(57)【要約】  【課題】  半導体レーザジャイロに適した新規な構造の半導体レーザ、およびその半導体レーザを用いることによって、半導体レーザを用いた従来のジャイロよりも精度よく簡単に回転を検出できる半導体レーザジャイロを提供する。  【解決手段】  第１および第２のレーザ光を出射可能な半導体レーザであって、活性層２４と活性層２４にキャリアを注入するための第１および第２の電極とを備える。第１のレーザ光３５は、活性層２４内において多角形の経路上を周回するレーザ光（Ｌ１）の一部が出射されたレーザ光であり、第２のレーザ光３６は、上記経路上をレーザ光（Ｌ１）とは逆の方向に周回するレーザ光（Ｌ２）の一部が出射されたレーザ光である。活性層２４は、少なくとも１層の半導体層（Ａ）を含み、半導体層（Ａ）は、第１の半導体からなる複数の量子ドットと、第１の半導体とは異なる第２の半導体からなり量子ドットを覆うように形成されたカバー層とを含む。【選択図】  図４
2006108641.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１および第２のレーザ光を出射可能な半導体レーザであって、
基板と、前記基板上に形成された活性層と、前記活性層にキャリアを注入するための第１および第２の電極とを備え、
前記第１のレーザ光は、前記活性層内において多角形の経路上を周回するレーザ光（Ｌ１）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、前記経路上を前記レーザ光（Ｌ１）とは逆の方向に周回するレーザ光（Ｌ２）の一部が出射されたレーザ光であり、
前記活性層は、少なくとも１層の半導体層（Ａ）を含み、前記半導体層（Ａ）は、第１の半導体からなる複数の量子ドットと、前記第１の半導体とは異なる第２の半導体からなり前記量子ドットを覆うように形成されたカバー層とを含む半導体レーザ。
【請求項２】
前記第１の半導体がＩｎとＡｓとを含むIII−Ｖ族化合物半導体であり、前記第２の半導体がＧａとＡｓとＳｂとを含むIII−Ｖ族化合物半導体である請求項１に記載の半導体レーザ。
【請求項３】
前記第２の半導体のＶ族元素に占めるＳｂの割合が、０．２原子％〜１０原子％の範囲にある請求項２に記載の半導体レーザ。
【請求項４】
前記半導体層（Ａ）に隣接するように前記半導体層（Ａ）の前記基板側に形成された半導体層（Ｂ）を含み、
前記半導体層（Ｂ）はＳｂを含むIII−Ｖ族化合物半導体からなり、
前記半導体層（Ｂ）のＳｂの含有率が、前記第１の半導体のＳｂの含有率よりも高い請求項１〜３のいずれか１項に記載の半導体レーザ。
【請求項５】
前記半導体層（Ｂ）を構成するIII−Ｖ族化合物半導体において、Ｖ族元素に占めるＳｂの割合が０．２原子％〜１００原子％の範囲にある請求項４に記載の半導体レーザ。
【請求項６】
前記半導体層（Ａ）と前記半導体層（Ｂ）との間に配置された、厚さが２０原子層以内の半導体層（Ｃ）を含む請求項４または５に記載の半導体レーザ。
【請求項７】
前記半導体層（Ａ）に隣接するように前記半導体層（Ａ）上に形成された半導体層（Ｄ）を含み、
前記半導体層（Ｄ）のバンドギャップが、前記第２の半導体のバンドギャップよりも大きい請求項１〜６のいずれか１項に記載の半導体レーザ。
【請求項８】
前記半導体層（Ｄ）の少なくとも１部がドーピングされている請求項７に記載の半導体レーザ。
【請求項９】
前記活性層の平面形状が環状ではない請求項１〜８のいずれか１項に記載の半導体レーザ。
【請求項１０】
前記多角形の経路は菱形の経路であり、
前記活性層は、前記菱形の経路の第１から第４の角部に対応する位置に形成された第１から第４の端面を有する請求項１〜９のいずれか１項に記載の半導体レーザ。
【請求項１１】
第１および第２のレーザ光を出射する半導体レーザと光検出器とを備える半導体レーザジャイロであって、
前記光検出器は、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ており、
前記半導体レーザが、請求項１〜１０のいずれか１項に記載の半導体レーザである半導体レーザジャイロ。
【請求項１２】
前記光検出器が複数の受光素子を備える請求項１１に記載の半導体レーザジャイロ。
【請求項１３】
前記半導体レーザと前記受光素子とが、モノリシックに形成されている請求項１２に記載の半導体レーザジャイロ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体レーザおよびそれを用いた半導体レーザジャイロに関する。
【背景技術】
【０００２】
回転する物体の角速度を検出するためのジャイロの中でも、光ジャイロは精度が高いという特徴を有する。光ジャイロでは、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角速度の検出を行う。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（たとえば特許文献１参照）。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。これらの光ジャイロの一般的な構成を図１７に示す。図１７の光ジャイロにおいて、干渉縞は、以下の式（１）で表される。
【０００３】
【数１】
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【０００４】
ここで、Ｉ0はレーザ光の光強度であり、λはレーザ光の波長である。また、εは図１７に示す角度であり、χは図１７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。Δωはジャイロの回転の角速度Ωと比例関係にある。すなわち、Δω＝４ＡΩ／（Ｌλ）である。ここで、Ａはリング形状の囲む面積であり、Ｌは光路長である。φは、２つのレーザ光の初期の位相差を示す。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、ジャイロの回転速度および回転方向が検出される。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消費電力が大きいという課題、および、装置が大きく熱に弱いという課題を有していた。
【０００５】
このような課題を解決するジャイロとして、環状（たとえば四角環状）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（たとえば特許文献２参照）。このジャイロで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。しかしながら、細い導波路を用いて閉じこ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（たとえば特許文献３参照）や、共振器の端面からしみだ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（たとえば特許文献４参照）が一般的である。
【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】
【０００６】
しかしながら、ビート周波数を検出するジャイロでは、回転方向の検出に特別な装置が必要となる。また、従来の半導体レーザは発熱が大きいため、安定に連続発振させるには、ペルチェ素子などで冷却することが必要となる。
【０００７】
このような状況に鑑み、本発明は、半導体レーザジャイロに適した新規な構造の半導体レーザを提供することを目的の１つとする。また、本発明は、半導体レーザを用いた従来のジャイロよりも精度よく簡単に回転を検出できる半導体レーザジャイロを提供することを目的の１つとする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明者らは、特別な構造の半導体レーザによって特別なレーザ光を励起できることを見出した。この半導体レーザでは、菱形の経路を互いに逆方向に進む２つのレーザ光が励起される。この２つのレーザ光は、それぞれよくコリメートされた状態で半導体レーザから外部に出射され、明瞭な干渉縞を形成する。本発明は、この新たな知見に基づくものである。さらに、本発明の半導体レーザでは、活性層に量子ドットを適用して発熱を抑制している。
【０００９】
本発明の半導体レーザは、第１および第２のレーザ光を出射可能な半導体レーザであって、基板と、前記基板上に形成された活性層と、前記活性層にキャリアを注入するための第１および第２の電極とを備え、前記第１のレーザ光は、前記活性層内において多角形の経路上を周回するレーザ光（Ｌ１）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、前記経路上を前記レーザ光（Ｌ１）とは逆の方向に周回するレーザ光（Ｌ２）の一部が出射されたレーザ光であり、前記活性層は、少なくとも１層の半導体層（Ａ）を含み、前記半導体層（Ａ）は、第１の半導体からなる複数の量子ドットと、前記第１の半導体とは異なる第２の半導体からなり前記量子ドットを覆うように形成されたカバー層とを含む。
【００１０】
また、本発明の半導体レーザジャイロは、第１および第２のレーザ光を出射する半導体レーザと光検出器とを備える半導体レーザジャイロであって、前記光検出器は、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ており、前記半導体レーザが、上記本発明の半導体レーザである。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、閾値電流が低く半導体レーザジャイロに適した半導体レーザが得られる。この半導体レーザからは、環状の光路を互いに逆方向に進行する２つのレーザ光が、よくコリメートされた状態で出射される。また、この半導体レーザでは、出射端面におけるレーザ光の劣化が小さい。そのため、本発明の半導体レーザを用いた本発明の半導体レーザジャイロでは、２つのレーザ光によって明瞭な干渉縞が形成され、精度よく回転速度（角速度）を検出できる。また、本発明の半導体レーザは、活性層に量子ドットを適用しているため、発熱が少ない。そのため、本発明の半導体レーザジャイロは、ペルチェ素子などで冷却しなくても連続発振させることが可能である。また、本発明の半導体レーザは素子の熱膨張が少なく光路長が一定であるため、周波数変動のない安定したレーザ光が得られる。
【００１２】
また、本発明のジャイロによれば、２つ以上の受光素子で干渉縞の移動を観測することによって、回転速度および回転方向を簡単に算出できる。これらの検出には、希ガスレーザを用いた従来の光ジャイロで用いられている回路と類似の回路を適用できるため、本発明のジャイロは様々な機器への応用が容易である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明の実施の形態について説明する。なお、以下で説明する半導体レーザおよび半導体レーザジャイロ（半導体レーザジャイロ素子）は本発明の一例であり、本発明は以下の説明に限定されない。また、以下の説明では、同様の部分に同一の符号を付して重複する説明を省略する場合がある。
【００１４】
本発明の半導体レーザは、第１および第２のレーザ光を出射可能な半導体レーザであって、基板と、基板上に形成された活性層と、活性層にキャリアを注入するための第１および第２の電極とを備える。第１のレーザ光は、活性層内において多角形の経路上を周回するレーザ光（Ｌ１）の一部が出射されたレーザ光であり、第２のレーザ光は、上記経路上をレーザ光（Ｌ１）とは逆の方向に周回するレーザ光（Ｌ２）の一部が出射されたレーザ光である。活性層は、少なくとも１層の半導体層（Ａ）を含み、その半導体層（Ａ）は、第１の半導体からなる複数の量子ドットと、第１の半導体とは異なる第２の半導体からなり量子ドットを覆うように形成されたカバー層とを含む。
【００１５】
活性層の平面形状は、上記多角形の経路の角部が外縁部に位置するように上記多角形を内包する形状である。活性層に電流が注入されると光が発生するが、この光は、活性層の端面で反射されるとともに誘導放出を生じさせる。そして、活性層の平面形状に応じて、特定の経路を安定に周回するレーザ光（Ｌ１およびＬ２）が励起される。すなわち、活性層は共振器（キャビティー）として機能する。共振器として機能する活性層の端面は、発生した光が所定の形状の経路を周回するように形成される。たとえば、菱形の経路を周回するレーザ光を励起する場合、活性層には、経路（仮想の菱形）の４つの角部のそれぞれに対応する位置に端面（側面）が形成される。活性層を挟むように配置されるクラッド層は、通常、均一な層であり、上記経路に対応するような一定の幅の導波路は形成されていない。多角形の経路の形状は、活性層の形状によって変化させることができる。多角形の経路の好ましい形状は菱形であるが、他の四角形や三角形であってもよい。
【００１６】
（半導体レーザ）
まず、本発明の半導体レーザについて説明する。
【００１７】
活性層に配置される量子ドットは、第１の半導体からなる微小粒子である。この量子ドットの平均サイズは、通常、直径が１０ｎｍ〜１００ｎｍ、高さが２ｎｍ〜２０ｎｍ程度の範囲にある。活性層は、量子ドットを含む半導体層と障壁層とのセットを１〜５０セット（たとえば２〜１０セット）積層した構造を有することが好ましい。活性層は、量子ドットを含む半導体層を１０〜２０層含んでもよい。
【００１８】
量子ドットの自己形成を容易にするため、量子ドットを形成する第１の半導体と基板との間の格子不整合量（歪み量）は、下地層（その上に量子ドットが形成される層）と基板との間の格子不整合量よりも大きいことが好ましい。たとえば、基板および下地層がＧａＡｓの場合には、第１の半導体としてＩｎＡｓやＩｎＧａＡｓが適用できる。量子ドットをカバーするカバー層と基板との間の格子不整合量は、第１の半導体と基板との間の格子不整合量よりも小さいことが好ましい。
【００１９】
通常、量子ドットを形成する第１の半導体のバンドギャップは、カバー層を形成する第２の半導体のバンドギャップよりも小さい。
【００２０】
本発明の半導体レーザでは、第１の半導体がＩｎとＡｓとを含むIII−Ｖ族化合物半導体であり、前記第２の半導体がＧａとＡｓとＳｂとを含むIII−Ｖ族化合物半導体であることが好ましい。たとえば、第１の半導体としてＩｎＡｓやＩｎＧａＡｓを用い、第２の半導体としてＩｎＧａＡｓＳｂを用いることができる。カバー層にＳｂを添加することによって、カバー層の表面の平坦性を向上させることができ、その上に形成される半導体層の結晶性を向上できる。
【００２１】
第２の半導体のＶ族元素に占めるＳｂの割合は、０．２原子％〜１０原子％（より好ましくは１原子％〜５原子％）の範囲にあることが好ましい。Ｓｂの割合を０．２原子％〜１０原子％の範囲とすることによって、平坦効果を得ることができる。一方、Ｓｂの割合が１０原子％を超えると、転位が形成され、結晶性を悪化させる場合がある。
【００２２】
本発明の半導体レーザは、半導体層（Ａ）に隣接するように半導体層（Ａ）の基板側に形成された半導体層（Ｂ）を含んでもよい。半導体層（Ｂ）はＳｂを含むIII−Ｖ族化合物半導体からなる。半導体層（Ｂ）は、たとえば、ＧａＡｓＳｂやＩｎＧａＡｓＳｂである。半導体層（Ｂ）のＳｂの含有率は、量子ドットを構成する第１の半導体のＳｂの含有率よりも高い。量子ドットは、半導体層（Ｂ）上に成長する。Ｓｂの含有率が高い半導体層（Ｂ）上で量子ドットを成長させることによって、連続発振させやすい半導体レーザが得られる。
【００２３】
半導体層（Ｂ）を構成するIII−Ｖ族化合物半導体において、Ｖ族元素に占めるＳｂの割合は、０．２原子％〜１００原子％（より好ましくは１原子％〜１０原子％）の範囲にあることが好ましい。
【００２４】
本発明の半導体レーザは、半導体層（Ａ）と半導体層（Ｂ）との間に配置された、厚さが２０原子層以内の半導体層（Ｃ）を含んでもよい。半導体層（Ｃ）は、ＧａとＡｓとを含むIII−Ｖ族化合物半導体からなり、たとえばＧａＡｓである。
【００２５】
本発明の半導体レーザは、通常、半導体層（Ａ）に隣接するように半導体層（Ａ）上に形成された半導体層（Ｄ）を含んでもよい。半導体層（Ｄ）のバンドギャップは、第２の半導体のバンドギャップよりも大きい。半導体層（Ｄ）は、障壁層として機能する。半導体層（Ｄ）は、複数の層で構成されてもよい。
【００２６】
半導体層（Ｄ）の少なくとも１部は、ドーピングされていてもよく、ｐ型ドーピングされていてもよい。障壁層にｐ型変調ドープを行うことによって、量子ドットの価電子帯側の基底準位にホールが充分供給されるので、量子ドットレーザが基底準位発振しやすくなる。つまり、低しきい値発振可能となる。半導体層（Ｄ）にｐ型変調ドープを行う場合、そのドーピング濃度は、１×１０17〜５×１０19ｃｍ-2の範囲であることが好ましい。
【００２７】
半導体レーザの活性層は、その平面形状が環状でないことが好ましい。環状に形成された細い導波路内に閉じこめられたレーザ光は、出射される際に広がるため、明瞭な干渉縞が形成されない。そのため、活性層の平面形状は実質的に環状（たとえば多角環状）でないことが好ましい。この場合、活性層内にキャリアを注入し、２次元方向に広がる活性層を共振器とする特定のモードのレーザ光、具体的には活性層内を周回するレーザ光を得ることができる。このような活性層から出射されるレーザ光は、よくコリメートされており、そのレーザ光強度の半値幅を１０°以下（たとえば５°以下）とすることが可能である。なお、活性層の中央付近に貫通孔が形成されている場合でも、実質的に環状でない活性層、すなわちほぼ一定の幅の導波路が環状に形成されていない活性層であればよい。なお、この明細書において、「平面形状」とは、図３に示される形状、すなわち、半導体層の積層方向と垂直な方向の形状を意味する。
【００２８】
上記多角形の経路は菱形の経路であり、活性層は、上記菱形の経路の第１から第４の角部に対応する位置に形成された第１から第４の端面を有することが好ましい。すなわち、第１から第４の端面上には、それぞれ、菱形の経路の第１から第４の角部が位置する。この場合、活性層にキャリアを注入することによって、菱形上を周回するレーザ光が励起される。すなわち、レーザ光（Ｌ１）は、上記菱形の経路上を周回するレーザ光であり、レーザ光（Ｌ２）は、上記菱形の経路上をレーザ光（Ｌ１）とは逆の方向に周回するレーザ光である。
【００２９】
第１および第２の電極から選ばれる少なくとも１つの電極と半導体レーザを構成する半導体層とが、上記菱形の経路（多角形の経路）に沿って接触することが好ましい。電流は、接触している領域を介して注入される。この構成によれば、活性層のうち上記菱形の経路の部分にキャリアを注入でき、菱形の経路上を周回する２つのレーザ光（Ｌ１およびＬ２）が容易に励起される。典型的な一例では、上記少なくとも１つの電極が、菱形の経路（多角形の経路）に実質的に対応するように半導体層と接触する。これらの場合、上記少なくとも１つの電極と半導体層とが環状に接触していてもよい。なお、この明細書において、「菱形の経路に実質的に対応するように」とは、菱形の経路に完全に対応する場合に加えて、菱形の経路の５０％以上（好ましくは、７０％以上でより好ましくは９０％以上）に対応する場合を含む。また、「環状に接触」とは、接触している領域が実質的に環を形成していればよく、完全に連続した環でなくともよいことを意味している。また、菱形の経路に対応する上記領域の面積は、活性層の平面形状の面積に対して通常５０％以下であり、たとえば３０％以下である。
【００３０】
第１および第２の電極から選ばれる少なくとも１つの電極は、利得が発生する電流を注入する第１の部分と、第１の部分よりも少ない電流を注入する第２の部分とを含んでもよい。第１の部分ではレーザ発振に必要な電流が注入される。第２の部分には、利得が発生しないように弱い電流を注入することによって、菱形の光路以外の方向に進行するレーザ光を減衰させることができる。
【００３１】
上記菱形の経路の対向する第１および第２の角部の内角は、第３および第４の角部の内角よりも角度が小さく、第１および第２のレーザ光はともに第１の角部に対応する位置に形成された第１の端面から出射されることが好ましい。より具体的には、第１および第２のレーザ光は、キャビティーとして機能する活性層の長手方向の一方端から出射されることが好ましい。第１の角部と第２の角部とを結ぶ対角線と、第１および第２のレーザとは非平行である。
【００３２】
活性層は、レーザ光（Ｌ１）およびレーザ光（Ｌ２）が第３および第４の端面において全反射する条件を満たすことが好ましい。第１から第４の端面はミラー面として機能するが、第３および第４の端面でレーザ光を全反射させることによって、レーザ発振の閾値を下げることができる。第３および第４の端面においてレーザ光を全反射させるためには、第３および第４の端面と、それに入射するレーザ光（Ｌ１およびＬ２）とがなす角度を、一定以下の角度とすればよい。全反射に必要な角度は、レーザ光の波長と活性層の屈折率とから簡単に導かれる。活性層の端面とレーザ光とがなす角度は、菱形の経路の形状を変化させることによって、すなわち、活性層の平面形状を変化させることによって調節できる。レーザ光の波長や活性層の材質によって好ましい形状は異なるが、第１の角部と第２の角部との距離（菱形の長い方の対角線の長さ）と、第３の角部と第４の角部とを結ぶ距離（菱形の短い方の対角線の長さ）との比は、たとえば、６００：１９０〜６００：３０の範囲とされる。第１の端面はミラー面ではあるが、活性層内を周回するレーザ光の一部が外部に出射されるように、通常、ミラーコート処理などは行わない。なお、第１の端面には、レーザ光が外部に出射しやすいような処理をしてもよい。また、第２の角部における活性層の端面は、ミラーコート処理がされていることが好ましい。
【００３３】
活性層の第１の端面は、曲面であることが好ましい。特に、第１および第２の端面は、それぞれ、外側に凸の曲面であることが好ましい。この構成によれば、菱形の経路を周回するレーザ光を安定に発生させることができるとともに、第１および第２のレーザ光を第１の端面から安定に出射できる。外側に凸の２つの曲面は、それぞれ、菱形の経路の第１および第２の角部を結ぶ対角線上に中心を有する円柱の一部であることが好ましい。なお、第１および第２の端面から選ばれる少なくとも１つを平面または内側に凸の曲面とすることも可能である。
【００３４】
上述した円柱の半径、すなわち、上記第１の端面の曲率半径Ｒ１および第２の端面の曲率半径Ｒ２は共に、第１の角部と第２の角部との間の距離Ｌ以上であってもよい。この構成によれば、菱形の光路を周回するレーザ光（Ｌ１およびＬ２）を安定に励起できる。Ｒ１およびＲ２の上限は特に限定はないが、たとえば距離Ｌの２倍以下である。
【００３５】
活性層は、菱形の経路を含む第１の領域と、第１の領域に隣接する第２の領域とを含むことが好ましい。この場合、第１の領域の平面形状は、略長方形状であることが好ましく、より詳細には、長方形の短辺を外側に凸の曲面とした形状であることが好ましい。この構成では、第１の領域を共振器として菱形の光路を進むレーザ光が励起される。また、この構成によれば、菱形の経路以外の方向に進むレーザ光を第２の領域によって減衰させることができる。
【００３６】
上記第１の領域と第２の領域とによって構成される活性層の平面形状は略Ｈ字状（より詳細には、Ｈを横に伸ばした形状）であることが好ましい（図３参照）。この場合、第１の領域には、４つの第２の領域が隣接する。この場合、第１の角部と第２の角部とを結ぶ対角線に平行な方向における第２の領域の長さＬｓ（μｍ）と、第１の角部と第２の角部との距離Ｌ（μｍ）とが、Ｌ／４＜Ｌｓを満たすことが好ましい。また、第３の角部と第４の角部とを結ぶ対角線に平行な方向における第２の領域の長さＷｓ（図３参照）は、たとえば、第３の角部と第４の角部とを結ぶ距離Ｗの１〜３倍の範囲である。
【００３７】
本発明の半導体レーザを構成する半導体および積層構造に特に限定はなく、利用するレーザ光の波長などに応じて選択される。本発明の半導体レーザが出射するレーザ光の波長に特に限定はないが、波長が短い方が高い精度で回転の角速度を検出できる。レーザ光の波長はたとえば３００〜１７００ｎｍの範囲であり、好ましくは１５５０ｎｍ以下であり、特に好ましくは９００ｎｍ以下である。半導体層の材料の一例としては、例えばIII−Ｖ族化合物半導体が挙げられる。
【００３８】
以下、本発明で用いられる半導体レーザの好ましい一例について説明する。半導体レーザの一例の斜視図を図１に示し、図１の線Ｉ−Ｉにおける断面図を図２に示す。図２において、絶縁層１２以外のハッチングは省略する。なお、本発明の説明に用いる図面は模式的なものであり、理解が容易なように各部の縮尺を変更している。
【００３９】
図１の半導体レーザ１０は、基板１１と、基板１１上に形成された半導体層２０と、半導体層２０上に形成された絶縁層１２および第１の電極１３と、基板１１の裏面側の全面に形成された第２の電極１４とを備える。
【００４０】
図２を参照して、半導体層２０は、基板１１側から順に積層された、バッファ層２１、クラッド層２２、光閉じ込め層２３、活性層２４、光閉じ込め層２５、クラッド層２６およびコンタクト層２７を含む。コンタクト層２７の上には、パターニングされた絶縁層１２が形成されている。絶縁層１２上には、第１の電極１３が形成されている。絶縁層１２には貫通孔が形成されているため、第１の電極１３とコンタクト層２７とは、貫通孔が形成されている領域３１で接触する。クラッド層２２、光閉じ込め層２３、光閉じ込め層２５およびクラッド層２６によって、レーザ光が活性層２４内に閉じ込められる。
【００４１】
半導体レーザ１０の活性層２４を上方から見たときの平面形状を図３および図４に示す。図４では、第１の電極１３と半導体層２０（コンタクト層２７）とが接触している領域３１を、ハッチングを付して示す。なお、半導体層２０は、活性層２４と同じ平面形状を有する。
【００４２】
図３を参照して、活性層２４は、菱形の経路３２を含む面状に形成された薄膜である。経路３２の第１から第４の角部３２ａ〜３２ｄのうち、第１および第２の角部３２ａおよび３２ｂは、第３および第４の角部３２ｃおよび３２ｄよりも角度が小さい。活性層２４は、角部３２ａ〜３２ｄを含むように配置された第１から第４の端面（ミラー面）２４ａ〜２４ｄを有する。第１および第２の端面２４ａおよび２４ｂは、外側に向かって凸の曲面である。第３および第４の端面２４ｃおよび２４ｄは、フラットな平面である。
【００４３】
活性層２４は、第１の領域２４ｆと、第１の領域に隣接する４つの第２の領域２４ｓとを備える。第１の領域２４ｆの平面形状は、長方形の短辺を外側に凸の曲面とした形状である。経路３２は、第１の領域２４ｆ内に形成される。第１の領域２４ｆと第２の領域２４ｓとによって構成される活性層２４は、略Ｈ字状の形状（より詳しくはＨの字を横に引き延ばした形状）をしている。
【００４４】
図４を参照して、第１の電極１３と絶縁層１２とが接触している領域３１は、経路３２に対応するように、略菱形に形成される。領域３１が経路３２に完全に対応していないのは、絶縁層１２に貫通孔を形成する際に、製造工程上の制限があるためである。経路３２に完全に対応するように領域３１を公知の方法で菱形に形成することは可能であるが、製造工程が複雑になる。
【００４５】
第１の電極１３と第２の電極１４との間に電圧を印加して活性層２４にキャリアを注入すると、活性層２４で光が発せられる。この光は、光閉じ込め層およびクラッド層によって閉じこめられるため、活性層２４内を移動する。そのような光の中で、経路３２上を進行する光は、端面２４ａ〜２４ｄによって反射されながら誘導放出を生じる。このため、経路３２を光路として周回するレーザ光Ｌ１が発生する。同様に、経路３２を光路としてレーザ光Ｌ１とは反対の方向に周回するレーザ光Ｌ２が発生する。レーザ光Ｌ１およびＬ２のうちの一部が、第１の端面２４ａの第１の角部３２ａから出射され、第１および第２のレーザ光３５および３６となる（図４参照）。
【００４６】
レーザ光Ｌ１およびＬ２の損失を少なくするため、端面２４ｂには、誘電体多層膜によるミラーコートがされている。第１の角部３２ａと第２の角部３２ｂとの間の距離Ｌ（図３参照）は６００μｍであり、第３の角部３２ｃと第４の角部３２ｄとの間の距離Ｗは６０μｍである。半導体レーザ１０では、端面２４ｃおよび２４ｄにおいて、レーザ光（Ｌ１およびＬ２）が全反射する。
【００４７】
４つの第２の領域２４ｓは、第１の領域２４ｆで発生したレーザ光が端面２４ｃおよび２４ｄで多重反射されることによって発生するモードを抑制するために形成される。半導体レーザ１０では、第１の角部３２ａと第２の角部３２ｂとを結ぶ対角線３２ａｂに平行な方向における第２の領域２４ｓの長さＬｓ（図３参照）が１６０μｍである。一方、Ｌ／４は１５０μｍであり、Ｌ／４＜Ｌｓが満たされるため、上記モードが特に抑制される。また、第３の角部３２ｃと第４の角部３２ｄとを結ぶ対角線３２ｃｄの方向における第２の領域２４ｓの長さＷｓは７０μｍである。
【００４８】
端面２４ａおよび２４ｂの形状は、それぞれ、円柱の曲面の一部の形状である。具体的には、対角線３２ａｂ上であって活性層２４の表面と垂直に中心軸が配置された円柱の曲面の一部と同じ形状である。その円柱の半径、すなわち端面２４ａの曲率半径Ｒ１（図３参照）は６００μｍであり、端面２４ｂの曲率半径Ｒ２（図示せず）も同じく６００μｍである。半導体レーザ１０は、対角線３２ａｂおよび対角線３２ｃｄに対して線対称の形状であり、端面２４ｂは、第３の角部３２ｃと第４の角部３２ｄとを結ぶ対角線３２ｃｄに対して端面２４ａと線対称の形状である。ただし、本発明の半導体レーザは必ずしも線対称の形状ではなくともよく、たとえば、端面２４ｂは、端面２４ａとは曲率が違う曲面であってもよく、平面であってもよく、内側に凸の曲面であってもよい。
【００４９】
図５を参照して、活性層２４の積層構造について説明する。活性層２４は、交互に積層された３つの半導体層（半導体層（Ａ））５１と３つの障壁層（半導体層（Ｄ））５２とを備える。半導体層５１は、複数の量子ドット５１ａと、量子ドットを覆うように形成されたカバー層５１ｂとによって構成されている。障壁層５２は、電子を効率よく閉じ込めるための層であり、カバー層５１ｂと同じかカバー層５１ｂよりもバンドギャップが大きい材料で形成される。なお、カバー層５１ｂと障壁層５２とは、同じ材料で形成してもよい。
【００５０】
図５の活性層２４では、ＧａおよびＡｓ（およびＩｎ）を含むカバー層５１ｂにＳｂを添加することによって、カバー層の表面の平坦性を向上させることができる。これにより、複数の半導体層５１を含む積層膜を形成する場合に、下層で成長した量子ドットの影響を受けずに上層の半導体層５１や障壁層５２を形成することができる。その結果、各半導体層５１に含まれる量子ドットのサイズを均一化することが可能となる。
【００５１】
しかし、カバー層におけるＳｂの組成比が高すぎると転位が発生するので、半導体層５１の結晶性が悪化する。Ｓｂの組成比の影響を調べるために、カバー層のＶ族元素に占めるＳｂの組成比と活性層２４のフォトルミネセンス（ＰＬ）のピークの半値幅との関係を実験によって求めた。このとき、活性層２４として、以下の表１に示す活性層（Ｓｂの割合は異なる）を成長させた。実験では、表１の構造のレーザエピにおいて、Ｇａ0.85Ｉｎ0.15Ａｓ1-yＳｂyカバー層のＳｂ組成を変更したエピを６枚成長させてＰＬを比較した。成長では、Ｓｂフラックス以外の条件は後述する製造例の条件と全て同じとし、Ｓｂフラックスは、０〜２．０×１０-4Ｐａ（０〜１．５×１０-6Ｔｏｒｒ）の範囲で変更した。実験結果を図６に示す。図６に示すように、Ｖ族元素に占めるＳｂの割合を０．２原子％〜１０原子％の範囲とすることが好ましく、１原子％〜５原子％の範囲とすることがより好ましい。
【００５２】
基板１１および半導体層２０の各層の構成の一例を表１に示す。なお、活性層２４は、図５に示すように、量子ドットを含むカバー層と障壁層とが３セット積層された構造を有する。この構成によれば、１μｍ帯のレーザ光が出射される。
【００５３】
【表１】
2006108641.tif 000004
【００５４】
絶縁層１２は、Ｓｉ3Ｎ4やＳｉＯ2などで形成できる。第１の電極１３および１４は、公知の電極材料で形成でき、たとえば、Ｎｉ／Ｇｅ／Ａｕ積層膜や、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ積層膜を用いることができる。なお、第１の電極１３および第２の電極１４を構成する各層は、熱処理によって合金化されていてもよい。また、表１に示す構成は一例であり、半導体レーザに求められる特性に応じて適宜変更される。
【００５５】
なお、半導体レーザ１０の第１の電極１３は、利得が発生する電流を注入する第１の部分１３ａと、第１の部分１３ａよりも少ない電流を注入する第２の部分１３ｂとを含んでもよい。そのような電極と半導体層２０（コンタクト層２７）とが接触する領域の形状と、活性層２４の平面形状と、経路３２との関係を図７に示す。なお、図７では、第１の部分１３ａがコンタクト層２７と接触する領域３１ａと、第２の部分１３ｂがコンタクト層２７と接触する領域３１ｂとを、ハッチングを付して示している。領域３１ａは経路３２の１つの辺に対応する位置に形成され、領域３１ｂは他の３つの辺に対応する位置に形成される。このような電極は、絶縁層１２の形状を変更することによって容易に形成できる。
【００５６】
半導体レーザ１０では、注入される電流が閾値電流を超えるとシングルモードの発振を開始する。そして、注入される電流が閾値電流からさらに増加するに従って、発振のモードが、シングルモード、ツインモード、ロッキングモードという順で変化する。シングルモードでは、図４に示すように、第１および第２のレーザ光３５および３６が出射される。ツインモードでは、２つのレーザ光が周期的に交互に出射される。ロッキングモードでは、２つのレーザ光のうちの１つのレーザ光のみが出射される。したがって、半導体レーザジャイロで用いる場合、通常、半導体レーザ１０をシングルモードで動作させる。なお、本発明のジャイロでは、注入する電流によって発振のモードを変更できることを利用して、特別な機能を付与してもよい。
【００５７】
活性層に量子ドットを用いない場合、閾値電流密度は５００Ａ／ｃｍ2程度である。そのため、Ｌ＝６００μｍのレーザの場合、室温パルス動作時における閾値電流は１８０ｍＡ程度となる。素子のＣＷ駆動時の熱抵抗をＲｔｈ［Ｋ／Ｗ］、注入電流をＩ［Ａ］、動作電圧をＶ［Ｖ］、レーザ端面からの光出力をＰ［Ｗ］とすると、活性層の温度上昇ΔＴは、以下の式で記述できる。
ΔＴ＝Ｒｔｈ（ＩＶ−Ｐ）
【００５８】
ここで、８５０ｎｍ帯のレーザにおいて、Ｒｔｈ＝８０Ｋ／Ｗ、閾値電圧が２Ｖと仮定した場合、閾値での活性層の温度上昇は約３０Ｋとなる。この場合、素子をヒートシンク上にマウントし、ペルチェ素子でヒートシンクの温度を常に２５℃に保った場合でも、活性層は５５℃となる。ヒートシンクを冷却しない場合には、活性層からの熱の放散がスムーズに行われないため、ＣＷ発振が困難になる。
【００５９】
これに対して、本発明の半導体レーザでは、活性層に量子ドットを用いているため、閾値電流密度を１０分の１程度に低減できる。表１に示した活性層２４では、閾値電流密度を５０Ａ／ｃｍ2に低減でき、閾値電流としては１８ｍＡという低い値が得られる。その結果、活性層の温度上昇を３Ｋに低減でき、ペルチェフリーでＣＷ発振させることが十分に可能である。このように、本発明の半導体レーザでは、活性層に量子ドットを用いることによって、ペルチェ素子を不要とすることができ、超小型で安価なレーザジャイロを実現できる。  
【００６０】
（半導体レーザジャイロ）
本発明のジャイロは、第１および第２のレーザ光を出射する半導体レーザと、第１および第２のレーザ光で干渉縞が形成された位置に配置された光検出器とを備える。半導体レーザには、上記本発明の半導体レーザが用いられる。光検出器は、干渉縞の移動を検出できるものであれば特に限定がなく、通常は、フォトダイオードやフォトトランジスタといった半導体受光素子が用いられる。光検出器は、干渉縞の光量の強弱に応じた信号を出力する。干渉縞が移動すると、光検出器に入力される光量が周期的に変化するため、干渉縞の移動速度を算出できる。
【００６１】
光検出器は、複数の受光素子を備える２チャンネルの光検出器であってもよい。２つ以上の受光素子を干渉縞の移動方向に配置することによって、干渉縞の移動速度に加えて干渉縞の移動方向を検出することができる。干渉縞の移動速度と移動方向とを検出することによって、半導体レーザジャイロの回転方向と回転速度とを算出できる。
【００６２】
本発明のジャイロでは、上記半導体レーザと受光素子（光検出器）とが、モノリシックに形成されていてもよい。この場合、半導体レーザと光検出器（たとえばフォトダイオード）とが同じ積層構造を有してもよい。この構成では、半導体レーザと光検出器とを、半導体素子を製造する一連のプロセスで同時に形成できる。そのため、製造が容易であると共に、半導体レーザと光検出器とを正確な配置に形成できる。
【００６３】
本発明のジャイロは、レンズをさらに備えてもよい。この場合、光検出器は、レンズを透過した第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。半導体レーザの半導体層とレンズとは、同じ積層構造を有してもよい。この場合のレンズは、たとえば、平面形状が半円状のレンズであり、レンズとして機能する部分は、半導体レーザの活性層と同じ半導体からなる。そのため、レンズに入射した光は、半導体からなるレンズで吸収されて減衰する。そのような減衰を抑制するために、レンズを構成する積層された半導体層に電流を流してもよい。電流を流すには、たとえば、電極を含めて半導体レーザとレンズとを全く同じ積層構造とすればよい。流す電流は、レーザ発振を生じる電流よりは少ないことが望ましい。電流を流すことによってレンズによる光の減衰を抑制できる。また、レンズによる光の減衰を抑制するために、レーザ光の吸収が少ない材料、たとえば、酸化シリコンなどでレンズを形成してもよい。その場合でも、製造工程は多くなるが、レンズと半導体レーザとを公知の方法でモノリシックに形成できる。
【００６４】
本発明のジャイロは、プリズムをさらに備えてもよい。この場合、光検出器は、プリズムを透過した第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。所定の形状のプリズムを用いることによって、形成される干渉縞の周期長を長くすることができ、干渉縞の移動をより正確に測定できる。
【００６５】
半導体レーザジャイロがプリズムを備える場合、半導体レーザとプリズムとがモノリシックに形成されてもよい。また、半導体レーザとプリズムと光検出器とがモノリシックに形成されてもよい。これらの構成によれば、各素子を所定の位置および形状に精度よく形成できる。さらにこの場合、半導体レーザの半導体層とプリズムとが同じ積層構造を有してもよい。また、半導体レーザの半導体層と、光検出器（たとえばフォトダイオード）の半導体層と、プリズムとが同じ積層構造を有してもよい。この構成によれば、半導体レーザを製造する一連のプロセスで、光検出器および／またはプリズムを形成できる。
【００６６】
なお、プリズムの積層構造を半導体レーザの半導体層と同じ積層構造とした場合、半導体レーザから出射されたレーザ光は、半導体からなるプリズムに入射して減衰する。そのような減衰を抑制するために、プリズムを構成する積層された半導体層に電流を流してもよい。電流を流すには、たとえば、電極を含めて半導体レーザとプリズムとを全く同じ積層構造とすればよい。流す電流は、レーザ発振を生じる電流よりは少ないことが望ましい。電流を流すことによってプリズムによる光の減衰を抑制できる。また、プリズムによる光の減衰を抑制するために、レーザ光の吸収が少ない材料、たとえば、酸化シリコンなどでプリズムを形成してもよい。その場合でも、製造工程は多くなるが、プリズムと半導体レーザとを公知の方法でモノリシックに形成できる。
【００６７】
図４を参照しながら、本発明の半導体レーザジャイロの原理を簡単に説明する。半導体レーザ１０が回転すると、レーザ光Ｌ１とレーザ光Ｌ２とでは、経路３２の光路を一周するのに要する時間が変化する。光の速度は一定であるため、半導体レーザ１０が回転すると、レーザ光Ｌ１とレーザ光Ｌ２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。干渉縞の移動方向は、半導体レーザ１０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１０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の回転方向を検出できる。より具体的には、活性層２４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。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。したがって、本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は公知の方法で処理できる。なお、本発明の半導体レーザジャイロを３つ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可能である。
【００６８】
以下、本発明の半導体レーザジャイロについて、例を挙げて説明する。なお、以下の実施形態では、第１の電極１３が図７に示した電極である場合について示しているが、第１の電極１３は図１および図４に示した電極であってもよい。
【００６９】
（実施形態１）
実施形態１では、半導体レーザと光検出器とがモノリシックに形成されている半導体レーザジャイロの一例について説明する。実施形態１のジャイロ１０１の斜視図を図８（ａ）に示す。また、半導体レーザジャイロ１０１の半導体レーザ１０および光検出器１１３（受光素子１１３ａおよび１１３ｂ）がモノリシックに形成された基板１１の斜視図を図８（ｂ）に示す。なお、図８（ａ）では、カバー１１１の一部を切断して内部を解放した状態を示している（以下の図においても同様である）。
【００７０】
図８（ａ）を参照して、ジャイロ１０１の主要部は、カバー１１１とステム１１２とによってパッケージ（いわゆるＣＡＮパッケージ）されている。ジャイロ１０１は、ステム１１２と、ステム１１２上に配置された基板１１とを備える。半導体レーザ１０と受光素子１１３ａおよび１１３ｂとは、基板１１を共有してモノリシックに形成されている。ステム１１２は、５本の電極１１４で支持されている。５本の電極のうちの４つは、それぞれ、半導体レーザ１０の第１の電極１３の第１の部分１３ａ、第２の部分１３ｂ、受光素子１１３ａ、および受光素子１１３ｂに接続されている。５本の電極のうちの残りの１つは、上記４つの電極と対になる接地電極である。なお、電極１１４の接続方法は一例であり、本発明はこれに限定されない。円形のステム１１２の直径に限定はないが、規格で決められたサイズ、たとえば直径５．６ｍｍとすることができる。
【００７１】
受光素子１１３ａおよび１１３ｂはフォトダイオードであり、半導体レーザ１０と同じ積層構造を有する。受光素子１１３ａおよび１１３ｂは、半導体レーザ１０を形成する製造工程で半導体レーザ１０とともに形成される。
【００７２】
半導体レーザ１０の第１の端面２４ａから出射された第１のレーザ光３５と第２のレーザ光３６とは、第１の端面２４ａの近傍において干渉縞を形成する。その干渉縞の移動方向および移動速度を観測するため、受光素子１１３ａおよび１１３ｂは、第１の端面２４ａに近接して配置される。なお、干渉縞の移動速度を精度よく検出するために、光検出器の受光領域のサイズは、干渉縞の周期長や、光検出器の受光感度を考慮して決定される。通常、受光領域のサイズは、干渉縞の周期長の５分の１程度以下とすることが好ましい。
【００７３】
実施形態１の半導体レーザジャイロ１０１は、プリズムやレンズなどの光学素子を必要としないという利点がある。一方、半導体レーザジャイロ１０１を得るには、微細な受光素子１１３ａおよび１１３ｂを形成する必要がある。
【００７４】
（実施形態２）
実施形態２では、レンズを備える半導体レーザジャイロの一例について説明する。実施形態２のジャイロ１０２の斜視図を図９（ａ）に示す。また、ジャイロ１０２で用いられる半導体レーザ１０の斜視図を図９（ｂ）に示す。
【００７５】
ジャイロ１０２は、半導体レーザ１０と、球面レンズ１１５と、光検出器１１６とを備える。光検出器１１６は、２つの受光素子を備える２チャンネルの光検出器である。ジャイロ１０２は５本の電極１１４を備えている。電極１１４はジャイロ１０１と同様に接続される。
【００７６】
球面レンズ１１５は、その焦点が、レーザ光の出射部（端面２４ａ）の近傍に位置するように配置される。また、光検出器１１６は、端面２４ａから一定の距離（たとえば数センチメートル）離れた位置に配置される。したがって、ジャイロ１０２の一例のサイズは、３ｃｍ×２ｃｍ×１ｃｍ程度である。
【００７７】
端面２４ａから出射される２つのレーザ光は、球面レンズ１１５で略平行な光となり、重なり合って干渉縞を生じる。球面レンズ１１５を用いることによって干渉縞の周期長を長くできるため、ジャイロ１０２では、干渉縞の移動を正確に測定できる。
【００７８】
なお、球面レンズ１１５は、球状に限らず、薄膜などの他の形状であってもよい。たとえば、平面形状が半円状の薄膜状レンズを用いてもよい。この場合、レンズを基板１１上にモノリシックに形成してもよい。レンズの材料としては、ＳｉＯ2などの透明材料を用いることができるが、半導体を用いてもよい。たとえば、半導体レーザの半導体層とレンズとは同じ積層構造を有してもよい。
【００７９】
（実施形態３）
実施形態３では、半導体レーザとプリズムとがモノリシックに形成されている半導体レーザジャイロの一例について説明する。実施形態３のジャイロ１０３の斜視図を図１０（ａ）に示す。また、半導体レーザ１０およびプリズム１１７が形成された基板１１の斜視図を図１０（ｂ）に示す。
【００８０】
ジャイロ１０３は、ステム１１２と、ステム１１２上に配置された半導体レーザ１０および２チャンネルの光検出器１１６と、基板１１上に形成されたプリズム１１７とを備える。プリズム１１７は半導体レーザ１０の半導体層２０と同じ積層構造を有し、半導体レーザ１０とモノリシックに形成されている。そのため、プリズム１１７は、半導体層２０を形成する際に同時に形成できる。
【００８１】
ジャイロ１０３における２つのレーザ光の光路を図１１に模式的に示す。半導体レーザ１０から出射された２つのレーザ光は、プリズム１１７で重ね合わされて干渉縞を生じる。干渉縞の移動は、光検出器１１６の２つの受光素子１１６ａおよび１１６ｂによって観測される。干渉縞は、ジャイロ１０３の回転速度に応じた速度で矢印の方向に移動する。干渉縞の移動方向は、ジャイロ１０３の回転方向に対応して変化する。
【００８２】
プリズム１１７の形状は、入射する２つのレーザ光の角度や間隔、および光検出器１１６との距離などの条件に応じて決定される。干渉縞の周期長を長くするために、プリズム１１７の断面形状である三角形の最も大きい角は９０°（０．５πラジアン）よりも僅かに大きいことが好ましい。その角の角度を（０．５π＋ε）ラジアンとすると、εは、０．５ラジアン以下であることが好ましい。
【００８３】
（実施形態４）
実施形態４では、半導体レーザとプリズムと光検出器とがモノリシックに形成されている半導体レーザジャイロの一例について説明する。実施形態４のジャイロ１０４の斜視図を図１２（ａ）に示し、主要部の斜視図を図１２（ｂ）に示す。
【００８４】
半導体レーザ１０と、プリズム１１７と、光検出器１１３（受光素子１１３ａおよび１１３ｂ）とは、基板１１上にモノリシックに形成されている。ジャイロ１０４では、図１１と同様の光路を進む２つのレーザ光で干渉縞が形成される。
【００８５】
半導体レーザ１０の半導体層２０と、受光素子１１３ａおよび１１３ｂの半導体層と、プリズム１１７とは、同じ積層構造を有する。これらは、半導体層２０を形成する過程で同時に形成できるため、製造が容易である。また、これらは半導体プロセスで形成できるため、正確な位置および形状に形成できる。なお、プリズム１１７だけを他の材料、たとえばＳｉＯ2などで形成することも可能である。
【００８６】
（半導体レーザジャイロの製造方法）
本発明のジャイロで用いられる半導体レーザの製造方法に限定はなく、半導体素子を製造するための公知の技術によって製造できる。また、本発明のジャイロは、半導体レーザと他の部材とを公知の技術で組み立てることによって容易に製造できる。以下に、半導体レーザ１０を製造する方法の一例を説明する。
【００８７】
図１３（ａ）〜（ｈ）に、製造工程を模式的に示す。なお、図１３（ａ）〜（ｈ）では、絶縁層１２の形成状態の理解を容易にするため、絶縁層１２の表面にハッチングを付す。
【００８８】
まず、図１３（ａ）に示すように、基板１１上に、複数の半導体層からなる半導体層２０ａと、絶縁層１２ａとを形成する。半導体層２０ａは、エッチングによって半導体層２０（図２および表１参照）となる層である。活性層２４を除き、半導体層２０ａを構成する各層は、一般的な方法、たとえば、ＭＢＥ（Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ  Ｂｅａｍ  Ｅｐｉｔａｘｙ）法やＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法で形成できる。絶縁層１２ａは、たとえばＳｉ3Ｎ4やＳｉＯ2からなる。絶縁層１２ａは、スパッタリング法やＣＶＤ法といった方法で形成できる。
【００８９】
活性層２４は、たとえば、ＩｎＡｓからなる量子ドットとＧａＩｎＡｓＳｂからなるカバー層とで形成する。量子ドットは自己形成によって形成できる。具体的には、ＩｎＡｓを供給したのち、カバー層と、障壁層とを積層する。このようにして形成される半導体層と障壁層とのセットを１〜５０セット積層する。量子ドット、カバー層および障壁層は、たとえば、ガスソースＭＢＥ、ＭＢＥ、ＣＢＥ、ＭＯＣＶＤで形成できる。
【００９０】
ＭＢＥ法を用いて活性層２４を形成する一例について説明する。まず、Ｉｎフラックス１．１×１０-5Ｐａ（８×１０-8Ｔｏｒｒ）とＡｓフラックス１．３×１０-3Ｐａ（１×１０-5Ｔｏｒｒ）とによって、２．５ＭＬ（Mono-Layer）のＩｎＡｓを供給して量子ドットを形成する。量子ドットは、自己形成によって形成される。次に、Ｉｎフラックス１．１×１０-5Ｐａ（８×１０-8Ｔｏｒｒ）と、Ｇａフラックス４．７×１０-5Ｐａ（３．５×１０-7Ｔｏｒｒ）と、Ａｓフラックス１．３×１０-3Ｐａ（１×１０-5Ｔｏｒｒ）と、Ｓｂフラックス２．７×１０-5Ｐａ（２×１０-7Ｔｏｒｒ）とを供給することによって、Ｇａ0.85Ｉｎ0.15Ａｓ0.98Ｓｂ0.02層（厚さ５ｎｍ）を形成する。次に、Ｇａフラックス４．７×１０-5Ｐａ（３．５×１０-7Ｔｏｒｒ）と、Ａｓフラックス１．３×１０-3Ｐａ（１×１０-5Ｔｏｒｒ）とを供給することによって、ＧａＡｓ障壁層（厚さ１５ｎｍ）を形成する。これらの工程を３回繰り返すことによって、活性層２４を形成できる。
【００９１】
次に、図１３（ｂ）に示すように、絶縁層１２ａ上に、パターニングされたレジスト膜１５１を形成する。レジスト膜１５１は、図３に示した活性層２４の形状にパターニングする。
【００９２】
次に、図１３（ｃ）に示すように、レジスト膜１５１をマスクとして、絶縁層１２ａと半導体層２０ａと基板１１の一部とをエッチングしたのち、レジスト膜１５１を除去する。エッチングは、ＲＩＥ（Ｒｅａｃｔｉｖｅ  Ｉｏｎ  Ｅｔｃｈｉｎｇ）法によって行い、少なくともクラッド層２２の深さまで行う。エッチングによって、所定の形状の絶縁層１２および半導体層２０が形成される。エッチングは、半導体層２０の側面の垂直性および平滑性が高くなるような条件で行われる。そのような条件は、半導体製造プロセスで一般的に採用されている。エッチングによって、半導体層２０を構成するすべての半導体層の平面形状は、図３に示した活性層２４の平面形状と同じになる。また、半導体層２０の側面はミラー面として機能する。
【００９３】
次に、図１３（ｄ）に示すように、領域３１（図２および図４参照）に対応するように、絶縁層１２に略菱形の貫通孔１２ｈを形成する。貫通孔１２ｈは、一般的なフォトリソ・エッチング工程で形成できる。
【００９４】
次に、図１３（ｅ）に示すように、基板１１の表面全体を覆うようにレジスト膜１５２を形成する。このとき、基板１１の表面と絶縁層１２の表面との間の段差を埋めるために、レジスト膜１５２は、レジスト層１５２ａおよびレジスト層１５２ｂの２層からなることが好ましい。レジスト膜１５２は、レジスト層１５２ａを基板１１の表面全体に塗布して段差を埋めたのち、レジスト層１５２ｂを塗布することによって形成できる。この方法によれば、表面の平坦性が高いレジスト膜１５２を形成できる。
【００９５】
次に、図１３（ｆ）に示すように、レジスト膜１５２をパターニングし、レジスト膜１５２に貫通孔１５２ｈを形成する。貫通孔１５２ｈは、第１の電極１３を形成する領域に対応する形状に形成される。貫通孔１５２ｈを形成したのち、半導体層２０（コンタクト層２７）と第１の電極１３との間で良好なコンタクトが得られるように、貫通孔１５２ｈ内の半導体層２０（コンタクト層２７）の表面を０．０１μｍ〜０．０２μｍ程度エッチングする。
【００９６】
次に、図１３（ｇ）に示すように、第１の電極１３を形成する。第１の電極１３は、リフトオフ法で形成できる。具体的には、まず、レジスト膜１５２をマスクとして、第１の電極１３を構成する複数の金属層を電子ビーム法で順次成膜する。その後、レジスト膜１５２をアセトンで除去する。このようにして、所定の形状の第１の電極１３を形成できる。第１の電極１３は、絶縁層１２に形成された貫通孔１２ｈを介して半導体層２０（コンタクト層２７）に接触する。
【００９７】
１枚の基板１１（ウェハ）を用いて多数の半導体レーザを形成する場合、基板１１のへき開を容易にするため、基板１１の厚さが１００〜１５０μｍになるように基板１１の裏面を研磨することが好ましい。
【００９８】
次に、図１３（ｈ）に示すように、基板１１の裏面側に複数の金属層を蒸着法で順次形成して第２の電極１４を形成する。その後、第１の電極１３および第２の電極１４を構成する金属層を合金化するために、４００〜４５０℃で熱処理する。最後に、必要に応じて、半導体レーザごとに基板１１をへき開する。
【００９９】
このようにして、半導体レーザ１０が形成される。なお、半導体レーザ１０と同じ積層構造を有するフォトダイオードをモノリシックに形成する場合には、半導体レーザを形成する部分とフォトダイオードを形成する部分とに対応するように、レジスト膜１５１および１５２をパターニングすればよい。同様に、半導体レーザの半導体層と同様の積層構造を有するプリズムを形成する場合には、半導体レーザを形成する部分とプリズムを形成する部分とに対応するようにレジスト膜１５１をパターニングすればよい。
【０１００】
なお、基板１１には、光検出器およびプリズム以外の、他の光学素子や電子部品を形成してもよい。たとえば、半導体レーザを駆動するための駆動回路や、光検出器から出力された信号を処理するための回路を形成してもよい。また、本発明の半導体レーザジャイロに、従来のジャイロに用いられている公知の技術をさらに適用してもよい。
【０１０１】
本発明の半導体レーザの他の例を示す。以下で説明する半導体レーザも、本発明のジャイロに適用できる。
【０１０２】
表２に、１．３μｍ帯レーザの層構造を示す。なお、半導体レーザの形状等は、上述したレーザと同じである。
【０１０３】
【表２】
2006108641.tif 000005
【０１０４】
図１４に活性層の一部を模式的に示す。活性層は、下地層（半導体層（Ｂ））１４１と、下地層１４１上に形成された半導体層（半導体層（Ａ））１４２と、障壁層（半導体層（Ｄ））１４３とからなる積層構造１４４が１２セット積層された構造を有する。半導体層１４２は、量子ドット１４２ａと、量子ドットをカバーするカバー層１４２ｂとからなる。
【０１０５】
下地層１４１には、ノンドープＧａＡｓ0.98Ｓｂ0.02層（厚さ７ｎｍ）を用いた。量子ドット１４２ａは、下地層１４１上にノンドープＩｎＡｓを２．５ＭＬ供給することによって形成した。カバー層１４２ｂには、ノンドープＧａ0.87Ｉｎ0.13Ａｓ層（厚さ３ｎｍ）を用いた。障壁層１４３には、ノンドープＧａＡｓ層（厚さ２３ｎｍ）を用いた。
【０１０６】
レーザを構成する各層は、ＭＢＥ法によって形成したが、ガスソースＭＢＥ、ＣＢＥ、ＭＯＣＶＤといった方法で形成してもよい。量子ドットは、自己形成によって形成される。なお、各層を成長する際の基板温度は５３０℃とした。各層を形成したのち、フォトリソグラフィーとメサエッチングとを行い、レーザを形成した。このレーザの２５℃におけるしきい値電流密度（Ｊth）は０．０４ｋＡ／ｃｍ2と低く、閾値電流も１５ｍＡと低かった。
【０１０７】
ＧａＡｓＳｂからなる下地層（半導体層（Ｂ））を用いることによって、ＧａＡｓ上に量子ドットを形成する場合に比べ、フォトルミネッセンス強度を高めることが可能である。ＧａＡｓＳｂ上に量子ドットを形成する場合と、ＧａＡｓ上に量子ドットを形成する場合とについて、量子ドットの密度とフォトルミネッセンス強度との関係を図１５に示す。図１５に示すように、ドット密度が３×１０10ｃｍ-2の場合、ＧａＡｓＳｂからなる下地層を用いることによって、フォトルミネッセンス強度が約３倍となった。
【０１０８】
なお、積層構造の繰り返し回数は、１２セットに限定されず、１セット〜５０セットの範囲から選択してもよい。
【０１０９】
また、障壁層１４３を構成する半導体はノンドープのＧａＡｓに限定されず、ドーピング濃度が１×１０17〜５×１０19ｃｍ-2の範囲でｐ型に変調ドーピングを行ってもよい。変調ドープが行われた障壁層を含む活性層の一例の一部を図１６に模式的に示す。
【０１１０】
図１６の活性層は、障壁層の部分のみが図１４の活性層と異なる。図１６の活性層は、ノンドープのＧａＡｓＳｂ下地層１４１と、半導体層１４２と、障壁層１６３（厚さ２６ｎｍ）とからなる積層構造１６４が１２セット積層された構造を有する。障壁層１６３は、ノンドープＧａＡｓ層１６３ａ（厚さ１８ｎｍ）と、ｐ型ＧａＡｓ層１６３ｂ（厚さ６ｎｍ）と、ノンドープＧａＡｓ層１６３ｃ（厚さ２ｎｍ）とを含む。ｐ型ＧａＡｓ層１６３ｂのドーピング濃度は１×１０18ｃｍ-3である。各層は、表２に記載のレーザと同様の方法で形成できる。
【０１１１】
図１６の活性層を用いたレーザの２５℃におけるしきい値電流密度（Ｊｔｈ）は０．０４ｋＡ／ｃｍ2と低く、閾値電流も１５ｍＡと低かった。
【０１１２】
上述した下地層および変調ドーピングは、波長３００ｎｍ〜１７００ｎｍ帯のレーザにも適用できる。  
【０１１３】
以上、本発明の実施形態について例を挙げて説明したが、本発明は上記実施形態に限定されず、本発明の技術的思想に基づいて他の実施形態に適用できる。
【産業上の利用可能性】
【０１１４】
本発明の半導体レーザは、半導体レーザジャイロに用いることができる。また、本発明の半導体レーザジャイロは、物体の回転の検出が必要な様々な機器に適用できる。代表的な例としては、姿勢制御装置やナビゲーション装置、手ぶれ補正装置に利用できる。具体的には、本発明のジャイロは、ロケットや飛行機などの航空機、自動車やバイクといった移動手段に利用できる。また、本発明のジャイロは超小型で取り扱いが容易であるという利点を生かし、携帯電話や小型のパーソナルコンピュータといった携帯情報端末、玩具、カメラなどに利用できる。
【図面の簡単な説明】
【０１１５】
【図１】本発明の半導体レーザの一例を模式的に示す斜視図である。
【図２】図１に示した半導体レーザを模式的に示す断面図である。
【図３】図１に示した半導体レーザの活性層の平面形状を模式的に示す図である。
【図４】図１に示した半導体レーザの機能を説明する図である。
【図５】本発明の半導体レーザの活性層の一例を模式的に示す断面図である。
【図６】活性層のカバー層を構成するＶ族元素に占めるＳｂの割合と、ＰＬピークの半値幅との関係を示すグラフである。
【図７】第１の電極の一例を模式的に示す平面図である。
【図８】本発明の半導体レーザジャイロの一例を模式的に示す（ａ）全体の斜視図および（ｂ）要部の斜視図である。
【図９】本発明の半導体レーザジャイロの他の一例を模式的に示す（ａ）全体の斜視図および（ｂ）要部の斜視図である。
【図１０】本発明の半導体レーザジャイロのその他の一例を模式的に示す（ａ）全体の斜視図および（ｂ）要部の斜視図である。
【図１１】図１０に示した半導体レーザジャイロにおけるレーザ光の光路を示す模式図である。
【図１２】本発明の半導体レーザジャイロのその他の一例を模式的に示す（ａ）全体の斜視図および（ｂ）要部の斜視図である。
【図１３】本発明の半導体レーザジャイロで用いられる半導体レーザの製造工程の一例を模式的に示す斜視図である。
【図１４】本発明の半導体レーザジャイロで用いられる活性層の一例の一部を模式的に示す断面図である。
【図１５】量子ドットを形成する下地層によってフォトルミネッセンス強度が変化することを示すグラフである。
【図１６】本発明の半導体レーザジャイロで用いられる活性層の他の一例の一部を模式的に示す断面図である。
【図１７】従来の光ジャイロの構成を模式的に示す図である。
【符号の説明】
【０１１６】
１０  半導体レーザ
１１  基板
１２  絶縁層
１２ｈ  貫通孔
１３  第１の電極
１３ａ  第１の部分
１３ｂ  第２の部分
１４  第２の電極
２０  半導体層
２１  バッファ層
２２  クラッド層
２３  光閉じ込め層
２４  活性層
２４ａ〜２４ｄ  （第１から第４の）端面
２５  光閉じ込め層
２６  クラッド層
２７  コンタクト層
３１、３１ａ、３１ｂ  第２の領域
３２  菱形の経路
３２ａ〜３２ｄ  （第１から第４の）角部
３５  第１のレーザ光
３６  第２のレーザ光
５１、１４２  半導体層（半導体層（Ａ））
５１ａ、１４２ａ  量子ドット
５１ｂ、１４２ｂ  カバー層
５２、１４３、１６３  障壁層（半導体層（Ｄ））
１０１〜１０４  半導体レーザジャイロ
１１１  カバー
１１２  ステム
１１３、１１６  光検出器
１１３ａ、１１３ｂ、１１６ａ、１１６ｂ  受光素子
１１４  電極
１１５  球面レンズ
１１７  プリズム
１４１  下地層（半導体層（Ｂ））
１５１、１５２  レジスト膜
Ｌ１、Ｌ２  レーザ光
【図１】
2006108641.tif 000006
【図２】
2006108641.tif 000007
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2006108641.tif 000012
【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
2006108641.tif 000016
【図１２】
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【図１３】
2006108641.tif 000018
【図１４】
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【図１５】
2006108641.tif 000020
【図１６】
2006108641.tif 000021
【図１７】
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