CN110383610A - 半导体发光元件及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本实施方式涉及具有能够分别生成所期望的光束投影图案的光的多个发光部的单一的半导体发光元件及其制造方法，该半导体发光元件在共用基板层上形成活性层和相位调制层，至少相位调制层包含沿共用基板层配置的多个相位调制区域，多个相位调制区域通过在相位调制层的制造后在该相位调制层内的多个部位分离而获得，由此获得具备与现有技术相比经过简单的制造工序而正确地定位的多个发光部的半导体发光元件。
Description
技术领域
本发明涉及半导体发光元件及其制造方法。
背景技术
专利文献1中记载的半导体发光元件具有活性层和与活性层光学结合的相位调制层。相位调制层具有基本层和配置在基本层内的多个不同折射率区域。专利文献1中记载的半导体发光元件出射与多个不同折射率区域的配置图案对应的光束图案(光束投影图案)的光。即，多个不同折射率区域的配置图案根据目标光束图案设定。在专利文献1中，对这样的半导体发光元件的应用例也有所记载。上述应用例将分别出射的激光光束的方向不同的多个半导体发光元件在支承基板上呈一维或二维排列。而且，上述应用例以通过将所排列的多个半导体发光元件依次点亮而对对象物扫描激光光束的方式构成。上述应用例应用于通过对对象物扫描激光光束而进行至对象物的距离测定、对象物的激光加工等中。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：国际公开WO2016/148075号
非专利文献
非专利文献1：Y.Kurosaka et al.，“Effects of non-lasing band in two-dimensional photonic-crystal lasers clarified using omnidirectional bandstructure，”Opt.Express 20，21773-21783(2012)
非专利文献2：K.Sakai et al.，“Coupled-Wave Theory for Square-LatticePhotonic Crystal Lasers With TE Polarization，”IEEE J.Q.E.46，788-795(2010)
非专利文献3：Peng，et al.，“Coupled-wave analysis for photonic-crystalsurface-emitting lasers on air holes with arbitrary sidewalls，”Optics ExpressVol.19，No.24，pp.24672-24686(2011).
发明内容
发明所要解决的问题
发明人对现有的半导体发光元件进行了研究，结果发现以下那样的问题。即，在专利文献1中记载的应用例中，必须将多个半导体发光元件高精度地配置在支承基板上。由于这并不是容易的事，所以不容易高精度地实现所期望的光束投影图案的光向所期望的光束投影区域的照射。此外，由于需要进行将多个半导体发光元件配置在支承基板上的工序，所以存在制造工序复杂化的问题。
本发明是鉴于这样的问题而完成的发明，其目的在于提供不需要将多个半导体发光元件配置在支承基板上的工序、容易且高精度地实现目标光束投影图案的光向目标光束投影区域的照射的半导体发光元件及其制造方法。
解决问题的技术手段
本实施方式所涉及的半导体发光元件是具有减轻了相邻的发光部间的串扰的多个发光部的单一的半导体发光元件，其具有第1面和与该第1面相对的第2面，第1面和第2面的一方作为输出光的光出射面发挥作用并且另一方作为辅助面(包含反射面)发挥作用，该半导体发光元件包括活性层、包含多个相位调制区域的相位调制层、第1包覆层、第2包覆层、第1面侧电极、多个第2面侧电极和共用基板层。活性层位于第1面与第2面之间。相位调制层所包含的多个相位调制层与活性层分别光学结合。多个相位调制区域分别以减少相邻的相位调制区域之间的串扰的产生的方式配置，构成分别独立的发光部的一部分。此外，多个相位调制区域分别包含具有第1折射率的基本区域和分别设置在基本区域内并且具有与第1折射率不同的第2折射率的多个不同折射率区域。第1包覆层相对于至少包含活性层和相位调制层的层叠结构体位于配置有第1面的一侧。第2包覆层相对于层叠结构体配置在第2面所位于的一侧。第1面侧电极相对于第1包覆层配置在第1面所位于的一侧。多个第2面侧电极分别对应于多个相位调制区域，相对于第2包覆层配置在第2面所位于的一侧。该多个第2面侧电极分别配置在沿层叠结构体的层叠方向看时与多个相位调制区域重叠的多个区域内。共用基板层配置在第1包覆层与第1面侧电极之间，具有保持多个相位调制区域的连续的面。
特别是多个相位调制区域各自中的多个不同折射率区域按照各自的重心位于与基本区域中的假想的正方晶格的各晶格点分开规定的距离的场所那样的配置图案配置在基本区域中。另外，多个相位调制区域各自中的配置图案(多个不同折射率区域的配置图案)以从配置在辅助面侧的、与该相位调制区域对应的第2面侧电极供给驱动电流时从光出射面输出的光的光束投影图案和作为该光束投影图案的投影范围的光束投影区域与目标光束投影图案和目标光束投影区域一致的方式确定。
本实施方式所涉及的半导体发光元件的制造方法制造具有上述那样的结构的半导体发光元件。具体而言，该制造方法至少包括形成共用基板层的第1工序、在共用基板层上形成元件主体的第2工序和在元件主体内形成分离区域的第3工序。在第2工序中，在共用基板层上形成的元件主体具有第3面和与该第3面相对并且与共用基板层相面对的第4面。此外，元件主体至少包括配置在第3面与第4面之间的活性层、相位调制层、第1包覆层和第2包覆层。在第2工序的结束时刻，相位调制层中的基本区域由以应该成为多个相位调制区域的多个部分(分别包含多个不同折射率区域的部分)彼此分开规定距离的状态配置的单一层构成。在第3工序中，在元件主体内形成的分离区域至少将应该成为多个相位调制区域的多个部分电分离。此外，分离区域从第3面朝向第4面形成，直至到达共用基板层。
发明的效果
根据本发明，能够提供不需要在支承基板上配置多个半导体发光元件的工序、容易且高精度地实现目标光束投影图案的光向目标光束投影区域的照射的半导体发光元件及其制造方法。
附图说明
图1是从第1面侧看第1实施方式的半导体发光元件时的图。
图2是从第2面侧看第1实施方式的半导体发光元件时的图。
图3是沿图1、图2的III-III线的截面图。
图4是用于说明相位调制区域中的不同折射率区域的配置图案(旋转方式)的示意图。
图5是用于作为通过旋转方式决定的配置图案的一个例子，说明不同折射率区域的重心与假想的正方晶格中的晶格点的位置关系的图。
图6是用于说明半导体发光元件输出的光的目标光束投影图案(光像)与相位调制层中的旋转角度分布的关系的图。
图7是表示第1实施方式的半导体发光元件中目标光束投影图案的一个例子和对与之对应的原图案进行傅立叶逆变换而得到的复振幅分布中的相位分布的图。
图8是表示具备第1实施方式的半导体发光元件的发光装置的结构的框图。
图9是从第1面侧看第2实施方式的半导体发光元件时的图。
图10是从第2面侧看第2实施方式的半导体发光元件时的图。
图11是沿图9和图10的X-X线的截面图。
图12是表示第2、第3实施方式的半导体发光元件中目标光束投影图案的一个例子和对与之对应的原图案进行傅立叶逆变换而得到的复振幅分布中的相位分布的图。
图13是表示第2、第3实施方式的半导体发光元件中与目标光束投影图案的图12不同的一个例子和对与之对应的原图案进行傅立叶逆变换而得到的复振幅分布中的相位分布的图。
图14是表示具备第2实施方式的半导体发光元件的发光装置的结构的框图。
图15是从第1面侧看第3实施方式的半导体发光元件时的图。
图16是从第2面侧看第3实施方式的半导体发光元件时的图。
图17是沿图15和图16的XVI-XVI线的截面图。
图18是表示具备第3实施方式的半导体发光元件的发光装置的结构的框图。
图19是从第1面侧看第4实施方式的半导体发光元件时的图。
图20是从第2面侧看第4实施方式的半导体发光元件时的图。
图21是沿图19和图20的XX-XX线的截面图。
图22是表示不同折射率区域的X-Y面内形状中不具有180°的旋转对称性的形状的例子(旋转方式)的图。
图23是表示图4所示的相位调制区域的第1变形例的图。
图24是用于作为通过旋转方式决定的配置图案的另一个例子，说明不仅设置不同折射率区域(位移不同折射率区域)而且设置晶格点不同折射率区域的情况下的、不同折射率区域(位移不同折射率区域)的重心与晶格点不同折射率区域的位置关系的图。
图25是表示不仅设置不同折射率区域(位移不同折射率区域)而且设置晶格点不同折射率区域的情况下的、不同折射率区域(位移不同折射率区域)与晶格点不同折射率区域的组合的例子(旋转方式)的图。
图26是表示不仅设置不同折射率区域(位移不同折射率区域)而且设置晶格点不同折射率区域的情况下的变形例(旋转方式)的图。
图27是表示图4所示的相位调制层的第2变形例的图。
图28是用于说明相位调制层中的不同折射率区域的配置图案(轴上移位方式)的示意图。
图29是用于作为通过轴移位方式决定的配置图案的一个例子，说明不同折射率区域的重心G1与假想的正方晶格的晶格点O的位置关系的图。
图30是作为图28的相位调制层的第1变形例，表示仅在相位调制层的特定区域内应用折射率近周期结构的例子的俯视图。
图31是说明从目标光束投影图案(光像)的傅立叶逆变换结果求取相位角分布，决定不同折射率区域的配置时的关注点的图。
图32是表示从半导体发光元件输出的光束投影图案的例子和半导体发光元件的与发光面交叉并包含与发光面垂直的轴线的截面上的光强度分布(曲线)的图。
图33是与图32(a)所示的光束投影图案对应的相位分布及其部分放大图。
图34是示意地表示各方向的行进波的光束投影图案的例子的图。在该例中，令直线L相对于X轴和Y轴的倾斜角为45°。
图35是作为不同折射率区域的配置图案的决定方法，表示使不同折射率区域在晶格点的周围旋转的旋转方式和行进波AU、AD、AR、AL的图。
图36是作为不同折射率区域的配置图案的决定方法，表示使不同折射率区域在通过晶格点且相对于正方晶格倾斜的轴线上移动的轴上移位方式和行进波AU、AD、AR、AL的图。
图37是表示不同折射率区域的平面形状的一个例子(轴上移位方式)的图。
图38是表示不同折射率区域的平面形状的另一个例子(轴上移位方式)的图。
图39是表示不同折射率区域的平面形状的又一个例子(轴上移位方式)的图。
图40是表示图28的相位调制层的第2变形例的图。
图41是用于说明从球面坐标(d1，θtilt，θrot)到XYZ直角坐标系中的坐标(x，y，z)的坐标变换的图。
具体实施方式
[本申请发明的实施方式的说明]
首先分别对本申请发明的实施方式的内容个别地进行举例说明。
(1)本实施方式的半导体发光元件作为其一个方式为具有减轻了相邻的发光部间的串扰的多个发光部的单一的半导体发光元件，其具有第1面和与该第1面相对的第2面，第1面和第2面的一方作为输出光的光出射面发挥作用并且另一方作为辅助面(包含反射面)发挥作用，该半导体发光元件包括活性层、包含多个相位调制区域的相位调制层、第1包覆层、第2包覆层、第1面侧电极、多个第2面侧电极和共用基板层。活性层位于第1面与第2面之间。相位调制层所包含的多个相位调制层与活性层分别光学结合。多个相位调制区域分别以减少相邻的相位调制区域之间的串扰的产生的方式配置，构成分别独立的发光部的一部分。此外，多个相位调制区域分别包含具有第1折射率的基本区域和分别设置在基本区域内并且具有与第1折射率不同的第2折射率的多个不同折射率区域。第1包覆层相对于至少包含活性层和相位调制层的层叠结构体位于配置有第1面的一侧。第2包覆层相对于层叠结构体配置在第2面所位于的一侧。第1面侧电极相对于第1包覆层配置在第1面所位于的一侧。多个第2面侧电极分别对应于多个相位调制区域，相对于第2包覆层配置在第2面所位于的一侧。该多个第2面侧电极分别配置在沿层叠结构体的层叠方向看时与多个相位调制区域重叠的多个区域内。共用基板层配置在第1包覆层与第1面侧电极之间，具有保持多个相位调制区域的连续的面。
再有，在多个相位调制区域各个中，多个不同折射率区域按照用于使在从多个第2面侧电极中对应的第2面侧电极供给驱动电流时从光出射面输出的光的光束投影图案和作为该光束投影图案的投影范围的光束投影区域与目标光束投影图案和目标光束投影区域分别一致的配置图案，配置在基本区域中的规定位置。
另外，作为第1前提条件，在由与光出射面的法线方向一致的Z轴和与包含多个不同折射率区域的相位调制层的一个面一致的、包含相互正交的X轴和Y轴的X-Y平面规定的XYZ直角坐标系中，在X-Y平面上，设定由分别具有正方形的M1(1以上的整数)×N1(1以上的整数)个单位结构区域R构成的假想的正方晶格。此时，配置图案以如下方式规定：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)特定的X-Y平面上的单位结构区域R(x，y)，使得位于单位结构区域R(x，y)内的不同折射率区域的重心G1与成为单位结构区域R(x，y)的中心的晶格点O(x，y)分开距离r，且从晶格点O(x，y)向重心G1的矢量朝向特定方向。
(2)本实施方式的半导体发光元件的制造方法作为其一个方式、制造具备上述那样的结构的半导体发光元件。具体而言，该制造方法至少包括形成共用基板层的第1工序、在共用基板层上形成元件主体的第2工序和在元件主体内形成分离区域的第3工序。在第2工序中，在共用基板层上形成的元件主体具有第3面和与该第3面相对并且与共用基板层相面对的第4面。此外，元件主体至少包括配置在第3面与第4面之间的活性层、相位调制层、第1包覆层和第2包覆层。在第2工序的结束时刻，相位调制层的基本区域由以应该成为多个相位调制区域的多个部分(分别包含多个不同折射率区域的部分)彼此分开规定距离的状态配置的单一层构成。在第3工序中，在元件主体内形成的分离区域至少将应该成为多个相位调制区域的多个部分电分离。此外，分离区域从第3面朝向第4面形成直至到达共用基板层。
在本实施方式的半导体发光元件中，多个相位调制区域各自中的配置图案(多个不同折射率区域的配置图案)以使得从与该相位调制区域对应的第2面侧电极供给驱动电流时从光出射面(第1面或第2面)输出的光的光束投影图案和作为该光束投影图案的投影范围的光束投影区域与目标光束投影图案和目标光束投影区域一致的方式确定。因此，在多个相位调制区域分别设定的配置图案决定从该半导体发光元件的光出射面输出的光的光束投影区域和光束投影图案。在本实施方式中，1个半导体发光元件包括具有决定光的光束投影区域和光束投影图案的多个相位调制区域的相位调制层。根据该结构，在本实施方式的制造方法中，与在支承基板上配置有分别具有一个相位调制区域(相位调制层)的多个半导体发光元件的结构不同，不需要在支承基板上配置多个半导体发光元件的工序。其结果是，能够容易且高精度地实现目标光束投影图案的光向目标光束投影区域的照射。
(3)作为本实施方式的一个方式，该半导体发光元件也可以进一步包括分离区域，该分离区域将多个相位调制区域分别电分离，并且将从沿着Z轴的方向(以下，称为“Z轴方向”)看时与多个相位调制区域重叠的活性层、第1包覆层和第2包覆层各自中的多个对应区域电分离。此外，作为本实施方式的一个方式，分离区域也可以与多个相位调制区域一起将活性层、相位调制层、第1包覆层和第2包覆层各自的多个对应区域光学分离。这样，相邻的相位调制区域被分离区域电分离，因此能够抑制相邻的相位调制区域间的串扰的产生。此外，通过使得相邻的相位调制区域被分离区域光学上也分离，能够进一步抑制相邻的相位调制区域间的串扰的产生。其结果是，能够进一步高精度地实现所期望的光束投影图案(目标光束投影图案)的光向所期望(目标光束投影区域)的照射。
(4)作为本实施方式的一个方式，分离区域在多个相位调制区域中相邻的相位调制区域之间的区域、从第2面朝向共用基板层面延伸直至到达该共用基板层为止。此外，优选分离区域的前端与第1面侧电极的距离(最短距离)为共用基板层的沿着Z轴方向的厚度的一半以下。典型的是优选该分离区域的前端与第1面侧电极的距离为70μm以下。在这种情况下，能够充分抑制相邻的相位调制区域间的串扰的产生。
(5)作为本实施方式的一个方式，分离区域也可以为由起因于高强度光照射的电场而改质的半导体层。在这种情况下，能够有效地制造相邻的相位调制区域间被电分离，相邻的相位调制区域间的串扰的产生被充分抑制的半导体发光元件。此外，分离区域也可以为通过杂质扩散或离子注入法而绝缘化的半导体层和通过干蚀刻或湿蚀刻形成的空气间隙(狭缝)中的任一种。在这种情况下，相邻的相位调制区域间电和光学上均被分离，能够有效地制造相邻的相位调制区域间的串扰的产生被充分抑制的半导体发光元件。
(6)作为本实施方式的一个方式，也可以以在从第2面侧电极的任一个电极供给驱动电流的情况下均使得光束投影区域相等的方式，确定相位调制区域各自的配置图案。在这种情况下，能够进行专利文献1所示的半导体发光元件的应用例(对对象物扫描激光光束的应用例)以外的各种应用。例如，能够进行向将多个图案在屏幕的相同区域进行切换显示的类型的各种显示装置的应用、向对一处连续或间歇地照射相同图案的光的类型的各种照明的应用、向通过连续地向一处照射相同图案的脉冲光而在对象物穿设目标图案的孔的类型的激光加工的应用等。
(7)作为本实施方式的一个方式，也可以以在从多个第2面侧电极的任一个电极供给驱动电流的情况下均使得光束投影图案相等的方式，确定相位调制区域各自的配置图案。在这种情况下，除了能够进行与专利文献1所示的半导体发光元件的应用例(对对象物扫描激光光束的应用例)相同的应用以外，还能够进行与之不同的各种应用。作为与专利文献1所示的应用例不同的应用，能够进行向对一处连续或间歇地照射相同图案的光的类型的各种照明的应用、向通过连续地向一处照射相同图案的脉冲光而在对象物穿设目标图案的孔的类型的激光加工的应用等，在上述的应用以外，还能够进行向以适当的时机向任意处照射的类型的照明等的应用。
在具有上述那样的结构的半导体发光元件中，与活性层光学结合的相位调制层具有基本层和分别埋入基本层内并且分别具有与该基本层的折射率不同的折射率的多个不同折射率区域。此外，在构成假想的正方晶格的单位结构区域R(x，y)，对应的不同折射率区域的重心G1与晶格点O(x，y)分离地配置。再有，从晶格点O向重心G1的矢量的朝向按每个单位结构区域R个别地设定。在这样的结构中，与从晶格点O向对应的不同折射率区域的重心G1的矢量的朝向、即该不同折射率区域的重心G1的晶格点周围的角度位置相应地，光束的相位发生变化。这样，根据本实施方式，能够仅通过变更不同折射率区域的重心位置，控制分别从不同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投影图案(形成光像的光束组)控制成所期望的形状。此时，假想的正方晶格中的晶格点也可以位于不同折射率区域的外部，此外，该晶格点也可以位于不同折射率区域的内部。
(8)作为本实施方式的一个方式，优选令假想的正方晶格的晶格常数(实质上相当于晶格间隔)为a时，位于单位结构区域R(x，y)内的不同折射率区域的重心G1与晶格点O(x，y)的距离r满足0≤r≤0.3a。此外，作为成为与多个穴位调制区域分别对应地从上述的半导体发光元件出射的光束投影图案的原来的图像(二维傅立叶逆变换前的光像)，例如优选包含光点(spot)、由3点以上构成的光点组、直线、十字架、线条画、晶格图案、条纹图案、图形、照片、计算机图形和字符中的至少1种。
(9)在本实施方式的一个方式中，除了第1前提条件以外，作为第2前提条件，XYZ直角坐标系中的坐标(x，y，z)如图41所示，相对于由矢径的长度d1、自Z轴起的倾斜角θtilt和在X-Y平面上特定的自X轴起的旋转角θrot规定的球面坐标(d1，θtilt，θrot)满足以以下的式(1)～式(3)表示的关系。另外，图41是用于说明从球面坐标(d1，θtilt，θrot)至XYZ直角坐标系中的坐标(x，y，z)的坐标变换的图，通过坐标(x，y，z)显现在作为实空间的XYZ直角坐标系中设定的规定平面(目标光束投影区域)上的设计上的光像。令相当于从半导体发光元件输出的光像的目标光束投影图案为朝向由角度θtilt和θrot规定的方向的亮点的集合时，角度θtilt和θrot换算成由以下的式(4)规定的标准化波数即对应于X轴的Kx轴上的坐标值kx和以以下的式(5)规定的标准化波数即对应于Y轴并且与Kx轴正交的Ky轴上的坐标值ky。标准化波数是指将相当于假想的正方晶格的晶格间隔的波数作为1.0而标准化的波数。此时，在由Kx轴和Ky轴规定的波数空间，含有相当于光像的光束投影图案的特定的波数范围由分别为正方形的M2(1以上的整数)×N2(1以上的整数)个图像区域FR构成。另外，整数M2并不需要与整数M1一致。同样，整数N2也并不需要与整数N1一致。此外，式(4)和式(5)例如在上述非专利文献1中有公开。
[数式1]
x＝d1 sin θtilt cos θrot…(1)
[数式2]
y＝d1 sin θtilt sin θrot…(2)
[数式3]
z＝d1 cos θtilt…(3)
[数式4]
[数式5]
a：上述假想的正方晶格的晶格常数
λ：上述半导体发光元件的振荡波长
作为第3前提条件，在波数空间中，通过将由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)特定的图像区域FR(kx，ky)分别二维傅立叶逆变换成由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)特定的X-Y平面上的单位结构区域R(x，y)而得到的复振幅F(x，y)以j为虚数单位而由以下的式(6)赋予。此外，该复振幅F(x，y)在令振幅项为A(x，y)并且令相位项为P(x，y)时，由以下的式(7)规定。再有，作为第4前提条件，单位结构区域R(x，y)由与X轴和Y轴分别平行且在成为单位结构区域R(x，y)的中心的晶格点O(x，y)正交的s轴和t轴规定。
[数式6]
[数式7]
F(x，y)＝A(x，y)×exp[jP(x，y)]…(7)
在上述第1～第4前提条件下，相位调制层的不同折射率区域的配置图案通过旋转方式或轴上移位方式决定。具体而言，在旋转方式的配置图案的决定中，在单位结构区域R(x，y)内，以使得连结晶格点O(x，y)与对应的不同折射率区域的重心G1的线段和s轴形成的角度φ(x，y)满足
φ(x，y)＝C×P(x，y)+B
C：为比例常数，例如180°/π
B：为任意的常数，例如0
的关系的方式配置该对应的不同折射率区域。
在具有上述那样的结构的半导体发光元件中，优选在相位调制层，构成假想的正方晶格的各单位结构区域的中心(晶格点)与对应的不同折射率区域的重心G1的距离r遍及相位调制层整体为固定值(另外，不排除距离r部分地不同)。由此，在相位调制层整体中的相位分布(被分配给单位结构区域R(x，y)的复振幅F(x，y)中的相位项P(x，y)的分布)相等地分布于0～2π(rad)的情况下，如果平均，则不同折射率区域的重心与正方晶格的单位结构区域R的晶格点一致。因此，上述的相位调制层的二维分布布拉格衍射效应接近在正方晶格的各晶格点上配置不同折射率区域的情况下的二维分布布拉格衍射效应，因此容易形成驻波，能够期待用于振荡的阈值电流降低。
(10)另一方面，在轴上移位方式的配置图案的决定中，上述第1～第4前提条件下，在单位结构区域R(x，y)，在通过晶格点O(x，y)的、从s轴倾斜的直线上配置对应的不同折射率区域的重心G1。此时，以使得晶格点O(x，y)与该对应的不同折射率区域的重心G1的线段长度r(x，y)满足
r(x，y)＝C×(P(x，y)-P0)
C：比例常数
P0：为任意常数，例如0的关系的方式，在单位结构区域R(x，y)内配置该对应的不同折射率区域。另外，在相位调制层的不同折射率区域的配置图案通过轴上移位方式决定的情况下，也能够获得与上述的旋转方式相同的效果。
(11)作为本实施方式的一个方式，优选在多个相位调制区域中的至少1个相位调制区域中，多个不同折射率区域的全部中，在X-Y平面上被规定的形状、在X-Y平面上被规定的面积和在X-Y平面上被规定的距离r中的至少任一者一致。此处，上述的“在X-Y平面上被规定的形状”中还包括构成1个不同折射率区域的多个要素的组合形状(参照图25(h)～图25(k))。由此，能够抑制光束投影区域内的噪声光和成为噪声的0次光的产生。另外，0次光是与Z轴方向平行地输出的光，是指在相位调制层不被相位调制的光。
(12)作为本实施方式的一个方式，优选多个不同折射率区域的X-Y平面上的形状为正圆、正方形、正六边形、正八边形、正十六边形、正三角形、等腰直角三角形、长方形、椭圆、2个圆或椭圆的一部分重叠的形状、卵型形状、泪滴型形状、等腰三角形、箭头型形状、梯形、五边形和2个矩形的一部分重叠的形状中的任一形状。另外，卵型形状如图22(h)和图38(d)所示是通过以使得沿着其长轴的一个端部附近的短轴方向的尺寸小于另一个端部附近的该短轴方向的尺寸的方式将椭圆变形而得到的形状。泪滴型形状如图22(d)和图38(e)所示是通过将沿着其长轴的椭圆的一个端部变形成沿长轴方向突出的尖的端部而得到的形状。箭头型形状如图22(e)和图38(g)所示是矩形的一个边构成三角形的切口部而与该一个边相对的边构成三角形的突起部的形状。
在多个不同折射率区域的X-Y平面上的形状成为正圆、正方形、正六边形、正八边形、正十六边形、长方形和椭圆的任一形状的情况下，即，各不同折射率区域的形状成为镜像对称(线对称)的情况下，在相位调制层，能够高精度地设定从构成假想的正方晶格的多个单位结构区域R各自的晶格点O向对应的各个不同折射率区域的重心G1的方向和与X轴平行的s轴形成的角度φ。此外，在多个不同折射率区域的X-Y平面上的形状为正三角形、等腰直角三角形、等腰三角形、2个圆或椭圆的一部分重叠的形状、卵型形状、泪滴型形状、箭头型形状、梯形、五边形、2个矩形的一部分重叠的形状的任一形状的情况下，即，在不具备180°的旋转对称性的情况下，能够获得更高的光输出。
(12)作为本实施方式的一个方式，多个相位调制区域中的至少1个相位调制区域也可以具有由M1×N1个单位结构区域R构成的内侧区域和以包围该内侧区域的外周的方式设置的外侧区域。另外，外侧区域包括以与通过在假想的正方晶格的外周设定与该假想的正方晶格相同的晶格结构而规定的放大正方晶格中的晶格点分别重叠的方式配置的、多个周边晶格点不同折射率区域。在这种情况下，能够抑制沿X-Y平面的漏光且降低振荡阈值电流。
(14)作为本实施方式的一个方式，多个相位调制区域中的至少1个相位调制区域也可以具备与多个不同折射率区域不同的多个另外的不同折射率区域、即多个晶格点不同折射率区域。多个不同折射率区域分别配置在M1×N1个单位结构区域R，以各自的重心G2与对应的单位结构区域R的晶格点O一致的方式配置。在这种情况下，由不同折射率区域和晶格点不同折射率区域构成的组合形状作为整体不具备180°的旋转对称性。因此能够获得更高的光输出。
以上，该[本申请发明的实施方式的说明]栏中列举的各方式能够分别应用于其余所有方式或该其余方式的所有组合。
[本申请发明的实施方式的详细情况]
以下，参照附图对本实施方式的半导体发光元件及其制造方法的具体的结构进行详细说明。另外，本发明并不限定于这些例示，意图包含由权利要求表示且与权利要求等同的含义和范围内的所有变更。此外，在附图的说明中，对相同的要素标注相同的符号，省略重复的说明。
(第1实施方式)
参照图1～图3，说明第1实施方式的半导体发光元件100的结构。图1是从第1面侧看第1实施方式的半导体发光元件100时的图。图2是从第2面侧看半导体发光元件100时的图，图3是沿图1、图2的III-III线的截面图。
如图1～图3所示，半导体发光元件100具有第1面100a和第2面100b，作为光出射面从第1面100a输出光。另外，在本实施方式中，第2面100b作为辅助面发挥作用。半导体发光元件100包括共用基板层101、活性层103、相位调制层104、第1包覆层102、第2包覆层106、一对第2面侧电极108-1、108-2和第1面侧电极110。相位调制层104具有与活性层103光学结合的一对相位调制区域104-1、104-2。另外，由至少包含活性层103和一对相位调制区域104-1、104-2的相位调制层104构成层叠结构体。在下述的实施方式中层叠结构体的结构也一样。第1包覆层102相对于层叠结构体(至少包含活性层103和相位调制层104)位于第1面100a侧。第2包覆层106相对于层叠结构体(至少包含活性层103将相位调制层104)位于第2面100b侧。第2面侧电极108-1、108-2相对于第2包覆层106配置于配置有第2面100b的一侧、即与相位调制区域104-1、104-2分别对应的位置。第1面侧电极110相对于第1包覆层102位于配置有第1面100a的一侧。
相位调制区域104-1、104-2分别包含具有第1折射率的基本区域104-1a、104-2a和具有与第1折射率不同的第2折射率的多个不同折射率区域104-1b、104-2b。多个不同折射率区域104-1b、104-2b按照各自的重心G1位于与基本区域104-1a、104-2a中的假想的正方晶格的各晶格点分开规定的距离r的场所那样的配置图案，配置在基本区域104-1a、104-2a中。在各个相位调制区域104-1、104-2中，多个不同折射率区域104-1b的配置图案以使得以从与该相位调制区域104-1或104-2对应的第2面侧电极108-1或108-2供给驱动电流时从第1面100a输出的光显现的光束投影图案和作为该光束投影图案的投影范围的光束投影区域与目标光束投影图案和目标光束投影区域一致的方式设定。
从第2面侧电极108-1供给驱动电流时输出的光的光束投影区域与从第2面侧电极108-2供给驱动电流时输出的光的光束投影区域既可以相同也可以不同。此外，从第2面侧电极108-1供给驱动电流时输出的光的光束投影图案与从第2面侧电极108-2供给驱动电流时输出的光束投影图案也既可以相同也可以不同。
另外，本说明书中所谓的“光束投影区域”是指从1个第2面侧电极供给驱动电流时从半导体发光元件的第1面或第2面输出的光的投影范围，“光束投影图案”是指上述投影范围内的光的投影图案(光的强弱的图案)。
在活性层103、相位调制层104、第1包覆层102、第2包覆层106和共用基板层101，设置有从第2面100b朝向共用基板层101延伸直至到达该共用基板层101为止的分离区域112。分离区域112以将在从Z轴方向(层叠方向)看时与相位调制区域104-1、104-2重叠的活性层103、第1包覆层102、第2包覆层106、第1包覆层102和第2包覆层106各自的对应区域间电和光学分离的方式从第2面100b向共用基板层101延伸。共用基板层101中，位于分离区域112的下侧的部分的厚度(分离区域112的第1面侧电极110侧的端面112a与第1面侧电极110之间的最短距离)为共用基板层101的厚度的一半以下，典型的是70μm以下。如图3所示，在分离区域112的位置被划分的半导体发光元件100的各部分能够看做各自独立的发光部(第1发光部，第2发光部)。
如图1和图3所示，第1面侧电极110在与相位调制区域104-1、104-2和第2面侧电极108-1、108-2对应的位置具有开口部110-1、110-2。第1面侧电极110也可以替代具有开口部的电极而为透明电极。
活性层103与相位调制层104的上下关系也可以与图3所示的上下关系相反。此外，在图3中还记载有共用基板层101、上部光导层105b、下部光导层105a、接触层107、绝缘层109、反射防止层111，但半导体发光元件100并不一定需要具备它们。
对于以上说明的各层、各区域的构成材料、形状、尺寸、包含除分离区域的制造工序以外的主要工序的制造方法等，本领域技术人员能够基于专利文献1的记载内容适当选择，以下例示其一部分的例子。即，图3所示的各层的材料以及结构的一例如下所述。共用基板层101由GaAs构成。第1包覆层102由AlGaAs构成。活性层103具有多量子阱结构MQW(势垒层:AlGaAs/阱层:InGaAs)。相位调制层104包括基本区域104-1a、104-2a和埋入基本区域104-1a、104-2a内的多个不同折射率区域104-1b、104-2b。基本区域104-1a、104-2a由GaAs构成。多个不同折射率区域104-1b、104-2b由AlGaAs构成。上部光导层105b和下部光导层105a由AlGaAs构成。第2包覆层106由AlGaAs构成。接触层107由GaAs构成。绝缘层109由SiO2或硅氮化物构成。反射防止层111由氮化硅(SiN)、二氧化硅(SiO2)等电介质单层膜或者电介质多层膜构成。
在本实施方式的制造方法中，在形成共用基板(第1工序)之后，如上述那样在共用基板层101上形成元件主体(至少包含活性层103、相位调制层104、第1包覆层102、第2包覆层106)(第2工序)。对于以上那样形成的元件主体，形成从第2面100b朝向共用基板层101延伸直至到达该共用基板层101为止的分离区域112(第3工序)。分离区域112是因高强度光(电场)而改质的半导体层、通过杂质扩散和离子注入法的任一方式绝缘化的半导体层或通过干蚀刻和湿蚀刻的任一蚀刻形成的狭缝(空隙)。此处，作为通过高强度光(电场)引起的改质的具体方法，例如具有利用纳秒激光器进行的加工和利用超短脉冲激光器进行的加工。多个不同折射率区域104-1b、104-2b也可以是被封入有氩、氮或空气等的空穴。从第2面100b向共用基板层101延伸的分离区域112并不需要贯通共用基板层101。其中，沿着Z轴方向的共用基板层101的厚度中形成有分离区域112的部分的厚度(分离区域112的第1面侧电极110侧的端面112a与第1面侧电极110之间的最短距离)为了减少发光部间的串扰而优选为共用基板层101的厚度的一半以下。典型的是未形成分离区域112的部分的厚度为70μm以下。另外，本实施方式的制造方法还能够应用于下述的第2～第4实施方式的半导体发光元件的制造。
在一个例子中，在共用基板层101与第1包覆层102添加有N型的杂质。在第2包覆层106与接触层107添加有P型的杂质。此外，第1包覆层102与第2包覆层106的能带隙大于上部光导层105b与下部光导层105a的能带隙。设定上部光导层105b与下部光导层105a的能带隙大于活性层103的多量子阱结构MQW的能带隙。
接着，参照图4和图5，说明各相位调制层的多个不同折射率区域的配置图案。图4是用于说明相位调制区域的不同折射率区域的配置图案的示意图，图5是用于说明不同折射率区域的重心G1与假想的正方晶格中的晶格点的位置关系的图。在图4中，不同折射率区域仅图示12个，但实际上设置有大量的不同折射率区域。在一个例子中设置有704×704个不同折射率区域。另外，此处说明的配置图案并不是第1实施方式中特有的配置图案，下述的第2～第4实施方式的配置图案也相同。因此，在图4中，将分别表示相位调制区域、基本区域和多个不同折射率区域的符号普遍化，以n04-m表示相位调制区域，以n04-ma表示基本区域，以n04-mb表示多个不同折射率区域。其中，“n”是用于区别实施方式的号码(第1实施方式为“1”，第2实施方式为“2”，……)，m是用于区别构成1个半导体发光模块的半导体发光元件的号码，“n”和“m”均以1以上的整数表示。
如图4如所示，相位调制层n04-m包括第1折射率的基本区域n04-ma和与第1折射率不同的第2折射率的不同折射率区域n04-mb，在相位调制层n04-m设定在X-Y平面上被规定的假想的正方晶格。另外，图4是用于说明相位调制层的不同折射率区域的配置图案(旋转方式)的示意图。正方晶格的一个边与X轴平行，另一个边与Y轴平行。此时，以正方晶格的晶格点O为中心的正方形的单位结构区域R能够遍及沿着X轴的多个列和沿着Y轴的多个行二维地设定。多个不同折射率区域n04-mb在各单位结构区域R内各设置1个。不同折射率区域n04-mb的平面形状例如为圆形。在各单位结构区域R内，不同折射率区域n04-mb的重心G1离开与之最近的晶格点O地配置。具体而言，X-Y平面是与图3所示的半导体发光元件100-1、100-2各自的厚度方向(Z轴)正交的平面，与包含不同折射率区域n04-mb的相位调制层n04-m的一个面一致。构成正方晶格的单位结构区域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)特定，作为单位结构区域R(x，y)表示。此时，单位结构区域R(x，y)的中心、即晶格点以O(x，y)表示。另外，晶格点O既可以位于不同折射率区域n04-mb的外部，也可以包含在不同折射率区域n04-mb的内部。另外，不同折射率区域n04-mb的面积S在1个单位结构区域R内所占的比率称为填充因数(FF)。当令正方晶格的晶格间隔为a时，不同折射率区域n04-mb的填充因数FF为S/a2。S是X-Y平面的不同折射率区域n04-mb的面积，在不同折射率区域n04-mb的形状例如为正圆的情况下，使用正圆的直径D而作为S＝π(D/2)2来赋予。此外，在不同折射率区域n04-mb的形状为正方形的情况下，使用正方形的一个边的长度LA而作为S＝LA2来赋予。
在图4中，以x1～x4表示的虚线表示单位结构区域R的X轴方向的中心位置，以y1～y3表示的虚线表示单位结构区域R的Y轴方向的中心位置。因此，虚线x1～x4与虚线y1～y3的各交点表示单位结构区域R(1，1)～R(3，4)各自的中心O(1，1)～O(3，4)、即晶格点。该假想的正方晶格的晶格常数为a。另外，晶格常数a根据发光波长调节。
上述不同折射率区域n04-mb的配置图案根据目标光束投影区域和光束投影图案、利用专利文献1中说明的方法确定。即，通过根据对与目标光束投影区域和目标光束投影图案对应的原图案进行傅立叶逆变换而得到的相位决定将各不同折射率区域n04-mb的重心G1从基本区域n04-ma中的假想的正方晶格的各晶格点(虚线x1～x4与虚线y1～y3的交点)偏离的方向，决定上述配置图案。关于从各晶格点偏离的距离r(参照图5)，优选如专利文献1中记载的那样，在令正方晶格的晶格常数为a时为0＜r≤0.3a的范围。从各晶格点O偏离的距离r通常在所有相位调制层、所有不同折射率区域相同，但也可以令一部分相位调制层的距离r为与其它相位调制层的距离r不同的值，也可以令一部分不同折射率区域的距离r为与其它不同折射率区域的距离r不同的值。另外，图5是用于说明通过旋转方式决定的配置图案(旋转方式)的一个例子的图，在图5中表示单位结构区域R(x，y)的结构，从晶格点至不同折射率区域n04-mb的距离r以r(x，y)表示。
如图5所示，构成正方晶格的单位结构区域R(x，y)由在晶格点O(x，y)相互正交的s轴和t轴规定。另外，s轴是与X轴平行的轴，与图4中所示的虚线x1～x4对应。t轴是与Y轴平行的轴，与图4中所示的虚线y1～y3对应。在这样规定单位结构区域R(x，y)的s-t平面，从晶格点O(x，y)向重心G1的方向与s轴形成的角度以φ(x，y)赋予。在旋转角度φ(x，y)为0°的情况下，连结晶格点O(x，y)与重心G1的矢量的方向与s轴的正方向一致。此外，连结晶格点O(x，y)与重心G1的矢量的长度(相当于距离r)以r(x，y)赋予。
如图4所示，在相位调制层n04-m中，不同折射率区域n04-mb的重心G1的晶格点O(x，y)周围的旋转角度φ(x，y)根据目标光束投影图案(光像)按每单位结构区域R独立地设定。旋转角度φ(x，y)在单位结构区域R(x，y)中具有特定的值，但并不一定限于以特定的函数表示。即，旋转角度φ(x，y)从将目标光束投影图案变换到波数空间上、对该波数空间的固定的波数范围进行二维傅立叶逆变换而得到的复振幅的相位项决定。另外，在从目标光束投影图案求取复振幅分布(单位结构区域R各自的复振幅)时，通过运用全息图生成的计算时普遍使用的Gerchberg-Saxton(GS)法(相位恢复算法)那样的迭代算法，提高目标光束投影图案的再现性。
图6是用于说明从半导体发光元件100输出的目标光束投影图案(光像)与相位调制层n04-m中的旋转角度φ(x，y)的分布的关系的图。具体而言，考虑将作为目标光束投影图案的投影范围的目标光束投影区域(以XYZ直角坐标系中的坐标(x，y，z)显现的设计上的光像的设置面)变换到波数空间上而得到的Kx-Ky平面。规定该Kx-Ky平面的Kx轴和Ky轴相互正交，并且分别通过上述式(1)～式(5)与将目标光束投影图案的投影方向从第1面100a的法线方向(Z轴方向)摆动至该第1面100a时的相对于该法线方向的角度对应。在该Kx-Ky平面上，包含目标光束投影图案的特定区域分别由正方形的M2(1以上的整数)×N2(1以上的整数)个图像区域FR构成。此外，在相位调制层n04-m上的X-Y平面上设定的假想的正方晶格由M1(1以上的整数)×N1(1以上的整数)个单位结构区域R构成。另外，整数M2并不需要与整数M1一致。同样，整数N2也并不需要与整数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)特定的、Kx-Ky平面上的图像区域FR(kx，ky)分别二维傅立叶逆变换成由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)特定的单位结构区域R(x，y)的、单位结构区域R(x，y)中的复振幅F(x，y)以j为虚数单位而以以下的式(8)赋予。
[数式8]
此外，在单位结构区域R(x，y)中，令振幅项为A(x，y)和令相位项为P(x，y)时，该复振幅F(x，y)以以下的式(9)规定。
[数式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，令单位结构区域R(x，y)的复振幅F(x，y)的振幅项为A(x，y)的分布相当于X-Y平面上的强度分布。此外，在x＝1～M1、y＝1～N1的范围内，令单位结构区域R(x，y)的复振幅F(x，y)中的相位项为P(x，y)的分布相当于X-Y平面上的相位分布。如后面所述，单位结构区域R(x，y)中的旋转角度φ(x，y)由P(x，y)获得，在坐标成分x＝1～M1和y＝1～N1的范围内，单位结构区域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。
另外，Kx-Ky平面上的光束投影图案的中心Q位于与第1面100a垂直的轴线上，在图6中表示以中心Q为原点的4个象限。在图6中，作为一个例子表示在第1象限和第3象限获得光像的情况，但在第2象限和第4象限或者所有象限也能够获得像。在本实施方式中，如图6所示，获得关于原点点对称的图案。图6作为一个例子表示在第3象限获得字符“A”、在第1象限获得将字符“A”旋转180°的图案的情况。另外，在为旋转对称的光像(例如十字、圆、双重圆等)的情况下，重叠而作为一个光像来观察。
从半导体发光元件100输出的光束投影图案(光像)成为与由光点、由3点以上构成的光点组、直线、十字架、线条画、晶格图案、照片、条纹图案、CG(计算机图形)和字符中的至少1种显现的设计上的光像(原图像)对应的光像。此处，为了获得目标光束投影图案，按以下的顺序决定单位结构区域R(x，y)中的不同折射率区域n04-mb的旋转角度φ(x，y)。
在单位结构区域R(x，y)内，如上所述，以不同折射率区域n04-mb的重心G1与晶格点O(x，y)分开距离r(r(x，y)的值)的状态配置。此时，在单位结构区域R(x，y)内，以使得旋转角度φ(x，y)满足以下的关系的方式配置不同折射率区域n04-mb。
φ(x，y)＝C×P(x，y)+B
C：为比例常数，例如180°/π
B：为任意的常数，例如0
另外，比例常数C和任意的常数B相对于所有单位结构区域R为相同的值。
即，在要获得目标光束投影图案的情况下，只要是将在投影于波数空间上的Kx-Ky平面上形成的图案二维傅立叶逆变换成相位调制层n04-m上的X-Y平面上的单位结构区域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)赋予配置在该单位结构区域R(x，y)内的不同折射率区域n04-mb即可。另外，激光光束的二维傅立叶逆变换后的远场图像能够取单一或多个光点形状、圆环形状、直线形状、字符形状、双重圆环形状或者拉盖尔高斯光束形状等各种形状。另外，因为目标光束投影图案以波数空间上的波数信息表示(Kx-Ky平面上)，所以在该目标光束投影图案是以二维的位置信息表示的位图图像等的情况下，在暂时变换为波数信息之后进行二维傅立叶逆变换即可。
作为从通过二维傅立叶逆变换得到的、X-Y平面上的复振幅分布获得强度分布和相位分布的方法，例如关于强度分布(X-Y平面上的振幅项A(x，y)的分布)，能够通过使用MathWorks公司的数值解析软件“MATLAB”的abs函数进行计算，关于相位分布(X-Y平面上的相位项P(x，y)的分布)，能够通过使用MATLAB的angle函数进行计算。
如上所述，如果能够确定不同折射率区域n04-mb的配置图案，则能够从半导体发光元件100的第1面100a向光束投影区域输出目标光束投影区域和目标光束投影图案的光。目标光束投影图案能够由设计者任意地确定，能够为光点、由3点以上构成的光点组、直线、线条画、十字架、图形、照片、CG(计算机图形)、字符等。在各相位调制层的X-Y平面内，所有不同折射率区域n04-mb具有相同的图形、相同的面积和/或相同的距离r。此外，多个不同折射率区域n04-b也可以通过并进操作或并进操作与旋转操作的组合，以能够重叠的方式形成。在这种情况下，能够抑制光束投影区域内的噪声光和成为噪声的0次光的产生。此处0次光是向Z轴方向平行地输出的光，是指在相位调制层n04-m中不被相位调制的光。
此处，在图7表示目标光束投影图案和对与之对应的原图案进行傅立叶逆变换而得到的复振幅分布中的相位分布的一个例子。图7(a)表示从第2面侧电极108-1供给驱动电流时得到的目标光束投影图案的一个例子，图7(b)表示从第2面侧电极108-2供给驱动电流时得到的目标光束投影图案的一个例子。图7(c)和图7(d)分别表示对与图7(a)和图7(b)的各光束投影图案对应的原图案进行傅立叶逆变换而得到的复振幅分布中的相位分布。图7(c)和图7(d)均由704×704要素构成，通过颜色的浓淡表示0～2π的角度的分布。颜色为黑色的部分表示角度0。
接着，参照图8，对具备半导体发光元件100的发光装置进行说明。图8是表示具备半导体发光元件100的发光装置的结构的框图。如图8所示，发光装置140包括半导体发光元件100、电源电路141、控制信号输入电路142和驱动电路143。电源电路141向驱动电路143和半导体发光元件100供给电源。控制信号输入电路142将从发光装置140的外部供给的控制信号传递到驱动电路143。驱动电路143向半导体发光元件100供给驱动电流。驱动电路143与半导体发光元件100通过供给驱动电流的2个驱动线144-1、144-2和1个共用电位线145连接。驱动线144-1、144-2与第2面侧电极108-1、108-2分别连接。共用电位线145与第1面侧电极110分别连接。另外，在图8中，在驱动电路143之上表示的半导体发光元件100和在驱动电路143之下表示的半导体发光元件100分别表示1个半导体发光元件100的第1面和第2面。
根据用途，驱动线144-1、144-2既可以择一驱动，也可以同时驱动。此外，驱动电路143既可以与半导体发光元件100分体构成，也可以在半导体发光元件100的共用基板层101上一体地形成。
具备如以上那样构成的半导体发光元件100的发光装置140如以下那样动作。即，从驱动电路143向驱动线144-1、144-2的任一个线与共用电位线145之间供给驱动电流。在对应于与被供给驱动电流的驱动线连接的第2面侧电极的发光部，在活性层103发生电子与空穴的再结合，其发光部的活性层103发光。因该发光而得到的光被第1包覆层102和第2包覆层106有效地封入。从活性层103出射的光入射到对应的相位调制层的内部，因相位调制区域的二维的反馈引起的封入效应而形成规定的模式。通过在活性层注入足够的电子和空穴，入射到相位调制层的光以规定的模式振荡。形成规定的振荡模式的光受到与不同折射率区域的配置图案相应的相位调制，受到相位调制后的光作为显现与配置图案相应的光束投影图案的光从第1面侧电极侧向外部(光束投影区域)出射。
在本实施方式中，半导体发光元件100是具备相位调制层104的单一的元件，该相位调制层具有一对相位调制区域104-1、104-2。因此，与在支承基板上配置有分别具备一个相位调制区域(相位调制层)的多个半导体发光元件的结构不同，不需要在支承基板上配置多个半导体发光元件的过程。因此，根据本实施方式，能够容易且高精度地实现目标光束投影图案的光向目标光束投影区域的照射。
此外，在本实施方式中，在活性层103、相位调制层104、第1包覆层102、第2包覆层106和共用基板层101，设置有将从Z轴方向看时与相位调制区域104-1、104-2重叠的对应区域间电和光学分离的分离区域112。因为相邻的相位调制区域104-1、104-2被分离区域112电和光学分离，所以能够抑制相邻的相位调制区域104-1、104-2间的串扰的产生。其结果是，能够更高精度地实现所期望的光束投影图案的光向所期望的光束投影区域的照射。
在本实施方式中，也可以以使得光束投影区域在从第2面侧电极108-1、108-2的任一电极供给驱动电流的情况下均相等的方式设定相位调制区域104-1、104-2各自的配置图案(其中，光束投影图案为任意)。在这样的结构中，能够进行专利文献1中记载的半导体发光元件的应用例(对对象物扫描激光光束的应用例)以外的各种应用。例如，根据本实施方式，能够进行(甲)向将2个图案在屏幕的相同区域进行切换显示的类型的各种显示装置的应用、(乙)向对一处连续或间歇地照射相同图案的光的类型的各种照明的应用、(丙)向通过连续地向一处照射相同图案的脉冲光而在对象物穿设目标图案的孔的类型的激光加工的应用。
作为第1实施方式的应用(甲)的例子，具有将图7(a)所示那样的×的图案和图7(b)所示那样的○的图案按用户的指示或适当的时机在屏幕的相同位置切换显示那样的应用。
作为第1实施方式的应用(乙)的例子，以获得相同光束投影区域、相同光束投影图案的方式设定第1相位调制区域104-1的配置图案和第2相位调制区域104-2的配置图案双方。另外，光束投影图案例如为在光束投影区域的整体或者一部分具有均匀的明亮度的光束投影图案。存在如下应用：在需要明亮的照明的情况下从第2面侧电极108-1、108-2双方供给驱动电流，在昏暗的照明足矣的情况下仅从第2面侧电极108-1、108-2的任一个电极供给驱动电流。
作为第1实施方式的应用(丙)的例子，具有以下应用：以获得相同光束投影区域相同光束投影图案的方式设定第1相位调制区域104-1的配置图案和第2相位调制区域104-2的配置图案双方。另外，光束投影区域与要穿设被加工物的孔的位置对位，光束投影图案设为要穿设的孔的形状的图案。具有以下应用：从第2面侧电极108-1、108-2双方交替地供给脉冲电流。在这种情况下，能够使各个发光部的脉冲间隔长。因此，能够从各个发光部获得更高的峰输出，能够获得更大输出。
此外，在本实施方式中，也可以以使得光束投影图案在从第2面侧电极108-1、108-2的任一电极供给驱动电流的情况下均相等的方式确定相位调制区域104-1、104-2的配置图案(但是，光束投影区域为任意)。在这样的结构的情况下，也能够进行专利文献1所示的半导体发光元件的应用例(对对象物扫描激光光束的应用例)以外的各种应用。例如，除上述的应用(甲)～应用(丙)以外，还能够进行在按适当的时机向2处进行照射的类型的照明等的应用。
(第2实施方式)
第2实施方式是令第1实施方式中为2个(一对)的相位调制区域和第2面侧电极的组为3个以上、将它们1维配置的实施方式。换言之，该第2实施方式是使第1实施方式中为2个的发光部增加至3个以上，并进一步将发光部呈一维配置的实施方式，除这样变更以外与第1实施方式相同。
参照图9～图11，说明第2实施方式的半导体发光元件200的结构。图9是从第1面侧看第2实施方式的半导体发光元件200时的图。图10是从第2面侧看半导体发光元件200时的图。图11是沿图9和图10的X-X线的截面图。在图9～图11中例示在直线上排列5个发光部(第1发光部～第5发光部)的例子，但发光部的个数也可以为5个以外，此外，一维的配置也可以在曲线上。
如图9～图11所示，半导体发光元件200具有第1面200a和第2面200b，作为光出射面从第1面200a输出光。另外，在本实施方式中，第2面200b作为辅助面发挥作用。半导体发光元件200包括共用基板层201、活性层203、相位调制层204、第1包覆层202、第2包覆层206、多个第2面侧电极208-1～208-5和第1面侧电极210。相位调制层204具有与活性层203光学结合的多个相位调制区域204-1～204-5。另外，由至少包含活性层203和多个相位调制区域204-1～204-5的相位调制层204构成层叠结构体。第1包覆层202相对于层叠结构体(至少包含活性层203和相位调制层204)位于配置有第1面200a的一侧。第2包覆层206相对于层叠结构体(至少包含活性层203和相位调制层204)位于配置有第2面200b的一侧。第2面侧电极208-1～208-5相对于第2包覆层206配置在配置有第2面200b的一侧、即与相位调制区域204-1～204-5分别对应的位置。第1面侧电极210相对于第1包覆层202位于配置有第1面200a的一侧。
相位调制区域204-1～204-5分别包含具有第1折射率的基本区域204-1a～204-5a和具有与第1折射率不同的第2折射率的多个不同折射率区域204-1b～204-5b。多个不同折射率区域204-1b～204-5b按照各自的重心G1位于与基本区域204-1a～204-5a中的假想的正方晶格的各晶格点分开规定的距离r的场所那样的配置图案，配置在基本区域204-1a～204-5a中。相位调制区域204-1～204-5各自的不同折射率区域204-1b～204-5b的配置图案以使得以从与该相位调制区域204-1～204-5对应的第2面侧电极208-1～208-5供给驱动电流时从第1面200a输出的光显现的光束投影图案和作为该光束投影图案的投影范围的光束投影区域与目标光束投影图案和目标光束投影区域一致的方式设定。
从第2面侧电极208-1～208-5供给驱动电流时输出的光的光束投影区域既可以全部相同，也可以至少一部分与其它部分不同。此外，从第2面侧电极208-1～208-5供给驱动电流时输出的光的光束投影图案也既可以全部相同，也可以至少一部分与其它部分不同。
在活性层203、相位调制层204、第1包覆层202、第2包覆层206和共用基板层201，设置有从第2面200b朝向共用基板层201延伸直至到达该共用基板层201为止的分离区域212。分离区域212以将在从Z轴方向(层叠方向)看时与相位调制区域204-1～204-5重叠的活性层203、第1包覆层202、第2包覆层206、第1包覆层202和第2包覆层206各自的对应区域间电和光学分离的方式从第2面200b向共用基板层201延伸。共用基板层201中，位于分离区域212的下侧的部分的厚度(分离区域212的第1面侧电极210侧的端面212a与第1面侧电极210之间的最短距离)为共用基板层201的厚度的一半以下，典型的是70μm以下。如图3所示，在分离区域212的位置被划分的半导体发光元件100的各部分能够看做各自独立的发光部(第1发光部～第5发光部)。此外，分离区域212的制造工序与第1实施方式相同。
如图9和图11所示，第1面侧电极210在与相位调制区域204-1～204-5和第2面侧电极208-1～208-5对应的位置具有开口部210-1～210-5。第1面侧电极210也可以替代具有开口部的电极而为透明电极。
活性层203与相位调制层204的上下关系也可以与图11所示的上下关系相反。此外，在图11中，还记载有共用基板层201、上部光导层205b、下部光导层205a、接触层207、绝缘层209、反射防止层211，但半导体发光元件200并不一定需要具备它们。
对于以上说明的各层、各区域的构成材料、形状、尺寸、包含除分离区域的制造工序以外的主要工序的制造方法等，与第1实施方式一样，本领域技术人员能够基于专利文献1的记载内容适当选择，以下例示其一部分的例子。即，图11所示的各层的材料以及结构的一例如下所述。共用基板层201由GaAs构成。第1包覆层202由AlGaAs构成。活性层203具有多量子阱结构MQW(势垒层:AlGaAs/阱层:InGaAs)。相位调制层204包括基本区域204-1a～204-5a和埋入该基本区域204-1a～204-5a内的多个不同折射率区域204-1b～204-5b。基本区域204-1a～204-5a由GaAs构成。多个不同折射率区域204-1b～204-5b由AlGaAs构成。上部光导层205b和下部光导层205a由AlGaAs构成。第2包覆层206由AlGaAs构成。接触层207由GaAs构成。绝缘层209由SiO2或硅氮化物构成。反射防止层211氮化硅(SiN)、二氧化硅(SiO2)等电介质单层膜或者电介质多层膜构成。分离区域212是因高强度光(电场)而改质的半导体层、通过杂质扩散和离子注入法的任一方式绝缘化的半导体层或通过干蚀刻和湿蚀刻的任一蚀刻形成的狭缝(空隙)。此处，作为通过高强度光(电场)引起的改质的具体方法，例如具有利用纳秒激光器进行的加工和利用超短脉冲激光器进行的加工。多个不同折射率区域204-1b～204-5b也可以是被封入有氩、氮或空气等的空穴。
在一个例子中，在共用基板层201与第1包覆层202添加有N型的杂质。在第2包覆层206与接触层207添加有P型的杂质。此外，第1包覆层202与第2包覆层206的能带隙大于上部光导层205b与下部光导层205a的能带隙。设定上部光导层205b与下部光导层205a的能带隙大于活性层203的多量子阱结构MQW的能带隙。
此处，在图12和图13表示本实施方式和下述的第3实施方式中目标光束投影图案和对与之对应的原图案进行傅立叶逆变换而得到的复振幅分布中的相位分布的一个例子。图12(a)～图12(c)分别表示从第1发光部、第3发光部、第5发光部的第2面侧电极供给驱动电流时得到的目标光束投影图案的一个例子。图12(d)～图12(f)分别表示对与图12(a)～图12(c)的各光束投影图案对应的原图案进行傅立叶逆变换而得到的复振幅分布中的相位分布。图13(a)～图13(c)分别表示从第1发光部、第3发光部、第5发光部的第2面侧电极供给驱动电流时得到的目标光束投影图案的另一个例子。图13(d)～图13(f)分别表示对与图13(a)～图13(c)的各光束投影图案对应的原图案进行傅立叶逆变换而得到的复振幅分布中的相位分布。图12(d)～图12(f)和图13(d)～图13(f)均由704×704要素构成，通过颜色的浓淡表示0～2π的角度的分布。颜色为黑色的部分表示角度0。
接着，参照图14，对具备半导体发光元件200的发光装置进行说明。图14是表示具备半导体发光元件200的发光装置的结构的框图。如图14所示，发光装置240包括半导体发光元件200、电源电路241、控制信号输入电路242和驱动电路243。电源电路241向驱动电路243和半导体发光元件200供给电源。控制信号输入电路242将从发光装置240的外部供给的控制信号传递到驱动电路243。驱动电路243向半导体发光元件200供给驱动电流。驱动电路243与半导体发光元件200通过供给驱动电流的多个驱动线244-1～244-5和1个共用电位线245连接。驱动线244-1～244-5与第2面侧电极208-1～208-5分别连接。共用电位线245与第1面侧电极210分别连接。另外，在图14中，在驱动电路243之上表示的半导体发光元件200和在驱动电路243之下表示的半导体发光元件200分别表示1个半导体发光元件200的第1面和第2面。
根据用途，驱动线244-1～244-5既可以择一驱动，也可以同时驱动至少2个线。此外，驱动电路243既可以与半导体发光元件200分体构成，也可以在半导体发光元件200的共用基板层201上一体地形成。
具备如以上那样构成的半导体发光元件200的发光装置240如以下那样动作。即，从驱动电路243向驱动线244-1～244-5的任一个线与共用电位线245之间供给驱动电流。在对应于与被供给驱动电流的驱动线连接的第2面侧电极的发光部，在活性层203发生电子与空穴的复合，其发光部的活性层203发光。因该发光而得到的光被第1包覆层202和第2包覆层206有效地封入。从活性层203出射的光入射到对应的相位调制层的内部，因相位调制区域的2维的反馈引起的封入效应而形成规定的模式。通过在活性层注入足够的电子和空穴，入射到相位调制层的光以规定的模式振荡。形成规定的振荡模式的光受到与不同折射率区域的配置图案相应的相位调制，受到相位调制后的光作为显现与配置图案相应的光束投影图案的光从第1面侧电极侧向外部(光束投影区域)出射。
在本实施方式中，半导体发光元件200也是具备相位调制层204的单一的元件，该相位调制层具有多个相位调制区域204-1～204-5。因此，与在支承基板上配置有分别具备一个相位调制区域(相位调制层)的多个半导体发光元件的结构不同，不需要在支承基板上配置多个半导体发光元件的过程。因此，能够容易且高精度地实现目标光束投影图案的光向目标光束投影区域的照射。
此外，在本实施方式中，也在活性层203、相位调制层204、第1包覆层202、第2包覆层206和共用基板层201，设置有从第2面200b朝向共用基板层201延伸直至到达该共用基板层201为止的分离区域212。因为相邻的相位调制区域204-1～204-5被分离区域212电和光学分离，所以能够抑制相邻的相位调制区域204-1～204-5间的串扰的产生。其结果是，能够更高精度地实现所期望的光束投影图案的光向所期望的光束投影区域的照射。
此外，在本实施方式中，也可以以使得光束投影区域在从第2面侧电极208-1～208-5的任一电极供给驱动电流的情况下均相等的方式设定相位调制区域204-1～204-5各自的配置图案(但是，光束投影图案为任意)。在这样的结构中，能够进行专利文献1中记载的半导体发光元件的应用例(对对象物扫描激光光束的应用例)以外的各种应用。例如，根据本实施方式，能够进行(甲)向将3个以上的多个图案在屏幕的相同区域进行切换显示的类型的各种显示装置的应用、(乙)向对一处连续或间歇地照射相同图案的光的类型的各种照明的应用、(丙)向通过连续地向一处照射相同图案的脉冲光而在对象物穿设目标图案的孔的类型的激光加工的应用。
作为第2实施方式的应用(甲)的例子，具有不仅将图7(a)所示那样的×的图案和图7(b)所示那样的○的图案、而且将这以外的△、□等图案按用户的指示或适当的时机在屏幕的相同位置切换显示那样的应用、通过连续地切换显示图12和图13所示那样的稍有不同的图案而在1个区域显示活动影像那样的应用等。
作为第2实施方式的应用(乙)的例子，具有将作为第1实施方式中的应用(乙)说明的照明变更成能够多级切换那样的应用。
作为第3实施方式置的应用(丙)的例子，具有将作为第1实施方式中的应用(丙)说明的激光加工变更成将多个第2面侧电极依次脉冲驱动那样的应用。在这种情况下，能够使各个发光部的脉冲间隔长，因此能够从各个发光部获得更高的峰输出，能够获得更大输出。
此外，在本实施方式中，也可以以使得光束投影图案在从第2面侧电极208-1～208-5的任一电极供给驱动电流的情况下均相等的方式确定相位调制区域204-1～204-5的配置图案(但是，光束投影区域为任意)。在这样的结构的情况下，除了能够进行与专利文献1所示的半导体发光元件的应用例(对对象物扫描激光光束的应用例)相同的应用以外，还能够进行与这些应用不同的各种应用。作为与专利文献1所示的应用例不同的应用，除了上述的应用(甲)～应用(丙)以外，还能够进行在按所期望的时机向任意之处进行照射的类型的照明的应用等。
(第3实施方式)
第3实施方式是将第2实施方式中的相位调制区域和第2面侧电极的一维配置变更成二维配置的实施方式。换言之，该第2实施方式是使第1实施方式那样的多个发光部的一维配置变更成二维配置的实施方式，除这样变更以外与第1实施方式相同。
参照图15～图17，说明第3实施方式的半导体发光元件300的结构。图15是从第1面侧看第3实施方式的半导体发光元件300时的图，图16是从第2面侧看半导体发光元件300时的图，图17是沿图15和图16的XVI-XVI线的截面图。在图15～图17例示呈3行5列排列15个发光部(第1发光部～第15发光部)的例子，但发光部的个数也可以为15以外，此外，二维的配置为任意即可。
如图15～图17所示，半导体发光元件300具有第1面300a和第2面300b，作为光出射面从第1面300a输出光。另外，在本实施方式中，第2面300b作为辅助面发挥作用。半导体发光元件300包括共用基板层301、活性层303、相位调制层304、第1包覆层302、第2包覆层306、多个第2面侧电极308-1～308-15和第1面侧电极310。相位调制层304具有与活性层303光学结合的多个相位调制区域304-1～304-15。另外，由至少包含活性层303和多个相位调制区域304-1～304-15的相位调制层304构成层叠结构体。第1包覆层302相对于层叠结构体(至少包含活性层303和相位调制层304)位于配置有第1面300a的一侧。第2包覆层306相对于层叠结构体(至少包含活性层303和相位调制层304)位于配置有第2面300b的一侧。第2面侧电极308-1～308-15相对于第2包覆层306配置在配置有第2面300b的一侧、即与相位调制区域304-1～304-15分别对应的位置。第1面侧电极310相对于第1包覆层302位于配置有第1面300a的一侧。
相位调制区域304-1～304-15分别包含具有第1折射率的基本区域304-1a～304-15a和具有与第1折射率不同的第2折射率的多个不同折射率区域304-1b～304-15b。多个不同折射率区域304-1b～304-15b按照各自的重心G1位于与基本区域304-1a～304-15a中的假想的正方晶格的各晶格点分开规定的距离r的场所那样的配置图案，配置在基本区域304-1a～304-15a中。相位调制区域304-1～304-15各自的不同折射率区域304-1b～304-15b的配置图案以使得以从与该相位调制区域304-1～304-15对应的第2面侧电极308-1～308-15供给驱动电流时从第1面300a输出的光显现的光束投影图案和作为该光束投影图案的投影范围的光束投影区域与目标光束投影图案和目标光束投影区域一致的方式设定。
从第2面侧电极308-1～308-15供给驱动电流时输出的光的光束投影区域既可以全部相同，也可以至少一部分与其它部分不同。此外，从第2面侧电极308-1～308-15供给驱动电流时输出的光的光束投影图案也既可以全部相同，也可以至少一部分与其它部分不同。
在活性层303、相位调制层304、第1包覆层302、第2包覆层306和共用基板层301，设置有从第2面300b朝向共用基板层301延伸直至到达该共用基板层301为止的分离区域212。分离区域312以将在从Z轴方向(层叠方向)看时与相位调制区域304-1～304-15重叠的活性层303、第1包覆层302、第2包覆层306、第1包覆层302和第2包覆层306各自的对应区域间电和光学分离的方式从第2面300b向共用基板层301延伸。共用基板层301中，位于分离区域312的下部的部分的厚度(分离区域312的第1面侧电极310侧的端面312a与第1面侧电极310之间的最短距离)为共用基板层301的厚度的一半以下，典型的是70μm以下。如图17所示，在分离区域312的位置被划分的半导体发光元件300的各部分能够看做各自独立的发光部(第1发光部～第15发光部)。此外，分离区域312的制造工序与第1实施方式相同。
如图15和图17所示，第1面侧电极310在与相位调制区域304-1～304-15和第2面侧电极308-1～308-15对应的位置具有开口部310-1～310-15。第1面侧电极310也可以替代具有开口部的电极而为透明电极。
活性层303与相位调制层304的上下关系也可以与图17所示的上下关系相反。此外，在图17中，还记载有共用基板层301、上部光导层305b、下部光导层305a、接触层307、绝缘层309、反射防止层311，但半导体发光元件300并不一定需要具备它们。
对于以上说明的各层、各区域的构成材料、形状、尺寸、包含除分离区域的制造工序以外的主要工序的制造方法等，与第1实施方式、第2实施方式一样，本领域技术人员能够基于专利文献1的记载内容适当选择，以下例示其一部分的例子。即，图17所示的各层的材料以及结构的一例如下所述。共用基板层301由GaAs构成。第1包覆层302由AlGaAs构成。活性层303具有多量子阱结构MQW(势垒层:AlGaAs/阱层:InGaAs)。相位调制层304包括基本区域304-1a～304-15a和埋入该基本区域304-1a～304-15a内的多个不同折射率区域304-1b～304-15。基本区域304-1a～304-15a由GaAs构成。多个不同折射率区域304-1b～304-15b由AlGaAs构成。上部光导层305b和下部光导层305a由AlGaAs构成。第2包覆层306由AlGaAs构成。接触层307由GaAs构成。绝缘层309由SiO2或硅氮化物构成。反射防止层311氮化硅(SiN)、二氧化硅(SiO2)等电介质单层膜或者电介质多层膜构成。分离区域312是因高强度光(电场)而改质的半导体层、通过杂质扩散和离子注入法的任一方式绝缘化的半导体层或通过干蚀刻和湿蚀刻的任一蚀刻形成的狭缝(空隙)。此处，作为通过高强度光(电场)引起的改质的具体方法，例如具有利用纳秒激光器进行的加工和利用超短脉冲激光器进行的加工。多个不同折射率区域304-1b～304-15b也可以是被封入有氩、氮或空气等的空穴。
在一个例子中，在共用基板层301与第1包覆层302添加有N型的杂质。在第2包覆层306与接触层307添加有P型的杂质。此外，第1包覆层302与第2包覆层306的能带隙大于上部光导层305b与下部光导层305a的能带隙。设定上部光导层305b与下部光导层305a的能带隙大于活性层303的多量子阱结构MQW的能带隙。
接着，参照图18，对具备半导体发光元件300的发光装置进行说明。图18是表示具备半导体发光元件300的发光装置的结构的框图。
如图18所示，发光装置340包括半导体发光元件300、电源电路341、控制信号输入电路342和驱动电路343。电源电路341向驱动电路343和半导体发光元件300供给电源。控制信号输入电路342将从发光装置340的外部供给的控制信号传递到驱动电路343。驱动电路343向半导体发光元件300供给驱动电流。驱动电路343与半导体发光元件300通过供给驱动电流的多个驱动线344-1～344-15和1个共用电位线345连接。驱动线344-1～344-15与第2面侧电极308-1～308-15分别连接。共用电位线345与第1面侧电极310连接。另外，在图18中，在驱动电路343之上表示的半导体发光元件300和在驱动电路343之下表示的半导体发光元件300分别表示1个半导体发光元件300的第1面和第2面。
根据用途，驱动线344-1～344-15既可以择一驱动，也可以同时驱动至少2个线。此外，驱动电路343既可以与半导体发光元件300分体构成，也可以在半导体发光元件300的共用基板层301上一体地形成。
具备如以上那样构成的半导体发光元件300的发光装置340如以下那样动作。即，从驱动电路343向驱动线344-1～344-15的任一个线与共用电位线345之间供给驱动电流。在对应于与被供给驱动电流的驱动线连接的第2面侧电极的发光部，在活性层303发生电子与空穴的复合，其发光部的活性层303发光。因该发光而得到的光被第1包覆层302和第2包覆层306有效地封入。从活性层303出射的光入射到对应的相位调制层的内部，因相位调制区域的2维的反馈引起的封入效应而形成规定的模式。通过在活性层注入足够的电子和空穴，入射到相位调制层的光以规定的模式振荡。形成规定的振荡模式的光受到与不同折射率区域的配置图案相应的相位调制，受到相位调制后的光作为具有与配置图案相应的光束投影区域和光束投影图案的光从第1面侧电极侧向外部出射。
在本实施方式中，半导体发光元件300也是具备相位调制层304的单一的元件，该相位调制层具有多个相位调制区域304-1～304-15。因此，与在支承基板上配置有分别具备一个相位调制区域(相位调制层)的多个半导体发光元件的结构不同，不需要在支承基板上配置多个半导体发光元件的过程。因此，能够容易且高精度地实现目标光束投影图案的光向目标光束投影区域的照射。
在本实施方式中，也在活性层303、相位调制层304、第1包覆层302、第2包覆层306和共用基板层301，设置有从第2面300b朝向共用基板层301延伸直至到达该共用基板层301为止的分离区域312。因为相邻的相位调制区域304-1～304-15被分离区域312电和光学分离，所以能够抑制相邻的相位调制区域304-1～304-15间的串扰的产生。其结果是，能够更高精度地实现所期望的光束投影图案的光向所期望的光束投影区域的照射。
在本实施方式中，也可以以使得光束投影区域在从第2面侧电极308-1～308-15的任一电极供给驱动电流的情况下均相等的方式确定相位调制区域304-1～304-15各自的配置图案。在这样的结构的情况下，能够进行专利文献1中说明的半导体发光元件的应用例(对对象物扫描激光光束的应用例)以外的各种应用。能够进行的应用与第2实施方式相同。
在本实施方式中，也可以以使得光束投影图案在从第2面侧电极308-1～308-15的任一电极供给驱动电流的情况下均相等的方式设定相位调制区域304-1～304-15各自的配置图案。在这样的结构的情况下，除了能够进行与专利文献1中说明的半导体发光元件的应用例(对对象物扫描激光光束的应用例)相同的应用以外，还能够进行与这些应用不同的各种应用。在该情况下能够进行的应用也与第2实施方式相同。
(第4实施方式)
第4实施方式是将第1实施方式中来自第1面侧的光输出变更成来自第2面侧的光输出的方式。由此，因光输出不通过共用基板层，所以能够消除共用基板层对输出光的吸收，能够防止输出光的衰减和共用基板层的发热。除这样的变更以外与第1实施方式相同。
参照图19～图21，说明第4实施方式的半导体发光元件100B的结构。图19是从第1面侧看第4实施方式的半导体发光元件100B时的图。图20是从第2面侧看半导体发光元件100B时的图。图21是沿图19和图20的XX-XX线的截面图。
如图19～图21所示，半导体发光元件100B具有第1面100Ba和第2面100Bb，与第1～第3实施方式不同，作为光出射面从第2面100Bb输出光。另外，在本实施方式中，第1面100Ba作为辅助面发挥作用。半导体发光元件100B包括共用基板层101B、活性层103B、相位调制层104B、第1包覆层102B、第2包覆层106B、一对第2面侧电极108B-1、108B-2和一对第1面侧电极110B-1、110B-2。相位调制层104B具有与活性层103B光学结合的一对相位调制区域104B-1、104B-2。另外，由至少包含活性层103B和一对相位调制区域104B-1、104B-2的相位调制层104B构成层叠结构体。第1包覆层102B相对于层叠结构体(至少包含活性层103B和相位调制层104B)位于配置有第1面100Ba的一侧。第2包覆层106B相对于层叠结构体(至少包含活性层103B将相位调制层104B)位于配置有第2面100Bb的一侧。第2面侧电极108B-1、108B-2相对于第2包覆层106B配置在配置有第2面100Bb的一侧、即与相位调制区域104B-1、104B-2分别对应的位置。第1面侧电极110B-1、110B-2相对于第1包覆层102位于配置有第1面100Ba的一侧。
相位调制区域104B-1、104B-2分别包含具有第1折射率的基本区域104B-1a、104B-1b和具有与第1折射率不同的第2折射率的多个不同折射率区域104B-2a、104B-2b。多个不同折射率区域104B-1b、104B-2b按照各自的重心G1位于与基本区域104B-1a、104B-2a中的假想的正方晶格的各晶格点分开规定的距离r的场所那样的配置图案，配置在基本区域104B-1a、104B-2a中。相位调制区域104B-1、104B-2各自的多个不同折射率区域104B-1b、104-2b的配置图案以使得以从与该相位调制区域104B-1或104B-2对应的第2面侧电极108B-1或108B-2供给驱动电流时从第2面100Bb输出的光显现的光束投影图案和作为该光束投影图案的投影范围的光束投影区域与目标光束投影图案和目标光束投影区域一致的方式设定。
从第2面侧电极108B-1供给驱动电流时输出的光的光束投影区域与从第2面侧电极108B-2供给驱动电流时输出的光的光束投影区域既可以相同也可以不同。此外，从第2面侧电极108B-1供给驱动电流时输出的光的光束投影图案与从第2面侧电极108B-2供给驱动电流时输出的光束投影图案也既可以相同也可以不同。
在活性层103B、相位调制层104B、第1包覆层102B、第2包覆层106B和共用基板层101B，设置有从第2面100Bb朝向共用基板层101B延伸直至到达该共用基板层101B为止的分离区域112B。分离区域112B以将在从Z轴方向(层叠方向)看时与相位调制区域104B-1、104B-2重叠的活性层103B、第1包覆层102B、第2包覆层106B、第1包覆层102B和第2包覆层106B各自的对应区域间电和光学分离的方式从第2面100Bb向共用基板层101B延伸。共用基板层101B中，位于分离区域112B的下部的部分的厚度(分离区域112B的第1面侧电极110B-1、110B-2侧的端面112Ba与第1面侧电极110B-1、110B-2之间的最短距离)为沿着Z轴方向(层叠方向)的共用基板层101B的厚度的一半以下，典型的是70μm以下。另外，在该第4实施方式中，第1面侧电极分成2个，但将这2个第1面侧电极110B-1、110B-2一并称为“第1面侧电极”。因此，“分离区域112B的第1面侧电极110B-1、110B-2侧的端面112Ba与第1面侧电极110B-1、110B-2之间的距离”(共用基板层101B的未形成分离区域的部分的厚度)是指包含第1面侧电极110B-1与第1面侧电极110B-2双方的配置有共用基板层101B的一侧的面的1个平面与端面112Ba之间的距离。这样规定的分离区域112B的端面112Ba至第1面侧电极110B-1、110B-2的距离(最小间隔)为共用基板层101B的沿着Z轴方向(层叠方向)的厚度的一半以下。此外，这样的未形成分离区域的部分的厚度典型的是70μm以下。如图21所示，在分离区域112B的位置被划分半导体发光元件100B的各部分能够看做各自独立的发光部(第1发光部，第2发光部)。此外，分离区域112B的制造工序与第1实施方式相同。
如图20和图21所示，第2面侧电极108B-1、108B-2在与相位调制区域104B-1、104B-2和第1面侧电极110B-1、110B-2对应的位置具有开口部108B-1a、108B-2a。第2面侧电极108B-1、108B-2也可以替代具有开口部的电极而为透明电极。
活性层103B与相位调制层104B的上下关系也可以与图21所示的上下关系相反。此外，也可以为了降低共用基板层101B中的光的吸收而在共用基板层101B与第1包覆层102B之间设置DBR层120B。DBR层120B只要是在相位调制层104B与共用基板层101B之间也可以设置在这以外的场所。此外，在图21中，还记载有共用基板层101B、上部光导层105Bb、下部光导层105Ba、接触层107B、绝缘层109、反射防止层111B，但半导体发光元件100B并不一定需要具备这些层。
对于以上说明的各层、各区域的构成材料、形状、尺寸、包含除分离区域的制造工序以外的主要工序的制造方法等，本领域技术人员能够基于专利文献1的记载内容适当选择，以下例示其一部分的例子。即，图21所示的各层的材料以及结构的一例如下所述。共用基板层101B由GaAs构成。第1包覆层102B由AlGaAs构成。活性层103B具有多量子阱结构MQW(势垒层:AlGaAs/阱层:InGaAs)。相位调制层104B包括基本区域104-1a、104-2a和埋入该基本区域104B-1a、104B-2a内的多个不同折射率区域104B-1b、104B-2b。基本区域104B-1a、104B-2a由GaAs构成。多个不同折射率区域104B-1b、104B-2b由AlGaAs构成。上部光导层105Bb和下部光导层105Ba由AlGaAs构成。第2包覆层106B由AlGaAs构成。接触层107B由GaAs构成。绝缘层109B由SiO2或硅氮化物构成。反射防止层111B由氮化硅(SiN)、二氧化硅(SiO2)等电介质单层膜或者电介质多层膜构成。分离区域112B是因高强度光(电场)而改质的半导体层、通过杂质扩散和离子注入法的任一方式绝缘化的半导体层或通过干蚀刻和湿蚀刻的任一蚀刻形成的狭缝(空隙)。此处，作为通过高强度光(电场)引起的改质的具体方法，例如具有利用纳秒激光器进行的加工和利用超短脉冲激光器进行的加工。多个不同折射率区域104B-1b、104B-2b也可以是被封入有氩、氮或空气等的空穴。
在一个例子中，在共用基板层101B与第1包覆层102B添加有N型的杂质。在第2包覆层106B与接触层107B添加有P型的杂质。此外，第1包覆层102B与第2包覆层106B的能带隙大于上部光导层105Bb与下部光导层105Ba的能带隙。设定上部光导层105Bb与下部光导层105Ba的能带隙大于活性层103B的多量子阱结构MQW的能带隙。
以上，对本发明的第1～第4实施方式进行了说明，但本发明并不限定于上述的第1～第4实施方式。
例如，在第1～第4实施方式中，设置有分离区域112、212、312、112B，但在能够加大相邻的相位调制区域的间隔的情况下等，不存在串扰问题的情况下，也可以不设置分离区域。
例如，在图4、图5中例示了不同折射率区域为圆形(正圆)的例子，但不同折射率区域也可以为圆形以外的形状。例如，在多个不同折射率区域的X-Y平面上的形状为正圆、正方形、正六边形、正八边形、正十六边形、长方形和椭圆的任一形状的情况下，即，各不同折射率区域的形状成为镜像对称(线对称)的情况下，在相位调制层，能够高精度地设定从构成假想的正方晶格的多个单位结构区域R各自的晶格点O向对应的各个不同折射率区域的重心G1的方向与平行于X轴的s轴形成的角度φ。此外，多个不同折射率区域的X-Y平面上的形状也可以如图22(a)～图22(j)所示为不具有180°的旋转对称性的形状。在不具有180°的旋转对称性的形状中，例如包括图22(b)所示的正三角形、图22(a)所示的等腰直角三角形、图22(c)所示的等腰三角形、2个圆或椭圆的一部分重叠的图22(i)所示的形状、图22(h)所示的卵型形状、图22(d)所示的泪滴型形状、图22(e)所示的箭头型形状、图22(f)所示的梯形、图22(g)所示的五边形、2个矩形的一部分重叠的图22(j)所示的形状。在这种情况下，能够获得更高的光输出。另外，卵型形状如图22(h)所示是通过以使得沿着其长轴的一个端部附近的短轴方向的尺寸小于另一个端部附近的该短轴方向的尺寸的方式将椭圆变形而得到的形状。泪滴型形状如图22(d)所示是通过将沿着其长轴的椭圆的一个端部变形成沿长轴方向突出的尖的端部而得到的形状。箭头型形状如图22(e)所示是矩形的一个边构成三角形的切口部而与该一个边相对的边构成三角形的突起部的形状。
此外，第1～第3实施方式均为从第1面输出光的半导体发光元件，但也可以如第4实施方式那样通过使第2面侧电极为具有开口的电极或透明电极而作为从第2面侧输出光的半导体发光元件。在第4实施方式中，相位调制区域、第2面侧电极、第1面侧电极的个数分别为2个(一对)，但也可以与第2、第3实施方式一样，将它们呈一维或2维配置3个以上。在为从第2面侧输出光的半导体发光元件的情况下，光输出不通过共用基板层，因此能够消除共用基板层对输出光的吸收，能够防止输出光的衰减和共用基板层的发热。
在相位调制层，如图23所示的第1变形例那样，也可以设置包含用于生成光束投影区域和光束投影图案的多个不同折射率区域的内侧区域A、以及包围该内侧区域A的外周的外侧区域B。内侧区域A实质上是由分别配置有对应的不同折射率区域的单位结构区域R构成的区域。外侧区域B设置有多个周边晶格点不同折射率区域，作为一个例子，该多个周边晶格点不同折射率区域的重心与通过在假想的正方晶格的外周设定与该假想的正方晶格相同的晶格结构规定的放大正方晶格中的晶格点一致即可。另外，图23表示沿层厚方向(Z轴方向)看相位调制层的变形例时的方式。在图23中，外侧的轮廓(外侧区域B)表示相位调制区域的一部分。由外侧区域B包围的内侧区域A是与第1～第4实施方式一样的、包含用于生成光束投影区域和光束投影图案的多个不同折射率区域的相位调制区域(实质上由多个单位结构区域R构成的区域)。因此，在图23的例子中，相位调制层的相位调制区域由内侧区域A和外侧区域B构成。如上所述，外侧区域B是包含在假想的正方晶格中的晶格点位置具有重心的多个周边晶格点不同折射率区域的区域，以下表示其一例。即，也可以是外侧区域B的假想的正方晶格的晶格常数与内侧区域A的假想的正方晶格的晶格常数相等，外侧区域B的各周边晶格点不同折射率区域的形状和大小与内侧区域A的不同折射率区域的形状和大小相等。根据该变形例，能够抑制朝向面内方向的漏光，能够实现振荡阈值电流的降低。
此外，在图4和图5中，例示在与基本区域中的假想的正方晶格的各晶格点分开规定的距离的场所具有重心G1的不同折射率区域(以下，称为“位移不同折射率区域”。)在各单位结构区域内各设置1个的例子。但是，位移不同折射率区域也可以以使得全体的重心位于与上述各晶格点分开规定的距离的场所的方式，分割成多个地设置。此外，也可以除了位移不同折射率区域之外还在各晶格点上设置晶格点不同折射率区域。晶格点不同折射率区域是与位移不同折射率区域一样具有与基本区域的折射率(第1折射率)不同的折射率的区域，既可以由与位移不同折射率区域相同的材料(相同折射率的材料)构成，也可以使得其一部分与位移不同折射率区域的一部分重叠。
此处，参照图24～图26，对不仅设置位移不同折射率区域而且设置晶格点不同折射率区域的情况下的例子进行说明。图24是用于说明不仅设置位移不同折射率区域而且设置晶格点不同折射率区域的情况下的、位移不同折射率区域的重心与晶格点不同折射率区域的位置关系的图。图25是表示不仅设置位移不同折射率区域而且设置晶格点不同折射率区域的情况下的、位移不同折射率区域与晶格点不同折射率区域的组合的例子(旋转方式)的图。图26是表示不仅设置位移不同折射率区域而且设置晶格点不同折射率区域的情况下的变形例(旋转方式)的图。
在这些图中，O表示晶格点，G1表示位移折射率区域的重心，G2表示晶格点不同折射率区域的重心。如图24所示，位移不同折射率区域n04-mb的重心G1与晶格点O的位置关系与图5相同，但在图24中，除此之外还设置有晶格点不同折射率区域n04-mc。在图24中，晶格点不同折射率区域n04-mc的重心G2与晶格点O重叠，但如图26所示，该重心G2也可以不一定在晶格点O之上。在图24中，位移不同折射率区域n04-mb和晶格点不同折射率区域n04-mc均为圆形，两者相互不重叠，但两者的组合并不限定于此。
如图25所示，作为位移不同折射率区域n04-mb与晶格点不同折射率区域n04-mc的组合考虑各种组合。图25(a)是图24的组合。图25(b)是位移不同折射率区域n04-mb和晶格点不同折射率区域n04-mc均为正方形的组合。图25(c)是位移不同折射率区域n04-mb和晶格点不同折射率区域n04-mc均为圆形，但两者的一部分彼此重叠的组合。图25(d)是位移不同折射率区域n04-mb和晶格点不同折射率区域n04-mc均为正方形，两者的一部分彼此重叠的组合。图25(e)是使图25(d)的位移不同折射率区域n04-mb和晶格点不同折射率区域n04-mc以各自的重心G1、G2(晶格点O)为中心任意地旋转，使得两者相互不重叠的组合。图25(f)是位移不同折射率区域n04-mb为三角形，晶格点不同折射率区域n04-mc为正方形的组合。图25(g)是使图25(f)的位移不同折射率区域n04-mb和晶格点不同折射率区域n04-mc以各自的重心G1、G2(晶格点O)为中心任意地旋转，使得两者相互不重叠的组合。图25(h)是图25(a)的位移不同折射率区域n04-mb被分割成二个圆形的区域的组合。图25(i)是位移不同折射率区域n04-mb被分割成正方形和三角形，晶格点不同折射率区域n04-mc为三角形的组合。图25(j)是使图25(i)的位移不同折射率区域n04-mb和晶格点不同折射率区域n04-mc以各自的重心G1、G2(晶格点O)为中心任意地旋转后的组合。图25(k)是位移不同折射率区域n04-mb和晶格点不同折射率区域n04-mc均为正方形，位移不同折射率区域n04-mb被分割成2个正方形，各正方形的边的方向朝向同一方向的组合。在不仅设置有位移不同折射率区域而且设置有晶格点不同折射率区域的情况下，因为将该两者组合而成的整个不同折射率区域不具有180°的旋转对称性，所以能够获得更高的光输出。
在不同折射率区域(包括周边晶格点不同折射率区域、晶格点不同折射率区域。)的形状为具有直线状的边的形状的情况下，优选使其边的方向在构成共用基板层的晶体的特定的面方位上一致。如此，则在使不同折射率区域为封入有氩、氮或空气等的空穴的情况下，容易进行空穴的形状的控制，能够抑制在空穴之上生长的晶体层的缺陷。
另外，与各晶格点对应设置的不同折射率区域(包括周边晶格点不同折射率区域、晶格点不同折射率区域)的形状和个数在1个相位调制区域内并不一定需要相同。也可以如图27(图4所示的相位调制层n04-m的第2变形例)所示，使得不同折射率区域的形状和个数按各个晶格点不同。
接着，对通过轴上移位方式决定相位调制层n04-m的不同折射率区域n04-mb的配置图案的情况进行说明。另外，在作为相位调制层n04-m的不同折射率区域n04-mb的配置图案决定方法，使用轴上移位方式取代上述的旋转方式的情况下，所得到的相位调制层也能够应用于上述的各种实施方式的该半导体发光模块。
图28是用于说明相位调制层n04-m的不同折射率区域n04-mb的配置图案(轴上移位方式)的示意图。相位调制层n04-m包含第1折射率的基本区域n04-ma和由与第1折射率不同的第2折射率构成的不同折射率区域n04-mb。此处，在相位调制层n04-m，与图4的例子相同地设定在X-Y平面上被规定的假想的正方晶格。正方晶格的一个边与X轴平行，另一个边与Y轴平行。此时，以正方晶格的晶格点O为中心的正方形的单位结构区域R遍及沿着X轴的多个列(x1～x4)和沿着Y轴的多个行(y1～y3)呈二维状设定。当将各个单位结构区域R的坐标以各个单位结构区域R的重心位置赋予时，该重心位置与假想的正方晶格的晶格点O一致。多个不同折射率区域n04-mb在各单位结构区域R内各设置1个。不同折射率区域n04-mb的平面形状例如为圆形。晶格点O既可以位于不同折射率区域n04-mb的外部，也可以包含于不同折射率区域n04-mb的内部。
另外，不同折射率区域n04-mb的面积S在1个单位结构区域R内所占的比率称为填充因数(FF)。当令正方晶格的晶格间隔为a时，不同折射率区域n04-mb的填充因数FF作为S/a2赋予。S是X-Y平面的不同折射率区域n04-mb的面积，在不同折射率区域n04-mb的形状例如为正圆的情况下，使用正圆的直径D而作为S＝π(D/2)2赋予。此外，在不同折射率区域n04-mb的形状为正方形的情况下，使用正方形的一个边的长度LA而作为S＝LA2赋予。
图29是用于作为通过轴移位方式决定的配置图案的一个例子，说明不同折射率区域n04-mb的重心G1与假想的正方晶格中的晶格点O(x，y)的位置关系的图。如图29所示，各不同折射率区域n04-mb的重心G1配置在直线L上。直线L是通过单位结构区域R(x，y)的对应的晶格点O(x，y)，且相对于正方晶格的各边倾斜的直线。换言之，直线L是相对于规定单位结构区域R(x，y)的s轴和t轴的双方倾斜的直线。直线L相对于s轴的倾斜角为θ。倾斜角θ在相位调制层n04-m内固定。倾斜角θ满足0°＜θ＜90°，在一个例子中θ＝45°。或者，倾斜角θ满足180°＜θ＜270°，在一个例子中θ＝225°。在倾斜角θ满足0°＜θ＜90°或180°＜θ＜270°的情况下，直线L从由s轴和t轴规定的坐标平面的第1象限延伸至第3象限。或者，倾斜角θ满足90°＜θ＜180°，在一个例子中θ＝135°。或者，倾斜角θ满足270°＜θ＜360°，在一个例子中θ＝315°。在倾斜角θ满足90°＜θ＜180°或270°＜θ＜360°的情况下，直线L从由s轴和t轴规定的坐标平面的第2象限延伸至第4象限。这样，倾斜角θ是除0°、90°、180°和270°以外的角度。此处，令晶格点O(x，y)与重心G1的距离为r(x，y)。x表示X轴的第x个晶格点的位置，y表示Y轴的第y个晶格点的位置。在距离r(x，y)为正的值的情况下，重心G1位于第1象限(或第2象限)。在距离r(x，y)为负的值的情况下，重心G1位于第3象限(或第4象限)。在距离r(x，y)为0的情况下，晶格点O与重心G1相互一致。
图28所示的、各不同折射率区域n04-mb的重心G1与单位结构区域R(x，y)的对应的晶格点O(x，y)的距离r(x，y)与目标光束投影图案(光像)相应地按各不同折射率区域n04-mb个别地设定。距离r(x，y)的分布按每个由x(在图28的例子中为x1～x4)和y(图28的例y1～y3)的值决定的位置具有特定的值，但并不一定限于以特定的函数表示。距离r(x，y)的分布由对目标光束投影图案进行傅立叶逆变换而得到的复振幅分布中提取出相位分布后的分布决定。即，
图29所示的单位结构区域R(x，y)的相位P(x，y)为P0的情况下距离r(x，y)设定为0，在相位P(x，y)为π+P0的情况下距离r(x，y)设定为最大值R0，在相位P(x，y)为-π+P0的情况下距离r(x，y)设定为最小值-R0。于是，以相对于其中间的相位P(x，y)成为r(x，y)＝{P(x，y)-P0}×R0/π的方式设定距离r(x，y)。此处，初始相位P0能够任意地设定。当令正方晶格的晶格间隔为a时，r(x，y)的最大值R0例如为以下的式(10)的范围。
[数式10]
另外，在从目标光束投影图案求取复振幅分布时，通过使用在全息图生成的计算时普遍使用的Gerchberg-Saxton(GS)法那样的迭代算法，能够提高光束投影图案的再现性。
图30是作为图28的相位调制层的第1变形例，例示仅在相位调制层的特定区域内应用折射率近周期结构的例子的俯视图。在图30所示的例子中，与图23所示的例子一样，在正方形的内侧区域RIN的内部形成有用于出射成为目的光束投影图案的近周期结构(例：图28的结构)。另一方面，在包围内侧区域RIN的外侧区域ROUT，在正方晶格的晶格点位置，配置有重心位置一致的正圆形的不同折射率区域。在内侧区域RIN和外侧区域ROUT，假想设定的正方晶格的晶格间隔彼此相同(＝a)。在该结构的情况下，在外侧区域ROUT内也分布光，由此能够抑制由于在内侧区域RIN的周边部光强度急剧变化而产生的高频噪声(所谓窗函数噪声)的产生。此外，能够抑制朝向面内方向的漏光，能够期待阈值电流的降低。
另外，作为从上述的各种实施方式的半导体发光模块的多个半导体发光元件分别输出的光束投影图案得到的光像与相位调制层n04-m的相位分布P(x，y)的关系与上述的旋转方式的情况下(图5)一样。因此，在规定正方晶格的上述第一前提条件、由上述式(1)～式(3)规定的上述第二前提条件、由上述式(4)和(5)规定的上述第三前提条件和通过上述式(6)和式(7)已经确定的上述第四前提条件下，相位调制层n04-m以满足以下的条件的方式构成。即，以使得从晶格点O(x，y)至对应的不同折射率区域n04-mb的重心G的距离r(x，y)成为满足
r(x，y)＝C×(P(x，y)-P0)
C：为比例常数，例如R0/π
P0：为任意的常数，例如0
的关系的方式在单位结构区域R(x，y)内配置该对应的不同折射率区域n04-mb。即，距离r(x，y)在单位结构区域R(x，y)的相位P(x，y)为P0的情况下设定为0，在相位P(x，y)为π+P0的情况下设定为最大值R0，在相位P(x，y)为-π+P0的情况下设定为最小值-R0。在要得到目标光束投影图案的情况下，对该目标光束投影图案进行傅立叶逆变换，将与其复振幅的相位P(x，y)相应的距离r(x，y)的分布赋予多个不同折射率区域n04-mb即可。相位P(x，y)与距离r(x，y)也可以相互成比例。
另外，激光光束的傅立叶变换后的远场图像能够取单一或多个光点形状、圆环形状、直线形状、字符形状、双重圆环形状或拉盖尔高斯光束形状等各种形状。因为还能够控制光束方向，所以，通过将上述的各种实施方式的半导体发光模块的多个半导体发光元件分别呈一维或二维阵列化，例如能够实现电气性地进行高速扫描的激光加工机。另外，因为光束投影图案以远端场的角度信息表示，所以，在目标光束投影图案为以二维的位置信息表示的位图图像等的情况下，在暂时变换为角度信息之后变换到波数空间，之后进行傅立叶逆变换即可。
作为从通过傅立叶逆变换得到的复振幅分布获得强度分布和相位分布的方法，例如关于强度分布I(x，y)，能够通过使用MathWorks公司的数值解析软件“MATLAB”的abs函数进行计算，关于相位分布P(x，y)，能够使用MATLAB的angle函数进行计算。
此处，阐述从目标光束投影图案的傅立叶逆变换结果求取相位分布P(x，y)，决定各不同折射率区域n04-mb的距离r(x，y)时，使用一般离散傅立叶变换(或者高速傅立叶变换)进行计算的情况下的关注点。另外，图31是说明从目标光束投影图案的傅立叶逆变换结果求取相位角分布(相当于旋转方式的旋转角度分布)，决定不同折射率区域的配置时的关注点的图。作为目标光束投影图案的自通过图31(a)的傅立叶逆变换得到的复振幅分布计算的光束投影图案成为图31(b)所示的状态。如图31(a)和图31(b)所示，当分别分割成A1、A2、A3和A4这4个象限时，在图31(b)的光束投影图案的第1象限呈现图31(a)的第1象限的、旋转180度后的图案与图31(a)的第3象限的图案重叠形成的重叠图案。在图31(b)的第2象限呈现图31(a)的第2象限的、旋转180度后的图案与图31(a)的第4象限的图案重叠形成的重叠图案。在图31(b)的第3象限呈现图31(a)的第3象限的、旋转180度后的图案与图31(a)的第1象限的图案重叠形成的重叠图案。在图31(b)的第4象限呈现图31(a)的第4象限的、旋转180度后的图案与图31(a)的第2象限的图案重叠形成的重叠图案。此时，旋转180度后的图案是基于-1次光成分的图案。
因此，在使用仅在第1象限具有值的图案作为傅立叶逆变换前的光像(原光像)的情况下，在获得的光束投影图案的第3象限呈现原光像的第1象限，在获得的光束投影图案的第1象限呈现将原光像的第1象限旋转180度后的图案。
另外，在上述结构中，只要是包含活性层和相位调制层的结构，材料类、膜厚、层的结构就能够进行各种变更。此处，关于来自假想的正方晶格的摄动为0的情况下的所谓正方晶格光子晶体激光器，标度律成立。即，在波长成为常数α倍的情况下，能够通过使整个正方晶格结构为α倍来得到同样的驻波状态。同样，在本实施方式中，也能够利用与波长相应的标度律决定相位调制层n04-m的结构。因此，通过使用发出蓝色、绿色、红色等光的活性层12，运用与波长相应的标度律，还能够实现输出可见光的半导体发光元件。
另外，在晶格间隔a的正方晶格的情况下，当令正交坐标的单位矢量为x，y时，基本平移矢量a1＝ax，a2＝ay，相对于平移矢量a1、a2的基本逆晶格矢量b1＝(2π/a)x，b2＝(2π/a)y。在晶格的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，其中波数矢量的大小等于基本逆晶格矢量的大小的情况下，得到晶格间隔a与波长λ相等的共振模式(X-Y平面内的驻波)。在上述的各种实施方式中能够得到这样的共振模式(驻波状态)下的振荡。此时，考虑在与正方晶格平行的面内存在电场那样的TE模式的话，这样晶格间隔与波长相等的驻波状态因正方晶格的对称性而存在4个模式。在上述的各种实施方式中，在按该4个驻波状态的任一模式振荡的情况下都同样得到所期望的光束投影图案。
另外，上述的相位调制层n04-m内的驻波通过孔形状扩散，通过相位调制在面垂直方向上得到的波面而得到所期望的光束投影图案。因此即使没有偏振光板也能够得到所期望的光束投影图案。该光束投影图案不仅是一对单峰光束(光点)，还能够如上述那样，为字符形状、2个以上的相同形状光点组或者相位、强度分布在空间上不均匀的矢量光束等。
另外，作为一个例子，优选基本区域n04-ma的折射率为3.0～3.5，不同折射率区域n04-mb的折射率为1.0～3.4。此外，基本区域n04-ma的孔内的各不同折射率区域n04-mb的平均半径在940nm波段的情况下例如为20nm～120nm。通过各不同折射率区域n04-mb的大小发生变化而朝向Z轴方向的衍射强度发生变化。该衍射效率与对不同折射率区域n04-mb的形状进行傅立叶变换时的以一阶系数表示的光学结合系数κ1成比例。关于光学结合系数，例如，在上述非专利文献2中有记载。
对如以上那样利用具备按轴上移位方式决定不同折射率区域n04-mb的配置图案的相位调制层n04-m的半导体发光元件得到的效果进行说明。一直以来，作为半导体发光元件，已知有各不同折射率区域n04-mb的重心G1从假想的正方晶格的对应的晶格点O离开地配置，并且在各晶格点O周围具有与光像相应的旋转角度的结构(例如参照专利文献1)。但是，如果能够实现各不同折射率区域n04-mb的重心G1与各晶格点O的位置关系与现有不同的新的发光装置，则相位调制层n04-m的设计的自由度变大，极为有用。
与活性层光学结合的相位调制层n04-m具有基本区域n04-ma和折射率与基本区域n04-ma不同的多个不同折射率区域n04-mb，在各个由s轴和t轴的直角坐标系规定的单位结构区域R，各不同折射率区域n04-mb的重心G1配置在通过假想的正方晶格的晶格点O且相对于该s轴和该t轴的双方倾斜的直线L上。于是，各不同折射率区域n04-mb的重心G1与对应的晶格点O的距离r(x，y)根据目标光束投影图案个别地设定。在这样的情况下，光束的相位与晶格点O与重心G1的距离而变化。即，仅通过变更重心G1的位置，就能够控制从各不同折射率区域n04-mb出射的光束的相位，能够使作为整体形成的光束投影图案成为所期望的形状(目标光束投影图案)。即，上述的半导体发光元件分别为S-iPM激光器，根据这样的结构，与各不同折射率区域n04-mb的重心G1在各晶格点O周围具有与目标光束投影图案相应的旋转角度的现有的结构一样，能够向相对于与输出光的第1面垂直的方向倾斜的方向输出任意形状的光束投影图案。这样，能够提供在轴上移位方式中，各不同折射率区域n04-mb的重心G1与各晶格点O的位置关系和现有全然不同的半导体发光元件和半导体发光模块。
此处，图32(a)是表示从半导体发光元件输出的光束投影图案(光像)的例子的图。图32(a)的中心对应于与半导体发光元件的发光面交叉且与发光面垂直的轴线。此外，图32(b)是表示与半导体发光元件的发光面交叉且包含与发光面垂直的轴线的截面上的光强度分布曲线。图32(b)是使用FFP光学系统(浜松光子学制A3267-12)、照相机(浜松光子学制ORCA-05G)、光束分析仪(浜松光子学制Lepas-12)取得的远场图像，对1344点×1024点的图像数据的纵方向的计数进行累计而绘制成的图。另外，为了将图32(a)的最大计数以255标准化，此外，明确表示±1次光的强度比，使中央的0次光B0饱和。根据图32(b)，能够容易地理解1次光和-1次光的强度差。此外，图33(a)是表示与图32(a)所示的光束投影图案对应的相位分布的图。图33(b)是图33(a)的部分放大图。在图33(a)和图33(b)中，相位调制层n04-m内的各处的相位通过浓淡表示，越在暗色区域越接近相位角0°，越在明亮区域越接近相位角360°。但是，相位角的中心值能够任意地设定，因此也并不一定在0°～360°的范围内设定相位角。如图32(a)和图32(b)所示，半导体发光元件输出向相对于该轴线倾斜的第1方向输出的包含第1光像部分B1的1次光和向关于该轴线与第1方向对称的第2方向输出且包含关于该轴线与第1光像部分B1旋转对称的第2光像部分B2的-1次光。典型的是，第1光像部分B1在X-Y平面内的第1象限呈现，第2光像部分B2在X-Y平面内的第3象限呈现。但是，根据用途，存在仅使用1次光而不使用-1次光的情况。在这样的情况下，优选-1次光的光量与1次光相比被抑制得较小。
图34是示意地表示各方向的行进波的光束投影图案的例子的图。在该例子中，在单位结构区域R，令直线L相对于s轴和t轴的倾斜角为45°。在正方晶格型的S-iPM激光器的相位调制层产生沿着X-Y平面的基本的行进波AU、AD、AR和AL。行进波AU和AD是沿正方晶格的各边中向Y轴方向延伸的边行进的光。行进波AU向Y轴正方向行进，行进波AD向Y轴负方向行进。此外，行进波AR和AL是沿正方晶格的各边中向X轴方向延伸的边行进的光。行进波AR向X轴正方向行进，行进波AL向X轴负方向行进。在这种情况下，从相互反向行进的行进波分别得到反向的光束投影图案。例如，从行进波AU得到仅包含第2光像部分B2的光束投影图案BU，从行进波AD仅得到包含第1光像部分B1的光束投影图案BD。同样，从行进波AR得到仅包含第2光像部分B2的光束投影图案BR，从行进波AL得到仅包含第1光像部分B1的光束投影图案BL。换言之，在相互反向行进的行进波彼此之中，一方成为1次光，另一方成为-1次光。从半导体发光元件输出的光束投影图案是这些光束投影图案BU、BD、BR和BL重叠而成的图案。
根据本发明人的研究，在使不同折射率区域在晶格点的周围旋转的现有的半导体发光元件中，在不同折射率区域的配置的性质上，一定包含相互反向行进的行进波的双方。即，在现有的方式中，形成驻波的4个行进波AU、AD、AR和AL的任一波中，1次光和-1次光同量呈现，再有，根据旋转圆的半径(不同折射率区域的重心与晶格点的距离)会产生0次光。因此，在原理上难以使1次光和-1次光的各光量产生差，难以选择性地降低其中一方。因此，难以相对于1次光的光量使-1次光的光量相对较低。
此处，图35是作为上述的不同折射率区域n04-mb的配置图案的决定方法，表示使不同折射率区域在晶格点的周围旋转的旋转方式和行进波AU、AD、AR、AL的图。对在使不同折射率区域n04-mb在晶格点O的周围旋转的旋转方式中难以选择性地降低1次光和-1次光的任一光的理由进行说明。相对于某个位置上的设计相位φ(x，y)，作为4个行进波的1例考虑图35(b)中表示的t轴的正的朝向的行进波AU。此时，从几何学的关系出发，相对于行进波AU因为自晶格点O起的偏离成为r·sinφ(x，y)，所以成为相位差为(2π/a)r·sinφ(x，y)的关系。其结果是，与行进波AU相关的相位分布Φ(x，y)在由于不同折射率区域n04-mb的大小的影响小所以能够忽略其影响的情况下为Φ(x，y)＝exp{j(2π/a)r·sinφ(x，y)}。对该相位分布Φ(x，y)的0次光和±1次光的贡献以exp{jnΦ(x，y)}(n：整数)展开的情况下的n＝0和n＝±1的成分赋予。但是，当使用以与次数n的第1类贝塞尔函数Jn(z)相关的以下的式(11)规定的数学公式时，能够对相位分布Φ(x，y)进行级数展开，能够说明0次光和±1次光的各光量。
[数式11]
此时，相位分布Φ(x，y)的0次光成分以J0(2πr/a)表示，1次光成分以J1(2πr/a)表示，-1次光成分以J-1(2πr/a)表示。但是，关于±1次的贝塞尔函数，由于存在J1(x)＝-J-1(x)的关系，所以±1次光成分的大小相等。此处，作为4个行进波的1例考虑Y轴正方向的行进波AU，但其它3波(行进波AD、AR、AL)也成立同样的关系，±1次光成分的大小相等。根据以上的讨论，在使不同折射率区域n04-mb在晶格点O的周围旋转的现有的方式中，在原理上难以使±1次光成分的光量产生差。
与此相对，根据通过轴上移位方式决定不同折射率区域n04-mb的配置图案的相位调制层n04-m，相对于单一的行进波在1次光和-1次光的各光量产生差，例如倾斜角θ为45°、135°、225°或315°的情况下，位移量R0越接近上述的数式(9)的上限值，越能够获得理想的相位分布。其结果是，0次光减少，在各行进波AU、AD、AR和AL中，选择性地降低1次光和-1次光的一方。因此，通过选择性地降低相互反向行进的行进波的任一方，在原理上能够使1次光和-1次光的光量产生差。
图36是作为不同折射率区域n04-mb的配置图案的决定方法，表示在通过晶格点且相对于正方晶格倾斜的轴线上使不同折射率区域移动的轴上移位方式和行进波AU、AD、AR、AL的图。如不同折射率区域n04-mb的重心G1在通过晶格点O且相对于规定单位结构区域R的s轴和t轴的双方倾斜的直线L上移动的图36(a)所示，说明在轴上移位方式中能够选择性地降低1次光和-1次光的任一方的理由。相对于单位结构区域R(x，y)的设计相位φ(x，y)(相当于旋转方式中的图5的旋转角)，作为4个行进波的1例考虑图36(b)所示的y轴的正的朝向的行进波AU。此时，从几何学的关系出发，相对于行进波AU因为自晶格点O起的偏离成为r·sinθ·{φ(x，y)-φ0}/π，所以成为相位差为(2π/a)r·sinθ·{φ(x，y)-φ0}/π的关系。此处为了简化说明令倾斜角θ＝45°，相位角φ0＝0°。此时，与行进波AU相关的相位分布Φ(x，y)(相当于上述的相位分布P(x，y))在由于不同折射率区域n04-mb的大小的影响小而能够忽略其影响的情况下由以下的式(12)赋予。
[数式12]
对该相位分布Φ(x，y)的0次光和±1次光的贡献以exp{nΦ(x，y)}(n：整数)展开的情况下的n＝0和n＝±1的成分赋予。但是，当对由下述的式(13)表示的函数f(z)进行洛朗(Laurent)级数展开时，以以下的式(14)规定的数学公式成立。
[数式13]
f(z)＝zc…(13)
其中，
0＜|c|＜1
[数式14]
此处，sinc(x)＝x/sin(x)。当使用由上述式(14)规定的数学公式时，能够对相位分布Φ(x，y)进行级数展开，能够说明0次光和±1次光的各光量。此时，如果注意上述式(14)的指数项exp{jπ(c-n)}的绝对值为1这一点，则相位分布Φ(x，y)的0次光成分的大小以以下的式(15)表示。
[数式15]
此外，相位分布Φ(x，y)的1次光成分的大小以以下的式(16)表示。
[数式16]
相位分布Φ(x，y)的-1次光成分的大小以以下的式(17)表示。
[数式17]
于是，在上述式(15)～(17)中，除了满足以以下的式(18)规定的条件的情况，在1次光成分以外呈现0次光和-1次光成分。但是，±1次光成分的大小并不彼此相等。
[数式18]
在以上的说明中，作为4个行进波的1例考虑Y轴正方向的行进波AU的情况，但对其它3波(行进波AD、AR、AL)也存在同样的关系，在±1次光成分的大小产生差。按照以上的讨论，根据不同折射率区域n04-mb在通过晶格点O且从正方晶格倾斜的直线L上移动的轴上移位方式，在原理上能够使±1次光成分的光量产生差。因此，原理上能够降低-1次光或1次光而选择性地仅取出所期望的光像(第1光像部分B1或第2光像部分B2)。在上述的图32(b)中，也理解为在1次光与-1次光之间产生强度的差。
此外，在轴上移位方式中，单位结构区域R的直线L的倾斜角θ(s轴与直线L形成的角度)在相位调制层n04-m内也可以固定。由此，能够容易地进行不同折射率区域n04-mb的重心G1的配置的设计。此外，在这种情况下，倾斜角也可以为45°、135°、225°或315°。由此，沿正方晶格行进的4个基本波(在设定沿着正方晶格的X轴和Y轴的情况下，向X轴正方向行进的光、向X轴负方向行进的光、向Y轴正方向行进的光和向Y轴负方向行进的光)能够均等地助益于光像。再有，在倾斜角θ为45°、135°、225°或315°的情况下，通过选择恰当的带端模式，直线L上的电磁场的方向朝一个方向一致，因此，能够获得直线偏振光。作为这样的模式的一个例子，具有上述非专利文献3的Fig.3所示的模式A、B。另外，在倾斜角θ为0°、90°、180°或270°的情况下，4个行进波AU、AD、AR和AL中向Y轴方向或X轴方向行进的一对行进波无益于1次光(信号光)，所以难以将信号光高效率化。
另外，活性层与相位调制层n04-m的位置关系与上述的旋转方式一样，即使沿Z轴方向成为反向，也能够容易地光结合。
图37和图38是表示不同折射率区域的平面形状的各种例子(轴上移位方式)的图。在上述的例子中，X-Y平面上的不同折射率区域n04-mb的形状为圆形。但是，不同折射率区域n04-mb也可以具有圆形以外的形状。例如，不同折射率区域n04-mb的形状也可以具有镜像对称性(线对称性)。此处，镜像对称性(线对称性)是指，夹着沿着X-Y平面的某个直线，位于该直线的一侧的不同折射率区域n04-mb的平面形状与位于该直线的另一侧的不同折射率区域n04-mb的平面形状能够相互成为镜像对称(线对称)。作为具有镜像对称性(线对称性)的形状，例如能够列举图37(a)所示的正圆、图37(b)所示的正方形、图37(c)所示的正六边形、图37(d)所示的正八边形、图37(e)所示的正十六边形、图37(f)所示的长方形和图37(g)所示的椭圆等。这样，在X-Y平面上的不同折射率区域n04-mb的形状具有镜像对称性(线对称性)的情况下，在相位调制层n04-m的假想的正方晶格的各个单位结构区域R，因为是简单的形状，所以能够从晶格点O高精度地确定对应的不同折射率区域n04-mb的重心G1的方向和位置。即，能够实现高的精度下的图案化。
此外，X-Y平面上的不同折射率区域n04-mb的形状也可以为不具有180°的旋转对称性的形状。作为这样的形状，例如能够列举图38(a)所示的正三角形、图38(b)所示的等腰直角三角形、图38(c)所示的2个圆或椭圆的一部分重叠的形状、图38(d)所示的卵型形状、图38(e)所示的泪滴型形状、图38(f)所示的等腰三角形、图38(g)所示的箭头型形状、图38(h)所示的梯形、图38(i)所示的五边形、
图38(j)所示的2个矩形的一部分彼此重叠的形状和图38(k)所示的2个矩形的一部分彼此重叠且不具有镜像对称性的形状等。另外，卵型形状是以使得椭圆的沿着长轴的一个端部附近的短轴方向的尺寸小于另一个端部附近的短轴方向的尺寸的方式变形的形状。泪滴型形状是将椭圆的沿着长轴的一个端部变形成沿着长轴方向突出的尖的端部的形状。箭头型形状是矩形的一个边呈三角形状凹陷、其相对的一个边呈三角形状尖锐的形状。这样，通过使得X-Y平面上的不同折射率区域n04-mb的形状不具有180°的旋转对称性，能够获得更高的光输出。另外，如图38(j)和图38(k)所示，不同折射率区域n04-mb也可以由多个要素构成，在这种情况下，不同折射率区域n04-m的重心G1为多个构成要素的合成重心。
图39是表示不同折射率区域的平面形状的又一个例子(轴上移位方式)的图。此外，图40是表示图28的相位调制层的第2变形例的图。
在该图39和图40所示的例子中，各不同折射率区域n04-mb由多个构成要素15b、15c构成。重心G1为所有构成要素的合成重心，位于直线L上。构成要素15b、15c的双方具有与基本区域n04-ma的第1折射率不同的第2折射率。构成要素15b、15c的双方既可以为空穴，也可以在空穴中埋入化合物半导体而构成。在各个单位结构区域R，构成要素15c与构成要素15b分别一对一对应地设置。于是，合并构成要素15b、15c的重心G1位于横截构成假想的正方晶格的单位结构区域R的晶格点O的直线L上。另外，任一构成要素15b、15c都包含在构成假想的正方晶格的单位结构区域R的范围内。单位结构区域R成为由将假想的正方晶格的晶格点间两等分的直线包围的区域。
构成要素15c的平面形状例如为圆形，但能够如图37和图38所示的各种例子那样，具有各种各样的形状。图39(a)～图39(k)表示X-Y平面上的构成要素15b、15c的形状和相对关系的例子。图39(a)和图39(b)表示构成要素15b、15c的双方具有相同形状的图形的方式。图39(c)和图39(d)表示构成要素15b、15c的双方具有相同形状的图形、彼此的一部分相互重叠的方式。图39(e)表示构成要素15b、15c的双方具有相同形状的图形、按每个晶格点任意地设定构成要素15b、15c的重心间的距离的方式。图39(f)表示构成要素15b、15c具有相互不同的形状的图形的方式。图39(g)表示构成要素15b、15c具有相互不同的形状的图形、按每个晶格点任意地设定构成要素15b、15c的重心间的距离的方式。
此外，也可以如图39(h)～图39(k)所示，构成不同折射率区域n04-mb的一部分的构成要素15b由相互分离的2个区域15b1、15b2构成。于是，也可以按每个晶格点任意地设定合并区域15b1、15b2的重心(相当于单一的构成要素15b的重心)与构成要素15c的重心的距离。此外，在这种情况下，也可以如图39(h)所示，区域15b1、15b2和构成要素15c具有相互相同形状的图形。或者，也可以如图39(i)所示，区域15b1、15b2和构成要素15c中的2个的图形与其它的图形不同。此外，也可以如图39(j)所示，不仅连结区域15b1、15b2的直线的相对于s轴的角度、而且构成要素15c的相对于s轴的角度也按各晶格点任意地设定。此外，也可以如图39(k)所示，区域15b1、15b2和构成要素15c在维持彼此相同的相对角度的状态下，按每个晶格点任意地设定连结区域15b1、15b2的直线的相对于s轴的角度。
另外，不同折射率区域n04-mb的平面形状也可以在单位结构区域R间彼此相同。即，不同折射率区域n04-mb在所有单位结构区域R上具有相同图形，能够通过平移操作或平移操作和旋转操作，在晶格点间相互重叠。在这种情况下，能够抑制光束投影图案内的噪声光和成为噪声的0次光的产生。或者，不同折射率区域n04-mb的平面形状也并不一定在单位结构区域R间相同，例如也可以如图40所示，在相邻的单位结构区域R间形状彼此不同。另外，优选如图36(a)和图36(b)的例子所示，在图37～图40的任一情况下均以通过各晶格点O的直线L的中心与晶格点O一致的方式设定。
如上所述，即使是通过轴上移位方式决定不同折射率区域的配置图案的相位调制层的结构，也能够恰当地获得与应用了通过旋转方式决定不同折射率区域的配置图案的相位调制层的实施方式相同的效果。
符号的说明
100，200，300，100B…半导体发光元件；102，202，302，102B…第1包覆层；103，203，303，103B…活性层；104，204，304，104B…相位调制层；104-m(m为正的整数)，204-m，304-m，104B-m…相位调制区域；104-ma，204-ma，304-ma，104B-ma…基本区域；104-mb，204-mb，304-mb，104B-mb…多个不同折射率区域；106，206，306，106B…第2包覆层；108-m，208-m，308-m，108B-m…第2面侧电极；110，210，310，110B-m…第1面侧电极；112，212，312，112B…分离区域。
Claims (16)
1.一种半导体发光元件，其特征在于，
具有第1面和与所述第1面相对的第2面，所述第1面和所述第2面的一方作为输出光的光出射面而发挥作用，并且另一方作为辅助面而发挥作用，
包括：
活性层，其位于所述第1面与所述第2面之间；
相位调制层，其位于所述第1面与所述第2面之间，包含分别与所述活性层光学结合的多个相位调制区域，所述多个相位调制区域分别包含具有第1折射率的基本区域和分别设置在所述基本区域内并且具有与所述第1折射率不同的第2折射率的多个不同折射率区域；
第1包覆层，其相对于至少包含所述活性层和所述相位调制层的层叠结构体而位于配置有所述第1面的一侧；
第2包覆层，其相对于所述层叠结构体而配置在所述第2面所位于的一侧；
第1面侧电极，其相对于所述第1包覆层而配置在所述第1面所位于的一侧；
多个第2面侧电极，其相对于所述第2包覆层而配置在所述第2面所位于的一侧，与所述多个相位调制区域分别对应，且分别配置在沿所述层叠结构体的层叠方向看时与所述多个相位调制区域重叠的多个区域内；和
共用基板层，其配置在所述第1包覆层与所述第1面侧电极之间，具有保持所述多个相位调制区域的连续的面，
在所述相位调制层所包含的所述多个相位调制区域的各个中，所述多个不同折射率区域按照用于使作为从所述多个第2面侧电极中对应的第2面侧电极供给驱动电流时从所述光出射面输出的光的投影图案的光束投影图案和形成有所述光束投影图案的光束投影区域与目标光束投影图案和目标光束投影区域分别一致的配置图案，配置在所述基本区域中的规定位置，
所述配置图案被规定为，
在由与所述光出射面的法线方向一致的Z轴和与包含所述多个不同折射率区域的所述相位调制层的一个面一致的、包含相互正交的X轴和Y轴的X-Y平面规定的XYZ直角坐标系中，在所述X-Y平面上设定由分别具有正方形状的M1×N1个单位结构区域R构成的假想的正方晶格时，
在由X轴方向的坐标成分x和Y轴方向的坐标成分y特定的所述X-Y平面上的单位结构区域R(x，y)上，位于所述单位结构区域R(x，y)内的不同折射率区域的重心G1与成为所述单位结构区域R(x，y)的中心的晶格点O(x，y)分开距离r、且从所述晶格点O(x，y)向所述重心G1的矢量朝向特定方向，
其中，M1为1以上的整数，N1为1以上的整数，x为1以上M1以下的整数，y为1以上N1以下的整数。
2.如权利要求1所述的半导体发光元件，其特征在于，
还包括：分离区域，其将所述多个相位调制区域分别电分离，并且将从沿着所述Z轴的方向看时与所述多个相位调制区域重叠的所述活性层、所述第1包覆层和所述第2包覆层各自中的多个对应区域电分离。
3.如权利要求2所述的半导体发光元件，其特征在于，
所述分离区域与所述多个相位调制区域一起将所述活性层、所述相位调制层、所述第1包覆层和所述第2包覆层各自中的所述多个对应区域光学分离。
4.如权利要求2或3所述的半导体发光元件，其特征在于，
所述分离区域在所述多个相位调制区域中相邻的相位调制区域之间的区域上，从所述第2面朝向所述共用基板层延伸，直至到达所述共用基板层为止，
所述分离区域的前端与所述第1面侧电极的距离为所述共用基板层的、沿着所述Z轴的方向的厚度的一半以下。
5.如权利要求2～4中的任一项所述的半导体发光元件，其特征在于，
所述分离区域为由起因于高强度光照射的电场而改质的半导体层、通过杂质扩散或离子注入法而绝缘化的半导体层和通过干蚀刻或湿蚀刻形成的空气间隙中的任一种。
6.如权利要求1～5中的任一项所述的半导体发光元件，其特征在于，
以所述光束投影区域在从所述第2面侧电极的任一电极供给驱动电流的情况下均相等的方式，确定所述相位调制区域各自中的所述配置图案。
7.如权利要求1～6中的任一项所述的半导体发光元件，其特征在于，
以所述光束投影图案在从所述多个第2面侧电极的任一电极供给驱动电流的情况下均相等的方式，确定所述相位调制区域各自中的所述配置图案。
8.如权利要求1～7中的任一项所述的半导体发光元件，其特征在于，
在令所述假想的正方晶格的晶格常数为a时，所述距离r满足0≤r≤0.3a，
所述XYZ直角坐标系中的坐标(x，y，z)相对于由矢径的长度d1、自所述Z轴起的倾斜角θtilt和在所述X-Y平面上特定的自所述X轴起的旋转角θrot规定的球面坐标(d1，θtilt，θrot)满足以以下的式(1)～式(3)所表示的关系，
[数式1]
x＝d1sinθtiltcosθrot…(1)
[数式2]
y＝d1sinθtiltsinθrot…(2)
[数式3]
z＝d1cosθtilt…(3)
令所述目标光束投影图案为朝向由角度θtilt和θrot规定的方向的亮点的集合时，所述角度θtilt和θrot换算成作为由以下的式(4)规定的标准化波数的与所述X轴对应的Kx轴上的坐标值kx和作为由以下的式(5)规定的标准化波数的与所述Y轴对应并且与所述Kx轴正交的Ky轴上的坐标值ky，
[数式4]
[数式5]
a：所述假想的正方晶格的晶格常数
λ：所述半导体发光元件的振荡波长
在由所述Kx轴和所述Ky轴规定的波数空间中，包含所述光束投影图案的特定的波数范围分别由正方形的M2×N2个图像区域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，通过将由Kx轴方向的坐标成分kx和Ky轴方向的坐标成分ky特定的图像区域FR(kx，ky)分别二维傅立叶逆变换成所述X-Y平面上的所述单位结构区域R(x，y)而得到的复振幅F(x，y)以j为虚数单位而由以下的式(6)赋予，其中，kx为1以上M2以下的整数，ky为1以上N2以下的整数，
[数式6]
在所述单位结构区域R(x，y)中，令振幅项为A(x，y)并且令相位项为P(x，y)时，所述复振幅F(x，y)由以下的式(7)规定，
[数式7]
F(x，y)＝A(x，y)×exp[jP(x，y)]…(7)
并且所述单位结构区域R(x，y)由与所述X轴和所述Y轴分别平行且在所述晶格点O(x，y)上正交的s轴和t轴规定时，
所述相位调制层被构成为，
连接所述晶格点O(x，y)与所述对应的不同折射率区域的重心G1的线段和所述s轴所成的角度φ(x，y)满足成为下述式的关系的所述对应的不同折射率区域配置在所述单位结构区域R(x，y)内，
φ(x，y)＝C×P(x，y)+B
C：比例常数
B：任意常数。
9.如权利要求1～7中的任一项所述的半导体发光元件，其特征在于，
所述XYZ直角坐标系中的坐标(x，y，z)相对于由矢径的长度d1、自所述Z轴起的倾斜角θtilt和在所述X-Y平面上特定的自所述X轴起的旋转角θrot特定的球面坐标(d1，θtilt，θrot)满足由以下的式(8)～式(10)表示的关系，
[数式8]
x＝d1sinθtiltcosθrot…(8)
[数式9]
y＝d1sinθtilisinθrot…(9)
[数式10]
z＝d1cosθtilt…(10)
令所述目标光束投影图案为朝向由角度θtilt和θrot规定的方向的亮点的集合时，所述角度θtilt和θrot换算成作为由以下的式(11)规定的标准化波数的与所述X轴对应的Kx轴上的坐标值kx和作为由以下的式(12)规定的标准化波数的与所述Y轴对应并且与所述Kx轴正交的Ky轴上的坐标值ky，
[数式11]
[数式12]
a：所述假想的正方晶格的晶格常数
λ：所述半导体发光元件的振荡波长
在由所述Kx轴和所述Ky轴规定的波数空间中，包含所述目标光束投影图案的特定的波数范围分别由正方形的M2×N2个图像区域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，通过将由Kx轴方向的坐标成分kx和Ky轴方向的坐标成分ky特定的图像区域FR(kx，ky)分别二维傅立叶逆变换成所述X-Y平面上的所述单位结构区域R(x，y)而得到的复振幅F(x，y)以j为虚数单位而由以下的式(13)赋予，其中，kx为1以上M2以下的整数，ky为1以上N2以下的整数，
[数式13]
在所述单位结构区域R(x，y)中，令振幅项为A(x，y)并且令相位项为P(x，y)时，所述复振幅F(x，y)由以下的式(14)规定，
[数式14]
F(x，y)＝A(x，y)×exp[jP(x，y)]…(14)
并且所述单位结构区域R(x，y)由与所述X轴和所述Y轴分别平行且在所述晶格点O(x，y)上正交的s轴和t轴规定时，
所述相位调制层被构成为，
所述对应的不同折射率区域的重心G1位于通过所述晶格点O(x，y)的、从所述s轴倾斜的直线上且所述晶格点O(x，y)至所述对应的不同折射率区域的重心G1为止的线段长度r(x，y)满足成为下述式的关系的所述对应的不同折射率区域配置在所述单位结构区域R(x，y)内，
r(x，y)＝C×(P(x，y)-P0)
C：比例常数
P0：任意常数。
10.如权利要求1～9中的任一项所述的半导体发光元件，其特征在于，
在所述多个相位调制区域中的至少1个相位调制区域中，
在所述多个不同折射率区域的全部中，在所述X-Y平面上被规定的形状、在所述X-Y平面上被规定的面积和在所述X-Y平面上被规定的所述距离r中的至少任一者一致。
11.如权利要求1～10中的任一项所述的半导体发光元件，其特征在于，
所述多个不同折射率区域的、所述X-Y平面上的形状为以下形状中的任一形状：正圆、正方形、正六边形、正八边形、正十六边形、正三角形、等腰直角三角形、长方形、椭圆、2个圆或椭圆的一部分重叠的形状、通过以沿着其长轴的一个端部附近的短轴方向的尺寸小于另一个端部附近的所述短轴方向的尺寸的方式将椭圆变形而得到的卵型形状、通过将沿着其长轴的椭圆的一个端部变形为沿长轴方向突出的尖的端部而得到的泪滴型形状、等腰三角形、矩形的一个边构成三角形的切口部而与所述一个边相对的边构成三角形的突起部的箭头型形状、梯形、五边形和2个矩形的一部分重叠的形状。
12.如权利要求1～11中的任一项所述的半导体发光元件，其特征在于，
所述多个相位调制区域中的至少1个相位调制区域包括：
由所述M1×N1个单位结构区域R构成的内侧区域；和
外侧区域，以包围所述内侧区域的外周的方式设置，包含多个周边晶格点不同折射率区域，该多个周边晶格点不同折射率区域以与通过在所述假想的正方晶格的外周设定与所述假想的正方晶格相同的晶格结构而规定的放大正方晶格中的晶格点分别重叠的方式配置。
13.如权利要求1～12中的任一项所述的半导体发光元件，其特征在于，
所述多个相位调制区域中的至少1个相位调制区域包括分别配置在所述M1×N1个单位结构区域R的多个晶格点不同折射率区域，该多个晶格点不同折射率区域各自的重心G2与对应的单位结构区域R的所述晶格点O一致。
14.一种制造方法，其特征在于，
是用于制造权利要求1～13中的任一项所述的半导体发光元件的制造方法，
包括：
第1工序，形成所述共用基板层；
第2工序，在所述共用基板层上形成具有第3面和与所述第3面相对并且与所述共用基板层相面对的第4面的元件主体，所述元件主体至少包含配置在所述第3面与所述第4面之间的所述活性层、所述相位调制层、所述第1包覆层和所述第2包覆层，所述相位调制层中的所述基本区域由应该成为所述多个相位调制区域且分别包含所述多个不同折射率区域的多个部分以彼此分开规定距离的状态配置的单一层构成；和
第3工序，在所述元件主体内形成至少将应该成为所述多个相位调制区域的多个部分电分离的分离区域，所述分离区域从所述3面朝向所述第4面形成，直至到达所述共用基板层为止。
15.如权利要求14所述的制造方法，其特征在于，
所述分离区域的前端与所述第1面侧电极的距离为所述共用基板层的、沿着从所述3面向所述第4面的方向的厚度的一半以下。
16.如权利要求14或15所述的制造方法，其特征在于，
所述分离区域为由起因于高强度光照射的电场而改质的半导体层、通过杂质扩散或离子注入法而绝缘化的半导体层和通过干蚀刻或湿蚀刻形成的空气间隙中的任一种。
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