(57)【要約】【課題】  相互に異なる波長を有する複数の光を発光することが可能な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、２つの量子ドット層６１，６２を含む。量子ドット層６１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。また、量子ドット層６２は、量子ドット６２１と、キャップ層６２２とからなる。キャップ層６２２は、量子ドット６２１を覆う。量子ドット６１１は、ＩｎＡｓからなり、量子ドット６２１は、ＩｎＧａＡｓからなる。キャップ層６１１，６２２は、ＧａＡｓからなる。【選択図】        図２
2007027297.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
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、波長が相互に異なる複数のレーザ光を出射する複数の発光層を含み、
前記複数の発光層は、
バンドギャップが相互に異なる複数の量子ドットと、
前記複数の量子ドットに対応して設けられ、各々が対応する量子ドットを覆うように形成された複数のキャップ層とを含む、半導体発光素子。
【請求項２】
前記複数の発光層は、前記活性層の面内方向に配置される、請求項１に記載の半導体発光素子。
【請求項３】
前記複数の発光層は、それぞれ、第１および第２のレーザ光を出射する第１および第２の発光層からなり、
前記第１の発光層は、
第１の量子ドットと、
前記第１の量子ドットを覆うように形成された第１のキャップ層とを含み、
前記第２の発光層は、
前記第１の量子ドットとバンドギャップが異なる第２の量子ドットと、
前記第２の量子ドットを覆うように形成された第２のキャップ層とを含む、請求項１または請求項２に記載の半導体発光素子。
【請求項４】
前記第１および第２のキャップ層は、ガリウム砒素、アルミニウムガリウム砒素、インジウムガリウム砒素、ガリウムナイトライド砒素、インジウムガリウムナイトライド砒素およびガリウムアンチモン砒素のいずれか１つからなる、請求項３に記載の半導体発光素子。
【請求項５】
前記第１の量子ドットは、インジウムおよび砒素を含む第１の化合物半導体と、インジウム、アルミニウムおよび砒素を含む第２の化合物半導体とのいずれか一方の化合物半導体からなり、
前記第２の量子ドットは、前記第１および第２の化合物半導体のいずれか一方の化合物半導体に前記第２のキャップ層を構成する元素のうち一部の元素が追加された化合物半導体からなる、請求項３または請求項４に記載の半導体発光素子。
【請求項６】
前記第２の量子ドットは、インジウム、ガリウムおよび砒素を含む第３の化合物半導体と、インジウム、アルミニウム、ガリウムおよび砒素を含む第４の化合物半導体とのいずれか一方の化合物半導体からなる、請求項５に記載の半導体発光素子。
【請求項７】
波長が相互に異なる複数の光を発光する半導体発光素子の製造方法であって、
前記半導体発光素子は、前記複数の光を発光する複数の発光層からなる活性層を備え、
前記複数の発光層の各々は、
相互に異なるバンドギャップを有する複数の量子ドットと、
前記複数の量子ドットに対応して設けられ、各々が対応する量子ドットを覆う複数のキャップ層とを含み、
前記半導体発光素子の製造方法は、
基板上に第１のバリア層を形成する第１のステップと、
前記活性層を前記第１のバリア層に接して形成する第２のステップと、
前記活性層に接して第２のバリア層を形成する第３のステップとを備える、半導体発光素子の製造方法。
【請求項８】
前記複数の発光層は、前記基板の面内方向に配置され、
前記第２のステップは、
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のサブステップと、
前記量子ドットを覆うようにキャップ層を形成する第２のサブステップと、
前記面内方向において、前記量子ドットおよび前記キャップ層を複数の領域に分割し、前記複数の領域に相互に異なる条件のアニール処理を施す第３のサブステップとを含む、請求項７に記載の半導体発光素子の製造方法。
【請求項９】
前記第１のサブステップは、
前記膜の膜厚が前記膜に歪が生じる臨界膜厚以上になるまで前記複数の材料を前記半導体の表面に連続して供給するステップＡと、
前記ステップＡの後、前記複数の材料の少なくとも１つの材料の停止時間を前記少なくとも１つの材料の供給時間よりも長くして前記少なくとも１つの材料を間欠的に供給するステップＢとからなる、請求項８に記載の半導体発光素子の製造方法。
【請求項１０】
前記第３のサブステップは、相互に異なるパワーのレーザを前記複数の領域に照射する、請求項８または請求項９に記載の半導体発光素子の製造方法。
【請求項１１】
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、前記第１のレーザ光と異なる波長を有し、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る、半導体レーザジャイロ。
【請求項１２】
前記活性層は、波長が相互に異なる複数のレーザ光を出射する第１および第２の発光層を含み、
前記第１および第２の発光層は、
第１および第２の量子ドット部と、
前記第１および第２の量子ドット部に対応して設けられ、各々が対応する量子ドット部に含まれる量子ドットを覆うように形成された第１および第２のキャップ層とを含み、
前記第１の量子ドット部に含まれる第１の量子ドットは、第１の化合物半導体からなり、
前記第２の量子ドット部に含まれる第２の量子ドットは、前記第１の化合物半導体と異なるバンドギャップを有する第２の化合物半導体からなる、請求項１１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】
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い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、非特許文献２）。
【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２６は、光ジャイロの一般的な構成を示す図である。図２６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】
2007027297.tif 000003
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２６に示す角度であり、χは、図２６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．
【非特許文献２】「ジャイロ活用技術入門」，多摩川精機（株）編，工業調査会，ｐｐ６３−８３．
【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においては、相互に異なる波長を有する複数のレーザ光を発振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、相互に異なる波長を有する複数の光を発光することが可能な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、相互に異なる波長を有する複数の光を発光することが可能な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および第２のバリア層と、活性層とを備える。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。活性層は、波長が相互に異なる複数のレーザ光を出射する複数の発光層を含む。複数の発光層は、バンドギャップが相互に異なる複数の量子ドットと、複数の量子ドットに対応して設けられ、各々が対応する量子ドットを覆うように形成された複数のキャップ層とを含む。
【００２２】
好ましくは、複数の発光層は、活性層の面内方向に配置される。
【００２３】
好ましくは、複数の発光層は、それぞれ、第１および第２のレーザ光を出射する第１および第２の発光層からなる。第１の発光層は、第１の量子ドットと、第１の量子ドットを覆うように形成された第１のキャップ層とを含む。第２の発光層は、第１の量子ドットとバンドギャップが異なる第２の量子ドットと、第２の量子ドットを覆うように形成された第２のキャップ層とを含む。
【００２４】
好ましくは、第１および第２のキャップ層は、ガリウム砒素、アルミニウムガリウム砒素、インジウムガリウム砒素、ガリウムナイトライド砒素、インジウムガリウムナイトライド砒素およびガリウムアンチモン砒素のいずれか１つからなる。
【００２５】
好ましくは、第１の量子ドットは、インジウムおよび砒素を含む第１の化合物半導体と、インジウム、アルミニウムおよび砒素を含む第２の化合物半導体とのいずれか一方の化合物半導体からなる。また、第２の量子ドットは、第１および第２の化合物半導体のいずれか一方の化合物半導体に第２のキャップ層を構成する元素のうち一部の元素が追加された化合物半導体からなる。
【００２６】
好ましくは、第２の量子ドットは、インジウム、ガリウムおよび砒素を含む第３の化合物半導体と、インジウム、アルミニウム、ガリウムおよび砒素を含む第４の化合物半導体とのいずれか一方の化合物半導体からなる。
【００２７】
また、この発明によれば、半導体発光素子の製造方法は、波長が相互に異なる複数の光を発光する半導体発光素子の製造方法である。半導体発光素子は、複数の光を発光する複数の発光層からなる活性層を備え、複数の発光層の各々は、相互に異なるバンドギャップを有する複数の量子ドットと、複数の量子ドットに対応して設けられ、各々が対応する量子ドットを覆う複数のキャップ層とを含む。
【００２８】
そして、半導体発光素子の製造方法は、基板上に第１のバリア層を形成する第１のステップと、活性層を第１のバリア層に接して形成する第２のステップと、活性層に接して第２のバリア層を形成する第３のステップとを備える。
【００２９】
好ましくは、複数の発光層は、基板の面内方向に配置される。半導体発光素子の製造方法の第２のステップは、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のサブステップと、量子ドットを覆うようにキャップ層を形成する第２のサブステップと、面内方向において、量子ドットおよびキャップ層を複数の領域に分割し、複数の領域に相互に異なる条件のアニール処理を施す第３のサブステップとを含む。
【００３０】
好ましくは、第１のサブステップは、膜の膜厚が膜に歪が生じる臨界膜厚以上になるまで複数の材料を半導体の表面に連続して供給するステップＡと、ステップＡの後、複数の材料の少なくとも１つの材料の停止時間を少なくとも１つの材料の供給時間よりも長くして少なくとも１つの材料を間欠的に供給するステップＢとからなる。
【００３１】
好ましくは、第３のサブステップは、相互に異なるパワーのレーザを複数の領域に照射する。
【００３２】
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。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、第１のレーザ光と異なる波長を有し、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。
【００３３】
好ましくは、活性層は、波長が相互に異なる複数のレーザ光を出射する第１および第２の発光層を含む。第１および第２の発光層は、第１および第２の量子ドット部と、第１および第２の量子ドット部に対応して設けられ、各々が対応する量子ドット部に含まれる量子ドットを覆うように形成された第１および第２のキャップ層とを含む。第１の量子ドット部に含まれる第１の量子ドットは、第１の化合物半導体からなる。第２の量子ドット部に含まれる第２の量子ドットは、第１の化合物半導体と異なるバンドギャップを有する第２の化合物半導体からなる。
【発明の効果】
【００３４】
この発明による半導体発光素子においては、バンドギャップが相互に異なる複数の量子ドットをそれぞれ含む複数の発光層が活性層として形成される。
【００３５】
従って、この発明によれば、波長が異なる複数の光を発光できる。
【００３６】
また、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、波長が相互に異なる第１および第２のレーザ光を発振し、光検出器は、半導体レーザが回転されたときに半導体レーザからの２つのレーザ光の周波数差を検出する。この場合、光検出器は、半導体レーザが回転することに起因する周波数差と、２つのレーザ光の波長が異なることに起因する周波数差とが重畳された周波数差を検出する。
【００３７】
従って、この発明によれば、半導体レーザの回転角速度が小さい領域においても周波数差を検出でき、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】
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
負極電極１は、Ａｕ−Ｇｅ／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。
【００４３】
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、Ａｕ／Ｚｎ／Ａｕからなり、Ａｕ／Ｚｎ／Ａｕは、それぞれ、１０ｎｍ／１０ｎｍ／３００ｎｍの膜厚を有する。
【００４４】
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。
【００４５】
負極電極１の膜厚は、全体で０．６２μｍである。そして、負極電極１を構成するＡｕの膜厚は、０．５μｍであり、Ｇｅの膜厚は、０．１μｍであり、Ｎｉの膜厚は、０．０２μｍ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。
【００４６】
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、基板２の面内方向ＤＲ１に配置された２個の量子ドット層６１，６２からなる。量子ドット層６１は、量子ドット６１１と、キャップ層６１２とからなる。量子ドット層６２は、量子ドット６２１と、キャップ層６２２とからなる。
【００４７】
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、ガリウム砒素（ＧａＡｓ）からなる。キャップ層６２２は、量子ドット６２１を覆う。量子ドット６２１は、インジウムガリウム砒素（ＩｎＧａＡｓ）からなる。キャップ層６２２は、ガリウム砒素（ＧａＡｓ）からなる。
【００４８】
このように、活性層６においては、２個のキャップ層６１２，６２２は、各々対応する量子ドット６１１，６２１を覆うように形成され、同じ化合物半導体からなる。
【００４９】
ＩｎＡｓのバンドギャップは、０．３６ｅＶであり、ＧａＡｓのバンドギャップは、１．４２ｅＶである。また、量子ドット６１１のサイズは、数十ｎｍである。
【００５０】
量子ドット６１１は、ＩｎＡｓが２．４〜３．９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。また、量子ドット６２１は、量子ドット６１１をアニールすることによって形成される。キャップ層６１２，６２２は、同じ膜厚を有し、その膜厚は、３〜２０ｎｍの範囲である。
【００５１】
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。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ＩｎＧａＡｓから成るので、最も大きい屈折率を有する。
【００５２】
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。
【００５３】
図４は、量子ドット層６１，６２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→キャップ層６２２→量子ドット６２１→キャップ層６２２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。
ＧａＡｓ（キャップ層６１２，６２２）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に相当し、ＩｎＧａＡｓ（量子ドット６２１）の伝導帯Ｅｃ３と価電子帯Ｅｖ３とのエネルギー差がバンドギャップＥｇ３に相当する。
そして、キャップ層６１２を構成するＧａＡｓは、Ｅｇ１＝１．４２ｅＶ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を構成するＧａＡｓ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を構成するＧａＡｓの価電子帯Ｅｖ１よりもエネルギー的に低くなる。
【００５４】
また、キャップ層６２２を構成するＧａＡｓは、Ｅｇ１＝１．４２ｅＶのバンドギャップを有し、量子ドット６２１を構成するＩｎＧａＡｓは、例えば、Ｉｎ０．４Ｇａ０．６Ａｓの場合、Ｅｇ３＝０．９９８ｅＶのバンドギャップを有するため、量子ドット６２１を構成するＩｎＧａＡｓの伝導帯Ｅｃ３は、キャップ層６２２を構成するＧａＡｓの伝導帯Ｅｃ１よりもエネルギー的に低くなり、量子ドット６２１を構成するＩｎＧａＡｓの価電子帯Ｅｖ３は、キャップ層６２２を構成するＧａＡｓの価電子帯Ｅｖ１よりもエネルギー的に低くなる。
【００５５】
そうすると、キャップ層６１２（＝ＧａＡｓ）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（＝ＧａＡｓ）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。
【００５６】
また、キャップ層６２２（＝ＧａＡｓ）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６２１（＝ＩｎＧａＡｓ）へ移動し、キャップ層６２２（＝ＧａＡｓ）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６２１（＝ＩｎＧａＡｓ）へ移動する。
【００５７】
そして、量子ドット層６１において、エネルギー差ΔＥｃ１が伝導帯側に存在し、エネルギー差ΔＥｖ１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（＝ＧａＡｓ）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。
【００５８】
また、量子ドット層６２において、エネルギー差ΔＥｃ２が伝導帯側に存在し、エネルギー差ΔＥｖ２が価電子帯側に存在するので、量子ドット６２１（＝ＩｎＧａＡｓ）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６２１（＝ＩｎＧａＡｓ）からキャップ層６２２（＝ＧａＡｓ）へ移動することができず、量子ドット６２１（＝ＩｎＧａＡｓ）中に閉じ込められる。
【００５９】
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。また、量子ドット６２１（＝ＩｎＧａＡｓ）の伝導帯Ｅｃ３側には、サブ準位Ｅｓｕｂ３が形成され、量子ドット６２１（＝ＩｎＧａＡｓ）の価電子帯Ｅｖ３側には、サブ準位Ｅｓｕｂ４が形成される。
【００６０】
サブ準位Ｅｓｕｂ１，Ｅｓｕｂ３およびサブ準位Ｅｓｕｂ２，Ｅｓｕｂ４は、それぞれ、次の式（２）および式（３）によって表される。
【００６１】
【数２】
2007027297.tif 000004
【００６２】
【数３】
2007027297.tif 000005
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ｈν１を有する光を発する。また、サブ準位Ｅｓｕｂ３に存在する電子は、サブ準位Ｅｓｕｂ４に存在する正孔と再結合し、サブ準位Ｅｓｕｂ３とサブ準位Ｅｓｕｂ４とのエネルギー差に相当するエネルギーｈν２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。
【００６３】
そして、ｈν１＝ｈｃ／λ１（ｃ：光速度，λ１：波長）およびｈν２＝ｈｃ／λ２（λ２：波長）の関係を有するため、半導体レーザ１０は、異なる波長λ１，λ２を有する２つのレーザ光を発光する。
【００６４】
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。
【００６５】
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。
【００６６】
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）。
【００６７】
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。
【００６８】
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。
【００６９】
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）。
【００７０】
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）。
【００７１】
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。
【００７２】
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。
【００７３】
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。
【００７４】
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、Ａｕ−Ｇｅ／Ｎｉ／Ａｕからなる負極電極１が形成され、ＡｕおよびＺｎが真空蒸着によりコンタクト層９上に順次堆積され、Ａｕ／Ｚｎ／Ａｕからなる正極電極１１が形成される。そして、Ａｕ／Ｚｎ／Ａｕは、それぞれ、１０ｎｍ／１０ｎｍ／３００ｎｍの膜厚を有する。
【００７５】
これによって、半導体レーザ１０が完成する（図６の（ｄ）参照）。
【００７６】
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。
【００７７】
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、１．７モノレイヤーのＩｎＡｓ膜６００が堆積される（図７の（ｃ１）参照）。
【００７８】
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。
【００７９】
そして、１．７モノレイヤーのＩｎＡｓが結晶成長すると、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）。
【００８０】
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）。
【００８１】
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、ＧａおよびＡｓがそれぞれ固体Ｇａおよび固体Ａｓからそれぞれ量子ドット６１１の表面に供給され、ＧａＡｓ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（＝６２２）が量子ドット６１１を覆うように形成される（図７の（ｃ４）参照）。
【００８２】
その後、バリア層５の面内方向における量子ドット６１１の一部分にレーザ光ＬＢＡを照射して量子ドット６１１およびキャップ層６２２をアニールし、量子ドット６２１を形成する（図７の（ｃ５）参照）。
【００８３】
このレーザ光ＬＢＡは、Ｈｅ−Ｎｅレーザ、Ｈｅ−ＡｒレーザおよびＮｄ−ＹＡＧレーザのいずれかによって放射されるレーザ光である。そして、レーザ光ＬＢＡは、１０〜２００μｍの範囲のスポットサイズを有する。従って、各量子ドット６１１が形成された領域のみにレーザ光ＬＢＡを照射できる。つまり、フォトリソグラフィ技術を用いなくても量子ドット６１１を選択的にアニールできる。
【００８４】
そして、アニールは、次の表１に示す条件に従って行なわれる。
【００８５】
【表１】
2007027297.tif 000006
このアニールによって、キャップ層６２２を構成するＧａＡｓのうち、Ｇａが量子ドット６１１を構成するＩｎＡｓ中へ拡散し、量子ドット６１１は、ＩｎＧａＡｓからなる量子ドット６２１へ変化する。
【００８６】
従って、図７の（ｃ５）に示す工程によって、基板２の面内方向ＤＲ１に配置された２つの量子ドット層６１，６２が作製される。これによって、活性層６を作製する工程が終了する。
【００８７】
レーザ光ＬＢＡによるアニールによって量子ドット６２１を形成する場合、レーザ光ＬＢＡのレーザパワーおよびアニール温度によってキャップ層６２２から量子ドット６１１へ拡散するＧａの量が異なる。つまり、レーザパワーが相対的に強いとき、またはアニール温度が相対的に高いとき、量子ドット６１１へ拡散するＧａの量は、相対的に多くなる。
【００８８】
従って、この発明においては、量子ドット層６１において発振するレーザ光の波長λ１と、量子ドット層６２において発振するレーザ光の波長λ２との差を考慮してレーザ光ＬＢＡのレーザパワーおよびアニール温度を設定するようにしてもよい。
【００８９】
即ち、レーザ光ＬＢＡによるレーザアニールを用いる場合、波長λ１と波長λ２との差が所望の値になるように、レーザパワーおよびアニール温度を設定するようにしてもよい。
【００９０】
また、上記においては、量子ドット６１１の一部分をレーザ光ＬＢＡによってレーザアニールし、バンドギャップが異なる量子ドット６１１，６２１を形成したが、この発明においては、これに限らず、レーザパワーおよびアニール温度を複数のレーザパワーおよびアニール温度に変えて量子ドット６１１の全部をレーザ光ＬＢＡによってレーザアニールし、バンドギャップが相互に異なる複数の量子ドットを形成するようにしてもよい。
【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８に示す工程は、図７に示す工程の工程（ｃ１）〜（ｃ３）を工程（ｃ１−１）〜（ｃ３−１）に代えたものであり、その他は、図７に示す工程と同じである。
【００９３】
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、１．７モノレイヤーのＩｎＡｓ膜６００が堆積される（図８の（ｃ１−１）参照）。
【００９４】
この１．７モノレイヤーは、上述したよう、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。
【００９５】
そして、１．７モノレイヤーのＩｎＡｓが結晶成長すると、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。
【００９６】
そうすると、グレイン６１０ＡがＩｎＡｓ膜６００の表面に形成される（図８の（ｃ２−１）参照）。
【００９７】
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。
【００９８】
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６１０Ａ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６１０Ａは成長しない。
【００９９】
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６１０Ａに到達する確率が高くなり、グレイン６１０Ａ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（ｃ３−１）参照）。
【０１００】
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。
【０１０１】
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が堆積されるときのタイミングチャートを示す。
【０１０２】
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。
【０１０３】
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。
【０１０４】
そうすると、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。
【０１０５】
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。
【０１０６】
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６１０Ａ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。
【０１０７】
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。そして、Ｉｎの間欠供給においては、Ｉｎの停止時間（１５秒）は、Ｉｎの供給時間（１秒）よりも長く設定される。これにより、Ｉｎがグレイン６１０Ａに到達する確率が高くなり、量子ドット６１１のサイズを大きくできる。
【０１０８】
また、ＩｎＡｓの格子定数は、０．６ｎｍであり、バリア層５であるＧａＡｓの格子定数は、０．５６ｎｍであるので、この発明においては、下地である半導体（ＧａＡｓ）の格子定数よりも大きい格子定数を有するＩｎＡｓ膜６００を結晶成長させることにより量子ドット６１１を形成することを特徴とする。この特徴により、ＩｎＡｓが臨界膜厚（Ｔｃ）以上に結晶成長すると、グレイン６１０Ａが発生し易くなり、量子ドット６１１の面密度を高くできる。
【０１０９】
更に、Ｉｎを間欠供給することにしたのは、ＩｎＡｓ膜６００を構成するＡｓおよびＩｎのうち、Ｉｎの方がＧａよりも表面拡散距離が長いからである。従って、この発明においては、ＩｎＡｓ膜６００を構成する複数の材料（ＡｓおよびＩｎ）のうち、表面拡散距離が最も長い材料（Ｉｎ）を間欠供給することを特徴とする。この特徴により、Ｉｎがグレイン６１０Ａに到達する確率が高くなり、大きなサイズの量子ドット６１１を形成できる。
【０１１０】
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、上述した図７の工程（ｃ４）および工程（ｃ５）が実行される。そして、レーザ光ＬＢＡを用いたアニールによって、基板２の面内方向ＤＲ１に２つの量子ドット層６１，６２が作製される。
【０１１１】
上述したように、量子ドット６１１は、ＩｎＡｓ膜の連続成長と間欠成長とにより作成される。量子ドット６１１をＩｎＡｓ膜の連続成長と間欠成長とにより作成する理由について説明する。
【０１１２】
図１０は、ＩｎＡｓのＡＦＭ（Ａｔｏｍｉｃ  Ｆｏｒｃｅ  Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）像である。図１０の（ａ）は、ＡｓおよびＩｎを連続供給して１．９モノレイヤーのＩｎＡｓを結晶成長させたときのＡＦＭ像であり、図１０の（ｂ）は、０．１１モノレイヤーのＩｎＡｓが結晶成長するごとに結晶成長を１５秒間停止することを繰返して１．９モノレイヤーのＩｎＡｓを結晶成長させたときのＡＦＭ像である。
【０１１３】
また、図１０の（ｃ）は、０．１１モノレイヤーのＩｎＡｓが結晶成長するごとに結晶成長を１５秒間停止することを繰返して３．０モノレイヤーのＩｎＡｓを結晶成長させたときのＡＦＭ像であり、図１０の（ｄ）は、１．９モノレイヤーのＩｎＡｓを連続して結晶成長させた後、０．１１モノレイヤーのＩｎＡｓが結晶成長するごとに結晶成長を１５秒間停止することを繰返して３．０モノレイヤーのＩｎＡｓを結晶成長させたときのＡＦＭ像である。
【０１１４】
量子ドットの面密度は、図１０の（ａ）に示す場合、３．２×１０１０ｃｍ−２であり、図１０の（ｂ）に示す場合、１．１×１０１０ｃｍ−２であり、図１０の（ｃ）に示す場合、１．１８×１０１０ｃｍ−２であり、図１０の（ｄ）に示す場合、２．４２×１０１０ｃｍ−２である。
【０１１５】
そうすると、図１０の（ａ）および（ｂ）の結果から、１．９モノレイヤーのＩｎＡｓを結晶成長させる場合、ＩｎＡｓを間欠成長させると、量子ドットの面密度は、３．２×１０１０ｃｍ−２から１．１×１０１０ｃｍ−２まで低下することが解る。また、図１０の（ｃ）および（ｄ）の結果から、３．０モノレイヤーのＩｎＡｓを結晶成長させる場合、ＩｎＡｓを間欠成長させると、量子ドットの面密度は、１．３×１０１０ｃｍ−２から２．８×１０１０ｃｍ−２まで増加することが解る。更に、図１０の（ａ）〜（ｄ）の結果から、量子ドットの面密度は、１．９モノレイヤーのＩｎＡｓを連続して結晶成長させた場合（図１０の（ａ）の場合）、最も高くなる。
【０１１６】
量子ドットの面密度が高くなると、半導体レーザ１０のゲインが飽和するという問題を低減でき、半導体レーザ１０の内部ロスを低減できる。
【０１１７】
従って、量子ドットを用いた半導体レーザの性能を向上させるためには、量子ドットの面密度を最も高くし、かつ、量子ドットのサイズを大きくすることが必要である。
【０１１８】
そこで、この発明においては、１．９モノレイヤーのＩｎＡｓを連続して結晶成長させ、その後、ＩｎＡｓを間欠成長させることにしたものである。
【０１１９】
Ｉｎを間欠供給してＩｎＡｓからなる量子ドット６１１を結晶成長させる場合、Ｉｎの供給を停止する停止時間は、Ｉｎが成長表面を移動し、グレイン６１０Ａに到達する時間であるので、この停止時間を最適化することは、量子ドット６１１のサイズを大きくするために重要である。
【０１２０】
そこで、Ｉｎを成長表面へ供給するのを停止する停止時間（図９におけるｔ１〜ｔ２間の時間、ｔ３〜ｔ４間の時間、ｔ５〜ｔ６間の時間およびｔ７〜ｔ８間の時間）を変化させて試料を作成し、フォトルミネッセンス（ＰＬ：Ｐｈｏｔｏｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ）を測定した。
【０１２１】
図１１は、ＰＬの測定に用いたサンプルの断面構造図である。サンプル１０Ａは、図１に示す半導体レーザ１０のクラッド層４、活性層６、クラッド層８およびコンタクト層９をそれぞれクラッド層４Ａ、活性層６Ａ、クラッド層８Ａおよびコンタクト層９Ａに代えたものであり、その他は、半導体レーザ１０と同じである。
【０１２２】
クラッド層４Ａは、クラッド層４の膜厚を１５００ｎｍから５００ｎｍに変えたものであり、その他は、クラッド層４と同じである。また、活性層６Ａは、図７の工程（ｃ５）に示すレーザ光ＬＢＡによるアニールを行なう前の量子ドット層６１Ａからなる。従って、量子ドット層６１Ａは、１個の量子ドット６１１と、１個のキャップ層６１２とからなる。クラッド層８Ａは、クラッド層８の膜厚を５００ｎｍから２５０ｎｍに変えたものであり、その他は、クラッド層８と同じである。コンタクト層９Ａは、コンタクト層９の膜厚を２００ｎｍから２０ｎｍに変えたものであり、その他は、コンタクト層９と同じである。
【０１２３】
サンプル１０Ａの作製においては、量子ドット６１１を結晶成長させるとき、全体で３．０モノレイヤーのＩｎＡｓを結晶成長させた。また、Ｉｎの供給を停止する停止時間を５秒、１５秒および２５秒と変化させた。
【０１２４】
図１２は、室温におけるＰＬ強度を示す図である。図１２において、縦軸は、ＰＬ強度を表し、横軸は、波長を表す。曲線ｋ１は、ＡｓおよびＩｎを連続供給して３．０モノレイヤーのＩｎＡｓを結晶成長させた場合のＰＬ強度を示す。また、曲線ｋ２は、１．９モノレイヤーのＩｎＡｓを連続して結晶成長させた後、０．１１モノレイヤーのＩｎＡｓが結晶成長するごとに結晶成長を５秒間停止することを繰返して３．０モノレイヤーのＩｎＡｓを結晶成長させたときのＰＬ強度を示す。
【０１２５】
更に、曲線ｋ３は、１．９モノレイヤーのＩｎＡｓを連続して結晶成長させた後、０．１１モノレイヤーのＩｎＡｓが結晶成長するごとに結晶成長を１５秒間停止することを繰返して３．０モノレイヤーのＩｎＡｓを結晶成長させたときのＰＬ強度を示す。
【０１２６】
更に、曲線ｋ４は、１．９モノレイヤーのＩｎＡｓを連続して結晶成長させた後、０．１１モノレイヤーのＩｎＡｓが結晶成長するごとに結晶成長を２５秒間停止することを繰返して３．０モノレイヤーのＩｎＡｓを結晶成長させたときのＰＬ強度を示す。
【０１２７】
図１２に示す結果から、ＡｓおよびＩｎを連続して供給した場合、ＰＬ強度のピーク波長は、１２００ｎｍであり（曲線ｋ１参照）、Ｉｎの供給を停止する停止時間が５秒である場合、ＰＬ強度のピーク波長は、１２３１ｎｍであり（曲線ｋ２参照）、Ｉｎの供給を停止する停止時間が１５秒である場合、ＰＬ強度のピーク波長は、１２４２ｎｍであり（曲線ｋ３参照）、Ｉｎの供給を停止する停止時間が２５秒である場合、ＰＬ強度のピーク波長は、１２１３ｎｍである（曲線ｋ４参照）。
【０１２８】
従って、Ｉｎの供給を連続供給から間欠供給に変えることにより、ＰＬ強度のピーク波長は、１２００ｎｍから１２１３ｎｍ，１２３１ｎｍ，１２４２ｎｍへと長くなる。そして、Ｉｎの停止時間が１５秒である場合、ＰＬ強度のピーク波長は、１２４２ｎｍであり、ＰＬ強度も最も強い。
【０１２９】
このように、Ｉｎの停止時間を１５秒に設定することによりＰＬ強度のピーク波長は、１２００ｎｍから１２４２ｎｍまで長波長側へシフトする。
【０１３０】
Ｉｎの停止時間を２５秒に設定すると、ＰＬ強度のピーク波長は、１２１３ｎｍとなり、Ｉｎの停止時間が１５秒である場合に比べ、短波長側に現れる。これは、量子ドット６１１の内部に欠陥が生じ、電子が欠陥を介して正孔と再結合したためと考えられる。
【０１３１】
図１３は、ＰＬの半値幅およびＰＬ強度とＩｎの停止時間との関係を示す図である。図１３において、縦軸は、ＰＬの半値幅およびＰＬ強度を表し、横軸は、Ｉｎの停止時間を表す。また、曲線ｋ５は、ＰＬ強度とＩｎの停止時間との関係を示し、曲線ｋ６は、ＰＬ強度の半値幅とＩｎの停止時間との関係を示す。
【０１３２】
ＰＬ強度は、Ｉｎの停止時間が５秒および１５秒へと長くなるに伴って、大きくなり、Ｉｎの停止時間が更に２５秒へ長くなると、低下する。しかし、Ｉｎの停止時間が５秒および２５秒である場合においても、ＰＬ強度は、ＡｓおよびＩｎを連続供給した場合（停止時間＝０である場合）よりも大きい（曲線５参照）。
【０１３３】
また、ＰＬの半値幅は、Ｉｎの停止時間が５秒および１５秒へと長くなるに伴って小さくなり、Ｉｎの停止時間が更に２５秒へ長くなると、大きくなる。しかし、Ｉｎの停止時間が５秒および２５秒である場合においても、ＰＬの半値幅は、ＡｓおよびＩｎを連続供給した場合（停止時間＝０である場合）よりも狭い（曲線ｋ６参照）。
【０１３４】
上述したように、Ｉｎを間欠供給することにより、ＰＬ強度は、大きくなり、ＰＬの半値幅は、狭くなり、ＰＬ強度のピーク波長は、長波長側へシフトするので、この発明においては、Ｉｎの停止時間を５〜２５秒の範囲に設定して量子ドット６１１を結晶成長させる。また、好ましくは、Ｉｎの停止時間を１５秒に設定して量子ドット６１１を結晶成長させる。
【０１３５】
即ち、この発明においては、Ｉｎの停止時間をＩｎの供給時間の略５倍〜２５倍の範囲に設定して量子ドット６１１を結晶成長させる。また、好ましくは、Ｉｎの停止時間をＩｎの供給時間の略１５倍に設定して量子ドット６１１を結晶成長させる。
【０１３６】
図１４は、図５の（ｃ）において行なわれる活性層６の形成過程を示す更に他の工程図である。
【０１３７】
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、レジストがバリア層５の表面に塗布され、その塗布されたレジストが所定のパターンにパターンニングされる。その結果、レジスト５０がバリア層５の表面に形成される。
【０１３８】
そして、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、１．７モノレイヤーのＩｎＡｓ膜６００が結晶成長される（図１４の（ｃ１−２）参照）。
【０１３９】
この１．７モノレイヤーは、上述したように、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。
【０１４０】
そして、１．７モノレイヤーのＩｎＡｓが結晶成長すると、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６１０ＢがＩｎＡｓ膜６００の表面に形成される（図１４の（ｃ２−２）参照）。
【０１４１】
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６１０Ｂが大きくなり、最終的に量子ドット６１１がバリア層５およびレジスト５０上に形成される（図１４の（ｃ３−２）参照）。
【０１４２】
量子ドット６１１がバリア層５およびレジスト５０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、レジスト５０が除去され、バリア層５の表面の半分の領域に量子ドット６１１が形成される。
【０１４３】
その後、レジストが量子ドット６１１を覆うように塗布され、その塗布されたレジストは、所定のパターンにパターンニングされる。その結果、レジスト５１が量子ドット６１１を覆うように形成される。
【０１４４】
そして、１．３３×１０−３Ｐａの圧力において、Ｉｎ、ＧａおよびＡｓがそれぞれ固体Ｉｎ、固体Ｇａおよび固体Ａｓからそれぞれバリア層５およびレジスト５１の表面に供給され、図１４の（ｃ２−２）および（ｃ３−２）に示す工程を経て、量子ドット６２１がバリア層５およびレジスト５１上に形成される（図１４の（ｃ５−２）参照）。
【０１４５】
その後、レジスト５１が除去され、ＩｎＡｓからなる量子ドット６１１およびＩｎＧａＡｓからなる量子ドット６２１がバリア層５の表面に形成される（図１４の（ｃ６−２）参照）。
【０１４６】
そして、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からそれぞれ量子ドット６１１，６２１の表面に供給され、ＧａＡｓ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６１２，６２２が量子ドット６１１，６２１を覆うように形成される（図１４の（ｃ７−２）参照）。
【０１４７】
これによって、活性層６を作製する工程が終了する。
【０１４８】
このように、リソグラフィー技術を用いることにより、レーザ光ＬＢＡによるアニールを行なわなくても活性層６を形成することができる。
【０１４９】
なお、図１４の（ｃ１−２）〜（ｃ７−２）に示す工程が終了した後に、図７の（ｃ５）に示す工程を実行してレーザ光ＬＢＡによるレーザアニールを行なってもよい。この場合、量子ドット６２１が形成された領域が表１に示す条件によって選択的にレーザアニールされ、Ｇａがキャップ層６２２から量子ドット６２１へ拡散し、量子ドット６２１のバンドギャップが更に大きくなる。その結果、半導体レーザ１０は、波長差が更に大きい２つのレーザ光（波長λ１，λ２）を発振する。
【０１５０】
また、図１４の（ｃ１−２）〜（ｃ４−２）に示す工程を、図８の（ｃ１−１）〜（ｃ３−１）に示す工程に代えて、ＩｎおよびＡｓの連続供給と、Ｉｎの間欠供給とによりバリア層５の表面の一部分に量子ドット６１１を形成するようにしてもよい。
【０１５１】
更に、キャップ層６１２，６２２は、同じ化合物半導体（＝ＧａＡｓ）からなると説明したが、この発明においては、これに限らず、キャップ層６１２，６２２は、相互に異なる化合物半導体からなっていてもよい。例えば、キャップ層６１２は、ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ（ｘ＝０．１〜０．５）からなり、キャップ層６２２は、ＧａＮｘＡｓ１−ｘ（ｘ＝０．００１〜０．０９）からなっていてもよい。
【０１５２】
上記においては、量子ドット６１１は、ＩｎＡｓからなり、量子ドット６２１は、ＩｎＧａＡｓからなり、キャップ層６１２，６２２は、ＧａＡｓからなると説明したが、この発明においては、これに限らず、量子ドット６１１は、ＩｎｙＡｌ１−ｙＡｓ（ｙ＝０．５〜０．９）からなり、量子ドット６２１は、ＩｎＡｌＧａＡｓからなり、キャップ層６１２，６２２は、ＧａＡｓ、ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ（ｘ＝０．１〜０．５）、ＩｎｘＧａ１−ｘＡｓ（ｘ＝０．０１〜０．４５）、ＧａＮｘＡｓ１−ｘ（ｘ＝０．００１〜０．０９）、ＩｎｘＧａ１−ｘＮｙＡｓ１−ｙ（ｘ＝０．０１〜０．６，ｙ＝０．００１〜０．０９）およびＧａＳｂｘＡｓ１−ｘ（ｘ＝０．０１〜０．７）のいずれかからなっていてもよい。
【０１５３】
上述したように、半導体レーザ１０は、バンドギャップが相互に異なる量子ドット６１１，６２１を活性層６に含むので、波長が相互に異なる２つのレーザ光を発光できる。
【０１５４】
また、半導体レーザ１０は、量子ドット６１１，６２１を活性層６に含むので、（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。
【０１５５】
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１５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。
【０１５６】
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。
【０１５７】
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。
【０１５８】
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１１０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。
【０１５９】
図１６は、図１５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。
【０１６０】
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。
【０１６１】
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／Ａｕから成る。
【０１６２】
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／Ａｕの膜厚については、上述したとおりである。
【０１６３】
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。
【０１６４】
図１７は、図１６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。
【０１６５】
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。
【０１６６】
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。
【０１６７】
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。
【０１６８】
矢印１０７の方向（長手方向）におけるウイング２２〜２５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。
【０１６９】
図１８は、図１６に示す線ＸＶＩＩＩ−ＸＶＩＩＩ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６１１，６２１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。
【０１７０】
図１９は、図１６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１６に示すキャビティ１０２として積層されたものを意味する。
【０１７１】
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１９の（ａ）参照）。
【０１７２】
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１９の（ｂ）参照）。
【０１７３】
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１９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。
【０１７４】
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１９の（ｄ）参照）。
【０１７５】
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１９の（ｅ）参照）。これにより、平坦なレジスト面が形成される。
【０１７６】
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１９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。
【０１７７】
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。
【０１７８】
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１９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１９の（ｈ）参照）。
【０１７９】
負極電極１０５を形成した後、負極電極１０５を構成するＡｕ−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。
【０１８０】
図２０は、図１６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。
【０１８１】
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。
【０１８２】
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。
【０１８３】
図２１は、図１６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λ１，λ２を有する光が発生すると、その発生した２つの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。
【０１８４】
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。
【０１８５】
図２２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２２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。
【０１８６】
図２３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２３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２３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２３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。
【０１８７】
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λ１，λ２は８４０ｎｍ，８５０ｎｍであり、強度の半値幅（ＦＷＨＭ：Ｆｕｌｌ Ｗｉｄｔｈ ａｔ Ｈａｌｆ Ｍａｘｉｍｕｍ）は５．５度である。
【０１８８】
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の波長λ１は８４０ｎｍであり、レーザ光ＬＢ２の波長λ２は８５０ｎｍ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。
【０１８９】
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。
【０１９０】
角度θは、次式によって決定される。
【０１９１】
【数４】
2007027297.tif 000007
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。
【０１９２】
ｎｅｆｆ＝３．３、Ｌ＝６００μｍおよびＷ＝６０μｍ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。
【０１９３】
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。
【０１９４】
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。
【０１９５】
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。
【０１９６】
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。
【０１９７】
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。
【０１９８】
図２４は、図１５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。
【０１９９】
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。
【０２００】
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。
【０２０１】
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。
【０２０２】
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。
【０２０３】
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。
【０２０４】
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。
【０２０５】
この場合、半導体レーザ１１０は、波長が相互に異なるレーザ光ＬＢ１，ＬＢ２を出射面２１０から出射するので、次の理由により、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。
【０２０６】
図２５は、光ジャイロにおける回転角速度と、２つのレーザ光の周波数差との関係を示す図である。図２５の（ａ），（ｂ），（ｃ）の各々において、縦軸は、２つのレーザ光の周波数差Δωを表し、横軸は、回転角速度Ωを表す。
【０２０７】
光ジャイロにおいては、通常、同じ周波数の光をキャビティ内に右回りと左回りとに発振させておく。この場合、光ジャイロに回転角速度が与えられると、右回りの光と左回りの光との間に周波数差が発生する。そして、加えられる回転角速度Ωと光の周波数差Δωとの間には、比例関係が成立する。
【０２０８】
しかし、右回りの光と左回りの光は、同じ光路内に存在するため、回転角速度Ωが小さい領域では、光路内で結合し、周波数差Δωが発生しないロックイン（ｌｏｃｋ−ｉｎ）現象が生じる（図２５の（ａ）参照）。
【０２０９】
そこで、従来、ディザー機構を用いて回転角速度Ωが小さい領域においても２つの光の周波数差Δωが得られるようにしている（非特許文献２）。このディザー機構とは、回転角速度Ωにオフセットをつける方法である。即ち、機械的に、常時、一定の角速度を加えておく。この一定の角速度は、同じ周波数の２つの光が結合しない程度に十分に大きい周波数差を発生する角速度ΔΩである。
【０２１０】
そうすると、従来では、２つの光が結合してしまう小さな回転角速度ΔΩ（図２５の（ａ）に示す領域ＲＥＧ１における角速度）が加えられた場合でも、光ジャイロに発生する回転角速度Ωは、ΔΩ±Ωになり、回転角速度ΔΩに起因した２つの光の周波数差Δωを検出できる（図２５の（ｂ）参照）。
【０２１１】
一方、この発明による半導体レーザ１１０を用いた光ジャイロでは、半導体レーザ１１０は、波長が異なる２つのレーザ光ＬＢ１，ＬＢ２を発振するので、キャビティ１０２内に周波数差Δｋが発生する。そして、回転角速度Ωによって発生する２つのレーザ光ＬＢ１，ＬＢ２間の周波数差をΔω１とすると、回転角速度Ωが加えられたときの２つのレーザ光ＬＢ１，ＬＢ２間の周波数差Δωは、Δｋ±Δω１となる。
【０２１２】
この周波数差Δω＝Δｋ±Δω１は、２つのレーザ光ＬＢ１，ＬＢ２の結合を回避する十分な差である。従って、波長が相互に異なる２つのレーザ光ＬＢ１，ＬＢ２を発振させることによってロックイン現象を回避できる。
【０２１３】
その結果、図２５の（ｃ）に示すように、回転角速度Ωが小さい領域においても周波数差Δωを検出でき、半導体レーザジャイロ１００の精度を向上できる。
【０２１４】
なお、図２５の（ｃ）においては、周波数差Δωが零である回転角速度Ωの範囲が存在するが、この範囲は、半導体レーザ１１０の全体の寸法を制御することにより、光ジャイロが通常検出する回転角速度の範囲外へシフトさせることができるので、この発明による半導体レーザジャイロ１００は、実用上、問題はない。
【０２１５】
このように、この発明による半導体レーザジャイロ１００においては、半導体レーザ１１０内で発振する２つのレーザ光ＬＢ１，ＬＢ２に周波数差Δｋを加えることによって回転角速度Ωの小さい領域においても、半導体レーザ１１０自体の回転に基づく２つのレーザ光ＬＢ１，ＬＢ２の周波数差Δωを検出するものであるのに対し、従来のディザー機構は、回転角速度ΩにΔΩのオフセットを加えることによって回転角速度Ωの小さい領域においても、２つの光の周波数差Δωを検出するものである。従って、この発明による半導体レーザジャイロ１００は、従来のディザー機構を用いた光ジャイロとは全く異なるものである。
【０２１６】
なお、図１５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。
【０２１７】
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。
【０２１８】
また、上記においては、波長が相互に異なる２つのレーザ光ＬＢ１，ＬＢ２を発振する２つの量子ドット層６１，６２を有する半導体レーザ１０，１１０およびそれを用いた半導体レーザジャイロ１００について説明したが、この発明においては、これに限らず、半導体レーザ１０，１１０は、波長が相互に異なる３個以上のレーザ光を発振する３個以上の量子ドット層を備えていてもよく、半導体レーザジャイロ１００は、３個以上の量子ドット層を含む半導体レーザを備えていてもよい。
【０２１９】
更に、上記においては、キャップ層６１２，６２２は、ＧａＡｓからなると説明したが、この発明においては、これに限らず、キャップ層６１２，６２２は、アルミニウムガリウム砒素（ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ，ｘ＝０．０５〜０．５）、インジウムガリウム砒素（ＩｎｘＧａ１−ｘＡｓ（ｘ＝０．０１〜０．４５）、ガリウムナイトライド砒素（ＧａＮｘＡｓ１−ｘ，ｘ＝０．００１〜０．０９）、インジウムガリウムナイトライド砒素（ＩｎｘＧａ１−ｘＮｙＡｓ１−ｙ，ｘ＝０．０１〜０．６，ｙ＝０．００１〜０．０９）およびガリウムアンチモン砒素（ＧａＳｂｘＡｓ１−ｘ，ｘ＝０．０１〜０．７）のいずれかからなっていてもよい。そして、これらの各種の材料を用いることによって、半導体レーザ１０，１１０から出射される２つのレーザ光ＬＢ１，ＬＢ２の波長差（λ１−λ２）を１０〜５０ｎｍの範囲に設定できる。
【０２２０】
更に、上記においては、量子ドット６１１およびキャップ層６１２，６２２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６１２，６２２（ＧａＡｓ）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の複数の発振波長を制御するようにしてもよい。
【０２２１】
この発明においては、量子ドット層６１，６２は、「複数の発光層」を構成する。  
【０２２２】
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】
【０２２３】
この発明は、相互に異なる波長を有する複数の光を発光することが可能な半導体発光素子に適用される。また、この発明は、相互に異なる波長を有する複数の光を発光することが可能な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】
【０２２４】
【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】ＩｎＡｓのＡＦＭ（Ａｔｏｍｉｃ  Ｆｏｒｃｅ  Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）像である。
【図１１】ＰＬの測定に用いたサンプルの断面構造図である。
【図１２】室温におけるＰＬ強度を示す図である。
【図１３】ＰＬの半値幅およびＰＬ強度とＩｎの停止時間との関係を示す図である。
【図１４】図５の（ｃ）において行なわれる活性層の形成過程を示す更に他の工程図である。
【図１５】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１６】図１５に示す半導体レーザの斜視図である。
【図１７】図１６の矢印の方向から見たキャビティの平面図である。
【図１８】図１６に示す線ＸＶＩＩＩ−ＸＶＩＩＩ間における半導体レーザの断面図である。
【図１９】図１６に示す半導体レーザの製造工程を示す図である。
【図２０】図１６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２１】図１６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２２】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２３】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２４】図１５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２５】光ジャイロにおける回転角速度と、２つのレーザ光の周波数差との関係を示す図である。
【図２６】光ジャイロの一般的な構成を示す図である。
【符号の説明】
【０２２５】
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、５０，５１  レジスト、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   、６１０Ａ，６１０Ｂ  グレイン、６１１  量子ドット、６１２  キャップ層。
【図１】
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【図２】
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【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】
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【図８】
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【図９】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図１０】
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