JP2000156545A - Quantum cascade semiconductor laser system - Google Patents

Quantum cascade semiconductor laser system

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JP2000156545A
JP2000156545A JP11176613A JP17661399A JP2000156545A JP 2000156545 A JP2000156545 A JP 2000156545A JP 11176613 A JP11176613 A JP 11176613A JP 17661399 A JP17661399 A JP 17661399A JP 2000156545 A JP2000156545 A JP 2000156545A
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JP
Japan
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quantum well
layer
well layer
barrier layer
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JP11176613A
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Japanese (ja)
Inventor
Chiaki Domoto
千秋 堂本
Naoki Otani
直毅 大谷
Baccalo Pablo
パブロ・バッカロ
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ATR Adaptive Communications Research Laboratories
Original Assignee
ATR Adaptive Communications Research Laboratories
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Publication date
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a semiconductor laser system that has a less expensive and simpler structure and can oscillate with long wavelength. SOLUTION: This quantum cascade semiconductor laser system has a superlattice semiconductor element having an intrinsic semiconductor layer 15, which is a superlattice structure layer obtained by laminating repetitively a plurality of layers, each of which consists of two barrier layers 21, 23 and two quantum well layers 22, 24. The thickness of each layer in the intrinsic semiconductor layer 15 is set so that the X level of the barrier layer 21 is substantially resonated with a second level of the quantum well layer 22, and a first level of the quantum well layer 22 is substantially resonated with a first level of the quantum well layer 24 to form an inverted population when bias voltage is applied. Injected electrons are moved from the X level of the barrier layer 21 to the second level of the quantum well layer 22, and then to the second level of the quantum well layer 22 to emit light. Further, they are transferred to the X level of the barrier layer 21 on the subsequent stage via the first level of the quantum well layer 24 to oscillate laser.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、超格子構造層を有
する量子カスケード半導体レーザ装置に関する。
The present invention relates to a quantum cascade laser device having a superlattice structure layer.

【0002】[0002]

【従来の技術】近年、光通信網が整備され、遠隔地への
大容量で高速な通信が可能となった。これを可能とした
のは、低導波損失(0.2dB/km)な光ファイバケ
ーブルの実現や、化合物半導体(インジウムリン系)を
用いた長波長(1.3μmから1.5μm)のレーザの
実現があったからである。基幹系光通信網は、今や国内
にとどまらず太平洋を横断し海外のネットワークにも接
続されている。
2. Description of the Related Art In recent years, an optical communication network has been improved, and large-capacity, high-speed communication to a remote place has become possible. This was made possible by the realization of an optical fiber cable with low waveguide loss (0.2 dB / km) and the use of a compound semiconductor (indium phosphide) laser with a long wavelength (1.3 μm to 1.5 μm). This was because of the realization of The backbone optical network is now connected not only to Japan but also to overseas networks across the Pacific Ocean.

【0003】[0003]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、インジ
ウムリン系の化合物半導体は、基板となる単結晶インジ
ウムリン半導体基板が高価であり、長波長のレーザ光源
が非常に高価である。このため、幹線系光通信の整備が
進まない。特に、ファイバー・ツー・ザ・ホーム(FT
TH)と呼ばれる各利用者間を光通信網で結ぶには、利
用者の負担が大きくほとんど実現されていないのが実状
である。
However, in the case of indium phosphide compound semiconductors, a single crystal indium phosphide semiconductor substrate serving as a substrate is expensive, and a long wavelength laser light source is very expensive. For this reason, the maintenance of trunk line optical communication does not progress. In particular, Fiber to the Home (FT
In reality, the connection between each user called TH) is hardly realized because of the heavy burden on the users.

【0004】さらに、現状の石英系光ファイバーの導波
損失特性は理論限界にほぼ等しく、今後の改善がほとん
ど期待できない。しかしながら、カルコゲナイトやフッ
素ガラスの光ファイバケーブルなど、石英系の光ファイ
バケーブルに対して理論上導波損失が2桁程度小さい材
料の存在が知られており、将来これらの光ファイバケー
ブルを使用する際には、導波特性を最適化するために、
3〜4μmのより長波長の光源が必要となる。しかしな
がら、従来型の半導体レーザ装置では、3〜4μm程度
の発光が極めて困難である。
Further, the current waveguide loss characteristics of the silica-based optical fiber are almost equal to the theoretical limit, and little improvement can be expected in the future. However, it is known that there is a material such as a chalcogenite or fluorine glass optical fiber cable, whose waveguide loss is theoretically smaller than that of a silica-based optical fiber cable by about two orders of magnitude. In order to optimize the waveguide characteristics,
A longer wavelength light source of 3-4 μm is required. However, it is extremely difficult for a conventional semiconductor laser device to emit light of about 3 to 4 μm.

【0005】本発明の目的は以上の問題点を解決して、
従来例に比較して低価格でかつ簡単な構造を有して、長
波長で発振することができる半導体レーザ装置を提供す
ることにある。
An object of the present invention is to solve the above problems,
It is an object of the present invention to provide a semiconductor laser device that can oscillate at a long wavelength with a simple structure at a lower cost than a conventional example.

【0006】[0006]

【課題を解決するための手段】通常、発光素子は、ガリ
ウム砒素系の材料やインジウムリン系の材料が広く用い
られている。その理由はこれらの材料中の自由電子と正
孔が同じ運動量を持つために、いわゆる直接遷移型の電
子と正孔の結合が行われる確率が高いことがその理由で
ある。発光波長を長波長化するために、電子と正孔のエ
ネルギーギャップの小さな半導体を用いる必要がある。
このことが通信用レーザ光源にインジウムリン系の材料
が使われる理由である。
Generally, gallium arsenide-based materials and indium phosphide-based materials are widely used for light emitting devices. The reason is that since free electrons and holes in these materials have the same momentum, there is a high probability that so-called direct transition type electron-hole bonding is performed. In order to increase the emission wavelength, it is necessary to use a semiconductor having a small energy gap between electrons and holes.
This is why indium phosphide-based materials are used for laser light sources for communication.

【0007】量子カスケード半導体レーザ装置では、半
導体超格子構造層中に量子効果によって生成されたサブ
バンドと呼ばれる電子準位を利用した発光素子であり、
長波長光源に適している。サブバンドエネルギーは量子
効果によって決定されるので、同一の材料であっても発
光波長の制御は容易である。従って、GaAsなどの安
価な材料で長波長光源の作製が可能となる。しかしなが
ら、従来から提案されている量子カスケード半導体レー
ザ装置は、構造が非常に複雑であり、設計や結晶成長は
非常に困難である。
[0007] The quantum cascade laser device is a light emitting element utilizing an electron level called a subband generated by a quantum effect in a semiconductor superlattice structure layer.
Suitable for long wavelength light source. Since the subband energy is determined by the quantum effect, the emission wavelength can be easily controlled even with the same material. Therefore, a long-wavelength light source can be manufactured using an inexpensive material such as GaAs. However, the structure of the conventionally proposed quantum cascade laser device is very complicated, and it is very difficult to design and grow crystals.

【0008】以上を鑑みて本発明では、X点での電子の
準位(以下、X準位という。)を用いることで、単純構
造によって量子カスケード半導体レーザ装置を実現す
る。
In view of the above, the present invention realizes a quantum cascade laser device with a simple structure by using the electron level at point X (hereinafter referred to as X level).

【0009】本発明の第1の態様に係る量子カスケード
半導体レーザ装置によれば、2つの電極間に、超格子構
造層を有する超格子半導体素子を備えた量子カスケード
半導体レーザ装置において、上記超格子構造層は、第1
の障壁層と第1の量子井戸層と第2の障壁層と第2の量
子井戸層とを1周期として複数周期繰り返して積層形成
してなり、上記第1の障壁層と第1の量子井戸層と第2
の障壁層と第2の量子井戸層の各厚さを、上記超格子半
導体素子に所定のバイアス電圧を印加したときに、上記
第1の障壁層のX準位が上記第1の量子井戸層の第2の
準位と実質的に共鳴しかつ上記第1の量子井戸層の第1
の準位が上記第2の量子井戸層の第1の準位と実質的に
共鳴して、上記第1の量子井戸層の第2の準位のキャリ
ア数が上記第1の量子井戸層の第1の準位のキャリア数
よりも多くなるような反転分布を形成するように設定さ
れ、上記超格子半導体素子に上記バイアス電圧を印加す
ることにより注入した電子を上記第1の障壁層のX準位
から上記第1の量子井戸層の第2の準位に移動させた
後、上記第1の量子井戸層の第1の準位に遷移させるこ
とにより発光させ、次いで、上記第1の量子井戸層の第
1の準位から上記第2の量子井戸層の第1の準位を介し
て次段の上記第1の障壁層のX準位に遷移させることに
より、レーザ発振させることを特徴とする。
According to the quantum cascade laser device according to the first aspect of the present invention, in the quantum cascade laser device including a superlattice semiconductor element having a superlattice structure layer between two electrodes, The structural layer comprises a first
Of the first barrier layer, the first quantum well layer, the second barrier layer, and the second quantum well layer, which are repeated for a plurality of cycles as one cycle, and the first barrier layer and the first quantum well layer are formed. Layer and second
When a predetermined bias voltage is applied to the superlattice semiconductor device, the X level of the first barrier layer is changed to the first quantum well layer by changing the thicknesses of the barrier layer and the second quantum well layer. Substantially resonates with the second level of the first quantum well layer and the first level of the first quantum well layer.
Substantially resonates with the first level of the second quantum well layer, so that the number of carriers at the second level of the first quantum well layer is larger than that of the first quantum well layer. The population is set so as to form a population inversion that is larger than the number of carriers of the first level, and the electrons injected by applying the bias voltage to the superlattice semiconductor element are converted into X in the first barrier layer. After moving from the level to the second level of the first quantum well layer, light is emitted by transitioning to the first level of the first quantum well layer, and then the first quantum well layer is emitted. Laser oscillation is achieved by transitioning from the first level of the well layer to the X level of the first barrier layer in the next stage via the first level of the second quantum well layer. And

【0010】また、本発明の第2の態様に係る量子カス
ケード半導体レーザ装置によれば、2つの電極間に、超
格子構造層を有する超格子半導体素子を備えた量子カス
ケード半導体レーザ装置において、上記超格子構造層
は、障壁層と量子井戸層とを繰り返して積層形成してな
り、上記障壁層と上記量子井戸層の各厚さを、上記超格
子半導体素子に所定のバイアス電圧を印加したときに、
上記障壁層のX準位が上記量子井戸層の第Nの準位と実
質的に共鳴し、上記量子井戸層の第(N−1)の準位が
次段の障壁層のX準位以上に位置し、かつ次段の障壁層
のX準位が次段の量子井戸層の第Nの準位と実質的に共
鳴して、上記量子井戸層の第Nの準位のキャリア数が上
記量子井戸層の第(N−1)の準位のキャリア数よりも
多くなるような反転分布を形成するように設定され、こ
こで、Nは3以上の自然数であり、上記超格子半導体素
子に上記バイアス電圧を印加することにより注入した電
子を上記障壁層のX準位から上記量子井戸層の第Nの準
位に移動させた後、上記量子井戸層の第(N−1)の準
位に遷移させることにより発光させ、次いで、上記量子
井戸層の第(N−1)の準位から次段の障壁層のX準位
を介して次段の量子井戸層の第Nの準位に遷移させるこ
とにより、レーザ発振させることを特徴とする。
According to a quantum cascade laser device according to a second aspect of the present invention, in the quantum cascade laser device including a superlattice semiconductor element having a superlattice structure layer between two electrodes, The superlattice structure layer is formed by repeatedly stacking a barrier layer and a quantum well layer, and the thickness of each of the barrier layer and the quantum well layer is determined by applying a predetermined bias voltage to the superlattice semiconductor element. To
The X level of the barrier layer substantially resonates with the Nth level of the quantum well layer, and the (N-1) th level of the quantum well layer is equal to or higher than the X level of the next barrier layer. , And the X level of the next-stage barrier layer substantially resonates with the N-th level of the next-stage quantum well layer, and the number of carriers at the N-th level of the quantum well layer becomes The population is set so as to form a population inversion that is larger than the number of carriers of the (N-1) -th level in the quantum well layer, where N is a natural number of 3 or more. After the electrons injected by applying the bias voltage are moved from the X level of the barrier layer to the Nth level of the quantum well layer, the (N-1) th level of the quantum well layer is moved. To the next level, and then the amount of the next stage from the (N-1) level of the quantum well layer via the X level of the next barrier layer. By transition to level of the first N well layers, characterized in that a laser oscillation of.

【0011】さらに、上記量子カスケード半導体レーザ
装置において、好ましくは、上記障壁層と上記量子井戸
層の各厚さを、上記超格子半導体素子に所定のバイアス
電圧を印加したときに、上記量子井戸層の第(N−1)
の準位が次段の障壁層のX準位と実質的に共鳴するよう
に設定され、上記発光後の電子を上記量子井戸層の第
(N−1)の準位から次段の障壁層のX準位を介して次
段の量子井戸層の第Nの準位に遷移させることにより、
レーザ発振させることを特徴とする。
Further, in the above quantum cascade semiconductor laser device, preferably, when a predetermined bias voltage is applied to the superlattice semiconductor element, the respective thicknesses of the barrier layer and the quantum well layer are changed to the quantum well layer. (N-1)
Is set so as to substantially resonate with the X level of the next barrier layer, and the electrons after the light emission are transferred from the (N-1) th level of the quantum well layer to the next barrier layer. Is transited to the Nth level of the next quantum well layer through the X level of
It is characterized by laser oscillation.

【0012】さらに、上記量子カスケード半導体レーザ
装置において、好ましくは、上記障壁層と上記量子井戸
層の各厚さを、上記超格子半導体素子に所定のバイアス
電圧を印加したときに、上記量子井戸層の第(N−1)
の準位よりも低い準位が次段の障壁層のX準位と実質的
に共鳴するように設定され、上記発光後の電子を上記量
子井戸層の第(N−1)の準位から上記量子井戸層の第
(N−1)の準位よりも低い準位及び次段の障壁層のX
準位を介して次段の量子井戸層の第Nの準位に遷移させ
ることにより、レーザ発振させることを特徴とする。
Further, in the above-described quantum cascade laser device, preferably, when a predetermined bias voltage is applied to the superlattice semiconductor element, the thickness of the barrier layer and the thickness of the quantum well layer are changed. (N-1)
Are set so as to substantially resonate with the X level of the barrier layer of the next stage, and the emitted electrons are separated from the (N-1) th level of the quantum well layer. The level lower than the (N-1) level of the quantum well layer and the X of the next barrier layer
The laser oscillation is achieved by transitioning to the N-th level of the next quantum well layer through the level.

【0013】さらに、上記量子カスケード半導体レーザ
装置において、上記Nは、好ましくは、3、4、5、又
は6である。
Further, in the above quantum cascade laser device, N is preferably 3, 4, 5, or 6.

【0014】[0014]

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明に係
る実施形態について説明する。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.

【0015】<第1の実施形態>図1は、本発明に係る
第1の実施形態である量子カスケード半導体レーザ装置
の構造を示す斜視図及び一部断面図である。この実施形
態の量子カスケード半導体レーザ装置は超格子半導体発
光素子を備えて構成され、超格子半導体発光素子は、図
1に示すように、第1の障壁層21と第1の量子井戸層
22と第2の障壁層23と第2の量子井戸層24を1周
期として複数周期で繰り返して積層されてなる超格子構
造層である真性半導体i層15を備えたヘテロ接合n−
i−n型ダイオード半導体素子である。
<First Embodiment> FIG. 1 is a perspective view and a partial sectional view showing the structure of a quantum cascade laser device according to a first embodiment of the present invention. The quantum cascade laser device of this embodiment includes a superlattice semiconductor light emitting device. The superlattice semiconductor light emitting device includes a first barrier layer 21 and a first quantum well layer 22, as shown in FIG. A heterojunction n− including an intrinsic semiconductor i-layer 15 that is a superlattice structure layer repeatedly stacked in a plurality of cycles with the second barrier layer 23 and the second quantum well layer 24 as one cycle.
It is an i-n type diode semiconductor element.

【0016】本実施形態の超格子半導体発光素子の作製
手順の詳細を以下に示す。 (1)Siにてなるn型不純物イオンが例えば、ドープ
量1018/cm3だけドープされたn型GaAs(上表
面の面方位(1,0,0))にてなる厚さ300μmの
n型半導体基板10上に分子線エピタキシャル装置を用
いて、以下の各層を順次結晶成長を行った。 (a)Siにてなるn型不純物イオンがドープ量2×1
18/cm3だけドープされたn型GaAsにてなる厚
さ0.2μmのn型バッファ層12、及び、同様にSi
にてなるn型不純物イオンがドープ量1×1018/cm
3だけドープされたn型Al0.5Ga0.5Asにてなる厚
さ2μmのn型バッファ層13。 (b)i型Al0.5Ga0.5Asにてなる厚さ500Åの
i型クラッド層14。 (c)GaAs/AlAsからなる20周期の超格子構
造を有する厚さ1μmの真性半導体i層15。ここで、
AlAsにてなる厚さ50.9Åの第1の障壁層21
と、GaAsにてなる厚さ73.6Åの第1の量子井戸
層22と、AlAsにてなる厚さ14.2Åの第2の障
壁層23と、GaAsにてなる厚さ34.0Åの第2の
量子井戸層24とを1周期として、20周期で繰り返し
積層することにより、厚さ1μmの真性半導体i層15
を得る。 (d)i型Al0.5Ga0.5Asにてなる厚さ500Åの
i型クラッド層16。 (e)Siにてなるn型不純物イオンがドープ量1×1
18/cm3だけドープされたn型Al0.5Ga0.5As
にてなる厚さ2μmのn型キャップ層17、及び、同様
にSiにてなるn型不純物イオンがドープ量2×1018
/cm3だけドープされたn型GaAsにてなる厚さ
0.2μmのn型バッファ層18。 (2)次いで、バッファ層18上に、AuGe/Ni/
Auからなる電極19を、感光性有機薄膜(レジスト)
を用いたリフトオフ法を用いて、10μm幅のストリッ
プ形状で形成した。 (3)そして、半導体基板10を約80μmの厚みにな
るまで裏面を研磨した。 (4)さらに、半導体基板10の裏面にもAuGe/N
i/Au(=1000Å/300Å/1500Å)から
なる電極11を形成した。 (5)そして、素子全体に対して400℃で1.5分間
の熱処理を行い、電極11及び19においてオーミック
接続を得た。 (6)電極ラインに沿って半導体基板10を分断した
後、300μm長に劈開した。劈開面(図1の手前側及
び向こう側の面)の内面は平坦性が良くミラー面になっ
ている。本実施形態において、この反射鏡の間隔は30
0μmに設定した。しかしながら、本発明はこれに限定
されず、100μmでもよいし500μmでもよい、す
なわち当該間隔は任意に設定することができる。
The details of the procedure for fabricating the superlattice semiconductor light emitting device of this embodiment will be described below. (1) n-type GaAs doped with n-type impurity ions of Si, for example, at a doping amount of 10 18 / cm 3 (plane orientation of the upper surface (1, 0, 0)) and a 300 μm-thick n The following layers were sequentially crystal-grown on the type semiconductor substrate 10 using a molecular beam epitaxy apparatus. (A) n-type impurity ions made of Si have a doping amount of 2 × 1
0.2 μm thick n-type buffer layer 12 made of n-type GaAs doped with 0 18 / cm 3 , and Si
Of n-type impurity ions of 1 × 10 18 / cm
An n-type buffer layer 13 of n-type Al 0.5 Ga 0.5 As doped with 3 and having a thickness of 2 μm. (B) An i-type cladding layer 14 of i-type Al 0.5 Ga 0.5 As having a thickness of 500 °. (C) An intrinsic semiconductor i-layer 15 having a thickness of 1 μm and having a 20-period superlattice structure made of GaAs / AlAs. here,
First barrier layer 21 made of AlAs and having a thickness of 50.9 °
A first quantum well layer 22 made of GaAs having a thickness of 73.6 °, a second barrier layer 23 formed of AlAs having a thickness of 14.2 °, and a third barrier layer formed of GaAs having a thickness of 34.0 °. The two quantum well layers 24 are defined as one cycle, and are repeatedly stacked in 20 cycles to form an intrinsic semiconductor i-layer 15 having a thickness of 1 μm.
Get. (D) An i-type cladding layer 16 made of i-type Al 0.5 Ga 0.5 As and having a thickness of 500 °. (E) n-type impurity ions made of Si are doped at 1 × 1
N-type Al 0.5 Ga 0.5 As doped with 0 18 / cm 3
And a 2 μm-thick n-type cap layer 17, and an n-type impurity ion similarly made of Si with a doping amount of 2 × 10 18
A 0.2 μm thick n-type buffer layer 18 made of n-type GaAs doped with / cm 3 . (2) Then, AuGe / Ni /
The electrode 19 made of Au is connected to a photosensitive organic thin film (resist).
Was formed in a strip shape having a width of 10 μm by using a lift-off method using (3) Then, the back surface of the semiconductor substrate 10 was polished to a thickness of about 80 μm. (4) Further, AuGe / N is also provided on the back surface of the semiconductor substrate 10.
The electrode 11 made of i / Au (= 1000 ° / 300 ° / 1500 °) was formed. (5) Then, a heat treatment was performed on the entire device at 400 ° C. for 1.5 minutes to obtain an ohmic connection between the electrodes 11 and 19. (6) After the semiconductor substrate 10 was cut along the electrode lines, it was cleaved to a length of 300 μm. The inner surface of the cleavage plane (the surface on the near side and the other side in FIG. 1) has good flatness and is a mirror surface. In the present embodiment, the interval between the reflecting mirrors is 30.
It was set to 0 μm. However, the present invention is not limited to this, and may be 100 μm or 500 μm, that is, the interval can be set arbitrarily.

【0017】さらに、直流バイアス電圧印加用可変電圧
直流電源30の負極が電極19に接続され、その正極が
電極11に接続されて、当該素子に対して直流バイアス
電圧が印加される。本実施形態においては、当該直流バ
イアス電圧を印加したときの真性半導体i層15におけ
る電界強度は、約300乃至400kV/cmである。
Further, the negative electrode of the variable voltage DC power supply 30 for applying a DC bias voltage is connected to the electrode 19 and the positive electrode thereof is connected to the electrode 11, so that a DC bias voltage is applied to the element. In the present embodiment, the electric field intensity in the intrinsic semiconductor i-layer 15 when the DC bias voltage is applied is about 300 to 400 kV / cm.

【0018】図2は、図1の量子カスケード半導体レー
ザ装置の真性半導体i層15の厚さ方向の位置に対する
準位エネルギーを示すエネルギーバンド図である。
FIG. 2 is an energy band diagram showing the level energy with respect to the position in the thickness direction of the intrinsic semiconductor i-layer 15 of the quantum cascade laser device of FIG.

【0019】図2に示すように、当該素子に対して所定
のバイアス電圧を印加することにより、第1の量子井戸
層22のΓ2準位(第2の準位)は、第1の障壁層21
のX準位よりも若干低くなって互いに実質的に共鳴する
一方、第2の量子井戸層24のΓ1準位(第1の準位)
は第1の量子井戸層22のΓ1準位よりも若干低くなっ
て互いに実質的に共鳴する。ここで、上記バイアス電圧
の印加により注入されて、より大きな電子の有効質量を
有する第1の障壁層21(注入層)に存在する電子は、
第1の量子井戸層22のΓ2準位に移動した後、そのΓ
1準位に量子効果により遷移して発光する。次いで、第
1の量子井戸層22のΓ1準位にある電子は第2の量子
井戸層23を介して次段の第1の障壁層21のX準位に
高速に移動して、反転分布が形成され、さらに、上述の
プロセスが繰り返される。従って、第1の量子井戸層2
2が発光層となる。ここで、反転分布とは、第1の量子
井戸層22において、Γ1準位のキャリア数よりもΓ2
準位のキャリア数が多い状態であって、本実施形態にお
けるレーザ発振の必要条件である。
As shown in FIG. 2, by applying a predetermined bias voltage to the device, the Γ2 level (second level) of the first quantum well layer 22 is changed to the first barrier layer. 21
Slightly lower than the X level of the second quantum well layer 24 and substantially resonate with each other, while the Γ1 level (the first level) of the second quantum well layer 24.
Are slightly lower than the Γ1 level of the first quantum well layer 22 and substantially resonate with each other. Here, electrons injected by the application of the bias voltage and existing in the first barrier layer 21 (injection layer) having a larger effective mass of electrons are:
After moving to the Γ2 level of the first quantum well layer 22, the Γ
Light is emitted by transition to one level due to the quantum effect. Next, electrons in the Γ1 level of the first quantum well layer 22 move to the X level of the next barrier layer 21 at a high speed via the second quantum well layer 23, and the population inversion is changed. Once formed, the above process is repeated. Therefore, the first quantum well layer 2
2 becomes a light emitting layer. Here, the population inversion means that the number of carriers in the first quantum well layer 22 is smaller than the number of carriers in the first level by Γ2.
This is a state where the number of carriers in the level is large, which is a necessary condition for laser oscillation in the present embodiment.

【0020】すなわち、真性半導体i層15にバイアス
電界を印加することで電子が注入され、階段状のサブバ
ンドを移動することで発光が得られる。得られた光は、
上下のAl0.5Ga0.5As層がクラッド層14,16と
なり光閉じ込めが起こる。ストリップ形状の電極19と
電極11との間で、当該素子の垂直方向には、電流注入
による屈折率上昇によって光閉じ込めが起こる。ストリ
ップ形状の電極19と平行方向には、上述の1対の対向
する劈開面による劈開ミラーが反射鏡となり、レーザ発
振による光増幅が起こる。このレーザ発振による発光光
は、1対の反射鏡での光反射の方向とは垂直な方向の側
面から放射される。
That is, electrons are injected by applying a bias electric field to the intrinsic semiconductor i-layer 15, and light is obtained by moving through the step-like sub-band. The light obtained is
The upper and lower Al 0.5 Ga 0.5 As layers become the cladding layers 14 and 16 and light confinement occurs. Optical confinement occurs between the strip-shaped electrode 19 and the electrode 11 in the vertical direction of the element due to an increase in the refractive index due to current injection. In the direction parallel to the strip-shaped electrode 19, the cleavage mirror formed by the pair of opposed cleavage planes described above becomes a reflection mirror, and optical amplification by laser oscillation occurs. Light emitted by the laser oscillation is emitted from a side surface in a direction perpendicular to the direction of light reflection by the pair of reflecting mirrors.

【0021】以上説明したように、本実施形態では、真
性半導体i層15内の各層21乃至24の厚さを、2つ
の量子井戸層22,24が互いに非対称となるように、
すなわち、所定のバイアス電圧を印加したときに、第1
の障壁層21のX準位が第1の量子井戸層22のΓ2準
位と実質的に共鳴しかつ第1の量子井戸層22のΓ1準
位が第2の量子井戸層24のΓ1準位と実質的に共鳴し
て反転分布を形成するように設定している。この反転分
布により発光動作が生じ、さらに、ストリップ形状の電
極19による光閉じ込め効果、及び1対の反射鏡により
レーザ発振が生じてより大きな発光を得ることができ
る。以上のように構成された超格子半導体発光素子を備
えた量子カスケード半導体レーザ装置では、従来例に比
較して低価格でかつ簡単な構造を有して、例えば3〜4
μmの長波長でレーザ発振させることができる。
As described above, in the present embodiment, the thickness of each of the layers 21 to 24 in the intrinsic semiconductor i-layer 15 is set such that the two quantum well layers 22 and 24 are asymmetrical to each other.
That is, when a predetermined bias voltage is applied, the first
X level of the barrier layer 21 substantially resonates with the Γ2 level of the first quantum well layer 22, and the Γ1 level of the first quantum well layer 22 is the Γ1 level of the second quantum well layer 24. Are set so as to substantially resonate with each other to form a population inversion. A light emission operation is caused by this population inversion, and further, a light confinement effect by the strip-shaped electrode 19 and a laser oscillation are generated by the pair of reflecting mirrors, so that a larger light emission can be obtained. The quantum cascade laser device including the superlattice semiconductor light emitting device configured as described above has a low-cost and simple structure as compared with the conventional example, and has, for example, 3 to 4
Laser oscillation can be performed at a long wavelength of μm.

【0022】<第2の実施形態>図3は、本発明に係る
第2の実施形態である量子カスケード半導体レーザ装置
の構造を示す斜視図及び一部断面図である。この第2の
実施形態の装置は、第1の実施形態に比較して、図3に
示すように、真性半導体i層15が真性半導体i層15
aにとって代わったことを特徴としている。それ以外の
構成は同様である。ここで、真性半導体i層15aは、
AlAsにてなる厚さ50.9Åの障壁層31と、Ga
Asにてなる厚さ101.9Åの量子井戸層32とを1
周期として、20周期で繰り返されて積層形成される。
好ましい実施形態においては、当該直流バイアス電圧を
印加したときの真性半導体i層15aにおける電界強度
は、約350kV/cmである。
<Second Embodiment> FIG. 3 is a perspective view and a partial sectional view showing the structure of a quantum cascade laser device according to a second embodiment of the present invention. In the device of the second embodiment, as shown in FIG. 3, the intrinsic semiconductor i-layer 15 is different from that of the first embodiment.
a. Other configurations are the same. Here, the intrinsic semiconductor i-layer 15a is
A barrier layer 31 made of AlAs and having a thickness of 50.9 °;
The quantum well layer 32 made of As and having a thickness of 101.9
The cycle is repeated in 20 cycles to form a laminate.
In a preferred embodiment, the electric field intensity in the intrinsic semiconductor i-layer 15a when the DC bias voltage is applied is about 350 kV / cm.

【0023】図4は、図3の量子カスケード半導体レー
ザ装置の真性半導体i層15aの厚さ方向の位置に対す
る準位エネルギーを示すエネルギーバンド図である。
FIG. 4 is an energy band diagram showing the level energy with respect to the position in the thickness direction of the intrinsic semiconductor i-layer 15a of the quantum cascade laser device of FIG.

【0024】図4に示すように、当該素子に対して所定
のバイアス電圧を印加することにより、量子井戸層32
のΓ3準位(第3の準位)は、障壁層31のX準位より
も若干低くなって互いに実質的に共鳴する一方、次段の
障壁層31のX準位は量子井戸層32のΓ2(第2の準
位)よりも若干低くなって互いに実質的に共鳴する。こ
こで、上記バイアス電圧の印加により注入されて、より
大きな電子の有効質量を有する障壁層31(注入層)に
存在する電子は、量子井戸層32のΓ3準位に移動した
後、そのΓ2準位に量子効果により遷移して発光する。
次いで、次段の障壁層31のX準位に高速で移動して、
反転分布が形成され、さらに、上述のプロセスが繰り返
される。また、電子が量子井戸層32のΓ2準位から量
子効果によりそのΓ1準位に遷移することでも発光す
る。なお、Γ2準位からΓ1準位への発光は、Γ3準位
からΓ2への発光に比較して、発光強度は低い。従っ
て、量子井戸層32が発光層となる。ここで、反転分布
とは、量子井戸層32において、Γ2準位のキャリア数
よりもΓ3準位のキャリア数が多い状態であって、本実
施形態におけるレーザ発振の必要条件である。
As shown in FIG. 4, by applying a predetermined bias voltage to the device, a quantum well layer 32 is formed.
Γ3 level (third level) is slightly lower than the X level of the barrier layer 31 and substantially resonates with each other, while the X level of the next-stage barrier layer 31 is Slightly lower than Γ2 (second level), and substantially resonate with each other. Here, the electrons injected by the application of the bias voltage and existing in the barrier layer 31 (injection layer) having a larger effective mass of electrons move to the Γ3 level of the quantum well layer 32, and then the Γ2 level. It emits light by transiting to a quantum effect.
Next, it moves to the X level of the next barrier layer 31 at high speed,
A population inversion is formed, and the above process is repeated. Also, light is emitted when electrons transition from the Γ2 level of the quantum well layer 32 to the Γ1 level due to the quantum effect. Note that light emission from the # 2 level to the # 1 level has a lower light emission intensity than light emission from the # 3 level to # 2. Therefore, the quantum well layer 32 becomes a light emitting layer. Here, the population inversion refers to a state where the number of carriers in the Γ3 level is larger than the number of carriers in the Γ2 level in the quantum well layer 32, and is a necessary condition for laser oscillation in the present embodiment.

【0025】すなわち、真性半導体i層15aにバイア
ス電界を印加することで電子が注入され、階段状のサブ
バンドを移動することで発光が得られる。得られた光
は、上下のAl0.5Ga0.5As層がクラッド層14,1
6となり光閉じ込めが起こる。ストリップ形状の電極1
9と電極11との間で、当該素子の垂直方向には、電流
注入による屈折率上昇によって光閉じ込めが起こる。ス
トリップ形状の電極19と平行方向には、上述の1対の
対向する劈開面による劈開ミラーが反射鏡となり、レー
ザ発振による光増幅が起こる。
That is, electrons are injected by applying a bias electric field to the intrinsic semiconductor i-layer 15a, and light emission is obtained by moving through the stepwise sub-band. The obtained light is formed by the upper and lower Al 0.5 Ga 0.5 As layers being clad layers 14 and 1.
It becomes 6 and light confinement occurs. Strip-shaped electrode 1
Light confinement occurs between the electrode 9 and the electrode 11 in the vertical direction of the element due to an increase in the refractive index due to current injection. In the direction parallel to the strip-shaped electrode 19, the cleavage mirror formed by the pair of opposed cleavage planes described above becomes a reflection mirror, and optical amplification by laser oscillation occurs.

【0026】以上説明したように、本実施形態では、真
性半導体i層15a内の各層31及び32の厚さを、複
数の量子井戸層32が互いに対称となるように、所定の
バイアス電圧を印加したときに、障壁層31のX準位が
量子井戸層32のΓ3準位と実質的に共鳴しかつ量子井
戸層32のΓ2準位が次段の障壁層31のX準位と実質
的に共鳴して反転分布を形成するように設定している。
この反転分布により量子井戸層32のΓ3準位からΓ2
準位への遷移により発光動作が生じ、さらに、ストリッ
プ形状の電極19による光閉じ込め効果、及び1対の反
射鏡によりレーザ発振が生じてより大きな発光を得るこ
とができる。以上のように構成された超格子半導体発光
素子を備えた量子カスケード半導体レーザ装置では、従
来例に比較して低価格でかつ簡単な構造を有して、例え
ば3〜4μmの長波長でレーザ発振させることができ
る。
As described above, in the present embodiment, a predetermined bias voltage is applied so that the thickness of each of the layers 31 and 32 in the intrinsic semiconductor i-layer 15a is symmetric with respect to the plurality of quantum well layers 32. Then, the X level of the barrier layer 31 substantially resonates with the Γ3 level of the quantum well layer 32, and the Γ2 level of the quantum well layer 32 substantially matches the X level of the next barrier layer 31. It is set to resonate to form a population inversion.
Due to this population inversion, from the Γ3 level of the quantum well layer 32 to Γ2
A light emission operation is caused by the transition to the level, and further, a light confinement effect by the strip-shaped electrode 19 and laser oscillation are generated by the pair of reflecting mirrors, so that larger light emission can be obtained. The quantum cascade laser device having the superlattice semiconductor light emitting device configured as described above has a low cost and simple structure as compared with the conventional example, and has a laser oscillation at a long wavelength of, for example, 3 to 4 μm. Can be done.

【0027】<第3の実施形態>図5は、本発明に係る
第3の実施形態である量子カスケード半導体レーザ装置
の真性半導体i層15aの厚さ方向の位置に対する準位
エネルギーを示すエネルギーバンド図である。この第3
の実施形態の装置は、図3に示す第2の実施形態の構造
と同様の構造(本実施形態では、図3の構造図を用いて
説明する。)を有するが、第2の実施形態に比較して、
障壁層31と量子井戸層32の各厚さと、印加するバイ
アス電圧を変更することにより、量子井戸層32におい
て反転分布が生じる準位を、Γ4準位(第4の準位)及
びΓ3準位(第3の準位)に変更し、かつΓ3準位より
も低いΓ2準位と次段の障壁層31のX準位とを実質的
に共鳴するように設定したことを特徴としている。すな
わち、量子井戸層32のΓ4準位のキャリア数がΓ3準
位のキャリア数よりも多くなるような反転分布を生じさ
せる。
<Third Embodiment> FIG. 5 is an energy band showing a level energy with respect to a position in a thickness direction of an intrinsic semiconductor i-layer 15a of a quantum cascade semiconductor laser device according to a third embodiment of the present invention. FIG. This third
The device according to the second embodiment has the same structure as that of the second embodiment shown in FIG. 3 (this embodiment will be described with reference to the structural diagram of FIG. 3). Compared to,
By changing the thicknesses of the barrier layer 31 and the quantum well layer 32 and the applied bias voltage, the level at which the population inversion occurs in the quantum well layer 32 is changed to the Γ4 level (the fourth level) and the Γ3 level. (Third level), and the 設定 2 level lower than the Γ3 level and the X level of the barrier layer 31 at the next stage are set to substantially resonate. That is, a population inversion is generated such that the number of carriers in the # 4 level of the quantum well layer 32 is larger than the number of carriers in the # 3 level.

【0028】本実施形態において、真性半導体i層15
aは、AlAsにてなる厚さ152.8Åの障壁層31
と、GaAsにてなる厚さ45.3Åの量子井戸層32
とを1周期として、20周期で繰り返されて積層形成さ
れる。好ましい実施形態においては、当該直流バイアス
電圧を印加したときの真性半導体i層15aにおける電
界強度は、約310kV/cmである。
In this embodiment, the intrinsic semiconductor i-layer 15
a is a barrier layer 31 made of AlAs and having a thickness of 152.8 °.
And a quantum well layer 32 made of GaAs having a thickness of 45.3 °.
Are defined as one cycle, and are repeated in 20 cycles to form a laminate. In a preferred embodiment, the electric field intensity in the intrinsic semiconductor i-layer 15a when the DC bias voltage is applied is about 310 kV / cm.

【0029】図5に示すように、当該素子に対して所定
のバイアス電圧を印加することにより、量子井戸層32
のΓ4準位(第4の準位)は、障壁層31のX準位より
も若干低くなって互いに実質的に共鳴する一方、次段の
障壁層31のX準位は量子井戸層32のΓ2(第2の準
位)よりも若干低くなって互いに実質的に共鳴する。こ
こで、上記バイアス電圧の印加により注入されて、より
大きな電子の有効質量を有する障壁層31(注入層)に
存在する電子は、量子井戸層32のΓ4準位に移動した
後、そのΓ3準位に量子効果により遷移して発光した
後、そのΓ2準位に遷移する。次いで、当該量子井戸層
32のΓ2準位から次段の障壁層31のX準位に高速で
移動して、反転分布が形成され、さらに、上述のプロセ
スが繰り返される。また、電子が量子井戸層32のΓ2
準位から量子効果によりそのΓ1準位に遷移することで
も発光する。従って、量子井戸層32が発光層となる。
ここで、反転分布とは、量子井戸層32において、Γ4
準位のキャリア数よりもΓ3準位のキャリア数が多い状
態であって、本実施形態におけるレーザ発振の必要条件
である。
As shown in FIG. 5, by applying a predetermined bias voltage to the device, a quantum well layer 32 is formed.
Γ4 level (fourth level) is slightly lower than the X level of the barrier layer 31 and substantially resonates with each other, while the X level of the next-stage barrier layer 31 is Slightly lower than Γ2 (second level), and substantially resonate with each other. Here, the electrons injected by the application of the bias voltage and existing in the barrier layer 31 (injection layer) having a larger effective mass of electrons move to the Γ4 level of the quantum well layer 32, and then move to the Γ3 level. After emitting light by transition to the level due to the quantum effect, the state transits to the Γ2 level. Next, the quantum well layer 32 moves at a high speed from the Γ2 level to the X level of the barrier layer 31 at the next stage to form a population inversion, and the above process is repeated. In addition, electrons are generated in the quantum well layer 32 by Γ2
Light is also emitted by transition from the level to the # 1 level due to the quantum effect. Therefore, the quantum well layer 32 becomes a light emitting layer.
Here, the population inversion means that in the quantum well layer 32, Γ4
This is a state where the number of carriers in the Γ3 level is larger than the number of carriers in the level, which is a necessary condition for laser oscillation in the present embodiment.

【0030】すなわち、真性半導体i層15aにバイア
ス電界を印加することで電子が注入され、階段状のサブ
バンドを移動することで発光が得られる。得られた光
は、上下のAl0.5Ga0.5As層がクラッド層14,1
6となり光閉じ込めが起こる。ストリップ形状の電極1
9と電極11との間で、当該素子の垂直方向には、電流
注入による屈折率上昇によって光閉じ込めが起こる。ス
トリップ形状の電極19と平行方向には、上述の1対の
対向する劈開面による劈開ミラーが反射鏡となり、レー
ザ発振による光増幅が起こる。
That is, electrons are injected by applying a bias electric field to the intrinsic semiconductor i-layer 15a, and light emission is obtained by moving through the stepwise sub-band. The obtained light is formed by the upper and lower Al 0.5 Ga 0.5 As layers being clad layers 14 and 1.
It becomes 6 and light confinement occurs. Strip-shaped electrode 1
Light confinement occurs between the electrode 9 and the electrode 11 in the vertical direction of the element due to an increase in the refractive index due to current injection. In the direction parallel to the strip-shaped electrode 19, the cleavage mirror formed by the pair of opposed cleavage planes described above becomes a reflection mirror, and optical amplification by laser oscillation occurs.

【0031】以上説明したように、本実施形態では、真
性半導体i層15a内の各層31及び32の厚さを、複
数の量子井戸層32が互いに対称となるように、所定の
バイアス電圧を印加したときに、障壁層31のX準位が
量子井戸層32のΓ4準位と実質的に共鳴しかつ量子井
戸層32のΓ2準位が次段の障壁層31のX準位と実質
的に共鳴して反転分布を形成するように設定している。
この反転分布により量子井戸層32のΓ4準位からΓ3
準位への遷移により発光動作が生じ、さらに、ストリッ
プ形状の電極19による光閉じ込め効果、及び1対の反
射鏡によりレーザ発振が生じてより大きな発光を得るこ
とができる。以上のように構成された超格子半導体発光
素子を備えた量子カスケード半導体レーザ装置では、従
来例に比較して低価格でかつ簡単な構造を有して、例え
ば3〜4μmの長波長でレーザ発振させることができ
る。
As described above, in the present embodiment, a predetermined bias voltage is applied so that the thickness of each of the layers 31 and 32 in the intrinsic semiconductor i-layer 15a is symmetric with respect to the plurality of quantum well layers 32. Then, the X level of the barrier layer 31 substantially resonates with the Γ4 level of the quantum well layer 32, and the Γ2 level of the quantum well layer 32 substantially matches the X level of the next barrier layer 31. It is set to resonate to form a population inversion.
Due to this population inversion, from the Γ4 level of the quantum well layer 32 to Γ3
A light emission operation is caused by the transition to the level, and further, a light confinement effect by the strip-shaped electrode 19 and laser oscillation are generated by the pair of reflecting mirrors, so that larger light emission can be obtained. The quantum cascade laser device having the superlattice semiconductor light emitting device configured as described above has a low cost and simple structure as compared with the conventional example, and has a laser oscillation at a long wavelength of, for example, 3 to 4 μm. Can be done.

【0032】<第4の実施形態>図6は、本発明に係る
第4の実施形態である量子カスケード半導体レーザ装置
の真性半導体i層15aの厚さ方向の位置に対する準位
エネルギーを示すエネルギーバンド図である。この第4
の実施形態の装置は、図3に示す第2の実施形態の構造
と同様の構造(本実施形態では、図3の構造図を用いて
説明する。)を有するが、第2の実施形態に比較して、
障壁層31と量子井戸層32の各厚さと、印加するバイ
アス電圧を変更することにより、量子井戸層32におい
て反転分布が生じる準位を、Γ5準位(第5の準位)及
びΓ4準位(第4の準位)に変更し、かつΓ4準位より
も低いΓ3準位と次段の障壁層31のX準位とを実質的
に共鳴するように設定したことを特徴としている。すな
わち、量子井戸層32のΓ5準位のキャリア数がΓ4準
位のキャリア数よりも多くなるような反転分布を生じさ
せる。
<Fourth Embodiment> FIG. 6 is an energy band showing a level energy with respect to a position in a thickness direction of an intrinsic semiconductor i-layer 15a of a quantum cascade semiconductor laser device according to a fourth embodiment of the present invention. FIG. This fourth
The device according to the second embodiment has the same structure as that of the second embodiment shown in FIG. 3 (this embodiment will be described with reference to the structural diagram of FIG. 3). Compared to,
By changing the thicknesses of the barrier layer 31 and the quantum well layer 32 and the applied bias voltage, the level at which the population inversion occurs in the quantum well layer 32 is changed to the Γ5 level (the fifth level) and the Γ4 level. (Fourth level), and the Γ3 level lower than the Γ4 level and the X level of the barrier layer 31 at the next stage are set so as to substantially resonate. That is, a population inversion is generated such that the number of carriers in the # 5 level of the quantum well layer 32 is larger than the number of carriers in the # 4 level.

【0033】本実施形態において、真性半導体i層15
aは、AlAsにてなる厚さ169.8Åの障壁層31
と、GaAsにてなる厚さ56.6Åの量子井戸層32
とを1周期として、20周期で繰り返されて積層形成さ
れる。好ましい実施形態においては、当該直流バイアス
電圧を印加したときの真性半導体i層15aにおける電
界強度は、約290kV/cmである。以上のように構
成された量子カスケード半導体レーザ装置においては、
図6に示すように、第3の実施形態と同様に動作して、
発光し所定の長波長でレーザ発振する。
In this embodiment, the intrinsic semiconductor i-layer 15
a is a barrier layer 31 made of AlAs and having a thickness of 169.8 °.
And a quantum well layer 32 of GaAs having a thickness of 56.6 °
Are defined as one cycle, and are repeated in 20 cycles to form a laminate. In a preferred embodiment, the electric field intensity in the intrinsic semiconductor i-layer 15a when the DC bias voltage is applied is about 290 kV / cm. In the quantum cascade semiconductor laser device configured as described above,
As shown in FIG. 6, it operates in the same manner as the third embodiment,
It emits light and oscillates at a predetermined long wavelength.

【0034】<第5の実施形態>図7は、本発明に係る
第5の実施形態である量子カスケード半導体レーザ装置
の真性半導体i層15aの厚さ方向の位置に対する準位
エネルギーを示すエネルギーバンド図である。この第5
の実施形態の装置は、図3に示す第2の実施形態の構造
と同様の構造(本実施形態では、図3の構造図を用いて
説明する。)を有するが、第2の実施形態に比較して、
障壁層31と量子井戸層32の各厚さと、印加するバイ
アス電圧を変更することにより、量子井戸層32におい
て反転分布が生じる準位を、Γ6準位(第6の準位)及
びΓ5準位(第5の準位)に変更し、かつΓ5準位より
も低いΓ4準位と次段の障壁層31のX準位とを実質的
に共鳴するように設定したことを特徴としている。すな
わち、量子井戸層32のΓ6準位のキャリア数がΓ5準
位のキャリア数よりも多くなるような反転分布を生じさ
せる。
<Fifth Embodiment> FIG. 7 is an energy band showing a level energy with respect to a position in a thickness direction of an intrinsic semiconductor i-layer 15a of a quantum cascade semiconductor laser device according to a fifth embodiment of the present invention. FIG. This fifth
The device according to the second embodiment has the same structure as that of the second embodiment shown in FIG. 3 (this embodiment will be described with reference to the structural diagram of FIG. 3). Compared to,
By changing the thicknesses of the barrier layer 31 and the quantum well layer 32 and the applied bias voltage, the level at which the population inversion occurs in the quantum well layer 32 is changed to the # 6 level (sixth level) and the # 5 level. (Fifth level), and a setting is made such that the Γ4 level lower than the Γ5 level and the X level of the barrier layer 31 at the next stage substantially resonate. That is, a population inversion is generated such that the number of carriers in the # 6 level of the quantum well layer 32 is larger than the number of carriers in the # 5 level.

【0035】本実施形態において、真性半導体i層15
aは、AlAsにてなる厚さ184.0Åの障壁層31
と、GaAsにてなる厚さ56.6Åの量子井戸層32
とを1周期として、20周期で繰り返されて積層形成さ
れる。好ましい実施形態においては、当該直流バイアス
電圧を印加したときの真性半導体i層15aにおける電
界強度は、約280kV/cmである。以上のように構
成された量子カスケード半導体レーザ装置においては、
図7に示すように、第3の実施形態と同様に動作して、
発光し所定の長波長でレーザ発振する。
In this embodiment, the intrinsic semiconductor i-layer 15
a is a barrier layer 31 made of AlAs and having a thickness of 184.0 °.
And a quantum well layer 32 of GaAs having a thickness of 56.6 °
Are defined as one cycle, and are repeated in 20 cycles to form a laminate. In a preferred embodiment, the electric field strength in the intrinsic semiconductor i-layer 15a when the DC bias voltage is applied is about 280 kV / cm. In the quantum cascade semiconductor laser device configured as described above,
As shown in FIG. 7, it operates in the same manner as the third embodiment,
It emits light and oscillates at a predetermined long wavelength.

【0036】<変形例>以上の第2乃至第5の実施形態
において、量子井戸層32において発光した後に電子が
位置する準位は、少なくとも次段の障壁層31のX準位
よりも高い準位であればよい。すなわち、第3乃至第5
の実施形態においては、発光した後に電子が位置する準
位から1段だけ低い準位に遷移して次段の障壁層31の
X準位に遷移しているが、本発明はこれに限らず、発光
した後に電子が位置する準位から複数段だけ低い準位
(遷移元)に遷移して次段の障壁層31のX準位に遷移
させるようにしてもよい。この場合、量子井戸層32の
当該遷移元の低い準位は、遷移先の障壁層31のX準位
よりも若干高い準位であって実質的に互いに共鳴するこ
とが好ましい。さらに、前段の障壁層31のX準位と実
質的に共鳴する量子井戸層32における発光前のΓ準位
は、ΓNでNが3以上の自然数であるΓ準位であっても
よい。
<Modification> In the second to fifth embodiments described above, the level at which electrons are located after light emission in the quantum well layer 32 is at least higher than the X level of the barrier layer 31 in the next stage. It only has to be a place. That is, third to fifth
In the embodiment of the present invention, after the light emission, the electron transitions from the level at which the electron is located to the level lower by one stage and transits to the X level of the barrier layer 31 at the next stage, but the present invention is not limited to this. Alternatively, after the light emission, a transition may be made to the level (transition source) lower by a plurality of stages from the level at which the electron is located, and then to the X level of the barrier layer 31 at the next stage. In this case, it is preferable that the lower level of the transition source in the quantum well layer 32 is a level slightly higher than the X level of the barrier layer 31 of the transition destination and substantially resonates with each other. Furthermore, the Γ level before light emission in the quantum well layer 32 that substantially resonates with the X level of the barrier layer 31 at the preceding stage may be a Γ level where ΓN is a natural number of 3 or more.

【0037】以上の実施形態においては、n−i−n型
ダイオード半導体素子である超格子半導体発光素子につ
いて説明しているが、本発明はこれに限らず、n+−i
−n+型ダイオード半導体素子であってもよいし、n+
i−p+型ダイオード半導体素子であってもよい。前者
の場合は、バッファ層12,13,18及びキャップ層
17に対してSiを例えば1018/cm3のドープ量で
注入することにより形成することができ、後者の場合
は、キャップ層17及びバッファ層18に対してBeを
例えば1018/cm3のドープ量で注入することにより
形成することができる。さらに、n−n−n型ダイオー
ド半導体素子、n−n−p型ダイオード半導体素子、n
−p−p型ダイオード半導体素子であってもよい。
[0037] In the above embodiment has been described superlattice semiconductor light emitting element which is a n-i-n diode semiconductor device, the present invention is not limited to this, n + -i
−n + type diode semiconductor element or n +
It may be an ip + type diode semiconductor element. In the former case, the buffer layer 12, 13, 18 and the cap layer 17 can be formed by injecting Si at a doping amount of, for example, 10 18 / cm 3. In the latter case, the cap layer 17 and the cap layer 17 can be formed. The buffer layer 18 can be formed by injecting Be at a doping amount of, for example, 10 18 / cm 3 . Further, an n-n-n type diode semiconductor element, an n-n-p type diode semiconductor element, n
-It may be a pp type diode semiconductor element.

【0038】[0038]

【発明の効果】以上詳述したように本発明の第1の態様
に係る量子カスケード半導体レーザ装置によれば、2つ
の電極間に、超格子構造層を有する超格子半導体素子を
備えた量子カスケード半導体レーザ装置において、上記
超格子構造層は、第1の障壁層と第1の量子井戸層と第
2の障壁層と第2の量子井戸層とを1周期として複数周
期繰り返して積層形成してなり、上記第1の障壁層と第
1の量子井戸層と第2の障壁層と第2の量子井戸層の各
厚さを、上記超格子半導体素子に所定のバイアス電圧を
印加したときに、上記第1の障壁層のX準位が上記第1
の量子井戸層の第2の準位と実質的に共鳴しかつ上記第
1の量子井戸層の第1の準位が上記第2の量子井戸層の
第1の準位と実質的に共鳴して、上記第1の量子井戸層
の第2の準位のキャリア数が上記第1の量子井戸層の第
1の準位のキャリア数よりも多くなるような反転分布を
形成するように設定され、上記超格子半導体素子に上記
バイアス電圧を印加することにより注入した電子を上記
第1の障壁層のX準位から上記第1の量子井戸層の第2
の準位に移動させた後、上記第1の量子井戸層の第1の
準位に遷移させることにより発光させ、次いで、上記第
1の量子井戸層の第1の準位から上記第2の量子井戸層
の第1の準位を介して次段の上記第1の障壁層のX準位
に遷移させることにより、レーザ発振させる。従って、
本発明によれば、従来例に比較して低価格でかつ簡単な
構造を有して、長波長でレーザ発振させることができ
る。
As described above in detail, according to the quantum cascade laser device according to the first aspect of the present invention, a quantum cascade including a superlattice semiconductor element having a superlattice structure layer between two electrodes is provided. In the semiconductor laser device, the superlattice structure layer is formed by repeatedly laminating a first barrier layer, a first quantum well layer, a second barrier layer, and a second quantum well layer in a plurality of cycles as one cycle. The thickness of the first barrier layer, the first quantum well layer, the second barrier layer, and the thickness of the second quantum well layer, when a predetermined bias voltage is applied to the superlattice semiconductor element, The X level of the first barrier layer is equal to the first level of the first barrier layer.
Substantially resonates with the second level of the quantum well layer, and the first level of the first quantum well layer substantially resonates with the first level of the second quantum well layer. The population is set so as to form a population inversion in which the number of carriers at the second level of the first quantum well layer is larger than the number of carriers at the first level of the first quantum well layer. The electrons injected by applying the bias voltage to the superlattice semiconductor element are moved from the X level of the first barrier layer to the second level of the first quantum well layer.
, The light is emitted by making a transition to the first level of the first quantum well layer, and then the second level from the first level of the first quantum well layer. The laser is oscillated by transitioning to the X level of the first barrier layer in the next stage through the first level of the quantum well layer. Therefore,
According to the present invention, a laser can be oscillated at a long wavelength with a simpler structure at a lower cost than the conventional example.

【0039】また、本発明の第2の態様に係る量子カス
ケード半導体レーザ装置によれば、2つの電極間に、超
格子構造層を有する超格子半導体素子を備えた量子カス
ケード半導体レーザ装置において、上記超格子構造層
は、障壁層と量子井戸層とを繰り返して積層形成してな
り、上記障壁層と上記量子井戸層の各厚さを、上記超格
子半導体素子に所定のバイアス電圧を印加したときに、
上記障壁層のX準位が上記量子井戸層の第Nの準位と実
質的に共鳴し、上記量子井戸層の第(N−1)の準位が
次段の障壁層のX準位以上に位置し、かつ次段の障壁層
のX準位が次段の量子井戸層の第Nの準位と実質的に共
鳴して、上記量子井戸層の第Nの準位のキャリア数が上
記量子井戸層の第(N−1)の準位のキャリア数よりも
多くなるような反転分布を形成するように設定され、こ
こで、Nは3以上の自然数であり、上記超格子半導体素
子に上記バイアス電圧を印加することにより注入した電
子を上記障壁層のX準位から上記量子井戸層の第Nの準
位に移動させた後、上記量子井戸層の第(N−1)の準
位に遷移させることにより発光させ、次いで、上記量子
井戸層の第(N−1)の準位から次段の障壁層のX準位
を介して次段の量子井戸層の第Nの準位に遷移させるこ
とにより、レーザ発振させる。従って、本発明によれ
ば、従来例に比較して低価格でかつ簡単な構造を有し
て、長波長でレーザ発振させることができる。
Further, according to the quantum cascade laser device according to the second aspect of the present invention, in the quantum cascade laser device provided with a superlattice semiconductor element having a superlattice structure layer between two electrodes, The superlattice structure layer is formed by repeatedly stacking a barrier layer and a quantum well layer, and the thickness of each of the barrier layer and the quantum well layer is determined by applying a predetermined bias voltage to the superlattice semiconductor element. To
The X level of the barrier layer substantially resonates with the Nth level of the quantum well layer, and the (N-1) th level of the quantum well layer is equal to or higher than the X level of the next barrier layer. , And the X level of the next-stage barrier layer substantially resonates with the N-th level of the next-stage quantum well layer, and the number of carriers at the N-th level of the quantum well layer becomes The population is set so as to form a population inversion that is larger than the number of carriers of the (N-1) -th level in the quantum well layer, where N is a natural number of 3 or more. After the electrons injected by applying the bias voltage are moved from the X level of the barrier layer to the Nth level of the quantum well layer, the (N-1) th level of the quantum well layer is moved. To the next level, and then the amount of the next stage from the (N-1) level of the quantum well layer via the X level of the next barrier layer. By transition to level of the first N well layer to laser oscillation. Therefore, according to the present invention, a laser can be oscillated at a long wavelength with a low cost and a simple structure as compared with the conventional example.

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

【図1】 本発明に係る第1の実施形態である量子カス
ケード半導体レーザ装置の構造を示す斜視図及び一部断
面図である。
FIG. 1 is a perspective view and a partial cross-sectional view illustrating a structure of a quantum cascade laser device according to a first embodiment of the present invention.

【図2】 図1の量子カスケード半導体レーザ装置の真
性半導体i層15の厚さ方向の位置に対する準位エネル
ギーを示すエネルギーバンド図である。
FIG. 2 is an energy band diagram showing a level energy with respect to a position in a thickness direction of an intrinsic semiconductor i-layer 15 in the quantum cascade laser device of FIG.

【図3】 本発明に係る第2の実施形態である量子カス
ケード半導体レーザ装置の構造を示す斜視図及び一部断
面図である。
FIG. 3 is a perspective view and a partial cross-sectional view illustrating a structure of a quantum cascade laser device according to a second embodiment of the present invention.

【図4】 図3の量子カスケード半導体レーザ装置の真
性半導体i層15aの厚さ方向の位置に対する準位エネ
ルギーを示すエネルギーバンド図である。
4 is an energy band diagram showing a level energy with respect to a position in a thickness direction of an intrinsic semiconductor i-layer 15a of the quantum cascade laser device of FIG.

【図5】 本発明に係る第3の実施形態である量子カス
ケード半導体レーザ装置の真性半導体i層15aの厚さ
方向の位置に対する準位エネルギーを示すエネルギーバ
ンド図である。
FIG. 5 is an energy band diagram showing a level energy with respect to a position in a thickness direction of an intrinsic semiconductor i-layer 15a of a quantum cascade laser device according to a third embodiment of the present invention.

【図6】 本発明に係る第4の実施形態である量子カス
ケード半導体レーザ装置の真性半導体i層15aの厚さ
方向の位置に対する準位エネルギーを示すエネルギーバ
ンド図である。
FIG. 6 is an energy band diagram showing a level energy with respect to a position in a thickness direction of an intrinsic semiconductor i-layer 15a of a quantum cascade laser device according to a fourth embodiment of the present invention.

【図7】 本発明に係る第5の実施形態である量子カス
ケード半導体レーザ装置の真性半導体i層15aの厚さ
方向の位置に対する準位エネルギーを示すエネルギーバ
ンド図である。
FIG. 7 is an energy band diagram showing a level energy with respect to a position in a thickness direction of an intrinsic semiconductor i-layer 15a of a quantum cascade laser device according to a fifth embodiment of the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

10…半導体基板、 11,19…電極、 12,13…バッファ層、 14…クラッド層、 15,15a…真性半導体i層、 16…クラッド層、 17…キャップ層、 18…バッファ層、 21…第1の障壁層、 22…第1の量子井戸層、 23…第2の障壁層、 24…第2の量子井戸層、 30…直流電源、 31…障壁層、 32…量子井戸層。 Reference Signs List 10: semiconductor substrate, 11, 19: electrode, 12, 13, buffer layer, 14: clad layer, 15, 15a: intrinsic semiconductor i layer, 16: clad layer, 17: cap layer, 18: buffer layer, 21: first layer 1 barrier layer, 22 first quantum well layer, 23 second barrier layer, 24 second quantum well layer, 30 DC power supply, 31 barrier layer, 32 quantum well layer.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 大谷 直毅 京都府相楽郡精華町大字乾谷小字三平谷5 番地 株式会社エイ・ティ・アール環境適 応通信研究所内 (72)発明者 パブロ・バッカロ 京都府相楽郡精華町大字乾谷小字三平谷5 番地 株式会社エイ・ティ・アール環境適 応通信研究所内 ────────────────────────────────────────────────── ─── Continuing on the front page (72) Inventor Naoki Otani 5 Sanraya, Saniya-cho, Seika-cho, Soraku-gun, Kyoto, Japan AT-R Environmentally-friendly Communication Laboratory (72) Inventor Pablo Baccaro Kyoto 5 Shiragaya, Seiyacho, Seika-cho, Soraku-gun

Claims (8)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 2つの電極間に、超格子構造層を有する
超格子半導体素子を備えた量子カスケード半導体レーザ
装置において、 上記超格子構造層は、第1の障壁層と第1の量子井戸層
と第2の障壁層と第2の量子井戸層とを1周期として複
数周期繰り返して積層形成してなり、 上記第1の障壁層と第1の量子井戸層と第2の障壁層と
第2の量子井戸層の各厚さを、上記超格子半導体素子に
所定のバイアス電圧を印加したときに、上記第1の障壁
層のX準位が上記第1の量子井戸層の第2の準位と実質
的に共鳴しかつ上記第1の量子井戸層の第1の準位が上
記第2の量子井戸層の第1の準位と実質的に共鳴して、
上記第1の量子井戸層の第2の準位のキャリア数が上記
第1の量子井戸層の第1の準位のキャリア数よりも多く
なるような反転分布を形成するように設定され、 上記超格子半導体素子に上記バイアス電圧を印加するこ
とにより注入した電子を上記第1の障壁層のX準位から
上記第1の量子井戸層の第2の準位に移動させた後、上
記第1の量子井戸層の第1の準位に遷移させることによ
り発光させ、次いで、上記第1の量子井戸層の第1の準
位から上記第2の量子井戸層の第1の準位を介して次段
の上記第1の障壁層のX準位に遷移させることにより、
レーザ発振させることを特徴とする量子カスケード半導
体レーザ装置。
1. A quantum cascade laser device comprising a superlattice semiconductor element having a superlattice structure layer between two electrodes, wherein the superlattice structure layer comprises a first barrier layer and a first quantum well layer. , A second barrier layer, and a second quantum well layer are repeatedly formed in a plurality of cycles with one cycle being formed, and the first barrier layer, the first quantum well layer, the second barrier layer, and the second barrier layer are formed. When a predetermined bias voltage is applied to the superlattice semiconductor element, the X level of the first barrier layer is changed to the second level of the first quantum well layer. And the first level of the first quantum well layer substantially resonates with the first level of the second quantum well layer;
The first quantum well layer is set so as to form a population inversion such that the number of carriers at the second level in the first quantum well layer is larger than the number of carriers at the first level in the first quantum well layer; After the electrons injected by applying the bias voltage to the superlattice semiconductor element are moved from the X level of the first barrier layer to the second level of the first quantum well layer, the first Is emitted by making a transition to the first level of the quantum well layer, and then from the first level of the first quantum well layer via the first level of the second quantum well layer. By making a transition to the X level of the first barrier layer in the next stage,
A quantum cascade semiconductor laser device characterized by performing laser oscillation.
【請求項2】 2つの電極間に、超格子構造層を有する
超格子半導体素子を備えた量子カスケード半導体レーザ
装置において、 上記超格子構造層は、障壁層と量子井戸層とを繰り返し
て積層形成してなり、 上記障壁層と上記量子井戸層の各厚さを、上記超格子半
導体素子に所定のバイアス電圧を印加したときに、上記
障壁層のX準位が上記量子井戸層の第Nの準位と実質的
に共鳴し、上記量子井戸層の第(N−1)の準位が次段
の障壁層のX準位以上に位置し、かつ次段の障壁層のX
準位が次段の量子井戸層の第Nの準位と実質的に共鳴し
て、上記量子井戸層の第Nの準位のキャリア数が上記量
子井戸層の第(N−1)の準位のキャリア数よりも多く
なるような反転分布を形成するように設定され、ここ
で、Nは3以上の自然数であり、 上記超格子半導体素子に上記バイアス電圧を印加するこ
とにより注入した電子を上記障壁層のX準位から上記量
子井戸層の第Nの準位に移動させた後、上記量子井戸層
の第(N−1)の準位に遷移させることにより発光さ
せ、次いで、上記量子井戸層の第(N−1)の準位から
次段の障壁層のX準位を介して次段の量子井戸層の第N
の準位に遷移させることにより、レーザ発振させること
を特徴とする量子カスケード半導体レーザ装置。
2. A quantum cascade laser device comprising a superlattice semiconductor element having a superlattice structure layer between two electrodes, wherein the superlattice structure layer is formed by repeatedly stacking a barrier layer and a quantum well layer. When a predetermined bias voltage is applied to the superlattice semiconductor device, the X level of the barrier layer is set to the Nth of the quantum well layer. Substantially resonates with the level, the (N-1) th level of the quantum well layer is located at or above the X level of the next barrier layer, and the X level of the next barrier layer is
The level substantially resonates with the Nth level of the next quantum well layer, and the number of carriers of the Nth level of the quantum well layer is the (N-1) th level of the quantum well layer. Is set so as to form a population inversion that is larger than the number of carriers of the order, where N is a natural number of 3 or more, and the electrons injected by applying the bias voltage to the superlattice semiconductor element are After moving from the X level of the barrier layer to the N-th level of the quantum well layer, the light is emitted by transitioning to the (N-1) -th level of the quantum well layer. From the (N-1) th level of the well layer to the Nth level of the next quantum well layer via the X level of the next barrier layer
Characterized in that a laser oscillates by making a transition to a level of.
【請求項3】 請求項2記載の量子カスケード半導体レ
ーザ装置において、上記障壁層と上記量子井戸層の各厚
さを、上記超格子半導体素子に所定のバイアス電圧を印
加したときに、上記量子井戸層の第(N−1)の準位が
次段の障壁層のX準位と実質的に共鳴するように設定さ
れ、 上記発光後の電子を上記量子井戸層の第(N−1)の準
位から次段の障壁層のX準位を介して次段の量子井戸層
の第Nの準位に遷移させることにより、レーザ発振させ
ることを特徴とする量子カスケード半導体レーザ装置。
3. The quantum cascade laser device according to claim 2, wherein the thickness of the barrier layer and the thickness of the quantum well layer are adjusted by applying a predetermined bias voltage to the superlattice semiconductor element. The (N-1) -th level of the layer is set so as to substantially resonate with the X-level of the next barrier layer, and the emitted electrons are transferred to the (N-1) -th level of the quantum well layer. A quantum cascade laser device wherein a laser oscillates by making a transition from a level to the Nth level of the next quantum well layer via the X level of the next barrier layer.
【請求項4】 請求項2記載の量子カスケード半導体レ
ーザ装置において、上記障壁層と上記量子井戸層の各厚
さを、上記超格子半導体素子に所定のバイアス電圧を印
加したときに、上記量子井戸層の第(N−1)の準位よ
りも低い準位が次段の障壁層のX準位と実質的に共鳴す
るように設定され、 上記発光後の電子を上記量子井戸層の第(N−1)の準
位から上記量子井戸層の第(N−1)の準位よりも低い
準位及び次段の障壁層のX準位を介して次段の量子井戸
層の第Nの準位に遷移させることにより、レーザ発振さ
せることを特徴とする量子カスケード半導体レーザ装
置。
4. The quantum cascade laser device according to claim 2, wherein the thickness of the barrier layer and the thickness of the quantum well layer are adjusted by applying a predetermined bias voltage to the superlattice semiconductor element. The level lower than the (N-1) level of the layer is set so as to substantially resonate with the X level of the next-stage barrier layer. The Nth level of the next quantum well layer from the (N-1) level through the level lower than the (N-1) th level of the quantum well layer and the X level of the next barrier layer. A quantum cascade semiconductor laser device wherein a laser is oscillated by transition to a level.
【請求項5】 上記Nは3であることを特徴とする請求
項2乃至4のうちの1つに記載の量子カスケード半導体
レーザ装置。
5. The quantum cascade laser device according to claim 2, wherein said N is three.
【請求項6】 上記Nは4であることを特徴とする請求
項2乃至4のうちの1つに記載の量子カスケード半導体
レーザ装置。
6. The quantum cascade laser device according to claim 2, wherein N is 4.
【請求項7】 上記Nは5であることを特徴とする請求
項2乃至4のうちの1つに記載の量子カスケード半導体
レーザ装置。
7. The quantum cascade laser device according to claim 2, wherein said N is 5.
【請求項8】 上記Nは6であることを特徴とする請求
項2乃至4のうちの1つに記載の量子カスケード半導体
レーザ装置。
8. The quantum cascade laser device according to claim 2, wherein said N is 6.
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2008010733A (en) * 2006-06-30 2008-01-17 National Institute Of Information & Communication Technology Quantum cascade laser
WO2011126799A2 (en) * 2010-04-05 2011-10-13 President And Fellows Of Harvard College Quantum cascade laser soure with ultrabroadband spectral coverage
JP2014507232A (en) * 2011-02-24 2014-03-27 ジーディーエム エス.ピー.エー. Machines for manufacturing absorbent hygiene products such as baby diapers or adult incontinence pads, sanitary napkins

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