CN111448725B - 发光装置及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本实施方式涉及一种分别关联的不同折射率区域的重心位置与晶格点的位置关系与现有的发光装置不同的发光装置及其制造方法。在该发光装置中，在基板上设置有包含发光部和与该发光部光学耦合的相位调制层的层叠体。相位调制层包含基本层和设置于该基本层内的多个不同折射率区域。各不同折射率区域的重心位置配置于通过设定于基本层的设计面上的假想的正方晶格的晶格点中的对应的基准晶格点的假想直线上。另外，基准晶格点与不同折射率区域的重心的沿该假想直线的距离以从该发光装置输出形成光学图像的光的方式对多个不同折射率区域的各个个别地设定。

Description

发光装置及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种发光装置及其制造方法。
背景技术
在专利文献1中记载了涉及作为发光装置的半导体发光元件的技术。该半导体发光元件具备活性层、夹持该活性层的一对包覆层、以及与活性层光学耦合的相位调制层。相位调制层包含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不同折射率区域。在设定了使相位调制层的厚度方向与Z轴方向一致的XYZ正交坐标系，进一步在相当于该相位调制层的设计面的X-Y平面上设定了晶格间隔a的假想的正方晶格的情况下，不同折射率区域分别以各重心位置从假想的正方晶格中的晶格点(关联于不同折射率区域的任一者的晶格点)偏移距离r的方式配置。距离r满足0<r≤0.3a。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：国际公开第2016/148075号
发明内容
发明所要解决的技术问题
本发明人们对现有的发光装置进行了研究，结果发现了以下问题。即，研究通过控制从二维状地排列的多个发光点输出的光的相位谱和强度谱来输出任意的光学图像的发光装置。作为这样的发光装置的构造之一，存在一种包含设置于基板上的相位调制层的构造。相位调制层包含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不同折射率区域。在正交于该相位调制层的厚度方向的面(设计面)上设定有假想的正方晶格的情况下，以各重心位置分别对应于应当输出的光学图像而从假想的正方晶格的相对应的晶格点的位置偏移的方式，分别配置不同折射率区域。这种发光装置被称为S-iPM(静态可积分相位调制(Static-integrable Phase Modulating))激光器，沿相对于基板的主面的法线方向倾斜的方向输出形成任意形状的光学图像的光。
一直以来，作为这种发光装置，如上述专利文献1所记载的半导体发光元件那样，已知有一种在不同折射率区域的重心位置的各个离开假想的正方晶格的对应的晶格点的状态下，以构成对应于在该对应的晶格点周围应当输出的光学图像的旋转角度的方式配置的发光装置。然而，只要可以实现分别关联的不同折射率区域的重心位置与晶格点的位置关系与现有不同的新的发光装置，则相位调制层的设计的宽度扩大，是极为有用的。
本发明为了解决上述问题而完成，其目的在于，提供一种分别关联的不同折射率区域的重心位置与晶格点的位置关系与现有不同的新的发光装置及其制造方法。
解决问题的技术手段
本发明所涉及的发光装置是一种沿主面的法线方向以及相对于该法线方向倾斜的倾斜方向中的至少任一者的方向输出用于形成光学图像的光的发光装置，具备用于解决上述问题的构造。即，该发光装置具备：基板，其具有主面；发光部，其设置于基板上；相位调制层，其在与发光部光学耦合的状态下设置于基板上。相位调制层包含基本层、以及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。当在垂直于相位调制层的厚度方向的该相位调制层的设计面上设定有假想的正方晶格时，多个不同折射率区域的重心位置的各个配置于通过假想的正方晶格的对应的晶格点，并且相对于该正方晶格倾斜的直线上。另外，不同折射率区域的重心位置与对应的晶格点的各距离以形成光学图像的光从该发光装置输出的方式个别地设定。
发明的效果
根据本发明，能够提供一种分别关联的不同折射率区域的重心位置与晶格点的位置关系与现有的发光装置不同的发光装置。
附图说明
图1是示出作为本发明的第一实施方式所涉及的发光装置的半导体发光元件的结构的立体图。
图2是示出半导体发光元件的层叠构造的截面图。
图3是示出在包覆层11和活性层12之间设置有相位调制层的情况下的半导体发光元件的层叠构造的图。
图4是相位调制层的俯视图。
图5是示出相位调制层中的不同折射率区域的位置关系的图。
图6是示出仅在相位调制层的特定区域内应用了折射率大致周期构造的例子的俯视图。
图7是用于说明半导体发光元件的输出光束图案成像而得到的光学图像与相位调制层中的距离的分布的关系的图。
图8是用于说明从球面坐标向XYZ正交坐标系的坐标的坐标转换的图。
图9是用于说明从光学图像的傅里叶变换结果求得相位角分布来决定不同折射率区域的配置时的注意点的图。
图10是示出从半导体发光元件输出的光束图案(光学图像)的例子的图和包含与半导体发光元件的发光面交叉并垂直于发光面的轴线的截面中的光强度分布的图表。
图11是示出对应于图10的(a)所示的光束图案的相位分布的图、以及图11的(a)的局部放大图。
图12是概念性地示出各方向的行波的光束图案的例子的图(在该例子中，相对于X轴和Y轴的直线D的倾斜角被设定为45°)。
图13是示出使不同折射率区域在晶格点的周围旋转的现有的方式的图和示出行波AU、AD、AR、AL的图。
图14是示出在通过晶格点并相对于正方晶格倾斜的轴线上不同折射率区域移动的方式的图和示出行波AU、AD、AR、AL的图。
图15是示出0次光、-1次光以及1次光(+1次光)的振幅与值R0的关系的图表。
图16是示出0次光、-1次光以及1次光(+1次光)的光强度与值R0的关系的图表。
图17是放大图16的一部分并示出的图表。
图18是示出-1次光的光强度I-1与1次光的光强度I1的比(I1/I-1)与值R0的关系的图表。
图19是示出设置于X-Y平面(设计面)上的不同折射率区域的平面形状的例子的图(其1)。
图20是示出X-Y平面(设计面)上的不同折射率区域的平面形状的例子的图(其2)。
图21是示出X-Y平面(设计面)上的不同折射率区域的平面形状的例子的图(其3)。
图22是示出X-Y平面(设计面)上的不同折射率区域的平面形状的例子的图(其4)。
图23是示出第二变形例所涉及的发光装置的结构的图。
图24是示出作为第二实施方式所涉及的发光装置的半导体发光元件的截面构造的图。
图25是示出相位调制层设置于包覆层11和活性层12之间的情况下的半导体发光元件的层叠构造的图。
图26是从表面侧观察半导体发光元件的俯视图。
图27是示出半导体发光元件由GaAs类化合物半导体构成的情况(发光波长940nm带)的层构造的表。
图28是具备图27所示的层构造的半导体发光元件的折射率分布和模式分布。
图29是示出半导体发光元件由InP类化合物半导体构成的情况(发光波长1300nm带)的层构造的表。
图30是具备图29所示的层构造的半导体发光元件的折射率分布和模式分布。
图31是示出在半导体发光元件由氮化物类化合物半导体构成的情况(发光波长405nm带)的层构造的表。
图32是具备图31所示的层构造的半导体发光元件的折射率分布和模式分布。
图33是用于说明通过6层平板型波导来近似波导构造的情况的截面图和折射率分布。
图34是用于说明通过5层平板型波导来近似波导构造的情况的截面图和折射率分布。
图35是示出在6层平板型波导中关于光波导层的3层平板构造的截面图和折射率分布。
图36是示出在6层平板型波导中关于接触层的3层平板构造的截面图和折射率分布。
图37是示出在5层平板型波导中关于光波导层的3层平板构造的截面图和折射率分布。
图38是示出在5层平板型波导中关于接触层的3层平板构造的截面图和折射率分布。
图39是示出由包覆层11、光波导层31、以及包覆层13构成的3层平板结构的截面图以及其折射率分布。
图40是示出半导体发光元件由GaAs类化合物半导体构成的情况下的5层平板构造的例子的表。
图41是示出在计算中使用的折射率n1、n2和n3、不对称参数a’以及包覆层11的折射率nclad的表、以及示出下限值和上限值的计算结果的表。
图42是示出由式(1)和式(2)表示的光波导层的标准化波导宽度V1与标准化传播系数b的关系的图表。
图43是示出在计算中使用的折射率n4、n5和n6、不对称参数a’以及包覆层11的折射率nclad的表、以及示出上限值的计算结果的表。
图44是示出由式(5)和式(6)表示的接触层的标准化波导宽度V2与标准化传播系数b的关系的图表。
图45是具备图40所示的层构造的半导体发光元件的折射率分布和模式分布。
图46是示出半导体发光元件由InP类化合物半导体构成的情况下的6层平板构造的例子的表。
图47是示出在计算中使用的折射率n1、n2和n3、不对称参数a’以及包覆层11的折射率nclad的表、以及示出下限值和上限值的计算结果的表。
图48是示出由式(1)和式(2)表示的光波导层的标准化波导宽度V1与标准化传播系数b的关系的图表。
图49是示出在计算中使用的折射率n4、n5和n6、不对称参数a’以及包覆层11的折射率nclad的表、以及示出上限值的计算结果的表。
图50是示出由式(5)和式(6)表示的接触层的标准化波导宽度V2与标准化传播系数b的关系的图表。
图51是具备46所示的层构造的半导体发光元件的折射率分布和模式分布。
图52是示出半导体发光元件由氮化物类化合物半导体构成的情况下的6层平板构造的例子的表。
图53是示出在计算中使用的折射率n1、n2和n3、不对称参数a’以及包覆层11的折射率nclad的表、以及示出下限值和上限值的计算结果的表。
图54是示出由式(1)和式(2)表示的光波导层的标准化波导宽度V1与标准化传播系数b的关系的图表。
图55是示出在计算中使用的折射率n4、n5和n6、不对称参数a’以及包覆层11的折射率nclad的表、以及示出上限值的计算结果的表。
图56是示出由式(5)和式(6)表示的接触层的标准化波导宽度V2与标准化传播系数b的关系的图表。
图57是具备图52所示的层构造的半导体发光元件的折射率分布和模式分布。
具体实施方式
[本申请发明的实施方式的说明]
首先，对本申请发明的实施方式的内容分别个别地举例而进行说明。
(1)在本实施方式所涉及的发光装置的制造方法中，应当制造的发光装置为了沿主面的法线方向以及相对于该法线方向倾斜的倾斜方向中的至少任一者的方向输出形成光学图像的光，至少具备基板、发光部和相位调制层。基板具有上述主面。发光部设置于基板上。相位调制层在与发光部光学耦合的状态下设置于基板上。另外，相位调制层包含基本层、以及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。当在正交于相位调制层的厚度方向的面、即相位调制层的设计面上设定有假想的正方晶格时，多个不同折射率区域的各个中，各重心位置配置于通过假想的正方晶格的晶格点(关联于不同折射率区域的任一者的晶格点)并且相对于正方晶格倾斜的直线上。不同折射率区域的重心位置与对应的晶格点的各距离以形成光学图像的光从该发光装置输出的方式个别地设定。
更具体地，在相位调制层的设计面上，多个不同折射率区域分别以与假想的正方晶格的任一晶格点一对一对应的方式配置。此时，将构成假想的正方晶格的晶格点中的多个不同折射率区域所关联的多个有效晶格点中，连结任意的特定晶格点与关联于该特定晶格点的特定不同折射率区域的重心的线段分别相对于连结相对于该特定晶格点以最短距离邻接的多个周边晶格点和分别关联于该多个周边晶格点的多个周边不同折射率区域的重心的线段平行。更优选，在多个有效晶格点中，连结任意的特定晶格点与关联于该特定晶格点的特定不同折射率区域的重心的线段分别相对于连结除了该特定晶格点的其余的有效晶格点和分别关联于该其余的有效晶格点的其余的不同折射率区域的线段平行。
在该发光装置中，在通过假想的正方晶格的晶格点并且相对于该正方晶格倾斜的直线上，配置有各不同折射率区域的重心。于是，各不同折射率区域的重心与对应的晶格点的各距离以形成光学图像的光从该发光装置输出的方式个别地设定。根据这一构造，与各不同折射率区域的重心在各晶格点周围具有对应于光学图像的旋转角度的现有的构造同样地，可以沿相对于基板的主面的法线方向倾斜的方向输出任意形状的光学图像。即，能够提供一种各不同折射率区域的重心与各晶格点的位置关系与现有不同的发光装置。
(2)具体而言，本实施方式所涉及的发光装置的制造方法，作为其一个方式，具备准备工序和层叠工序。在准备工序中，准备基板。在层叠工序中，将发光部和与该发光部光学耦合的相位调制层设置于基板上。层叠工序至少包含第一工序和第二工序。在第一工序中，将具有规定的折射率并且构成相位调制层的一部分的基本层设置于基板上。在第二工序中，在由第一工序设置的基本层内设置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。第二工序包含第一～第四设定工序、以及区域形成工序。
此外，在第一设定工序中，在正交于基板的主面的法线方向的基本层的设计面上，设定假想的正方晶格。正方晶格由分别互相平行地配置的多个第一基准线和在分别正交于多个第一基准线的状态下互相平行地配置的多个第二基准线规定。在第二设定工序中，作为所述正方晶格的晶格点中的成为从多个不同折射率区域选择的不同折射率区域的配置基准的基准晶格点，特定多个第一基准线的任一者与多个第二基准线的任一者的交点。在第三设定工序中，在基本层的设计面上，设定通过基准晶格点并且相对于在该基准晶格点正交的第一基准线或第二基准线具有规定的倾斜角度的假想直线。在该假想直线上，配置有选择的不同折射率区域的重心。在第四设定工序中，在基本层的设计面上，以输出形成光学图像的光的至少一部分的方式，设定从基准晶格点到所选择的不同折射率区域的重心的假想直线上的距离。在区域形成工序中，相对于多个不同折射率区域的各个重复上述的第二～第四设定工序，由此在基本层内形成多个不同折射率区域。
(3)作为本实施方式的一个方式，包含于第二工序的第二～第四设定工序对于多个不同折射率区域中的一部分不同折射率区域，也可以在同一条件下进行。例如也可以为：关于多个不同折射率区域中的至少以基准晶格点为配置基准的选择的不同折射率区域、以及以与该基准晶格点以最短距离邻接的晶格点为配置基准的周边不同折射率区域的各个，在固定了倾斜角度的状态下，进行第二～第四设定工序。另外，作为本实施方式的一个方式，包含于第二工序的第二～第四设定工序也可以关于多个不同折射率区域的各个，在固定了倾斜角度的状态下进行。
(4)作为本实施方式的一个方式，以包含于在基准晶格点正交的第一基准线或第二基准线且连结基准晶格点和邻接于该基准晶格点的晶格点的线段为基准的倾斜角度优选为除了0°、90°、180°和270°以外的角度。另外，作为本实施方式的一个方式，以包含于在基准晶格点正交的第一基准线或第二基准线且连结基准晶格点和邻接于该基准晶格点的晶格点的线段为基准的倾斜角度优选为45°、135°、225°或315°。由此，沿正方晶格行进的四个基本波(在以设定于X-Y平面上的正方晶格的各晶格点为原点的情况下，沿X轴正方向行进的光、沿X轴负方向行进的光、沿Y轴正方向行进的光、以及沿Y轴负方向行进的光)可以均等地有助于光学图像。此外，当上述倾斜角度为0°、90°、180°或270°时，上述直线(通过晶格点的假想直线)对应于正方晶格的X轴或Y轴，但是，此时，例如在倾斜角度为0°或180°且上述直线沿X轴的情况下，由于四个基波中的在Y轴方向相对的两个行波不受到相位调制，因此对信号光无贡献。另外，在倾斜角度为90°或270°且上述直线沿Y轴的情况下，在X轴方向相对的两个行波对信号光无贡献。因此，在倾斜角为0°、90°、180°或者270°的情况下，信号光的生成效率降低。
(5)作为本实施方式的一个方式，发光部优选为设置于基板上的活性层。根据该结构，可以容易地使发光部与相位调制层光耦合。
(6)作为本实施方式的一个方式，在通过上述的制造方法制造的本实施方式所涉及的发光装置中，多个不同折射率区域根据用于形成光学图像的配置图案，配置于基本层中的规定位置。具体地，配置图案被规定为：在由与主面的法线方向一致的Z轴、以及与相位调制层的设计面(例如包含多个不同折射率区域的相位调制层的一个面)一致的包含互相正交的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，设定有由分别具有正方形形状的M1(1以上的整数)×N1(1以上的整数)个单位构成区域R构成的假想的正方晶格时，在由X轴方向的坐标分量x(1以上且M1以下的整数)和Y轴方向的坐标分量y(1以上且N1以下的整数)所特定的X-Y平面上的单位构成区域R(x,y)中，位于单位构成区域R(x,y)内的不同折射率区域的重心G从成为单位构成区域R(x,y)的中心的晶格点O(x,y)离开距离r，并且从晶格点O(x,y)向重心G的向量朝向特定方向。另外，特定方向由通过晶格点O(x,y)的直线的相对于X轴的倾斜角度规定。
(7)作为本实施方式的一个方式，也可以为：在M1×N1个单位构成区域R中分别配置有多个不同折射率区域的多个有效单位构成区域中，在多个有效单位构成区域所包含的特定单位构成区域内设定的直线(通过晶格点的假想直线)的倾斜角度与由与该特定单位构成区域共有一条边的邻接单位构成区域的各个设定的直线的倾斜角度一致。再有，也可以为：在M1×N1个单位构成区域R中分别配置有多个不同折射率区域的多个有效单位构成区域中，在多个有效单位构成区域所包含的特定单位构成区域内设定的直线的倾斜角度与由除了特定单位构成区域的其余的有效单位构成区域的各个设定的直线的倾斜角度一致。
(8)作为本实施方式的一个方式，优选将以晶格点O(x,y)为起点的线段(平行于X轴的线段)的一部分作为基准的倾斜角度为除了0°、90°、180°和270°以外的角度。另外，作为本实施方式的一个方式，优选将以晶格点O(x,y)为起点的线段(平行于X轴的线段)的一部分作为基准的倾斜角度为45°、135°、225°或315°。如上所述，这是由于当倾斜角度为0°、90°、180°或270°时，信号光的生成效率降低。
在上文中，在该[本申请发明的实施方式的说明]一栏中列举的各方式能够适用于其余的所有方式的各个、或者这些其余的方式的所有的组合。
[本申请发明的实施方式的细节]
以下，参照附图对本发明所涉及的发光装置及其制造方法的具体例进行详细的说明。另外，本发明并不限定于这些例子，而是意图包含由权利要求的范围进行表示且与权利要求的范围等同的意思和范围内的所有的变更。另外，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。
(第一实施方式)
图1是示出作为本发明的第一实施方式所涉及的发光装置的半导体发光元件1A的结构的立体图。此外，定义通过半导体发光元件1A的中心且将沿半导体发光元件1A的厚度方向延伸的轴设定为Z轴的XYZ正交坐标系。半导体发光元件1A是沿X-Y平面形成驻波，且沿Z轴方向输出经相位控制的平面波的S-iPM激光器，如后面所述，沿半导体基板(基板)10的主面10a的法线方向(即Z轴方向)以及相对于该法线方向倾斜的倾斜方向中的至少任一者的方向，输出用于形成二维的任意形状的光学图像的光。
图2是示出半导体发光元件1A的层叠构造的截面图。如图1和图2所示，半导体发光元件1A具备：设置于半导体基板10上的作为发光部的活性层12；夹持活性层12的一对包覆层11、13；以及设置于包覆层13上的接触层14。这些半导体基板10和各层11～14通过例如GaAs类半导体、InP类半导体、或者氮化物类半导体等的化合物半导体而构成。包覆层11的能带隙和包覆层13的能带隙比活性层12的能带隙大。半导体基板10和各层11～14的厚度方向与Z轴方向一致。
另外，半导体发光元件1A还包含与活性层12光学耦合的相位调制层15。在本实施方式中，相位调制层15设置于活性层12和包覆层13之间。根据需要，可以在活性层12和包覆层13之间、以及活性层12和包覆层11之间中的至少一方设置有光引导层。在光引导层设置于活性层12和包覆层13之间的情况下，相位调制层15设置于包覆层13和光引导层之间。相位调制层15的厚度方向与Z轴方向一致。此外，光引导层也可以包含用于有效地将载流子关入到活性层12的载流子势垒层。
如图3所示，相位调制层15也可以设置于包覆层11和活性层12之间。此外，在光引导层设置于活性层12和包覆层11之间的情况下，相位调制层15设置于包覆层11和光引导层之间。
相位调制层15包含基本层15a、存在于基本层15a内的多个不同折射率区域15b。基本层15a由第一折射率介质构成，多个不同折射率区域15b的各个由具有与第一折射率介质的折射率不同的折射率的第二折射率介质构成。多个不同折射率区域15b包含大致周期构造。在将相位调制层15的有效折射率设定为n的情况下，相位调制层15所选择的波长λ0(＝a×n，a为晶格间隔)被包含于活性层12的发光波长范围内。相位调制层15可以选择活性层12的发光波长中的波长λ0并输出至外部。进入相位调制层15内的激光在相位调制层15内对应于不同折射率区域15b的配置而形成规定的模式，最终作为具有期望的图案的激光光束，激光从半导体发光元件1A的表面输出至外部。
半导体发光元件1A还具备设置于接触层14上的电极16和设置于半导体基板10的背面10b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。电极17具有开口17a。电极16设置于接触层14的中央区域。接触层14上的电极16以外的部分被保护膜18(参照图2)覆盖。此外，可以去除不与电极16接触的接触层14。半导体基板10的背面10b中的电极17以外的部分(包含开口17a内)被反射防止膜19覆盖。可以去除处于开口17a以外的区域的反射防止膜19。
当对电极16和17之间供给驱动电流时，在活性层12内发生电子与空穴的再结合，并且在活性层12内产生光。有助于该发光的电子和空穴、以及产生的光被有效地关入到包覆层11和包覆层13之间。
从活性层12输出的光进入相位调制层15的内部，形成对应于相位调制层15的内部的晶格构造的规定的模式。从相位调制层15A输出的激光直接地从背面10b通过开口17a输出至半导体发光元件1A的外部，或者在电极16被反射之后从背面10b通过开口17a输出至半导体发光元件1A的外部。此时，激光所包含的0次光向垂直于主面10a的方向(主面10a的法线方向)输出。相对于此，激光所包含的信号光向主面10a的法线方向和相对于该法线方向倾斜的方向中的至少任一者的方向，以形成二维的任意形状的光学图像的方式输出。形成期望的光学图像的是信号光。
作为一个例子，半导体基板10是GaAs基板，并且包覆层11、活性层12、包覆层13、接触层14和相位调制层15分别是由III族元素和V族元素构成的化合物半导体层。具体地，例如，包覆层11由AlGaAs构成。活性层12具有多量子阱结构(势垒层：AlGaAs/阱层：InGaAs)。在相位调制层15中，基本层15a由GaAs构成，并且不同折射率区域15b是凹部(也可以是空位)。包覆层13由AlGaAs构成。接触层14由GaAs构成。此外，活性层12的多量子阱结构为交替地层叠有势垒层和阱层的构造，势垒层由AlGaAs构成，阱层由InGaAs构成。
AlGaAs的能带隙和折射率通过改变Al的组成比而可以容易地改变。关于AlxGa1- xAs，当使相对地原子半径小的Al的组成比x减少(增加)时，与该组成比x正相关的能带隙变小(变大)。另外，即使是通过使原子半径大的In混入到GaAs而得到的InGaAs，能带隙也变小。即，包覆层11、13的Al组成比比活性层12的势垒层(AlGaAs)的Al组成比大。包覆层11、13的Al组成比例如被设定为0.2～1.0(例如0.4)。活性层12的势垒层的Al组成比设定为例如0～0.3(例如0.15)。
此外，在从半导体发光元件1A输出的相当于光学图像的光束图案中，存在具有网眼状的暗部的噪声光重叠的情况。根据发明人们的研究，具有该网眼状的暗部的噪声光由在半导体发光元件1A的内部的层叠方向的高次模式引起。在此，层叠方向的基本模式是指，具有遍及包含活性层12且被包覆层11和包覆层13夹持的区域而存在一个峰的强度分布的模式。另外，高次模式是指，具有存在两个以上的峰的强度分布的模式。此外，基本模式的强度分布的峰形成于活性层12附近，相对于此，高次模式的强度分布的峰也形成于包覆层11、包覆层13、接触层14等。另外，作为层叠方向的模式存在波导模式和泄漏模式，但是泄漏模式未稳定地存在。因此，在以下的说明中仅着眼于波导模式。另外，在波导模式中具有在沿X-Y平面的方向上存在电场向量的TE模式和在垂直于X-Y平面的方向上存在电场向量的TM模式，但是在以下的说明中仅着眼于TE模式。当活性层12与接触层之间的包覆层13的折射率比活性层12与半导体基板之间的包覆层11的折射率大时，如上所述的高次模式显著地发生。通常，活性层12以及接触层14的折射率明显地高于包覆层11、13的折射率。因此，当包覆层13的折射率比包覆层11的折射率大时，在包覆层13，光也被关入，形成波导模式。由此，产生高次模式。
在本实施方式的半导体发光元件1A中，包覆层13的折射率为包覆层11的折射率以下。由此，抑制了如上所述的高次模式的产生，并且能够降低重叠于光束图案的具有网眼状的暗部的噪声光。
此处，对包含活性层12的光波导层的适合的厚度进行说明。作为前提，在相位调制层15的折射率比包覆层11的折射率小的情况下，光波导层作为仅包含活性层12的层(光波导层不包含包覆层11、包覆层13和相位调制层15)，被视为由这样的光波导层、以及邻接于该光波导层的上下2层构成的3层平板波导构造。另一方面，在相位调制层15的折射率为包覆层11的折射率以上的情况下，光波导层作为包含相位调制层15和活性层12的层(不包含包覆层11和包覆层13)，被视为由这样的光波导层、以及邻接于该光波导层的上下2层构成的3层平板波导构造。此外，层厚方向的波导模式为TE模式。此时，光波导层的标准化波导宽度V1和TE模式的标准化传播常数b由以下的式(1)规定。
[式1]
Figure GDA0002525833800000141
然而，当波导模式形成于光波导层时(模式次数为N1)，为了不使波导模式经包覆层11而泄漏于半导体基板10，TE模式的等效折射率需要比包覆层11的折射率高，并且标准化传播常数b需要满足以下的式(2)。
[式2]
Figure GDA0002525833800000142
此时，如果在满足上述式(1)和式(2)的标准化波导宽度V1的解仅为一个的范围内，则对光波导层进行导波的模式是单一的。a’、b分别表示3层平板波导中的不对称参数和标准化传播常数，并且是分别满足以下的式(3)和式(4)的实数。此外，在式(3)和式(4)中，nclad是包覆层11的折射率，n1是包含活性层12的光波导层的折射率，n2是邻接于光波导层的层中的折射率高的层的折射率、n3是邻接于光波导层的层中的折射率低的层的折射率，neff是对于由光波导层和邻接于光波导层的上下2层构成的3层平板波导构造的TE模式的等效折射率。
[式3]
Figure GDA0002525833800000143
[式4]
Figure GDA0002525833800000144
根据发明人们的研究，可知在包含活性层12的光波导层(高折射率层)中也产生高次模式。于是，发明人们发现了，通过适当地控制光波导层的厚度和折射率，可以抑制高次模式。即，通过使光波导层的标准化波导宽度V1的值满足上述的条件，可以进一步抑制高次模式的产生，并且可以更进一步降低重叠于光束图案的具有网眼状的暗部的噪声光。
接触层14的适当的厚度如下所述。即，在由接触层14和邻接于接触层14的上下2层构成的3层平板波导构造中，标准化波导宽度V2和TE模式的标准化传播常数b由以下的式(5)规定。
[式5]
Figure GDA0002525833800000151
然而，当波导模式形成于接触层时(模式次数为N2)，为了不使波导模式经包覆层11而泄漏于半导体基板10，TE模式的等效折射率需要比包覆层11的折射率高，并且标准化传播常数b需要满足以下的式(6)。
[式6]
Figure GDA0002525833800000152
此时，如果在满足上述式(5)和式(6)的标准化波导宽度V2无解的范围内，则对接触层14进行导波的模式连基本模式都不存在。
a’、b分别表示3层平板波导中的不对称参数和标准化传播常数，并且是分别满足以下的式(7)和式(8)的实数。此外，在式(7)和式(8)中，n4是接触层14的折射率，n5是邻接于接触层14的层中的折射率高的层的折射率、n6是邻接于接触层14的层中的折射率低的层的折射率，neff是对于由接触层14和邻接的上下2层构成的3层平板波导构造的TE模式的等效折射率。
[式7]
Figure GDA0002525833800000153
[式8]
Figure GDA0002525833800000161
如上所述，通过适当地控制接触层14的厚度，可以抑制由接触层14引起的波导模式的产生，并且可以进一步抑制发生于半导体发光元件的高次模式的产生。
作为另一例子，半导体基板10是InP基板，并且包覆层11、活性层12、相位调制层15、包覆层13和接触层14例如由InP类化合物半导体构成。具体地，例如，包覆层11由InP构成。活性层12具有多量子阱结构(势垒层：GaInAsP/阱层：GaInAsP)。在相位调制层15中，基本层15a由GaInAsP构成，不同折射率区域15b是凹部(也可以是空位)。包覆层13由InP构成。接触层14由GaInAsP构成。
另外，作为又一例子，半导体基板10是GaN基板，并且包覆层11、活性层12、相位调制层15、包覆层13和接触层14例如由氮化物类化合物半导体构成。具体地，例如，包覆层11由AlGaN构成。活性层12具有多量子阱结构(势垒层：InGaN/阱层：InGaN)。在相位调制层15中，基本层15a由GaN构成，不同折射率区域15b是凹部(也可以是空位)。包覆层13由AlGaN构成。接触层14由GaN构成。
对包覆层11赋予与半导体基板10相同的导电类型，对包覆层13和接触层14赋予与半导体基板10相反的导电类型。作为一个例子，半导体基板10和包覆层11为n型，包覆层13和接触层14为p型。相位调制层15在设置于活性层12和包覆层11之间的情况下，具有与半导体基板10相同的导电类型。另一方面，相位调制层15在设置于活性层12和包覆层13之间的情况下，具有与半导体基板10相反的导电类型。此外，杂质浓度例如为1×1017～1×1021/cm3。活性层12是没有有意地添加任意的杂质的本征(i型)，其杂质浓度为1×1015/cm3以下。另外，对相位调制层15的杂质浓度，在需要抑制由经由杂质等级的光吸收造成的损失的影响的情况等下，也可以设为本征(i型)。
半导体基板10的厚度例如为150μm。包覆层11的厚度例如为2000nm。活性层12的厚度例如为175nm。相位调制层15的厚度例如为280nm。不同折射率区域15b的深度例如为200nm。包覆层13的厚度例如为2000nm。接触层14的厚度例如为150nm。
在上述的构造中，不同折射率区域15b是凹部(或者空位)，但是不同折射率区域15b也可以将具有与基本层15a的折射率不同的折射率的半导体埋入到该凹部内。在该情况下，例如，也可以通过蚀刻形成应当成为基本层15a的空位或凹部，并且通过使用金属有机化学气相沉积法、溅射法或外延法将半导体埋入到该空位或凹部内。例如，在基本层15a由GaAs构成的情况下，不同折射率区域15b也可以由AlGaAs构成。另外，在基本层15a的凹部内埋入半导体来形成不同折射率区域15b之后，也可以进一步在其上堆积与不同折射率区域15b相同的半导体。此外，在不同折射率区域15b是凹部(或者空位)的情况下，也可以在该凹部封入有氩气等的不活泼气体、氮气、氢气或空气。
反射防止膜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。作为电介质多层膜，例如，可以使用层叠了选自氧化钛(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)等的电介质层组中的2种以上的电介质层的膜。例如，以相对于波长λ的光的光学膜厚，层叠λ/4的厚度的膜。另外，保护膜18例如是硅氮化物(例如SiN)、硅氧化物(例如SiO2)等的绝缘膜。在半导体基板10和接触层14由GaAs类半导体构成的情况下，电极16可以由包含Cr、Ti、和Pt中的至少一种、以及Au的材料构成，例如，具有Cr层和Au层的层叠构造。电极17可以由包含AuGe和Ni中的至少一种、以及Au的材料构成，例如具有AuGe层和Au层的层叠构造。此外，电极16、17的材料不限于这些范围，只要可以实现欧姆结合即可。
此外，本实施方式所涉及的发光装置的制造方法，为了制造作为该发光装置的半导体发光装置1A，具备：准备工序，其准备半导体基板10；以及层叠工序，其在半导体基板10上，设置包含作为发光部的活性层12和与该活性层12光学耦合的相位调制层15等的多个层。另外，层叠工序，作为用于形成相位调制层15的工序，包含：第一工序，其形成构成相位调制层15的一部分的基本层15a；以及第二工序，其在基本层15a内设置多个不同折射率区域15b。另外，在第二工序中，如后面所述，包含：第一设定工序，其设定假想的正方晶格；第二设定工序，其特定成为选择的不同折射率区域15b的配置基准的基准晶格点；第三设定工序，设定配置有选择的不同折射率区域15b的重心G的假想直线；第四设定工序，其设定从基准晶格点到选择的不同折射率区域的重心的假想直线上的距离；以及区域形成工序，其相对于多个不同折射率区域的各个重复第二～第四设定工序之后，在基本层15a内形成该多个不同折射率区域15b。
图4是相位调制层15的俯视图。该相位调制层15经过上述第二工序而得到。即，相位调制层15包含基本层15a和不同折射率区域15b。基本层15a由第一折射率介质构成，不同折射率区域15b由具有与第一折射率介质的折射率不同的折射率的第二折射率介质构成。在此，在与X-Y平面一致的相位调制层15的设计面上设定假想的正方晶格(第一设定工序)。正方晶格的一边设定为与X轴平行，另一边与Y轴平行。此时，以正方晶格的晶格点O为中心的正方形状的单位构成区域R可以遍及沿X轴并列地排列的多列(第一基准线x1～x4)和沿Y轴并列地排列的多行(第二基准线y1～y3)而二维状地设定。当将各个单位构成区域R的坐标以各个单位构成区域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。不同折射率区域15b在各单位构成区域R内各一个地设置。不同折射率区域15b的平面形状例如是圆形形状。晶格点O可以位于不同折射率区域15b的外部，也可以被包含于不同折射率区域15b的内部。
此外，将在一个单位构成区域R内所占的不同折射率区域15b的面积S的比率称为填充系数(FF)。当将正方晶格的晶格间隔设定为a时，不同折射率区域15b的填充系数FF被赋予为S/a2。S是X-Y平面中的不同折射率区域15b的面积，在不同折射率区域15b的形状例如是正圆的情况下，使用正圆的直径DA而作为S＝π(DA/2)2来赋予。另外，在不同折射率区域15b的形状是正方形的情况下，使用正方形的一边的长度LA而作为SA＝LA2来赋予。
图5是用于说明作为由本实施方式(轴偏移方式)确定的配置图案的一个例子，不同折射率区域15b的重心G与假想的正方晶格中的晶格点O(x,y)的位置关系的图。例如，图5所示的晶格点O(x,y)相当于在第二设定工序中特定的基准晶格点。如图5所示，各不同折射率区域15b的重心G配置于直线D上。此外，直线D相当于在第三设定工序中设定的假想直线，直线D是通过单位构成区域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D是相对于规定单位构成区域R(x,y)的s轴(平行于X轴)和t轴(平行于Y轴)两者倾斜的直线。相对于s轴的直线D的倾斜角度(将以晶格点为起点的s轴的一部分作为基准的倾斜角度)为θ。倾斜角度θ在相位调制层15内是一定的(相位调制层15内的一部分也可以是一定的)。倾斜角度θ满足0°<θ<90°，并且在一个例子中，θ＝45°。另外，倾斜角度θ满足180°<θ<270°，并且在一个例子中，θ＝225°。在倾斜角度θ满足0°<θ<90°或180°<θ<270°的情况下，直线D从由s轴和t轴规定的坐标平面的第一象限跨至第三象限而延伸。或者，倾斜角度θ满足90°<θ<180°，并且在一个例子中，θ＝135°。或者，倾斜角度θ满足270°<θ<360°，并且在一个例子中，θ＝315°。在倾斜角度θ满足90°<θ<180°或270°<θ<360°的情况下，直线D从由s轴和t轴规定的坐标平面的第二象限跨至第四象限而延伸。如此，倾斜角度θ是除了0°、90°、180°和270°以外的角度。在此，将晶格点O(x,y)与重心G的距离设定为r(x,y)。x表示X轴上的第x个晶格点的位置，y表示Y轴上的第y个晶格点的位置。在距离r(x,y)为正的值的情况下，重心G位于第一象限(或第二象限)。在距离r(x,y)为负的值的情况下，重心G位于第三象限(或第四象限)。在距离r(x,y)为0的情况下，晶格点O和重心G互相一致。
如图5所示，各不同折射率区域15b的重心G与单位构成区域R(x,y)的对应的晶格点O(x,y)的距离r(x,y)对应于光束图案(光学图像)而在每个不同折射率区域15b个别地设定(第四设定工序)。即，距离r(x,y)的分布在由x(在图4的例子中x1～x4)和y(在图4的例子中y1～y3)的值确定的每个位置具有特定的值，但是不限于一定由特定的函数来表示。距离r(x,y)的分布由提取对输出光束图案进行傅里叶逆变换而得到的复振幅分布中的相位分布来确定。即，在下述的单位构成区域R(x,y)中的相位P(x,y)为P0的情况下，距离r(x,y)被设定为0，在相位P(x,y)为π+P0的情况下，距离r(x,y)被设定为最大值R0，在相位P(x,y)为-π+P0的情况下，距离r(x,y)被设定为-R0。于是，相对于其中间的相位P(x,y)，以使r(x,y)＝{P(x,y)-P0}×R0/π的方式设定距离r(x,y)。在此，初始相位P0可以任意设定。当将正方晶格的晶格间隔设定为a时，r(x,y)的最大值R0例如为以下的式(9)的范围。
[式9]
Figure GDA0002525833800000201
此外，在从输出光束图案求出复振幅分布时，通过应用通常在全息图生成的计算时所使用的Gerchberg-Saxton(GS)法那样的重复算法，光束图案的再现性提高。另外，在本实施方式所涉及的发光装置的制造方法中，通过第二工序所包含的区域形成工序，由于对所有的不同折射率区域15b重复第二～第四设定工序，因此可以获得图4所示的根据规定的配置图案配置有所有不同折射率区域15b的相位调制层15。
图6是示出仅在相位调制层的特定区域内应用了图4的折射率大致周期构造的例子的俯视图。在图6所示的例子中，与图4所示的例子同样地，在正方形的内侧区域RIN的内部形成有用于输出期望的光束图案的大致周期构造。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中，设定为假想的正方晶格的晶格间隔互相相同(＝a)。在该构造的情况下，由于光也分布于外侧区域ROUT内，因此可以抑制在内侧区域RIN的周边部光强度急剧变化而产生的高频噪声(所谓的窗函数噪声)的产生。另外，可以抑制向平行于X-Y平面的方向的光泄漏，并且可以期待阈值电流的降低。
图7是用于说明来自半导体发光元件1A的输出光束图案(光学图像)与相位调制层15中的距离的分布的关系的图。之后对细节进行叙述，但考虑将作为输出光束图案的投影范围的光束投影区域转换至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轴互相正交，并且分别关联于将输出光束图案的投影方向从主面10a的法线方向(Z轴方向)转至该主面10a时的相对于该法线方向的角度(细节在之后说明)。在该Kx-Ky平面上，包含输出光束图案的特定区域由分别为正方形形状的M2(1以上的整数)×N2(1以上的整数)个图像区域FR构成。另外，设定于相位调制层15的设计面(X-Y平面)上的假想的正方晶格由M1(1以上的整数)×N1(1以上的整数)个单位构成区域R构成。此外，整数M2不需要与整数M1一致。同样地，整数N2不需要与整数N1一致。此时，将由Kx轴方向上的坐标分量kx(0以上且M2-1以下的整数)与Ky轴方向上的坐标分量ky(0以上且N2-1以下的整数)所特定的Kx-Ky平面上的图像区域FR(kx,ky)分别二维傅里叶逆变换为由X轴方向上的坐标分量x(1以上且M1以下的整数)与Y轴方向上的坐标分量y(1以上且N1以下的整数)所特定的单位构成区域R(x,y)的单位构成区域R(x,y)中的复振幅F(x,y)由振幅项A(x,y)和相位项P(x,y)规定。另外，如图7所示，在坐标分量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且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)中的距离r(x,y)从P(x,y)得到，并且在坐标分量x＝1～M1和y＝1～N1的范围内，单位构成区域R(x,y)中的距离r(x,y)的分布相当于X-Y平面上的距离分布。
此外，Kx-Ky平面上的输出光束图案的中心Q位于相对于主面10a垂直的轴线上，图7示出了以中心Q为原点的四个象限。在图7中，作为一个例子示出了在第一象限和第三象限中获得光学图像的情况，但是也可以在第二象限和第四象限或所有象限中获得图像。在本实施方式中，如图7所示，获得关于原点点对称的图案。图7作为一个例子，示出了分别在第三象限中获得文字“A”、在第一象限中获得将文字“A”旋转180°后的图案的情况。此外，在为旋转对称的光学图像(例如，十字、圆、双重圆等)的情况下，重叠并作为一个光学图像被观察。
来自于半导体发光元件1A的输出光束图案(光学图像)是对应于以光点(spot)、由3点以上构成的点组、直线、十字架形、线条画、晶格图案、照片、条纹图案、CG(计算机图形)、以及文字中的至少一种表现的设计上的光学图像(原图像)的光学图像。在此，为了获得输出光束图案，通过以下的顺序来确定单位构成区域R(x,y)的不同折射率区域15b的距离r(x,y)的分布(第四设定工序)。
首先，作为第一前提条件，在XYZ正交坐标系中，在X-Y平面上，设定由分别具有正方形形状的M1(1以上的整数)×N1(1以上的整数)个的单位构成区域R构成的假想的正方晶格(第一设定工序)。接下来，作为第二前提条件，XYZ正交坐标系中的坐标(ξ,η,ζ)如图8所示相对于由动径的长度d1、自Z轴起的倾斜角θtilt、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)，满足由以下的式(10)～式(12)所表示的关系。此外，图8是用于说明从球面坐标(d1,θtilt,θrot)向XYZ正交坐标系中的坐标(ξ,η,ζ)的坐标转换的图，并且通过坐标(ξ,η,ζ)，表现了作为实空间的XYZ正交坐标系中所设定的规定平面上的设计上的光学图像。当将相当于从半导体发光元件输出的光学图像的光束图案设为朝向由角度θtilt和θrot所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(13)所规定的标准化波数、即对应于X轴的Kx轴上的坐标值kx、以及由以下的式(14)所规定的标准化波数、即对应于Y轴且正交于Kx轴的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设定为1.0而标准化的波数。此时，在由Kx轴和Ky轴所规定的波数空间中，包含相当于光学图像的光束图案的特定的波数范围由分别为正方形形状的M2(1以上的整数)×N2(1以上的整数)个图像区域FR构成。此外，整数M2不需要与整数M1一致。同样地，整数N2不需要与整数N1一致。另外，式(13)和式(14)例如在以下的文献(1)中公开。
(1)Y.Kurosaka et al.,“Effects of non-lasing band in two-dimensionalphotonic-crystal lasers clarified using omnidirectional band structure)”,Opt.Express 20,21773-21783(2012)
[式10]
ξ＝d1sinθtilt cosθrot……(10)
[式11]
η＝dlsinθtilt sinθrot……(11)
[式12]
ζ＝d1cosθtilt……(12)
[式13]
Figure GDA0002525833800000231
[式14]
Figure GDA0002525833800000232
a：假想的正方晶格的晶格常数
λ：振荡波长
作为第三前提条件，在波数空间中，将由Kx轴方向上的坐标分量kx(0以上且M2-1以下的整数)和Ky轴方向上的坐标分量ky(0以上且N2-1以下的整数)所特定的图像区域FR(kx,ky)分别二维傅里叶逆变换为由X轴方向上的坐标分量x(1以上且M1以下的整数)与Y轴方向上的坐标分量y(1以上且N1以下的整数)所特定的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)以j为虚部而由以下的式(15)赋予。另外，该复振幅F(x,y)在将振幅项设定为A(x,y)且将相位项设定为P(x,y)时，由以下的式(16)规定。再有，作为第四前提条件，单位构成区域R(x,y)由分别平行于X轴和Y轴且在作为单位构成区域R(x,y)的中心的晶格点O(x,y)正交的s轴和t轴规定。
[式15]
Figure GDA0002525833800000241
[式16]
F(x，y)＝A(x，y)×exp[jP(x，y)]……(16)
在上述第一～第四前提条件下，相位调制层15以满足以下的条件的方式构成。即，以从晶格点O(x,y)至对应的不同折射率区域15b的重心G为止的距离r(x,y)满足以下关系：
r(x,y)＝C×(P(x,y)-P0)
C：比例常数，例如R0/π
P0：任意常数，例如0的方式，该对应的不同折射率区域15b配置于单位构成区域R(x,y)内。即，距离r(x,y)在某一坐标(x,y)处的相位P(x,y)为P0的情况下被设定为0，在相位P(x,y)为π+P0的情况下被设定为最大值R0，在相位P(x,y)为-π+P0的情况下被设定为最小值-R0。在要得到期望的图像的情况下，可以对该光学图像进行傅里叶逆变换，将对应于其复振幅的相位P(x,y)的距离r(x,y)的分布赋予多个不同折射率区域15b。相位P(x,y)和距离r(x,y)可以互相成比例。
此外，激光光束的傅里叶变换后的远场图像可以采取单一或者多个的光点形状、圆环形状、直线形状、文字形状、双重圆形状、或者拉盖尔-高斯光束形状等各种形状。由于可以控制光束方向，因此通过将半导体发光元件1A一维或二维地阵列化，可以实现例如电气地进行高速扫描的激光加工机。此外，由于光束图案由远场中的角度信息表示，因此在作为目标的光束图案是由二维的位置信息表示的位图图像等的情况下，一旦转换成角度信息，则可以在转换成其波数空间之后进行傅里叶逆变换。
作为从由傅里叶逆变换而得到的复振幅分布获得强度分布和相位分布的方法，例如对于强度分布I(x,y)，可以通过使用MathWorks公司的数值解析软件“MATLAB”的abs函数来进行计算，对于相位分布P(x,y)，可以通过使用MATLAB的angle函数来进行计算。
此处，对当从光学图像的傅里叶逆变换结果求得相位分布P(x,y)并且确定各不同折射率区域15b的距离r(x,y)时，使用一般的离散傅里叶变换(或快速傅里叶变换)进行计算的情况的留意点进行描述。通过作为期望的光学图像的图9的(a)的由傅里叶逆变换得到的复振幅分布而计算出的输出光束图案如图9的(b)所示。如图9的(a)和图9的(b)所示当分别分割成A1、A2、A3和A4四象限时，在图9的(b)的输出光束图案的第一象限中，出现将图9的(a)的第一象限的图案旋转180度而得到的图案与图9的(a)的第三象限的图案的重叠图案。在光束图案的第二象限中，出现将图9的(a)的第二象限的图案旋转180度而得到的图案与图9的(a)的第四象限的图案的重叠图案。在光束图案的第三象限中，出现将图9的(a)的第三象限的图案旋转180度而得到的图案与图9的(a)的第一象限的图案的重叠图案。在光束图案的第四象限中，出现将图9的(a)的第四象限的图案旋转180度而得到的图案与图9的(a)的第二象限的图案的重叠图案。此时，旋转180度的图案是通过-1次光分量形成的图案。
因此，在作为傅里叶变换前的光学图像(原图像)使用仅在第一象限具有值的光束图案的情况下，在得到的光束图案的第三象限中出现原图像的第一象限的图案，并且在得到的光束图案的第一象限中出现将原图像的第一象限旋转180度而得到的图案。
此外，在上述的构造中，只要是包含活性层12和相位调制层15的构造，就可以多样地改变材料系、膜厚、层的结构。在此，关于在自假想的正方晶格起的扰动为0的情况下的所谓的正方晶格的光子晶体激光器缩放规则成立。即，在波长为常数α倍的情况下，可以通过将正方晶格整体设为α倍来获得同样的驻波状态。同样地，在本实施方式中，可以根据对应于波长的缩放规则来确定相位调制层15的构造。因此，可以通过使用发出蓝色、绿色、红色等的光的活性层12且适用对应于波长的缩放规则，来实现输出可视光的半导体发光元件1A。
当制造半导体发光元件1A时，各化合物半导体层通过金属有机化学气相沉积(MOCVD)法或分子束外延法(MBE)形成。在使用了AlGaAs的半导体发光元件1A的制造用，将AlGaAs的生长温度设定为500℃～850℃，在实验中可以采用550℃～700℃。利用了TMA(三甲基铝)作为生长时的Al原料，利用了TMG(三甲基镓)和TEG(三乙基镓)作为镓原料，利用了AsH3(砷化氢)作为As原料，利用了Si2H6(乙硅烷)作为N型杂质用的原料，利用了DEZn(二乙基锌)作为P型杂质用的原料。在GaAs的生长中，利用了TMG和砷化氢，但没有利用TMA。InGaAs使用TMG、TMI(三甲基铟)和砷化氢而制造。绝缘膜的形成通过将其构成物质作为原料而溅射靶材，或者通过PCVD(等离子体CVD)法形成。
即，在上述的半导体发光元件1A中，首先，在作为N型半导体基板10的GaAs基板上，通过使用了MOCVD(有机金属气相沉积)法的外延生长，依次层叠作为n型的包覆层11的AlGaAs层、作为活性层12的InGaAs/AlGaAs多量子阱结构、以及作为相位调制层15的基本层15a的GaAs层。
接着，在基本层15a涂布了其它的抗蚀剂之后，以对准标记为基准，在抗蚀剂上通过电子光束描绘装置描绘出二维微细图案。通过显影该抗蚀剂表面，在抗蚀剂形成有二维微细图案。之后，将抗蚀剂作为掩模，通过干蚀刻，将二维微细图案转印于基本层15a上，在该基本层15a形成有孔(穴)之后，去除抗试剂。此外，也可以在抗蚀剂形成之前经过：通过PCVD法将SiN层或SiO2层形成于基本层15a上的工序、在其上形成抗蚀剂掩模的工序、使用反应性离子蚀刻(RIE)在SiN层或SiO2层转印微细图案的工序、以及去除抗蚀剂的工序，将基本层15a干蚀刻。在该情况下，可以提高干蚀刻的耐性。孔的深度例如是200nm。将如此形成于基本层15a的孔设为不同折射率区域15b，或者在这些孔之中使成为不同折射率区域15b的化合物半导体(AlGaAs)再生长至孔的深度以上。当将孔设为不同折射率区域15b的情况下，可以在孔内封入空气、氮气或氩气等的气体。接着，通过MOCVD依次形成作为包覆层13的AlGaAs层、作为接触层14的GaAs层。电极16、17通过蒸镀法或溅射法形成。另外，根据需要，通过溅射或PCVD法等形成保护膜18和反射防止膜19。
此外，在将相位调制层15设置于活性层12和包覆层11之间的情况下，可以在活性层12的形成之前，在包覆层11上形成相位调制层15。另外，假想的正方晶格的晶格间隔a为波长除以等效折射率的程度，例如设定为300nm左右。
另外，在晶格间隔a的正方晶格的情况下，当设正交坐标的单位向量为x、y时，基本平移向量为a1＝ax、a2＝ay，相对于平移向量a1、a2的基本倒易晶格向量为b1＝(2π/a)x、b2＝(2π/a)y。当存在于晶格中的波的波数向量为k＝nb1+mb2(n、m为任意的整数)时，波数k存在于Γ点，但是在其中波数向量的大小等于基本倒易晶格向量的情况下，获得晶格间隔a等于波长λ的共振模式(X-Y平面内的驻波)。在本实施方式中，获得这样的共振模式(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的TE模式时，如上所述波长与晶格间隔相等的驻波状态根据正方晶格的对称性而存在四种模式。在本实施方式中，在以这四个驻波状态的任一模式振荡的情况下，可以同样地获得期望的光束图案。
此外，在半导体发光元件1A中，上述的相位调制层15内的驻波通过规定形状的不同折射率区域15b散射，通过在垂直方向(Z轴方向)上获得的波面被相位调制而获得期望的光束图案。因此，即使没有偏光板，也可得到期望的光束图案。该光束图案不仅是一对单峰光束(光点)，如上所述，而且也能够是文字形状、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的向量光束等。
此外，基本层15a的折射率优选为3.0～3.5，不同折射率区域15b的折射率优选为1.0～3.4。另外，基本层15a的凹部(不同折射率区域15b)的平均半径在940nm带的情况下，为例如20nm～120nm。向Z轴方向的衍射强度根据各不同折射率区域15b的大小变化而变化。该衍射效率与以在将不同折射率区域15b的形状傅里叶变换时的一次系数表示的光耦合系数κ1成比例。例如，在以下的文献(2)中记载。
(2)K.Sakai et al.,“Coupled-Wave Theory for Square-Lattice PhotonicCrystal Lasers With TE Polarization”,IEEE J.Q.E.46,788-795(2010)
在下文中，对通过具备以上的结构的本实施方式所涉及的半导体发光元件1A所获得的效果进行说明。一直以来，作为半导体发光元件，已知有各不同折射率区域15b的重心G离开假想的正方方格的对应的晶格点而配置，并且在各晶格点O周围具有对应于光学图像的旋转角度的配置图案(例如参照专利文献1)。然而，只要可以实现各不同折射率区域15b的重心G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15的设计的宽度扩大，是极为有用的。
在本实施方式所涉及的半导体发光元件1A中，与活性层12光学耦合的相位调制层15包含基本层15a和具有与基本层15a的折射率不同的折射率的多个不同折射率区域15b。另外，在通过假想的正方晶格的晶格点O并且相对于该正方晶格的X轴和Y轴倾斜的直线(假想直线)D上，配置有各不同折射率区域15b的重心G。于是，各不同折射率区域15b的重心G与对应的晶格点O的距离r(x,y)对应于期望的光学图像而个别地设定。在该情况下，对应于晶格点O与重心G的距离，光束的相位变化。即，仅通过改变重心G的位置，就可以控制从各不同折射率区域15b输出的光束的相位，并且能够将作为整体形成的光束图案设定为期望的形状。即，该半导体发光元件1A是S-iPM激光器，根据这种构造，与各不同折射率区域15b的重心G在各晶格点O周围具有对应于光学图像的旋转角度的现有的构造同样地，可以沿相对于垂直于半导体基板10的主面10a的方向(法线方向)倾斜的方向输出形成任意形状的光学图像的光。如上所述，根据本实施方式，可以提供一种各不同折射率区域15b的重心G与各晶格点O的位置关系与现有完全不同的半导体发光元件1A。
在此，图10的(a)示出了从半导体发光元件1A输出的光束图案(光学图像)的例子。图10的(a)的中心对应于垂直于半导体发光元件1A的发光面的轴线。另外，图10的(b)是示出在包含该轴线的截面中的光强度分布的图表。图10的(b)是通过使用FFP光学系统(Hamamatsu Photonics制造的A3267-12)、照相机(Hamamatsu Photonics制造的ORCA-05G)和光束轮廓仪(Hamamatsu Photonics制造的Lepas-12)所取得的远场图像，并且对1344点×1024点的图像数据的纵向的计数进行累计并绘制的图像。此外，为了将图10的(a)的最大计数以255标准化，并且清楚地示出±1次光的强度比，而使中央的0次光B0饱和。从图10的(b)，可以容易地理解1次光和-1次光的强度差。另外，图11的(a)是示出对应于图10的(a)所示的光束图案的相位分布的图。图11的(b)是图11的(a)的局部放大图。在图11的(a)和图11的(b)中，相位调制层15内的各个部位上的相位通过浓淡来表示，越暗的部分相位角越接近0°，越亮的部分相位角越接近360°。但是，由于可以任意地设定相位角的中心值，因此不一定必须将相位角设定于0°～360°的范围内。如图10的(a)和10的(b)所示，半导体发光元件1A输出包含在相对于该轴线倾斜的第一方向上输出的第一光学图像部分B1的1次光、以及在关于该轴线与第一方向对称的第二方向上输出且关于该轴线与第一光学图像部分B1为旋转对称的第二光学图像部分B2的-1次光。典型地，第一光学图像部分B1出现于X-Y平面内的第一象限，第二光学图像部分B2出现于X-Y平面内的第三象限。然而，根据用途，存在仅使用1次光而不使用-1次光的情况。在该情况下，希望-1次光的光量与1次光相比被抑制得较小。
图12是概念性地示出各方向的行波的光束图案的例子的图。在该例子中，相对于s轴和t轴的直线D的倾斜角度设定为45°。在正方晶格型的S-iPM激光器的相位调制层中，沿X-Y平面产生基本的行波AU、AD、AR和AL。行波AU和AD是沿正方晶格的各边中的沿Y轴方向延伸的边行进的光。行波AU在Y轴正方向上行进，行波AD在Y轴负方向上行进。另外，行波AR和AL是沿正方晶格的各边中的沿X轴方向延伸的边行进的光。行波AR在X轴正方向上行进，行波AL在X轴负方向上行进。在该情况下，从向互相相反方向行进的行波获得分别相反方向的光束图案。例如，从行波AU获得仅包含第二光学图像部分B2的光束图案BU，从行波AD获得仅包含第一光学图像部分B1的光束图案BD。同样地，从行波AR获得仅包含第二光学图像部分B2的光束图案BR，从行波AL获得仅包含第一光学图像部分B1的光束图案BL。换句话说，在互相相反方向地行进的行波彼此中，一方为1次光、另一方为-1次光。从半导体发光元件1A输出的光束图案是重叠了这些光束图案BU、BD、BR和BL的图案。
根据本发明人们的研究，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，不同折射率区域的配置的性质上，一定包含有互相相反方向地行进的行波的两者。即，在现有的旋转方式中，在形成驻波的4个行波AU、AD、AR以及AL的任一个中，1次光和-1次光同量出现，进一步地根据旋转圆的半径(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，原理上难以对1次光和-1次的各光量赋予差，从而难以选择性地降低它们中的一者。因此，难以相对于1次光的光量使-1次的光量相对地降低。
在此，在将如图13的(a)所示的不同折射率区域在晶格点的周围旋转的现有的旋转方式中，对难以选择性地降低1次光和-1次光中的一者的理由进行说明。相对于某一位置上的设计相位φ(x,y)，考虑图13的(b)所示的t轴(平行于Y轴)的正的方向的行波AU作为四个行波的一个例子。此时，由于几何学的关系，对于行波AU，从晶格点O起的偏移为r·sinφ(x,y)，因此相位差成为(2π/a)·r·sinφ(x,y)的关系。其结果，当不同折射率区域15b的大小的影响较小且可以忽略的情况下，关于行波AU的相位分布Φ(x,y)以Φ(x,y)＝exp{j(2π/a)·r·sinφ(x,y)}赋予。该相位分布Φ(x,y)对0次光和±1次光的贡献以由exp{jnΦ(x,y)}(n：整数)展开的情况下的n＝0或n＝±1的分量赋予。于是，当使用由以下的式(17)规定的关于次数n的第一种贝塞尔函数Jn(z)的数学公式时，可以将相位分布Φ(x,y)级数展开，并且可以说明0次光和±1次的各光量。
[式17]
Figure GDA0002525833800000301
此时，相位分布Φ(x,y)的0次光分量表示为J0(2πr/a)，1次光分量表示为J1(2πr/a)，-1次光分量表示为J-1(2πr/a)。于是，由于关于±1次的贝塞尔函数，存在J1(x)＝J-1(x)的关系，因此±1次光分量的大小相等。在此，考虑t轴正方向的行波AU作为四个行波的一个例子，但是对于其它的三个波(行波AD、AR、AL)也成立同样的关系，±1次光分量的大小相等。根据以上的讨论，在使不同折射率区域15b在晶格点O的周围旋转的现有的方式中，原理上难以对1次光和-1次的各光量赋予差。
相对于此，根据本实施方式的相位调制层15A，相对于单一行波，1次光和-1次光的各光量中产生差，例如在倾斜角度θ为45°、135°、225°或315°的情况下，偏移量R0越接近上述式(9)的上限值，则获得越理想的相位分布。其结果，降低了0次光，并且在行波AU、AD、AR和AL的各个中，选择性地降低了1次光和-1次光中的一者。因此，通过选择性地减小互相相反方向地行进的行波中的任一者来对1次光和-1次光的光量赋予差，在原理上是可能的。
在此，在不同折射率区域15b在图14的(a)所示的通过晶格点O且相对于正方晶格倾斜的直线D上移动的本实施方式的轴上偏移方式中，对能够选择性地降低1次光和-1次光中的任一者的理由进行说明。相对于某一位置上的设计相位
Figure GDA0002525833800000314
考虑作为四个行波的一个例子的图14的(b)所示的t轴(平行于Y轴)的正的方向的行波AU。此时，根据几何学的关系，由于对于行波AU，从晶格点O起的偏差为/>
Figure GDA0002525833800000312
因此相位差为
Figure GDA0002525833800000313
的关系。在此，为了简化，将倾斜角度设定为θ＝45°，将相位角设定为φ0＝0°。在不同折射率区域15b的大小的影响较小且可以忽略的情况下，关于行波AU的相位分布Φ(x,y)由以下的式(18)赋予。
[式18]
Figure GDA0002525833800000311
该相位分布Φ(x,y)对0次光和±1次光的贡献以由exp{nΦ(x,y)}(n：整数)展开的情况下的n＝0和n＝±1的分量赋予。于是，当由以下的式(19)表示且满足以下的式(20)的条件的函数f(z)进行Laurent级数展开时，如以下的式(21)的数学公式成立。
[式19]
f(z)＝zc……(19)
[式20]
Figure GDA0002525833800000321
[式21]
Figure GDA0002525833800000322
在此，sinc(x)＝x/sin(x)。当使用该数学公式时，可以级数展开相位分布Φ(x,y)，并且可以说明0次光和±1次光的各光量。此时，当注意上述式(21)的指数项exp{jπ(c-n)}的绝对值为1时，相位分布Φ(x,y)的0次光分量的大小由以下的式(22)表示，1次光分量的大小由以下的式(23)表示，-1次光分量的量由以下的式(24)表示。
[式22]
Figure GDA0002525833800000323
[式23]
Figure GDA0002525833800000324
[式24]
Figure GDA0002525833800000325
于是，在上述式(22)～式(24)中，除了由以下的式(25)规定的条件以外，除1次光分量以外还出现0次光分量和-1次光分量。然而，±1次光分量的大小互相不相等。
[式25]
Figure GDA0002525833800000331
在以上的说明中，考虑作为四个行波的一个例子的沿t轴正方向(Y轴方向)的行波AU，但是对其他3个波(行波AD、AR、AL)也成立同样的关系，±1次光分量的大小中产生差。出于以上的讨论，根据不同折射率区域15b在通过晶格点O并相对于正方晶格倾斜的直线D上移动的本实施方式的轴上偏移方式，±1次光分量的光量中赋予差在原理上是可能的。因此，通过降低-1次光或1次光来选择性地仅去除期望的图像(第一光学图像部分B1或第二光学图像部分B2)，在原理上是可能的。在上述的图10的(b)中，也可知在1次光和-1次光之间产生强度的差。
如本实施方式那样，相对于正方晶格的直线D的倾斜角度θ可以在相位调制层15中的单位构成区域的全部中一致。在该情况下，连结晶格点与对应的不同折射率区域的重心的单位构成区域的所有的线段互相平行。由此，可以容易地进行不同折射率区域15b的重心G的配置的设计。此外，在多个单位构成区域中，至少在互相邻接的多个单位构成区域之间，连结晶格点和对应的不同折射率区域的重心的线段可以互相平行即可。另外，在该情况下，倾斜角度可以是45°、135°、225°或315°。由此，沿正方晶格行进的四个基本波(在设定沿正方晶格的X轴和Y轴的情况下，沿X轴正方向行进的光、沿X轴负方向行进的光、沿Y轴正方向行进的光、沿Y轴负方向行进的光)可以均等地有助于光学图像。此外，在倾斜角度θ为45°、135°、225°或315°的情况下，通过选择适当的带端模式，直线D上的电磁场的方向在一个方向上一致，因而可以获得直线偏光。作为这样的模式的一个例子，存在以下的文献(3)的图3所示的模式A、B。
(3)C.Peng et al.,“Coupled-wave analysis for photonic-crystal surface-emitting lasers on air holes with arbitrary sidewalls”,Optics Express Vol.19,No.24,pp.24672-24686(2011)
此外，在倾斜角度θ为0°、90°、180°或270°的情况下，由于四个行波AU、AD、AR和AL中，沿Y轴方向或X轴方向行进的一对行波不对1次光(信号光)作出贡献，因此难以高效率化信号光。
另外，如本实施方式那样，发光部也可以是设置于半导体基板10上的活性层12。由此，可以容易地使发光部与相位调制层15光耦合。
在此，对各不同折射率区域15b的重心G与各单位构成区域R的对应的晶格点O的距离r(x,y)的最大值R0和最小值-R0的优选的范围进行讨论。如上所述，单一的基本平面波的0次光、-1次光和1次光的振幅由上述式(22)～式(24)表示。图15是将上述式(22)～式(24)曲线化的图，并且示出了0次光、-1次光和1次光与值R0的关系。此外，在图15中，纵轴表示振幅(任意单位)，横轴表示相对于晶格间隔a的值R0的比率。图表G11示出0次光的振幅，图表G12示出1次光的振幅，图表G13示出-1次光的振幅。另外，光的强度与光的振幅的平方成比例。因此，0次光、-1次光和1次光的光强度与值R0的关系是图16所示的关系。在图16中，纵轴表示光强度(任意单位)，横轴表示相对于晶格间隔a的值R0的比率。图表G14示出0次光的光强度，图表G15示出1次光的光强度，图表G16示出-1次光的光强度。另外，图17是放大图16的一部分并示出的图表，图18是示出-1次光的光强度I-1与1次光的光强度I1的比(I1/I-1)与值R0的关系的图表。
参照图16和图17时，在R0比0.07a大的范围内，1次光比-1次光强1.5倍以上。另外，在R0比0.12a大的范围内，1次光比-1次光强2倍以上。进一步地，R0＝0.30a是-1次光的光强度的拐点。因此，当R0超过0.30a时，随着R0变大，-1次光的光强度减小，1次光的光强度增加。因此，在R0>0.30a的范围内，随着R0变大，比率(I1/I-1)上升。根据以上所述，R0可以比0.07a大，也可以比0.12a大，再有，可以比0.30a大。
此外，图15～图18所示的图表是示出上述的轴上偏移方式(图14的(a)和图14的(b))的说明所描述的行波AU的衍射光的一般的性质的图表，并且不是依赖于特定的材料系或孔构造等的图表。作为一个具体例，这些图表示出半导体发光元件1A由GaAs类化合物半导体构成的情况(发光波长940nm带)的例子，并且假定具有下述的图27所示的层构造。此外，假定不同折射率区域15b平面形状为圆形，直线D的倾斜角度θ为45°，且填充率FF为15％的程度的情况。在将晶格间距a设定为280nm时，0.07a约为19.6nm，0.12a约为33.6nm。
(第一变形例)
图19的(a)～图19的(g)和图20的(a)～图20的(k)是示出不同折射率区域15b的X-Y平面内的形状的例子的俯视图。在上述实施方式中，示出了X-Y平面内的不同折射率区域15b的形状是圆形的例子。然而，不同折射率区域15b也可以具有圆形以外的形状。例如，X-Y平面内的不同折射率区域15b的形状可以具有镜像对称性(线对称性)。在此，镜像对称(线对称)是指夹着沿X-Y平面的某一直线而位于该直线的一侧的不同折射率区域15b的平面形状和位于该直线的另一侧的不同折射率区域15b的平面形状能够成为互相镜像对称(线对称)。作为具有镜像对称性(线对称性)的形状，例如，可以列举图19的(a)所示的正圆、图19的(b)所示的正方形、图19的(c)所示的正六边形、图19(d)所示的正八边形、图19的(e)所示的正十六边形、图19的(f)所示的长方形和图19的(g)所示的椭圆等。由此，X-Y平面内的不同折射率区域15b的形状具有镜像对称性(线对称性)。在该情况下，由于在相位调制层15的假想的正方晶格的单元构造区域R的各个中是简单的形状，因此可以高精度地自晶格点O确定对应的不同折射率区域15b的重心G的方向和位置，从而可以高精度地进行图案形成。
另外，X-Y平面内的不同折射率区域15b的形状可以是不具有180°的旋转对称性的形状。作为这一形状，例如可以列举图20的(a)所示的等边三角形、图20的(b)所示的等腰直角三角形、图20的(c)所示的两个圆或椭圆的一部分重叠的形状、图20(d)所示的以沿椭圆的长轴的一个端部附近的短轴方向的尺寸比另一个端部附近的短轴方向的尺寸小的方式变形的形状(蛋形)、图20的(e)所示的将沿椭圆的长轴的一个端部变形成沿长轴方向突出的尖的端部的形状(水滴型)、图20的(f)所示的等腰三角形、图20的(g)所示的矩形的一边凹成三角形形状且其相对的一边变尖成三角形形状的形状(箭头形)、图20的(h)所示的梯形、图20的(i)所示的五边形、图20(j)所示的两个矩形一部分彼此重叠的形状、以及图20的(k)所示的两个矩形一部分彼此重叠且不具有镜像对称性的形状等。如上所述，由于X-Y平面内的不同折射率区域15b不具有180°的旋转对称性，从而可以获得更高的光输出。
图21的(a)～图21的(k)和图22是示出X-Y平面内的不同折射率区域的形状的其它的例子的俯视图。在本变形例中，还设置有与多个不同折射率区域15b不同的多个不同折射率区域15c。各不同折射率区域15c由折射率与基本层15a的第一折射率介质的折射率不同的第二折射率介质构成。不同折射率区域15c与不同折射率区域15b同样地，可以是凹部(或者空位)，也可以在该凹部内埋入化合物半导体而构成。不同折射率区域15c与不同折射率区域15b分别一对一对应地设置。于是，使不同折射率区域15b和15c合并后的重心G位于横截构成假想的正方晶格的单位构成区域R的晶格点O的直线D上。此外，任一不同折射率区域15b、15c均包含于构成假想的正方晶格的单位构成区域R的范围内。单位构成区域R成为被将假想的正方晶格的晶格点间二等分的直线包围的区域。
不同折射率区域15c的平面形状例如为圆形，但是与不同折射率区域15b同样地，可以具有各种形状。图21的(a)～图21的(k)示出了不同折射率区域15b、15c的X-Y平面内的形状和相对关系的例子。图21的(a)和图21的(b)示出了不同折射率区域15b、15c具有相同形状的图形的方式。图21的(c)和图21(d)示出了不同折射率区域15b、15c具有相同形状的图形，并且互相的一部分彼此重叠的方式。图21的(e)示出了不同折射率区域15b、15c具有相同形状的图形，并且在每个晶格点不同折射率区域15b、15c的重心间的距离任意地设定的方式。图21的(f)示出了不同折射率区域15b、15c具有互相不同的形状的图形的方式。图21的(g)示出了不同折射率区域15b、15c具有互相不同的形状的图形，并且在每个晶格点不同折射率区域15b、15c的重心间的距离任意地设定的方式。
另外，如图21的(h)～图21的(k)所示，不同折射率区域15b可以包含互相分开的两个区域15b1、15b2而构成。于是，可以对每个晶格点任意地设定使区域15b1、15b2合并后的重心(相当于单一不同折射率区域15b的重心)和不同折射率区域15c的重心的距离。另外，在该情况下，如图21的(h)所示，区域15b1、15b2以及不同折射率区域15c可以具有相同形状的图形。另外，如图21的(i)所示，区域15b1、15b2和不同折射率区域15c中的两个图形可以与其它的不同。另外，如图21的(j)所示，除了连结区域15b1、15b2的直线相对于X轴的角度以外，还可以对每个晶格点任意地设定不同折射率区域15c相对于X轴的角度。另外，如图21的(k)所示，可以原样地使区域15b1、15b2与不同折射率区域15c维持互相相同的相对角度，并且对每个晶格点任意地设定连结区域15b1、15b2的直线的相对于X轴的角度。
不同折射率区域的X-Y平面内的形状在各晶格点间可以互相相同。即，不同折射率区域在所有的晶格点可以具有相同的图形，并且可以通过平移操作、或者平移操作和旋转操作，在晶格点间互相重叠。在该情况下，可以抑制光束图案中的噪声光和成为噪声的0次光的产生。另外，不同折射率区域的X-Y平面内的形状在各晶格点不必相同，例如如图22所示，在相邻的晶格点间形状可以不同。此外，如图14的例子所示，图19的(a)～19的(g)、图21的(a)～图21的(k)、以及图22中任一情况下可以使通过各晶格点的直线D的中心以与晶格点O一致的方式设定。
例如，即使是本变形例那样的相位调制层的结构，也可以适当地起到上述实施方式的效果。
(第二变形例)
图23是示出第二变形例所涉及的发光装置1B的结构的图。该发光装置1B具备：支撑基板6、在支撑基板6上一维或二维状地排列的多个半导体发光元件1A、以及个别地驱动多个半导体发光元件1A的驱动电路4。各半导体发光元件1A的结构与上述第一实施方式相同。然而，在多个半导体发光元件1A中可以包含输出红色波长范围的光学图像的激光元件、输出蓝色波长范围的光学图像的激光元件、以及输出绿色波长范围的光学图像的激光元件。输出红色波长范围的光学图像的激光元件例如由GaAs半导体构成。输出蓝色波长范围的光学图像的激光元件和输出绿色波长范围的光学图像的激光元件例如由氮化物类半导体构成。驱动电路4设置于支撑基板6的背面或内部，并且个别地驱动各半导体发光元件1A。驱动电路4根据来自控制电路7的指令，向各个半导体发光元件1A供给驱动电流。
如本变形例所示，通过设置个别地驱动的多个半导体发光元件1A，并且从各半导体发光元件1A提取期望的光学图像(通过适当地驱动必要的元件)，对预先排列了对应于多个图案的半导体发光元件的模块，可以优选地实现平视显示器等。另外，通过在多个半导体发光元件1A中包含有输出红色波长范围的光学图像的激光元件、输出蓝色波长范围的光学图像的激光元件、以及输出绿色波长范围的光学图像的激光元件，可以适当地实现彩色平视显示器等。
(第二实施方式)
图24是示出作为本发明的第二实施方式所涉及的发光装置的半导体发光元件1C的截面结构的图。该半导体发光元件1C是沿X-Y平面形成驻波，并且沿Z轴方向输出经相位控制的平面波的激光光源，与第一实施方式同样地，沿垂直于半导体基板10的主面10a的方向(法线方向)和相对于该法线方向倾斜的倾斜方向中的至少任一者的方向输出形成二维的任意形状的光学图像的光。然而，第一实施方式的半导体发光元件1A将透过了半导体基板10的光学图像从背面输出，但是本实施方式的半导体发光元件1C相对于活性层12从包覆层13侧的表面输出光学图像。
半导体发光元件1C具备包覆层11、活性层12、包覆层13、接触层14、相位调制层15、光反射层20、以及电流狭窄层21。包覆层11设置于半导体基板10上。活性层12设置于包覆层11上。包覆层13设置于活性层12上。接触层14设置于包覆层13上。相位调制层15设置于活性层12和包覆层13之间。光反射层20设置于活性层12与包覆层11之间。电流狭窄层21设置于包覆层13内。各层11～15的结构(合适的材料、带隙、折射率等)与第一实施方式相同。此外，光反射层20在半导体基板10中的光吸收不成为问题的情况下可以省略。
相位调制层15的构造与在第一实施方式中说明的相位调制层15的构造相同(参照图4、图5)。根据需要，可以在活性层12与包覆层13之间、以及活性层12与包覆层11之间的至少一方，设置有光引导层。如图25所示，可以在包覆层11和活性层12之间设置有相位调制层15。此外，光引导层可以包含用于有效地将载流子关入到活性层12的载流子势垒层。
半导体发光元件1C还具备设置于接触层14上的电极23和设置于半导体基板10的背面10b上的电极22。电极23与接触层14欧姆接触，电极22与半导体基板10欧姆接触。图26是从电极23侧(表面侧)观察半导体发光元件1C的俯视图。如图26所示，电极23具有框状(环状)的平面形状(具有开口23a)。此外，在图26中例示了正方形的框状的电极23。但是电极23的平面形状可以采用例如圆环状等的各种形状。另外，图26中由虚线示出的电极22的形状与电极23的开口23a的形状相似，例如是正方形或圆形。电极23的开口23a的内径(在开口23a的形状为正方形的情况下为一边的长度)例如为20μm～50μm。
再次参照图24。本实施方式的接触层14具有与电极23相同的平面形状。即，接触层14的中央部通过蚀刻被去除而成为开口14a，接触层14具有框状(环状)的平面形状。从半导体发光元件1C输出的光通过接触层14的开口14a和电极23的开口23a。由于光通过接触层14的开口14a，因此可以避免接触层14中的光吸收，并且可以提高光输出效率。然而，在可以允许接触层14中的光吸收的情况下，接触层14可以不具有开口14a而覆盖包覆层13上的整个面。由于光通过电极23的开口23a，因此可以从半导体发光元件1C的表面侧适当地输出光，而不被电极23遮挡。
从接触层14的开口14a露出的包覆层13的表面(或者，在未设置有开口14a的情况下为接触层14的表面)被反射防止膜25覆盖。反射防止膜25也可以设置于接触层14的外侧。另外，半导体基板10的背面10b上的电极22以外的部分被保护膜24覆盖。保护膜24的材料与第一实施方式的保护膜18的材料相同。反射防止膜25的材料与第一实施方式的反射防止膜19的材料相同。
光反射层20将在活性层12中产生的光向半导体发光元件1C的表面侧反射。光反射层20例如由交替地层叠有折射率互相不同的多个层的DBR(分布式布拉格反射器(Distributed Bragg Reflector))层构成。此外，本实施方式的光反射层20设置于活性层12和包覆层11之间，但是光反射层20也可以设置于包覆层11和半导体基板10之间。或者，反射层20也可以设置于包覆层11的内部。
对包覆层11和光反射层20赋予与半导体基板10相同的导电类型，对包覆层13和接触层14赋予与半导体基板10相反的导电类型。作为一个例子，半导体基板10、包覆层11和光反射层20为n型，包覆层13和接触层14为p型。相位调制层15在设置于活性层12和包覆层11之间的情况下，具有与半导体基板10相同的导电类型，在设置于活性层12和包覆层13之间的情况下，具有与半导体基板10相反的导电类型。此外，杂质浓度例如为1×1017～1×1021/cm3。活性层12是没有有意地添加任意的杂质的本征(i型)，其杂质浓度为1×1015/cm3以下。另外，对相位调制层15的杂质浓度，在需要抑制由经由杂质等级的光吸收造成的损失的影响的情况等下，可以设为本征(i型)。
电流狭窄层21具有难以使(或不使)电流通过的构造，并且在中央部具有开口21a。如图26所示，开口21a的平面形状与电极23的开口23a的形状相似，例如是正方形或圆形。电流狭窄层21例如是以高浓度包含Al的层氧化而成的Al氧化层。或者，电流狭窄层21可以是通过在包覆层13内注入质子(H+)而形成的层。或者，电流狭窄层21也可以具有依次层叠与半导体基板10相反的导电类型的半导体层和与半导体基板10相同的导电类型的半导体层而成的反pn接合构造。
对本实施方式的半导体发光元件1C的尺寸例进行说明。电极23的开口23a的内径(在开口23a的形状为正方形的情况下的一边的长度)La在5μm～100μm的范围内，例如50μm。相位调制层15的厚度ta在100nm～400nm的范围内，例如200nm。电流狭窄层21与接触层14的距离tb在2μm～50μm的范围内。换句话说，间隔tb在0.02La～10La的范围内(例如0.1La)，并且在5.0ta～500ta的范围内(例如25ta)。另外，包覆层13的厚度tc比间隔tb大，并且在2μm～50μm的范围内。换句话说，厚度tc在0.02La～10La的范围内(例如0.1La)，并且在5.0ta～500ta的范围内(例如25ta)。包覆层11的厚度td在1.0μm～3.0μm的范围内(例如2.0μm)。
当对电极22和电极23之间供给驱动电流时，驱动电流到达活性层12。此时，在电极23和活性层12之间流动的电流在厚的包覆层13中充分地扩散，并且通过电流狭窄层21的开口21a。其结果，电流在活性层12的中央部附近均匀地扩散。于是，在活性层12内产生电子和空穴的再结合，在活性层12内产生光。贡献于该发光的电子和空穴、以及产生的光被有效地关入到包覆层11和包覆层13之间。从活性层12输出的激光进入相位调制层15的内部，并且对应于相位调制层15内部的晶格构造形成规定的模式。从相位调制层15内输出的激光在光反射层20被反射，并且从包覆层13通过开口14a和开口23a输出至外部。
(第一实施方式的具体例)
发明人们对于包含活性层的光波导层的厚度和折射率、接触层的厚度和折射率，对不产生高次模式的条件进行了研究。其讨论过程和结果在下文中进行说明。
首先，在本具体例中对作为讨论对象的半导体发光元件1A的具体的构造进行说明。图27是示出半导体发光元件1A由GaAs类化合物半导体构成的情况(发光波长940nm带)的层构造的表。在图27的表中示出了各层的导电类型、组成、层厚度和折射率。此外，层号1表示接触层14，层号2表示包覆层13，层号3表示相位调制层15，层号4表示光引导层和活性层12，层号5表示包覆层11。图28示出具备图27所示的层构造的半导体发光元件1A的折射率分布G21a和模式分布G21b。横轴表示层叠方向位置(范围为2.5μm)。此时，可以看出仅产生基本模式，抑制了高次模式。
图29是示出半导体发光元件1A由InP类化合物半导体构成的情况(发光波长1300nm带)的层构造的表。层号1表示接触层14，层号2表示包覆层13，层号3表示相位调制层15，层号4表示光引导层和活性层12，层号5表示包覆层11。图30示出具备图29所示的层构造的半导体发光元件1A的折射率分布G22a和模式分布G22b。横轴表示层叠方向位置(范围为2.5μm)。此时，可以看出仅产生基本模式，抑制了高次模式。
图31是示出半导体发光元件1A由氮化物类化合物半导体构成的情况(发光波长405nm带)的层构造的表。层号1表示接触层14，层号2表示包覆层13，层号3表示载流子势垒层，层号4表示活性层12，层号5表示光引导层，层号6表示相位调制层15，层号7表示包覆层11。图32示出具备图31所示的层构造的半导体发光元件1A的折射率分布G23a和模式分布G23b。横轴表示层叠方向位置(范围为2.5μm)。此时，可以看出仅产生基本模式，抑制了高次模式。
此外，在上述的各构造中，相位调制层15的填充系数(Filling Factor:FF)为15％。填充系数是指一个单位构成区域R内所占的不同折射率区域15b的面积的比率。
接下来，对讨论的前提条件进行说明。在以下的讨论中，以TE模式作为前提。即，不考虑泄漏模式和TM模式。另外，包覆层11足够厚，并且可以忽略半导体基板10的影响。另外，包覆层13的折射率为包覆层11的折射率以下。于是，除非另有说明，否则活性层12(MQW层)和光引导层被视为具有平均介电常数和合计膜厚的一个光波导层(芯层)。此外，相位调制层15的介电常数是基于填充系数的平均介电常数。
由活性层12和光引导层构成的光波导层的平均折射率和膜厚的计算式如下所述。即，εcore是光波导层的平均介电常数，由以下的式(26)规定。εi是各层的介电常数，di是各层的厚度，ni是各层的折射率。ncore是光波导层的平均折射率，由以下的式(27)规定。dcore是光波导层的膜厚，由以下的式(28)规定。
[式26]
Figure GDA0002525833800000421
[式27]
Figure GDA0002525833800000422
[式28]
Figure GDA0002525833800000431
另外，相位调制层15的平均折射率的计算式如下所述。即，nPM是相位调制层15的平均折射率，由以下的式(29)规定。εPM是相位调制层15的介电常数，n1是第一折射率介质的折射率，n2是第二折射率介质的折射率，FF是填充系数。
[式29]
Figure GDA0002525833800000432
在以下的讨论中，通过5层或6层平板型波导来进行波导构造的近似。图33的(a)和图33的(b)是用于说明通过6层平板型波导来近似波导构造的情况的截面图和折射率分布。图34的(a)和图34的(b)是用于说明通过5层平板型波导来近似波导构造的情况的截面图和折射率分布。如图33的(a)和图33的(b)所示，由于在相位调制层15的折射率比包覆层11的折射率小的情况下，相位调制层15不具有波导功能，因此对6层平板型波导进行近似。即，光波导层具有包含活性层12和光引导层，而不包含包覆层11、包覆层13和相位调制层15的构造。这样的近似可以应用于例如图29和图31所示的构造(在本具体例中为InP类化合物半导体或氮化物类化合物半导体)。
另外，如图34的(a)和图34的(b)所示，由于在相位调制层15的折射率为包覆层11的折射率以上的情况下，相位调制层15具有波导功能，因此对5层平板型波导进行近似。即，光波导层具有包含相位调制层15和活性层12，而不包含包覆层11和包覆层13的构造。这样的近似可以应用于例如图27所示的构造(在本实施例中为GaAs类化合物半导体)。
此外，为了进一步简化计算，将计算范围限定于折射率比半导体发光元件1A的等效折射率高的光波导层和接触层各自的周边部分。即，由光波导层和邻接于该光波导层的上下层规定关于光波导层的3层平板构造，并且由接触层14和邻接的上下层规定关于接触层14的3层平板构造。
图35的(a)和图35的(b)是用于说明6层平板型波导(参照图33的(a)和图33的(b))中的关于光波导层的3层平板构造的截面图和折射率分布。在该情况下，基于在图35的(b)的折射率分布中由实线表示的折射率分布，计算出光波导层的波导模式。另外，图36的(a)和图36的(b)是用于说明6层平板型波导(参照图33的(a)和图33的(b))中的关于接触层14的3层平板构造的截面图和折射率分布。在该情况下，基于在图36的(b)中由实线表示的折射率分布，计算出接触层14的波导模式。
图37的(a)和图37的(b)是用于说明5层平板型波导(参照图34的(a)和图34的(b))中的关于光波导层的3层平板构造的截面图和折射率分布。在该情况下，基于在图37的(b)中由实线表示的折射率分布，计算出光波导层的波导模式。另外，图38的(a)和图38的(b)是用于说明5层平板型波导(参照图34的(a)和图34的(b))中的关于接触层14的3层平板构造的截面图和折射率分布。在该情况下，基于在图38的(b)中由实线表示的的折射率分布，计算出接触层14的波导模式。
此外，在根据上述的3层平板构造的近似时，为了不使波导模式经包覆层11而泄漏于半导体基板10，要求包覆层11的折射率为半导体发光元件1A的等效折射率以下。
在此，对3层平板构造的解析式进行说明。图39的(a)和图39的(b)示出由包覆层11、光波导层31、以及包覆层13构成的3层平板结构30及其折射率分布。在此，将包覆层11的折射率设定为n2，将光波导层31的折射率设定为n1，将包覆层13的折射率设定为n3。于是，当光波导层31的标准化波导宽度V1由上述式(1)规定时，如果在标准化波导宽度V1的解仅为一个的范围内，则波导模式仅为基本模式。但是，在通过3层平板构造的解析式，调查上述的5层平板构造和6层平板构造的波导模式时，需要使波导模式不泄漏于包覆层11，因此，需要同时满足上述式(2)所示的条件。
关于接触层14，在图39的(a)和图39的(b)中，可以将包覆层11置换为包覆层13，将光波导层31置换为接触层14，将包覆层13置换为空气层。于是，当将接触层14的折射率设定为n4，将空气层的折射率设定为n5时，得到关于接触层14的标准化波导宽度V2的上述式(5)。于是，如果在标准化波导宽度V2的解为无的范围内，则波导模式不存在于接触层14。但是，在通过3层平板构造的解析式，调查上述的5层平板构造和6层平板构造的波导模式时，由于需要使波导模式不泄漏于包覆层11，因此需要同时满足上述式(6)所示的条件。
此外，通过解析使包覆层13的膜厚改变所产生的波导模式，可以确认包覆层13的膜厚不对波导模式造成影响。
(半导体发光元件1A由GaAs类化合物半导体构成的情况)
图40是示出半导体发光元件1A由GaAs类化合物半导体构成的情况下的5层平板构造的例子的表。该5层平板构造中的光波导层(层号4)和接触层(层号2)的膜厚的范围通过以下的计算求出。
图41的(a)是示出在计算中使用的折射率n1、n2和n3、不对称参数a’以及包覆层11的折射率nclad的表。在该情况下，由上述式(1)和式(2)表示的光波导层的标准化波导宽度V1与标准化传播系数b的关系在图42中示出。图42中，图表G31a～G31f分别示出了模式次数N＝0～5的情况。在该图表中，波导模式仅为基本模式(即N＝0)的是标准化波导宽度V1的解为一个的范围，即范围H1的内侧。范围H1是将当标准化传播系数b为0时的对应于N＝0的标准化波导宽度V1的值设定为下限值，将当标准化传播系数b为0时的对应于N＝1的标准化波导宽度V1的值设定为上限值的范围。图41的(b)是示出这样的下限值和上限值的计算结果的表。
另外，图43的(a)是示出在计算中使用的折射率n4、n5和n6、不对称参数a’以及包覆层11的折射率nclad的表。在该情况下，由上述式(5)和式(6)表示的接触层14的标准化波导宽度V2与标准化传播系数b的关系在图44中示出。图44中，图表G32a～G32f分别示出了模式次数N＝0～5的情况。在该图表中，不产生由接触层14引起的波导模式，并且半导体发光元件1A的波导模式仅为光波导层的基本模式的是标准化波导宽度V2的解为无的范围，即范围H2的内侧。范围H2是将0设定为下限值，将当标准化传播系数b为对应于包覆层11的折射率的值b1时的对应于N＝0的标准化波导宽度V2的值设定为上限值的范围。图43的(b)是示出这样的上限值的计算结果的表。
图45示出具备图40所示的层构造的半导体发光元件1A的折射率分布G24a和模式分布G24b。可以看出仅显著地产生了基本模式，抑制了高次模式。
(半导体发光元件1A由InP类化合物半导体构成的情况)
图46是示出半导体发光元件1A由InP类化合物半导体构成的情况下的6层平板构造的例子的表。该6层平板构造中的光波导层(层号6)和接触层(层号2)的膜厚的范围通过以下的计算求出。
图47的(a)示出在计算中使用的折射率n1、n2和n3、不对称参数a’以及包覆层11的折射率nclad的表。在该情况下，由上述式(1)和式(2)表示的光波导层的标准化波导宽度V1与标准化传播系数b的关系在图48中示出。图48中，图表G33a～G33f分别示出了模式次数N＝0～5的情况。在该图表中，波导模式仅为基本模式(即N＝0)的是标准化波导宽度V1的解为一个的范围，即范围H1的内侧。此外，范围H1的定义与上述的GaAs类化合物半导体的情况相同。图47的(b)是示出这样的下限值和上限值的计算结果的表。
另外，图49的(a)示出在计算中使用的折射率n4、n5和n6、不对称参数a’以及包覆层11的折射率nclad的表。在该情况下，由上述式(5)和式(6)表示的接触层14的标准化波导宽度V2与标准化传播系数b的关系在图50中示出。图50中，图表G34a～G34f分别示出了模式次数N＝0～5的情况。在该图表中，不产生由接触层14引起的波导模式，并且半导体发光元件1A的波导模式仅为光波导层的基本模式的是标准化波导宽度V2的解为无的范围，即范围H2的内侧。范围H2的定义与上述的GaAs类化合物半导体的情况相同。图49的(b)是示出这样的上限值的计算结果的表。
图51具备图46所示的层构造1A的半导体发光元件的折射率分布G25a和模式分布G25b。可以看出仅显著地产生基本模式，抑制了高次模式。
(半导体发光元件1A由氮化物类化合物半导体构成的情况)
图52是示出半导体发光元件1A由氮化物类化合物半导体构成的情况下的6层平板构造的例子的表。该6层平板构造中的光波导层(层号4)和接触层(层号2)的膜厚的范围通过以下的计算求出。
图53的(a)示出在计算中使用的折射率n1、n2和n3、不对称参数a’以及包覆层11的折射率nclad的表。在该情况下，由上述式(1)和式(2)表示的光波导层的标准化波导宽度V1与标准化传播系数b的关系在图57中示出。图54中，图表G35a～G35f分别示出了模式次数N＝0～5的情况。在该图表中，波导模式仅为基本模式(即N＝0)的是标准化波导宽度V1的解为一个的范围，即范围H1的内侧。范围H1是将当标准化传播系数b为值b1时的对应于N＝0的标准化波导宽度V1的值设定为下限值，将当标准化传播系数b为b1时的对应于N＝1的标准化波导宽度V1的值设定为上限值的范围。图53的(b)是示出这样的下限值和上限值的计算结果的表。
另外，图55的(a)示出在计算中使用的折射率n4、n5和n6、不对称参数a’以及包覆层11的折射率nclad的表。在该情况下，由上述式(5)和式(6)表示的接触层14的标准化波导宽度V2与标准化传播系数b的关系在图56中示出。图56中，图表G36a～G36f分别示出了模式次数N＝0～5的情况。在该图表中，不产生由接触层14引起的波导模式，并且半导体发光元件1A的波导模式仅为光波导层的基本模式的是标准化波导宽度V2的解为无的范围，即范围H2的内侧。范围H2的定义与上述的GaAs类化合物半导体的情况相同。图55的(b)是示出这样的上限值的计算结果的表。
图57示出具备图52所示的层构造的半导体发光元件1A的折射率分布G26a和模式分布G26b。可以看出仅显著地产生基本模式，抑制了高次模式。
本发明所涉及的发光装置不限于上述的实施方式，可以进行各种变形。例如，在上述实施方式中，例示了由GaAs类、InP类和氮化物类(特别是GaN类)的化合物半导体构成的半导体发光元件，但是本发明能够应用于由这些以外的各种半导体材料构成的半导体发光元件。
另外，在上述实施方式中，说明了将设置于与相位调制层15共同的半导体基板10上的活性层12设为发光部的例子，但是在本发明中，发光部也可以从半导体基板10分开地设置。只要发光部是与相位调制层光学耦合并且向相位调制层供给光的部分，即使是这种分离结构，也可以适当地起到与上述实施方式同样的效果。
符号的说明
1A…半导体发光元件；1B…发光装置；1C…半导体发光元件；4…驱动电路；6…支撑基板；7…控制电路；10…半导体基板；10a…主面、10b…背面；11、13…包覆层；12…活性层；14…接触层；14a…开口；15…相位调制层；15a…基本层；15b、15c…不同折射率区域；16、17、22、23…电极；17a、23a…开口；18…保护膜；19…反射防止膜；20…光反射层；21…电流狭窄层；21a…开口；24…保护膜；25…反射防止膜；a…晶格间隔；AD、AL、AR、AU…行波；B1…第一光学图像部分；B2…第二光学图像部分；BD、BL、BR、BU…光束图案；D…直线；G…重心；O…晶格点；R…单位构成区域；RIN…内侧区域；ROUT…外侧区域。

Claims (13)

1.一种发光装置的制造方法，其特征在于，
是包含具有主面的基板，并且沿所述主面的法线方向以及相对于所述法线方向倾斜的倾斜方向中的至少一者的方向输出形成光学图像的光的发光装置的制造方法，
具备：
准备工序，其准备所述基板；以及
层叠工序，其将发光部和与所述发光部光学耦合的相位调制层设置于所述基板上，
所述层叠工序包含：
第一工序，其将具有规定的折射率并且构成所述相位调制层的一部分的基本层设置于所述基板上；以及
第二工序，其在由所述第一工序设置的所述基本层内设置具有与所述基本层的折射率不同的折射率的多个不同折射率区域，
所述第二工序包含：
第一设定工序，其在正交于所述法线方向的所述基本层的设计面上，设定由分别互相平行地配置的多个第一基准线和在分别正交于所述多个第一基准线的状态下互相平行地配置的多个第二基准线规定的假想的正方晶格；
第二设定工序，其特定所述多个第一基准线的任一者与所述多个第二基准线的任一者的交点来作为所述正方晶格的晶格点中的成为从所述多个不同折射率区域选择的不同折射率区域的配置基准的基准晶格点；
第三设定工序，其在所述基本层的所述设计面上，设定通过所述基准晶格点且相对于在所述基准晶格点正交的第一基准线或第二基准线具有规定的倾斜角度，并且配置有所述选择的不同折射率区域的重心的假想直线；
第四设定工序，其在所述基本层的所述设计面上，以输出形成所述光学图像的光的至少一部分的方式，设定从所述基准晶格点到所述选择的不同折射率区域的重心的所述假想直线上的距离；以及
区域形成工序，其相对于所述多个不同折射率区域的各个进行所述第二～第四设定工序，在所述基本层内形成所述多个不同折射率区域，
在所述第三设定工序中，关于所述多个不同折射率区域中的至少以所述基准晶格点为配置基准的所述选择的不同折射率区域、以及以与所述基准晶格点以最短距离邻接的晶格点为配置基准的周边不同折射率区域的各个，以所述倾斜角度一致的方式设定，
在所述第四设定工序中，关于所述正方晶格的晶格点的各个，从所述基准晶格点到所述选择的不同折射率区域的重心的距离被设定为正的值、0及负的值中的任一值。
2.根据权利要求1所述的发光装置的制造方法，其特征在于，
关于所述多个不同折射率区域的各个，在使所述倾斜角度一致的状态下，进行所述第二工序所包含的所述第二～第四设定工序。
3.根据权利要求1所述的发光装置的制造方法，其特征在于，
以包含于在所述基准晶格点正交的所述第一基准线或所述第二基准线且连结所述基准晶格点和邻接于所述基准晶格点的晶格点的线段为基准的所述倾斜角度为除了0°、90°、180°和270°以外的角度。
4.根据权利要求1所述的发光装置的制造方法，其特征在于，
以包含于在所述基准晶格点正交的所述第一基准线或所述第二基准线且连结所述基准晶格点和邻接于所述基准晶格点的晶格点的线段为基准的所述倾斜角度为45°、135°、225°或315°。
5.根据权利要求1～4中任一项所述的发光装置的制造方法，其特征在于，
所述发光部是设置于所述基板上的活性层。
6.一种发光装置，其特征在于，
通过权利要求1～5中任一项所述的发光装置的制造方法来制造。
7.一种发光装置，其特征在于，
是沿主面的法线方向以及相对于所述法线方向倾斜的倾斜方向中的至少一者的方向输出形成光学图像的光的发光装置，
具备：
基板，其具有所述主面；
发光部，其设置于所述基板上；
相位调制层，其在与所述发光部光学耦合的状态下设置于所述基板上，且包含具有规定的折射率的基本层、以及具有与所述基本层的折射率不同的折射率的多个不同折射率区域，
在正交于所述法线方向的所述相位调制层的设计面上，所述多个不同折射率区域分别以与假想的正方晶格的任一晶格点一对一对应的方式配置，
并且在构成所述假想的正方晶格的晶格点中的所述多个不同折射率区域所关联的多个有效晶格点中，连结任意的特定晶格点与关联于所述特定晶格点的特定不同折射率区域的重心的线段分别相对于连结相对于所述特定晶格点以最短距离邻接的多个周边晶格点和分别关联于所述多个周边晶格点的多个周边不同折射率区域的重心的线段平行，
关于构成所述假想的正方晶格的晶格点的各个，从所述特定晶格点到所述特定不同折射率区域的重心的距离被设定为正的值、0及负的值中的任一值。
8.根据权利要求7所述的发光装置，其特征在于，
在构成所述假想的正方晶格的晶格点中的所述多个不同折射率区域所关联的多个有效晶格点中，连结任意的特定晶格点与关联于所述特定晶格点的特定不同折射率区域的重心的线段分别相对于连结除了所述特定晶格点的其余的有效晶格点和分别关联于所述其余的有效晶格点的其余的不同折射率区域的线段平行。
9.一种发光装置，其特征在于，
是沿主面的法线方向以及相对于所述法线方向倾斜的倾斜方向中的至少一者的方向输出形成光学图像的光的发光装置，
具备：
基板，其具有所述主面；
发光部，其设置于所述基板上；
相位调制层，其在与所述发光部光学耦合的状态下设置于所述基板上，且包含具有规定的折射率的基本层、以及具有与所述基本层的折射率不同的折射率的多个不同折射率区域，
在所述相位调制层中，所述多个不同折射率区域根据用于形成所述光学图像的配置图案，配置于所述基本层中的规定位置，
所述配置图案被规定为：
在由与所述主面的法线方向一致的Z轴、以及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互相正交的X轴和Y轴的X-Y平面规定的XYZ正交坐标系中，在所述X-Y平面上，设定由分别具有正方形形状的M1×N1个单位构成区域R构成的假想的正方晶格时，
在由X轴方向的坐标分量x和Y轴方向的坐标分量y所特定的所述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)内的不同折射率区域的重心G从成为所述单位构成区域R(x,y)的中心的晶格点O(x,y)离开距离r，并且从所述晶格点O(x,y)向所述重心G的向量朝向特定方向，
所述XYZ正交坐标系中的坐标(ξ,η,ζ)相对于由动径的长度d1、自所述Z轴起的倾斜角θtilt、以及在X-Y平面上所特定的自所述X轴起的旋转角θrot规定的球面坐标(d1,θtilt,θrot)满足由以下的式(1)～式(3)所表示的关系，
[式1]
ξ＝d1sinθtiltcosθrot……(1)
[式2]
η＝d1sinθtiltsinθrot……(2)
[式3]
ζ＝d1cosθtili……(3)
当将相当于所述光学图像的光束图案设为朝向由角度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)所规定的标准化波数且对应于所述X轴的Kx轴上的坐标值kx、以及作为由以下的式(5)所规定的标准化波数并且对应于所述Y轴且正交于所述Kx轴的Ky轴上的坐标值ky，
[式4]
Figure FDA0003922681230000051
[式5]
Figure FDA0003922681230000052
a：假想的正方晶格的晶格常数
λ：振荡波长
在由所述Kx轴和所述Ky轴规定的波数空间中，包含所述光束图案的特定的波数范围由分别为正方形形状的M2×N2个图像区域FR构成，
在所述波数空间中，通过将由Kx轴方向上的坐标分量kx和Ky轴方向上的坐标分量ky所特定的图像区域FR(kx,ky)分别二维傅里叶逆变换为所述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为虚部而由以下的式(6)赋予，
[式6]
Figure FDA0003922681230000053
在所述单位构成区域R(x,y)中，将振幅项设为A(x,y)且将相位项设为P(x,y)时，所述复振幅F(x,y)由以下的式(7)规定，
[式7]
F(x，y)＝A(x，y)×exp[jP(x，y)]……(7)
并且当所述单位构成区域R(x,y)由分别平行于所述X轴和所述Y轴并且在所述晶格点O(x,y)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G位于通过所述晶格点O(x,y)且相对于所述s轴具有规定的倾斜角度的直线上，并且所述晶格点O(x,y)与所述对应的不同折射率区域的重心G的线段长r(x,y)满足以下关系：
r(x,y)＝C×(P(x,y)-P0)
C：比例常数
P0：任意常数
的所述对应的不同折射率区域配置于所述单位构成区域R(x,y)内，
其中，M1为1以上的整数，N1为1以上的整数，x为1以上且M1以下的整数，y为1以上且N1以下的整数，M2为1以上的整数，N2为1以上的整数，kx为0以上且M2-1以下的整数，ky为0以上且N2-1以下的整数，
在所述M1×N1个单位构成区域R中分别配置有所述多个不同折射率区域的多个有效单位构成区域中，
在所述多个有效单位构成区域所包含的特定单位构成区域内设定的所述直线的所述倾斜角度与由与所述特定单位构成区域共有一条边的邻接单位构成区域的各个设定的所述直线的所述倾斜角度一致，
关于所述有效单位构成区域的各个，从所述晶格点到所述对应的不同折射率区域的重心的距离被设定为正的值、0及负的值中的任一值。
10.根据权利要求9所述的发光装置，其特征在于，
在所述M1×N1个单位构成区域R中分别配置有所述多个不同折射率区域的多个有效单位构成区域中，
在所述多个有效单位构成区域所包含的特定单位构成区域内设定的所述直线的所述倾斜角度与由除了所述特定单位构成区域的其余的有效单位构成区域的各个设定的所述直线的所述倾斜角度一致。
11.根据权利要求9所述的发光装置，其特征在于，
将以所述晶格点O(x,y)为起点的所述s轴的一部分作为基准的所述倾斜角度为除了0°、90°、180°和270°以外的角度。
12.根据权利要求9所述的发光装置，其特征在于，
将以所述晶格点O(x,y)为起点的所述s轴的一部分作为基准的所述倾斜角度为45°、135°、225°或315°。
13.根据权利要求9～12中任一项所述的发光装置，其特征在于，
所述发光部是设置于所述基板上的活性层。
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