半導体発光素子、その製造方法およびその半導体発光素子を用いた半導体レーザジャイロ
【課題】 １．１μｍよりも短波長な発光波長を有する半導体発光素子を提供する。
【解決手段】 半導体レーザは、活性層６を備える。活性層６は、６個の量子ドット層６１と、５個の間隙層６２とを含む。６個の量子ドット層６１および５個の間隙層６２は、交互に積層される。５個の間隙層６２の各々は、ノンドープのＧａＡｓからなる。そして、５個の間隙層６２の各々は、３０〜５０ｎｍの膜厚を有する。６個の量子ドット層６１の各々は、量子ドット６１１とキャップ層６１２とからなる。量子ドット６１１は、ＩｎＡｓからなり、キャップ層６１２は、ＡｌｙＧａ１−ｙＡｓ（ｙ＝０．０５〜０．５）からなる。量子ドット６１１は、１．８〜２．４モノレイヤーのＩｎＡｓをＭＢＥにより結晶成長することにより形成される。
【解決手段】 半導体レーザは、活性層６を備える。活性層６は、６個の量子ドット層６１と、５個の間隙層６２とを含む。６個の量子ドット層６１および５個の間隙層６２は、交互に積層される。５個の間隙層６２の各々は、ノンドープのＧａＡｓからなる。そして、５個の間隙層６２の各々は、３０〜５０ｎｍの膜厚を有する。６個の量子ドット層６１の各々は、量子ドット６１１とキャップ層６１２とからなる。量子ドット６１１は、ＩｎＡｓからなり、キャップ層６１２は、ＡｌｙＧａ１−ｙＡｓ（ｙ＝０．０５〜０．５）からなる。量子ドット６１１は、１．８〜２．４モノレイヤーのＩｎＡｓをＭＢＥにより結晶成長することにより形成される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、半導体発光素子、その製造方法およびその半導体発光素子を用いた半導体レーザジャイロに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
微細加工技術に代表される半導体製造技術の進展によって、集積度の向上に加えて、量子サイズ効果を利用した量子ドットレーザ（Ｑｕａｎｔｕｍ Ｄｏｔ Ｌａｓｅｒ）、および単一電子トランジスタ（Ｓｉｎｇｌｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）等のデバイスが提案されている。
【０００３】
特に、電子のド・ブロイ波長と同程度の寸法（大きさ）を有する量子ドットは、その中に電子を０次元的に閉じ込め、電子のエネルギー準位を離散化、即ち、状態密度をデルタ関数とすることが可能となる。量子ドットは、このような電子の閉じ込め効果（量子サイズ効果）が多岐に渡り顕在化されるため、従来の枠を超越した性能を有するデバイスの基本構造として脚光を浴びている。
【０００４】
このような量子ドットを形成する方法として、Ｓ−Ｋ（Ｓｔｒａｎｓｋｙ−Ｋｒａｓｔａｎｏｖ）モード成長法と呼ばれる自己形成方法が広く知られている（非特許文献１）。通常、薄膜を基板上に形成する場合、その双方の格子定数が一致する基板と薄膜とを用いる必要がある。これは、格子定数が大きく相違すると、エピタキシャル成長時に歪力が生じるため、欠損が生じて薄膜の平面構造が不均一になるためである。
【０００５】
Ｓ−Ｋモード成長法は、上述した薄膜形成における原則とは逆に、格子定数が大きく異なる材料、例えば、基板よりも格子定数が大きく薄膜をエピタキシャル成長させ、エピタキシャル成長時に生じる歪力を積極的に利用して、基板に量子ドットを自己成長させようとする方法である。
【０００６】
Ｓ−Ｋモード成長法を利用して、例えば、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体であるガリウム砒素（ＧａＡｓ）基板の表面に、ＭＢＥ（Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｂｅａｍ Ｅｐｉｔａｘｙ）法により砒素（Ａｓ）分子とインジウム（Ｉｎ）分子とを連続的に供給することにより、均一性に優れた量子ドットを形成することができる。
【０００７】
このような方法により、ＩｎＡｓからなる量子ドットをＧａＡｓからなるキャップ層で覆った量子ドットを活性層に用いた量子ドットレーザが作製されている。そして、この量子ドットレーザは、その発振波長が１．１μｍ〜１．２μｍの範囲である。
【０００８】
一方、回転する物体の角速度を検出するものとしてジャイロが知られている。その中でも、光ジャイロは、精度が高いという特徴を有する。光ジャイロは、環状の光路を互いに逆方向に進む２つのレーザ光の周波数差を用いて回転する物体の角速度を検出する。このような光ジャイロとして、希ガスレーザを用いた光ジャイロが提案されている（特許文献１）。
【０００９】
これらの光ジャイロでは、同じ経路を互いに逆方向に周回するレーザ光を取り出して干渉縞を形成させる。図２１は、光ジャイロの一般的な構成を示す図である。図２１に示す光ジャイロにおいて、干渉縞は、次の式によって表される。
【００１０】
【数１】
式（１）において、Ｉ０は、レーザ光の強度であり、λは、レーザ光の波長である。また、εは、図２１に示す角度であり、χは、図２１に示すＸ方向の座標である。Δωは、ジャイロが回転したときの時計回りのモードと反時計回りのモードとの周波数差であり、ｔは、時刻である。
【００１１】
Δωは、ジャイロの回転の角速度Ωと比例関係にある。即ち、Δω＝４ＡΩ／（Ｌ１λ）である。ここで、Ａは、リング形状の囲む面積であり、Ｌ１は、光路長である。φは、２つのレーザ光の初期の位相差を表す。
【００１２】
このジャイロでは、干渉縞の移動速度および移動方向を検出することによって、回転する物体の回転速度および回転方向が検出される。
【００１３】
しかし、希ガスレーザを用いた光ジャイロは、駆動に高電圧が必要であり、消費電力が大きいという問題、および装置が大きく、熱に弱いという問題がある。
【００１４】
このような問題を解決するジャイロとして、環状の導波路を備える半導体リングレーザを用いたジャイロが提案されている（特許文献２）。このジャイロにおいて用いられている半導体レーザは、ほぼ一定の幅の環状の導波路を備える。そして、その環状の導波路を互いに反対方向に周回する２つのレーザ光を外部に取り出して、その干渉縞を検出する。
【００１５】
しかし、細い導波路を用いて閉じ込められたレーザ光は、導波路の外部に出射する際に大きく広がってしまうため、実際に干渉縞を精度よく検出することは困難である。そのため、半導体レーザを用いるジャイロでは、半導体レーザの２つの電極間の電圧変化から、２つのレーザ光の周波数差に対応するビート周波数を検出するジャイロ（特許文献３）、および共振器の端面からしみ出したエバネッセント光を用いてビート周波数を検出するジャイロ（特許文献４）が一般的である。
【非特許文献１】ディー・レオナルド（D. Leonard）他４名著，「応用物理学論文集vol.63（Applied Physics Letters Volume 63）」， １９９３年１２月６日，ｐｐ．３２０３−３２０５．
【特許文献１】特開平１１−３５１８８１号公報
【特許文献２】特開２０００−２３０８３１号公報
【特許文献３】特開平４−１７４３１７号公報
【特許文献４】特開２０００−１２１３６７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
しかし、従来の量子ドットレーザは、ＩｎＡｓからなる量子ドットとＧａＡｓからなるキャップ層とを用いているため、その発振波長を１．１μｍ〜１．２μｍよりも短くすることが困難であるという問題がある。
【００１７】
また、従来の半導体レーザを用いたジャイロでは、精度が低いという問題がある。
【００１８】
そこで、この発明は、かかる問題を解決するためになされたものであり、その目的は、１．１μｍよりも短波長な発光波長を有する半導体発光素子を提供することである。
【００１９】
また、この発明の別の目的は、１．１μｍよりも短波長な発光波長を有する半導体発光素子の製造方法を提供することである。
【００２０】
更に、この発明の別の目的は、精度が高いジャイロを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００２１】
この発明によれば、半導体発光素子は、第１の波長よりも短い第２の波長を発光する半導体発光素子であって、第１のバリア層と、活性層と、第２のバリア層とを備える。活性層は、第１のバリア層に接して形成される。第２のバリア層は、活性層に接して形成される。そして、活性層は、量子ドットと、キャップ層とを含む。キャップ層は、量子ドットを覆うように形成され、第１の波長を発光するときの第１のバンドギャップよりも大きい第２のバンドギャップを有する。
【００２２】
好ましくは、キャップ層は、ガリウム砒素よりも大きいバンドギャップを有する化合物半導体からなる。
【００２３】
好ましくは、キャップ層は、アルミニウム、ガリウムおよび砒素を含む化合物半導体からなる。
【００２４】
好ましくは、ガリウムの含有量に対するアルミニウムの含有量の比は、０．０５〜１．０の範囲である。
【００２５】
好ましくは、量子ドットは、インジウムおよび砒素を含む化合物半導体からなる。
【００２６】
好ましくは、量子ドットは、ガリウム、インジウムおよび砒素を含む化合物半導体からなる。
【００２７】
好ましくは、活性層は、複数の発光層を含む。そして、複数の発光層の各々は、量子ドットとキャップ層とからなる。
【００２８】
また、この発明によれば、半導体発光素子の製造方法は、第１の波長よりも短い第２の波長を発光する半導体発光素子の製造方法であって、半導体の表面に複数の材料を供給して膜を成長させて量子ドットを形成する第１のステップと、第１の波長を発光するときの第１のバンドギャップよりも大きい第２のバンドギャップを有するキャップ層を量子ドットを覆うように形成する第２のステップとを備える半導体発光素子の製造方法である。
【００２９】
好ましくは、キャップ層は、ガリウム砒素よりも大きいバンドギャップを有する化合物半導体からなる。
【００３０】
好ましくは、量子ドットの形成温度は、キャップ層の形成温度よりも低い。
【００３１】
好ましくは、半導体発光素子の製造方法は、第２のステップの後、量子ドットおよびキャップ層を熱処理する第３のステップをさらに備える。
【００３２】
好ましくは、熱処理の温度は、量子ドットの形成温度よりも高い。
【００３３】
好ましくは、熱処理の温度は、量子ドットおよびキャップ層の形成温度よりも高い。
【００３４】
好ましくは、化合物半導体は、アルミニウム、ガリウムおよび砒素を含む。
【００３５】
好ましくは、ガリウムの含有量に対するアルミニウムの含有量の比は、０．０５〜１．０の範囲である。
【００３６】
好ましくは、量子ドットは、インジウムおよび砒素を含む化合物半導体からなる。
【００３７】
更に、この発明によれば、半導体レーザジャイロは、半導体レーザと、光検出器とを備える。半導体レーザは、第１および第２のレーザ光を出射する活性層と活性層にキャリアを注入する第１および第２の電極とを含む。光検出器は、第１および第２のレーザ光によって干渉縞が形成される位置に配置される。半導体レーザの活性層は、量子ドットと、キャップ層とを含む。キャップ層は、量子ドットを覆うように形成され、基準波長を発光するときの第１のバンドギャップよりも大きい第２のバンドギャップを有する。そして、第１のレーザ光は、活性層内においてリング形状の経路上を周回するレーザ光の一部が出射されたレーザ光である。また、第２のレーザ光は、経路上を第１のレーザ光と逆の方向に周回するレーザ光の一部が出射されたレーザ光である。更に、キャップ層は、ガリウム砒素よりも大きいバンドギャップを有する化合物半導体からなる。
【発明の効果】
【００３８】
この発明による半導体発光素子においては、量子ドットを覆うように形成されるキャップ層は、第１の波長を発光するときの第１のバンドギャップよりも大きい第２のバンドギャップを有する。従って、電子および正孔は、キャップ層のバンドギャップが第１のバンドギャップである場合よりも量子ドットへ効率的に閉じ込められ、電子および正孔の量子ドット中のエネルギー準位が高くなる。
【００３９】
従って、この発明によれば、従来よりも短波長な光を発光できる。
【００４０】
また、この発明による半導体発光素子の製造方法においては、量子ドットおよびキャップ層の形成後、量子ドットおよびキャップ層を熱処理するので、キャップ層の構成元素の一部が量子ドット中へ拡散し、量子ドットのバンドギャップが大きくなる。
【００４１】
従って、この発明によれば、従来よりも短波長な光を発光する半導体発光素子を容易に作製できる。
【００４２】
更に、この発明による半導体レーザジャイロにおいては、半導体レーザは、従来よりも短波長な２つのレーザ光を発振するので、光検出器が検出する２つのレーザ光の周波数差がより大きくなり、光検出器の位置における光強度がより強くなる。その結果、干渉縞の移動速度および移動方向の検出精度が高くなる。
【００４３】
従って、この発明によれば、半導体レーザジャイロの精度を向上できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４４】
本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰返さない。
【００４５】
図１は、この発明の実施の形態による半導体レーザの断面構造図である。この発明の実施の形態による半導体レーザ１０は、負極電極１と、基板２と、バッファ層３と、クラッド層４，８と、バリア層５，７と、活性層６と、コンタクト層９と、正極電極１１とを備える。
【００４６】
負極電極１は、基板２の一主面に形成される。バッファ層３は、負極電極１と反対側の基板２の一主面に形成される。クラッド層４は、バッファ層３上にバッファ層３に接して形成される。
【００４７】
バリア層５は、クラッド層４上にクラッド層４に接して形成される。活性層６は、バリア層５上にバリア層５に接して形成される。バリア層７は、活性層６上に活性層６に接して形成される。クラッド層８は、バリア層７上にバリア層７に接して形成される。コンタクト層９は、クラッド層８上にクラッド層８に接して形成される。正極電極１１は、コンタクト層９上にコンタクト層９に接して形成される。
【００４８】
負極電極１は、ＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕからなる。基板２は、シリコン（Ｓｉ）がドープされた（１００）面を有するＧａＡｓからなる。バッファ層３は、１×１０１８ｃｍ−３のＳｉがドープされたｎ型ＧａＡｓからなる。クラッド層４は、１×１０１７ｃｍ−３のＳｉがドープされたｎ型ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ（ｘ＝０．２〜０．９）からなる。
【００４９】
バリア層５，７の各々は、ノンドープのＧａＡｓからなる。クラッド層８は、５×１０１７ｃｍ−３のベリリウム（Ｂｅ）がドープされたｐ型ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ（ｘ＝０．２〜０．９）からなる。コンタクト層９は、２×１０１９ｃｍ−３よりも多くのＢｅがドープされたｐ型ＧａＡｓからなる。正極電極１１は、Ｔｉ／Ｐｔ／ＡｕまたはＡｕ／Ｚｎ／Ａｕ（０．０１μｍ／０．０１μｍ／０．３μｍ）からなる。
【００５０】
バッファ層３の膜厚は、３００ｎｍであり、クラッド層４の膜厚は、１５００ｎｍであり、バリア層５，７の各々の膜厚は、８０ｎｍであり、クラッド層８の膜厚は、１５００ｎｍであり、コンタクト層９の膜厚は、２００ｎｍである。
【００５１】
負極電極１の膜厚は、全体で０．４３μｍである。そして、負極電極１を構成するＡｕＧｅの膜厚は、０．１μｍであり、Ｎｉの膜厚は、０．０３μｍであり、Ａｕの膜厚は、０．３μｍである。正極電極１１の膜厚は、全体で０．７２μｍである。そして、正極電極１１を構成するＴｉの膜厚は、０．０７μｍであり、Ｐｔの膜厚は、０．０５μｍであり、Ａｕの膜厚は０．６μｍである。
【００５２】
図２は、図１に示す活性層６の拡大断面図である。活性層６は、６個の量子ドット層６１と、５個の間隙層６２とからなる。そして、６個の量子ドット層６１および５個の間隙層６２は、交互に積層される。
【００５３】
６個の量子ドット層６１の各々は、量子ドット６１１と、キャップ層６１２とからなる。キャップ層６１２は、量子ドット６１１を覆う。量子ドット６１１は、インジウム砒素（ＩｎＡｓ）からなる。キャップ層６１２は、アルミニウムガリウム砒素（ＡｌｙＧａ１−ｙＡｓ，ｙ：０．０５〜０．５）からなる。この場合、アルミニウムの含有量とガリウムの含有量との比（＝アルミニウムの含有量／ガリウムの含有量）は、０．０５〜１．０の範囲である。
【００５４】
ＩｎＡｓのバンドギャップは、０．３６ｅＶであり、ＡｌｙＧａ１−ｙＡｓのバンドギャップは、アルミニウムの含有量ｙ＝０．０５〜０．５に対して１．４８６〜１．９５ｅＶである。また、量子ドット６１１のサイズは、数十ｎｍである。
【００５５】
量子ドット６１１は、ＩｎＡｓが１．８〜２．４モノレイヤー（１モノレイヤー：略０．５ｎｍ）の範囲で結晶成長されて形成される。キャップ層６１２の膜厚は、３〜２０ｎｍの範囲である。
【００５６】
５個の間隙層６２の各々は、ＧａＡｓからなり、３０ｎｍ〜５０ｎｍの膜厚を有する。
【００５７】
図３は、半導体レーザ１０のクラッド層４、バリア層５、活性層６、バリア層７およびクラッド層８における屈折率の分布を示す図である。クラッド層４，８は、Ａｌの含有量ｘが０．２〜０．９であるＡｌｘＧａ１−ｘＡｓから成るので、屈折率が最も小さい。バリア層５，７は、ＧａＡｓからなるので、クラッド層３，８よりも大きい屈折率を有する。活性層６は、ＩｎＡｓおよびＡｌｙＧａ１−ｙＡｓから成るので、最も大きい屈折率を有する。
【００５８】
このように、クラッド層４、バリア層５、活性層６、バリア層７およびクラッド層８における屈折率の分布は、活性層６を中心にして対称になる。その結果、活性層６において誘導放出により発生した光は、両側に設けられたバリア層５，７およびクラッド層４，８によって光学的に閉じ込められ、レーザ発振のためのしきい値が低下する。
【００５９】
図４は、量子ドット層６１におけるエネルギーバンド図である。図４において、キャップ層６１２→量子ドット６１１→キャップ層６１２へ向かう方向は、図１に示す断面図において、基板２に垂直な方向ではなく、基板２の面内方向ＤＲ１である。
【００６０】
ＡｌｙＧａ１−ｙＡｓ（キャップ層６１２）の伝導帯Ｅｃ１と価電子帯Ｅｖ１とのエネルギー差がバンドギャップＥｇ１に相当し、ＩｎＡｓ（量子ドット６１１）の伝導帯Ｅｃ２と価電子帯Ｅｖ２とのエネルギー差がバンドギャップＥｇ２に相当する。
【００６１】
そして、キャップ層６１２を構成するＡｌｙＧａ１−ｙＡｓは、Ｅｇ１＝１．４２〜１．９８ｅＶのバンドギャップを有し、量子ドット６１１を構成するＩｎＡｓは、Ｅｇ２＝０．３６ｅＶのバンドギャップを有するため、量子ドット６１１を構成するＩｎＡｓの伝導帯Ｅｃ２は、キャップ層６１２の伝導帯Ｅｃ１よりもエネルギー的に低くなり、量子ドット６１１を構成するＩｎＡｓの価電子帯Ｅｖ２は、キャップ層６１２の価電子帯Ｅｖ１よりもエネルギー的に低くなる。
【００６２】
そうすると、キャップ層６１２（＝ＡｌｙＧａ１−ｙＡｓ）の伝導帯Ｅｃ１に存在する電子は、エネルギー的により安定な量子ドット６１１（＝ＩｎＡｓ）へ移動し、キャップ層６１２（＝ＡｌｙＧａ１−ｙＡｓ）の価電子帯Ｅｖ１に存在する正孔は、エネルギー的により安定な量子ドット６１１（＝ＩｎＡｓ）へ移動する。
【００６３】
そして、エネルギー差ΔＥｃが伝導帯側に存在し、エネルギー差ΔＥｖが価電子帯側に存在するので、量子ドット６１１（＝ＩｎＡｓ）へ移動した電子および正孔は、熱励起によって量子ドット６１１（＝ＩｎＡｓ）からキャップ層６１２（＝ＡｌｙＧａ１−ｙＡｓ）へ移動することができず、量子ドット６１１（＝ＩｎＡｓ）中に閉じ込められる。
【００６４】
その結果、量子ドット６１１（＝ＩｎＡｓ）の伝導帯Ｅｃ２側には、サブ準位Ｅｓｕｂ１が形成され、量子ドット６１１（＝ＩｎＡｓ）の価電子帯Ｅｖ２側には、サブ準位Ｅｓｕｂ２が形成される。
【００６５】
サブ準位Ｅｓｕｂ１およびサブ準位Ｅｓｕｂ２は、それぞれ、次の式（２）および式（３）によって表される。
【００６６】
【数２】
【００６７】
【数３】
サブ準位Ｅｓｕｂ１に存在する電子は、サブ準位Ｅｓｕｂ２に存在する正孔と再結合し、サブ準位Ｅｓｕｂ１とサブ準位Ｅｓｕｂ２とのエネルギー差に相当するエネルギーｈνを有する光を発する。そして、再結合によって発生した光により誘導放射が生じ、最終的にレーザ発振に至る。
【００６８】
この発明においては、キャップ層６１２としてＡｌｙＧａ１−ｙＡｓを用いているので、ＧａＡｓをキャップ層６１２に用いた場合よりも伝導帯Ｅｃ側に生じるエネルギー差ΔＥｃおよび価電子帯Ｅｖ側に生じるエネルギー差ΔＥｖが大きくなる。従って、電子および正孔は、ＧａＡｓをキャップ層６１２に用いた場合よりも、量子ドット６１１へ効率的に閉じ込められ、サブ準位Ｅｓｕｂ１，Ｅｓｕｂ２が上昇する。また、サブ準位Ｅｓｕｂ１に存在する電子がサブ準位Ｅｓｕｂ２に存在する正孔と再結合して発生する光のエネルギーｈνは、ｈｃ／λ（ｃ：光速、λ：波長）によって表される。
【００６９】
従って、エネルギー差ΔＥｃ，ΔＥｖが大きくなれば、サブ準位Ｅｓｕｂ１とサブ準位Ｅｓｕｂ２とのエネルギー差が大きくなり、量子ドット６１１中で発光する光の波長λは、より短くなる。
【００７０】
そこで、この発明においては、量子ドット６１１を覆うキャップ層６１２を構成する化合物半導体のバンドギャップをＧａＡｓのバンドギャップよりも大きくすることによって、より短波長のレーザ光を発光する半導体レーザ１０を作製することにしたものである。
【００７１】
図５および図６は、それぞれ、図１に示す半導体レーザ１０の製造工程を示す第１および第２の工程図である。
【００７２】
半導体レーザ１０を構成するバッファ層３、クラッド層４，８、バリア層５，７、活性層６およびコンタクト層９は、ＭＢＥにより形成される。まず、Ｓｉがドープされた（１００）面を有するＧａＡｓからなる基板２が真空チャンバへ導入され、真空チャンバは、約１．３３×１０−８Ｐａまで真空排気される。
【００７３】
そして、基板２の温度は、５４０℃〜５７０℃の範囲に設定され、１．３３×１０−３Ｐａの圧力において、Ｇａ、ＡｓおよびＳｉが固体Ｇａ、固体Ａｓおよび固体Ｓｉからそれぞれ基板２の一主面に照射され、１×１０１８ｃｍ−３のＳｉがドープされたｎ型ＧａＡｓが基板２上に３００ｎｍの膜厚になるまで結晶成長される。この場合、ｎ型ＧａＡｓの成長速度は、６１０ｎｍ／ｈｒである。これにより、基板２上にバッファ層３が形成される（図５の（ａ）参照）。
【００７４】
その後、１．３３×１０−３Ｐａの圧力において、Ａｌ、Ｇａ、ＡｓおよびＳｉが固体Ａｌ、固体Ｇａ、固体Ａｓおよび固体Ｓｉからそれぞれバッファ層３の表面に照射され、１×１０１７ｃｍ−３のＳｉがドープされたｎ型ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓがバッファ層３上に１５００ｎｍの膜厚になるまで結晶成長される。この場合、ｎ型ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓの成長速度は、６１０〜９００ｎｍ／ｈｒである。
【００７５】
ｎ型ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓがバッファ層３上に１５００ｎｍの膜厚になるまで結晶成長されると、ＡｌおよびＳｉの照射がシャッタにより停止され、１．３３×１０−３Ｐａの圧力において、ノンドープのＧａＡｓが８０ｎｍの膜厚になるまで結晶成長される。この場合、ノンドープのＧａＡｓの成長速度は、６１０ｎｍ／ｈｒである。
【００７６】
これにより、クラッド層４およびバリア層５がバッファ層３上に順次堆積される（図５の（ｂ）参照）。
【００７７】
その後、後に詳述する方法によって、活性層６がバリア層５上に形成される（図５の（ｃ）参照）。
【００７８】
そして、活性層６が形成されると、１．３３×１０−３Ｐａの圧力において、ＧａおよびＡｓが固体Ｇａおよび固体Ａｓからそれぞれ活性層６の表面に照射され、ノンドープのＧａＡｓが活性層６上に８０ｎｍの膜厚になるまで結晶成長される。この場合、ノンドープのＧａＡｓの成長速度は、６１０ｎｍ／ｈｒである。これにより、バリア層７が活性層６上に形成される。
【００７９】
その後、１．３３×１０−３Ｐａの圧力において、Ａｌ、Ｇａ、ＡｓおよびＢｅが固体Ａｌ、固体Ｇａ、固体Ａｓおよび固体Ｂｅからそれぞれバリア層７の表面に照射され、５×１０１７ｃｍ−３のＢｅがドープされたｐ型ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓがバリア層７上に１５００ｎｍの膜厚になるまで結晶成長される。これにより、クラッド層８がバリア層７上に形成される。この場合、ｐ型ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓの成長速度は、６１０〜９００ｎｍ／ｈｒである。
【００８０】
引続いて、１．３３×１０−３Ｐａの圧力において、Ｇａ、ＡｓおよびＢｅが固体Ｇａ、固体Ａｓおよび固体ベリリウム（Ｂｅ）からそれぞれクラッド層８の表面に照射され、２×１０１９ｃｍ−３よりも多いＢｅがドープされたｐ型ＧａＡｓがクラッド層８上に２００ｎｍの膜厚になるまで結晶成長される。この場合、ｐ型ＧａＡｓの成長速度は、６１０ｎｍ／ｈｒである。これにより、コンタクト層９がクラッド層８上に形成される。
【００８１】
そうすると、Ａｕ、ＧｅおよびＮｉが真空蒸着により基板２の裏面に順次堆積され、ＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕからなる負極電極１が形成され、Ｔｉ、ＰｔおよびＡｕが真空蒸着によりコンタクト層９上に順次堆積され、Ｔｉ／Ｐｔ／ＡｕまたはＡｕ／Ｚｎ／Ａｕからなる正極電極１１が形成される。
【００８２】
これによって、半導体レーザ１０が完成する（図６の（ｄ）参照）。
【００８３】
図７は、図５の（ｃ）において行なわれる活性層６の形成過程を示す工程図である。
【００８４】
図５の（ｂ）に示す工程によってバリア層５が形成されると、基板２の温度が４７５℃まで降温される。そして、６．６５×１０−４Ｐａの圧力において、ＡｓおよびＩｎがそれぞれ固体Ａｓおよび固体Ｉｎからバリア層５の表面に連続的に照射され、ＩｎＡｓ膜６００が１．７モノレイヤーまで堆積される（図７の（ｃ１）参照）。
【００８５】
この１．７モノレイヤーは、ＩｎＡｓが下地であるバリア層５のＧａＡｓの格子定数（０．５６ｎｍ）と整合するように均一に２軸性結晶歪を受けた状態で２次元的に成長する臨界膜厚（Ｔｃ）である。
【００８６】
そして、ＩｎＡｓが１．７モノレイヤーまで結晶成長すると、ＩｎＡｓ膜６００の全面に歪が生じるよりも、グレインを局所的に発生させる方が結晶学的に安定化する。従って、６．６５×１０−４Ｐａの圧力において、１．７モノレイヤーのＩｎＡｓが結晶成長すると、グレイン６１０がＩｎＡｓ膜６００の表面に形成される（図７の（ｃ２）参照）。
【００８７】
その後、ＡｓおよびＩｎをバリア層５の表面に供給することによって、グレイン６１０が大きくなり、最終的に量子ドット６１１がバリア層５上に形成される（図７の（ｃ３）参照）。
【００８８】
量子ドット６１１がバリア層５上に形成されると、基板２の温度は、５４０℃〜５７０℃の範囲に昇温される。そして、１．３３×１０−３Ｐａの圧力において、Ａｌ、ＧａおよびＡｓがそれぞれ固体Ａｌ、固体Ｇａおよび固体Ａｓからそれぞれ量子ドット６１１の表面に供給され、ＡｌｙＧａ１−ｙＡｓが３〜２０ｎｍの膜厚になるまで結晶成長される。これによって、キャップ層６１２が量子ドット６１１を覆うように形成される（図７の（ｃ４）参照）。
【００８９】
その後、１．３３×１０−３Ｐａの圧力において、ＧａおよびＡｓがそれぞれ固体Ｇａおよび固体Ａｓからそれぞれキャップ層６１２の表面に供給され、ノンドープのＧａＡｓが３０〜５０ｎｍの膜厚になるまで結晶成長される。これによって、間隙層６２が形成される（図７の（ｃ５）参照）。
【００９０】
以後、図７に示す工程ｃ１〜ｃ５を５回繰返して活性層６が形成される。
【００９１】
図８は、図５の（ｃ）において行なわれる活性層６の形成過程を示す他の工程図である。また、図９は、ＡｓおよびＩｎを供給するタイミングチャートである。
【００９２】
図５の（ｂ）に示す工程によってバリア層５が形成されると、基板２の温度が５２０℃まで降温される。そして、６．６５×１０−４Ｐａの圧力において、ＡｓおよびＩｎがそれぞれ固体Ａｓおよび固体Ｉｎから連続的にバリア層５の表面に照射され、ＩｎＡｓ膜６００が１．７モノレイヤーまで堆積される（図８の（ｃ１’）参照）。
【００９３】
この１．７モノレイヤーは、ＩｎＡｓが下地であるバリア層５のＧａＡｓの格子定数（０．５６ｎｍ）と整合するように均一に２軸性結晶歪を受けた状態で２次元的に成長する臨界膜厚（Ｔｃ）である。
【００９４】
そして、ＩｎＡｓが１．７モノレイヤーまで結晶成長すると、ＩｎＡｓ膜６００の全面に歪が生じるよりも、グレインを局所的に発生させる方が結晶学的に安定化する。従って、６．６５×１０−４Ｐａの圧力において、１．９モノレイヤーのＩｎＡｓが結晶成長するまで、ＡｓおよびＩｎがバリア層５の表面に連続的に照射される。
【００９５】
そうすると、グレイン６１０がＩｎＡｓ膜６００の表面に形成される（図８の（ｃ２’）参照）。
【００９６】
その後、固体Ｉｎに取付けられたシャッタを開閉して、ＩｎＡｓ換算で２．４モノレイヤー〜３．９モノレイヤーになるまでＩｎのバリア層５の表面への供給／停止を繰返す。
【００９７】
そうすると、固体Ｉｎに取付けられたシャッタが開いているとき、ＡｓおよびＩｎがバリア層５の表面に供給されるため、ＩｎＡｓ膜６００の表面に発生したグレイン６１０が成長し、固体Ｉｎに取付けられたシャッタが閉じているとき、Ａｓのみがバリア層５の表面に供給されるので、グレイン６１０は成長しない。
【００９８】
この場合、Ｉｎのバリア層５の表面への供給を停止する停止時間をＩｎをバリア層５の表面に供給する供給時間よりも長くする。その結果、バリア層５の表面に照射されたＩｎがグレイン６１０に到達する確率が高くなり、グレイン６１０は、大きく成長する。そして、最終的に、量子ドット６１１がバリア層５上に形成される（図８の（ｃ３’）参照）。
【００９９】
このように、量子ドット６１１は、ＡｓおよびＩｎの連続供給と、Ｉｎの間欠供給とにより形成される。
【０１００】
即ち、ＡｓおよびＩｎは、図９に示すタイミングチャートに従ってバリア層５の表面に供給される。図９の（ａ）は、固体Ｉｎに取付けられたシャッタを開閉するタイミングを示し、図９の（ｂ）は、固体Ａｓに取付けられたシャッタを開閉するタイミングを示す。なお、図９は、ＩｎＡｓ換算で２．４モノレイヤーのＩｎＡｓが結晶成長されるときのタイミングチャートを示す。
【０１０１】
Ｉｎは、タイミングｔ０〜ｔ１，ｔ２〜ｔ３，ｔ４〜ｔ５，ｔ６〜ｔ７，ｔ８〜ｔ９の間、バリア層５の表面に供給され、タイミングｔ１〜ｔ２，ｔ３〜ｔ４，ｔ５〜ｔ６，ｔ７〜ｔ８の間、バリア層５の表面への供給が停止される。そして、タイミングｔ０〜ｔ１間の時間は、１７．３秒であり、タイミングｔ２〜ｔ３間、タイミングｔ４〜ｔ５間、タイミングｔ６〜ｔ７間およびタイミングｔ８〜ｔ９間の各々の時間は、１秒である。また、タイミングｔ１〜ｔ２間、タイミングｔ３〜ｔ４間、タイミングｔ５〜ｔ６間、およびｔ７〜ｔ８間の各々の時間は、１５秒である。
【０１０２】
一方、Ａｓは、タイミングｔ０〜タイミングｔ９の間、連続してバリア層５の表面に供給される。
【０１０３】
固体Ｉｎに取り付けられたシャッタが開の場合には、ＩｎＡｓは、０．１１モノレイヤー／秒の成長速度で結晶成長するので、タイミングｔ０〜タイミングｔ１までの間において、ＡｓおよびＩｎが連続してバリア層５の表面に供給され、ＩｎＡｓ換算で１．９モノレイヤーのＩｎＡｓが結晶成長する。
【０１０４】
その後、タイミングｔ１〜ｔ２の間、結晶成長が停止され、タイミングｔ２〜ｔ３の間、ＡｓおよびＩｎがバリア層５の表面に供給され、０．１１モノレイヤーのＩｎＡｓが結晶成長する。以後、これを繰返し、タイミングｔ９までの間に２．４モノレイヤーのＩｎＡｓが結晶成長する。
【０１０５】
そして、タイミングｔ１〜ｔ９までの間のＩｎの間欠供給により、タイミングｔ１までに発生したグレイン６１０が大きく成長し、タイミングｔ９までの間において量子ドット６１１が形成される。
【０１０６】
このように、量子ドット６１１は、ＡｓおよびＩｎの連続供給と、Ｉｎの間欠供給とによっても形成される。
【０１０７】
図８の（ｃ３’）に示す工程の後、図７に示す工程（ｃ４）および（ｃ５）と同じ工程が実行され、１層の量子ドット層６１と１層のキャップ層６２と形成される。
【０１０８】
その後、図８に示す工程ｃ１’〜ｃ３’，ｃ４，ｃ５を５回繰返して活性層６が形成される。
【０１０９】
この発明においては、上述した図５〜図７または図５、図６および図８に示す工程によって半導体レーザ１０を作製した後、半導体レーザ１０をアニールするようにしてもよい。アニールは、６００〜８００℃の温度範囲で１分〜１５０分の間、熱処理することにより行なう。この温度範囲は、量子ドット６１１の形成温度（４７５℃）よりも高い温度である。また、この温度範囲は、量子ドット６１１の形成温度（４７５℃）およびキャップ層６１２の形成温度（５４０〜５７０℃）よりも高い温度である。
【０１１０】
半導体レーザ１０をアニールすると、キャップ層６１２を構成するＡｌｙＧａ１−ｙＡｓのうち、ガリウム（Ｇａ）が量子ドット６１１を構成するＩｎＡｓ中へ混入し、量子ドット６１１のバンドギャップが大きくなる。
【０１１１】
その結果、アニールすることにより、半導体レーザ１０の発振波長が更に短波長側へシフトする。従って、この発明においては、量子ドット６１１は、ＩｎＧａＡｓから構成されていてもよい。
【０１１２】
なお、アニールは、活性層６を形成した直後に行なうようにしてもよい。また、アニールは、熱処理に限らず、レーザを照射して行なってもよい。
【０１１３】
図１０は、半導体レーザが発振するときのしきい値電流と量子ドット６１１およびキャップ層６１２間のエネルギー差との関係を示す図である。図１０において、縦軸は、しきい値電流を表し、横軸は、エネルギー差ΔＥを表わす。また、Ａ点は、キャップ層６１２がＧａＡｓからなる場合を示し、Ｂ点は、キャップ層６１２が５ｎｍのＩｎ０．１５Ｇａ０．８５Ａｓからなる場合を示し、点Ｃは、キャップ層６１２が５．５ｎｍのＩｎ０．１３Ｇａ０．８７Ａｓからなる場合を示す。
【０１１４】
図１０に示す結果から、しきい値電流Ｊｔｈは、エネルギー差ΔＥが大きくなるに伴って低下する。これは、エネルギー差ΔＥが大きくなるに従って正孔および電子の量子ドット６１１への閉じ込め率が高くなるため、レーザ発振するときの電流が低下したためと考えられる。即ち、エネルギー差ΔＥが大きくなると、量子ドット６１１中の電子および正孔は、熱励起によってキャップ層６１２へ移動することが困難になり、量子ドット６１１に閉じ込められる電子および正孔の密度が高くなる。その結果、レーザ発振に必要なしきい電流Ｊｔｈが低下する。
【０１１５】
ＩｎＡｓからなる量子ドット６１１と、ＡｌｙＧａ１−ｙＡｓからなるキャップ層６１２とを用いた場合、エネルギー差ΔＥは、４００ｍｅＶになるので、半導体レーザ１０がレーザ発振するためのしきい値電流Ｊｔｈは、図１０に示す点Ｃの場合よりも更に低下する。
【０１１６】
従って、キャップ層６１２にＡｌｙＧａ１−ｙＡｓを用いることにより、発振波長を１．１μｍよりも短波長側にシフトできるとともに、レーザ発振するためのしきい値電流を大幅に低減できる。
【０１１７】
上述したように、この発明による半導体レーザ１０は、量子ドット層６１を構成するキャップ層６１２の材料をＧａＡｓからＡｌｙＧａ１−ｙＡｓに変えることによって量子ドット６１１中の電子および正孔の電気的な閉じ込めを効果的に行ない、従来よりも短波長なレーザ光を発振することを特徴とする。
【０１１８】
即ち、この発明による半導体レーザ１０は、波長λ１を発光するときのバンドギャップ（＝ＧａＡｓのバンドギャップ）よりも大きいバンドギャップを有するＡｌｙＧａ１−ｙＡｓをキャップ層６１２に用いることによって、量子ドット６１１への電子および正孔の電気的な閉じ込めを効果的に行ない、波長λ１よりも短波長である波長λ２（＜λ１）を有するレーザ光を発振することを特徴とする。
【０１１９】
つまり、この発明による半導体レーザ１０は、量子ドット６１１中に存在する電子および正孔にとって障壁層となるキャップ層６１２のバンドギャップを大きくすることによって従来の波長λ１よりも短波長である波長λ２を有するレーザ光を発振する。
【０１２０】
そして、半導体レーザ１０は、活性層６に量子ドット６１１を含むので、（ｉ）温度が変化しても発振波長が変化しない、（ｉｉ）駆動電流が量子井戸レーザに比べて５〜１０分の１に減少できる、（ｉｉｉ）発振するレーザ光のパワーを強くできる、という量子ドットを用いた半導体レーザに特有の効果も併せて有する。
【０１２１】
図１に示す半導体レーザ１０を用いた半導体レーザジャイロについて説明する。図１１は、この発明の実施の形態による半導体レーザジャイロの斜視図である。この発明の実施の形態による半導体レーザジャイロ１００は、半導体レーザ１１０と、光検出器１１３とを備える。半導体レーザ１１０および光検出器１１３は、基板１１１上にモノリシックに形成される。
【０１２２】
光検出器１１３は、２つの受光素子１１３ａ，１１３ｂからなる。そして、光検出器１１３は、半導体レーザ１１０から出射される２つのレーザ光が干渉縞を形成する位置に配置される。受光素子１１３ａ，１１３ｂの各々は、フォトダイオードであり、半導体レーザ１１０を作製する製造工程で半導体レーザ１１０とともに作製される。
【０１２３】
半導体レーザ１１０は、環状の光路上を互いに反対方向に周回する２つのレーザ光を発光する。光検出器１１３は、半導体レーザ１１０が回転したときに半導体レーザ１１０から出射された２つのレーザ光による干渉縞の移動速度および移動方向を検出して半導体レーザ１１０の回転速度および回転方向を検出する。
【０１２４】
光検出器１１３は、２つの受光素子１１３ａ，１１３ｂから構成されているので、干渉縞が移動すると、２つの受光素子１１３ａ，１１３ｂの各々は、干渉縞の縞模様に対応して強弱の電気信号を出力する。従って、電気信号の強弱が変化する速さを検出することにより、半導体レーザの回転速度を検出できる。また、半導体レーザ１１０の回転方向によって、２つの受光素子１１３ａ，１１３ｂから出力される電気信号の強弱の極性が変わるので、２つの受光素子１１３ａ，１１３ｂから出力される２つの電気信号の位相関係を検出することにより半導体レーザ１１０の回転方向を検出できる。
【０１２５】
図１２は、図１１に示す半導体レーザ１１０の斜視図である。半導体レーザ１１０は、キャビティ１０２と、絶縁膜１０３と、正極電極１０４と、負極電極１０５と、基板１１１とを備える。
【０１２６】
キャビティ１０２は、基板１１１上に形成される。絶縁膜１０３は、キャビティ１０２の表面に形成される。正極電極１０４は、絶縁膜１０３上および絶縁膜１０３がエッチングされた領域に形成される。そして、正極電極１０４は、リング形状から成るリング電極である。負極電極１０５は、キャビティ１０２が形成された基板１１１の表面と反対側の裏面に形成される。
【０１２７】
基板１１１は、単結晶のＧａＡｓから成る。キャビティ１０２については、後述する。絶縁膜１０３は、シリコンナイトライド（Ｓｉ３Ｎ４）又は二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）から成る。正極電極１０４は、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕから成る。負極電極１０５は、Ａｕ／Ｇｅ／Ｎｉから成る。
【０１２８】
絶縁膜１０３の膜厚は、０．４μｍである。正極電極１０４を構成するＴｉ／Ｐｔ／Ａｕの膜厚および負極電極１０５を構成するＡｕ／Ｇｅ／Ｎｉの膜厚については、上述したとおりである。
【０１２９】
キャビティ１０２の幅Ｗは、６０μｍであり、キャビティ１０２の長さＬは、６００μｍである。
【０１３０】
図１３は、図１２の矢印１０６の方向から見たキャビティ１０２の平面図である。キャビティ１０２は、メインキャビティ２１と、ウイング２２〜２５とを含む。メインキャビティ２１は、出射面２１０と、対向面２１１と、端面２１２，２１３とを有する。そして、メインキャビティ２１は、略スタジアム形状から成る。出射面２１０および対向面２１１は、中心Ｏから半径Ｒを有する曲面から成る。半径Ｒは、３００μｍである。また、出射面２１０および対向面２１１は、キャビティ１０２の内側から外側に向かう方向に凸である曲面から成る。
【０１３１】
対向面２１１は、矢印１０７で示す長手方向に垂直な方向の軸１０８に対して出射面２１０と対称である。端面２１２，２１３は、キャビティ１０２の長手方向に垂直な方向においてキャビティ１０２の両端に配置される。即ち、端面２１２，２１３は、キャビティ１０２の長手方向に平行に配置される。そして、出射面２１０、対向面２１１および端面２１２，２１３は、ミラー面から成る。
【０１３２】
ウイング２２，２３は、メインキャビティ２１の出射面２１０側に設けられる。つまり、ウイング２２，２３は、出射面２１０が設けられた領域２１４に隣接して設けられる。ウイング２２は、出射面２１０の延長上に曲面２２１を有する。ウイング２３は、出射面２１０の延長上に曲面２３１を有する。曲面２２１，２３１は、半径Ｒの曲面から成る。
【０１３３】
ウイング２４，２５は、メインキャビティ２１の対向面２１１側に設けられる。つまり、ウイング２４，２５は、対向面２１１が設けられた領域２１５に隣接して設けられる。ウイング２４は、対向面２１１の延長上に曲面２４１を有する。ウイング２５は、対向面２１１の延長上に曲面２５１を有する。曲面２４１，２５１は、半径Ｒの曲面から成る。
【０１３４】
矢印１０７の方向（長手方向）におけるウイング２２〜２５のの長さＷｓは、１６０μｍである。ウイング２２〜２５は、メインキャビティ２１で発振したレーザ光の端面２１２，２１３での多重反射によって生成されたモードを抑制するために設けられる。そして、ウイング２２〜２５が多重反射によって生成されたモードを抑制するためには、長さＷｓは、Ｗｓ＞Ｌ／４を満たす必要がある。従って、長さＷｓは、Ｌ／４＝１５０μｍよりも大きい１６０μｍに設定された。
【０１３５】
図１４は、図１２に示す線ＸＩＶ−ＸＩＶ間における半導体レーザ１１０の断面図である。半導体レーザ１１０の断面構造は、基板１１１上にキャビティ１０２を形成した構造から成る。キャビティ１０２は、図１に示す半導体レーザ１０のバッファ層３と、クラッド層４，８と、バリア層５，７と、活性層６と、コンタクト層９とを含む。従って、キャビティ１０２は、量子ドット６１１を含む活性層６によってレーザ光ＬＢを発光する。そして、半導体レーザ１１０においては、外部から注入された電子および正孔を電気的に活性層６に閉じ込め、かつ、活性層６において誘導放出により発生した光を光学的に閉じ込めることによりレーザ発振のためのしきい値を低下させている。
【０１３６】
図１５は、図１２に示す半導体レーザ１１０の製造工程を示す図である。エピタキシャル層２０が形成されたＧａＡｓから成る基板１１１を用意する。ここで、エピタキシャル層２０は、バッファ層３、クラッド層４，８、バリア層５，７、活性層６およびコンタクト層９が図１２に示すキャビティ１０２として積層されたものを意味する。
【０１３７】
エピタキシャル層２０が形成された基板１１１を用意すると、Ｓｉ３Ｎ４またはＳｉＯ２から成る絶縁膜３０をエピタキシャル層２０上にスパッタリング、またはＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｕｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）により形成する。この場合、絶縁膜３０の膜厚は、０．４μｍである（図１５の（ａ）参照）。
【０１３８】
そして、絶縁膜３０上にレジストを塗布し、その塗布したレジストをフォトリソグラフィによりキャビティ１０２の形状にパターンニングし、キャビティ１０２の形状を有するレジスト３１を絶縁膜３０上に形成する（図１５の（ｂ）参照）。
【０１３９】
その後、レジスト３１をマスクとして絶縁膜３０をＲＩＥ（Ｒｅａｃｔｉｖｅ Ｉｏｎ Ｅｔｃｈｉｎｇ）によりエッチングする。この場合、キャビティ１０２の出射面２１０、対向面２１１および端面２１２，２１３を形成するためにエピタキシャル層２０を含めて３μｍの深さまでエッチングする。そして、ＲＩＥによって形成された出射面２１０、対向面２１１および端面２１２，２１３はミラー面を有する。ＲＩＥによるエッチング後、レジスト３１を除去すると、キャビティ１０２および絶縁膜１０３が基板１１１上に順次形成された構造が完成する（図１５の（ｃ）参照）。なお、このＲＩＥによるエッチングは、エッチングされた端面が高い垂直性および平滑性を有する条件によって行なわれる。
【０１４０】
次に、リング形状から成る正極電極１０４を形成するために絶縁膜１０３に窓を開ける。絶縁膜１０３上にレジストを塗布し、その塗布したレジストをフォトリソグラフィによりパターンニングしてレジストにリング形状の窓を開ける。そして、パターンニングしたレジストをマスクとして絶縁膜１０３をＲＩＥによってエッチングし、絶縁膜１０３にリング形状の窓３２を開ける（図１５の（ｄ）参照）。
【０１４１】
その後、正極電極１０４を形成する。この段階で、基板１の表面１１１ａと絶縁膜１０３の表面１０３ａとの間には段差が存在するので、この段差を埋めるために２層レジストを用いる。即ち、１層目のレジスト３３を全体的に塗布して段差を埋めた後、２層目のレジスト３４を塗布する（図１５の（ｅ）参照）。これにより、平坦なレジスト面が形成される。
【０１４２】
そして、レジスト３３，３４をフォトリソグラフィによりパターンニングして正極電極１０４を形成するための孔３５を形成する（図１５の（ｆ）参照）。この段階で、孔３５を通して絶縁膜１０３、および絶縁膜１０３に開けられた窓３２が露出する。
【０１４３】
正極電極１０４と半導体との良好なコンタクトが得られるように、窓３２を通して半導体表面を０．０１〜０．０２μｍ程度、エッチングする。そして、電子ビーム蒸着により、正極電極１０４を構成するＴｉ（約０．０７μｍ）／Ｐｔ（約０．０５μｍ）／Ａｕ（約０．６μｍ）を全面に形成する。次に、ウェハをアセトンに浸してレジスト３３，３４を除去する。これにより、レジスト３４上に形成されたＴｉ／Ｐｔ／Ａｕは、リフトオフにより除去され、正極電極１０４がキャビティ１０２上に形成される。この場合、絶縁膜１０３のうち、領域１０３ｂおよびリング形状から成る正極電極１０４の内側の領域１０３ｃ上にもＴｉ／Ｐｔ／Ａｕが形成される。
【０１４４】
その後、へき開を容易にするため、基板１１１を厚さが１００〜１５０μｍになるように研磨する（図１５の（ｇ）参照）。そして、Ｇｅ（約０．１μｍ）／Ｎｉ（約０．０２μｍ）／Ａｕ（約０．５μｍ）を抵抗加熱により基板１１１の裏面に蒸着して負極電極１０５を形成する（図１５の（ｈ）参照）。
【０１４５】
負極電極１０５を形成した後、正極電極１０４を構成するＴｉ／Ｐｔ／Ａｕおよび負極電極１０５を構成するＧｅ／Ｎｉ／Ａｕを合金化するために、４００〜４５０℃で数分間、熱処理する。その後、チップごとのへき開およびレーザアレイのへき開を行ない、半導体レーザ１１０が製造される。
【０１４６】
図１６は、図１２に示す半導体レーザ１１０のキャビティ１０２から出射されるレーザ光のパターンを示す図である。半導体レーザ１１０の正極電極１０４と負極電極１０５との間に電圧が印加され、しきい値を超える電流が活性層６に注入されると、半導体レーザ１１０はレーザ発振し、キャビティ１０２は、出射面２１０からレーザ光ＬＢを出射する。レーザ光ＬＢは、キャビティ１０２の長手方向の軸１０９と角度θ１を成すレーザ光ＬＢ１と、軸１０９と角度θ２を成すレーザ光ＬＢ２とから成る。そして、角度θ１は、角度θ２と等しい。つまり、レーザ光ＬＢは、軸１０９に対して対称な２つのレーザ光ＬＢ１，ＬＢ２から成る。
【０１４７】
レーザ光ＬＢが出射されるモードを「リングモード」と言う。半導体レーザ１１０がリングモードで動作するためには、曲面から成る出射面２１０および対向面２１１を有するキャビティ１０２と、リング形状から成る正極電極１０４とを形成する必要がある。
【０１４８】
このように、半導体レーザ１１０は、キャビティ１０２の長手方向の軸１０９に対して所定の角度θ（＝θ１＝θ２）を成すレーザ光ＬＢを出射することができる。
【０１４９】
図１７は、図１２に示す半導体レーザ１１０が軸１０９に対して所定の角度θを成すレーザ光ＬＢを出射する機構を説明するための図である。活性層６に注入された電子と正孔とが再結合し、所定の波長λを有する光が発生すると、その発生した光に基づく誘導放出が起こる。そして、誘導放出により発生した多くの光は、ミラー面から成る出射面２１０、対向面２１１および端面２１２，２１３によって反射され、他の光と相互に干渉する。そして、出射面２１０および対向面２１１は、入射した光を軸１０９と平行な方向に反射せず、所定の角度を成す方向に反射する。また、誘導放出は、注入される電子および正孔の密度が高い正極電極１０４の形状に沿った領域で生じ易く、新たに誘導放出によって発生する光と既に誘導放出によって発生した光との干渉は、正極電極１０４の形状に沿った領域で生じ易い。更に、ウイング２２〜２５は、誘導放出によって発生した光が端面２１２，２１３で多重反射されることによって生じる成分を抑制する。
【０１５０】
その結果、誘導放出によって発生した光を相互に強め合う共振器は、正極電極１０４の形状に沿った領域で形成され、その領域でレーザ発振が起こる。そして、発振したレーザ光ＬＢ０は、キャビティ１０２内で正極電極１０４の形状に沿って分布する。従って、出射面２１０から出射されるレーザ光ＬＢ１，ＬＢ２は、軸１０９に対して所定の角度θを成すものと考えられる。
【０１５１】
図１８は、長手方向の軸１０９に沿って形成された電極を有するキャビティ１０２の平面図である。半導体レーザ１１０がリングモードで動作するためにはリング形状から成る正極電極１０４が必要なことを示すために、図１８に示すように、曲面から成る出射面２１０および対向面２１１を有するキャビティ１０２に軸１０９の方向に沿って正極電極４０を形成した半導体レーザを作製した。
【０１５２】
図１９は、正極電極１０４を形成した半導体レーザ１１０および正極電極４０を形成した半導体レーザから出射されるレーザ光の遠視野像（Ｆａｒ−Ｆｉｅｌｄ Ｐａｔｔｅｒｎ）を示す図である。図１９の（ａ）は、正極電極４０を形成した場合のレーザ光の遠視野像を示し、図１９の（ｂ）は、正極電極１０４を形成した場合のレーザ光の遠視野像を示す。また、図１９の（ａ）および（ｂ）において、横軸は、軸１０９に対する角度を表し、縦軸は、出射されたレーザ光の規格化強度を表す。
【０１５３】
正極電極４０を形成した場合、角度が０度の方向、即ち、軸１０９の方向にレーザ光がキャビティ１０２から出射される。レーザ光の波長λは８６２ｎｍであり、強度の半値幅（ＦＷＨＭ：Ｆｕｌｌ Ｗｉｄｔｈ ａｔ Ｈａｌｆ Ｍａｘｉｍｕｍ）は５．５度である。
【０１５４】
一方、正極電極１０４を形成した場合、軸１０９に対して±１９．２度の角度を成すレーザ光ＬＢ１，ＬＢ２がキャビティ１０２から出射される。レーザ光ＬＢ１，ＬＢ２の波長λは８６２ｎｍであり、強度の半値幅（ＦＷＨＭ）は、レーザ光ＬＢ１およびＬＢ２において同じであり、４．１度である。
【０１５５】
このように、正極電極１０４をリング形状から成るリング電極により構成することにより、半導体レーザ１１０は、キャビティ１０２の長手方向の軸１０９に対して対称な角度θ（±１９．２度）を成すレーザ光ＬＢを出射することが確認された。
【０１５６】
角度θは、次式によって決定される。
【０１５７】
【数４】
なお、式（４）において、ｎｅｆｆは、キャビティ１０２の実効屈折率である。
【０１５８】
ｎｅｆｆ＝３．３、Ｌ＝６００μｍおよびＷ＝３００μｍを式（４）に代入して角度θを計算した結果、θ＝±１９．２度であった。この計算結果は、上述した内容と良い一致を示す。
【０１５９】
実効屈折率ｎｅｆｆが一定の場合、レーザ光ＬＢ１，ＬＢ２の角度θを大きくするためには、Ｌ／Ｗを小さくすればよく、レーザ光ＬＢ１，ＬＢ２の角度θを小さくするためには、Ｌ／Ｗを大きくすればよい。
【０１６０】
また、Ｌ／Ｗが一定の場合、実効屈折率ｎｅｆｆに応じてレーザ光ＬＢ１，ＬＢ２の角度θを変化させることができる。
【０１６１】
従って、半導体レーザ１１０のキャビティ１０２の長さＬ、幅Ｗおよび実効屈折率ｎｅｆｆを変化させて設計することにより、レーザ光ＬＢ１，ＬＢ２の出射方向を種々変化させた半導体レーザを作製することができる。
【０１６２】
なお、正極電極１０４の形状であるリング形状は、内周形状および外周形状が略菱形である輪形状から成る。そして、菱形の２つの対角線の比は、キャビティ１０２が出射するレーザ光ＬＢの方向に応じて決定される。
【０１６３】
レーザ光ＬＢがキャビティ１０２の長手方向の軸１０９に対して小さい角度を成す方向に出射される場合、端面２１２，２１３が配置される方向の菱形の対角線が短くされる。つまり、リング形状は、軸１０９の方向に伸ばされた菱形から成る概略形状を有する。
【０１６４】
また、レーザ光ＬＢがキャビティ１０２の長手方向の軸１０９に対して大きい角度を成す方向に出射される場合、端面２１２，２１３が配置される方向の菱形の対角線が長くされる。つまり、リング形状は、軸１０９の方向に縮められた菱形から成る概略形状を有する。
【０１６５】
従って、この発明におけるリング形状とは、概略、菱形を基本とし、その菱形をキャビティ１０２の軸１０９の方向に伸ばしたり、縮めたりした概略形状を有する輪形状を言う。
【０１６６】
図２０は、図１１に示す半導体レーザジャイロ１００の動作原理を説明するための図である。半導体レーザ１１０が回転すると、レーザ光ＬＢ０１とレーザ光ＬＢ０２とでは、経路１２０の光路を一周するのに必要な時間が変化する。光の速度は、一定であるため、半導体レーザ１１０が回転すると、レーザ光ＬＢ０１とレーザ光ＬＢ０２との間で周波数差が生じ、その周波数差に応じた速度で干渉縞が移動する。
【０１６７】
干渉縞の移動方向は、半導体レーザ１１０の回転方向に応じて変化する。このため、干渉縞の移動速度を測定することによって、半導体レーザ１１０の回転速度（角速度）を算出でき、干渉縞の移動方向を検出することによって、半導体レーザ１１０の回転方向を検出できる。より具体的には、活性層６の表面と平行な面内における回転方向と回転速度とを算出できる。
【０１６８】
上述したように、このような光ジャイロの原理は、公知の原理であり、希ガスレーザを用いた光ジャイロなどで利用されている。従って、この発明の半導体レーザジャイロは、公知の駆動回路で駆動でき、ジャイロによって得られた情報を公知の方法で処理できる。なお、この発明による半導体レーザジャイロを３個組み合わせることによって、全方向における回転方向と回転速度とを算出することができる。
【０１６９】
半導体レーザ１１０の正極電極１０４および負極電極１０５間に電圧が印加され、電流が活性層６に注入されると、半導体レーザ１１０は、正極電極１０４のリング形状に沿ってレーザ光ＬＢ０（ＬＢ０１，ＬＢ０２からなる）を発振する。
【０１７０】
そして半導体レーザ１１０が回転すると、レーザ光ＬＢ０１は、リング形状の光路上を一方の方向に周回し、レーザ光ＬＢ０２は、レーザ光ＬＢ０１と反対方向にリング形状の光路上を周回する。
【０１７１】
そうすると、半導体レーザ１１０は、端面２１０の角部１２０ａから２つのレーザ光ＬＢ１，ＬＢ２を放射し、２つのレーザ光ＬＢ１，ＬＢ２は、光検出器１１３が配置された位置に干渉縞を形成する。
【０１７２】
そして、光検出器１１３は、干渉縞の移動速度および移動方向を検出する。これによって、半導体レーザ１１０の回転速度および回転方向が検出される。
【０１７３】
この場合、半導体レーザ１１０は、１．１μｍよりも短波長なレーザ光ＬＢ１，ＬＢ２を出射面２１０から出射するので、式（１）におけるΔω（＝４ＡΩ／（Ｌ１λ））は、波長λが短波長側へシフトすることにより大きくなり、光検出器１１３の位置における光強度Ｉ（式（１）参照）がより強くなる。その結果、光検出器１１３は、従来よりも精度を高くして半導体レーザ１１０の回転速度および回転方向を検出できる。
【０１７４】
なお、図１１に示す半導体レーザジャイロ１００は、プリズムおよびレンズなどの光学素子を必要としない利点がある。
【０１７５】
上記においては、量子ドットを半導体レーザに用いた例について説明したが、この発明は、これに限らず、量子ドットをＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｓｓｉｏｎ Ｄｉｏｄｅ）等の半導体発光素子に用いてもよい。
【０１７６】
また、上記においては、キャップ層６１２としてＡｌｙＧａ１−ｙＡｓを用いると説明したが、この発明においては、これに限らず、ＧａＡｓのバンドギャップよりも大きいバンドギャップを有する材料であれば何でもよい。
【０１７７】
更に、上記においては、量子ドット６１１およびキャップ層６１２をアニールして活性層６を形成すると説明したが、このアニールの温度および／または時間を制御してキャップ層６１２（ＡｌｙＧａ１−ｙＡｓ）から量子ドット６１１（ＩｎＡｓ）へ拡散するＧａ量を制御し、半導体レーザ１０，１１０の発振波長を制御するようにしてもよい。
【０１７８】
この発明においては、量子ドット層６１は、「発光層」を構成する。
【０１７９】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施の形態の説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【産業上の利用可能性】
【０１８０】
この発明は、１．１μｍよりも短波長な発光波長を有する半導体発光素子に適用される。また、この発明は、１．１μｍよりも短波長な発光波長を有する半導体発光素子の製造方法に適用される。更に、この発明は、精度が高いジャイロに適用される。
【図面の簡単な説明】
【０１８１】
【図１】この発明の実施の形態による半導体レーザの断面構造図である。
【図２】図１に示す活性層の拡大断面図である。
【図３】半導体レーザのクラッド層、バリア層、活性層、バリア層およびクラッド層における屈折率の分布を示す図である。
【図４】量子ドット層におけるエネルギーバンド図である。
【図５】図１に示す半導体レーザの製造工程を示す第１の工程図である。
【図６】図１に示す半導体レーザの製造工程を示す第２の工程図である。
【図７】図５の（ｃ）において行なわれる活性層の形成過程を示す工程図である。
【図８】図５の（ｃ）において行なわれる活性層の形成過程を示す他の工程図である。
【図９】ＡｓおよびＩｎを供給するタイミングチャートである。
【図１０】半導体レーザが発振するときのしきい値電流と量子ドットおよびキャップ層間のエネルギー差との関係を示す図である。
【図１１】この発明の実施の形態による半導体レーザジャイロの斜視図である。
【図１２】図１１に示す半導体レーザの斜視図である。
【図１３】図１２の矢印の方向から見たキャビティの平面図である。
【図１４】図１２に示す線ＸＩＶ−ＸＩＶ間における半導体レーザ１１０の断面図である。
【図１５】図１２に示す半導体レーザの製造工程を示す図である。
【図１６】図１２に示す半導体レーザのキャビティから出射されるレーザ光のパターンを示す図である。
【図１７】図１２に示す半導体レーザが軸に対して所定の角度θを成すレーザ光ＬＢを出射する機構を説明するための図である。
【図１８】長手方向の軸に沿って形成された電極を有するキャビティの平面図である。
【図１９】正極電極を形成した半導体レーザおよび正極電極を形成した半導体レーザから出射されるレーザ光の遠視野像（Ｆａｒ−Ｆｉｅｌｄ Ｐａｔｔｅｒｎ）を示す図である。
【図２０】図１１に示す半導体レーザジャイロの動作原理を説明するための図である。
【図２１】光ジャイロの一般的な構成を示す図である。
【符号の説明】
【０１８２】
１，１０５ 負極電極、２，１１１ 基板、３ バッファ層、４，８ クラッド層、５，７ バリア層、６，６Ａ 活性層、９ コンタクト層、１０，１１０ 半導体レーザ、１０Ａ サンプル、１１，１０４ 正極電極、２１ メインキャビティ、２２〜２５ ウイング、６１ 量子ドット層、６２ 間欠層、１００ 半導体レーザジャイロ、１０２ キャビティ、１０３ 絶縁膜、１０８，１０９ 軸、１１３ 光検出器、１１３ａ，１１３ｂ 受光素子、２１０ 出射面、２１１ 対向面、２１２，２１３ 端面、２１４，２１５ 領域、２２１，２３１，２４１，２５１ 曲面、６００ ＩｎＡｓ膜、６１０ グレイン、６１１ 量子ドット、６１２ キャップ層。
【技術分野】
【０００１】
この発明は、半導体発光素子、その製造方法およびその半導体発光素子を用いた半導体レーザジャイロに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
微細加工技術に代表される半導体製造技術の進展によって、集積度の向上に加えて、量子サイズ効果を利用した量子ドットレーザ（Ｑｕａｎｔｕｍ Ｄｏｔ Ｌａｓｅｒ）、および単一電子トランジスタ（Ｓｉｎｇｌｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）等のデバイスが提案されている。
【０００３】
特に、電子のド・ブロイ波長と同程度の寸法（大きさ）を有する量子ドットは、その中に電子を０次元的に閉じ込め、電子のエネルギー準位を離散化、即ち、状態密度をデルタ関数とすることが可能となる。量子ドットは、このような電子の閉じ込め効果（量子サイズ効果）が多岐に渡り顕在化されるため、従来の枠を超越した性能を有するデバイスの基本構造として脚光を浴びている。
【０００４】
このような量子ドットを形成する方法として、Ｓ−Ｋ（Ｓｔｒａｎｓｋｙ−Ｋｒａｓｔａｎｏｖ）モード成長法と呼ばれる自己形成方法が広く知られている（非特許文献１）。通常、薄膜を基板上に形成する場合、その双方の格子定数が一致する基板と薄膜とを用いる必要がある。これは、格子定数が大きく相違すると、エピタキシャル成長時に歪力が生じるため、欠損が生じて薄膜の平面構造が不均一になるためである。
【０００５】
Ｓ−Ｋモード成長法は、上述した薄膜形成における原則とは逆に、格子定数が大きく異なる材料、例えば、基板よりも格子定数が大きく薄膜をエピタキシャル成長させ、エピタキシャル成長時に生じる歪力を積極的に利用して、基板に量子ドットを自己成長させようとする方法である。
【０００６】
Ｓ−Ｋモード成長法を利用して、例えば、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体であるガリウム砒素（ＧａＡｓ）基板の表面に、ＭＢＥ（Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｂｅａｍ Ｅｐｉｔａｘｙ）法により砒素（Ａｓ）分子とインジウム（Ｉｎ）分子とを連続的に供給することにより、均一性に優れた量子ドットを形成することができる。
【０００７】
このような方法により、ＩｎＡｓからなる量子ドットをＧａＡｓからなるキャップ層で覆った量子ドットを活性層に用いた量子ドットレーザが作製されている。そして、この量子ドットレーザは、その発振波長が１．１μｍ〜１．２μｍの範囲である。
【０００８】
一方、回転する物体の角速度を検出するものとしてジャイロが知られている。その中でも、光ジャイロは、精度が高いという特徴を有する。光ジャイロは、環状の光路を互いに逆方向に進む２つのレーザ光の周波数差を用いて回転する物体の角速度を検出する。このような光ジャイロとして、希ガスレーザを用いた光ジャイロが提案されている（特許文献１）。
【０００９】
これらの光ジャイロでは、同じ経路を互いに逆方向に周回するレーザ光を取り出して干渉縞を形成させる。図２１は、光ジャイロの一般的な構成を示す図である。図２１に示す光ジャイロにおいて、干渉縞は、次の式によって表される。
【００１０】
【数１】
式（１）において、Ｉ０は、レーザ光の強度であり、λは、レーザ光の波長である。また、εは、図２１に示す角度であり、χは、図２１に示すＸ方向の座標である。Δωは、ジャイロが回転したときの時計回りのモードと反時計回りのモードとの周波数差であり、ｔは、時刻である。
【００１１】
Δωは、ジャイロの回転の角速度Ωと比例関係にある。即ち、Δω＝４ＡΩ／（Ｌ１λ）である。ここで、Ａは、リング形状の囲む面積であり、Ｌ１は、光路長である。φは、２つのレーザ光の初期の位相差を表す。
【００１２】
このジャイロでは、干渉縞の移動速度および移動方向を検出することによって、回転する物体の回転速度および回転方向が検出される。
【００１３】
しかし、希ガスレーザを用いた光ジャイロは、駆動に高電圧が必要であり、消費電力が大きいという問題、および装置が大きく、熱に弱いという問題がある。
【００１４】
このような問題を解決するジャイロとして、環状の導波路を備える半導体リングレーザを用いたジャイロが提案されている（特許文献２）。このジャイロにおいて用いられている半導体レーザは、ほぼ一定の幅の環状の導波路を備える。そして、その環状の導波路を互いに反対方向に周回する２つのレーザ光を外部に取り出して、その干渉縞を検出する。
【００１５】
しかし、細い導波路を用いて閉じ込められたレーザ光は、導波路の外部に出射する際に大きく広がってしまうため、実際に干渉縞を精度よく検出することは困難である。そのため、半導体レーザを用いるジャイロでは、半導体レーザの２つの電極間の電圧変化から、２つのレーザ光の周波数差に対応するビート周波数を検出するジャイロ（特許文献３）、および共振器の端面からしみ出したエバネッセント光を用いてビート周波数を検出するジャイロ（特許文献４）が一般的である。
【非特許文献１】ディー・レオナルド（D. Leonard）他４名著，「応用物理学論文集vol.63（Applied Physics Letters Volume 63）」， １９９３年１２月６日，ｐｐ．３２０３−３２０５．
【特許文献１】特開平１１−３５１８８１号公報
【特許文献２】特開２０００−２３０８３１号公報
【特許文献３】特開平４−１７４３１７号公報
【特許文献４】特開２０００−１２１３６７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
しかし、従来の量子ドットレーザは、ＩｎＡｓからなる量子ドットとＧａＡｓからなるキャップ層とを用いているため、その発振波長を１．１μｍ〜１．２μｍよりも短くすることが困難であるという問題がある。
【００１７】
また、従来の半導体レーザを用いたジャイロでは、精度が低いという問題がある。
【００１８】
そこで、この発明は、かかる問題を解決するためになされたものであり、その目的は、１．１μｍよりも短波長な発光波長を有する半導体発光素子を提供することである。
【００１９】
また、この発明の別の目的は、１．１μｍよりも短波長な発光波長を有する半導体発光素子の製造方法を提供することである。
【００２０】
更に、この発明の別の目的は、精度が高いジャイロを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００２１】
この発明によれば、半導体発光素子は、第１の波長よりも短い第２の波長を発光する半導体発光素子であって、第１のバリア層と、活性層と、第２のバリア層とを備える。活性層は、第１のバリア層に接して形成される。第２のバリア層は、活性層に接して形成される。そして、活性層は、量子ドットと、キャップ層とを含む。キャップ層は、量子ドットを覆うように形成され、第１の波長を発光するときの第１のバンドギャップよりも大きい第２のバンドギャップを有する。
【００２２】
好ましくは、キャップ層は、ガリウム砒素よりも大きいバンドギャップを有する化合物半導体からなる。
【００２３】
好ましくは、キャップ層は、アルミニウム、ガリウムおよび砒素を含む化合物半導体からなる。
【００２４】
好ましくは、ガリウムの含有量に対するアルミニウムの含有量の比は、０．０５〜１．０の範囲である。
【００２５】
好ましくは、量子ドットは、インジウムおよび砒素を含む化合物半導体からなる。
【００２６】
好ましくは、量子ドットは、ガリウム、インジウムおよび砒素を含む化合物半導体からなる。
【００２７】
好ましくは、活性層は、複数の発光層を含む。そして、複数の発光層の各々は、量子ドットとキャップ層とからなる。
【００２８】
また、この発明によれば、半導体発光素子の製造方法は、第１の波長よりも短い第２の波長を発光する半導体発光素子の製造方法であって、半導体の表面に複数の材料を供給して膜を成長させて量子ドットを形成する第１のステップと、第１の波長を発光するときの第１のバンドギャップよりも大きい第２のバンドギャップを有するキャップ層を量子ドットを覆うように形成する第２のステップとを備える半導体発光素子の製造方法である。
【００２９】
好ましくは、キャップ層は、ガリウム砒素よりも大きいバンドギャップを有する化合物半導体からなる。
【００３０】
好ましくは、量子ドットの形成温度は、キャップ層の形成温度よりも低い。
【００３１】
好ましくは、半導体発光素子の製造方法は、第２のステップの後、量子ドットおよびキャップ層を熱処理する第３のステップをさらに備える。
【００３２】
好ましくは、熱処理の温度は、量子ドットの形成温度よりも高い。
【００３３】
好ましくは、熱処理の温度は、量子ドットおよびキャップ層の形成温度よりも高い。
【００３４】
好ましくは、化合物半導体は、アルミニウム、ガリウムおよび砒素を含む。
【００３５】
好ましくは、ガリウムの含有量に対するアルミニウムの含有量の比は、０．０５〜１．０の範囲である。
【００３６】
好ましくは、量子ドットは、インジウムおよび砒素を含む化合物半導体からなる。
【００３７】
更に、この発明によれば、半導体レーザジャイロは、半導体レーザと、光検出器とを備える。半導体レーザは、第１および第２のレーザ光を出射する活性層と活性層にキャリアを注入する第１および第２の電極とを含む。光検出器は、第１および第２のレーザ光によって干渉縞が形成される位置に配置される。半導体レーザの活性層は、量子ドットと、キャップ層とを含む。キャップ層は、量子ドットを覆うように形成され、基準波長を発光するときの第１のバンドギャップよりも大きい第２のバンドギャップを有する。そして、第１のレーザ光は、活性層内においてリング形状の経路上を周回するレーザ光の一部が出射されたレーザ光である。また、第２のレーザ光は、経路上を第１のレーザ光と逆の方向に周回するレーザ光の一部が出射されたレーザ光である。更に、キャップ層は、ガリウム砒素よりも大きいバンドギャップを有する化合物半導体からなる。
【発明の効果】
【００３８】
この発明による半導体発光素子においては、量子ドットを覆うように形成されるキャップ層は、第１の波長を発光するときの第１のバンドギャップよりも大きい第２のバンドギャップを有する。従って、電子および正孔は、キャップ層のバンドギャップが第１のバンドギャップである場合よりも量子ドットへ効率的に閉じ込められ、電子および正孔の量子ドット中のエネルギー準位が高くなる。
【００３９】
従って、この発明によれば、従来よりも短波長な光を発光できる。
【００４０】
また、この発明による半導体発光素子の製造方法においては、量子ドットおよびキャップ層の形成後、量子ドットおよびキャップ層を熱処理するので、キャップ層の構成元素の一部が量子ドット中へ拡散し、量子ドットのバンドギャップが大きくなる。
【００４１】
従って、この発明によれば、従来よりも短波長な光を発光する半導体発光素子を容易に作製できる。
【００４２】
更に、この発明による半導体レーザジャイロにおいては、半導体レーザは、従来よりも短波長な２つのレーザ光を発振するので、光検出器が検出する２つのレーザ光の周波数差がより大きくなり、光検出器の位置における光強度がより強くなる。その結果、干渉縞の移動速度および移動方向の検出精度が高くなる。
【００４３】
従って、この発明によれば、半導体レーザジャイロの精度を向上できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４４】
本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰返さない。
【００４５】
図１は、この発明の実施の形態による半導体レーザの断面構造図である。この発明の実施の形態による半導体レーザ１０は、負極電極１と、基板２と、バッファ層３と、クラッド層４，８と、バリア層５，７と、活性層６と、コンタクト層９と、正極電極１１とを備える。
【００４６】
負極電極１は、基板２の一主面に形成される。バッファ層３は、負極電極１と反対側の基板２の一主面に形成される。クラッド層４は、バッファ層３上にバッファ層３に接して形成される。
【００４７】
バリア層５は、クラッド層４上にクラッド層４に接して形成される。活性層６は、バリア層５上にバリア層５に接して形成される。バリア層７は、活性層６上に活性層６に接して形成される。クラッド層８は、バリア層７上にバリア層７に接して形成される。コンタクト層９は、クラッド層８上にクラッド層８に接して形成される。正極電極１１は、コンタクト層９上にコンタクト層９に接して形成される。
【００４８】
負極電極１は、ＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕからなる。基板２は、シリコン（Ｓｉ）がドープされた（１００）面を有するＧａＡｓからなる。バッファ層３は、１×１０１８ｃｍ−３のＳｉがドープされたｎ型ＧａＡｓからなる。クラッド層４は、１×１０１７ｃｍ−３のＳｉがドープされたｎ型ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ（ｘ＝０．２〜０．９）からなる。
【００４９】
バリア層５，７の各々は、ノンドープのＧａＡｓからなる。クラッド層８は、５×１０１７ｃｍ−３のベリリウム（Ｂｅ）がドープされたｐ型ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ（ｘ＝０．２〜０．９）からなる。コンタクト層９は、２×１０１９ｃｍ−３よりも多くのＢｅがドープされたｐ型ＧａＡｓからなる。正極電極１１は、Ｔｉ／Ｐｔ／ＡｕまたはＡｕ／Ｚｎ／Ａｕ（０．０１μｍ／０．０１μｍ／０．３μｍ）からなる。
【００５０】
バッファ層３の膜厚は、３００ｎｍであり、クラッド層４の膜厚は、１５００ｎｍであり、バリア層５，７の各々の膜厚は、８０ｎｍであり、クラッド層８の膜厚は、１５００ｎｍであり、コンタクト層９の膜厚は、２００ｎｍである。
【００５１】
負極電極１の膜厚は、全体で０．４３μｍである。そして、負極電極１を構成するＡｕＧｅの膜厚は、０．１μｍであり、Ｎｉの膜厚は、０．０３μｍであり、Ａｕの膜厚は、０．３μｍである。正極電極１１の膜厚は、全体で０．７２μｍである。そして、正極電極１１を構成するＴｉの膜厚は、０．０７μｍであり、Ｐｔの膜厚は、０．０５μｍであり、Ａｕの膜厚は０．６μｍである。
【００５２】
図２は、図１に示す活性層６の拡大断面図である。活性層６は、６個の量子ドット層６１と、５個の間隙層６２とからなる。そして、６個の量子ドット層６１および５個の間隙層６２は、交互に積層される。
【００５３】
６個の量子ドット層６１の各々は、量子ドット６１１と、キャップ層６１２とからなる。キャップ層６１２は、量子ドット６１１を覆う。量子ドット６１１は、インジウム砒素（ＩｎＡｓ）からなる。キャップ層６１２は、アルミニウムガリウム砒素（ＡｌｙＧａ１−ｙＡｓ，ｙ：０．０５〜０．５）からなる。この場合、アルミニウムの含有量とガリウムの含有量との比（＝アルミニウムの含有量／ガリウムの含有量）は、０．０５〜１．０の範囲である。
【００５４】
ＩｎＡｓのバンドギャップは、０．３６ｅＶであり、ＡｌｙＧａ１−ｙＡｓのバンドギャップは、アルミニウムの含有量ｙ＝０．０５〜０．５に対して１．４８６〜１．９５ｅＶである。また、量子ドット６１１のサイズは、数十ｎｍである。
【００５５】
量子ドット６１１は、ＩｎＡｓが１．８〜２．４モノレイヤー（１モノレイヤー：略０．５ｎｍ）の範囲で結晶成長されて形成される。キャップ層６１２の膜厚は、３〜２０ｎｍの範囲である。
【００５６】
５個の間隙層６２の各々は、ＧａＡｓからなり、３０ｎｍ〜５０ｎｍの膜厚を有する。
【００５７】
図３は、半導体レーザ１０のクラッド層４、バリア層５、活性層６、バリア層７およびクラッド層８における屈折率の分布を示す図である。クラッド層４，８は、Ａｌの含有量ｘが０．２〜０．９であるＡｌｘＧａ１−ｘＡｓから成るので、屈折率が最も小さい。バリア層５，７は、ＧａＡｓからなるので、クラッド層３，８よりも大きい屈折率を有する。活性層６は、ＩｎＡｓおよびＡｌｙＧａ１−ｙＡｓから成るので、最も大きい屈折率を有する。
【００５８】
このように、クラッド層４、バリア層５、活性層６、バリア層７およびクラッド層８における屈折率の分布は、活性層６を中心にして対称になる。その結果、活性層６において誘導放出により発生した光は、両側に設けられたバリア層５，７およびクラッド層４，８によって光学的に閉じ込められ、レーザ発振のためのしきい値が低下する。
【００５９】
図４は、量子ドット層６１におけるエネルギーバンド図である。図４において、キャップ層６１２→量子ドット６１１→キャップ層６１２へ向かう方向は、図１に示す断面図において、基板２に垂直な方向ではなく、基板２の面内方向ＤＲ１である。
【００６０】
ＡｌｙＧａ１−ｙＡｓ（キャップ層６１２）の伝導帯Ｅｃ１と価電子帯Ｅｖ１とのエネルギー差がバンドギャップＥｇ１に相当し、ＩｎＡｓ（量子ドット６１１）の伝導帯Ｅｃ２と価電子帯Ｅｖ２とのエネルギー差がバンドギャップＥｇ２に相当する。
【００６１】
そして、キャップ層６１２を構成するＡｌｙＧａ１−ｙＡｓは、Ｅｇ１＝１．４２〜１．９８ｅＶのバンドギャップを有し、量子ドット６１１を構成するＩｎＡｓは、Ｅｇ２＝０．３６ｅＶのバンドギャップを有するため、量子ドット６１１を構成するＩｎＡｓの伝導帯Ｅｃ２は、キャップ層６１２の伝導帯Ｅｃ１よりもエネルギー的に低くなり、量子ドット６１１を構成するＩｎＡｓの価電子帯Ｅｖ２は、キャップ層６１２の価電子帯Ｅｖ１よりもエネルギー的に低くなる。
【００６２】
そうすると、キャップ層６１２（＝ＡｌｙＧａ１−ｙＡｓ）の伝導帯Ｅｃ１に存在する電子は、エネルギー的により安定な量子ドット６１１（＝ＩｎＡｓ）へ移動し、キャップ層６１２（＝ＡｌｙＧａ１−ｙＡｓ）の価電子帯Ｅｖ１に存在する正孔は、エネルギー的により安定な量子ドット６１１（＝ＩｎＡｓ）へ移動する。
【００６３】
そして、エネルギー差ΔＥｃが伝導帯側に存在し、エネルギー差ΔＥｖが価電子帯側に存在するので、量子ドット６１１（＝ＩｎＡｓ）へ移動した電子および正孔は、熱励起によって量子ドット６１１（＝ＩｎＡｓ）からキャップ層６１２（＝ＡｌｙＧａ１−ｙＡｓ）へ移動することができず、量子ドット６１１（＝ＩｎＡｓ）中に閉じ込められる。
【００６４】
その結果、量子ドット６１１（＝ＩｎＡｓ）の伝導帯Ｅｃ２側には、サブ準位Ｅｓｕｂ１が形成され、量子ドット６１１（＝ＩｎＡｓ）の価電子帯Ｅｖ２側には、サブ準位Ｅｓｕｂ２が形成される。
【００６５】
サブ準位Ｅｓｕｂ１およびサブ準位Ｅｓｕｂ２は、それぞれ、次の式（２）および式（３）によって表される。
【００６６】
【数２】
【００６７】
【数３】
サブ準位Ｅｓｕｂ１に存在する電子は、サブ準位Ｅｓｕｂ２に存在する正孔と再結合し、サブ準位Ｅｓｕｂ１とサブ準位Ｅｓｕｂ２とのエネルギー差に相当するエネルギーｈνを有する光を発する。そして、再結合によって発生した光により誘導放射が生じ、最終的にレーザ発振に至る。
【００６８】
この発明においては、キャップ層６１２としてＡｌｙＧａ１−ｙＡｓを用いているので、ＧａＡｓをキャップ層６１２に用いた場合よりも伝導帯Ｅｃ側に生じるエネルギー差ΔＥｃおよび価電子帯Ｅｖ側に生じるエネルギー差ΔＥｖが大きくなる。従って、電子および正孔は、ＧａＡｓをキャップ層６１２に用いた場合よりも、量子ドット６１１へ効率的に閉じ込められ、サブ準位Ｅｓｕｂ１，Ｅｓｕｂ２が上昇する。また、サブ準位Ｅｓｕｂ１に存在する電子がサブ準位Ｅｓｕｂ２に存在する正孔と再結合して発生する光のエネルギーｈνは、ｈｃ／λ（ｃ：光速、λ：波長）によって表される。
【００６９】
従って、エネルギー差ΔＥｃ，ΔＥｖが大きくなれば、サブ準位Ｅｓｕｂ１とサブ準位Ｅｓｕｂ２とのエネルギー差が大きくなり、量子ドット６１１中で発光する光の波長λは、より短くなる。
【００７０】
そこで、この発明においては、量子ドット６１１を覆うキャップ層６１２を構成する化合物半導体のバンドギャップをＧａＡｓのバンドギャップよりも大きくすることによって、より短波長のレーザ光を発光する半導体レーザ１０を作製することにしたものである。
【００７１】
図５および図６は、それぞれ、図１に示す半導体レーザ１０の製造工程を示す第１および第２の工程図である。
【００７２】
半導体レーザ１０を構成するバッファ層３、クラッド層４，８、バリア層５，７、活性層６およびコンタクト層９は、ＭＢＥにより形成される。まず、Ｓｉがドープされた（１００）面を有するＧａＡｓからなる基板２が真空チャンバへ導入され、真空チャンバは、約１．３３×１０−８Ｐａまで真空排気される。
【００７３】
そして、基板２の温度は、５４０℃〜５７０℃の範囲に設定され、１．３３×１０−３Ｐａの圧力において、Ｇａ、ＡｓおよびＳｉが固体Ｇａ、固体Ａｓおよび固体Ｓｉからそれぞれ基板２の一主面に照射され、１×１０１８ｃｍ−３のＳｉがドープされたｎ型ＧａＡｓが基板２上に３００ｎｍの膜厚になるまで結晶成長される。この場合、ｎ型ＧａＡｓの成長速度は、６１０ｎｍ／ｈｒである。これにより、基板２上にバッファ層３が形成される（図５の（ａ）参照）。
【００７４】
その後、１．３３×１０−３Ｐａの圧力において、Ａｌ、Ｇａ、ＡｓおよびＳｉが固体Ａｌ、固体Ｇａ、固体Ａｓおよび固体Ｓｉからそれぞれバッファ層３の表面に照射され、１×１０１７ｃｍ−３のＳｉがドープされたｎ型ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓがバッファ層３上に１５００ｎｍの膜厚になるまで結晶成長される。この場合、ｎ型ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓの成長速度は、６１０〜９００ｎｍ／ｈｒである。
【００７５】
ｎ型ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓがバッファ層３上に１５００ｎｍの膜厚になるまで結晶成長されると、ＡｌおよびＳｉの照射がシャッタにより停止され、１．３３×１０−３Ｐａの圧力において、ノンドープのＧａＡｓが８０ｎｍの膜厚になるまで結晶成長される。この場合、ノンドープのＧａＡｓの成長速度は、６１０ｎｍ／ｈｒである。
【００７６】
これにより、クラッド層４およびバリア層５がバッファ層３上に順次堆積される（図５の（ｂ）参照）。
【００７７】
その後、後に詳述する方法によって、活性層６がバリア層５上に形成される（図５の（ｃ）参照）。
【００７８】
そして、活性層６が形成されると、１．３３×１０−３Ｐａの圧力において、ＧａおよびＡｓが固体Ｇａおよび固体Ａｓからそれぞれ活性層６の表面に照射され、ノンドープのＧａＡｓが活性層６上に８０ｎｍの膜厚になるまで結晶成長される。この場合、ノンドープのＧａＡｓの成長速度は、６１０ｎｍ／ｈｒである。これにより、バリア層７が活性層６上に形成される。
【００７９】
その後、１．３３×１０−３Ｐａの圧力において、Ａｌ、Ｇａ、ＡｓおよびＢｅが固体Ａｌ、固体Ｇａ、固体Ａｓおよび固体Ｂｅからそれぞれバリア層７の表面に照射され、５×１０１７ｃｍ−３のＢｅがドープされたｐ型ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓがバリア層７上に１５００ｎｍの膜厚になるまで結晶成長される。これにより、クラッド層８がバリア層７上に形成される。この場合、ｐ型ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓの成長速度は、６１０〜９００ｎｍ／ｈｒである。
【００８０】
引続いて、１．３３×１０−３Ｐａの圧力において、Ｇａ、ＡｓおよびＢｅが固体Ｇａ、固体Ａｓおよび固体ベリリウム（Ｂｅ）からそれぞれクラッド層８の表面に照射され、２×１０１９ｃｍ−３よりも多いＢｅがドープされたｐ型ＧａＡｓがクラッド層８上に２００ｎｍの膜厚になるまで結晶成長される。この場合、ｐ型ＧａＡｓの成長速度は、６１０ｎｍ／ｈｒである。これにより、コンタクト層９がクラッド層８上に形成される。
【００８１】
そうすると、Ａｕ、ＧｅおよびＮｉが真空蒸着により基板２の裏面に順次堆積され、ＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕからなる負極電極１が形成され、Ｔｉ、ＰｔおよびＡｕが真空蒸着によりコンタクト層９上に順次堆積され、Ｔｉ／Ｐｔ／ＡｕまたはＡｕ／Ｚｎ／Ａｕからなる正極電極１１が形成される。
【００８２】
これによって、半導体レーザ１０が完成する（図６の（ｄ）参照）。
【００８３】
図７は、図５の（ｃ）において行なわれる活性層６の形成過程を示す工程図である。
【００８４】
図５の（ｂ）に示す工程によってバリア層５が形成されると、基板２の温度が４７５℃まで降温される。そして、６．６５×１０−４Ｐａの圧力において、ＡｓおよびＩｎがそれぞれ固体Ａｓおよび固体Ｉｎからバリア層５の表面に連続的に照射され、ＩｎＡｓ膜６００が１．７モノレイヤーまで堆積される（図７の（ｃ１）参照）。
【００８５】
この１．７モノレイヤーは、ＩｎＡｓが下地であるバリア層５のＧａＡｓの格子定数（０．５６ｎｍ）と整合するように均一に２軸性結晶歪を受けた状態で２次元的に成長する臨界膜厚（Ｔｃ）である。
【００８６】
そして、ＩｎＡｓが１．７モノレイヤーまで結晶成長すると、ＩｎＡｓ膜６００の全面に歪が生じるよりも、グレインを局所的に発生させる方が結晶学的に安定化する。従って、６．６５×１０−４Ｐａの圧力において、１．７モノレイヤーのＩｎＡｓが結晶成長すると、グレイン６１０がＩｎＡｓ膜６００の表面に形成される（図７の（ｃ２）参照）。
【００８７】
その後、ＡｓおよびＩｎをバリア層５の表面に供給することによって、グレイン６１０が大きくなり、最終的に量子ドット６１１がバリア層５上に形成される（図７の（ｃ３）参照）。
【００８８】
量子ドット６１１がバリア層５上に形成されると、基板２の温度は、５４０℃〜５７０℃の範囲に昇温される。そして、１．３３×１０−３Ｐａの圧力において、Ａｌ、ＧａおよびＡｓがそれぞれ固体Ａｌ、固体Ｇａおよび固体Ａｓからそれぞれ量子ドット６１１の表面に供給され、ＡｌｙＧａ１−ｙＡｓが３〜２０ｎｍの膜厚になるまで結晶成長される。これによって、キャップ層６１２が量子ドット６１１を覆うように形成される（図７の（ｃ４）参照）。
【００８９】
その後、１．３３×１０−３Ｐａの圧力において、ＧａおよびＡｓがそれぞれ固体Ｇａおよび固体Ａｓからそれぞれキャップ層６１２の表面に供給され、ノンドープのＧａＡｓが３０〜５０ｎｍの膜厚になるまで結晶成長される。これによって、間隙層６２が形成される（図７の（ｃ５）参照）。
【００９０】
以後、図７に示す工程ｃ１〜ｃ５を５回繰返して活性層６が形成される。
【００９１】
図８は、図５の（ｃ）において行なわれる活性層６の形成過程を示す他の工程図である。また、図９は、ＡｓおよびＩｎを供給するタイミングチャートである。
【００９２】
図５の（ｂ）に示す工程によってバリア層５が形成されると、基板２の温度が５２０℃まで降温される。そして、６．６５×１０−４Ｐａの圧力において、ＡｓおよびＩｎがそれぞれ固体Ａｓおよび固体Ｉｎから連続的にバリア層５の表面に照射され、ＩｎＡｓ膜６００が１．７モノレイヤーまで堆積される（図８の（ｃ１’）参照）。
【００９３】
この１．７モノレイヤーは、ＩｎＡｓが下地であるバリア層５のＧａＡｓの格子定数（０．５６ｎｍ）と整合するように均一に２軸性結晶歪を受けた状態で２次元的に成長する臨界膜厚（Ｔｃ）である。
【００９４】
そして、ＩｎＡｓが１．７モノレイヤーまで結晶成長すると、ＩｎＡｓ膜６００の全面に歪が生じるよりも、グレインを局所的に発生させる方が結晶学的に安定化する。従って、６．６５×１０−４Ｐａの圧力において、１．９モノレイヤーのＩｎＡｓが結晶成長するまで、ＡｓおよびＩｎがバリア層５の表面に連続的に照射される。
【００９５】
そうすると、グレイン６１０がＩｎＡｓ膜６００の表面に形成される（図８の（ｃ２’）参照）。
【００９６】
その後、固体Ｉｎに取付けられたシャッタを開閉して、ＩｎＡｓ換算で２．４モノレイヤー〜３．９モノレイヤーになるまでＩｎのバリア層５の表面への供給／停止を繰返す。
【００９７】
そうすると、固体Ｉｎに取付けられたシャッタが開いているとき、ＡｓおよびＩｎがバリア層５の表面に供給されるため、ＩｎＡｓ膜６００の表面に発生したグレイン６１０が成長し、固体Ｉｎに取付けられたシャッタが閉じているとき、Ａｓのみがバリア層５の表面に供給されるので、グレイン６１０は成長しない。
【００９８】
この場合、Ｉｎのバリア層５の表面への供給を停止する停止時間をＩｎをバリア層５の表面に供給する供給時間よりも長くする。その結果、バリア層５の表面に照射されたＩｎがグレイン６１０に到達する確率が高くなり、グレイン６１０は、大きく成長する。そして、最終的に、量子ドット６１１がバリア層５上に形成される（図８の（ｃ３’）参照）。
【００９９】
このように、量子ドット６１１は、ＡｓおよびＩｎの連続供給と、Ｉｎの間欠供給とにより形成される。
【０１００】
即ち、ＡｓおよびＩｎは、図９に示すタイミングチャートに従ってバリア層５の表面に供給される。図９の（ａ）は、固体Ｉｎに取付けられたシャッタを開閉するタイミングを示し、図９の（ｂ）は、固体Ａｓに取付けられたシャッタを開閉するタイミングを示す。なお、図９は、ＩｎＡｓ換算で２．４モノレイヤーのＩｎＡｓが結晶成長されるときのタイミングチャートを示す。
【０１０１】
Ｉｎは、タイミングｔ０〜ｔ１，ｔ２〜ｔ３，ｔ４〜ｔ５，ｔ６〜ｔ７，ｔ８〜ｔ９の間、バリア層５の表面に供給され、タイミングｔ１〜ｔ２，ｔ３〜ｔ４，ｔ５〜ｔ６，ｔ７〜ｔ８の間、バリア層５の表面への供給が停止される。そして、タイミングｔ０〜ｔ１間の時間は、１７．３秒であり、タイミングｔ２〜ｔ３間、タイミングｔ４〜ｔ５間、タイミングｔ６〜ｔ７間およびタイミングｔ８〜ｔ９間の各々の時間は、１秒である。また、タイミングｔ１〜ｔ２間、タイミングｔ３〜ｔ４間、タイミングｔ５〜ｔ６間、およびｔ７〜ｔ８間の各々の時間は、１５秒である。
【０１０２】
一方、Ａｓは、タイミングｔ０〜タイミングｔ９の間、連続してバリア層５の表面に供給される。
【０１０３】
固体Ｉｎに取り付けられたシャッタが開の場合には、ＩｎＡｓは、０．１１モノレイヤー／秒の成長速度で結晶成長するので、タイミングｔ０〜タイミングｔ１までの間において、ＡｓおよびＩｎが連続してバリア層５の表面に供給され、ＩｎＡｓ換算で１．９モノレイヤーのＩｎＡｓが結晶成長する。
【０１０４】
その後、タイミングｔ１〜ｔ２の間、結晶成長が停止され、タイミングｔ２〜ｔ３の間、ＡｓおよびＩｎがバリア層５の表面に供給され、０．１１モノレイヤーのＩｎＡｓが結晶成長する。以後、これを繰返し、タイミングｔ９までの間に２．４モノレイヤーのＩｎＡｓが結晶成長する。
【０１０５】
そして、タイミングｔ１〜ｔ９までの間のＩｎの間欠供給により、タイミングｔ１までに発生したグレイン６１０が大きく成長し、タイミングｔ９までの間において量子ドット６１１が形成される。
【０１０６】
このように、量子ドット６１１は、ＡｓおよびＩｎの連続供給と、Ｉｎの間欠供給とによっても形成される。
【０１０７】
図８の（ｃ３’）に示す工程の後、図７に示す工程（ｃ４）および（ｃ５）と同じ工程が実行され、１層の量子ドット層６１と１層のキャップ層６２と形成される。
【０１０８】
その後、図８に示す工程ｃ１’〜ｃ３’，ｃ４，ｃ５を５回繰返して活性層６が形成される。
【０１０９】
この発明においては、上述した図５〜図７または図５、図６および図８に示す工程によって半導体レーザ１０を作製した後、半導体レーザ１０をアニールするようにしてもよい。アニールは、６００〜８００℃の温度範囲で１分〜１５０分の間、熱処理することにより行なう。この温度範囲は、量子ドット６１１の形成温度（４７５℃）よりも高い温度である。また、この温度範囲は、量子ドット６１１の形成温度（４７５℃）およびキャップ層６１２の形成温度（５４０〜５７０℃）よりも高い温度である。
【０１１０】
半導体レーザ１０をアニールすると、キャップ層６１２を構成するＡｌｙＧａ１−ｙＡｓのうち、ガリウム（Ｇａ）が量子ドット６１１を構成するＩｎＡｓ中へ混入し、量子ドット６１１のバンドギャップが大きくなる。
【０１１１】
その結果、アニールすることにより、半導体レーザ１０の発振波長が更に短波長側へシフトする。従って、この発明においては、量子ドット６１１は、ＩｎＧａＡｓから構成されていてもよい。
【０１１２】
なお、アニールは、活性層６を形成した直後に行なうようにしてもよい。また、アニールは、熱処理に限らず、レーザを照射して行なってもよい。
【０１１３】
図１０は、半導体レーザが発振するときのしきい値電流と量子ドット６１１およびキャップ層６１２間のエネルギー差との関係を示す図である。図１０において、縦軸は、しきい値電流を表し、横軸は、エネルギー差ΔＥを表わす。また、Ａ点は、キャップ層６１２がＧａＡｓからなる場合を示し、Ｂ点は、キャップ層６１２が５ｎｍのＩｎ０．１５Ｇａ０．８５Ａｓからなる場合を示し、点Ｃは、キャップ層６１２が５．５ｎｍのＩｎ０．１３Ｇａ０．８７Ａｓからなる場合を示す。
【０１１４】
図１０に示す結果から、しきい値電流Ｊｔｈは、エネルギー差ΔＥが大きくなるに伴って低下する。これは、エネルギー差ΔＥが大きくなるに従って正孔および電子の量子ドット６１１への閉じ込め率が高くなるため、レーザ発振するときの電流が低下したためと考えられる。即ち、エネルギー差ΔＥが大きくなると、量子ドット６１１中の電子および正孔は、熱励起によってキャップ層６１２へ移動することが困難になり、量子ドット６１１に閉じ込められる電子および正孔の密度が高くなる。その結果、レーザ発振に必要なしきい電流Ｊｔｈが低下する。
【０１１５】
ＩｎＡｓからなる量子ドット６１１と、ＡｌｙＧａ１−ｙＡｓからなるキャップ層６１２とを用いた場合、エネルギー差ΔＥは、４００ｍｅＶになるので、半導体レーザ１０がレーザ発振するためのしきい値電流Ｊｔｈは、図１０に示す点Ｃの場合よりも更に低下する。
【０１１６】
従って、キャップ層６１２にＡｌｙＧａ１−ｙＡｓを用いることにより、発振波長を１．１μｍよりも短波長側にシフトできるとともに、レーザ発振するためのしきい値電流を大幅に低減できる。
【０１１７】
上述したように、この発明による半導体レーザ１０は、量子ドット層６１を構成するキャップ層６１２の材料をＧａＡｓからＡｌｙＧａ１−ｙＡｓに変えることによって量子ドット６１１中の電子および正孔の電気的な閉じ込めを効果的に行ない、従来よりも短波長なレーザ光を発振することを特徴とする。
【０１１８】
即ち、この発明による半導体レーザ１０は、波長λ１を発光するときのバンドギャップ（＝ＧａＡｓのバンドギャップ）よりも大きいバンドギャップを有するＡｌｙＧａ１−ｙＡｓをキャップ層６１２に用いることによって、量子ドット６１１への電子および正孔の電気的な閉じ込めを効果的に行ない、波長λ１よりも短波長である波長λ２（＜λ１）を有するレーザ光を発振することを特徴とする。
【０１１９】
つまり、この発明による半導体レーザ１０は、量子ドット６１１中に存在する電子および正孔にとって障壁層となるキャップ層６１２のバンドギャップを大きくすることによって従来の波長λ１よりも短波長である波長λ２を有するレーザ光を発振する。
【０１２０】
そして、半導体レーザ１０は、活性層６に量子ドット６１１を含むので、（ｉ）温度が変化しても発振波長が変化しない、（ｉｉ）駆動電流が量子井戸レーザに比べて５〜１０分の１に減少できる、（ｉｉｉ）発振するレーザ光のパワーを強くできる、という量子ドットを用いた半導体レーザに特有の効果も併せて有する。
【０１２１】
図１に示す半導体レーザ１０を用いた半導体レーザジャイロについて説明する。図１１は、この発明の実施の形態による半導体レーザジャイロの斜視図である。この発明の実施の形態による半導体レーザジャイロ１００は、半導体レーザ１１０と、光検出器１１３とを備える。半導体レーザ１１０および光検出器１１３は、基板１１１上にモノリシックに形成される。
【０１２２】
光検出器１１３は、２つの受光素子１１３ａ，１１３ｂからなる。そして、光検出器１１３は、半導体レーザ１１０から出射される２つのレーザ光が干渉縞を形成する位置に配置される。受光素子１１３ａ，１１３ｂの各々は、フォトダイオードであり、半導体レーザ１１０を作製する製造工程で半導体レーザ１１０とともに作製される。
【０１２３】
半導体レーザ１１０は、環状の光路上を互いに反対方向に周回する２つのレーザ光を発光する。光検出器１１３は、半導体レーザ１１０が回転したときに半導体レーザ１１０から出射された２つのレーザ光による干渉縞の移動速度および移動方向を検出して半導体レーザ１１０の回転速度および回転方向を検出する。
【０１２４】
光検出器１１３は、２つの受光素子１１３ａ，１１３ｂから構成されているので、干渉縞が移動すると、２つの受光素子１１３ａ，１１３ｂの各々は、干渉縞の縞模様に対応して強弱の電気信号を出力する。従って、電気信号の強弱が変化する速さを検出することにより、半導体レーザの回転速度を検出できる。また、半導体レーザ１１０の回転方向によって、２つの受光素子１１３ａ，１１３ｂから出力される電気信号の強弱の極性が変わるので、２つの受光素子１１３ａ，１１３ｂから出力される２つの電気信号の位相関係を検出することにより半導体レーザ１１０の回転方向を検出できる。
【０１２５】
図１２は、図１１に示す半導体レーザ１１０の斜視図である。半導体レーザ１１０は、キャビティ１０２と、絶縁膜１０３と、正極電極１０４と、負極電極１０５と、基板１１１とを備える。
【０１２６】
キャビティ１０２は、基板１１１上に形成される。絶縁膜１０３は、キャビティ１０２の表面に形成される。正極電極１０４は、絶縁膜１０３上および絶縁膜１０３がエッチングされた領域に形成される。そして、正極電極１０４は、リング形状から成るリング電極である。負極電極１０５は、キャビティ１０２が形成された基板１１１の表面と反対側の裏面に形成される。
【０１２７】
基板１１１は、単結晶のＧａＡｓから成る。キャビティ１０２については、後述する。絶縁膜１０３は、シリコンナイトライド（Ｓｉ３Ｎ４）又は二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）から成る。正極電極１０４は、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕから成る。負極電極１０５は、Ａｕ／Ｇｅ／Ｎｉから成る。
【０１２８】
絶縁膜１０３の膜厚は、０．４μｍである。正極電極１０４を構成するＴｉ／Ｐｔ／Ａｕの膜厚および負極電極１０５を構成するＡｕ／Ｇｅ／Ｎｉの膜厚については、上述したとおりである。
【０１２９】
キャビティ１０２の幅Ｗは、６０μｍであり、キャビティ１０２の長さＬは、６００μｍである。
【０１３０】
図１３は、図１２の矢印１０６の方向から見たキャビティ１０２の平面図である。キャビティ１０２は、メインキャビティ２１と、ウイング２２〜２５とを含む。メインキャビティ２１は、出射面２１０と、対向面２１１と、端面２１２，２１３とを有する。そして、メインキャビティ２１は、略スタジアム形状から成る。出射面２１０および対向面２１１は、中心Ｏから半径Ｒを有する曲面から成る。半径Ｒは、３００μｍである。また、出射面２１０および対向面２１１は、キャビティ１０２の内側から外側に向かう方向に凸である曲面から成る。
【０１３１】
対向面２１１は、矢印１０７で示す長手方向に垂直な方向の軸１０８に対して出射面２１０と対称である。端面２１２，２１３は、キャビティ１０２の長手方向に垂直な方向においてキャビティ１０２の両端に配置される。即ち、端面２１２，２１３は、キャビティ１０２の長手方向に平行に配置される。そして、出射面２１０、対向面２１１および端面２１２，２１３は、ミラー面から成る。
【０１３２】
ウイング２２，２３は、メインキャビティ２１の出射面２１０側に設けられる。つまり、ウイング２２，２３は、出射面２１０が設けられた領域２１４に隣接して設けられる。ウイング２２は、出射面２１０の延長上に曲面２２１を有する。ウイング２３は、出射面２１０の延長上に曲面２３１を有する。曲面２２１，２３１は、半径Ｒの曲面から成る。
【０１３３】
ウイング２４，２５は、メインキャビティ２１の対向面２１１側に設けられる。つまり、ウイング２４，２５は、対向面２１１が設けられた領域２１５に隣接して設けられる。ウイング２４は、対向面２１１の延長上に曲面２４１を有する。ウイング２５は、対向面２１１の延長上に曲面２５１を有する。曲面２４１，２５１は、半径Ｒの曲面から成る。
【０１３４】
矢印１０７の方向（長手方向）におけるウイング２２〜２５のの長さＷｓは、１６０μｍである。ウイング２２〜２５は、メインキャビティ２１で発振したレーザ光の端面２１２，２１３での多重反射によって生成されたモードを抑制するために設けられる。そして、ウイング２２〜２５が多重反射によって生成されたモードを抑制するためには、長さＷｓは、Ｗｓ＞Ｌ／４を満たす必要がある。従って、長さＷｓは、Ｌ／４＝１５０μｍよりも大きい１６０μｍに設定された。
【０１３５】
図１４は、図１２に示す線ＸＩＶ−ＸＩＶ間における半導体レーザ１１０の断面図である。半導体レーザ１１０の断面構造は、基板１１１上にキャビティ１０２を形成した構造から成る。キャビティ１０２は、図１に示す半導体レーザ１０のバッファ層３と、クラッド層４，８と、バリア層５，７と、活性層６と、コンタクト層９とを含む。従って、キャビティ１０２は、量子ドット６１１を含む活性層６によってレーザ光ＬＢを発光する。そして、半導体レーザ１１０においては、外部から注入された電子および正孔を電気的に活性層６に閉じ込め、かつ、活性層６において誘導放出により発生した光を光学的に閉じ込めることによりレーザ発振のためのしきい値を低下させている。
【０１３６】
図１５は、図１２に示す半導体レーザ１１０の製造工程を示す図である。エピタキシャル層２０が形成されたＧａＡｓから成る基板１１１を用意する。ここで、エピタキシャル層２０は、バッファ層３、クラッド層４，８、バリア層５，７、活性層６およびコンタクト層９が図１２に示すキャビティ１０２として積層されたものを意味する。
【０１３７】
エピタキシャル層２０が形成された基板１１１を用意すると、Ｓｉ３Ｎ４またはＳｉＯ２から成る絶縁膜３０をエピタキシャル層２０上にスパッタリング、またはＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｕｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）により形成する。この場合、絶縁膜３０の膜厚は、０．４μｍである（図１５の（ａ）参照）。
【０１３８】
そして、絶縁膜３０上にレジストを塗布し、その塗布したレジストをフォトリソグラフィによりキャビティ１０２の形状にパターンニングし、キャビティ１０２の形状を有するレジスト３１を絶縁膜３０上に形成する（図１５の（ｂ）参照）。
【０１３９】
その後、レジスト３１をマスクとして絶縁膜３０をＲＩＥ（Ｒｅａｃｔｉｖｅ Ｉｏｎ Ｅｔｃｈｉｎｇ）によりエッチングする。この場合、キャビティ１０２の出射面２１０、対向面２１１および端面２１２，２１３を形成するためにエピタキシャル層２０を含めて３μｍの深さまでエッチングする。そして、ＲＩＥによって形成された出射面２１０、対向面２１１および端面２１２，２１３はミラー面を有する。ＲＩＥによるエッチング後、レジスト３１を除去すると、キャビティ１０２および絶縁膜１０３が基板１１１上に順次形成された構造が完成する（図１５の（ｃ）参照）。なお、このＲＩＥによるエッチングは、エッチングされた端面が高い垂直性および平滑性を有する条件によって行なわれる。
【０１４０】
次に、リング形状から成る正極電極１０４を形成するために絶縁膜１０３に窓を開ける。絶縁膜１０３上にレジストを塗布し、その塗布したレジストをフォトリソグラフィによりパターンニングしてレジストにリング形状の窓を開ける。そして、パターンニングしたレジストをマスクとして絶縁膜１０３をＲＩＥによってエッチングし、絶縁膜１０３にリング形状の窓３２を開ける（図１５の（ｄ）参照）。
【０１４１】
その後、正極電極１０４を形成する。この段階で、基板１の表面１１１ａと絶縁膜１０３の表面１０３ａとの間には段差が存在するので、この段差を埋めるために２層レジストを用いる。即ち、１層目のレジスト３３を全体的に塗布して段差を埋めた後、２層目のレジスト３４を塗布する（図１５の（ｅ）参照）。これにより、平坦なレジスト面が形成される。
【０１４２】
そして、レジスト３３，３４をフォトリソグラフィによりパターンニングして正極電極１０４を形成するための孔３５を形成する（図１５の（ｆ）参照）。この段階で、孔３５を通して絶縁膜１０３、および絶縁膜１０３に開けられた窓３２が露出する。
【０１４３】
正極電極１０４と半導体との良好なコンタクトが得られるように、窓３２を通して半導体表面を０．０１〜０．０２μｍ程度、エッチングする。そして、電子ビーム蒸着により、正極電極１０４を構成するＴｉ（約０．０７μｍ）／Ｐｔ（約０．０５μｍ）／Ａｕ（約０．６μｍ）を全面に形成する。次に、ウェハをアセトンに浸してレジスト３３，３４を除去する。これにより、レジスト３４上に形成されたＴｉ／Ｐｔ／Ａｕは、リフトオフにより除去され、正極電極１０４がキャビティ１０２上に形成される。この場合、絶縁膜１０３のうち、領域１０３ｂおよびリング形状から成る正極電極１０４の内側の領域１０３ｃ上にもＴｉ／Ｐｔ／Ａｕが形成される。
【０１４４】
その後、へき開を容易にするため、基板１１１を厚さが１００〜１５０μｍになるように研磨する（図１５の（ｇ）参照）。そして、Ｇｅ（約０．１μｍ）／Ｎｉ（約０．０２μｍ）／Ａｕ（約０．５μｍ）を抵抗加熱により基板１１１の裏面に蒸着して負極電極１０５を形成する（図１５の（ｈ）参照）。
【０１４５】
負極電極１０５を形成した後、正極電極１０４を構成するＴｉ／Ｐｔ／Ａｕおよび負極電極１０５を構成するＧｅ／Ｎｉ／Ａｕを合金化するために、４００〜４５０℃で数分間、熱処理する。その後、チップごとのへき開およびレーザアレイのへき開を行ない、半導体レーザ１１０が製造される。
【０１４６】
図１６は、図１２に示す半導体レーザ１１０のキャビティ１０２から出射されるレーザ光のパターンを示す図である。半導体レーザ１１０の正極電極１０４と負極電極１０５との間に電圧が印加され、しきい値を超える電流が活性層６に注入されると、半導体レーザ１１０はレーザ発振し、キャビティ１０２は、出射面２１０からレーザ光ＬＢを出射する。レーザ光ＬＢは、キャビティ１０２の長手方向の軸１０９と角度θ１を成すレーザ光ＬＢ１と、軸１０９と角度θ２を成すレーザ光ＬＢ２とから成る。そして、角度θ１は、角度θ２と等しい。つまり、レーザ光ＬＢは、軸１０９に対して対称な２つのレーザ光ＬＢ１，ＬＢ２から成る。
【０１４７】
レーザ光ＬＢが出射されるモードを「リングモード」と言う。半導体レーザ１１０がリングモードで動作するためには、曲面から成る出射面２１０および対向面２１１を有するキャビティ１０２と、リング形状から成る正極電極１０４とを形成する必要がある。
【０１４８】
このように、半導体レーザ１１０は、キャビティ１０２の長手方向の軸１０９に対して所定の角度θ（＝θ１＝θ２）を成すレーザ光ＬＢを出射することができる。
【０１４９】
図１７は、図１２に示す半導体レーザ１１０が軸１０９に対して所定の角度θを成すレーザ光ＬＢを出射する機構を説明するための図である。活性層６に注入された電子と正孔とが再結合し、所定の波長λを有する光が発生すると、その発生した光に基づく誘導放出が起こる。そして、誘導放出により発生した多くの光は、ミラー面から成る出射面２１０、対向面２１１および端面２１２，２１３によって反射され、他の光と相互に干渉する。そして、出射面２１０および対向面２１１は、入射した光を軸１０９と平行な方向に反射せず、所定の角度を成す方向に反射する。また、誘導放出は、注入される電子および正孔の密度が高い正極電極１０４の形状に沿った領域で生じ易く、新たに誘導放出によって発生する光と既に誘導放出によって発生した光との干渉は、正極電極１０４の形状に沿った領域で生じ易い。更に、ウイング２２〜２５は、誘導放出によって発生した光が端面２１２，２１３で多重反射されることによって生じる成分を抑制する。
【０１５０】
その結果、誘導放出によって発生した光を相互に強め合う共振器は、正極電極１０４の形状に沿った領域で形成され、その領域でレーザ発振が起こる。そして、発振したレーザ光ＬＢ０は、キャビティ１０２内で正極電極１０４の形状に沿って分布する。従って、出射面２１０から出射されるレーザ光ＬＢ１，ＬＢ２は、軸１０９に対して所定の角度θを成すものと考えられる。
【０１５１】
図１８は、長手方向の軸１０９に沿って形成された電極を有するキャビティ１０２の平面図である。半導体レーザ１１０がリングモードで動作するためにはリング形状から成る正極電極１０４が必要なことを示すために、図１８に示すように、曲面から成る出射面２１０および対向面２１１を有するキャビティ１０２に軸１０９の方向に沿って正極電極４０を形成した半導体レーザを作製した。
【０１５２】
図１９は、正極電極１０４を形成した半導体レーザ１１０および正極電極４０を形成した半導体レーザから出射されるレーザ光の遠視野像（Ｆａｒ−Ｆｉｅｌｄ Ｐａｔｔｅｒｎ）を示す図である。図１９の（ａ）は、正極電極４０を形成した場合のレーザ光の遠視野像を示し、図１９の（ｂ）は、正極電極１０４を形成した場合のレーザ光の遠視野像を示す。また、図１９の（ａ）および（ｂ）において、横軸は、軸１０９に対する角度を表し、縦軸は、出射されたレーザ光の規格化強度を表す。
【０１５３】
正極電極４０を形成した場合、角度が０度の方向、即ち、軸１０９の方向にレーザ光がキャビティ１０２から出射される。レーザ光の波長λは８６２ｎｍであり、強度の半値幅（ＦＷＨＭ：Ｆｕｌｌ Ｗｉｄｔｈ ａｔ Ｈａｌｆ Ｍａｘｉｍｕｍ）は５．５度である。
【０１５４】
一方、正極電極１０４を形成した場合、軸１０９に対して±１９．２度の角度を成すレーザ光ＬＢ１，ＬＢ２がキャビティ１０２から出射される。レーザ光ＬＢ１，ＬＢ２の波長λは８６２ｎｍであり、強度の半値幅（ＦＷＨＭ）は、レーザ光ＬＢ１およびＬＢ２において同じであり、４．１度である。
【０１５５】
このように、正極電極１０４をリング形状から成るリング電極により構成することにより、半導体レーザ１１０は、キャビティ１０２の長手方向の軸１０９に対して対称な角度θ（±１９．２度）を成すレーザ光ＬＢを出射することが確認された。
【０１５６】
角度θは、次式によって決定される。
【０１５７】
【数４】
なお、式（４）において、ｎｅｆｆは、キャビティ１０２の実効屈折率である。
【０１５８】
ｎｅｆｆ＝３．３、Ｌ＝６００μｍおよびＷ＝３００μｍを式（４）に代入して角度θを計算した結果、θ＝±１９．２度であった。この計算結果は、上述した内容と良い一致を示す。
【０１５９】
実効屈折率ｎｅｆｆが一定の場合、レーザ光ＬＢ１，ＬＢ２の角度θを大きくするためには、Ｌ／Ｗを小さくすればよく、レーザ光ＬＢ１，ＬＢ２の角度θを小さくするためには、Ｌ／Ｗを大きくすればよい。
【０１６０】
また、Ｌ／Ｗが一定の場合、実効屈折率ｎｅｆｆに応じてレーザ光ＬＢ１，ＬＢ２の角度θを変化させることができる。
【０１６１】
従って、半導体レーザ１１０のキャビティ１０２の長さＬ、幅Ｗおよび実効屈折率ｎｅｆｆを変化させて設計することにより、レーザ光ＬＢ１，ＬＢ２の出射方向を種々変化させた半導体レーザを作製することができる。
【０１６２】
なお、正極電極１０４の形状であるリング形状は、内周形状および外周形状が略菱形である輪形状から成る。そして、菱形の２つの対角線の比は、キャビティ１０２が出射するレーザ光ＬＢの方向に応じて決定される。
【０１６３】
レーザ光ＬＢがキャビティ１０２の長手方向の軸１０９に対して小さい角度を成す方向に出射される場合、端面２１２，２１３が配置される方向の菱形の対角線が短くされる。つまり、リング形状は、軸１０９の方向に伸ばされた菱形から成る概略形状を有する。
【０１６４】
また、レーザ光ＬＢがキャビティ１０２の長手方向の軸１０９に対して大きい角度を成す方向に出射される場合、端面２１２，２１３が配置される方向の菱形の対角線が長くされる。つまり、リング形状は、軸１０９の方向に縮められた菱形から成る概略形状を有する。
【０１６５】
従って、この発明におけるリング形状とは、概略、菱形を基本とし、その菱形をキャビティ１０２の軸１０９の方向に伸ばしたり、縮めたりした概略形状を有する輪形状を言う。
【０１６６】
図２０は、図１１に示す半導体レーザジャイロ１００の動作原理を説明するための図である。半導体レーザ１１０が回転すると、レーザ光ＬＢ０１とレーザ光ＬＢ０２とでは、経路１２０の光路を一周するのに必要な時間が変化する。光の速度は、一定であるため、半導体レーザ１１０が回転すると、レーザ光ＬＢ０１とレーザ光ＬＢ０２との間で周波数差が生じ、その周波数差に応じた速度で干渉縞が移動する。
【０１６７】
干渉縞の移動方向は、半導体レーザ１１０の回転方向に応じて変化する。このため、干渉縞の移動速度を測定することによって、半導体レーザ１１０の回転速度（角速度）を算出でき、干渉縞の移動方向を検出することによって、半導体レーザ１１０の回転方向を検出できる。より具体的には、活性層６の表面と平行な面内における回転方向と回転速度とを算出できる。
【０１６８】
上述したように、このような光ジャイロの原理は、公知の原理であり、希ガスレーザを用いた光ジャイロなどで利用されている。従って、この発明の半導体レーザジャイロは、公知の駆動回路で駆動でき、ジャイロによって得られた情報を公知の方法で処理できる。なお、この発明による半導体レーザジャイロを３個組み合わせることによって、全方向における回転方向と回転速度とを算出することができる。
【０１６９】
半導体レーザ１１０の正極電極１０４および負極電極１０５間に電圧が印加され、電流が活性層６に注入されると、半導体レーザ１１０は、正極電極１０４のリング形状に沿ってレーザ光ＬＢ０（ＬＢ０１，ＬＢ０２からなる）を発振する。
【０１７０】
そして半導体レーザ１１０が回転すると、レーザ光ＬＢ０１は、リング形状の光路上を一方の方向に周回し、レーザ光ＬＢ０２は、レーザ光ＬＢ０１と反対方向にリング形状の光路上を周回する。
【０１７１】
そうすると、半導体レーザ１１０は、端面２１０の角部１２０ａから２つのレーザ光ＬＢ１，ＬＢ２を放射し、２つのレーザ光ＬＢ１，ＬＢ２は、光検出器１１３が配置された位置に干渉縞を形成する。
【０１７２】
そして、光検出器１１３は、干渉縞の移動速度および移動方向を検出する。これによって、半導体レーザ１１０の回転速度および回転方向が検出される。
【０１７３】
この場合、半導体レーザ１１０は、１．１μｍよりも短波長なレーザ光ＬＢ１，ＬＢ２を出射面２１０から出射するので、式（１）におけるΔω（＝４ＡΩ／（Ｌ１λ））は、波長λが短波長側へシフトすることにより大きくなり、光検出器１１３の位置における光強度Ｉ（式（１）参照）がより強くなる。その結果、光検出器１１３は、従来よりも精度を高くして半導体レーザ１１０の回転速度および回転方向を検出できる。
【０１７４】
なお、図１１に示す半導体レーザジャイロ１００は、プリズムおよびレンズなどの光学素子を必要としない利点がある。
【０１７５】
上記においては、量子ドットを半導体レーザに用いた例について説明したが、この発明は、これに限らず、量子ドットをＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｓｓｉｏｎ Ｄｉｏｄｅ）等の半導体発光素子に用いてもよい。
【０１７６】
また、上記においては、キャップ層６１２としてＡｌｙＧａ１−ｙＡｓを用いると説明したが、この発明においては、これに限らず、ＧａＡｓのバンドギャップよりも大きいバンドギャップを有する材料であれば何でもよい。
【０１７７】
更に、上記においては、量子ドット６１１およびキャップ層６１２をアニールして活性層６を形成すると説明したが、このアニールの温度および／または時間を制御してキャップ層６１２（ＡｌｙＧａ１−ｙＡｓ）から量子ドット６１１（ＩｎＡｓ）へ拡散するＧａ量を制御し、半導体レーザ１０，１１０の発振波長を制御するようにしてもよい。
【０１７８】
この発明においては、量子ドット層６１は、「発光層」を構成する。
【０１７９】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施の形態の説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【産業上の利用可能性】
【０１８０】
この発明は、１．１μｍよりも短波長な発光波長を有する半導体発光素子に適用される。また、この発明は、１．１μｍよりも短波長な発光波長を有する半導体発光素子の製造方法に適用される。更に、この発明は、精度が高いジャイロに適用される。
【図面の簡単な説明】
【０１８１】
【図１】この発明の実施の形態による半導体レーザの断面構造図である。
【図２】図１に示す活性層の拡大断面図である。
【図３】半導体レーザのクラッド層、バリア層、活性層、バリア層およびクラッド層における屈折率の分布を示す図である。
【図４】量子ドット層におけるエネルギーバンド図である。
【図５】図１に示す半導体レーザの製造工程を示す第１の工程図である。
【図６】図１に示す半導体レーザの製造工程を示す第２の工程図である。
【図７】図５の（ｃ）において行なわれる活性層の形成過程を示す工程図である。
【図８】図５の（ｃ）において行なわれる活性層の形成過程を示す他の工程図である。
【図９】ＡｓおよびＩｎを供給するタイミングチャートである。
【図１０】半導体レーザが発振するときのしきい値電流と量子ドットおよびキャップ層間のエネルギー差との関係を示す図である。
【図１１】この発明の実施の形態による半導体レーザジャイロの斜視図である。
【図１２】図１１に示す半導体レーザの斜視図である。
【図１３】図１２の矢印の方向から見たキャビティの平面図である。
【図１４】図１２に示す線ＸＩＶ−ＸＩＶ間における半導体レーザ１１０の断面図である。
【図１５】図１２に示す半導体レーザの製造工程を示す図である。
【図１６】図１２に示す半導体レーザのキャビティから出射されるレーザ光のパターンを示す図である。
【図１７】図１２に示す半導体レーザが軸に対して所定の角度θを成すレーザ光ＬＢを出射する機構を説明するための図である。
【図１８】長手方向の軸に沿って形成された電極を有するキャビティの平面図である。
【図１９】正極電極を形成した半導体レーザおよび正極電極を形成した半導体レーザから出射されるレーザ光の遠視野像（Ｆａｒ−Ｆｉｅｌｄ Ｐａｔｔｅｒｎ）を示す図である。
【図２０】図１１に示す半導体レーザジャイロの動作原理を説明するための図である。
【図２１】光ジャイロの一般的な構成を示す図である。
【符号の説明】
【０１８２】
１，１０５ 負極電極、２，１１１ 基板、３ バッファ層、４，８ クラッド層、５，７ バリア層、６，６Ａ 活性層、９ コンタクト層、１０，１１０ 半導体レーザ、１０Ａ サンプル、１１，１０４ 正極電極、２１ メインキャビティ、２２〜２５ ウイング、６１ 量子ドット層、６２ 間欠層、１００ 半導体レーザジャイロ、１０２ キャビティ、１０３ 絶縁膜、１０８，１０９ 軸、１１３ 光検出器、１１３ａ，１１３ｂ 受光素子、２１０ 出射面、２１１ 対向面、２１２，２１３ 端面、２１４，２１５ 領域、２２１，２３１，２４１，２５１ 曲面、６００ ＩｎＡｓ膜、６１０ グレイン、６１１ 量子ドット、６１２ キャップ層。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の波長よりも短い第２の波長を発光する半導体発光素子であって、
第１のバリア層と、
前記第１のバリア層に接して形成された活性層と、
前記活性層に接して形成された第２のバリア層とを備え、
前記活性層は、
量子ドットと、
前記量子ドットを覆うように形成され、前記第１の波長を発光するときの第１のバンドギャップよりも大きい第２のバンドギャップを有するキャップ層とを含む、半導体発光素子。
【請求項２】
前記キャップ層は、ガリウム砒素よりも大きいバンドギャップを有する化合物半導体からなる、請求項１に記載の半導体発光素子。
【請求項３】
前記キャップ層は、アルミニウム、ガリウムおよび砒素を含む化合物半導体からなる、請求項２に記載の半導体発光素子。
【請求項４】
前記ガリウムの含有量に対する前記アルミニウムの含有量の比は、０．０５〜１．０の範囲である、請求項３に記載の半導体発光素子。
【請求項５】
前記量子ドットは、インジウムおよび砒素を含む化合物半導体からなる、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の半導体発光素子。
【請求項６】
前記量子ドットは、ガリウム、インジウムおよび砒素を含む化合物半導体からなる、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の半導体発光素子。
【請求項７】
前記活性層は、複数の発光層を含み、
前記複数の発光層の各々は、前記量子ドットと前記キャップ層とからなる、請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の半導体発光素子。
【請求項８】
第１および第２のレーザ光を出射する活性層と前記活性層にキャリアを注入する第１および第２の電極とを含む半導体レーザと、
前記第１および第２のレーザ光によって干渉縞が形成される位置に配置された光検出器とを備え、
前記活性層は、
量子ドットと、
前記量子ドットを覆うように形成され、基準波長を発光するときの第１のバンドギャップよりも大きい第２のバンドギャップを有するキャップ層とを含み、
前記第１のレーザ光は、前記活性層内においてリング形状の経路上を周回するレーザ光の一部が出射されたレーザ光であり、
前記第２のレーザ光は、前記経路上を前記第１のレーザ光と逆の方向に周回するレーザ光の一部が出射されたレーザ光であり、
前記キャップ層は、ガリウム砒素よりも大きいバンドギャップを有する化合物半導体からなる、半導体レーザジャイロ。
【請求項１】
第１の波長よりも短い第２の波長を発光する半導体発光素子であって、
第１のバリア層と、
前記第１のバリア層に接して形成された活性層と、
前記活性層に接して形成された第２のバリア層とを備え、
前記活性層は、
量子ドットと、
前記量子ドットを覆うように形成され、前記第１の波長を発光するときの第１のバンドギャップよりも大きい第２のバンドギャップを有するキャップ層とを含む、半導体発光素子。
【請求項２】
前記キャップ層は、ガリウム砒素よりも大きいバンドギャップを有する化合物半導体からなる、請求項１に記載の半導体発光素子。
【請求項３】
前記キャップ層は、アルミニウム、ガリウムおよび砒素を含む化合物半導体からなる、請求項２に記載の半導体発光素子。
【請求項４】
前記ガリウムの含有量に対する前記アルミニウムの含有量の比は、０．０５〜１．０の範囲である、請求項３に記載の半導体発光素子。
【請求項５】
前記量子ドットは、インジウムおよび砒素を含む化合物半導体からなる、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の半導体発光素子。
【請求項６】
前記量子ドットは、ガリウム、インジウムおよび砒素を含む化合物半導体からなる、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の半導体発光素子。
【請求項７】
前記活性層は、複数の発光層を含み、
前記複数の発光層の各々は、前記量子ドットと前記キャップ層とからなる、請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の半導体発光素子。
【請求項８】
第１および第２のレーザ光を出射する活性層と前記活性層にキャリアを注入する第１および第２の電極とを含む半導体レーザと、
前記第１および第２のレーザ光によって干渉縞が形成される位置に配置された光検出器とを備え、
前記活性層は、
量子ドットと、
前記量子ドットを覆うように形成され、基準波長を発光するときの第１のバンドギャップよりも大きい第２のバンドギャップを有するキャップ層とを含み、
前記第１のレーザ光は、前記活性層内においてリング形状の経路上を周回するレーザ光の一部が出射されたレーザ光であり、
前記第２のレーザ光は、前記経路上を前記第１のレーザ光と逆の方向に周回するレーザ光の一部が出射されたレーザ光であり、
前記キャップ層は、ガリウム砒素よりも大きいバンドギャップを有する化合物半導体からなる、半導体レーザジャイロ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【公開番号】特開２００６−２７８８５０（Ｐ２００６−２７８８５０Ａ）
【公開日】平成１８年１０月１２日（２００６．１０．１２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−９７５１５（Ｐ２００５−９７５１５）
【出願日】平成１７年３月３０日（２００５．３．３０）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成１６年度独立行政法人情報通信研究機構、研究テーマ「シームレスな位置情報検出を実現する高精度角速度センサチップの研究開発」に関する委託研究、産業活力再生特別措置法第３０条の適用を受ける特許出願
【出願人】（３９３０３１５８６）株式会社国際電気通信基礎技術研究所 (905)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年１０月１２日（２００６．１０．１２）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年３月３０日（２００５．３．３０）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成１６年度独立行政法人情報通信研究機構、研究テーマ「シームレスな位置情報検出を実現する高精度角速度センサチップの研究開発」に関する委託研究、産業活力再生特別措置法第３０条の適用を受ける特許出願
【出願人】（３９３０３１５８６）株式会社国際電気通信基礎技術研究所 (905)
【Ｆターム（参考）】
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