CN110380336A - 半导体发光元件 - Google Patents
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Abstract
该半导体发光元件包括：活性层；夹着活性层的上部包层和下部包层；和与活性层光学结合的相位调制层，其中相位调制层包括：基本层；和与基本层折射率不同的多个差异折射率区域，多个差异折射率区域配置成，在相位调制层的倒易晶格空间上的明线的外侧的区域形成图案。
Description
技术领域
本发明涉及使用了光子晶体的半导体发光元件。
背景技术
现有技术中，已知有使用了光子晶体的半导体发光元件。
专利文献1中公开的半导体发光元件，其光子晶体内的单位构成区域具备一个第1差异折射率区域和设置于其周围的一个第2差异折射率区域。
专利文献2中公开的半导体发光元件是一种具备活性层、夹着活性层的一对包层和与活性层光学结合的相位调制层的半导体发光元件，其中，相位调制层具备基本层和与基本层折射率不同的多个差异折射率区域，设定以相位调制层的厚度方向为Z轴方向的XYZ直角坐标系，在XY平面内，设定了假想的晶格常数a的四方晶格的情况下，各个差异折射率区域配置成其重心位置从假想的四方晶格的晶格点位置偏离距离r，距离r为0＜r≤0.3a。
专利文献3中公开的半导体发光元件具备活性层和由在活性层上周期性地配置的不同折射率区域构成的衍射光栅(diffraction grating)，并显示了多个衍射光栅。
专利文献4中公开的半导体发光元件具备光子晶体，能够显示各种光束图案，可期待适用于各种工业或显示器。
专利文献1：国际公开WO2014/136962号
专利文献2：国际公开WO2016/148075号
专利文献3：日本特许第3983933号公报
非专利文献1：Yoshitaka Kurosaka et al.，“Phase-modulating lasers towardon-chip integration”，Sci.Rep.6，30138(2016)。
发明内容
在现有的半导体发光元件中，可期待使其输出(光强度)增加。本发明鉴于这样的技术问题，目的在于提供一种能够增加输出的半导体发光元件。
为了解决上述技术问题，第1半导体发光元件的特征在于，包括：活性层；夹着上述活性层的一对包层；以及与上述活性层光学结合的相位调制层，其中上述相位调制层包括：基本层；和与上述基本层折射率不同的多个差异折射率区域，在规定连接最靠近且相邻的上述差异折射率区域的重心位置间的线段，并将由该线段的垂直平分线围成的最小的区域作为各个单位构成区域时，多个上述差异折射率区域配置成，在上述相位调制层中的倒易晶格空间上的单位构成区域的内侧且明线(light line)的外侧的区域中，形成具有扩展的强度不为0的图案。
“明线”是指在半导体发光元件内产生的光输出到空气中时，光发生全反射，由此在半导体发光元件的上方或下方不输出的临界角所对应的倒易晶格空间上的边界线。因此，在“明线”的外侧的区域中，即使形成图案，光也应该不会输出到外部，本发明人的研讨中，一开始认为明线的外侧的图案是完全的“不需要的图案”。但是，本发明人们确认到，通过形成这种“不需要的图案”，半导体发光元件的输出增加。
在第2半导体发光元件中，特征在于：设定以上述相位调制层的厚度方向为Z轴方向的XYZ直角坐标系，在XY平面内设定了晶格常数a的假想的四方晶格的情况下，各个差异折射率区域配置成，其重心位置从上述假想的四方晶格中的晶格点位置偏离距离r，距离r为0＜r≤0.005a。在这种情况下，半导体发光元件的输出能够飞跃地增加。
在第3半导体发光元件中，特征在于：距离r为0.002a≤r。在这种情况下，半导体发光元件的输出能够进一步飞跃地增加。
在第4半导体发光元件中，特征在于：上述图案是将与上述相位调制层中的XY平面平行的光出射面上形成的实空间上的二维电场强度分布作二维傅里叶变换而得到的远视野像，关于对上述远视野像作二维逆傅里叶变换而得到并且是被给定复振幅的电场f(x,y)，在将虚数单位设为j，将振幅项设为A(x,y)，并将相位项设为P(x,y)时，给定为f(x,y)＝A(x,y)×exp[jP(x,y)]，规定连接最靠近而相邻的上述差异折射率区域的重心位置间的线段，由该线段的垂直平分线围成的最小的区域是各个单位构成区域，关于在各个上述单位构成区域内连结上述差异折射率区域的重心位置和晶格点位置的线段与X轴所成的角度φ，在将比例常数设为C，将常数设为B时，给定为φ(x,y)＝C×P(x,y)+B。
在第5半导体发光元件中，特征在于：上述远视野像中，在将实空间上的二维电场强度分布作二维傅里叶变换而得到的波数空间中的坐标(kx,ky)中，由多个图像区域构成、各个图像区域中的光的电磁场的复数振幅为FR(kx,ky)、且给定所述光的电磁场FR(kx,ky)的图像区域，以各自为正方形、且在给定波数空间中的归一化后的波数kx的Kx轴方向上排列M2个(M2为1以上的整数)、在给定归一化后的波数ky的Ky轴方向上排列N2个(N2为1以上的整数)的方式二维配置，给定光的电磁场f(x,y)的上述二维逆傅里叶变换以下式给定：
在第6半导体发光元件中，特征在于：关于表示XYZ直角坐标系的坐标(x,y,z)的球面坐标(r,θtilt,θrot)，使用矢径的长度r、上述矢径从Z轴起的倾角θtilt、以及上述矢径投影在上述XY平面上的线段从上述X轴起的旋转角θrot，满足以下的关系：
x＝r·sinθtilt·cosθrot；
y＝r·sinθtilt·sinθrot；
z＝r·cosθtilt。
如果将从上述半导体发光元件以倾角θtilt和旋转角θrot出射的光束群形成的亮点的集合作为远视野像，则Kx-Ky平面上的上述远视野像中，Kx轴上的归一化后的波数kx和Ky轴上的归一化后的波数ky在将所述半导体发光元件的振荡波长设为λ时满足以下的关系：
kx＝(a/λ)·sinθtilt·cosθrot；
ky＝(a/λ)·sinθtilt·sinθrot。
根据本发明的半导体发光元件，能够使输出增加。
附图说明
图1是表示半导体发光元件的纵截面结构的图。
图2是表示半导体发光元件的另一纵截面结构的图。
图3是表示半导体发光元件的另一纵截面结构的图。
图4是表示半导体发光元件的另一纵截面结构的图。
图5是表示半导体发光元件的构成要素的材料、导电型和厚度的图表。
图6是表示相位调制层的平面结构的一例的图。
图7是用于说明差异折射率区域的自晶格点位置的偏移量的图。
图8是相位调制层的平面图。
图9是用于说明远视野像的图。
图10是说明倒易晶格空间的图案(实施例)的图。
图11是将图10的图案作逆傅里叶变换而得的光学图像的相位分布的图。
图12是表示使用图11的图案实际得到的远视野像的图。
图13是表示峰值输出数据(直角等腰三角形的情况)的图表。
图14是表示峰值输出数据(正圆的情况)的图表。
图15是表示差异折射率区域的自晶格点位置的偏移量与归一化峰值输出的关系的曲线图。
图16是表示差异折射率区域的自晶格点位置的偏移量与归一化峰值输出的关系的曲线图。
具体实施方式
以下，对实施方式的激光元件(半导体发光元件)进行说明。对相同要素使用相同附图标记，省略重复说明。
图1是表示半导体发光元件的纵截面结构的图。
该半导体发光元件是利用高的光强度的点光源的元件，能够应用于使用激光的加工机、测量设备、医疗设备、核融合装置等。半导体发光元件能够单独使用，也能够将多个半导体发光元件配置成矩阵列状使用。
该激光元件LD选择来自活性层4的激光并将其输出到外部。入射到相位调制层6的激光，在相位调制层6内形成与相位调制层的晶格相应的规定的模式，从相位调制层6的表面在垂直方向上作为具有想要的图案的激光束出射到外部。
作为使激光入射到相位调制层6的结构，除了该图所示的结构以外，也能够采用使来自其它激光元件的激光经由光纤或直接入射到相位调制层6的结构。
激光元件LD是在XY面内方向形成驻波、在Z方向输出被控制相位后的平面波的激光光源，包括产生激光的活性层4、夹着活性层4的上部包层7和下部包层2、以及设置于它们之间的夹着活性层4的上部光引导层5和下部光引导层3，在上部包层7与活性层4之间设置有相位调制层6。其中，在图1所示的结构中，第2电极E2设置于接触层8的中央区域。
在该结构中，在半导体基板1上依次层叠有下部包层2、下部光引导层3、活性层4、上部光引导层5、相位调制层6、上部包层7、接触层8，在半导体基板1的下表面设置有第1电极E1，在接触层8的上表面设置有第2电极E2。另外，接触层8的表面的电极形成区域以外的表面，被由SiO2、氮化硅等材料构成的保护膜PF覆盖。
在对第1电极E1与第2电极E2之间供给驱动电流的情况下，在活性层4内发生电子与空穴的复合，活性层4发光。对该发光做贡献的载体和所产生的光，被上部光引导层5和下部光引导层3、以及上部包层7和下部包层2有效地封闭在它们之间。
从活性层4出射的激光，入射到相位调制层6的内部，形成规定的模式。另外，相位调制层6具备：由第1折射率介质构成的基本层6A；和由与第1折射率介质折射率不同的第2折射率介质构成且存在于基本层6A内的多个差异折射率区域6B。多个差异折射率区域6B包括大致周期性结构。入射到相位调制层6内的激光，经由上部包层7、接触层8、上部的第2电极E2，作为激光(用箭头表示)与基板表面垂直地出射到外部。
在设相位调制层6的有效折射率为n的情况下，相位调制层6选择的波长λ0(＝a×n)包含于活性层4的发光波长范围内。相位调制层(衍射光栅层)能够选择活性层的发光波长中的波长λ0输出到外部。
图2是表示半导体发光元件的另一纵截面结构的图。
如该图所示，如果在激光元件LD的基板侧的表面的电极设置开口，则激光(用箭头表示)能够从基板侧出射。设置于半导体基板1的下表面的第1电极E1，是环状的且具有开口，在激光元件内部产生的激光能够经由该开口容易地出射到外部。向激光元件的上部方向行进的激光，在第2电极E2被反射，经由下部的第1电极E1的开口输出到外部。另外，半导体基板1的下表面的电极形成区域以外的表面，被由SiO2、氮化硅等材料构成的保护膜PF2覆盖，但保护膜PF2可以为防反射膜。
防反射膜由氮化硅(SiNx)、二氧化硅(SiO2)等电介质单层膜或电介质多层膜构成。作为电介质多层膜，能够使用将选自例如氧化钛(TiO2)、二氧化硅(SiO2)、一氧化硅(SiO)、氧化铌(Nb2O5)、五氧化二钽(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)等电介质层组中的2种以上的电介质层适当层叠而成的膜。例如，以与波长λ对应的光学膜厚层叠λ/4的厚度的膜。其中，反射膜和防反射膜能够用溅射法形成。
图3是表示半导体发光元件的又一纵截面结构的图。
本例的半导体发光元件是将图1的半导体发光元件变形而得到的结构，在下部包层2与活性层4之间设置有相位调制层6，其它结构与图1所示的相同。在这种情况下，相位调制层6能够配置在被夹在下部包层2与下部光引导层3之间的位置。该结构也发挥与上述同样的作用。即，从活性层4出射的激光，入射到相位调制层6的内部，形成规定的模式。入射到相位调制层6内的激光，经由下部光引导层3、活性层4、上部光引导层5、上部包层7、接触层8、上部的第2电极E2，作为激光(用箭头表示)向与基板表面垂直的方向出射。另外，也能够使激光从与基板表面垂直的方向倾斜地出射。
另外，只要是在上部包层7与下部包层2之间包含相位调制层6和活性层4的结构，基本上即使具有其它层结构也可获得同样的效果。
图4是表示半导体发光元件的又一纵截面结构的图。
本例的半导体发光元件是将图3的半导体发光元件变形而得的结构，如图2所示将电极形状变形，从基板的下表面出射激光。即，在半导体基板1的下表面，在与第2电极E2相对的区域，第1电极E1开口，所以激光从下表面出射到外部。设置于半导体基板1的下表面的第1电极E1，是在中央部具有开口的开口电极，在第1电极E1的开口内和周边与图2的情况同样设置有保护膜PF2，保护膜PF2能够采用防反射膜。
另外，在上述结构中，在基本层6A的多个部位，通过蚀刻周期性地形成空孔，在所形成的空孔内通过有机金属化学气相沉积法、溅射法或外延法埋入差异折射率区域6B，但也可以在基本层6A的孔内埋入差异折射率区域6B之后，进一步在其上沉积与差异折射率区域6B相同材料的异折射率覆盖层。
另外，上述元件中，光引导层等是用于辅助基本动作的，所以可以省略。
图5是表示构成激光元件的各化合物半导体层的材料、导电型、厚度(nm)的关系的图表。
上述各激光元件中的各要素的材料如图5所示，半导体基板1由GaAs构成，下部包层2由AlGaAs构成，下部光引导层3由AlGaAs构成，活性层4由多量子阱结构MQW(势垒层：AlGaAs/阱层：InGaAs)构成，上部光引导层5由下层AlGaAs/上层GaAs构成，相位调制层(折射率调制层)6的基本层6A由GaAs构成，埋入于基本层6A内的差异折射率区域(埋入层)6B由AlGaAs构成，上部包层7由AlGaAs构成，接触层8由GaAs构成。
另外，如图5所示，在各层中添加有第1导电型(N型)杂质或第2导电型(P型)杂质(杂质浓度为1×1017/cm3～1×1021/cm3)，有意图地使不添加任何杂质的区域为本征(I型)。I型的杂质浓度为1×1015/cm3以下。
另外，设定成包层的能量带隙比光引导层的能量带隙大，光引导层的能量带隙比活性层4的阱层的能量带隙大。AlGaAs中，通过改变Al的组成比，能够容易地改变能量带隙和折射率。在AlXGa1-XAs中，如果使相对原子半径较小的Al的组成比X减少(增加)，则与之正相关的能量带隙变小(变大)，如果在GaAs中混入原子半径大的In使之成为InGaAs，则能量带隙变小。即，包层的Al组成比比光引导层的Al组成比大，光引导层的Al组成比为活性层的势垒层(AlGaAs)的Al组成比以上。包层的Al组成比设定为0.2～0.4，本例中为0.3。光引导层和活性层的势垒层的Al组成比设定为0.1～0.15，本例中为0.1。
另外，各层的厚度如图5所示，该图内的数值范围表示适当值，括弧内的数值表示最佳值。从相位调制层作为平面波在Z方向出射的激光的相位，由于也依赖于相位调制层的特性，所以作为相位调制层发挥功能。
图6是表示相位调制层的平面结构的一例的图。
相位调制层6由以下部分构成：由第1折射率介质构成的基本层6A；和由与第1折射率介质折射率不同的第2折射率介质构成的差异折射率区域6B。差异折射率区域6B是化合物半导体，但也可以是封入了氩、氮或空气等的空孔。
在相位调制层6中，在包含X轴和Y轴的XY平面内，多个单位构成区域R11～R34二维地配置，如果将各个单位构成区域的XY坐标给定在各个单位构成区域的重心位置，则该重心位置与假想的四方晶格的晶格点一致。将单位构成区域R11～R34的XY坐标设为(X,Y)。
设置于孔内的多个差异折射率区域6B分别具有与厚度方向(Z轴)垂直的第1面积(XY平面内的面积S1)。单位构成区域R11～R34各自仅具有一个差异折射率区域6B。在差异折射率区域6B为直角等腰三角形的情况下，如果将其斜边以外的一边的长度设为L，则S1＝L2/2。将一个单位构成区域R11～R34内占据的差异折射率区域6B的面积S1的比率设为填充因子(FF)。一个单位构成区域R11～R34的面积是假想的四方晶格的一个单位格子内的面积。
在此，规定单位构成区域R11～R34。设各个单位构成区域R11～R34仅由一个差异折射率区域6B构成。单位构成区域R11～R34内的差异折射率区域6B的(重心G)，位于从离其最近的假想的四方晶格的晶格点(设其＝O)偏移的位置。
设从假想的四方晶格的网格点O朝向重心G的方向与X轴所成角度为φ(x,y)，设旋转角度φ与X轴的正向一致的情况下φ＝0°。单位构成区域R11的重心的坐标为(x1,y1)，单位构成区域Rmn的重心的坐标为(xm,yn)(m、n为自然数)。此时，旋转角度分布φ(x,y)虽然在每个由x(＝x1、x2、x3、x4……)和y(＝y1、y2、y3、y4……)决定的位置具有特定值，但并不一定由特定的函数表达。旋转角度分布φ(x,y)能够与激光的近视野像的强度的复振幅分布中的相位成分对应。对近视野像作傅里叶变换而得的是想要的远视野像。
图6是表示相位调制层的平面结构的一例的图。
将上述四方晶格的晶格间隔设为a，则该晶格结构的倒易晶格矢量是原始平移向量的2π/a倍。在设相位调制层6的有效折射率为n的情况下，相位调制层6选择的波长λ0(＝a×n)包含在活性层4的发光波长范围内。相位调制层(衍射光栅层)能够选择活性层的发光波长中的波长λ0输出到外部。
图7是用于说明差异折射率区域的自晶格点位置的偏移量的图。
该图中表示了差异折射率区域6B的平面形状为直角三角形(实线)的情况和为圆形(虚线)的情况。将XY平面内的一个晶格点的坐标设为O，X轴方向的晶格间距设为a，Y轴方向的晶格间隔也为a。在这种情况下，差异折射率区域6B的重心位置G从最近的晶格点的坐标O向角度φ的方向偏移距离r。换言之，重心G位于以四方晶格的晶格点为中心的半径r的圆周上，且位于旋转了角度φ的位置。
图8是相位调制层的平面图。
如该平面图所示，在正方形的内侧区域RIN的内部，形成了用于出射目标光束图案的大致周期结构(例如图6的结构)。另一方面，在包围内侧区域RIN的外侧区域ROUT，在四方晶格的晶格点位置配置有重心位置一致的差异折射率区域。外侧区域ROUT内的差异折射率区域的形状可以与内侧区域RIN内的差异折射率区域的形状相同。另外，例如，外侧区域ROUT中的填充因子FF设定为20％。另外，内侧区域RIN的内部和外侧区域ROUT中，假想地设定的四方晶格的晶格间隔也都相同(＝a)。
在该结构的情况下，通过光也分布在外侧区域ROUT内，从而具有能够抑制在内侧区域RIN的周边部因光强度急剧变化而产生高频噪声(所谓的窗口函数噪声)。
图9是用于说明远视野像的图。
从激光元件LD输出的激光，形成对近视野像作傅里叶变换而得的图案、远视野像。激光元件LD的从XY平面(光出射面)在Z轴方向输出的激光，在图9(a)中的远视野像的位置具有该图(d)的光点图案(spot pattern)。想要具有该光点图案，只要如该图(c)的印象图所示，在激光元件LD的光出射面上具有对该像的复振幅分布作逆傅里叶变换时得到的相位分布即可。为了得到该相位分布，只要如该图(b)所示，根据坐标设定相位调制层6中的差异折射率区域6B的旋转角度φ(参照图7)即可。
接下来，对相位调制层的倒易晶格空间中的强度图案进行说明。以下中，在倒易晶格空间中设定X轴和Y轴，而这些轴的单位都是波数(2π/a)，能够是结晶学上的布里渊区中的Γ-X方向和Γ-Y方向。
图10是说明倒易晶格空间中的图案(实施例)的图。
比明线LL靠内侧的点划线表示激光的出射角为45°时的波数，虚线表示激光的出射角为20°时的波数。在明线LL的外侧设定“@HPK”的字符串(图案)。倒易晶格空间中的图形(本例中为字符串)，与远视野像中显示的图形对应。该图形(字符串)存在于明线LL的外侧，因此激光的出射角超过全反射临界角，在实际的远视野像中完全不显示。
其中，倒易晶格空间也被称为波数空间。在该倒易晶格空间内的X轴与Y轴的交点(中心位置)，波数为0，对应于与激光元件的光出射面垂直的方向。圆形的明线LL的位置与a/λ对应。a是晶格间隔(晶格常数)，λ是激光在空气中的波长。设计上的不需要的图案全都存在于比明线LL靠外侧的位置。
图11是将图10的图案作逆傅里叶变换而得的光学图像的相位分布的图。
相位为0°的情况表示为黑色，相位为2π的情况表示为白色。如果对使用这样的相位分布、给定振幅分布(例如，整体做成一样)而求得的复振幅分布作傅里叶变换，则能够得到远视野像的复振幅分布，将该复振幅分布的平方成为光的强度分布。
图12是对器件上的整个上半球测量使用图11的图案实际得到的光输出的方向依赖性，在波数空间上绘制而得的图。绘制的顺序与下述文献记载的相同。
(文献)黒坂等，“Effects of non-lasing band intwo-dimensional photonic-crystal lasers clarified using omnidirectional bandstructure”，《OpticsExpress》杂志，20卷，21773页～21783页，2012年。
这是用a＝284nm，λ＝940nm，r＝0.005a(即，1.41nm)时的器件在整个上半球测量光输出的角度依赖性，将其在波数空间上绘制而得图案，虽然在中央观察到0次光的光点，但是其它什么都没观察到。驱动电流是1kHz50μs1A。
图13是表示峰值输出数据(差异折射率区域的形状为直角等腰三角形的情况)的图表。另外，图15是图13记载的数据的汇总，是表示差异折射率区域的自晶格点位置的偏移量与归一化峰值输出的关系的曲线图。
其中，激光元件的结构如图2所示，相位调制层中的四方晶格的晶格间隔a＝284nm，上部的电极尺寸为400μm×400μm，驱动电流为重复频率＝1kHz，脉冲宽度＝50ns，电流值(最大值)＝10A，直角等腰三角形的一边的边长度L＝180nm，一个直角等腰三角形的面积S＝L2/2＝16200nm2。
比较例是使直角等腰三角形的差异折射率区域与四方晶格的晶格点一致地配置的情况(偏移量r＝0)。这是通常的光子晶体激光器，仅输出器件面垂直方向方向(倒易晶格空间中波数(0,0))的光点，不输出字符串等图形(图案)。该情况下的远视野像中，仅观察到0次光的光点，激光的峰值输出为3.3W。以该情况下的输出为1进行归一化。
实施例1是使直角等腰三角形的差异折射率区域从四方晶格的晶格点偏移地配置的情况(偏移量r＝0.002a)，在倒易晶格空间中0次光的光点以外还在明线的外侧包含上述字符串(@HPK)。该情况下的远视野像中，仅观察到0次光的光点，激光的峰值输出为6.7W，归一化峰值输出为2.03。
实施例2是使直角等腰三角形的差异折射率区域从四方晶格的晶格点偏移地配置的情况(偏移量r＝0.005a)，在倒易晶格空间中0次光的光点以外还在明线的外侧包含上述字符串(@HPK)。该情况下的远视野像中，仅观察到0次光的光点，激光的峰值输出为6.5W归一化峰值输出为1.97。
另外，上述表示了差异折射率区域的形状为直角等腰三角形的情况，但也可以是其它形状。即，即使是不具有直角的等腰三角形、或者在大的圆形的附近配置适当的小圆而做成近似等腰三角形的形状、椭圆形或正圆，只要在明线的外侧配置适当的图形，光点光的强度就会增加。作为一例，对差异折射率区域的形状为正圆的情况进行说明。
图14是表示峰值输出数据(差异折射率区域的形状为正圆的情况)的图表。另外，图16是图14记载的数据的汇总，是表示差异折射率区域的自晶格点位置的偏移量与归一化峰值输出的关系的曲线图。
其中，激光元件的结构如图2所示，相位调制层中的四方晶格的晶格间隔a＝284nm，上部的电极尺寸为400μm×400μm，驱动电流为重复频率＝1kHz，脉冲宽度＝50ns，电流值(最大值)＝10A，正圆的半径d＝72nm，一个正圆的面积S＝πd2＝16286nm2。
比较例是使圆形的差异折射率区域从四方晶格的晶格点一致地配置的情况(偏移量r＝0)，仅在倒易晶格空间中设定0次光的光点、不包含字符串等图形(图案)。该情况下的远视野像中，仅观察到0次光的光点，激光的峰值输出为1.8W。以该情况下的输出为1进行归一化。
实施例1是使圆形的差异折射率区域从四方晶格的晶格点偏移地配置的情况(偏移量r＝0.002a)，在倒易晶格空间中0次光的光点以外还在明线的外侧包含上述字符串(@HPK)。该情况下的远视野像中，仅观察到0次光的光点，激光的峰值输出为4.7W，归一化峰值输出为2.61。
实施例2是使圆形的差异折射率区域从四方晶格的晶格点偏移地配置的情况(偏移量r＝0.005a)，在倒易晶格空间中0次光的光点以外还在明线的外侧包含上述字符串(@HPK)。该情况下的远视野像中，仅观察到0次光的光点，激光的峰值输出为3.6W，归一化峰值输出为2.00。
如以上说明的那样，上述半导体发光元件具备：活性层；夹着活性层的一对包层；和与活性层光学结合的相位调制层，其中相位调制层具备：基本层；和与基本层折射率不同的多个差异折射率区域，在规定连接最靠近相邻的差异折射率区域的重心位置间而得的线段，并将由该线段的垂直平分线围成的最小的区域作为各个单位构成区域时，多个差异折射率区域配置成，在相位调制层中的倒易晶格空间上的单位构成区域的内侧且明线的外侧的区域，形成具有扩散的强度不为0的图案，由此不出射成为噪声的光，能够提高光点光的强度。
另外，在上述的半导体发光元件中，设定以相位调制层的厚度方向为Z轴方向的XYZ直角坐标系，在XY平面内设定了晶格常数a的假想的四方晶格的情况下，各个差异折射率区域配置成，其重心位置从假想的四方晶格的晶格点位置偏离距离r，距离r为0＜r≤0.01a(实施例1～实施例3)。在这种情况下，半导体发光元件的输出飞跃地增加。
另外，在距离r为0＜r≤0.005a的情况下(实施例1、2)，半导体发光元件的输出进一步飞跃地增加。
另外，在距离r为0.002a≤r的情况下(实施例1)，与r＝0的情况相比，半导体发光元件的输出进一步飞跃地增加。
如以上说明的那样，为了得到某个光束图案，从将该光束图案作逆傅里叶变换而得到的复振幅中提取相位，根据该相位将各孔配置在角度φ的方向。中心的点状图案，是没有被调制的剩余的光“0次光”。另外，上述光束图案(@HPK的字符)等，是在实际的激光装置中不使用的图案，所以称为“不需要的图案”。
与相位调制层的差异折射率区域的偏移量r相应地，0次光与不需要的图案的光的强度的比率发生变化。在偏移量r大的情况下，不需要的图案的光的输出增大，在偏移量r小的情况下0次光的强度的比率增大。
如以上说明的那样，上述的半导体发光元件(半导体激光元件)具备：活性层；夹着活性层的一对包层；和与活性层光学结合的相位调制层，其中相位调制层具备：基本层；和与上述基本层折射率不同的多个差异折射率区域，设定以相位调制层的厚度方向为Z轴方向的XYZ直角坐标系，在XY平面内设定了晶格常数a的假想的四方晶格的情况下，各个差异折射率区域6B配置成，其重心位置G配置在以假想的四方晶格中的晶格点位置为中心的半径r的圆周上，r优选为0＜r≤0.005a，在假想的四方晶格的第(X,Y)个晶格点，在连结四方晶格的晶格点位置与差异折射率区域的重心位置的线段与X轴方向所成角为φ(X,Y)的情况下，将整个差异折射率区域的分布函数设定为A(X,Y)，设j为虚数单位，I(X,Y)＝A(X,Y)×exp(j×φ(X,Y))时，对I(X,Y)作二维傅里叶变换而得的复振幅分布的强度分布，在将振荡波长设为λ时，在该复振幅分布中以Z轴成为中央的方式配置复振幅分布的情况下，复振幅分布中强度不为0的区域(上述“不需要的图案”)存在于比半径a/λ的圆(明线)靠外侧的位置。
在将XY平面内的坐标设为(x,y)，i(x,y)表示远视野像的像面中观察的光的强度分布时，光的复振幅分布F(x,y)以i(x,y)＝|F(x,y)|2被给定。如果对远视野中的光的复振幅分布F(x,y)作逆傅里叶变换，则能够求得光出射面(出瞳面)的复振幅分布(相位分布)I(x,y)。其中，在从想要的光学图像求取复振幅分布(单位构成区域各自的复振幅)时，通过应用全息图生成的计算时通常使用的Gerchberg-Saxton(GS)法那样的重复算法，光束图案的再现性提高。
在上述的方法中，在存在设计上的远视野像的情况下，使作为差异折射率区域6B的旋转位置的相位φ与对远视野像作逆傅里叶变换(二维逆傅里叶变换)时的复振幅分布(相位分布)一致。在差异折射率区域6B的形状为直角等腰三角形的情况下，沿斜边的电场较强，另外，激光的模式稳定，能够增加光输出，同样，在差异折射率区域6B的形状为圆形的情况下也能够增加光输出。
上述图案是将与上述相位调制层中的XY平面平行的光出射面上形成的实空间上的二维电场强度分布作二维傅里叶变换而得的远视野像，对上述远视野像作二维逆傅里叶变换而得到并且是被给定复振幅的光的电磁场f(x,y)，在将虚数单位设为j，将振幅项设为A(x,y)，并将相位项设为P(x,y)时，
给定为f(x,y)＝A(x,y)×exp[jP(x,y)]，
规定连接最靠近而相邻的上述差异折射率区域的重心位置间的线段，由该线段的垂直平分线围成的最小的区域是各个单位构成区域，
关于在各个所述单位构成区域内，连结上述差异折射率区域的重心位置和晶格点位置的线段与X轴所成的角度φ，在将比例常数设为C，将常数设为B时，
给定为φ(x,y)＝C×P(x,y)+B。
另外，关于该远视野像，在将实空间上的二维电场强度分布作二维傅里叶变换而得到的波数空间的坐标(kx,ky)中，由多个图像区域(为了方便，有时以与光的电磁场FR(kx,ky)相同的标记表示)构成并给定光的电磁场FR(kx,ky)的图像区域以各自为正方形，且在给定波数空间中的归一化后的波数kx的Kx轴方向上排列M2个(M2为1以上的整数)，在给定归一化后的波数ky的Ky轴方向上排列N2个(N2为1以上的整数)的方式二维配置，给定光的电磁场f(x,y)的上述二维逆傅里叶变换以下式给定：
另外，上述直角坐标系能够变换为球面坐标系。即，关于表示XYZ直角坐标系中的坐标(x,y,z)的球面坐标(r,θtilt,θrot)，在使用矢径的长度r、矢径从Z轴起的倾角θtilt、该矢径投影在XY平面上的线段从X轴起的旋转角θrot，满足以下的关系：
x＝r·sinθtilt·cosθrot；
y＝r·sinθtilt·sinθrot；
z＝r·cosθtilt。
另外，如果将从半导体发光元件以倾角θtilt和旋转角θrot出射的光束群形成的亮点的集合作为远视野像，则Kx-Ky平面中的远视野像中，Kx轴上的归一化后的波数kx和Ky轴上的归一化后的波数ky在将上述半导体发光元件的振荡波长设为λ时满足以下的关系：
kx＝(a/λ)·sinθtilt·cosθrot；
ky＝(a/λ)·sinθtilt·sinθrot。
从半导体激光元件投影的远视野像如上所述，是对近视野像作二维傅里叶变换而得的，只要将在远视野像中在明线的外侧也形成有图案的图像作二维逆傅里叶变换，就可得到近视野像，为了得到目标的近视野像，只要使各个单位构成区域内连结差异折射率区域的重心位置和晶格点位置的线段与X轴所成的角度φ满足上述范围即可。
如上所述，在上述实施方式的半导体发光元件中，能够不出射成为噪声的光而提高光点光的强度。
Claims (6)
1.一种半导体发光元件，其特征在于，
包括：
活性层；
夹着所述活性层的一对包层；和
与所述活性层光学结合的相位调制层，
所述相位调制层包括：
基本层；和
与所述基本层折射率不同的多个差异折射率区域，在规定连接最靠近而相邻的所述差异折射率区域的重心位置间的线段，并将由该线段的垂直平分线围成的最小的区域作为各个单位构成区域时，
多个所述差异折射率区域配置成，在所述相位调制层中的倒易晶格空间上的单位构成区域的内侧且明线的外侧的区域，形成具有扩散的强度不为0的图案。
2.如权利要求1所述的半导体发光元件，其特征在于：
设定以所述相位调制层的厚度方向为Z轴方向的XYZ直角坐标系，在XY平面内设定了晶格常数a的假想的四方晶格的情况下，
各个所述差异折射率区域配置成，
其重心位置从所述假想的四方晶格中的晶格点位置偏离距离r，
距离r为0＜r≤0.005a。
3.如权利要求2所述的半导体发光元件，其特征在于：
距离r为0.002a≤r。
4.如权利要求1～3中任一项所述的半导体发光元件，其特征在于：
所述图案是将与所述相位调制层中的XY平面平行的光出射面上形成的实空间上的二维电场强度分布作二维傅里叶变换而得到的远视野像，
关于对所述远视野像作二维逆傅里叶变换而得到并且是被给定复振幅的电磁场f(x,y)，在将虚数单位设为j，将振幅项设为A(x,y)，并将相位项设为P(x,y)时，
给定为f(x,y)＝A(x,y)×exp[jP(x,y)]，
规定连接最靠近而相邻的所述差异折射率区域的重心位置间的线段，由该线段的垂直平分线围成的最小的区域是各个单位构成区域，
关于在各个所述单位构成区域内，连结所述差异折射率区域的重心位置和晶格点位置的线段与X轴所成的角度φ，在将比例常数设为C，将常数设为B时，
给定为φ(x,y)＝C×P(x,y)+B。
5.如权利要求4所述的半导体发光元件，其特征在于：
所述远视野像中，在将实空间上的二维电场强度分布作二维傅里叶变换而得到的波数空间中的坐标(kx,ky)中，由多个图像区域构成、各个图像区域中的光的电磁场的复数振幅为FR(kx,ky)、且给定所述光的电磁场FR(kx,ky)的图像区域，以各自为正方形、且在给定波数空间中的归一化后的波数kx的Kx轴方向上排列M2个、在给定归一化后的波数ky的Ky轴方向上排列N2个的方式二维配置，其中，M2、N2为1以上的整数，
给定光的电磁场f(x,y)的所述二维逆傅里叶变换以下式给定：
6.如权利要求5所述的半导体发光元件，其特征在于：
关于表示XYZ直角坐标系的坐标(x,y,z)的球面坐标(r,θtilt,θrot)，使用矢径的长度r、所述矢径从Z轴起的倾角θtilt、以及所述矢径投影在所述XY平面上的线段从所述X轴起的旋转角θrot，满足以下的关系：
x＝r·sinθtilt·cosθrot；
y＝r·sinθtilt·sinθrot；
z＝r·cosθtilt；
如果将从所述半导体发光元件以倾角θtilt和旋转角θrot出射的光束群形成的亮点的集合作为远视野像，
则Kx-Ky平面上的所述远视野像中，Kx轴上的归一化后的波数kx和Ky轴上的归一化后的波数ky在将所述半导体发光元件的振荡波长设为λ时满足以下的关系：
kx＝(a/λ)·sinθtilt·cosθrot；
ky＝(a/λ)·sinθtilt·sinθrot。
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