JPH11340575A - Superlattice semiconductor light-emitting device - Google Patents

Superlattice semiconductor light-emitting device

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JPH11340575A
JPH11340575A JP14703998A JP14703998A JPH11340575A JP H11340575 A JPH11340575 A JP H11340575A JP 14703998 A JP14703998 A JP 14703998A JP 14703998 A JP14703998 A JP 14703998A JP H11340575 A JPH11340575 A JP H11340575A
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superlattice
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light emitting
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千秋 堂本
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直毅 大谷
Norifumi Egami
典文 江上
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ATR KANKYO TEKIO TSUSHIN KENKY
ATR KANKYO TEKIO TSUSHIN KENKYUSHO KK
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a low cost superlattice semiconductor light-emitting device, capable of being simply manufactured and stably and continuously operating at room temperature. SOLUTION: This device is a heterojunction pin type diode semiconductor device, having an intrinsic semiconductor i-layer 15 with a superlattice structure. The intrinsic semiconductor i-layer 15 is formed by laminating a plurality of cyclic layers formed by a barrier layer 21, a quantum well layer 22, the barrier layer 21, and an activated layer 23 in this order. Each thickness of the quantum well layer 22 and the activated layer 23 is set to that a quantization level Γ1 of the quantum well lyaer 22 is made practically equal to a quantization level L1 and Γ1 of the activated layer 23 adjacent to the quantum well layer 22. Light is emitted after the electrons existing in the quantization level Γ1 of the quantum well layer 22 is made to underge transition to a quantization level L1 and Γ1 of the activated layer 23 adjacent to the quantum well layer 22, and a quantization level Γ2 of the activated layer 23 to its quantization level Γ1.

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、超格子構造を有す
る超格子半導体発光素子に関する。
[0001] The present invention relates to a superlattice semiconductor light emitting device having a superlattice structure.

【0002】[0002]

【従来の技術】近年、光通信・計測用の光源及び光集積
回路等に用いることのできる発光素子の検討が活発に行
われている。最近では、例えば、従来技術文献「納富ほ
か、“量子井戸層サブバンド間遷移レーザー”,応用物
理,第64巻,第7号,pp.674−677,199
5年」において解説されているように、現在広く用いら
れている半導体レーザーとは異なる構造を有する半導体
レーザーが提案されている。上記従来技術文献で示され
た半導体レーザーは、量子カスケードレーザーと呼ば
れ、超格子半導体の量子井戸のサブバンド間遷移を用い
てレーザー発振を実現している。
2. Description of the Related Art In recent years, light-emitting elements that can be used in light sources for optical communication and measurement, optical integrated circuits, and the like have been actively studied. Recently, for example, in the prior art document "Notomi et al.," Quantum well layer intersubband transition laser ", Applied Physics, Vol. 64, No. 7, pp. 672-677, 199.
As described in "5 Years", a semiconductor laser having a structure different from a semiconductor laser widely used at present is proposed. The semiconductor laser disclosed in the above-mentioned prior art document is called a quantum cascade laser, and realizes laser oscillation using transition between subbands of a quantum well of a superlattice semiconductor.

【0003】このような超格子構造を有する超格子半導
体の量子井戸層において、第2の量子化準位(第2の準
位Γ2点)の電子を第1の量子化準位(第1の準位Γ1
点)に緩和させて発光させるためには、第2の量子化準
位の電子の数を第1の量子化準位の電子の数より多くす
る、いわゆる反転分布を実現することが必要である。こ
の従来例の量子カスケードレーザーでは、量子井戸層の
第2の量子化準位の電子を、当該量子井戸層とは異なる
空間的に離れた量子井戸層の第1の量子化準位に遷移さ
せるように、超格子の周期が一定でない特殊な構造にし
て、反転分布を実現し、量子井戸層の第2の量子化準位
の電子を、当該量子井戸層とは異なる空間的に離れた量
子井戸層の第1の量子化準位に遷移させて発光させてい
る。
In a quantum well layer of a superlattice semiconductor having such a superlattice structure, electrons of a second quantization level (second levelΓ2 points) are converted to a first quantization level (first level). Level Γ1
In order to emit light by relaxing to (point), it is necessary to realize a so-called population inversion in which the number of electrons at the second quantization level is larger than the number of electrons at the first quantization level. . In this conventional quantum cascade laser, electrons at the second quantization level of the quantum well layer are transited to the first quantization level of a quantum well layer spatially separated from the quantum well layer. As described above, by using a special structure in which the period of the superlattice is not constant, the population inversion is realized, and the electrons at the second quantization level of the quantum well layer are separated from the quantum well layer spatially separated from the quantum well layer. Light is emitted by transitioning to the first quantization level of the well layer.

【0004】[0004]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記し
た従来例のサブバンド間遷移を用いた量子カスケードレ
ーザーでは、有効なサブバンド間の反転分布を得るため
に、超格子の周期が一定でない特殊な周期構造の超格子
を作製する必要があり、素子の設計及び成長が難しく、
高価格になるという問題点があった。また、量子井戸層
の第2量子化準位の電子を、当該量子井戸層とは異なる
空間的に離れた量子井戸層の第1量子化準位に遷移させ
て発光させているので、第2量子化準位と第1量子化準
位間の遷移確率が低くなり、発光効率が低いという問題
点があった。また発光に寄与しない電子は素子の温度を
上昇させるため、素子を破壊することがあり信頼性が悪
いという問題点があった。
However, in the above-described quantum cascade laser using the intersubband transition of the conventional example, in order to obtain an effective population inversion between subbands, a special superlattice period is not constant. It is necessary to produce a superlattice with a periodic structure, and it is difficult to design and grow the device.
There was a problem that the price became high. Further, since electrons of the second quantization level of the quantum well layer are shifted to the first quantization level of the quantum well layer which is spatially separated from the quantum well layer and emit light, the second quantum level is emitted. There has been a problem that the transition probability between the quantization level and the first quantization level is low, and the luminous efficiency is low. In addition, since electrons that do not contribute to light emission raise the temperature of the device, there is a problem that the device may be destroyed and reliability is poor.

【0005】本発明の目的は上記の問題点を解決し、従
来例に比較して簡単でかつ低価格に製造することがで
き、しかも室温で安定に連続動作することができる超格
子半導体発光素子を提供することにある。
SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to solve the above-mentioned problems, to produce a superlattice semiconductor light emitting device which can be manufactured more easily and at a lower cost than conventional examples, and which can operate stably and continuously at room temperature. Is to provide.

【0006】[0006]

【課題を解決するための手段】本発明に係る請求項1記
載の超格子半導体発光素子は、2つの電極間に、超格子
構造を有する真性半導体層を備え、逆バイアス電圧が印
加されてなる超格子半導体素子において、上記真性半導
体層は、第1の障壁層と量子井戸層と第2の障壁層と活
性層とを順に形成してなる1周期分の層を複数周期積層
することにより形成されてなり、上記量子井戸層の量子
化準位Γ1と、それに隣接する上記活性層の量子化準位
L1及びΓ1とが実質的に同一のエネルギーレベルとな
るように、上記量子井戸層及び上記活性層の各厚さ又は
各組成比が設定され、上記量子井戸層の量子化準位Γ1
に存在する電子を、それに隣接する上記活性層の量子化
準位L1及びΓ1に遷移させた後、当該活性層の量子化
準位Γ2からその量子化準位Γ1に遷移させることによ
り発光を得ることを特徴とする。
According to a first aspect of the present invention, there is provided a superlattice semiconductor light emitting device comprising an intrinsic semiconductor layer having a superlattice structure between two electrodes, to which a reverse bias voltage is applied. In the superlattice semiconductor element, the intrinsic semiconductor layer is formed by laminating a plurality of layers for one cycle in which a first barrier layer, a quantum well layer, a second barrier layer, and an active layer are sequentially formed. And the quantum well layer and the quantum well layer so that the quantization level Γ1 of the quantum well layer and the quantization levels L1 and Γ1 of the active layer adjacent thereto have substantially the same energy level. Each thickness or each composition ratio of the active layer is set, and the quantization level Γ1 of the quantum well layer is set.
Is changed to the quantization level L1 and Γ1 of the active layer adjacent thereto, and then the luminescence is obtained by making a transition from the quantization level Γ2 of the active layer to the quantization level Γ1. It is characterized by the following.

【0007】また、請求項2記載の超格子半導体発光素
子は、請求項1記載の超格子半導体発光素子において、
上記真性半導体層は、真性半導体i層であり、上記超格
子半導体発光素子は、上記2つの電極の間に、上記真性
半導体i層を挟設するp型半導体層とn型半導体層をさ
らに備え、上記超格子半導体発光素子はpin型ダイオ
ード素子であることを特徴とする。
A superlattice semiconductor light emitting device according to a second aspect is the superlattice semiconductor light emitting device according to the first aspect.
The intrinsic semiconductor layer is an intrinsic semiconductor i layer, and the superlattice semiconductor light emitting device further includes a p-type semiconductor layer and an n-type semiconductor layer sandwiching the intrinsic semiconductor i layer between the two electrodes. The superlattice semiconductor light emitting device is a pin diode device.

【0008】さらに、請求項3記載の超格子半導体発光
素子は、請求項1記載の超格子半導体発光素子におい
て、上記真性半導体層は、真性半導体i層であり、上記
超格子半導体発光素子は、上記2つの電極の間に、上記
真性半導体i層を挟設する第1のn型半導体層と第2の
n型半導体層をさらに備え、上記超格子半導体発光素子
はnin型半導体素子であることを特徴とする。
Further, the superlattice semiconductor light emitting device according to claim 3 is the superlattice semiconductor light emitting device according to claim 1, wherein the intrinsic semiconductor layer is an intrinsic semiconductor i layer, and the superlattice semiconductor light emitting device is A first n-type semiconductor layer and a second n-type semiconductor layer sandwiching the intrinsic semiconductor i-layer between the two electrodes; and the superlattice semiconductor light-emitting element is a nin-type semiconductor element. It is characterized by.

【0009】またさらに、請求項4記載の超格子半導体
発光素子は、請求項1乃至3の対の1つに記載の超格子
半導体発光素子において、上記量子井戸層に所定の不純
物を1×1016乃至1×1018/cm3だけドープして
n型半導体層にすることを特徴とする。
According to a fourth aspect of the present invention, there is provided a superlattice semiconductor light emitting device according to any one of the first to third aspects, wherein a predetermined impurity is added to the quantum well layer by 1 × 10 4. The n-type semiconductor layer is characterized by being doped by 16 to 1 × 10 18 / cm 3 .

【0010】また、請求項5記載の超格子半導体発光素
子は、請求項1記載の超格子半導体発光素子において、
上記真性半導体層は、真性半導体i層であり、上記超格
子半導体発光素子は、上記2つの電極の間に、上記真性
半導体i層を挟設しかつ、所定の不純物を1×1016
至5×1018/cm3の所定の高濃度でドープしてなる
第1のn+型半導体層と第2のn+型半導体層をさらに備
え、上記超格子半導体発光素子はn+in+型半導体素子
であることを特徴とする。
A superlattice semiconductor light emitting device according to a fifth aspect is the superlattice semiconductor light emitting device according to the first aspect.
The intrinsic semiconductor layer is an intrinsic semiconductor i-layer, and the superlattice semiconductor light-emitting element has the intrinsic semiconductor i-layer interposed between the two electrodes and has a predetermined impurity of 1 × 10 16 to 5 × 10 16. The semiconductor device further includes a first n + -type semiconductor layer and a second n + -type semiconductor layer doped at a predetermined high concentration of × 10 18 / cm 3 , and the superlattice semiconductor light-emitting device is an n + in + -type semiconductor layer. It is characterized by being an element.

【0011】さらに、請求項6記載の超格子半導体発光
素子は、請求項2記載の超格子半導体発光素子におい
て、上記p型半導体層を介して真性半導体i層に光が入
射されたときに、光が入射された量子井戸層の荷電子帯
の電子を、当該量子井戸層以外の量子井戸層の量子化準
位Γ1に遷移させ、その後、それに隣接する上記活性層
の量子化準位L1及びΓ1に遷移させた後、当該活性層
の量子化準位Γ2からその量子化準位Γ1に遷移させる
ことにより発光を得ることを特徴とする。
Further, the superlattice semiconductor light emitting device according to claim 6 is the superlattice semiconductor light emitting device according to claim 2, wherein when light is incident on the intrinsic semiconductor i layer via the p-type semiconductor layer, The electrons in the valence band of the quantum well layer to which the light is incident are caused to transition to the quantization level Γ1 of the quantum well layer other than the quantum well layer, and thereafter, the quantization levels L1 and L1 of the active layer adjacent thereto are set. After the transition to # 1, the light emission is obtained by transitioning from the quantization level # 2 of the active layer to the quantization level # 1.

【0012】また、請求項7記載の超格子半導体発光素
子は、請求項1乃至6のうちの1つに記載の超格子半導
体発光素子において、上記真性半導体層を挟設し、上記
真性半導体層で発光した光のうちの少なくとも一部の光
を反射するように互いに対向して設けられた2つの反射
面を備えることによりレーザー発振することを特徴とす
る。
A superlattice semiconductor light emitting device according to a seventh aspect is the superlattice semiconductor light emitting device according to any one of the first to sixth aspects, wherein the intrinsic semiconductor layer is interposed between the superlattice semiconductor light emitting device and the intrinsic semiconductor layer. It is characterized in that laser oscillation is provided by providing two reflecting surfaces provided to face each other so as to reflect at least a part of the light emitted in step (1).

【0013】さらに、請求項8記載の超格子半導体発光
素子は、請求項1乃至6のうちの1つに記載の超格子半
導体発光素子において、上記真性半導体層は結晶成長法
を用いて形成され、上記超格子半導体発光素子は、上記
真性半導体層を挟設し、上記真性半導体層で発光した光
のうちの少なくとも一部の光を反射するように互いに対
向して設けられた2つの反射面を備えることによりレー
ザー発振し、上記2つの反射面は、上記真性半導体層を
結晶成長法を用いて形成されるときに、AlGaAs層
又はAlAs層の2つの層を上記真性半導体層を挟設す
るように形成し、上記真性半導体層を形成した後、上記
超格子半導体発光素子に対して酸化処理してAl23
らなる高反射膜を形成することにより形成されたことを
特徴とする。
Further, the superlattice semiconductor light emitting device according to claim 8 is the superlattice semiconductor light emitting device according to any one of claims 1 to 6, wherein the intrinsic semiconductor layer is formed by using a crystal growth method. The superlattice semiconductor light-emitting element has two reflecting surfaces provided so as to sandwich the intrinsic semiconductor layer and to reflect at least a part of light emitted from the intrinsic semiconductor layer. And the two reflecting surfaces sandwich the intrinsic semiconductor layer between two layers of an AlGaAs layer or an AlAs layer when the intrinsic semiconductor layer is formed using a crystal growth method. After forming the intrinsic semiconductor layer as described above, the superlattice semiconductor light emitting device is oxidized to form a highly reflective film made of Al 2 O 3 .

【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】<実施形態>図1は、本発明に係る一実施
形態である超格子半導体発光素子10を示す断面図であ
る。本実施形態の超格子半導体発光素子は、図1に示す
ように、超格子構造を有する真性半導体i層15を備え
たヘテロ接合pin型ダイオード半導体素子であり、こ
こで、真性半導体i層15は、障壁層21と量子井戸層
22と障壁層21(以下、2つの障壁層を障壁層21と
いう。)と活性層23とを順に形成してなる1周期分の
層を複数周期積層することにより形成されてなる。ま
た、量子井戸層22の量子化準位Γ1と、それに隣接す
る活性層23の量子化準位L1及びΓ1とが実質的に同
一のエネルギーレベルとなるように、量子井戸層22及
び活性層23の各厚さが設定され、量子井戸層22の量
子化準位Γ1に存在する電子を、それに隣接する活性層
23の量子化準位L1及びΓ1に遷移させた後、当該活
性層23の量子化準位Γ2からその量子化準位Γ1に遷
移させることにより発光を得ることを特徴としている。
<Embodiment> FIG. 1 is a sectional view showing a superlattice semiconductor light emitting device 10 according to an embodiment of the present invention. As shown in FIG. 1, the superlattice semiconductor light emitting device of the present embodiment is a heterojunction pin type diode semiconductor device including an intrinsic semiconductor i layer 15 having a superlattice structure. The barrier layer 21, the quantum well layer 22, the barrier layer 21 (hereinafter, the two barrier layers are referred to as the barrier layer 21), and the active layer 23 are sequentially formed, and a layer for one cycle is laminated in plural cycles. Be formed. Also, the quantum well layer 22 and the active layer 23 are set such that the quantization level Γ1 of the quantum well layer 22 and the quantization levels L1 and Γ1 of the active layer 23 adjacent thereto have substantially the same energy level. After the electron existing at the quantization level Γ1 of the quantum well layer 22 is transited to the quantization levels L1 and Γ1 of the active layer 23 adjacent thereto, the thickness of the active layer 23 is changed. It is characterized in that light emission is obtained by making a transition from the quantized level # 2 to the quantized level # 1.

【0016】図3乃至図8は図1の超格子半導体発光素
子10の製造工程を示す断面図であり、本実施形態の超
格子半導体発光素子10の製造工程について、図3乃至
図8を参照して以下に説明する。
FIGS. 3 to 8 are cross-sectional views showing the steps of manufacturing the superlattice semiconductor light emitting device 10 of FIG. 1. For the steps of manufacturing the superlattice semiconductor light emitting device 10 of this embodiment, see FIGS. This will be described below.

【0017】(1)図3に示すように、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にてなり上下面の面方位
(1,1,1)を有する厚さ300μmのn型半導体基
板をアセトン溶液中で超音波洗浄を行い、表面に付着し
た有機不純物層20aを除去した。 (2)上記洗浄の後、図4に示すように、一旦完全に表
面を乾かした後、半導体基板20の表面を、25°Cの
アンモニア系エッチング溶液(アンモニア:過酸化水素
水:水=2:1:96(質量比))で5分間エッチング
処理を行うと、0.5乃至0.5μmの表面層が除去さ
れ、基板表面処理(ミラー処理)時に生じたストレス・
転位を有する層を除去でき、良好な結晶成長が可能とな
る。
(1) As shown in FIG. 3, n made of Si
A 300 μm-thick n-type semiconductor substrate made of n-type GaAs doped with a doping amount of, for example, 10 18 / cm 3 and having upper and lower plane orientations (1,1,1) is placed in an acetone solution. Ultrasonic cleaning was performed to remove the organic impurity layer 20a attached to the surface. (2) After the above-mentioned cleaning, as shown in FIG. 4, after the surface is completely dried, the surface of the semiconductor substrate 20 is cleaned with an ammonia-based etching solution (ammonia: hydrogen peroxide solution: water = 2 ° C.) at 25 ° C. 1:96 (mass ratio) for 5 minutes, the surface layer of 0.5 to 0.5 μm is removed, and the stress generated during the substrate surface treatment (mirror treatment) is reduced.
A layer having dislocations can be removed, and good crystal growth can be achieved.

【0018】(3)真空中で650°Cの熱処理を行
い、表面酸化層を完全に除去した後、図1及び図5に示
すように、下記の各層を順次結晶成長することにより形
成した。 (a)Siにてなるn型不純物イオンが例えばドープ量
5×1017/cm3だけドープされたn型Al0.4Ga
0.6Asにてなる厚さ1μmのn型バッファ層17。 (b)i型Al0.4Ga0.6Asにてなる厚さ500Åの
i型クラッド層16。 (c)超格子構造を有する厚さ1μmの真性半導体i層
15。ここで、真性半導体i層15は、第1の障壁層2
1と量子井戸層22と第2の障壁層21と活性層23と
を順に形成してなる1周期分の層を、例えば15乃至1
00周期などの複数周期積層することにより形成されて
なり、ここで、真性半導体i層15は、障壁層21と量
子井戸層22又は活性層23とが交互に繰り返して複数
の周期積層されてなる超格子構造を有し、障壁層21は
45Åの厚さを有するAlAsにてなり、量子井戸層2
2は40Åの厚さを有するGaAsにてなり、活性層2
3は55Åの厚さを有するGaAsにてなる。真性半導
体i層15は、好ましい実施形態においては、15乃至
100周期だけ形成され、より好ましい実施形態におい
ては、50周期だけ形成される。 (d)i型GaAsにてなる厚さ500Åのi型クラッ
ド層14。 (e)Be(ベリリウム)にてなるp型不純物イオンが
例えばドープ量1×1018/cm3だけドープされたp
型Al0.4Ga0.6Asにてなる厚さ2000Åのp型キ
ャップ層13。
(3) After performing a heat treatment at 650 ° C. in a vacuum to completely remove the surface oxide layer, as shown in FIGS. 1 and 5, the following layers were formed by successively growing crystals. (A) n-type Al 0.4 Ga doped with n-type impurity ions of Si, for example, at a doping amount of 5 × 10 17 / cm 3
A 1 μm thick n-type buffer layer 17 of 0.6 As. (B) An i-type cladding layer 16 made of i-type Al 0.4 Ga 0.6 As and having a thickness of 500 °. (C) 1 μm thick intrinsic semiconductor i-layer 15 having a superlattice structure. Here, the intrinsic semiconductor i-layer 15 is formed of the first barrier layer 2
1, a quantum well layer 22, a second barrier layer 21, and an active layer 23 are formed in this order.
The intrinsic semiconductor i-layer 15 is formed by alternately repeating the barrier layer 21 and the quantum well layer 22 or the active layer 23 in a plurality of periods such as 00 periods. The barrier layer 21 has a superlattice structure, and the barrier layer 21 is made of AlAs having a thickness of 45 °.
The active layer 2 is made of GaAs having a thickness of 40 °.
3 is made of GaAs having a thickness of 55 °. The intrinsic semiconductor i-layer 15 is formed in 15 to 100 periods in a preferred embodiment, and is formed in 50 periods in a more preferred embodiment. (D) An i-type cladding layer 14 of i-type GaAs having a thickness of 500 °. (E) A p-type impurity ion of Be (beryllium) doped with a doping amount of 1 × 10 18 / cm 3, for example.
A 2000-mm-thick p-type cap layer 13 of type Al 0.4 Ga 0.6 As.

【0019】(4)図6に示すように、最上面のp型キ
ャップ層13の上面にMn/Au(1000Å/150
0Å)からなる電極11を形成した。ここで、電極11
は感光性有機薄膜(レジストパターン)18を用いたリ
フトオフ法を用いて電極材料11aを形成し、電極11
の厚さ方向に貫通する光出力孔11bをその中央部に形
成して、電極11がリング形状になるように形成した。
次いで、図7に示すように、リング形状の電極材料11
aをレジストで覆い、複数の素子の電極間の接続を絶つ
ためにメサエッチングを行い、素子分離を行った。 (5)さらに、図8に示すように、n型半導体基板20
の裏面にAuGe/Ni/Au(=1000Å/300
Å/1500Å)からなる電極12を形成した。 (6)最後に、電極12が形成された素子に対して、4
00°Cで1.5分間の熱処理を行い、電極11及び1
2においてオーミック接続を得た。以上の製造工程によ
り、超格子半導体発光素子10を得る。
(4) As shown in FIG. 6, Mn / Au (1000/150) is formed on the upper surface of the uppermost p-type cap layer 13.
0 °) was formed. Here, the electrode 11
Forms an electrode material 11a by a lift-off method using a photosensitive organic thin film (resist pattern) 18;
A light output hole 11b penetrating in the thickness direction is formed at the center thereof to form the electrode 11 in a ring shape.
Next, as shown in FIG.
a was covered with a resist, and mesa etching was performed to cut off the connection between the electrodes of a plurality of devices, thereby performing device isolation. (5) Further, as shown in FIG.
AuGe / Ni / Au (= 1000Å / 300)
({1500}). (6) Finally, with respect to the element on which the electrode 12 is formed, 4
Heat treatment was performed at 00 ° C. for 1.5 minutes.
In step 2, an ohmic connection was obtained. Through the above manufacturing steps, the superlattice semiconductor light emitting device 10 is obtained.

【0020】そして、図1に示すように、電圧可変直流
電源30の正極を電極12に接続する一方、直流電源3
0の負極を電極11に接続することにより、当該超格子
半導体発光素子10に対して逆バイアス電圧を印加す
る。
As shown in FIG. 1, the positive electrode of the variable voltage DC power supply 30 is connected to the electrode 12 while the DC power supply 3
By connecting the negative electrode of 0 to the electrode 11, a reverse bias voltage is applied to the superlattice semiconductor light emitting device 10.

【0021】以上のように構成された超格子半導体発光
素子10においては、逆バイアス電圧を電極11,12
間に印加したときに、量子井戸層22の量子化準位Γ1
と、それに隣接する活性層23の量子化準位L1及びΓ
1とが実質的に同一のエネルギーレベルとなるように、
量子井戸層22及び活性層23の各厚さが設定され、量
子井戸層22の量子化準位Γ1に存在する電子を、それ
に隣接する活性層23の量子化準位L1及びΓ1に遷移
させた後、当該活性層23の量子化準位Γ2からその量
子化準位Γ1に遷移させることにより発光を得る。さら
には、真性半導体i層15では、複数周期積層されてい
るので、周期分にわたって発光が生じ、大きな発光強度
を有する発光を得ることができる。ここで、放出される
光は、活性層23の量子化準位Γ2から量子化準位Γ1
に遷移したときの差のエネルギーに対応した波長を有す
る光である。
In the superlattice semiconductor light emitting device 10 configured as described above, a reverse bias voltage is applied to the electrodes 11 and 12.
When the voltage is applied in between, the quantization level of the quantum well layer 22 Γ1
And the quantization levels L1 and Γ of the active layer 23 adjacent thereto.
So that 1 and 1 have substantially the same energy level,
The respective thicknesses of the quantum well layer 22 and the active layer 23 are set, and electrons existing at the quantization level Γ1 of the quantum well layer 22 are transited to the quantization levels L1 and 活性 1 of the active layer 23 adjacent thereto. Thereafter, light emission is obtained by making a transition from the quantization level # 2 of the active layer 23 to the quantization level # 1. Further, since the intrinsic semiconductor i-layer 15 is stacked in a plurality of cycles, light emission occurs over a period, and light emission having a large light emission intensity can be obtained. Here, the emitted light changes from the quantization level # 2 of the active layer 23 to the quantization level # 1.
Is light having a wavelength corresponding to the energy of the difference at the time of transition to.

【0022】ここで、量子化準位L1と量子化準位Γ1
との違いは、公知の通り、波長ベクトルに対する、価電
子帯上端よりもエネルギーを表した例えばGaAsのエ
ネルギー構造図から予め決定される準位点である。
Here, the quantization level L1 and the quantization level Γ1
Is a level point determined in advance from the energy structure diagram of, for example, GaAs, which represents energy with respect to the wavelength vector with respect to the upper end of the valence band, as is well known.

【0023】すなわち、逆バイアス電圧を電極間11,
12に印加したときに、超格子半導体層である真性半導
体i層15に流れ込んだ電子は、通常量子井戸層22の
最低準位である第1の量子化準位Γ1にあるが、印加さ
れた逆バイアス電圧に従って隣接する活性層23に遷移
する際に、上記第1の量子化準位Γ1のエネルギーと遷
移先の活性層23の第1の量子化準位L1のエネルギー
とがほぼ等しい場合に、これら2つのサブバンドが共鳴
しあい、電子が容易に第1の量子化準位L1に遷移す
る。遷移先の第1の量子化準位L1は、当該量子井戸層
の第2の量子化準位Γ2と共鳴しており、電子はこの第
1の量子化準位L1と第2の量子化準位Γ2を自由に行
き来することができる。ここで,量子井戸層22の量子
化準位Γ1とそれに隣接する活性層23の量子化準位L
1とを共鳴させ、かつ活性層23の量子化準位L1とΓ
2を共鳴させる電界を容易に得る方法として、本実施形
態では、量子井戸層22及び活性層23の各厚さを変え
ることで、これらの3つの量子化準位を共鳴させる。後
者では、L点とΓ点とでは電子の有効質量が異なるため
に活性層23の厚さを薄くしていったときの量子サイズ
効果によるサブバンド準位の上昇に差が生じるために、
同一の活性層23のL1点とΓ2点を共鳴させることが
可能となる。
That is, the reverse bias voltage is applied between the electrodes 11,
12, the electrons that flowed into the intrinsic semiconductor i-layer 15 as the superlattice semiconductor layer are usually at the first quantization level Γ1, which is the lowest level of the quantum well layer 22, but were applied. When transitioning to the adjacent active layer 23 according to the reverse bias voltage, when the energy of the first quantization level Γ1 and the energy of the first quantization level L1 of the transition destination active layer 23 are substantially equal to each other. , These two subbands resonate with each other, and the electrons easily transition to the first quantization level L1. The first quantized level L1 at the transition destination resonates with the second quantized level Γ2 of the quantum well layer, and electrons are transferred to the first quantized level L1 and the second quantized level L2. You can go back and forth in position # 2 freely. Here, the quantization level Γ1 of the quantum well layer 22 and the quantization level L of the active layer 23 adjacent thereto.
1 and the quantization levels L1 and Γ of the active layer 23.
As a method for easily obtaining an electric field that resonates 2, in the present embodiment, these three quantization levels are resonated by changing the thicknesses of the quantum well layer 22 and the active layer 23. In the latter case, since the effective mass of electrons is different between the point L and the point 上昇, a difference occurs in the increase in the subband level due to the quantum size effect when the thickness of the active layer 23 is reduced.
It is possible to resonate the L1 point and the Γ2 point of the same active layer 23.

【0024】なお、上記3つの量子化準位を共鳴させる
ための方法として、本発明はこれに限らず、量子井戸層
22及び活性層23の材料組成を、これらの3つの量子
化準位がほぼ同準位になるよう変化させてもよい。この
場合、量子井戸層22の組成をGaAsとし、発光層と
なる活性層23の組成をAlxGa1-xAs(0<x<
0.4)とする。ここで、量子井戸層22と活性層23
は同一の60Åの厚さを有する。
The present invention is not limited to the method for resonating the above three quantization levels, but the present invention is not limited to this. The material composition of the quantum well layer 22 and the active layer 23 is determined by the three quantization levels. You may change it so that it may become substantially the same level. In this case, the composition of the quantum well layer 22 is GaAs, and the composition of the active layer 23 serving as the light emitting layer is Al x Ga 1 -x As (0 <x <
0.4). Here, the quantum well layer 22 and the active layer 23
Have the same 60 ° thickness.

【0025】以上のように構成された超格子構造を有す
る真性半導体i層15中で電子の移動が起こると、L点
での電子の有効質量が大きく状態密度が大きいために電
子をたくさん溜めることができる。通常電子は、フォノ
ン散乱が起こり、L1点から直ちに低準位である第1の
量子化準位Γ1点に遷移するが、レーザー発振時にはフ
ォノン散乱による低準位への遷移は抑制されるので、L
1点と共鳴するΓ2点からΓ1点への遷移となり光放出
による直接遷移となる。
When electrons move in the intrinsic semiconductor i-layer 15 having the superlattice structure configured as described above, a large amount of electrons may be accumulated because the effective mass of the electrons at the point L is large and the state density is large. Can be. Usually, electrons undergo phonon scattering, and immediately transition from the L1 point to the first quantized level Γ1 point, which is a low level. However, during laser oscillation, the transition to the low level due to phonon scattering is suppressed. L
The transition from the Γ2 point that resonates with one point to the Γ1 point results in a direct transition by light emission.

【0026】以上の実施形態では、逆バイアス電圧の印
加による電子を利用して発光させているが,本発明はこ
れに限らず、光出力孔11bを介して所定の強度を有す
る光を入射し、光が入射された量子井戸層22の荷電子
帯の電子を、当該量子井戸層22以外の量子井戸層22
の量子化準位Γ1に遷移させ、その後、それに隣接する
上記活性層の量子化準位L1及びΓ1に遷移させた後、
当該活性層の量子化準位Γ2からその量子化準位Γ1に
遷移させることにより発光を得るようにしてもよい。す
なわち、電極11,12の間に所定の逆バイアス電圧を
印加して、かつ図1に示すように電極11の孔11bか
らp型キャップ層13及びi型クラッド層14とを介し
て、真性半導体i層15の量子井戸層22に光を入射す
ると、超格子構造を有する真性半導体i層15は、以下
のような動作をする。すなわち、量子井戸層22の価電
子帯の電子は、入射された光によって励起されて量子井
戸層22の第1の量子化準位Γ1点に遷移する。これに
よって、量子井戸層22の第1の量子化準位Γ1点に電
子であるキャリアが生成される。量子井戸層22の第1
の量子化準位Γ1点に励起された電子は、上述と同様
に、それに隣接する活性層23の量子化準位L1及びΓ
1に遷移させた後、当該活性層23の量子化準位Γ2か
らその量子化準位Γ1に遷移させることにより発光を得
る。
In the above embodiment, light is emitted using electrons generated by application of a reverse bias voltage. However, the present invention is not limited to this, and light having a predetermined intensity is incident through the light output hole 11b. The electrons in the valence band of the quantum well layer 22 to which light is incident are transferred to the quantum well layers 22 other than the quantum well layer 22.
After transition to the quantization level Γ1 of the active layer and then to the quantization level L1 and Γ1 of the active layer adjacent thereto,
Light emission may be obtained by making a transition from the quantization level # 2 of the active layer to the quantization level # 1. That is, a predetermined reverse bias voltage is applied between the electrodes 11 and 12, and the intrinsic semiconductor is formed from the hole 11b of the electrode 11 through the p-type cap layer 13 and the i-type clad layer 14 as shown in FIG. When light is incident on the quantum well layer 22 of the i-layer 15, the intrinsic semiconductor i-layer 15 having a superlattice structure operates as follows. That is, electrons in the valence band of the quantum well layer 22 are excited by the incident light and transit to the first quantization level Γ1 point of the quantum well layer 22. As a result, carriers that are electrons are generated at the first quantization level Γ1 point of the quantum well layer 22. First of the quantum well layer 22
The electrons excited at the quantization level Γ1 point of the active layer 23 have the quantization levels L1 and Γ of the active layer 23 adjacent thereto, as described above.
After the transition to 1, the light emission is obtained by transitioning from the quantization level # 2 of the active layer 23 to the quantization level # 1.

【0027】この真性半導体i層15で発光された光
は、本実施形態においては、図1に示すように、真性半
導体i層15の厚さ方向に対して平行な側面から、厚さ
方向に対して垂直な方向では出力するように構成してい
る。しかしながら、本発明はこれに限らず、真性半導体
i層15で発光された光をi型クラッド層14とp型キ
ャップ層13とを介して、電極11に設けられた光出力
孔11hから光を出力するようにしてもよいし、もしく
は、i型クラッド層16とn型バッファ層17とn型半
導体基板20とを介して、n型半導体基板20側から出
力するように構成してもよい。n型半導体基板20側か
ら出力するように構成した場合には、i型クラッド層1
6と、n型バッファ層27とn型半導体基板20とをそ
れぞれ、光を透過するように薄く形成し、かつ電極12
に電極11と同様に光出力孔(図示せず。)を形成し
て、当該孔から、発生した光を出力する。
In the present embodiment, the light emitted from the intrinsic semiconductor i-layer 15 is, as shown in FIG. 1, from the side parallel to the thickness direction of the intrinsic semiconductor i-layer 15 in the thickness direction. It is configured to output in a direction perpendicular to the direction. However, the present invention is not limited to this, and the light emitted from the intrinsic semiconductor i-layer 15 is transmitted through the light output hole 11h provided in the electrode 11 through the i-type cladding layer 14 and the p-type cap layer 13. The signal may be output, or the signal may be output from the n-type semiconductor substrate 20 via the i-type cladding layer 16, the n-type buffer layer 17, and the n-type semiconductor substrate 20. In the case of outputting from the n-type semiconductor substrate 20 side, the i-type cladding layer 1
6, the n-type buffer layer 27 and the n-type semiconductor substrate 20 are formed thinly so as to transmit light, and the electrode 12
A light output hole (not shown) is formed in the same manner as the electrode 11, and the generated light is output from the hole.

【0028】<変形例>次いで、超格子半導体発光素子
10を用いたレーザーダイオードの変形例について以下
に説明する。当該変形例では、上記実施形態に比較して
さらに、真性半導体i層15における厚さ方向に平行な
2つの側面にそれぞれ、第1と第2の鏡面層(図示せ
ず。)を形成したことを特徴としている。ここで、第1
と第2の鏡面層は、真性半導体i層15を挟設して対向
して形成されており、それぞれ公知のファブリ・ペロー
鏡面を構成する。
<Modification> Next, a modification of the laser diode using the superlattice semiconductor light emitting device 10 will be described below. In the modification, first and second mirror layers (not shown) are formed on two sides of the intrinsic semiconductor i-layer 15 parallel to the thickness direction, respectively, as compared with the above embodiment. It is characterized by. Here, the first
The second mirror surface layer and the second mirror surface layer are formed to face each other with the intrinsic semiconductor i-layer 15 interposed therebetween, and each constitute a known Fabry-Perot mirror surface.

【0029】ここで、ファブリ・ぺロー鏡面とは、例え
ば、真性半導体i層15で発生する光に対して例えば3
0%の所定の反射率を有する面であって、当該変形例で
は、n型半導体基板20の結晶の方位を所定の方向に設
定して、真性半導体i層15の2つの側面がそれぞれ所
定のへき開面になるように真性半導体i層15を形成し
た後、へき開することにより当該側面そのものをファブ
リ・ぺロー鏡面として利用した。この場合、ファブリ・
ぺロー鏡面として利用した真性半導体i層15の2つの
側面の反射率は30%に限定されず、少なくとも真性半
導体i層15で発生する光の一部分を反射するように構
成すればよい。また、当該変形例では、真性半導体i層
15の2つの側面の間隔は、300μmに設定した。し
かしながら、本発明はこれに限定されず、真性半導体i
層の2つの側面の間隔は、100μmでもよいし、50
0μmでもよい、すなわち当該間隔は、ファブリ・ぺロ
ー共振器を形成するように、任意に設定することができ
る。
Here, the Fabry-Perot mirror surface is, for example, three times with respect to light generated in the intrinsic semiconductor i-layer 15.
In this modification, the orientation of the crystal of the n-type semiconductor substrate 20 is set to a predetermined direction, and the two side surfaces of the intrinsic semiconductor i-layer 15 are each a predetermined surface. After forming the intrinsic semiconductor i-layer 15 so as to have a cleavage surface, the side surface itself was used as a Fabry-Perot mirror surface by cleavage. In this case, Fabry
The reflectivity of the two side surfaces of the intrinsic semiconductor i-layer 15 used as the low mirror surface is not limited to 30%, and may be configured to reflect at least a part of light generated in the intrinsic semiconductor i-layer 15. In the modification, the interval between the two side surfaces of the intrinsic semiconductor i-layer 15 was set to 300 μm. However, the present invention is not limited to this, and the intrinsic semiconductor i
The distance between the two sides of the layer may be 100 μm or 50 μm.
It may be 0 μm, ie the spacing can be set arbitrarily so as to form a Fabry-Perot resonator.

【0030】以上のように構成することによって、超格
子半導体発光素子10において、真性半導体i層15に
2つの側面からなるファブリ・ぺロー共振器を形成する
ことができるので、真性半導体i層15で発生された光
はその内部のファブリ・ぺロー共振器で反射を繰り返し
て共振し、超格子半導体発光素子10においてレーザー
モードで発振を生じさせ、すなわち大きな強度でレーザ
ー発振させることができる。
With the above configuration, a Fabry-Perot resonator having two side surfaces can be formed on the intrinsic semiconductor i-layer 15 in the superlattice semiconductor light-emitting device 10. Is repetitively reflected by the Fabry-Perot resonator inside it and resonates, causing the superlattice semiconductor light emitting device 10 to oscillate in the laser mode, that is, to oscillate the laser at a large intensity.

【0031】<別の変形例>また、通常面発光レーザー
を形成する場合は、多層膜構造により反射膜を形成する
が、量子サブバンド間遷移レーザーでは、発光波長が数
μmと長波長であることから、多層反射膜の場合には膜
厚が数10μmにも及び、結晶成長時に形成することは
極めて困難であった。上述の変形例における上述した反
射面の代わりに、超格子構造の真性半導体i層15を結
晶成長法によって形成すると同時に、真性半導体i層1
5とクラッド層16との間、及び真性半導体i層15と
クラッド層14との間に、AlGaAs層又はAlAs
層を形成し、その後、酸化雰囲気中で熱処理することで
Al23(アルミナ)膜を形成することにより、真性半
導体i層15の上下面にそれぞれ、アルミナにてなる高
い反射率を有する反射膜を形成するようにしてもよい。
このとき、従来例に比較して容易に、反射膜を形成する
ことができるという利点がある。
<Another Modified Example> When a normal surface emitting laser is formed, a reflection film is formed by a multilayer film structure. However, a quantum intersubband transition laser has an emission wavelength as long as several μm. For this reason, in the case of a multilayer reflective film, the film thickness is as large as several tens of μm, and it is extremely difficult to form it during crystal growth. In place of the above-described reflection surface in the above-described modification, the intrinsic semiconductor i-layer 15 having a superlattice structure is formed by a crystal growth method, and at the same time, the intrinsic semiconductor i-layer 1 is formed.
5 and the cladding layer 16, and between the intrinsic semiconductor i-layer 15 and the cladding layer 14, an AlGaAs layer or AlAs
By forming an Al 2 O 3 (alumina) film by performing a heat treatment in an oxidizing atmosphere to form an Al 2 O 3 (alumina) film, the upper and lower surfaces of the intrinsic semiconductor i-layer 15 have high reflectance made of alumina. A film may be formed.
At this time, there is an advantage that the reflection film can be easily formed as compared with the conventional example.

【0032】<さらなる変形例>以上の実施形態及び変
形例において、真性半導体i層15における各上下両端
の層は、量子井戸層22,23であってもよいし、障壁
層21であってもよい。
<Further Modifications> In the above embodiments and modifications, the layers at the upper and lower ends of the intrinsic semiconductor i-layer 15 may be quantum well layers 22 and 23 or barrier layers 21. Good.

【0033】以上の実施形態及び変形例において、超格
子半導体発光素子10は、pin型ダイオード素子にて
なるが、本発明はこれに限らず、p型キャップ層13に
代えて、n型キャップ層13を備えてnin型半導体素
子で構成してもよい。このとき、例えば、n型キャップ
層13の材料は、シリコンを1×1018/cm3の濃度
でドーピングしたGaAsであり、i型クラッド層14
の材料は、AlGaAsであり、真性半導体i層15の
材料、i型クラッド層16の材料、及びn型バッファ層
17の材料は上記と同様である。
In the above embodiments and modifications, the superlattice semiconductor light emitting device 10 is a pin diode device. However, the present invention is not limited to this, and the p-type cap layer 13 may be replaced with an n-type cap layer. 13 may be provided as a nin-type semiconductor device. At this time, for example, the material of the n-type cap layer 13 is GaAs doped with silicon at a concentration of 1 × 10 18 / cm 3 , and the i-type clad layer 14
Is AlGaAs, and the material of the intrinsic semiconductor i-layer 15, the material of the i-type cladding layer 16, and the material of the n-type buffer layer 17 are the same as described above.

【0034】また、上記nin型半導体素子において、
n型キャップ層13及びn型バッファ層17の代わり
に、n型キャップ層13及びn型バッファ層17に対し
て所定の不純物を1×1016乃至5×1018/cm3
所定の高濃度でドープしてなる第1のn+型半導体層と
第2のn+型半導体層を備えることにより、n+in+
半導体素子で構成してもよい。
In the above-mentioned nin type semiconductor device,
Instead of the n-type cap layer 13 and the n-type buffer layer 17, a predetermined high impurity concentration of 1 × 10 16 to 5 × 10 18 / cm 3 is added to the n-type cap layer 13 and the n-type buffer layer 17. By providing a first n + -type semiconductor layer and a second n + -type semiconductor layer doped with, an n + in + -type semiconductor element may be formed.

【0035】<実施形態及び変形例の効果>以上、詳述
したように、実施形態及び変形例の超格子半導体発光素
子によれば、電子の有効質量が異なる2種類の量子井戸
層22及び活性層23と障壁層21とが積層されてなる
真性半導体i層15を備え、所定の逆バイアス電圧が印
加されたときに、活性層23の第2と第1の量子化準位
Γ2,Γ1間の差のエネルギーに対応する波長を有する
光を発生して出力することができる。また、実施形態の
超格子半導体発光素子においては、超格子の周期が一定
の簡単な周期構造の真性半導体i層15を用いて構成し
ているので、従来のサブバンド間遷移を用いた量子カス
ケードレーザーに比較して、安価に作製することができ
る。さらに室温においても、安定な反転分布が得られる
ので、反射面を有するレーザー構造素子では室温発振も
可能である。
<Effects of Embodiment and Modification> As described above in detail, according to the superlattice semiconductor light emitting device of the embodiment and the modification, the two types of quantum well layers 22 having different effective masses of electrons and the active layers are provided. An intrinsic semiconductor i-layer 15 in which a layer 23 and a barrier layer 21 are stacked, and when a predetermined reverse bias voltage is applied, the active layer 23 has a second quantization level between the first and second quantization levels # 2 and # 1. Light having a wavelength corresponding to the energy of the difference can be generated and output. Further, in the superlattice semiconductor light emitting device of the embodiment, since the superlattice period is configured using the intrinsic semiconductor i-layer 15 having a simple periodic structure, the conventional quantum cascade using the intersubband transition is used. It can be manufactured at lower cost than a laser. Furthermore, since a stable population inversion is obtained even at room temperature, a laser structure element having a reflection surface can also oscillate at room temperature.

【0036】[0036]

【発明の効果】以上詳述したように本発明に係る超格子
半導体発光素子によれば、2つの電極間に、超格子構造
を有する真性半導体層を備え、逆バイアス電圧が印加さ
れてなる超格子半導体素子において、上記真性半導体層
は、第1の障壁層と量子井戸層と第2の障壁層と活性層
とを順に形成してなる1周期分の層を複数周期積層する
ことにより形成されてなり、上記量子井戸層の量子化準
位Γ1と、それに隣接する上記活性層の量子化準位L1
及びΓ1とが実質的に同一のエネルギーレベルとなるよ
うに、上記量子井戸層及び上記活性層の各厚さ又は各組
成比が設定され、上記量子井戸層の量子化準位Γ1に存
在する電子を、それに隣接する上記活性層の量子化準位
L1及びΓ1に遷移させた後、当該活性層の量子化準位
Γ2からその量子化準位Γ1に遷移させることにより発
光を得る。従って、電子の有効質量が異なる2種類の量
子井戸層及び活性層と障壁層とが積層されてなる真性半
導体層を備え、所定の逆バイアス電圧が印加されたとき
に、活性層の第2と第1の量子化準位Γ2,Γ1間の差
のエネルギーに対応する波長を有する光を発生して出力
することができる。また、実施形態の超格子半導体発光
素子においては、超格子の周期が一定の簡単な周期構造
の真性半導体層を用いて構成しているので、従来のサブ
バンド間遷移を用いた量子カスケードレーザーに比較し
て、安価に作製することができる。さらに室温において
も、安定な反転分布が得られるので、反射面を有するレ
ーザー構造素子では室温発振も可能である。
As described above in detail, according to the superlattice semiconductor light-emitting device of the present invention, an ultra-semiconductor having a superlattice structure between two electrodes and having a reverse bias voltage applied thereto In the lattice semiconductor element, the intrinsic semiconductor layer is formed by laminating a plurality of layers for one cycle in which a first barrier layer, a quantum well layer, a second barrier layer, and an active layer are sequentially formed. And the quantization level Γ1 of the quantum well layer and the quantization level L1 of the active layer adjacent thereto.
And the thickness and the composition ratio of the quantum well layer and the active layer are set such that the energy levels of the quantum well layer and the active layer become substantially the same. Is changed to the quantization levels L1 and Γ1 of the active layer adjacent thereto, and then the light is obtained by making a transition from the quantization level の 2 of the active layer to the quantization level Γ1. Therefore, the semiconductor device includes two types of quantum well layers having different effective masses of electrons and an intrinsic semiconductor layer in which an active layer and a barrier layer are stacked, and when a predetermined reverse bias voltage is applied, the second and the active layers of the active layer are different. Light having a wavelength corresponding to the energy of the difference between the first quantization levels # 2 and # 1 can be generated and output. In the superlattice semiconductor light emitting device of the embodiment, since the superlattice period is formed using an intrinsic semiconductor layer having a simple periodic structure, the conventional quantum cascade laser using intersubband transition is used. In comparison, it can be manufactured at low cost. Furthermore, since a stable population inversion is obtained even at room temperature, a laser structure element having a reflection surface can also oscillate at room temperature.

【0037】また,上記超格子半導体発光素子におい
て、上記超格子半導体発光素子は、上記p型半導体層を
介して真性半導体i層に光が入射されたときに、光が入
射された量子井戸層の荷電子帯の電子を、当該量子井戸
層以外の量子井戸層の量子化準位Γ1に遷移させ、その
後、それに隣接する上記活性層の量子化準位L1及びΓ
1に遷移させた後、当該活性層の量子化準位Γ2からそ
の量子化準位Γ1に遷移させることにより発光を得る。
従って、電子の有効質量が異なる2種類の量子井戸層及
び活性層と障壁層とが積層されてなる真性半導体層を備
え、所定の逆バイアス電圧が印加されたときに、活性層
の第2と第1の量子化準位Γ2,Γ1間の差のエネルギ
ーに対応する波長を有する光を発生して出力することが
できる。また、実施形態の超格子半導体発光素子におい
ては、超格子の周期が一定の簡単な周期構造の真性半導
体層を用いて構成しているので、従来のサブバンド間遷
移を用いた量子カスケードレーザーに比較して、安価に
作製することができる。さらに室温においても、安定な
反転分布が得られるので、反射面を有するレーザー構造
素子では室温発振も可能である。
In the above-described superlattice semiconductor light emitting device, the superlattice semiconductor light emitting device may be configured such that when light is incident on the intrinsic semiconductor i-layer via the p-type semiconductor layer, the quantum well layer on which light is incident. Of the valence band of the quantum well layer other than the quantum well layer, and then to the quantization levels L1 and の of the active layer adjacent thereto.
After the transition to 1, the light emission is obtained by transitioning from the quantization level # 2 of the active layer to the quantization level # 1.
Therefore, the semiconductor device includes two types of quantum well layers having different effective masses of electrons and an intrinsic semiconductor layer in which an active layer and a barrier layer are stacked, and when a predetermined reverse bias voltage is applied, the second and the active layers of the active layer are different. Light having a wavelength corresponding to the energy of the difference between the first quantization levels # 2 and # 1 can be generated and output. In the superlattice semiconductor light emitting device of the embodiment, since the superlattice period is formed using an intrinsic semiconductor layer having a simple periodic structure, the conventional quantum cascade laser using intersubband transition is used. In comparison, it can be manufactured at low cost. Furthermore, since a stable population inversion is obtained even at room temperature, a laser structure element having a reflection surface can also oscillate at room temperature.

【0038】さらに、上記超格子半導体発光素子におい
て、上記超格子半導体発光素子は、上記真性半導体層を
挟設し、上記真性半導体層で発光した光のうちの少なく
とも一部の光を反射するように互いに対向して設けられ
た2つの反射面を備えることによりレーザー発振する。
従って、電子の有効質量が異なる2種類の量子井戸層及
び活性層と障壁層とが積層されてなる真性半導体層を備
え、所定の逆バイアス電圧が印加されたときに、活性層
の第2と第1の量子化準位Γ2,Γ1間の差のエネルギ
ーに対応する波長を有する光を発生して出力することが
できる。また、実施形態の超格子半導体発光素子におい
ては、超格子の周期が一定の簡単な周期構造の真性半導
体層を用いて構成しているので、従来のサブバンド間遷
移を用いた量子カスケードレーザーに比較して、安価に
作製することができる。さらに室温においても、安定な
反転分布が得られるので、反射面を有するレーザー構造
素子では室温発振も可能である。
Further, in the above-mentioned superlattice semiconductor light emitting device, the superlattice semiconductor light emitting device sandwiches the intrinsic semiconductor layer and reflects at least a part of the light emitted from the intrinsic semiconductor layer. Is provided with two reflecting surfaces provided so as to face each other, so that laser oscillation occurs.
Therefore, the semiconductor device includes two types of quantum well layers having different effective masses of electrons and an intrinsic semiconductor layer in which an active layer and a barrier layer are stacked, and when a predetermined reverse bias voltage is applied, the second and the active layers of the active layer are different. Light having a wavelength corresponding to the energy of the difference between the first quantization levels # 2 and # 1 can be generated and output. In the superlattice semiconductor light emitting device of the embodiment, since the superlattice period is formed using an intrinsic semiconductor layer having a simple periodic structure, the conventional quantum cascade laser using intersubband transition is used. In comparison, it can be manufactured at low cost. Furthermore, since a stable population inversion is obtained even at room temperature, a laser structure element having a reflection surface can also oscillate at room temperature.

【0039】またさらに、上記超格子半導体発光素子に
おいて、上記真性半導体層は結晶成長法を用いて形成さ
れ、上記超格子半導体発光素子は、上記真性半導体層を
挟設し、上記真性半導体層で発光した光のうちの少なく
とも一部の光を反射するように互いに対向して設けられ
た2つの反射面を備えることによりレーザー発振し、上
記2つの反射面は、上記真性半導体層を結晶成長法を用
いて形成されるときに、AlGaAs層又はAlAs層
の2つの層を上記真性半導体層を挟設するように形成
し、上記真性半導体層を形成した後、上記超格子半導体
発光素子に対して酸化処理してAl23からなる高反射
膜を形成することにより形成される。従って、電子の有
効質量が異なる2種類の量子井戸層及び活性層と障壁層
とが積層されてなる真性半導体層を備え、所定の逆バイ
アス電圧が印加されたときに、活性層の第2と第1の量
子化準位Γ2,Γ1間の差のエネルギーに対応する波長
を有する光を発生して出力することができる。また、実
施形態の超格子半導体発光素子においては、超格子の周
期が一定の簡単な周期構造の真性半導体層を用いて構成
しているので、従来のサブバンド間遷移を用いた量子カ
スケードレーザーに比較して、安価に作製することがで
きる。さらに室温においても、安定な反転分布が得られ
るので、反射面を有するレーザー構造素子では室温発振
も可能である。
Still further, in the superlattice semiconductor light emitting device, the intrinsic semiconductor layer is formed by using a crystal growth method, and the superlattice semiconductor light emitting device has the intrinsic semiconductor layer interposed therebetween, and Laser oscillation is provided by providing two reflecting surfaces provided to face each other so as to reflect at least a part of the emitted light, and the two reflecting surfaces are used for forming the intrinsic semiconductor layer by a crystal growth method. When formed by using, two layers of an AlGaAs layer or an AlAs layer are formed so as to sandwich the intrinsic semiconductor layer, and after forming the intrinsic semiconductor layer, the superlattice semiconductor light emitting element is formed. It is formed by oxidizing to form a high reflection film made of Al 2 O 3 . Therefore, the semiconductor device includes two types of quantum well layers having different effective masses of electrons and an intrinsic semiconductor layer in which an active layer and a barrier layer are stacked, and when a predetermined reverse bias voltage is applied, the second and the active layers of the active layer are different. Light having a wavelength corresponding to the energy of the difference between the first quantization levels # 2 and # 1 can be generated and output. In the superlattice semiconductor light emitting device of the embodiment, since the superlattice period is formed using an intrinsic semiconductor layer having a simple periodic structure, the conventional quantum cascade laser using intersubband transition is used. In comparison, it can be manufactured at low cost. Furthermore, since a stable population inversion is obtained even at room temperature, a laser structure element having a reflection surface can also oscillate at room temperature.

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

【図1】 本発明に係る一実施形態である超格子半導体
発光素子10を示す縦断面図である。
FIG. 1 is a longitudinal sectional view showing a superlattice semiconductor light emitting device 10 according to one embodiment of the present invention.

【図2】 図1の超格子半導体発光素子10の真性半導
体i層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 of the superlattice semiconductor light emitting device 10 of FIG.

【図3】 図1の超格子半導体発光素子10の製造工程
のうちの第1の工程を示す断面図である。
FIG. 3 is a cross-sectional view showing a first step of the manufacturing steps of the superlattice semiconductor light emitting device 10 of FIG.

【図4】 図1の超格子半導体発光素子10の製造工程
のうちの第2の工程を示す断面図である。
FIG. 4 is a cross-sectional view showing a second step in the manufacturing process of the superlattice semiconductor light emitting device 10 of FIG.

【図5】 図1の超格子半導体発光素子10の製造工程
のうちの第3の工程を示す断面図である。
FIG. 5 is a cross-sectional view showing a third step in the process of manufacturing the superlattice semiconductor light emitting device 10 of FIG.

【図6】 図1の超格子半導体発光素子10の製造工程
のうちの第4の工程を示す断面図である。
FIG. 6 is a sectional view showing a fourth step in the process of manufacturing the superlattice semiconductor light emitting device 10 of FIG.

【図7】 図1の超格子半導体発光素子10の製造工程
のうちの第5の工程を示す断面図である。
FIG. 7 is a cross-sectional view showing a fifth step in the process of manufacturing the superlattice semiconductor light emitting device 10 of FIG.

【図8】 図1の超格子半導体発光素子10の製造工程
のうちの第6の工程を示す断面図である。
8 is a cross-sectional view showing a sixth step in the process of manufacturing the superlattice semiconductor light emitting device 10 of FIG.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

10…超格子半導体発光素子、 11,12…電極、 11h…光出力孔、 13…キャップ層、 14…クラッド層、 15…真性半導体i層、 16…クラッド層、 17…バッファ層、 20…半導体基板、 21…障壁層、 22…量子井戸層、 23…活性層、 30…可変電圧直流電源。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Super lattice semiconductor light emitting element, 11 and 12 ... Electrode, 11h ... Light output hole, 13 ... Cap layer, 14 ... Cladding layer, 15 ... Intrinsic semiconductor i layer, 16 ... Cladding layer, 17 ... Buffer layer, 20 ... Semiconductor Substrate, 21: barrier layer, 22: quantum well layer, 23: active layer, 30: variable voltage DC power supply.

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────────────────────────────────────────────────── ───

【手続補正書】[Procedure amendment]

【提出日】平成11年4月19日[Submission date] April 19, 1999

【手続補正1】[Procedure amendment 1]

【補正対象書類名】明細書[Document name to be amended] Statement

【補正対象項目名】特許請求の範囲[Correction target item name] Claims

【補正方法】変更[Correction method] Change

【補正内容】[Correction contents]

【特許請求の範囲】[Claims]

【手続補正2】[Procedure amendment 2]

【補正対象書類名】明細書[Document name to be amended] Statement

【補正対象項目名】0006[Correction target item name] 0006

【補正方法】変更[Correction method] Change

【補正内容】[Correction contents]

【0006】[0006]

【課題を解決するための手段】本発明に係る請求項1記
載の超格子半導体発光素子は、2つの電極間に、超格子
構造を有する真性半導体層を備え、バイアス電圧が印加
されてなる超格子半導体素子において、上記真性半導体
層は、第1の障壁層と量子井戸層と第2の障壁層と活性
層とを順に形成してなる1周期分の層を複数周期積層す
ることにより形成されてなり、上記量子井戸層の量子化
準位Γ1と、それに隣接する上記活性層の量子化準位L
1及びΓ2とが実質的に同一のエネルギーレベルとなる
ように、上記量子井戸層及び上記活性層の各厚さ又は各
組成比が設定され、上記量子井戸層の量子化準位Γ1に
存在する電子を、それに隣接する上記活性層の量子化準
位L1及びΓ2に遷移させた後、当該活性層の量子化準
位Γ2からその量子化準位Γ1に遷移させることにより
発光を得ることを特徴とする。
According to a first aspect of the present invention, there is provided a superlattice semiconductor light emitting device comprising an intrinsic semiconductor layer having a superlattice structure between two electrodes, and having a bias voltage applied thereto. In the lattice semiconductor element, the intrinsic semiconductor layer is formed by laminating a plurality of layers for one cycle in which a first barrier layer, a quantum well layer, a second barrier layer, and an active layer are sequentially formed. And the quantization level Γ1 of the quantum well layer and the quantization level L of the active layer adjacent thereto.
The thicknesses or the composition ratios of the quantum well layer and the active layer are set so that 1 and 実 質 2 have substantially the same energy level, and exist at the quantization level に 1 of the quantum well layer. After transitioning electrons to the quantization levels L1 and Γ2 of the active layer adjacent thereto, light is emitted by transitioning from the quantization level Γ2 of the active layer to the quantization level Γ1. And

【手続補正3】[Procedure amendment 3]

【補正対象書類名】明細書[Document name to be amended] Statement

【補正対象項目名】0007[Correction target item name] 0007

【補正方法】変更[Correction method] Change

【補正内容】[Correction contents]

【0007】また、請求項2記載の超格子半導体発光素
子は、請求項1記載の超格子半導体発光素子において、
上記真性半導体層は、真性半導体i層であり、上記超格
子半導体発光素子は、上記2つの電極の間に、上記真性
半導体i層を挟設するp型半導体層とn型半導体層をさ
らに備え、上記超格子半導体発光素子はpin型ダイオ
ード素子であり、上記バイアス電圧は逆バイアス電圧で
あることを特徴とする。
A superlattice semiconductor light emitting device according to a second aspect is the superlattice semiconductor light emitting device according to the first aspect.
The intrinsic semiconductor layer is an intrinsic semiconductor i layer, and the superlattice semiconductor light emitting device further includes a p-type semiconductor layer and an n-type semiconductor layer sandwiching the intrinsic semiconductor i layer between the two electrodes. The superlattice semiconductor light emitting device is a pin diode device, and the bias voltage is a reverse bias voltage.

【手続補正4】[Procedure amendment 4]

【補正対象書類名】明細書[Document name to be amended] Statement

【補正対象項目名】0009[Correction target item name] 0009

【補正方法】変更[Correction method] Change

【補正内容】[Correction contents]

【0009】またさらに、本発明に係る請求項4記載の
超格子半導体発光素子は、2つの電極間に、超格子構造
を有する超格子半導体層を備え、バイアス電圧が印加さ
れてなる超格子半導体素子において、上記超格子半導体
層は、第1の障壁層と量子井戸層と第2の障壁層と活性
層とを順に形成してなる1周期分の層を複数周期積層す
ることにより形成されてなり、上記量子井戸層の量子化
準位Γ1と、それに隣接する上記活性層の量子化準位L
1及びΓ2とが実質的に同一のエネルギーレベルとなる
ように、上記量子井戸層及び上記活性層の各厚さ又は各
組成比が設定され、かつ上記量子井戸層に所定の不純物
を1×1016乃至1×1018/cm3だけドープしてn
型半導体層とし、上記量子井戸層の量子化準位Γ1に存
在する電子を、それに隣接する上記活性層の量子化準位
L1及びΓ2に遷移させた後、当該活性層の量子化準位
Γ2からその量子化準位Γ1に遷移させることにより発
光を得ることを特徴とする。
A superlattice semiconductor light emitting device according to a fourth aspect of the present invention further comprises a superlattice semiconductor layer having a superlattice structure between two electrodes, wherein a superlattice semiconductor is applied with a bias voltage. In the device, the superlattice semiconductor layer is formed by laminating a plurality of layers of one cycle in which a first barrier layer, a quantum well layer, a second barrier layer, and an active layer are sequentially formed. And the quantization level Γ1 of the quantum well layer and the quantization level L of the active layer adjacent thereto.
Each thickness or each composition ratio of the quantum well layer and the active layer is set so that 1 and 12 have substantially the same energy level, and a predetermined impurity is added to the quantum well layer by 1 × 10 4. Doping by 16 to 1 × 10 18 / cm 3 and n
After the electrons present at the quantization level Γ1 of the quantum well layer are transited to the quantization levels L1 and Γ2 of the active layer adjacent thereto, the quantization level Γ2 of the active layer is formed. The light emission is obtained by making a transition to the quantized level Γ1 from.

【手続補正5】[Procedure amendment 5]

【補正対象書類名】明細書[Document name to be amended] Statement

【補正対象項目名】0011[Correction target item name] 0011

【補正方法】変更[Correction method] Change

【補正内容】[Correction contents]

【0011】さらに、請求項6記載の超格子半導体発光
素子は、請求項2記載の超格子半導体発光素子におい
て、上記p型半導体層を介して真性半導体i層に光が入
射されたときに、光が入射された量子井戸層の荷電子帯
の電子を、当該量子井戸層以外の量子井戸層の量子化準
位Γ1に遷移させ、その後、それに隣接する上記活性層
の量子化準位L1及びΓ2に遷移させた後、当該活性層
の量子化準位Γ2からその量子化準位Γ1に遷移させる
ことにより発光を得ることを特徴とする。
Further, the superlattice semiconductor light emitting device according to claim 6 is the superlattice semiconductor light emitting device according to claim 2, wherein when light is incident on the intrinsic semiconductor i layer via the p-type semiconductor layer, The electrons in the valence band of the quantum well layer to which the light is incident are caused to transition to the quantization level Γ1 of the quantum well layer other than the quantum well layer, and thereafter, the quantization levels L1 and L1 of the active layer adjacent thereto are set. After the transition to # 2, light emission is obtained by transitioning from the quantization level # 2 of the active layer to the quantization level # 1.

【手続補正6】[Procedure amendment 6]

【補正対象書類名】明細書[Document name to be amended] Statement

【補正対象項目名】0012[Correction target item name] 0012

【補正方法】変更[Correction method] Change

【補正内容】[Correction contents]

【0012】また、請求項7記載の超格子半導体発光素
子は、請求項1、2、3、5又は6記載の超格子半導体
発光素子において、上記真性半導体層を挟設し、上記真
性半導体層で発光した光のうちの少なくとも一部の光を
反射するように互いに対向して設けられた2つの反射面
を備えることによりレーザー発振することを特徴とす
る。
The superlattice semiconductor light emitting device according to claim 7 is the superlattice semiconductor light emitting device according to claim 1, wherein the intrinsic semiconductor layer is interposed between the superlattice semiconductor light emitting device and the intrinsic semiconductor layer. It is characterized in that laser oscillation is provided by providing two reflecting surfaces provided to face each other so as to reflect at least a part of the light emitted in step (1).

【手続補正7】[Procedure amendment 7]

【補正対象書類名】明細書[Document name to be amended] Statement

【補正対象項目名】0013[Correction target item name] 0013

【補正方法】変更[Correction method] Change

【補正内容】[Correction contents]

【0013】さらに、請求項8記載の超格子半導体発光
素子は、請求項1、2、3、5又は6記載の超格子半導
体発光素子において、上記真性半導体層は結晶成長法を
用いて形成され、上記超格子半導体発光素子は、上記真
性半導体層を挟設し、上記真性半導体層で発光した光の
うちの少なくとも一部の光を反射するように互いに対向
して設けられた2つの反射面を備えることによりレーザ
ー発振し、上記2つの反射面は、上記真性半導体層を結
晶成長法を用いて形成されるときに、AlGaAs層又
はAlAs層の2つの層を上記真性半導体層を挟設する
ように形成し、上記真性半導体層を形成した後、上記超
格子半導体発光素子に対して酸化処理してAl23から
なる高反射膜を形成することにより形成されたことを特
徴とする。また、請求項9記載の超格子半導体発光素子
は、請求項4記載の超格子半導体発光素子において、上
記超格子半導体層を挟設し、上記超格子半導体層で発光
した光のうちの少なくとも一部の光を反射するように互
いに対向して設けられた2つの反射面を備えることによ
りレーザー発振することを特徴とする。さらに、請求項
10記載の超格子半導体発光素子は、請求項4記載の超
格子半導体発光素子において、上記超格子半導体層は結
晶成長法を用いて形成され、上記超格子半導体発光素子
は、上記超格子半導体層を挟設し、上記超格子半導体層
で発光した光のうちの少なくとも一部の光を反射するよ
うに互いに対向して設けられた2つの反射面を備えるこ
とによりレーザー発振し、上記2つの反射面は、上記超
格子半導体層を結晶成長法を用いて形成されるときに、
AlGaAs層又はAlAs層の2つの層を上記超格子
半導体層を挟設するように形成し、上記超格子半導体層
を形成した後、上記超格子半導体発光素子に対して酸化
処理してAl23からなる高反射膜を形成することによ
り形成されたことを特徴とする。
The superlattice semiconductor light emitting device according to claim 8 is the superlattice semiconductor light emitting device according to claim 1, 2, 3, 5 or 6, wherein the intrinsic semiconductor layer is formed by using a crystal growth method. The superlattice semiconductor light-emitting element has two reflecting surfaces provided so as to sandwich the intrinsic semiconductor layer and to reflect at least a part of light emitted from the intrinsic semiconductor layer. And the two reflecting surfaces sandwich the intrinsic semiconductor layer between two layers of an AlGaAs layer or an AlAs layer when the intrinsic semiconductor layer is formed using a crystal growth method. After forming the intrinsic semiconductor layer as described above, the superlattice semiconductor light emitting device is oxidized to form a highly reflective film made of Al 2 O 3 . A superlattice semiconductor light emitting device according to a ninth aspect is the superlattice semiconductor light emitting device according to the fourth aspect, wherein the superlattice semiconductor layer is interposed, and at least one of the light emitted from the superlattice semiconductor layer is provided. Laser oscillation is provided by providing two reflecting surfaces provided to face each other so as to reflect light of the portion. Further, the superlattice semiconductor light emitting device according to claim 10 is the superlattice semiconductor light emitting device according to claim 4, wherein the superlattice semiconductor layer is formed by using a crystal growth method, A superlattice semiconductor layer is interposed, and laser oscillation is provided by providing two reflecting surfaces provided to face each other so as to reflect at least a part of light emitted by the superlattice semiconductor layer, The two reflecting surfaces are formed when the superlattice semiconductor layer is formed using a crystal growth method.
Two layers of an AlGaAs layer or an AlAs layer are formed so as to sandwich the superlattice semiconductor layer. After forming the superlattice semiconductor layer, the superlattice semiconductor light emitting device is oxidized to form Al 2 O. 3 is formed by forming a high reflection film.

【手続補正8】[Procedure amendment 8]

【補正対象書類名】明細書[Document name to be amended] Statement

【補正対象項目名】0015[Correction target item name] 0015

【補正方法】変更[Correction method] Change

【補正内容】[Correction contents]

【0015】<実施形態>図1は、本発明に係る一実施
形態である超格子半導体発光素子10を示す断面図であ
る。本実施形態の超格子半導体発光素子は、図1に示す
ように、超格子構造を有する真性半導体i層15を備え
たヘテロ接合pin型ダイオード半導体素子であり、こ
こで、真性半導体i層15は、障壁層21と量子井戸層
22と障壁層21(以下、2つの障壁層を障壁層21と
いう。)と活性層23とを順に形成してなる1周期分の
層を複数周期積層することにより形成されてなる。ま
た、量子井戸層22の量子化準位Γ1と、それに隣接す
る活性層23の量子化準位L1及びΓ2とが実質的に同
一のエネルギーレベルとなるように、量子井戸層22及
び活性層23の各厚さが設定され、量子井戸層22の量
子化準位Γ1に存在する電子を、それに隣接する活性層
23の量子化準位L1及びΓ2に遷移させた後、当該活
性層23の量子化準位Γ2からその量子化準位Γ1に遷
移させることにより発光を得ることを特徴としている。
<Embodiment> FIG. 1 is a sectional view showing a superlattice semiconductor light emitting device 10 according to an embodiment of the present invention. As shown in FIG. 1, the superlattice semiconductor light emitting device of the present embodiment is a heterojunction pin type diode semiconductor device including an intrinsic semiconductor i layer 15 having a superlattice structure. The barrier layer 21, the quantum well layer 22, the barrier layer 21 (hereinafter, the two barrier layers are referred to as the barrier layer 21), and the active layer 23 are sequentially formed, and a layer for one cycle is laminated in plural cycles. Be formed. Also, the quantum well layer 22 and the active layer 23 are set such that the quantization level Γ1 of the quantum well layer 22 and the quantization levels L1 and Γ2 of the active layer 23 adjacent thereto have substantially the same energy level. After the electron existing at the quantization level Γ1 of the quantum well layer 22 is shifted to the quantization levels L1 and Γ2 of the active layer 23 adjacent thereto, the thickness of the active layer 23 is changed. It is characterized in that light emission is obtained by making a transition from the quantized level # 2 to the quantized level # 1.

【手続補正9】[Procedure amendment 9]

【補正対象書類名】明細書[Document name to be amended] Statement

【補正対象項目名】0021[Correction target item name] 0021

【補正方法】変更[Correction method] Change

【補正内容】[Correction contents]

【0021】以上のように構成された超格子半導体発光
素子10においては、逆バイアス電圧を電極11,12
間に印加したときに、量子井戸層22の量子化準位Γ1
と、それに隣接する活性層23の量子化準位L1及びΓ
2とが実質的に同一のエネルギーレベルとなるように、
量子井戸層22及び活性層23の各厚さが設定され、量
子井戸層22の量子化準位Γ1に存在する電子を、それ
に隣接する活性層23の量子化準位L1及びΓ2に遷移
させた後、当該活性層23の量子化準位Γ2からその量
子化準位Γ1に遷移させることにより発光を得る。さら
には、真性半導体i層15では、複数周期積層されてい
るので、周期分にわたって発光が生じ、大きな発光強度
を有する発光を得ることができる。ここで、放出される
光は、活性層23の量子化準位Γ2から量子化準位Γ1
に遷移したときの差のエネルギーに対応した波長を有す
る光である。
In the superlattice semiconductor light emitting device 10 configured as described above, a reverse bias voltage is applied to the electrodes 11 and 12.
When the voltage is applied in between, the quantization level of the quantum well layer 22 Γ1
And the quantization levels L1 and Γ of the active layer 23 adjacent thereto.
2 so that they have substantially the same energy level,
Each thickness of the quantum well layer 22 and the active layer 23 is set, and electrons existing at the quantization level Γ1 of the quantum well layer 22 are transited to the quantization levels L1 and の 2 of the active layer 23 adjacent thereto. Thereafter, light emission is obtained by making a transition from the quantization level # 2 of the active layer 23 to the quantization level # 1. Further, since the intrinsic semiconductor i-layer 15 is stacked in a plurality of cycles, light emission occurs over a period, and light emission having a large light emission intensity can be obtained. Here, the emitted light changes from the quantization level # 2 of the active layer 23 to the quantization level # 1.
Is light having a wavelength corresponding to the energy of the difference at the time of transition to.

【手続補正10】[Procedure amendment 10]

【補正対象書類名】明細書[Document name to be amended] Statement

【補正対象項目名】0026[Correction target item name] 0026

【補正方法】変更[Correction method] Change

【補正内容】[Correction contents]

【0026】以上の実施形態では、逆バイアス電圧の印
加による電子を利用して発光させているが,本発明はこ
れに限らず、光出力孔11bを介して所定の強度を有す
る光を入射し、光が入射された量子井戸層22の荷電子
帯の電子を、当該量子井戸層22以外の量子井戸層22
の量子化準位Γ1に遷移させ、その後、それに隣接する
上記活性層の量子化準位L1及びΓ2に遷移させた後、
当該活性層の量子化準位Γ2からその量子化準位Γ1に
遷移させることにより発光を得るようにしてもよい。す
なわち、電極11,12の間に所定の逆バイアス電圧を
印加して、かつ図1に示すように電極11の孔11bか
らp型キャップ層13及びi型クラッド層14とを介し
て、真性半導体i層15の量子井戸層22に光を入射す
ると、超格子構造を有する真性半導体i層15は、以下
のような動作をする。すなわち、量子井戸層22の価電
子帯の電子は、入射された光によって励起されて量子井
戸層22の第1の量子化準位Γ1点に遷移する。これに
よって、量子井戸層22の第1の量子化準位Γ1点に電
子であるキャリアが生成される。量子井戸層22の第1
の量子化準位Γ1点に励起された電子は、上述と同様
に、それに隣接する活性層23の量子化準位L1及びΓ
2に遷移させた後、当該活性層23の量子化準位Γ2か
らその量子化準位Γ1に遷移させることにより発光を得
る。
In the above embodiment, light is emitted using electrons generated by application of a reverse bias voltage. However, the present invention is not limited to this, and light having a predetermined intensity is incident through the light output hole 11b. The electrons in the valence band of the quantum well layer 22 to which light is incident are transferred to the quantum well layers 22 other than the quantum well layer 22.
After transition to the quantization level Γ1 of the active layer, and then to the quantization levels L1 and Γ2 of the active layer adjacent thereto.
Light emission may be obtained by making a transition from the quantization level # 2 of the active layer to the quantization level # 1. That is, a predetermined reverse bias voltage is applied between the electrodes 11 and 12, and the intrinsic semiconductor is formed from the hole 11b of the electrode 11 through the p-type cap layer 13 and the i-type clad layer 14 as shown in FIG. When light is incident on the quantum well layer 22 of the i-layer 15, the intrinsic semiconductor i-layer 15 having a superlattice structure operates as follows. That is, electrons in the valence band of the quantum well layer 22 are excited by the incident light and transit to the first quantization level Γ1 point of the quantum well layer 22. As a result, carriers that are electrons are generated at the first quantization level Γ1 point of the quantum well layer 22. First of the quantum well layer 22
The electrons excited at the quantization level Γ1 point of the active layer 23 have the quantization levels L1 and Γ of the active layer 23 adjacent thereto, as described above.
After the transition to 2, the light emission is obtained by transition from the quantization level # 2 of the active layer 23 to the quantization level # 1.

【手続補正11】[Procedure amendment 11]

【補正対象書類名】明細書[Document name to be amended] Statement

【補正対象項目名】0036[Correction target item name] 0036

【補正方法】変更[Correction method] Change

【補正内容】[Correction contents]

【0036】[0036]

【発明の効果】以上詳述したように本発明に係る超格子
半導体発光素子によれば、2つの電極間に、超格子構造
を有する真性半導体層を備え、バイアス電圧が印加され
てなる超格子半導体素子において、上記真性半導体層
は、第1の障壁層と量子井戸層と第2の障壁層と活性層
とを順に形成してなる1周期分の層を複数周期積層する
ことにより形成されてなり、上記量子井戸層の量子化準
位Γ1と、それに隣接する上記活性層の量子化準位L1
及びΓ2とが実質的に同一のエネルギーレベルとなるよ
うに、上記量子井戸層及び上記活性層の各厚さ又は各組
成比が設定され、上記量子井戸層の量子化準位Γ1に存
在する電子を、それに隣接する上記活性層の量子化準位
L1及びΓ2に遷移させた後、当該活性層の量子化準位
Γ2からその量子化準位Γ1に遷移させることにより発
光を得る。従って、電子の有効質量が異なる2種類の量
子井戸層及び活性層と障壁層とが積層されてなる真性半
導体層を備え、所定のバイアス電圧が印加されたとき
に、活性層の第2と第1の量子化準位Γ2,Γ1間の差
のエネルギーに対応する波長を有する光を発生して出力
することができる。また、実施形態の超格子半導体発光
素子においては、超格子の周期が一定の簡単な周期構造
の真性半導体層を用いて構成しているので、従来のサブ
バンド間遷移を用いた量子カスケードレーザーに比較し
て、安価に作製することができる。さらに室温において
も、安定な反転分布が得られるので、反射面を有するレ
ーザー構造素子では室温発振も可能である。
As described above in detail, according to the superlattice semiconductor light emitting device of the present invention, a superlattice having an intrinsic semiconductor layer having a superlattice structure between two electrodes and being applied with a bias voltage is provided. In the semiconductor device, the intrinsic semiconductor layer is formed by laminating a plurality of layers for one cycle in which a first barrier layer, a quantum well layer, a second barrier layer, and an active layer are sequentially formed. And the quantization level Γ1 of the quantum well layer and the quantization level L1 of the active layer adjacent thereto.
And the thicknesses or composition ratios of the quantum well layer and the active layer are set so that the energy levels of the quantum well layer and the active layer become substantially the same, and the electrons existing at the quantization level Γ1 of the quantum well layer are set. Is shifted to the quantization levels L1 and Γ2 of the active layer adjacent thereto, and then the light is obtained by shifting from the quantization level Γ2 of the active layer to the quantization level Γ1. Therefore, the semiconductor device includes an intrinsic semiconductor layer in which two types of quantum well layers having different effective masses of electrons and an active layer and a barrier layer are stacked, and when a predetermined bias voltage is applied, the second and third active layers are formed. Light having a wavelength corresponding to the energy of the difference between the quantization levels # 2 and # 1 can be generated and output. In the superlattice semiconductor light emitting device of the embodiment, since the superlattice period is formed using an intrinsic semiconductor layer having a simple periodic structure, the conventional quantum cascade laser using intersubband transition is used. In comparison, it can be manufactured at low cost. Furthermore, since a stable population inversion is obtained even at room temperature, a laser structure element having a reflection surface can also oscillate at room temperature.

【手続補正12】[Procedure amendment 12]

【補正対象書類名】明細書[Document name to be amended] Statement

【補正対象項目名】0037[Correction target item name] 0037

【補正方法】変更[Correction method] Change

【補正内容】[Correction contents]

【0037】また、上記超格子半導体発光素子におい
て、上記超格子半導体発光素子は、上記p型半導体層を
介して真性半導体i層に光が入射されたときに、光が入
射された量子井戸層の荷電子帯の電子を、当該量子井戸
層以外の量子井戸層の量子化準位Γ1に遷移させ、その
後、それに隣接する上記活性層の量子化準位L1及びΓ
2に遷移させた後、当該活性層の量子化準位Γ2からそ
の量子化準位Γ1に遷移させることにより発光を得る。
従って、電子の有効質量が異なる2種類の量子井戸層及
び活性層と障壁層とが積層されてなる真性半導体層を備
え、所定のバイアス電圧が印加されたときに、活性層の
第2と第1の量子化準位Γ2,Γ1間の差のエネルギー
に対応する波長を有する光を発生して出力することがで
きる。また、実施形態の超格子半導体発光素子において
は、超格子の周期が一定の簡単な周期構造の真性半導体
層を用いて構成しているので、従来のサブバンド間遷移
を用いた量子カスケードレーザーに比較して、安価に作
製することができる。さらに室温においても、安定な反
転分布が得られるので、反射面を有するレーザー構造素
子では室温発振も可能である。
In the above-described superlattice semiconductor light emitting device, the superlattice semiconductor light emitting device may be configured such that when light is incident on the intrinsic semiconductor i-layer via the p-type semiconductor layer, the quantum well layer on which the light is incident. Of the valence band of the quantum well layer other than the quantum well layer, and then to the quantization levels L1 and の of the active layer adjacent thereto.
After the transition to 2, the light emission is obtained by transitioning from the quantization level # 2 of the active layer to the quantization level # 1.
Therefore, the semiconductor device includes an intrinsic semiconductor layer in which two types of quantum well layers having different effective masses of electrons and an active layer and a barrier layer are stacked, and when a predetermined bias voltage is applied, the second and third active layers are formed. Light having a wavelength corresponding to the energy of the difference between the quantization levels # 2 and # 1 can be generated and output. In the superlattice semiconductor light emitting device of the embodiment, since the superlattice period is formed using an intrinsic semiconductor layer having a simple periodic structure, the conventional quantum cascade laser using intersubband transition is used. In comparison, it can be manufactured at low cost. Furthermore, since a stable population inversion is obtained even at room temperature, a laser structure element having a reflection surface can also oscillate at room temperature.

───────────────────────────────────────────────────── 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 江上 典文 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 中山 正昭 大阪府大阪市住吉区杉本3丁目3番138号 大阪市立大学工学部応用物理学教室内 ────────────────────────────────────────────────── ─── Continuing on the front page (72) Inventor Naoki Otani 5 Sanraya, Daiya, Seika-cho, Soraku-cho, Kyoto Prefecture AT / IR Research Institute for Environmentally Adaptable Communications (72) Inventor Norifumi Egami Kyoto Prefecture 5 Shiraya, Inaya, Seika-cho, Soraku-gun, Japan A72 R & D Co., Ltd. Environmentally Friendly Communication Research Laboratory (72) Inventor Masaaki Nakayama 3-138 Sugimoto, Sumiyoshi-ku, Osaka-shi, Osaka Prefecture Applied physics, Osaka City University In the classroom

Claims (8)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 2つの電極間に、超格子構造を有する真
性半導体層を備え、逆バイアス電圧が印加されてなる超
格子半導体素子において、 上記真性半導体層は、第1の障壁層と量子井戸層と第2
の障壁層と活性層とを順に形成してなる1周期分の層を
複数周期積層することにより形成されてなり、上記量子
井戸層の量子化準位Γ1と、それに隣接する上記活性層
の量子化準位L1及びΓ1とが実質的に同一のエネルギ
ーレベルとなるように、上記量子井戸層及び上記活性層
の各厚さ又は各組成比が設定され、 上記量子井戸層の量子化準位Γ1に存在する電子を、そ
れに隣接する上記活性層の量子化準位L1及びΓ1に遷
移させた後、当該活性層の量子化準位Γ2からその量子
化準位Γ1に遷移させることにより発光を得ることを特
徴とする超格子半導体発光素子。
1. A superlattice semiconductor device comprising an intrinsic semiconductor layer having a superlattice structure between two electrodes and applied with a reverse bias voltage, wherein the intrinsic semiconductor layer comprises a first barrier layer and a quantum well. Layer and second
Of the quantum well layer, and the quantum level of the active layer adjacent to the quantum well layer Γ1. The thicknesses or composition ratios of the quantum well layer and the active layer are set such that the energy levels L1 and L1 are substantially the same, and the quantization level Γ1 of the quantum well layer is set. Is changed to the quantization level L1 and Γ1 of the active layer adjacent thereto, and then the luminescence is obtained by making a transition from the quantization level Γ2 of the active layer to the quantization level Γ1. A superlattice semiconductor light emitting device, comprising:
【請求項2】 上記真性半導体層は、真性半導体i層で
あり、 上記超格子半導体発光素子は、上記2つの電極の間に、
上記真性半導体i層を挟設するp型半導体層とn型半導
体層をさらに備え、 上記超格子半導体発光素子はpin型ダイオード素子で
あることを特徴とする請求項1記載の超格子半導体発光
素子。
2. The intrinsic semiconductor layer is an intrinsic semiconductor i-layer, and the superlattice semiconductor light emitting device is provided between the two electrodes.
The superlattice semiconductor light emitting device according to claim 1, further comprising a p-type semiconductor layer and an n-type semiconductor layer sandwiching the intrinsic semiconductor i layer, wherein the superlattice semiconductor light emitting device is a pin type diode device. .
【請求項3】 上記真性半導体層は、真性半導体i層で
あり、 上記超格子半導体発光素子は、上記2つの電極の間に、
上記真性半導体i層を挟設する第1のn型半導体層と第
2のn型半導体層をさらに備え、 上記超格子半導体発光素子はnin型半導体素子である
ことを特徴とする請求項1記載の超格子半導体発光素
子。
3. The intrinsic semiconductor layer is an intrinsic semiconductor i-layer, and the superlattice semiconductor light emitting device is provided between the two electrodes.
2. The semiconductor device according to claim 1, further comprising a first n-type semiconductor layer and a second n-type semiconductor layer sandwiching the intrinsic semiconductor i-layer, wherein the superlattice semiconductor light-emitting element is a nin-type semiconductor element. 3. Super-semiconductor semiconductor light emitting device.
【請求項4】 上記量子井戸層に所定の不純物を1×1
16乃至1×1018/cm3だけドープしてn型半導体
層にすることを特徴とする請求項1乃至3のうちの1つ
に記載の超格子半導体発光素子。
4. A method according to claim 1, wherein a predetermined impurity is added to the quantum well layer by 1 × 1.
The superlattice semiconductor light emitting device according to claim 1, wherein the n-type semiconductor layer is doped by doping from 0 16 to 1 × 10 18 / cm 3 .
【請求項5】 上記真性半導体層は、真性半導体i層で
あり、 上記超格子半導体発光素子は、上記2つの電極の間に、
上記真性半導体i層を挟設しかつ、所定の不純物を1×
1016乃至5×1018/cm3の所定の高濃度でドープ
してなる第1のn+型半導体層と第2のn+型半導体層を
さらに備え、 上記超格子半導体発光素子はn+in+型半導体素子であ
ることを特徴とする請求項1記載の超格子半導体発光素
子。
5. The superlattice semiconductor light emitting device, wherein the intrinsic semiconductor layer is an intrinsic semiconductor i layer,
The above intrinsic semiconductor i-layer is interposed and a predetermined impurity is 1 ×
The semiconductor device further includes a first n + -type semiconductor layer and a second n + -type semiconductor layer which are doped at a predetermined high concentration of 10 16 to 5 × 10 18 / cm 3 , and the superlattice semiconductor light-emitting element is n + 2. The super lattice semiconductor light emitting device according to claim 1, wherein the super lattice semiconductor light emitting device is an in + type semiconductor device.
【請求項6】 上記超格子半導体発光素子は、上記p型
半導体層を介して真性半導体i層に光が入射されたとき
に、光が入射された量子井戸層の荷電子帯の電子を、当
該量子井戸層以外の量子井戸層の量子化準位Γ1に遷移
させ、その後、それに隣接する上記活性層の量子化準位
L1及びΓ1に遷移させた後、当該活性層の量子化準位
Γ2からその量子化準位Γ1に遷移させることにより発
光を得ることを特徴とする請求項2記載の超格子半導体
発光素子。
6. The superlattice semiconductor light emitting device, when light enters the intrinsic semiconductor i-layer via the p-type semiconductor layer, emits electrons of the valence band of the quantum well layer to which the light enters. After the transition to the quantization level Γ1 of the quantum well layer other than the quantum well layer, and subsequently to the quantization levels L1 and Γ1 of the active layer adjacent thereto, the quantization level Γ2 of the active layer is changed. 3. The superlattice semiconductor light-emitting device according to claim 2, wherein light emission is obtained by making the transition to the quantization level Γ1 from.
【請求項7】 上記超格子半導体発光素子は、上記真性
半導体層を挟設し、上記真性半導体層で発光した光のう
ちの少なくとも一部の光を反射するように互いに対向し
て設けられた2つの反射面を備えることによりレーザー
発振することを特徴とする請求項1乃至6のうちの1つ
に記載の超格子半導体発光素子。
7. The superlattice semiconductor light-emitting element is provided so as to sandwich the intrinsic semiconductor layer and to face at least a part of light emitted from the intrinsic semiconductor layer so as to reflect at least a part of the light emitted from the intrinsic semiconductor layer. The superlattice semiconductor light emitting device according to claim 1, wherein the superlattice semiconductor light emitting device performs laser oscillation by providing two reflecting surfaces.
【請求項8】 上記真性半導体層は結晶成長法を用いて
形成され、 上記超格子半導体発光素子は、上記真性半導体層を挟設
し、上記真性半導体層で発光した光のうちの少なくとも
一部の光を反射するように互いに対向して設けられた2
つの反射面を備えることによりレーザー発振し、 上記2つの反射面は、上記真性半導体層を結晶成長法を
用いて形成されるときに、AlGaAs層又はAlAs
層の2つの層を上記真性半導体層を挟設するように形成
し、上記真性半導体層を形成した後、上記超格子半導体
発光素子に対して酸化処理してAl23からなる高反射
膜を形成することにより形成されたことを特徴とする請
求項1乃至6のうちの1つに記載の超格子半導体発光素
子。
8. The intrinsic semiconductor layer is formed by using a crystal growth method, and the superlattice semiconductor light emitting element sandwiches the intrinsic semiconductor layer and at least a part of light emitted from the intrinsic semiconductor layer. 2 provided to face each other so as to reflect light
Laser oscillation is provided by providing two reflecting surfaces, and the two reflecting surfaces are formed when the intrinsic semiconductor layer is formed using a crystal growth method.
Two layers are formed so as to sandwich the intrinsic semiconductor layer, and after forming the intrinsic semiconductor layer, the superlattice semiconductor light emitting device is oxidized to form a highly reflective film made of Al 2 O 3. The superlattice semiconductor light emitting device according to claim 1, wherein the superlattice semiconductor light emitting device is formed by forming:
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