CN109690890B - 半导体发光元件和包含其的发光装置 - Google Patents

半导体发光元件和包含其的发光装置 Download PDF

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Abstract

本实施方式涉及一种具有能够从S－iPM激光器的输出光中除去0次光的结构的半导体发光元件等。该半导体发光元件包括活性层、一对覆盖层和相位调制层。相位调制层包括基本层和各自单独地配置于特定位置的多个差异折射率区域。一对覆盖层的一层具有分布布拉格反射层，其具有对相对于光出射面的倾斜方向的特定光像的透过特性和对沿光出射面的法线方向输出的0次光的反射特性。

Description

半导体发光元件和包含其的发光装置
技术领域
本发明涉及半导体发光元件和包含其的发光装置。
背景技术
专利文献1中记载的半导体发光元件包括：活性层；夹着活性层的一对覆盖层；和与活性层光学耦合的相位调制层。相位调制层包括：基本层；和分别具有与基本层的折射率不同折射率的多个差异折射率区域。在相位调制层上设定了正方形格子的情况下，差异折射率区域(主孔)分别以与正方形格子中的对应区域(具有正方形形状)的中心点(格子点)一致的方式配置。在该差异折射率区域的周围，设置有辅助的差异折射率区域(副孔)，从而能够出射规定的光束图案(beam pattern)的光。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：国际公开第2014/136962号公报
发明内容
发明要解决的技术问题
发明者对现有的半导体发光元件进行了研究，结果发现了如下所述的技术问题。即，研究了如下半导体发光元件：通过控制从排列成二维状的多个发光点出射的光的相位谱和强度谱而能够输出任意的光像。作为这样的半导体发光元件的一种构成，有如下构成：在半导体基板上设置下部覆盖层、活性层和上部覆盖层，并且在下部覆盖层与活性层之间或者活性层与上部覆盖层之间设置有相位调制层。相位调制层包括基本层和分别具有与基本层的折射率不同的折射率的多个差异折射率区域，在与相位调制层的厚度方向垂直的面内设定了假想的正方形格子的情况下，各构成该正方形格子的多个正方区域分配成的差异折射率区域的重心位置，偏离于与应生成的光像对应地分配成的正方区域的格子点位置。这样的半导体发光元件被称为S－iPM(Static-integrable Phase Modulating，静态可积分相位调制)激光元件，沿与半导体基板的主面垂直的方向(法线方向)和相对于该法线方向具有规定的扩散角的方向，输出用于形成二维的任意形状的光像的光束。
然而，从上述的半导体发光元件除了输出作为所希望的输出光像的信号光之外，还输出0次光。该0次光是在与半导体基板的主面垂直的方向(即与发光面垂直的方向)输出的光，在S－iPM激光器中通常不使用。因此，在获取所希望的输出光像时，0次光成为噪声光，因此希望从光像中除去0次光。
本发明是为了解决如上述那样的技术问题而完成的，其目的在于提供一种具有能够从S－iPM激光的输出光中除去0次光的结构的发光装置。
用于解决技术问题的技术手段
为了解决上述的技术问题，作为一例，本实施方式的半导体发光元件包括：活性层；由第一覆盖层和第二覆盖层构成的一对覆盖层；和相位调制层。该半导体发光元件具有光出射面和与该光出射面相对配置的光反射面，能够沿该光出射面的法线方向和相对于该法线方向具有规定的斜度和扩散角的倾斜方向输出任意形状的光像。活性层配置于上述光出射面与光反射面之间。第一覆盖层配置于光出射面与活性层之间。第二覆盖层配置于光反射面与活性层之间。相位调制层配置于第一覆盖层与活性层之间或者第二覆盖层与活性层之间。另外，第一覆盖层和第二覆盖层中的任意覆盖层包含分布布拉格反射层，其对于沿倾斜方向输出的特定光像具有透过特性且对于沿法线方向输出的0次光具有反射特性。相位调制层包括基本层和各自具有与该基本层的折射率不同的折射率的多个差异折射率区域。另一方面，该半导体发光元件和包含该半导体发光元件的发光装置的制造方法包括：在基板上设置下部覆盖层(构成一对覆盖层的第二覆盖层)的第一工序；在第二覆盖层上设置活性层的第二工序；在活性层上设置上部覆盖层(构成一对覆盖层的第一覆盖层)的第三工序；在第一工序与第二工序之间或者第二工序与第三工序之间执行的工序，即在下部覆盖层与活性层之间或者活性层与上部覆盖层之间设置相位调制层的第四工序。
尤其是，在本实施方式的半导体发光元件和包含该半导体发光元件的制造方法中，相位调制层构成为多个差异折射率区域各自单独地配置在特定位置。具体而言，相位调制层构成为：在由与法线方向一致的Z轴，和与包含多个差异折射率区域的相位调制层的一面一致的、包含彼此正交的X轴和Y轴的X－Y平面规定的XYZ正交坐标系中，在该X－Y平面上，设定由各自具有正方形状的M1(1以上的整数)×N1(1以上的整数)个的单位构成区域R构成的假想的正方形格子，在由X轴方向的坐标成分x(1以上M1以下的整数)和Y轴方向的坐标成分y(1以上N1以下的整数)指定的X－Y平面上的单位构成区域R(x，y)中，位于该单位构成区域R(x，y)内的差异折射率区域的重心G1与作为单位构成区域R(x，y)的中心的格子点O(x，y)隔开间隔，并且从格子点O(x，y)向重心G1去的矢量朝向特定方向。
发明效果
依照本实施方式的发光装置和半导体发光元件的制造方法，能够从S－iPM激光器的输出中取出0次光。
附图说明
图1是表示作为本实施方式的半导体发光元件的一例的激光元件的构成的立体图。
图2是表示与相位调制层的配置相关的变形例的图。
图3是相位调制层的俯视图。
图4是表示相位调制层中差异折射率区域的位置关系的图。
图5是表示仅在相位调制层的特定区域内应用图的折射率大致周期结构的例子的俯视图。
图6是用于说明激光元件的输出光束图案成像而成的光像与相位调制层中的旋转角度分布的关系的图。
图7的(a)和(b)是说明根据光像的傅里叶变换结果求取旋转角度分布，决定差异折射率区域的配置时的注意点的图。
图8(a)是相位调制层的具体的三个构成共用的原图案的图像，图8(b)是对图8(a)进行二维逆傅里叶变换后抽取强度分布而得的图像，图8(c)是对图8(a)进行二维逆傅里叶变换后抽取相位分布而得的图像。
图9(a)是表示用于实现图8(c)所示的相位分布的、第一构成的相位调制层中的差异折射率区域的配置的图像，图9(b)是通过对所有差异折射率区域进行傅里叶变换而得的预想光束图案。
图10是表示相位调制层的第一构成中的填充因子与和距离r(a)的关系对应的输出光束图案的S/N比的图表。
图11是表示相位调制层的第一构成中的距离r(a)与S/N比的关系的图表。
图12(a)是表示用于实现图8(c)所示的相位分布的、第二构成的相位调制层中的差异折射率区域的配置的图像，(b)是通过对所有差异折射率区域进行傅里叶变换而得的预想光束图案。
图13是表示与相位调制层的第二构成中的填充因子和距离r(a)的关系对应的输出光束图案的S/N比的图表。
图14是表示相位调制层的第二构成中的距离r(a)与S/N比的关系的图表。
图15(a)是表示用于实现图8(c)所示的相位分布的、第三构成的相位调制层中的差异折射率区域的配置的图像。图15(b)是通过对所有差异折射率区域进行傅里叶变换而得的预想光束图案。
图16是表示相位调制层的第三构成中的填充因子与和距离r(a)的关系对应的输出光束图案的S/N比的图表。
图17是表示相位调制层的第三构成中的距离r(a)与S/N比的关系的图表。
图18是表示在假设没有DBR层的情况下，从激光元件输出的光束图案(光像)的一例的立体图。
图19(a)～(c)是表示在假设没有DBR层的情况下，从激光元件输出的光束图案的例的图像。
图20是示意性地表示激光元件的截面结构的图。
图21是表示DBR层的具体的结构的图。
图22是表示相位调制层和DBR层附近的结构模型的图。
图23是表示第一变形例的激光元件的构成的立体图。
图24是表示与相位调制层的配置有关的变形例的图。
图25是示意性地表示激光元件的截面结构的图。
图26是第二变形例的相位调制层的俯视图。
图27的(a)～(c)是表示差异折射率区域的X―Y平面内的形状的例的俯视图。
图28的(a)和(b)是表示差异折射率区域的X―Y平面内的形状的例的俯视图。
图29是表示作为本实施方式的半导体发光元件的第四变形例的、包含多个半导体发光元件的发光装置的构成的图。
图30是表示图1所示的激光元件(本实施方式的半导体发光元件的一例)的具体的层叠结构的图。
图31是表示图30的p型GaAs/AlGaAs层中的与入射角的变化相应的反射率的变化的图表。
图32是表示在决定作为DBR层的p型GaAs/AlGaAs层的结构时使用的、激光元件的折射率分布和电场样式分布的图表。
图33是表示第一变形例的激光元件的具体的层叠结构的图。
图34是表示图33的n型GaAs/AlGaAs层中的与入射角的变化相应的反射率的变化的图表。
图35是表示在决定作为DBR层的n型GaAs/AlGaAs层的结构时使用的、激光元件的折射率分布和电场样式分布的图表。
图36是用于说明从球面坐标(d1，θtilt，θrot)向XYZ正交坐标系下的坐标(x，y，z)的坐标变换的图。
具体实施方式
[本发明申请的实施方式的说明]
首先，对本发明申请的实施方式的内容分别单独举例进行说明。
(1)作为本实施方式的半导体发光元件的一个方式，包括活性层、由第一覆盖层和第二覆盖层构成的一对覆盖层和相位调制层，具有光出射面和与该光出射面相对配置的光反射面，能够沿该光出射面的法线方向和相对于该法线方向具有规定的斜度和扩散角的倾斜方向输出任意形状的光像。活性层配置于上述光出射面与光反射面之间。第一覆盖层配置于光出射面与活性层之间。第二覆盖层配置于光反射面与活性层之间。相位调制层配置于第一覆盖层与活性层之间或者第二覆盖层与活性层之间。另外，第一覆盖层和第二覆盖层中的任意者包含分布布拉格反射层，其对于沿倾斜方向输出的特定光像具有透过特性且对于沿法线方向输出的0次光具有反射特性。相位调制层包括：基本层；和各自具有与该基本层的折射率不同的折射率的多个差异折射率区域。另一方面，该半导体发光元件和包含该半导体发光元件的发光装置的制造方法包括：在基板上设置下部覆盖层(构成一对覆盖层的第二覆盖层)的第一工序；在第二覆盖层上设置活性层的第二工序；在活性层的上设置上部覆盖层(构成一对覆盖层的第一覆盖层)的第三工序；和在第一工序与第二工序之间或者在第二工序与第三工序之间执行的工序，即在下部覆盖层与活性层之间或者在活性层与上部覆盖层之间设置相位调制层的第四工序。
尤其是，在本实施方式的半导体发光元件和包含该半导体发光元件的发光装置的制造方法中，相位调制层构成为多个差异折射率区域各自单独地配置在特定位置。具体而言，相位调制层构成为：作为第一条件，在由与法线方向一致的Z轴，和与包含多个差异折射率区域的相位调制层的一面一致的、包含彼此正交的X轴和Y轴的X－Y平面规定的XYZ正交坐标系中，在该X－Y平面上，设定由各自具有正方形状的M1(1以上的整数)×N1(1以上的整数)个的单位构成区域R构成的假想的正方形格子。此时，在由X轴方向的坐标成分x(1以上M1以下的整数)和Y轴方向的坐标成分y(1以上N1以下的整数)指定的X－Y平面上的单位构成区域R(x，y)中，位于该单位构成区域R(x，y)内的差异折射率区域的重心G1与作为单位构成区域R(x，y)的中心的格子点O(x，y)隔开间隔，并且从格子点O(x，y)向重心G1去的矢量朝向特定方向。
(2)作为本实施方式的一方式，优选地，在第二覆盖层包含分布布拉格反射层的情况下，适当地设定分布布拉格反射层与相位调制层的间隔。具体而言，分布布拉格反射层与相位调制层的间隔被设定为使得由分布布拉格反射层反射后的向光出射面去的0次光的成分与从相位调制层直接向光出射面去的0次光的成分互相抵消。
(3)在具有上述的那样结构的半导体发光元件中，与活性层光学地耦合的相位调制层包括：基本层；和多个差异折射率区域，其分别埋入基本层内并且具有与该基本层的折射率不同的折射率。另外，在构成假想的正方形格子的单位构成区域R(x，y)中，对应的差异折射率区域的重心G1与格子点O(x，y)隔开间隔地配置。而且，从格子点O向重心G1去的矢量的方向按单位构成区域R单独地设定。在这样的构成中，根据从格子点O向对应的差异折射率区域的重心G1去的矢量的方向，即对应于该差异折射率区域的重心G1的格子点的角度位置，而光束的相位发生变化。如此，依照本实施方式，仅改变差异折射率区域的重心位置，而能够控制从各个差异折射率区域输出的光束的相位，能够将作为整体形成的光束图案(形成光像的光束群)控制为所希望的形状。此时，可以为假想的正方形格子中的格子点位于差异折射率区域的外部，或者也可以为该格子点位于差异折射率区域的内部。
即，能够应用于本实施方式的半导体发光元件为S－iPM激光器，其能够沿光出射面的法线方向和相对于该法线方向具有规定的斜度和扩散角的倾斜方向输出任意形状的光像(例如形成于二维平面上的光束图案)。
(4)另外，如上述那样，分布布拉格反射层是对于沿倾斜方向输出的特定光像具有透过特性且对于沿光出射面的法线方向输出的0次光具有反射特性的层。在第一覆盖层内设置有这样的分布布拉格层的结构，即分布布拉格反射层设置于由活性层和相位调制层构成的层区域与光出射面之间的结构中，从相位调制层输出的光中特定光像透过分布布拉格反射层而容易到达光出射面。另一方面，0次光在分布布拉格反射层被遮挡，难以到达光出射面。因此，利用本实施方式的半导体发光元件，能够适宜地从半导体发光元件的输出中去除0次光。
反之，分布布拉格层也可以设置于第二覆盖层内。即，分布布拉格层位于由活性层和相位调制层构成的层区域与光反射面之间。此情况下，分布布拉格反射层与相位调制层的间隔的设定是重要的。具体而言，分布布拉格反射层与相位调制层的间隔被设定为能够使由分布布拉格反射层反射后向光出射面去的0次光的成分与从相位调制层直接向光出射面去的0次光的成分互相抵消。由此，从相位调制层输出的光中特定光像容易到达光出射面。另一方面，由于被光反射面反射的成分与被相位调制层反射的成分的干涉，0次光成分之间互相抵消，难以达到光出射面。因此，利用本实施方式的半导体发光元件，能够适宜地从该半导体发光元件的输出中去除0次光。
(5)作为本实施方式的一方式，优选当使假想的正方形格子的格子常数(实质上相当于格子间隔)为a时，位于单位构成区域R(x，y)内的差异折射率区域的重心G1与格子点O(x，y)的距离r满足0≦r≦0.3a。另外，优选作为由从半导体发光元件的光出射面出射的光束图案表现的原图像(二维逆傅里叶变换前的光像)，包括例如斑点、直线、十字架、线条画、格子图案、照片、条状图案、计算机图形和文字中的至少一种。
(6)在本实施方式的一方式中，除第一前提条件之外，作为第二前提条件，XYZ正交坐标系中的坐标(x，y，z)如图36所示，为相对于由矢径的长度d1、与Z轴成的斜度角θtilt、和自在X－Y平面上确定的X轴的旋转角θrot规定的球面坐标(d1，θtilt，θrot)，满足由下面的式(1)～式(3)表示的关系的坐标。此外，图36是用于说明从球面坐标(d1，θtilt，θrot)至XYZ正交坐标系下的坐标(x，y，z)的坐标变换的图，由坐标(x，y，z)表现在实空间的XYZ正交坐标系中设定的规定平面上的设计上的光像。当使相当于从半导体发光元件输出的光像的光束图案成为以角度θtilt和θrot朝向規定的方向的亮点的集合时，角度θtilt和θrot被换算为由下面的式(4)规定的归一化波数即与X轴对应的Kx轴上的坐标值kx，和由下面的式(5)规定的归一化波数即与Y轴对应且与Kx轴正交的Ky轴上的坐标值ky。归一化波数意味着将相当于假想的正方形格子的格子间隔的波数归一化为1.0的波数。此时，在由Kx轴和Ky轴规定的波数空间中，包含相当于光像的光束图案的特定的波数范围各自由正方形状的M2(1以上的整数)×N2(1以上的整数)个的图像区域FR构成。此外，整数M2不一定与整数M1一致。同样，整数N2不一定与整数N1一致。另外，式(4)和式(5)在例如Y.Kurosaka et al.,"Effects ofnon-lasing band in two-dimensional photonic-crystal lasers clarified usingomnidirectional band structure,"Opt.Express 20,21773-21783(2012)中公开。
[式1]
x＝d1sinθtiltcosθrot…(1)
[式2]
y＝d1sinθtiltsinθrot…2)
[式3]
z＝d1cosθtilt…(3)
[式4]
Figure BDA0001986894390000091
[式5]
Figure BDA0001986894390000092
a：所述假想的正方形格子的格子常数
λ：所述半导体发光元件的振动波长
作为第三前提条件，在波数空间中，将由Kx轴方向的坐标成分kx(1以上、M2以下的整数)和Ky轴方向的坐标成分ky(1以上、N2以下的整数)指定的图像区域FR(kx，ky)分别二维逆傅里叶变换为由X轴方向的坐标成分x(1以上、M1以下的整数)和Y轴方向的坐标成分y(1以上、N1以下的整数)指定的X－Y平面上的单位构成区域R(x，y)而得到的复振幅F(x，y)，将j作为虚数单位，能够由下面的式(6)所定。另外，在使振幅项为A(x，y)且使相位项为P(x，y)时，该复振幅F(x，y)由下面的式(7)规定。另外，作为第四前提条件，单位构成区域R(x，y)由分别与X轴和Y轴平行且在单位构成区域R(x，y)的中心的格子点O(x，y)正交的s轴和t轴规定。
[式6]
Figure BDA0001986894390000101
[式7]
F(x，y)＝A(x，y)×exp[jP(x，y)]…(7)
上述第一～第四前提条件下，相位调制层构成为满足以下的第一条件和第二条件。即，第一条件为：在单位构成区域R(x，y)内中，多个差异折射率区域中对应的任意区域以其重心G1与格子点O(x，y)隔开间隔的状态配置。另外，第二条件为：以在从格子点O(x，y)至对应的差异折射率区域的重心G1的线段长度r(x，y)在M1个×N1个的单位构成区域R各自中设定为共同的值的状态下，连结格子点O(x，y)和对应差异折射率区域的重心G1的线段与s轴所成的角度φ(x，y)满足
φ(x，y)＝C×P(x，y)+B
C：比例常数，例如180°/π
B：任意的常数，例如0
的关系的方式，该对应的差异折射率区域配置于单位构成区域R(x，y)内。
优选在具有上述的那样的结构的半导体发光元件中，在相位调制层中，构成假想的正方形格子的各单位构成区域的中心(格子点)与对应的差异折射率区域的重心G1的距离r遍及整个相位调制层为一定值。由此，在分配到整个相位调制层中的相位分布(单位构成区域R(x，y)的复振幅F(x，y)中相位项P(x，y)的分布)均匀地分布于0～2π(rad)的情况下，当平均时，差异折射率区域的重心与正方形格子中的单位构成区域R的格子点一致。因此，由于在上述的相位调制层中的二维分布布拉格衍射效果接近在正方形格子的各格子点上配置有差异折射率区域的情况下的二维分布布拉格衍射效果，因此容易形成驻波，能够期望减小用于振动的阈值电流。
(6)作为本实施方式的发光装置的一方式，也可以包括各自具有光出射面的多个半导体发光元件和单独地驱动多个半导体发光元件的驱动电路。此外，作为本实施方式的半导体发光元件，多个半导体发光元件各自具有上述的结构。具体而言，多个半导体发光元件各自具有光出射面和与该光出射面相对配置的光反射面，能够沿该光出射面的法线方向和相对于该法线方向具有规定的斜度和扩散角的倾斜方向输出的任意形状的光像。另外，多个半导体发光元件各自包括：活性层；夹着该活性层的一对覆盖层；设置于该活性层与一对覆盖层的一层之间的、与该活性层光学地耦合的相位调制层。在多个半导体发光元件各自中，一对覆盖层包括设置于活性层与光出射面之间的第一覆盖层和设置于活性层与光反射面之间的第二覆盖层。相位调制层包括：基本层；和各自具有与该基本层的折射率不同的折射率的多个差异折射率区域。另外，第一覆盖层或者第二覆盖层中的任意一者具有分布布拉格反射层，其对于沿倾斜方向输出的特定光像具有透过特性且对于沿法线方向输出的0次光具有反射特性。
另外，多个半导体发光元件各自的相位调制层如以下的那样构成。即，在多个半导体发光元件各自中，在由与法线方向一致的Z轴，和与包含多个差异折射率区域的相位调制层的一面一致的、包含彼此正交的X轴及Y轴的X－Y平面规定的XYZ正交坐标系下，在该X－Y平面上，设定由各自具有正方形状的M1(1以上的整数)×N1(1以上的整数)个的单位构成区域R构成的假想的正方形格子。此时，相位调制层构成为：在由X轴方向的坐标成分x(1以上、M1以下的整数)和Y轴方向的坐标成分y(1以上、N1以下的整数)指定的X－Y平面上的单位构成区域R(x，y)中，位于该单位构成区域R(x，y)内的差异折射率区域的重心G1与单位构成区域R(x，y)的中心的格子点O(x，y)隔开间隔，并且从该格子点O(x，y)向重心G1去的矢量朝向特定方向。如此，该发光装置包括能够被单独地驱动的多个半导体发光元件，能够从各半导体发光元件仅取出所希望的光像。由此，对于预先排列了与多个图案对应的半导体发光元件的模块，通过适当驱动所需的元件，能够适宜地实现平视显示(head-up display)等。
(7)作为本实施方式的一方式，优选多个半导体发光元件各自包括输出红色波长区域的光像的半导体发光元件、输出蓝色波长区域的光像的半导体发光元件和输出绿色波长区域的光像的半导体发光元件的任意者。此情况下，能够适宜地实现彩色平视显示(color head-up display)等。
以上，在该[本发明的实施方式的说明]一栏中列举的个方式能够应用于其余所有的各方式中，或者其余的方式的所有组合中。
[本发明的实施方式的详细内容]
下面，参照附图，对本实施方式的半导体发光元件和发光装置的具体的结构进行详细说明。此外，本发明不限于这些例示，而应当由权利要求的范围表示，能够包含在与权利要求的范围等同的含义和范围内的所有改变。另外，在附图的说明中，对相同的要素标注相同的附图标记并省略重复的说明。
图1是表示作为本实施方式的半导体发光元件的一例的、激光元件1A的构成的立体图。图1中定义了使沿构成激光元件1A的层的层叠方向(厚度方向)延伸的轴为Z轴的XYZ正交坐标系。激光元件1A具有在Z方向彼此相对的光反射面2a和光出射面2b。此外，XYZ正交坐标系由与Z轴正交的平面，即与包含差异折射率区域15b的相位调制层15A的一面一致的、包含彼此正交X轴和Y轴的X－Y平面规定。激光元件1A是沿X－Y面形成驻波，向Z轴方向输出经相位控制后的平面波的S－iPM激光器。如后所述，激光元件1A沿相对于与光出射面2b垂直的方向(即Z轴方向)具有规定的斜度和扩散角的倾斜方向输出任意形状的二维光像。
激光元件1A包括：设置于半导体基板10上的活性层12；设置于半导体基板10上且夹着活性层12的一对覆盖层11及13；和设置于覆盖层13的中央区域上的接触层14。半导体基板10、活性层12、覆盖层11、13和接触层14由例如GaAs系半导体、InP系半导体或者氮化物系半导体之类的化合物半导体构成。覆盖层11的能量禁带宽度(energy band gap)和覆盖层13的能量禁带宽度大于活性层12的能量禁带宽度。半导体基板10、活性层12、覆盖层11、13和接触层14的厚度方向(层叠方向)与Z轴方向一致。
激光元件1A还包括相位调制层15A。在本实施方式中，相位调制层15A设置于活性层12与覆盖层13之间。因此，在图1的例中，以由活性层12和相位调制层15A构成的层区域为基准，覆盖层(第一覆盖层)11位于该层区域与光出射面2b之间，覆盖层(第二覆盖层)13位于该层区域与光反射面2a之间。此外，也可以根据需要，在活性层12与覆盖层13之间以及活性层12与覆盖层11之间的至少一者设置光引导层。在光引导层设置于活性层12与覆盖层13之间的情况下，相位调制层15A设置于覆盖层13与光引导层之间。相位调制层15A的厚度方向与Z轴方向一致。
如图2所示，也可以为相位调制层15A设置于覆盖层11与活性层12之间。而且，在光引导层设置于活性层12与覆盖层11之间的情况下，相位调制层15A设置于覆盖层11与光引导层之间。在图2的例中，以由活性层12和相位调制层15A构成的层区域为基准，覆盖层(第一覆盖层)11位于该层区域与光出射面2b之间，覆盖层(第二覆盖层)13位于该层区域与光反射面2a之间。
相位调制层15A包括：由第一折射率介质构成的基本层15a；和由与第一折射率介质的折射率的不同的第二折射率介质构成，且存在于基本层15a内的多个差异折射率区域15b。多个差异折射率区域15b包括重心位置偏离于大致周期结构的结构。在使相位调制层15A的实际折射率为n的情况下，相位调制层15A选择的波长λ0(＝a×n，a为格子间隔)包含于活性层12的发光波长范围内。相位调制层(衍射格子层)15A能够选择活性层12的发光波长中的波长λ0，向外部输出所选择的波长的光。入射到相位调制层15A内的激光形成与在相位调制层15A内差异折射率区域15b的配置对应的规定的样式，作为具有所希望的图案的激光束，能够从激光元件1A的表面(光出射面2b)出射到外部。
激光元件1A还包括设置于接触层14上的电极16和设置于半导体基板10的背面上的电极17。电极16与接触层14欧姆接触，电极17与半导体基板10欧姆接触。而且，电极17具有矩形状的开口17a。半导体基板10的背面上的电极17以外的部分(包含开口17a内)被防反射膜19覆盖。电极16由例如Ti/Au、Ti/Pt/Au或者Cr/Au构成。电极17由例如AuGe/Au构成。
当向电极16与电极1之间供给驱动电流时，在活性层12内发生电子与空穴的复合(发光)。促成该发光的电子及空穴和产生的光被有效地封闭在覆盖层11与覆盖层13之间。从活性层12出射的激光入射到相位调制层15A的内部，通过反复散射和衍射，而形成与相位调制层15A的内部的格子结构对应的规定的样式。在相位调制层15A内衍射的激光的一部分在电极16反射，从半导体基板10的背面通过开口17a向外部出射。另外，入射到相位调制层15A内的激光的剩余部分直接到达半导体基板10的背面，从该背面通过开口17a向外部出射。此时，激光包含的0次光沿Z轴(光出射面2b的法线方向)出射。与之相反，激光中包含的信号光沿与Z轴方向(法线方向)和相对于该法线方向具有规定的扩散角的方向出射。形成所希望的光像(特定的光像)的是信号光，在本实施方式中不使用0次光。
作为一例，半导体基板10是GaAs基板，覆盖层11、活性层12、相位调制层15A、覆盖层13和接触层14分别是由III族元素Ga、Al、In和V族元素As构成的组中所含的元素构成的化合物半导体层。作为具体的例子，覆盖层11是AlGaAs层，活性层12具有多重量子阱结构(势垒层：AlGaAs/阱层：InGaAs)，相位调制层15A的基本层15a为GaAs，差异折射率区域15b为空孔，覆盖层13为AlGaAs层，接触层14为GaAs层。
在AlGaAs中，通过改变Al的组成比，能够容易地改变能量禁带宽度和折射率。在AlXGa1－XAs中，当相对地减少(增加)原子半径较小的Al的组成比X时，与之正相关的能量禁带宽度变小(增大)。另外，当在GaAs中混入原子半径较大的In而成为InGaAs时，能量禁带宽度变小。即，覆盖层11、13的Al组成比大于活性层12的势垒层(AlGaAs)的Al组成比。覆盖层11的Al组成比设定为例如0.2～1.0，在一例中为0.4。覆盖层13的Al组成比设定为与覆盖层11的Al组成相同或者大于覆盖层11的Al组成，设定为例如0.2～1.0，在一例中为0.7。活性层12的势垒层的Al组成比设定为低于覆盖层中的Al组成，设定为例如0.1～0.4，在一例中为0.15。
另外，作为其他的例子，半导体基板10为InP基板，覆盖层11、活性层12、相位调制层15A、覆盖层13和接触层14由仅由III族元素Ga、Al、In和V族元素As组成的组所含的元素无法构成的化合物半导体，例如InP系化合物半导体构成。作为具体的例子，覆盖层11为InP层，活性层12具有多重量子阱结构(势垒层：GaInAsP/阱层：GaInAsP)，相位调制层15A的基本层15a为GaInAsP，差异折射率区域15b为空孔，覆盖层13为InP层，接触层14为GaInAsP层。
另外，作为另一例，半导体基板10为GaN基板，覆盖层11、活性层12、相位调制层15A、覆盖层13和接触层14是仅由III族元素Ga、Al、In和V族元素As组成的组所含元素无法构成化合物半导体层，例如由氮化物系化合物半导体构成。作为具体的例子，覆盖层11为AlGaN层，活性层12具有多重量子阱结构(势垒层：InGaN/阱层：InGaN)，相位调制层15A的基本层15a为GaN，差异折射率区域15b为空孔，覆盖层13为AlGaN层，接触层14为GaN层。
此外，覆盖层11被赋予与半导体基板10相同的导电类型，覆盖层13和接触层14被赋予与半导体基板10相反的导电类型。在一例中，半导体基板10和覆盖层11为n型，覆盖层13和接触层14为p型。此外，杂质浓度为例如1×1017～1×1021/cm3。相位调制层15A和活性层12是有意未添加任何杂质的本征型(i型)，其杂质浓度为1×1015/cm3以下。
基板10的厚度为100～600(μm)，在一例中为150(μm)。覆盖层11的厚度为1～3(μm)，在一例中为2(μm)。活性层12的厚度为160～720(nm)，在一例中为225(nm)。相位调制层15A的厚度为100～300(nm)，在一例中为250(nm)。覆盖层13的厚度为1～3(μm)，在一例中为2(μm)。接触层14的厚度为50～190(nm)，在一例中为100(nm)。
另外，在上述的结构中，差异折射率区域15b成为了空孔，不过差异折射率区域15b也可以为在空孔内埋入与基本层15a的折射率不同的半导体而形成的。此情况下，例如基本层15a的空孔也可以通过蚀刻而形成。也可以使用有机金属气相生长法、溅射法或者外延生长法将半导体埋入空孔内。例如，也可以为在基本层15a由GaAs形成的情况下，差异折射率区域15b由AlGaAs形成。另外，通过在基本层15a的空孔内埋入半导体而形成了差异折射率区域15b之后，还可以在其上堆积与差异折射率区域15b相同的半导体。此外，在差异折射率区域15b为空孔的情况下，可以在该空孔中封入氩、氮、氢之类的不活泼气体或者空气。
防反射膜19例如由硅氮化物(例如SiN)、硅氧化物(例如SiO2)等的电介质单层膜或者电介质多层膜构成。电介质多层膜中，能够使用从例如氧化钛(TiO2)、二氧化硅(SiO2)、一氧化硅(SiO)、氧化铌(Nb2O5)、五氧化钽(Ta2O5)、氟化镁(MgF2)、氧化钛(TiO2)、氧化铝(Al2O3)、氧化铈(CeO2)、氧化铟(In2O3)、氧化锆(ZrO2)等电介质层组选择的两种以上的电介质层层叠而的膜。例如，以对于波长λ的光的光学膜厚，层叠λ/4的厚度的膜。
此外，也能够使电极形状变形，从接触层14的表面出射激光。即，在不设置电极17的开口17a，而在接触层14的表面上电极16开口的情况下，激光束能够从接触层14的表面出射到外部。此情况下，接触层14的表面成为光出射面，半导体基板10的背面成为光反射面。防反射膜设置于电极16的开口内和周边。
图3是相位调制层15A的俯视图。相位调制层15A包括：由第一折射率介质构成的基本层15a；和由与第一折射率介质的折射率的不同的第二折射率介质构成的差异折射率区域15b。此处，在相位调制层15A设定X―Y面内的假想的正方形格子。正方形格子的一边与X轴平行，另一边与Y轴平行。此时，能够将以正方形格子的格子点O为中心的正方形形状的单位构成区域R设定为遍及沿X轴的多列和沿Y轴的多行的二维状。多个差异折射率区域15b一个一个地设置在各单位构成区域R内。差异折射率区域15b的平面形状为例如圆形形状。在各单位构成区域R内，差异折射率区域15b的重心G1与最靠近它的格子点O隔开间隔配置。具体而言，X－Y平面为与图1和图2所示的激光元件1A的厚度方向(Z轴)正交的平面，与包含差异折射率区域15b的相位调制层15A的一侧的面一致。构成正方形格子的单位构成区域R分别由X轴方向的坐标成分x(1以上的整数)和Y轴方向的坐标成分y(1以上的整数)指定而表示为单位构成区域R(x，y)。此时，单位构成区域R(x，y)的中心，即格子点由O(x，y)表示。此外，格子点O可以位于差异折射率区域15b的外部，也可以包含于差异折射率区域15b的内部。
在差异折射率区域15b为圆形的情况下，若使其直径为D，则面积S＝π(D/2)2。将在一个单位构成区域R内所占的差异折射率区域15b的面积S的比例规定为填充因子(FF，filling factor)。一个单位构成区域R的面积等于假想的正方形格子的一个单位格子内的面积。
如图4所示，构成正方形格子的单位构成区域R(x，y)由在格子点O(x，y)彼此正交的s轴和t轴规定。此外，s轴是与X轴平行的轴，t轴是与Y轴平行的轴。如此，在规定单位构成区域R(x，y)的s－t平面中，将从格子点O(x，y)向重心G1去的方向与s轴所成的角度定为φ(x，y)。在旋转角度φ(x，y)为0°的情况下，连结格子点O(x，y)与重心G1的矢量的方向与s轴的正方向一致。另外，将连结格子点O(x，y)与重心G1的矢量的长度定为r(x，y)。作为一例，r(x，y)在所有单位构成区域中(遍及相位调制层15A整体)是一定的。
如图3所示，在相位调制层15A中，根据所希望的光像而对每个单位构成区域R独立地设定绕差异折射率区域15b的重心G1的格子点O(x，y)的旋转角度φ(x，y)。旋转角度φ(x，y)在单位构成区域R(x，y)中具有特定的值，不过不限于必须以特定的函数表示。即，旋转角度φ(x，y)是由将所希望的光像在波数空间上进行变换，在该波数空间的一定的波数范围进行二维逆傅里叶变换而得到的复振幅的相位项决定的。此外，在根据所希望的光像来求取复振幅分布(各单位构成区域R的复振幅)时，通过应用在生成全息图(hologram)的计算时通常使用的Gerchberg-Saxton(GS)法的那样的重复算法，光束图案的再现性提高。
图5是表示仅在相位调制层的特定区域内应用了图3的折射率的大致周期结构的例的俯视图。在图5所示的例中，在正方形的内侧区域RIN的内部，形成有用于出射作为目标的光束图案的大致周期结构(例：图3的结构)。另一方面，在包围内侧区域RIN的外侧区域ROUT，在正方形格子的格子点位置配置有与重心位置一致的正圆形的差异折射率区域。例如，将外侧区域ROUT的填充因子FF设定为12％。另外，无论在内侧区域RIN的内部，还是在外侧区域ROUT内，假想地设定的正方形格子的格子间隔是相同的(＝a)。或者，也可以在外侧区域ROUT，设置在与包围内侧区域RIN的边垂直的方向周期性地配置的一维衍射格子。此外，向内侧区域RIN供给电流，而不向外侧区域ROUT供给电流。在该结构的情况下，存在这样的优点：通过在外侧区域ROUT内分布光，能够抑制在内侧区域RIN的周边部产生因光强度急剧变化而产生的高频噪声(所谓的窗函数噪声)。另外，能够抑制向面内方向泄露光，有望降低阈值电流。
图6是用于说明和从激光元件1A输出的光束图案相当的光像与相位调制层15A中的旋转角度φ(x，y)的分布的关系的图。具体而言，考察将由从激光元件1A出射的光束形成光像的平面(由XYZ正交坐标系中的坐标(x,y,z)表示的设计上的光像的设置面)在波数空间上进行变换而得到的Kx－Ky平面。规定Kx－Ky平面的Kx轴和Ky轴彼此正交且各自根据上述式(1)～式(5)与使光束的出射方向从Z轴方向振动至和该Z轴方向正交的水平方向时的相对于该法线方向的角度对应到一起。在该Kx－Ky平面上，各包含相当于光像的光束图案的特定区域为由正方形状的M2(1以上的整数)×N2(1以上的整数)个的图像区域FR构成的格子。另外，在相位调制层15A上的X－Y平面上设定的假想的正方形格子为由M1(1以上的整数)×N1(1以上的整数)个的单位构成区域R构成的格子。此外，整数M2无需与整数M1一致。同样地，整数N2无需与整数N1一致。此时，将由Kx轴方向的坐标成分kx(1以上M2以下的整数)和Ky轴方向的坐标成分ky(1以上N2以下的整数)指定的、在Kx－Ky平面上的各图像区域FR(kx，ky)，经二维逆傅里叶变换为由X轴方向的坐标成分x(1以上M1以下的整数)和Y轴方向的坐标成分y(1以上N1以下的整数)指定的单位构成区域R(x，y)，将j作为虚数单位，则单位构成区域R(x，y)中的复振幅F(x，y)由下面的式(8)所定。
[式8]
Figure BDA0001986894390000181
另外，在单位构成区域R(x，y)中，当使振幅项为A(x，y)、使相位项为P(x，y)时，该复振幅F(x，y)由下面的式(12)规定。
[式9]
F(x，y)＝A(x，y)×exp[jP(x，y)]…(9)
如图6所示，在坐标成分x＝1～M1和y＝1～N1的范围内，单位构成区域R(x，y)的复振幅F(x，y)中的振幅项即A(x，y)的分布相当于X－Y平面上的强度分布。另外，在x＝1～M1、y＝1～N1的范围内，单位构成区域R(x，y)的复振幅F(x，y)中的相位项即P(x，y)的分布相当于X－Y平面上的相位分布。单位构成区域R(x，y)中的旋转角度φ(x，y)如后述那样能够根据P(x，y)获得，在坐标成分x＝1～M1和y＝1～N1的范围内，单位构成区域R(x，y)的旋转角度φ(x，y)的分布相当于X－Y平面上的旋转角度分布。
此外，Kx－Ky平面上的输出光束图案的中心Q位于相对于半导体基板10的主面(光出射面2b)垂直的轴线上，图6表示以中心Q为原点的四个象限。在图6中，表示了作为一例在第一象限和第三象限获得光像的情况，不过也能够在第二象限和第四象限或者所有象限获得像。在本实施方式中，如图6所示，能够得到关于原点点对称的光像。图6表示了作为一例在第三象限获得文字“A”、在第一象限获得将文字“A”旋转了180°的图案的情况。此外，在为旋转对称的光像(例如，十字、圈、两重圈等)的情况下，将其重叠作为一个光像来观察。
从激光元件1A输出的光束图案(光像)成为与由斑点、直线、十字架、线条画、格子图案、照片、条状图案、CG(计算机图形，computer graphics)和文字中的至少一种表现的设计上的光像(原图像)对应的光像。此处，为了得到所希望的光像，通过以下的工序来决定单位构成区域R(x，y)中的差异折射率区域15b的旋转角度φ(x，y)。
如上述的那样，在单位构成区域R(x，y)内，差异折射率区域15b的重心G1以距格子点O(x，y)离开r(x，y)的状态配置。此时，在单位构成区域R(x，y)内，旋转角度φ(x，y)以满足以下的关系的方式配置差异折射率区域15b。
φ(x，y)＝C×P(x，y)+B
C：比例常数，例如180°/π
B：任意的常数，例如0
其中，比例常数C和任意的常数B对于所有的单位构成区域R为相同的值。
即，在想要获得所希望的光像的情况下，将投影到波数空间上的、形成于Kx－Ky平面上的光像二维逆傅里叶变换到相位调制层15A上的X－Y平面上的单位构成区域R(x，y)，将与其复振幅F(x，y)的相位项P(x，y)对应的旋转角度φ(x，y)赋予配置于该单位构成区域R(x，y)内的差异折射率区域15b即可。此外，激光束的二维逆傅里叶变换后的远视野像能够为一个或者多个斑点形状、圆环形状、直线形状、文字形状、二重圆环形状或者拉盖尔高斯光束形状等各种的形状。此外，光束图案是由波数空间上的波数信息表示的图案(Kx－Ky平面上)，因此在作为目标的光束图案为由二维的位置信息表示的位图图像等的情况下，也可以在变换为波数信息之后，再进行二维逆傅里叶变换。
作为根据通过二维逆傅里叶变换得到的X－Y平面上的复振幅分布来获得强度分布和相位分布的方法，例如强度分布(X－Y平面上的振幅项A(x，y)的分布)能够通过使用MathWorks公司的数值分析软件“MATLAB”的abs函数来计算，相位分布(X－Y平面上的相位项P(x，y)的分布)能够通过使用MATLAB的angle函数来计算。
此处，说明根据光像的二维逆傅里叶变换的结果来求取旋转角度分布(X－Y平面上的旋转角度φ(x，y)的分布)，决定各单位构成区域R中的差异折射率区域15b的配置时，使用一般的离散二维逆傅里叶变换或者高速二维逆傅里叶变换来进行计算的情况下所需要注意之处。当如图7(a)所示的原图像那样，将由二维逆傅里叶变换前的光像(XYZ正交坐标系中的坐标(x,y,z)表示的规定平面上的设计上的光像)分割为A1、A2、A3和A4这四个象限时，得到的光束图案成为图7(b)所示的图案。即，在图7(b)的光束图案的第一象限，出现将图7(a)的第一象限旋转了180°的图案与图7(a)的第三象限的图案重叠的图案。在图7(b)的光束图案的第二象限，出现将图7(a)的第二象限旋转了180°的图案与图7(a)的第四象限的图案重叠的图案。在图7(b)的光束图案的第三象限，出现将图7(a)的第三象限旋转了180°的图案与图7(a)的第一象限的图案重叠的图案。在图7(b)的光束图案的第四象限，出现将图7(a)的第四象限旋转了180°的图案与图7(a)的第二象限的图案重叠的图案。
因此，作为二维逆傅里叶变换前的光像(原光像)，在使用仅在第一象限具有值的图案的情况下，在得到光束图案的第三象限出现原光像的第一象限的图案。另一方面，在得到光束图案的第一象限出现将原光像的第一象限旋转了180°的图案。
接着，对差异折射率区域15b的重心G1与假想的正方形格子的格子点O的适宜的距离进行说明。当将正方形格子的格子间隔设为a时，差异折射率区域15b的填充因子FF被定为S/a2。但是，S是X―Y平面的差异折射率区域15b的面积，例如在正圆形形状的情况下，使用正圆的直径D而被定为S＝π×(D/2)2。另外，在正方形形状的情况下，使用正方形的一边的长度LA而被定为S＝LA2。
下面，对相位调制层15A的具体的三种构成进行说明。图8(a)是各构成中共用的原图案的图像，是由704×704像素构成的文字“光”。此时，文字“光”存在于第一象限，在第二象限～第四象限不存在图案。图8(b)是对图8(a)进行了二维傅里叶变换并抽取了强度分布的图像，由704×704要素构成。图8(c)是对图8(a)进行了二维傅里叶变换并抽取了相位分布的图像，由704×704要素构成。它们同时也与角度分布相对应，图8(c)通过色的浓淡来表示0～2π(rad)的相位的分布。色为黑色的部分表示相位0(rad)。
图9(a)是表示用于实现图8(c)所示的相位分布的、第一构成的相位调制层15A中的差异折射率区域15b的配置的图像，基本层15a由黑色表示，差异折射率区域15b由白色表示。此外，在该第一构成中，差异折射率区域15b存在704个×704个，差异折射率区域15b的平面形状为正圆，正方形格子的格子间隔a为284nm。图9(a)表示差异折射率区域15b的直径D为111nm，假想的正方形格子的格子点O与差异折射率区域15b的重心G1的距离r为8.52nm的情况下。此时，差异折射率区域15b的填充因子FF为12％，距离r为0.03a。图9(b)是通过对所有差异折射率区域进行傅里叶变换而得到的预想光束图案。
图10是表示和相位调制层15A的第一构成(样本1)中的填充因子FF与距离r(a)的关系对应的、输出光束图案的S/N比，即所希望的光束图案与噪声的强度比的图表。另外，图11是表示图10的情况(第一构成的样本1)下的距离r(a)与S/N比的关系的图表。该构成的情况下，也至少可知：距离r为0.3a以下的情况下，S/N高于距离r超过0.3a的情况，在距离r为0.01a以上的情况下，与距离r为0的情况相比S/N变高。尤其是，当参照图11时，在上述的数值范围内存在S/N比的峰值。即，从提高S/N比的观点出发，距离r优选为0＜r≦0.3a，进一步优选为0.01a≦r≦0.3a，更优选为0.03a≦r≦0.25a。但是，在r小于0.01a的情况下，也能够获得S/N比较小的光束图案。
图12(a)是表示用于实现图8(c)所示的相位分布的差异折射率区域15b的配置的图像(相位调制层15A的第二构成)，基本层15a由黑色表示，差异折射率区域15b由白色表示。在该第二构成中，差异折射率区域15b的平面形状为正方形，差异折射率区域15b的个数和正方形格子的格子间隔a与第一构成相同。图12(a)表示差异折射率区域15b的一边的长度L为98.4nm，假想的正方形格子的格子点O与差异折射率区域15b的重心G1的距离r为8.52nm的情况。此时，差异折射率区域15b的填充因子FF为12％，距离r为0.03a。图12(b)是通过对所有差异折射率区域进行傅里叶变换而得到的预想光束图案。
图13是表示和相位调制层的第二构成(样本2)中的填充因子FF与距离r(a)的关系对应的、输出光束图案的S/N比，即所希望的光束图案与噪声的强度比的图表。另外，图14是表示图13的情况(第二构成的样本2)下的距离r(a)与S/N比的关系的图表。在该构成的情况下，也至少可知：距离r为0.3a以下的情况下，S/N比高于距离r超过0.3a的情况，距离r为0.01a以上的情况下，与距离r为0的情况下S/N变高。尤其是，参照图14，在上述的数值范围内存在S/N比的峰值。即，从提高S/N比的观点出发，距离r优选为0＜r≦0.3a，进一步优选为0.01a≦r≦0.3a，更优选为0.03a≦r≦0.25a。但是，在r小于0.01a的情况下，也能够得到S/N比较小的光束图案。
图15(a)是表示用于实现图8(c)所示的相位分布的差异折射率区域15b的配置的图像(相位调制层15A的第三构成)，基本层15a由黑色表示，差异折射率区域15b由白色表示。在该第三构成中，差异折射率区域15b的平面形状为两个正圆彼此偏离地重叠而成的形状，使一个正圆的重心与格子点O一致。差异折射率区域15b的个数和正方形格子的格子间隔a与第一构成相同。图9(a)表示两个正圆的直径均为111nm，另一个正圆的重心与格子点O的距离r为14.20nm的情况。此时，差异折射率区域15b的填充因子FF为12％，距离r为0.05a。图15(b)是通过对所有差异折射率区域进行傅里叶变换而得到的预想光束图案。
图16是表示和相位调制层15A的第三构成(样本3)中的填充因子FF与距离r(a)的关系对应的、输出光束图案的S/N比，即所希望的光束图案与噪声的强度比的图表。另外，图17使表示图16的情况(第三构成的样本3)下的距离r(a)与S/N比的关系的图表。在该构成的情况下，也至少可知：距离r为0.3a以下的情况下，S/N高于距离r超过0.3a的情况，距离r为0.01a以上的的情况下，与距离r为0的情况相比S/N变高。尤其是，参照图17，在上述的数值范围内存在S/N比的峰值。即，从提高S/N比的观点出发，距离r优选为0＜r≦0.3a，进一步优选为0.01a≦r≦0.3a，更优选为0.03a≦r≦0.25a。但是，在r小于0.01a的情况下，也能够得到S/N比较小的光束图案。
此外，在图10(样本1)、图13(样本2)和图16(样本3)中，S/N比超过0.9、0.6、0.3的区域被定为以下的函数。此外，在图11(样本1)、图14(样本2)和图17(样本3)中，FF3、FF6、FF9、FF12、FF15、FF18、FF21、FF24、FF27、FF30分别表示FF＝3％、FF＝6％、FF＝9％、FF＝12％、FF＝15％、FF＝18％、FF＝21％、FF＝24％、FF＝27％、FF＝30％。
(在图10中S/N为0.9以上)
FF＞0.03，且
r＞0.06，且
r＜－FF+0.23，且
r＞－FF+0.13
(在图10中S/N为0.6以上)
FF＞0.03，且
r＞0.03，且
r＜－FF+0.25，且
r＞－FF+0.12
(在图10中S/N为0.3以上)
FF＞0.03，且
r＞0.02，且
r＜－(2/3)FF+0.30，且
r＞－(2/3)FF+0.083
(在图13中S/N为0.9以上)
r＞－2FF+0.25，且
r＜－FF+0.25，且
r＞FF－0.05
(在图13中S/N为0.6以上)
FF＞0.03，且
r＞0.04，且
r＜－(3/4)FF+0.2375，且
r＞－FF+0.15
(在图13中S/N为0.3以上)
FF＞0.03，且
r＞0.01，且
r＜－(2/3)FF+1/3，且
r＞－(2/3)FF+0.10
(在图16中S/N为0.9以上)
r＞0.025，且
r＞－(4/3)FF+0.20，且
r＜－(20/27)FF+0.20
(在图16中S/N为0.6以上)
FF＞0.03，且
r＞0.02，且
r＞－(5/4)FF+0.1625，且
r＜－(13/18)FF+0.222
(在图16中S/N为0.3以上)
FF＞0.03，且
r＞0.01，且
r＜－(2/3)FF+0.30，且
r＞－(10/7)FF+1/7
此外，在上述的构成中，当为包含活性层12和相位调制层15A的构成时，材料系、膜厚、层的构成能够进行各种改变。此处，关于来自假想的正方形格子的扰动为0的情况下的、所谓的正方形格子光子晶体激光，比例规律成立。即，波长为常数α倍的情况下，通过使正方形格子结构整体成为α倍而能够得到同样的驻波状态。同样地，在本实施方式中，根据与波长对应的比例规律，能够决定相位调制层15A的结构。因此，使用发出蓝色，绿色，红色等的光的活性层12，并且应用与波长对应的比例规律，从而能够实现能够输出可见光的激光元件1A。
在激光元件1A制造时，各化合物半导体层能够通过有机金属气相生长(MOCVD)法获得。能够在半导体基板10的(001)面上进行晶体生长，不过不限于此。另外，在使用了AlGaN的激光元件1A的制造中，AlGaAs的生长温度我500℃～850℃，在实验中采用550～700℃。作为生长时的Al原料可以使用TMA(三甲基铝)，作为镓原料可以使用TMG(三甲基镓)和TEG(三乙基镓)，作为As原料可以使用AsH3(砷化氢)，作为N型杂质用的原料可以使用Si2H6(二硅烷)，作为P型杂质用的原料可以使用DEZn(二乙基锌)。在GaAs的生长中，可以使用TMG和砷化氢，不过不可以使用TMA。InGaAs能够使用TMG、TMI(三甲基铟)和砷化氢来制造。绝缘膜可以通过将其构成物质作为原料并对目标进行溅射或者PCVD(等离子体CVD)法来形成。
即，关于上述的激光元件1A，首先在作为N型的半导体基板10的GaAs基板上，使用MOCVD(有机金属气相生长)法，依次使作为n型的覆盖层11的AlGaAs层、作为活性层12的InGaAs/AlGaAs多重量子阱结构、作为相位调制层15A的基本层15a的GaAs层外延生长。接着，由于在外延生长后要对准，因此通过PCVD(等离子体CVD)法在基本层15a上形成SiN层，接着，在SiN层上形成抗蚀剂。然后，对抗蚀剂进行露光/显影，将抗蚀剂作为掩模来蚀刻SiN层，在残留有一部分SiN层的状态下形成对准标记。能够除去残留的抗蚀剂。
接着，在基本层15a涂敷其他抗蚀剂，以对准标记为基准由电子光束描绘装置在抗蚀剂上描绘二维微小图案。在描绘后，通过使抗蚀剂显影以在该抗蚀剂上形成二维微小图案。之后，将抗蚀剂作为掩模，通过干蚀刻将二维微小图案转印到基本层15a上，在形成孔(穴)后除去抗蚀剂。孔的深度为例如100nm～300nm。使这些孔为差异折射率区域15b，或者在这些孔中使成为差异折射率区域15b的化合物半导体(AlGaAs)再生长到孔的深度以上。在使孔为差异折射率区域15b的情况下，可以在孔内封入空气、氮或者氩等的气体。接着，依次通过MOCVD形成了作为覆盖层13的AlGaAs层、作为接触层14的GaAs层后，通过蒸镀法或者溅射法形成电极16、17。另外，根据需要，通过溅射等形成防反射膜19。
此外，在相位调制层15A设置于活性层12与覆盖层11之间的情况下，在形成活性层12之前，在覆盖层11上形成相位调制层15A即可。另外，假想的正方形格子的格子间隔a为波长除以等价折射率的程度，设定为例如300nm的程度。
此外，在格子间隔a为正方形格子的情况下，当将正交坐标的单位矢量设为x，y时，基本平移矢量a1＝ax，a2＝ay，与平移矢量a1，a2对应的基本逆格子矢量b1＝(2π/a)y，b2＝(2π/a)x。在格子中存在的波的波数矢量为k＝nb1+mb2(n，m为任意的整数)的情况下，波数k存在于Γ点。尤其是波数矢量的大小等于基本逆格子矢量的大小的情况下，能够得到格子间隔a等于波长λ的共振样式(X―Y平面内的驻波)。在本实施方式中，能够得到这样的共振样式(驻波状态)中的振动。此时，当考虑在与正方形格子平行的面内存在电场那样的TE样式时，像这样格子间隔与波长相等的驻波状态按照正方形格子的对称性存在4种样式。在本实施方式中，在以该4种驻波状态的任意者的样式振动的情况下，都同样能够得到所希望的光束图案。
此外，上述的相位调制层15A内的驻波通过孔形形状散射，对在面垂直方向获得的波面进行了相位调制从而得到所希望的光束图案。因此，偏光板至少能够得到所希望的光束图案。该光束图案不仅可以是一对单峰光束(斑点)，也可以如上述那样，是文字形状、2个以上的相同形状斑点群或者相位、强度分布在空间上不均匀的矢量光束等。
此外，优选基本层15a的折射率为3.0～3.5，差异折射率区域15b的折射率为1.0～3.4。另外，基本层15a的孔内的各差异折射率区域15b的平均直径例如为38nm～76nm。通过该孔的大小变化而向Z轴方向去的衍射强度变化。该衍射效率与由对差异折射率区域15b的形状进行了傅里叶变换时的一次系数表示的光结合系数κ1成比例。关于光结合系数，例如记载于K.Sakaietal.,“Coupled-Wave Theory for Square-Lattice Photonic CrystalLasers With TE Polarization,IEEE J.Q.E.46,788-795(2010)”。
再次参照图1。本实施方式的激光元件1A包括分布布拉格反射(DistributedBragg Reflector：DBR)层18。DBR层18具有折射率彼此不同的两种层交替层叠而成的结构。DBR层18对由相位调制层15A产生的光像中、向相对于Z轴(光出射面2b的法线方向)倾斜的方向输出的所希望的光像(特定光像)具有透过特性。另一方面，DBR层18具有对沿Z轴输出的0次光具有反射特性。本实施方式的DBR层18包含于一对覆盖层11，13中的、设置于由活性层12和相位调制层15A构成的层区域与光反射面2a之间的覆盖层13。具体而言，覆盖层13包括形成于相位调制层15A(或者活性层12)上的部分13a、形成于部分13a上的DBR层18和形成于DBR层18上的部分13b。此外，也可以根据需要，省略部分13a、13b的任一者(使膜厚为0nm)。此外，DBR层18与覆盖层13一同发挥覆盖在活性层12中产生的光的作用。
此处，图18是表示在假设没有DBR层18的情况下，从激光元件1A输出的光束图案(光像)的一例的立体图。另外，图19(a)～图19(c)是表示在假设没有DBR层18的情况下，从激光元件1A输出的光束图案的例的图像。如上述图18和图19(a)～图19(c)所示，在没有DBR层18的情况下，从光出射面2b输出的光像包括：从激光元件1A作为亮点出现在Z轴上的0次光B1；向相对于该Z轴倾斜的第一方向输出的1次光B2；和向关于该Z轴与第一方向对称的第二方向输出且关于该Z轴与1次光B2旋转对称的－1次光B3。典型地，1次光B2被输出到与Z轴正交的显示用平面(与X－Y平面平行的平面)内的第一象限，－1次光B3被输出到显示用平面内的第三象限。0次光B1的出射角的最大角为例如80°～85°的范围内，1次光B2和1次光的出射角的最小角为例如25°～30°的范围内。
本实施方式的DBR层18使上述光之中所希望的光像(即1次光B2和1次光B3)通过并反射0次光B1。图20是示意性地表示激光元件1A的截面结构的图。如该图所示，从相位调制层15A输出的0次光的一部分B1a向光反射面2a行进。另外，0次光B1a在DBR层18被反射以是其行进方向反转，而向光出射面2b行进。另一方面，从相位调制层15A输出的0次光的剩余光B1b直接向光出射面2b去。此时，经由彼此不同的光路的0次光B1a与0次光B1b向互相相同的方向行进，因此0次光B1a与0次光B1b彼此干涉。在本实施方式中，规定DBR层18与相位调制层15A的间隔，使得0次光B1a与0次光B1b互相抵消(图20中的箭头B1c)。此外，在图20的例中，DBR层18与相位调制层15A的间隔实质上相当于覆盖层13中的部分13a的厚度。
图21是表示DBR层18的具体的结构的图。DBR层18是折射率彼此不同的层18a、18b交替层叠而成的周期的多层膜。这些层18a、18b的厚度分别为活性层12的发光波长的1/4。在激光元件1A由GaAs系半导体构成的情况下，层18a、18b由例如Al组成彼此不同的p型AlGaAs(Al组成是0的情况下为p型GaAs)构成。另外，在激光元件1A由氮化物系化合物半导体构成的情况下，层18a、18b由例如Al组成彼此不同的p型AlGaN(Al组成是0的情况下为p型GaN)构成。
DBR层18相对于从层叠方向(即与各层18a、18b的界面垂直的方向)入射的光具有较高的反射率。具体而言，当使与DBR层18和覆盖层13的部分13a的界面对应的规定波长(活性层12的发光波长)的光L1的入射角θ变化时，入射角θ为接近0°的规定范围内时，反射光L2的光强与透过光L3的光强相比显著变大。另外，决定各层18a、18b的折射率，使得0次光B1的出射角包含在所述规定范围并且1次光B2和1次光B3的出射角在所述规定范围之外。
此外，在位于相位调制层15A侧的端部的层18a为低折射率层的情况下，由各层18a、18b的界面反射的光的相位为π(rad)的偶数倍，因此在反射光中并不发生相位的偏移。与之相反，在位于相位调制层15A侧的端部的层18a为高折射率层的情况下，由各层18a、18b的界面反射的光的相位为π(rad)的奇数倍，在反射光中发生π(rad)相位的偏移。考虑这样的情况，规定DBR层18与相位调制层15A的间隔。
参照图22，进一步详细地说明规定DBR层18与相位调制层15A的间隔的方法。图22是表示相位调制层15A和DBR层18附近的结构模型的图。图22中，给出了表示厚度方向位置的Z轴、差异折射率区域15b(例如空孔)、位于差异折射率区域15b上的活性层12和覆盖层11、位于差异折射率区域15b下的覆盖层13的部分13a、DBR层18和电场样式分布Ez。此外，电场样式分布Ez是厚度方向位置z的函数。
向Z轴的正方向行进的第一衍射波P1通过从差异折射率区域(衍射部)15b至活性层12和覆盖层11的部位。另外，向Z轴的负方向行进的第二衍射波P2通过从差异折射率区域15b至部分13a的部位。第二衍射波P2在DBR层18反射后，向Z轴的正方向行进，再次入射到差异折射率区域15b。在这样的模型中，垂直方向的衍射由差异折射率区域15b中的厚度方向的每个位置的面内平面波(图22中作为一例给出面内平面波1～3)的衍射的总和来表现。具体而言，在C.Peng,et al.,“Coupled-wave analysis for photonic-crystal surface-emitting lasers on air holes with arbitrary sidewalls,”Optics.Express 19,24672-24686(2011)中给出的三维耦合波理论中，基本波的垂直方向衍射波的强度ΔEy(z)由以下的式(10)表示。
[式10]
Figure BDA0001986894390000291
此处，k0表示波数，ξ(z)表示厚度方向位置z处的差异折射率区域15b的傅里叶系数，G(z，z’)表示格林函数，Θ(z)表示z方向的电场样式分布，Rx和Sx表示平面方向的电场强度。如此，垂直衍射波的强度为厚度方向位置z处的傅里叶系数与电场样式分布之积的积分的形式，能够根据上述式(10)的垂直衍射波与DBR层18的反射波的总和来计算。
在本实施方式中，基本能够忽略差异折射率区域15b内的厚度方向的反射，因此从差异折射率区域15b向上方去的第一衍射波P1与从差异折射率区域15b向下方去的第二衍射波P2彼此为相同相位。将以与该相位相同相位在垂直方向衍射的面内平面波的厚度方向位置z定义为z0。另外，使DBR层18中的上述的相位偏移为φ。在DBR层18的第一层18a的折射率大于覆盖层13的部分13a的情况下φ＝π(rad)，小于的情况下φ＝0(rad)。另外，使活性层12的发光波长为λ。此时，优选与相位调制层15A的间隔L满足以下的式(11)。其中，nD为差异折射率区域15b的折射率，nL为覆盖层13的部分13a的折射率，h为相位调制层15A的厚度，m为整数。
[式11]
Figure BDA0001986894390000301
(间隔调节)
此外，可以在实际制作激光元件1A时，试验性地调节DBR层18与相位调制层15A的间隔，使得输出的0次光B1的强度变小。另外，由于存在DBR层18，因此有时在覆盖层13产生厚度方向的传播样式。在这样的情况下，可以进一步加长DBR层18与活性层12的间隔。但是，本发明者在对940nm带的激光元件1A进行了结构解析时，发现即使在DBR层18与相位调制层15A邻接的情况下，也不会在覆盖层13产生传播样式。
对采用以上说明的本实施方式的激光元件1A而得到的效果进行说明。在激光元件1A中，相位调制层15A包括基本层15a和与基本层15a的折射率不同的多个差异折射率区域15b，各差异折射率区域15b的重心G1与假想的正方形格子的格子点O隔开间隔地配置，并且从格子点O向重心G去的矢量的方向按各差异折射率区域15b单独地设定。这样的情况下，如前所述，根据从格子点O向重心G1去的矢量的方向，即重心G1绕格子点O的角度位置，光束的相位发生变化。即，仅改变重心G1的位置，从而能够控制从各差异折射率区域15b出射的光束的相位，能够使作为整体形成的光束图案成为所希望的形状。即，该激光元件1A为S－iPM激光器，能够沿与光出射面2b垂直的方向(法线方向)和相对于该法线方向倾斜的方向输出二维的任意形状的光像。
另外，在本实施方式的激光元件1A中，DBR层18设置于活性层12和相位调制层15A与光反射面2a之间。而且，设定了DBR层18与相位调制层15A的间隔，使得由DBR层18反射后向光出射面2b去的0次光B1a与从相位调制层15A直接向光出射面2b去的0次光B1b互相抵消。由此，从相位调制层15A输出的光中所希望的光像(1次光B2和1次光B3)容易到达光出射面2b，而0次光B1因干涉而减弱，难以到达光出射面2b。因此，依照本实施方式的激光元件1A，能够适宜地从激光元件1A的输出中去除0次光B1。
(第一变形例)
图23是表示作为本实施方式的半导体发光元件的一例的、第一变形例的激光元件1B的构成的立体图。激光元件1B是沿X－Y平面形成驻波，向Z轴方向输出经相位控制后的平面波的S－iPM激光器。与上述实施方式同样，激光元件1B沿相对于光出射面2b的法线方向(即Z轴方向)倾斜的方向输出任意形状的光像。
激光元件1B包括：设置于半导体基板10上的活性层12；设置于半导体基板10上且夹着活性层12的一对覆盖层21及23；设置于覆盖层23的中央区域上的接触层14；和设置于活性层12与覆盖层23之间的相位调制层15A。这些层中半导体基板10、活性层12、接触层14和相位调制层15A的构成与上述的图1和图2所示的例相同。此外，如图24所示，相位调制层15A也可以设置于覆盖层21与活性层12之间。
覆盖层23除了不包含DBR层这一点之外，具有与图1和图2所示的例的覆盖层13相同的结构。另外，覆盖层21除了包含DBR层28这一点之外，具有与图1和图2所示的例的覆盖层11相同的结构。DBR层28具有与图1和图2所示的例的DBR层18相同的结构。即，DBR层28由折射率彼此不同的两种层交替层叠而成，对由相位调制层15A产生的光像中向相对于Z轴倾斜的方向输出的特定光像(1次光B2，－1次光B3)具有透过特性，对沿Z轴输出的0次光B1具有反射特性。第一变形例的DBR层28包含一对覆盖层21、23中的、设置于活性层12和相位调制层15A与光出射面2b之间的覆盖层21。具体而言，覆盖层21包括：形成于相位调制层15A(或者活性层12)上的部分21b；形成于部分21b上的DBR层28；和形成于DBR层28上的部分21a。此外，也可以根据需要，省略部分21a、21b的任一者。而且，DBR层28与覆盖层21一同发挥覆盖在活性层12中产生的光的作用。
图25是示意性地表示激光元件1B的截面结构的图。如该图所示，从相位调制层15A输出的0次光的一部分B1a向光反射面2a行进。然后，0次光B1a在光反射面2a被反射而使其行进方向反转，向光出射面2b行进。另一方面，从相位调制层15A输出的0次光的其余部分B1b直接向光出射面2b去。于是，上述的0次光B1a和B1b(即0次光B1)到达DBR层28。此时，DBR层28具有能够反射0次光B1的特性，因此通过DBR层28的0次光B1的光强变小。另一方面，作为特定光像的1次光B2和1次光B3基本都通过DBR层28。此外，在图1和图2所示的例中规定了DBR层18与相位调制层15A的间隔，不过在第一变形例中DBR层28与相位调制层15A的间隔没有特殊限制。
在该第一变形例中，对特定光像(1次光B2和1次光B3)具有透过特性且对0次光B1具有反射特性的DBR层28，设置于活性层12和相位调制层15A与光出射面2b之间。由此，从相位调制层15A输出的光中特定光像(1次光B2和1次光B3)透过DBR层28而容易到达光出射面2b，而0次光B1在DBR层28中被遮挡，难以到达光出射面2b。因此，利用该第一变形例的激光元件1B，能够适宜地从激光元件1B的输出中去除0次光B1。
(第二变形例)
图26是作为本实施方式的半导体发光元件的一例的、第二变形例的激光元件中的相位调制层15B的俯视图。此外，第二变形例的激光元件的结构，除了相位调制层15B之外，与上述的图1、图2、图23和图24所示的例子相同。第二变形例的相位调制层15B除了上述实施方式的相位调制层15A的构成之外，还具有多个差异折射率区域15c。各差异折射率区域15c包含周期结构，由与基本层15a的第一折射率介质的折射率的不同的第二折射率介质构成。各差异折射率区域15c分别与差异折射率区域15b一对一对应地设置。然后，各差异折射率区域15c的重心G2与假想的正方形格子的格子点O(各单位构成区域R的中心)一致。差异折射率区域15c的平面形状为例如圆形。差异折射率区域15c与差异折射率区域15b同样可以为空孔，也可以为在空孔中埋入化合物半导体而构成。例如即使为本第二变形例这样的相位调制层的构成，也能够适宜地起到上述实施方式的效果。
(第三变形例)
图27和图28是表示差异折射率区域15b的X―Y平面内的形状的例的俯视图。在图27(a)所示的例(图案1～5)中，差异折射率区域15b的X―Y平面内的形状具有旋转对称性。即，各个差异折射率区域的X―Y平面内的形状为正圆(图案1)、正方形(图案2)、正六边形(图案3)、正八边形(图案4)或者正十六边形(图案5)。图27(a)的图形与非旋转对称图形相比，即使图案偏离旋转方向，影响也较小，因此能够以高精度进行图形化。
在图27(b)所示的例(图案1～3)中，各个差异折射率区域的X―Y平面内的形状具有镜像对称性(轴对称)。即，各个差异折射率区域的X―Y平面内的形状为长方向(图案1)、椭圆(图案2)、两个圆或者椭圆的一部分重叠的形状(图案3)。假想的正方形格子的格子点O存在于这些差异折射率区域的外部。图27(b)的图形与非旋转对称图形比较，明确可知作为轴对称的基准的线段位置，因此能够以高精度进行图案绘制。
在图27(c)所示的例(图案1～3)中，各个差异折射率区域的X―Y平面内的形状为梯形(图案1)，以沿椭圆的长轴的一端部附近的短轴方向的尺寸小于另一端部附近的短轴方向的尺寸的方式变形的形状(蛋形：图案2)，或者以使沿椭圆的长轴的一端部成为沿长轴方向突出的变尖的端部的方式变形的形状(泪滴形：图案3)。假想的正方形格子的格子点O存在于这些差异折射率区域的外部。即使为图27(c)的图形，通过差异折射率区域的重心位置从假想的正方形格子的格子点O偏离距离r，也能够改变光束的相位。
在图28(a)所示的例(图案1～3)中，各个差异折射率区域的X―Y平面内的形状具有镜像对称性(轴对称)。即，各个差异折射率区域的X―Y平面内的形状为长方形(图案1)、椭圆(图案2)、两个圆或者椭圆的一部分重叠的形状(图案3)。假想的正方形格子的格子点O存在于这些差异折射率区域的内部。图28(a)的图形与非旋转对称图形，明确可知作为轴对称的基准的线段位置，因此能够以高精度进行图形化。另外，由于假想的正方形格子的格子点O与差异折射率区域的重心位置的距离r较小，因此能够减少产生光束图案的噪声。
在图28(b)所示的例(样本1～4)中，各个差异折射率区域的X―Y平面内的形状为直角等边三角形(图案1)，梯形(图案2)，以沿椭圆的长轴的一端部附近的短轴方向的尺寸小于另一端部附近的短轴方向的尺寸的方式变形的形状(蛋形：图案3)，或者以使沿椭圆的长轴的一端部成为沿长轴方向突出的变尖的端部的方式变形的形状(泪滴形：图案4)。假想的正方形格子的格子点O存在于这些差异折射率区域的内部。即使为图28(b)的图形，通过差异折射率区域的重心位置从假想的正方形格子的格子点O偏离距离r，也能够改变光束的相位。另外，由于假想的正方形格子的格子点O与差异折射率区域的重心位置的距离r小，因此能够减少产生光束图案的噪声。
(第四变形例)
图29是表示作为本实施方式的半导体发光元件的第四变形例的、具有多个半导体发光元件的发光装置2A的构成的图。该发光装置2A包括：支承基板6；以一维或者二维的方式排列于支承基板6上的多个激光元件1A；和对多个激光元件1A个别驱动的驱动电路4。作为一例，激光元件1A各自的构成与上述的图1和图2所示的例相同。但是，多个激光元件1A各自包括输出红色波长区域的光像的激光元件、输出蓝色波长区域的光像的激光元件和输出绿色波长区域的光像的激光元件的任意元件。输出红色波长区域的光像的激光元件由例如GaAs系半导体构成。输出蓝色波长区域的光像的激光元件和输出绿色波长区域的光像的激光元件各自由例如氮化物系半导体构成。驱动电路4设置于支承基板6的背面或者内部，能够单独地驱动各激光元件1A。驱动电路4根据来自控制电路7的指示，向各个激光元件1A供给驱动电流。
如该第四变形例，通过从能够被个别驱动的多个激光元件1A仅取出特定的光像，对于预先排列了与多个图案对应的激光元件的模式，通过适当地驱动所需的元件，能够适宜地实现平视显示等。另外，如该第四变形例，多个激光元件1A各自包括输出红色波长区域的光像的激光元件、输出蓝色波长区域的光像的激光元件和输出绿色波长区域的光像的激光元件的任意元件，因此能够适宜地实现彩色平视显示等。
(第一具体例)
图30是表示作为本实施方式(图1和图2所述IDE例)的一例的激光元件的具体的层叠结构的图。该激光元件由GaAs系化合物半导体构成，包括作为半导体基板10的n型GaAs基板、作为覆盖层11的n型AlGaAs层(Al组成40％，厚度2.0μm)、作为活性层12的i型InGaAs/AlGaAs层(厚度225nm)、作为相位调制层15A的i型GaAs层(差异折射率区域15b为空洞，厚度250nm，FF＝15％)、作为覆盖层13的部分13a的p型AlGaAs层(Al组成70％，厚度200nm)、作为DBR层18的p型GaAs/AlGaAs层、作为覆盖层13的部分13b的p型AlGaAs层(Al组成70％，厚度200nm)和作为接触层14的p型GaAs层(厚度100nm)。
作为DBR层18的p型GaAs/AlGaAs层通过层叠11对由作为层18a(参照图21)的GaAs层(折射率3.55)和作为层18b的AlGaAs层(Al组成95％，折射率2.99)构成的对(共计22层)而构成。其结果，p型GaAs/AlGaAs层的厚度为1592nm。另外，使作为活性层12的i型InGaAs/AlGaAs层的发光波长λ为940nm，使相对于该发光波长的TE样式(S波)的层18a、18b的膜厚分别为66.1nm、78.6nm。图31是表示图30的p型GaAs/AlGaAs层中的与入射角的变化相应的反射率的变化的图表。如该图表所示，在入射角接近0°的规定范围D1中反射率较高，基本超过90％。另一方面，在入射角远离0°的规定范围D2中反射率较低，基本低于20％。因此，利用该DBR层18，能够反射0次光B1，并且适宜地透过1次光B2和1次光B3。此时，如在图20的说明中所涉及的，从相位调制层15A输出的0次光的一部分B1a向DBR层18行进。然后，0次光B1a在DBR层18被反射而使其行进方向反转，向光出射面2b去。另一方面，从相位调制层15A出射的0次光的其余部分B1b直接向光出射面2b去。此时，由于经过彼此不同的光路的0次光B1a和0次光B1b向互相相同的方向行进，因此0次光B1a与0次光B1b互相干涉。在本实施方式中，通过如上述式(11)或者上述的“间隔调节”中规定的那样设定相位调制层15A与DBR层18的间隔，0次光B1a与0次光B1b互相抵消，因此能够整体地抑制0次光出射。此时，以入射角0°入射到DBR层18的0次光B1a的反射率为超过90％那么高，因此通过其与0次光B1b的抵消的干涉，能够减弱90％以上的0次光。
图32表示决定作为DBR层18的p型GaAs/AlGaAs层的结构时使用的激光元件的折射率分布G11a和电场样式分布G11b。其中，横轴表示层叠方向位置，范围为5.0μm。在该第一具体例中，为了使计算简单，将活性层12视为具有平均介电常数和共计膜厚的单一的层，将相位调制层15A视为具有平均介电常数的单一的层。
活性层12的平均介电常数NActive和共计膜厚DActive的计算式由以下的式(12)所定。其中，i为层编号(i＝is1，…ie1)，Ni为第i层的折射率，di为第i层的膜厚。
[式12]
Figure BDA0001986894390000361
在制作的该第一具体例的激光元件中，平均介电常数NActive＝3.46，共计膜厚DActive＝225nm。
另外，相位调制层15A的平均介电常数NPM的计算式由以下的式(13)所得。其中，FF为填充因子(filling factor)，NGaAs是基本层15a的折射率，NAir是差异折射率区域15b的折射率。
[式13]
Figure BDA0001986894390000371
在制作的该第一具体例的激光元中，填充因子FF＝15％，NGaAs＝3.55，NAir＝1，平均介电常数NPM＝3.30。
(第二具体例)
图33是表示第一变形例的激光元件的具体的层叠结构的图。该激光元件由GaAs系化合物半导体构成，包括作为半导体基板10的n型GaAs基板、作为覆盖层21的部分21a的n型AlGaAs层(Al组成40％，厚度200nm)、作为DBR层28的n型GaAs/AlGaAs层、作为覆盖层21的部分21b的n型AlGaAs层(Al组成40％，厚度200nm)、作为活性层12的i型InGaAs/AlGaAs层(厚度225nm)、作为相位调制层15A的i型GaAs层(差异折射率区域15b为空洞，厚度250nm，FF＝15％)、作为覆盖层23的p型AlGaAs层(Al组成70％，厚度2.0μm)和作为接触层14的p型GaAs层(厚度100nm)。此外，作为DBR层28的n型GaAs/AlGaAs层的构成与上述的第一实施例相同。
图34是表示图33的n型GaAs/AlGaAs层中的与入射角的变化相应的反射率的变化的图表。如该图表所示，在入射角接近0°的规定范围D3中反射率较高，基本超过90％。另一方面，在入射角远离0°的规定范围D4中反射率较低，基本低于20％。因此，利用该DBR层28，能够反射0次光B1，并且适宜地透过1次光B2和1次光B3。
图35表示在决定作为DBR层28的n型GaAs/AlGaAs层的结构时使用的激光元件的折射率分布G21a和电场样式分布G21b。其中横轴表示层叠方向位置，范围为5.0μm。在该第二具体例中，也为了简化计算，将活性层12视为具有平均介电常数和共计膜厚的单一的层，将相位调制层15A视为具有平均介电常数的单一的层。
本发明的半导体发光元件不限于上述的实施方式，能够有其他各种变形。例如，在图1和图2的例以及第一具体例和第二具体例中例示了由GaAs系、InP系和氮化物系(尤其是GaN系)的化合物半导体构成的激光元件，不过本发明也能够应用于除它们以外的由各种半导体材料构成的激光元件。
附图标记说明
1A、1B…激光元件，2A…发光装置，2a…光反射面，2b…光出射面，4…驱动电路，6…支承基板，7…控制电路，10…半导体基板，11、13、21、23…覆盖层，12…活性层，14…接触层，15A、15B…相位调制层，15a…基本层，15b、15c…差异折射率区域，16、17…电极，17a…开口，18、28…DBR层，19…防反射膜，B1…0次光，B2…1次光，B3…－1次光，Ez…电场样式分布，G1、G2…重心，O…格子点，R…单位构成区域，RIN…内侧区域，ROUT…外侧区域。

Claims (7)

1.一种半导体发光元件，其特征在于：
所述半导体发光元件具有光出射面和与所述光出射面相对配置的光反射面，能够沿所述光出射面的法线方向和相对于所述法线方向具有规定的斜度和扩散角的倾斜方向输出任意形状的光像，
所述半导体发光元件包括：
配置于所述光出射面与所述光反射面之间的活性层；
配置于所述光出射面与所述活性层之间的第一覆盖层；
配置于所述光反射面与所述活性层之间的第二覆盖层；和
配置于所述第一覆盖层与所述活性层之间或者所述第二覆盖层与所述活性层之间的相位调制层，
所述第一覆盖层和第二覆盖层中的任意覆盖层包括分布布拉格反射层，其对沿所述倾斜方向输出的特定光像具有透过特性且对沿所述法线方向输出的0次光具有反射特性，
所述相位调制层包括：基本层；和多个差异折射率区域，其各自具有与所述基本层的折射率不同的折射率，
而且，在由与所述法线方向一致的Z轴和X-Y平面规定的XYZ正交坐标系中，在所述X-Y平面上，设定由各自具有正方形状的M1×N1个的单位构成区域R构成的假想的正方形格子时，其中，M1为1以上的整数，N1为1以上的整数，所述X-Y平面为与包含所述多个差异折射率区域的所述相位调制层的一个面一致的、包含彼此正交的X轴及Y轴的平面，所述相位调制层构成为：
在由X轴方向的坐标成分x和Y轴方向的坐标成分y指定的所述X-Y平面上的单位构成区域R(x，y)中，位于所述单位构成区域R(x，y)内的差异折射率区域的重心G1与作为所述单位构成区域R(x，y)的中心的格子点O(x，y)隔开间隔并且从所述格子点O(x，y)向所述重心G1去的矢量朝向能够将作为整体形成的光束图案控制为所希望的形状的特定方向，其中，x为1以上M1以下的整数，y为1以上N1以下的整数，
所述分布布拉格反射层和所述相位调制层的间隔L满足下式(1)，[式1]
Figure FDA0003189306730000021
其中，z0定义为由所述相位调制层在与所述光出射面垂直的方向衍射的面内平面波的厚度方向位置，φ为所述分布布拉格反射层中的相位偏移，nD为所述多个差异折射率区域的折射率，nL为位于所述分布布拉格反射层和所述相位调制层之间的所述覆盖层的部分的折射率，h为所述相位调制层的厚度，m为整数。
2.如权利要求1所述的半导体发光元件，其特征在于：
所述第二覆盖层包含所述分布布拉格反射层，
设定所述分布布拉格反射层与所述相位调制层的间隔，使得被所述分布布拉格反射层反射后的、向所述光出射面去的所述0次光的成分与从所述相位调制层直接向所述光出射面去的所述0次光的成分互相抵消。
3.如权利要求1所述的半导体发光元件，其特征在于：
当使所述假想的正方形格子的格子常数为
Figure FDA0003189306730000022
时，位于所述单位构成区域R(x，y)内的差异折射率区域的重心G1与所述格子点O(x，y)的距离r满足
Figure FDA0003189306730000024
4.如权利要求2所述的半导体发光元件，其特征在于：
当使所述假想的正方形格子的格子常数为
Figure FDA0003189306730000023
时，位于所述单位构成区域R(x，y)内的差异折射率区域的重心G1与所述格子点O(x，y)的距离r满足
Figure FDA0003189306730000025
5.如权利要求1～4中的任一项所述的半导体发光元件，其特征在于：
所述XYZ正交坐标系中的坐标(x，y，z)相对于由矢径的长度d1、自所述Z轴的斜度角θtilt、自在所述X-Y平面上特定的所述X轴的旋转角θrot规定的球面坐标(d1，θtilt，θrot)，满足由下面的式(2)～式(4)所示的关系，
[式2]
x＝d1 sinθtiltcosθrot…(2)
[式3]
y＝d1 sinθtiltsinθrot…(3)
[式4]
z＝d1 cosθtilt…(4)
当使相当于从所述半导体发光元件输出的所述光像的光束图案为朝向以角度θtilt和θrot规定的方向的亮点的集合时，所述角度θtilt和θrot被换算为由下面的式(5)规定的归一化波数即与所述X轴对应的Kx轴上的坐标值kx和由下面的式(6)规定的归一化波数即与所述Y轴对应且与所述Kx轴正交的Ky轴上的坐标值ky，
[式5]
Figure FDA0003189306730000031
[式6]
Figure FDA0003189306730000032
Figure FDA0003189306730000033
所述假想的正方形格子的格子常数
λ：所述半导体发光元件的振动波长
在由所述Kx轴和所述Ky轴规定的波数空间中，包含所述光束图案的特定的波数范围各自由正方形状的M2×N2个的图像区域FR构成，其中，M2为1以上的整数，N2为1以上的整数，
在所述波数空间中，将由Kx轴方向的坐标成分kx和Ky轴方向的坐标成分ky指定的图像区域FR(kx，ky)各自二维逆傅里叶变换为所述X-Y平面上的所述单位构成区域R(x，y)而得到的复振幅F(x，y)，以j为虚数单位，由下面的式(7)规定，其中，kx为1以上M2以下的整数，ky为1以上N2以下的整数，
[式7]
Figure FDA0003189306730000041
在所述单位构成区域R(x，y)中，当使振幅项为A(x，y)并使相位项为P(x，y)时，所述复振幅F(x，y)由下面的式(8)规定，并且
[式8]
F(x，y)＝A(x，y)×exp[jP(x，y)]…(8)
所述单位构成区域R(x，y)由分别与所述X轴和所述Y轴平行且在所述格子点O(x，y)正交的s轴和t轴规定时，
所述相位调制层构成为：在从所述格子点O(x，y)至所述对应的差异折射率区域的重心G1的线段长度r(x，y)在各所述M1个×N1个的单位构成区域R中被设定为共同的值的状态下，连结所述格子点O(x，y)和所述对应的差异折射率区域的重心G1的线段与所述s轴所成的角度φ(x，y)满足
φ(x，y)＝C×P(x，y)+B
的关系的所述对应的差异折射率区域配置在所述单位构成区域R(x，y)内，
C：比例常数
B：任意常数。
6.一种发光装置，其特征在于，包括：
各自具有与如权利要求1～5中的任一项所述的半导体发光元件相同的结构的多个半导体发光元件；和
对所述多个半导体发光元件个别驱动的驱动电路。
7.如权利要求6所述的发光装置，其特征在于：
所述多个半导体发光元件各自包括输出红色波长区域的所述光像的半导体发光元件、输出蓝色波长区域的所述光像的半导体发光元件和输出绿色波长区域的所述光像的半导体发光元件中的任意发光元件。
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