすることを特徴とす
る特許請求の範囲第1項または第2項に記載の半導体レ
ーザ素子。
3. The InAs 1-z P z layer and the InAs layer are doped with impurities so that the conductivity type becomes the second conductivity type. Semiconductor laser device.
【請求項4】InP基板上に第1の導電型のInPバッファ層
兼クラッド層、Ga1-xInxAs1-yPy活性層,第2導電型のI
nPクラッド層の少なくとも3層と、前記第2導電型のIn
Pクラッド層の上に積層したInAs1-zPz層,InAs層の少な
くとも2層で構成される半導体レーザ素子の製造にあた
り、その構成層の少なくとも一層を有機金属気相成長法
によって形成することを特徴とする半導体レーザ素子の
製造方法。
4. A first conductivity type InP buffer layer / cladding layer, a Ga 1-x In x As 1-y P y active layer, and a second conductivity type I on an InP substrate.
At least three nP clad layers and the second conductivity type In
In manufacturing a semiconductor laser device composed of at least two layers of an InAs 1-z P z layer and an InAs layer laminated on a P clad layer, at least one of the constituent layers is formed by a metal organic chemical vapor deposition method. And a method for manufacturing a semiconductor laser device.
【請求項5】第2導電型のInPクラッド層の上に積層す
るInAs1-zPz層,InAs層の少なくとも1層を有機金属気相
成長法によって形成することを特徴とする特許請求の範
囲第4項に記載の半導体レーザ素子の製造方法。
5. The method according to claim 1, wherein at least one of an InAs 1-z P z layer and an InAs layer laminated on the second conductivity type InP clad layer is formed by a metal organic chemical vapor deposition method. 5. A method for manufacturing a semiconductor laser device according to claim 4.
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