CN112119548B - 发光器件 - Google Patents

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Abstract

本实施方式关于一种包含在构成一维排列或二维排列的多个像素分别调制相位的反射型超颖表面的发光器件。该发光器件具备面发光激光元件、导光层、超颖表面。超颖表面具有：透光层，其包含电介质层；一金属膜，其设置于透光层的一面上；及另一金属膜，其设置于透光层的另一面上。相当于多个像素的多个单位区域的各个中，透光层的一部分包含未被金属膜覆盖而露出的部分。各单位区域的宽度及透光层的厚度小于输入至超颖表面的激光的波长。超颖表面在各单位区域分别调制激光的相位。经调制后的激光自第1光输出面输出。

Description

发光器件
技术领域
本发明关于一种发光器件。
背景技术
非专利文献1中公开了一种关于反射型超颖表面的技术。该超颖表面具备由金(Au)构成的镜层、设置于该镜层上的ITO(Indium Tin Oxides，氧化铟锡)层、设置于ITO层上的Al2O3层、及设置于Al2O3层上且由金(Au)构成的纳米天线。而且，记载了如下内容，即，通过在镜层与纳米天线之间预先设定偏压，能根据该偏压的设定图案(光学相位：opticalphase)调制输入光的相位。
现有技术文献
非专利文献
非专利文献1：Yao-Wei Huang et al.,“Gate-tunable conducting oxidemetasurfaces”,Nano Letters,VoL6,pp.5319-5325(2016)
非专利文献2：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)
发明内容
[发明所要解决的问题]
发明人等对上述现有技术进行了研究，结果发现了如下所述的问题。即，近年来，作为能任意控制光的相位、强度或偏光的构造，超颖表面备受关注。超颖表面与现有的透镜等光学元件不同，能通过形成于平坦面的极薄表面构造，控制输入光的相位等。例如，MIM(Metal-Insulator-Metal，金属-绝缘体-金属)型超颖表面具备作为反射膜的下部金属膜、设置于下部金属膜上的电介质层、及设置于电介质层上的上部金属膜。上部金属膜的宽度及电介质层的厚度充分小于输入光的波长。而且，使电介质层的表面自上部金属膜的两侧露出，使光输入至该电介质层的表面。在电介质层内传输的光在下部金属膜反射，并自该电介质层的表面向外部输出。此时，输出光的相位根据上部金属膜的宽度而变化。此种构造称作静态超颖表面。
另一方面，上述非专利文献1的超颖表面具有相对于上述构造而言，上部金属膜的宽度被设定为固定并且追加有ITO等透明导电层的构造；且在下部金属膜与上部金属膜之间设定有偏压。在设定有偏压的状态下，由于下部金属膜与上部金属膜之间的电场，会发生透明导电层的部分金属化(在电介质层与透明导电层的界面附近电子密度集中变高的状态)。此时，下部金属膜与上部金属膜之间的有效折射率根据经金属化后的层的厚度(电子密度集中变高的部分的厚度)而变化。此时，所输入的光的相位根据经金属化后的层的厚度而变化。上述非专利文献1的超颖表面能通过使施加电压任意变化，而控制光的相位。此种构造称作动态超颖表面。
然而，在超颖表面为反射型的情形时，具备光源及超颖表面的发光器件中，需要用以将来自光源的光输入至超颖表面的光学系统、及用以传导自超颖表面输出的光的光学系统。因此，光学系统整体容易变得复杂，从而成为妨碍发光器件小型化的因素。
本发明为了解决如上所述的问题而完成，其目的在于提供一种具备光源与反射型超颖表面，能将光学系统简易化的发光器件。
[解决问题的技术手段]
为了解决上述问题，本发明的一实施方式的发光器件具备面发光激光元件、导光层、反射型超颖表面。面发光激光元件具有相互相对的第1光输出面及第2光输出面。导光层设置于第2光输出面上。反射型超颖表面隔着导光层设置于第2光输出面上。反射型超颖表面具有透光层、第1金属膜、第2金属膜。透光层相对于导光层设置于第2光输出面的相反侧。另外，透光层包含电介质层，并且具有第1面及第2面。第1面位于导光层与电介质层之间。第2面相对于电介质层位于第1面的相反侧。第1金属膜设置于第1面上。第2金属膜设置于第2面上。另外，第2金属膜将自面发光激光元件经由导光层输入至透光层的激光向该导光层反射。进而，在以构成一维排列或二维排列的方式设定于透光层的第1面上的多个单位区域的各个中，透光层包含未被第1金属膜遮住且与导光层面对的露出部分。多个单位区域各自的宽度及透光层的厚度小于激光的波长。反射型超颖表面于各单位区域分别调制该激光的相位。如此那样通过反射型超颖表面加以调制后的激光于通过第2光输出面后自第1光输出面输出。
[发明的效果]
根据本实施方式，可提供一种具备光源与反射型超颖表面，能将光学系统简易化的发光器件。
附图说明
图1为表示本发明的第1实施方式的发光器件1A的构成的立体图。
图2为模式性表示发光器件1A的剖面构造的图。
图3为模式性表示发光器件1A的剖面构造的图。
图4为光子晶体层15A的俯视图。
图5为表示于光子晶体层的特定区域内仅配置有异折射率区域15b的例的俯视图。
图6(a)～图6(g)表示X-Y面内的异折射率区域的形状中镜像对称的形状的例。
图7(a)～图7(k)表示X-Y面内的异折射率区域的形状中不具有180°旋转对称性的形状的例。
图8为表示超颖表面3A的俯视图。
图9为沿着图8的IX-IX线的剖视图，表示超颖表面3A的剖面构造。
图10(a)为表示金属膜6A的平面形状的图，图10(b)为表示金属膜8A的平面形状的图。
图11为表示光子晶体层15A中形成有多个异折射率区域15b的内侧区域RIN与超颖表面3A中形成有多个部分金属膜61的区域Q两者的关为的俯视图。
图12(a)～图12(d)为表示超颖表面3A的制作方法的一例中的各步骤的剖视图。
图13(a)～图13(c)为表示超颖表面3A的制作方法的一例中的各步骤的剖视图。
图14(a)为概念性地表示使输出光的出射角可变的光束转向，以作为超颖表面3A的应用例的图，图14(b)为表示具有光束转向用构造的衍射光学元件(DOE)100的光反射面101的形状的剖视图。
图15为表示第1实施方式的一变化例的超颖表面3B的俯视图。
图16(a)为表示金属膜6B的平面形状的图，图16(b)为表示金属膜8A的平面形状的图。
图17为模式性表示本发明的第2实施方式的发光器件1B的剖面构成的图。
图18为表示相当于图8的IX-IX线的超颖表面3C的剖面构造的图。
图19(a)为表示金属膜6C的平面形状的图，图19(b)为表示金属膜8B的平面形状的图。
图20为表示各单位区域20中的电路构成的图。
图21(a)～图21(d)为用以说明第m行第n列单位区域20中的驱动电路5的动作的图。
图22为表示各单位区域20中的驱动电路5的构造的俯视图。
图23为沿着图22的XXIII-XXIII线的剖视图，表示各单位区域20中的驱动电路5的剖面构造。
图24(a)～图24(e)为表示超颖表面3C的制作方法的一例中的各步骤的剖视图。
图25为表示通过部分金属膜63与金属膜8B之间的电场在透明导电层92形成金属化层92a的情况的图。
图26(a)为表示第2变化例的金属膜6C的平面形状的图，图26(b)为表示第2变化例的金属膜8C的平面形状的图。
图27为表示驱动电路5A的构成的图。
图28为表示第2实施方式的一变化例的超颖表面3D的剖面构造的图。
图29为表示变化例的超颖表面3E的剖面构造的图。
图30为S-iPM(Static-integrable Phase Modulating，静态可积调相)激光器所具备的相位调制层15B的俯视图。
图31为表示相位调制层15B中的异折射率区域的位置关系的图。
图32为用以说明第3实施方式的面发光激光元件的输出光束图案成像所得的光像与相位调制层15B中的旋转角度分布φ(x，y)两者的关为的图。
图33(a)及图33(b)为用以说明自光像的傅立叶变换结果求出相位角分布，从而确定异折射率区域的配置时的注意点的图。
图34(a)～图34(c)表示自第3实施方式的面发光激光元件输出的光束图案(光像)的例。
图35为第3实施方式的一变化例的相位调制层15C的俯视图。
图36为表示相位调制层15C中的异折射率区域15b的位置关系的图。
图37为用以说明自球面坐标向XYZ正交坐标系中的坐标的坐标变换的图。
图38为模式性表示第5变化例的发光器件1C的剖面构成的图。
图39为模式性表示第6变化例的发光器件1D的剖面构成的图。
图40为模式性表示另一变化例的发光器件1E的剖面构成的图。
图41为模式性表示第7变化例的发光器件1F的剖面构成的图。
图42(a)为表示第2光输出面2b的俯视图，图42(b)为表示第1光输出面2a的俯视图。
图43为表示将图41的构成应用于作为PCSEL(Photonic Cristal SurfaceEmitting Laser，光子晶体面发光激光器)的第1实施方式的面发光激光元件2A的例的图。
图44为表示第8变化例的发光装置1G的构成的图。
图45为模式性表示第9变化例的发光器件1H的剖面构成的图。
图46为模式性表示另一变化例的发光器件1J的剖面构成的图。
具体实施方式
[本案发明的实施方式的说明]
首先，就本案发明的实施方式的内容，分别个别地列举而进行说明。
(1)关于本实施方式的发光器件，作为其一形态，具备面发光激光元件、导光层、反射型超颖表面。面发光激光元件具有相互相对的第1光输出面及第2光输出面。导光层设置于第2光输出面上。反射型超颖表面隔着导光层设置于第2光输出面上。反射型超颖表面具有透光层、第1金属膜、第2金属膜。透光层相对于导光层设置于第2光输出面的相反侧。另外，透光层包含电介质层，并且具有第1面及第2面。第1面位于导光层与电介质层之间。第2面相对于电介质层位于第1面的相反侧。第1金属膜设置于第1面上。第2金属膜设置于第2面上。另外，第2金属膜将自面发光激光元件经由导光层输入至透光层的激光向该导光层反射。进而，在以构成一维排列或二维排列的方式设定于透光层的第1面上的多个单位区域的各个中，透光层包含未被第1金属膜遮住且与导光层面对的露出部分。多个单位区域各自的宽度及透光层的厚度小于激光的波长。反射型超颖表面在各单位区域分别调制该激光的相位。如此通过反射型超颖表面加以调制后的激光在通过第2光输出面后自第1光输出面输出。再者，在本说明书中，「多个单位区域各自的宽度」可认为是规定各单位区域的形状的最短边的长度。另外，各层的「厚度」可认为是沿着第1光输出面或第2光输出面的法线方向的长度。
在具有如上所述的构造的发光器件中，面发光激光元件内所产生的激光自第1光输出面及第2光输出面两者输出，自该第2光输出面输出的激光输入至反射型超颖表面。所输入的激光自透光层的第1面在透光层内传输后在第2金属膜反射。在第2金属膜反射的激光再次自透光层的第1面向该透光层的外部输出。在第1金属膜的宽度及透光层的厚度充分小于光的波长的情形时，透光层内发生表面等离子耦合所导致的较强的磁共振(等离子共振)。通过该磁共振，通过第1金属膜与第2金属膜之间的激光的相位得到调制。相位调制量取决于透光层的有效折射率及第1金属膜的宽度。因此，通过在各单位区域分别独立地设定第1金属膜及第2金属膜中任一者，能在空间上控制激光的相位。相位被调制后的激光自第2光输出面再次输入至面发光激光元件内，并自第1光输出面输出。根据该发光器件，无需光源(面发光激光元件)与反射型超颖表面之间的光学系统，故而能将光学系统简易化。
(2)作为本实施方式的一形态，也可为多个单位区域中的两个以上单位区域中的第1金属膜的沿着于第1面上规定的第1方向的宽度互不相同。对激光的相位调制量取决于第1金属膜的宽度。该情形时，可较佳地实现于构成一维排列或二维排列的多个单位区域的各个中，具备能对激光调制相位的静态超颖表面的发光器件。
(3)作为本实施方式的一形态，也可为透光层进而包含设置于电介质层与导光层之间、或该电介质层与第2金属膜之间的透明导电层。在该情形时，较佳为第1金属膜及第2金属膜中至少一者包含以相互分离的状态设置于多个单位区域的各个的多个部分金属膜。若向第1金属膜与第2金属膜之间施加驱动电压，则透明导电层与电介质层的界面附近的电子密度提高。其结果，透明导电层的该界面附近的部分金属化，层叠构造体的有效折射率变化。再者，在本说明书中，所谓「金属化」，表示使电子密度比周边区域高的状态。如上所述，相位调制量取决于透光层的有效折射率。通过使驱动电压变化，能控制有效折射率，因此能控制所输出的激光的相位。另外，第1金属膜及第2金属膜中至少任一者包含以相互分离的状态设置于多个单位区域的各个的多个部分金属膜。因此，通过个别地控制多个部分金属膜的电压，能在各单位区域分别独立地调制相位。因此，可较佳地实现于构成一维排列或二维排列的多个单位区域的各个中，具备能调制激光的相位的动态超颖表面的发光器件。
(4)作为本实施方式的一形态，也可为该发光器件进而具备控制向第1金属膜与第2金属膜之间施加的电压的驱动电路。在该情形时，驱动电路个别地控制第1金属膜及第2金属膜中至少任一者的多个部分金属膜的电压。另外，作为本实施方式的一形态，驱动电路将第1金属膜设定为基准电位，且第1金属膜遍及多个单位区域中的两个以上单位区域延伸。通过该构成，能容易地向导光层与透光层之间相隔的第1金属膜提供基准电位。
(5)作为本实施方式的一形态，较佳为透明导电层包含由于掺杂剂而低电阻化后的氧化铟及氧化锌中至少一者。在该情形时，能较佳地发挥上述透明导电层的作用。
(6)作为本实施方式的一形态，较佳为面发光激光元件具有基板、活性层、光子晶体。基板具有主面、及与该主面相对的背面。活性层及光子晶体设置于基板的主面上。另外，光子晶体层包含基本层、及具有与该基本层的折射率不同的折射率的多个异折射率区域。多个异折射率区域排列于与光子晶体层的厚度方向垂直的基准面上。在此种构成中，面发光激光元件可作为光子晶体面发光激光器(PCSEL：Photonic Cristal Surface EmittingLaser)而动作。PCSEL能通过光子晶体控制与主面平行的方向的光模分布。例如与作为面发光激光元件的另一种类的垂直共振器面发光型激光装置(VCSEL：Vertical CavitySurface Emitting Laser)相比，PCSEL原理上能维持单一模式地扩大发光面积。即，原理上能使波阵面保持良好状态地扩大发光面积。因此，通过增加反射型超颖表面中的单位区域的数量，能实现更复杂的相位调制图案。
(7)作为本实施方式的一形态，较佳为面发光激光元件为沿着基板的主面的法线方向、与上述法线方向交叉的倾斜方向、或上述法线方向与上述倾斜方向两者输出形成光像的光的元件，具有基板、活性层、相位调制层。基板具有主面、及与该主面相对的背面。活性层及相位调制层设置于主面上。相位调制层包含基本层、及具有与该基本层的折射率不同的折射率的多个异折射率区域。多个异折射率区域在与相位调制层的厚度方向垂直的基准面上构成二维排列。设定于基准面上且在与多个异折射率区域的各个对应有晶格点的假想正方晶格中，该多个异折射率区域各自的重心配置于如下位置，即，自该假想正方晶格的对应的晶格点偏离的位置，且以连结邻接的晶格点间的线段为基准，成为用以在该对应的晶格点周围形成光像的至少一部分的旋转角的位置。另外，作为本实施方式的一形态，也可为如下情况，即，设定于基准面上且于与多个异折射率区域的各个对应有晶格点的假想正方晶格中，该多个异折射率区域各自的重心配置于通过该假想正方晶格的晶格点且相对于正方晶格倾斜的直线上。在该情形时，也可为多个异折射率区域各自的重心与对应的晶格点于直线上的距离被设定为形成光像的至少一部分。
(8)作为本实施方式的一形态，多个异折射率区域各自的于基准面上规定的平面形状不具有180°旋转对称性。即，多个异折射率区域各自的平面形状所具有的对称性将180°旋转对称性排除在外。在该情形时，自面发光激光元件输出的光的直线偏旋光性提高。作为本实施方式的一形态，较佳为电介质层包含氧化铝、氧化硅及氟化镁中至少任一者。在该情形时，能较佳地实现上述电介质层。作为本实施方式的一形态，较佳为电介质层的一部分构成第1面。作为本实施方式的一形态，较佳为导光层包含氧化铝、氧化硅、氟化镁及氟化钙中至少任一者。在该情形时，能较佳地实现上述导光层的作用。
(9)作为本实施方式的一形态，也可为面发光激光元件进而具有设置于第1光输出面上的第1电极。在该形态中，较佳为第1电极具有将第1光输出面中的激光输出区域包围的形状。作为本实施方式的一形态，也可为面发光激光元件进而具有与激光输出区域并排设置于第1光输出面的第1电极。无论于哪种形态中，均能使于反射型超颖表面被调制过相位的激光避开设置于第1光输出面的第1电极而自第1光输出面输出。
(10)作为本实施方式的一形态，也可为面发光激光元件进而具有设置于第2光输出面上的第2电极。在该形态中，较佳为第2电极具有将反射型超颖表面包围的形状。即，根据该形态，既能将反射型超颖表面与第2电极一并设置于第2光输出面上，又能使来自第2电极的电流充分扩散至面发光激光元件的活性层的中央部附近。
(11)作为本实施方式的一形态，较佳为该发光器件进而具备1/4波长板、偏光板。1/4波长板设置于第2光输出面与反射型超颖表面之间。偏光板设置于第1光输出面上。在该情形时，能遮住自面发光激光元件向第1光输出面直达的光，而仅取出经过第2光输出面及反射型超颖表面到达第1光输出面的光。
以上，该[本案发明的实施方式的说明]栏所列举的各形态可应用于剩余所有形态的各个、或这些剩余形态的所有组合。
[本案发明的实施方式的详细情况]
以下，参照附图详细地对本实施方式的发光器件的具体构造进行说明。再者，本发明并不限定于这些例示，而是由申请专利范围表示，并意欲包含与申请专利范围均等的含义下及范围内的所有变更。在附图的说明中，对于相同要素标注相同符号并省略重复的说明。另外，在以下说明中，所谓平面形状，是指自发光器件厚度方向观察时所见的形状。
(第1实施方式)
图1为表示本发明的第1实施方式的发光器件1A的构成的立体图。图2为模式性表示发光器件1A的剖面构造的图。再者，定义以沿着发光器件1A的厚度方向延伸的轴为Z轴的XYZ正交坐标系。发光器件1A具备面发光激光元件2A、及与面发光激光元件2A一体地构成的反射型超颖表面(以下，简称作「超颖表面」)3A。面发光激光元件2A于X-Y面内方向形成驻波，将激光L1、L2输出至与半导体基板10的主面10a垂直的方向(Z轴方向)。
如图1及图2所示，发光器件1A进而具备导光层31。导光层31位于面发光激光元件2A与超颖表面3A之间，使面发光激光元件2A与超颖表面3A相互接合。另外，导光层31使于面发光激光元件2A与超颖表面3A之间往返的激光L1透过。再者，关于导光层31，将于下文进行详细叙述。
面发光激光元件2A为光子晶体面发光激光器(Photonic Crystal SurfaceEmitting LASER：PCSEL)。面发光激光元件2A具备：半导体基板10；作为发光部的活性层12，其设置于半导体基板10的主面10a上；一对包覆层11、13，其隔着活性层12；接触层14，其设置于包覆层13上；及光子晶体层15A。半导体基板10的背面10b为本实施方式中的第1光输出面2a。接触层14的表面14a相当于该面发光激光元件2A的第2光输出面2b，相对于活性层12位于第1光输出面的相反侧。
半导体基板10、包覆层11及13、活性层12、接触层14及光子晶体层15A例如由GaAs类半导体、InP类半导体、氮化物类半导体等化合物半导体构成。包覆层11及包覆层13的各能隙大于活性层12的能隙。半导体基板10、包覆层11、包覆层13、活性层12、接触层14及光子晶体层15A的厚度方向与Z轴方向一致。
视需要，也可于活性层12与包覆层(上部包覆层)13之间、及活性层12与包覆层(下部包覆层)11之间中至少一者，设置光导层。光导层设置于活性层12与上部包覆层13之间的情形时，光子晶体层15A设置于上部包覆层13与光导层之间。光导层也可包含用以将载子高效地封入活性层12中的载子障壁层。
另外，在本实施方式中，光子晶体层15A设置于活性层12与上部包覆层13之间，但如图3所示，光子晶体层15A也可设置于下部包覆层11与活性层12之间。进而，光导层设置于活性层12与下部包覆层11之间的情形时，光子晶体层15A设置于下部包覆层11与光导层之间。光导层也可包含用以将载子高效地封入活性层12中的载子障壁层。
光子晶体层(衍射晶格层)15A具有：基本层15a，其由第1折射率介质构成；及多个异折射率区域15b，其由折射率与第1折射率介质不同的第2折射率介质构成，存在于基本层15a内。多个异折射率区域15b具有周期性地排列于与光子晶体层15A的厚度方向垂直的面内(X-Y面内)。在将光子晶体层15A的有效折射率设为n的情形时，由光子晶体层15A选择的波长λ0(＝a×n，a为晶格间隔)包含于活性层12的发光波长范围内。光子晶体层15A能将活性层12的发光波长中波长λ0的光选择性地输出至外部。在本实施方式中，波长λ0例如处于0.4～1.6μm的范围内，在一例中为850nm或940nm。
图4为光子晶体层15A的俯视图。如图4所示，在与X-Y平面一致的光子晶体层15A的设计面(基准面)上设定假想正方晶格。正方晶格的一边与X轴平行，另一边与Y轴平行。此时，以正方晶格的晶格点O为中心的正方形形状的单位构成区域R可遍及沿着X轴的多列及沿着Y轴的多行呈二维状设定。多个异折射率区域15b于各单位构成区域R内分别设置。异折射率区域15b的平面形状例如为圆形形状。在各单位构成区域R内，异折射率区域15b的重心G与各晶格点O重叠(一致)。再者，多个异折射率区域15b的周期构造并不限于此，例如也可设定三角晶格代替正方晶格。
具体而言，在图4中，以x0～x3表示的虚线表示单位构成区域R中的X轴方向的中心位置，以y0～y2表示的虚线表示单位构成区域R中的Y轴方向的中心位置。因此，虚线x0～x3与虚线y0～y2的各交点表示单位构成区域R(0，0)～R(3，2)各自的中心O(0，0)～O(3，2)，即晶格点。该假想正方晶格的晶格常数为a。再者，晶格常数a根据发光波长而调整。
图5为表示于光子晶体层的特定区域内仅配置有异折射率区域15b的例的俯视图。图5的例中，在正方形的内侧区域RIN内，形成有异折射率区域15b的周期构造。另一方面，在将内侧区域RIN包围的外侧区域ROUT，未形成异折射率区域15b。在该构造的情形时，能抑制光向面内方向的泄漏，从而可期待阈值电流的降低。
另外，图4中示出了于X-Y平面上规定的异折射率区域15b的形状为圆形的例，但异折射率区域15b也可具有圆形以外的形状。例如，异折射率区域15b的形状也可具有镜像对称性(线对称性)。此处，所谓镜像对称性(线对称性)，是指隔着沿X-Y平面的某条直线，位于该直线一侧的异折射率区域15b的平面形状与位于该直线另一侧的异折射率区域15b的平面形状能相互镜像对称(线对称)。作为具有镜像对称性(线对称性)的平面形状，例如可列举图6(a)所示的正圆、图6(b)所示的正方形、图6(c)所示的正六边形、图6(d)所示的正八边形、图6(e)所示的正十六边形、图6(f)所示的长方形、图6(g)所示的椭圆等。
另外，在X-Y平面上规定的异折射率区域15b的形状也可为不具有180°旋转对称性的形状。作为此种形状，例如可列举图7(a)所示的正三角形、图7(b)所示的直角等腰三角形、图7(c)所示的2个圆或椭圆的一部分重叠的形状、图7(d)所示的卵形形状、图7(e)所示的泪形形状、图7(f)所示的等腰三角形、图7(g)所示的箭头形形状、图7(h)所示的梯形、图7(i)所示的五边形、图7(j)所示的2个矩形的一部分彼此重叠的形状、图7(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。再者，卵形形状为以椭圆的沿着长轴的一端部附近的短轴方向的尺寸小于另一端部附近的短轴方向的尺寸的方式变形而成的形状。泪形形状为使椭圆的沿着长轴的一端部变形成沿着长轴方向突出的尖突端部而成的形状。箭头形形状为矩形的一边呈三角形状凹陷且其相对的一边呈三角形状尖突而成的形状。
光子晶体激光器的情形时，在面内方向(沿着X-Y平面的方向)形成驻波状态，一部分光向面垂直方向(与X-Y平面垂直的方向)衍射。该光向面垂直方向衍射时，会产生反映出面内方向上的电磁场分布的对称性的干涉。例如，在异折射率区域15b的平面形状为正圆的情形时，面内方向上的电磁场分布与异折射率区域15b的平面形状相关，为反对称(大小相等但方向相反)，因此于面垂直方向会产生消失性干涉。另一方面，在如图7(a)～图7(k)所示异折射率区域15b的平面形状不具有180°旋转对称性的情形时，面内电场分布非对称化。因此，通过使异折射率区域15b的平面形状不具有180°旋转对称性，能选择性地加强某一方向的偏光。即，自面发光激光元件2A输出的光的直线偏旋光性提高。
再者，异折射率区域15b也可于各单位构成区域R分别设置有多个。在该情形时，也可一个单位构成区域R中包含的多个异折射率区域15b具有彼此相同的形状的图形，但彼此的重心分隔。另外，也可异折射率区域15b的于X-Y平面上规定的形状在单位构成区域R间相同，通过并行操作或并行操作及旋转操作，能在单位构成区域R间相互重叠。在该情形时，光子带构造的晃动减少，能获得线宽较窄的光谱。或者，也可异折射率区域的X-Y平面内的形状于单位构成区域R间未必相同(也可在邻接的单位构成区域R间形状互不相同)。
另外，在上述构造中，异折射率区域15b为空孔，但异折射率区域15b通过将具有与基本层15a的折射率不同的折射率的半导体埋入空孔内也可获得。在该情形时，例如也可使用有机金属气相成长法、溅镀法或外延法，在通过对基本层15a进行蚀刻而形成的空孔内埋入半导体。另外，也可于通过在基本层15a的空孔内埋入半导体而形成异折射率区域15b后，进而于其上沉积与异折射率区域15b相同的半导体。再者，在异折射率区域15b为空孔的情形时，也可于该空孔中封入氩气、氮气等惰性气体；氢气或空气。
再次参照图1及图2。面发光激光元件2A进而具备设置于接触层14的表面14a上的电极16、及设置于半导体基板10的背面10b上的电极17。电极16为本实施方式中的第2电极的例，电极17为本实施方式中的第1电极的例。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16具有将超颖表面3A包围的框状(环状)的平面形状，并且具有开口16a。另外，电极17具有将第1光输出面2a中的激光L1、L2的输出区域包围的框状(环状)的平面形状，并且具有开口17a。再者，对于电极16、17的平面形状，可应用矩形框状、圆环状等各种形状。接触层14的表面14a自开口16a露出，半导体基板10的背面10b自开口17a露出。再者，不与电极16接触的接触层14也可去掉。在该情形时，上部包覆层13自开口16a露出。
自电极17的开口17a露出的半导体基板10的背面10b由抗反射膜19覆盖。抗反射膜19例如由硅氮化物(例如SiN)、硅氧化物(例如SiO2)等电介质单层膜；或电介质多层膜构成。作为电介质多层膜，例如可应用层叠有选自氧化钛(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)等电介质层群的2种以上电介质层的膜。
在某例中，半导体基板10为GaAs基板。另外，包覆层11、活性层12、包覆层13、接触层14及光子晶体层15A分别为由III族元素及V族元素构成的化合物半导体层。在一例中，包覆层11为AlGaAs层。活性层12具有多重量子阱构造(障壁层：AlGaAs/阱层：InGaAs)。光子晶体层15A的基本层15a为GaAs。异折射率区域15b为空孔。包覆层13为AlGaAs层。接触层14为GaAs层。
在另一例中，下部包覆层11为AlGaInP层。活性层12具有多重量子阱构造(障壁层：AlGaInP或GaInP/阱层：GaInP)。光子晶体层15A的基本层15a为AlGaInP或GaInP。异折射率区域15b为空孔。上部包覆层13为AlGaInP层。接触层14为GaAs层。
在进而另一例中，半导体基板10为InP基板。下部包覆层11、活性层12、光子晶体层15A、上部包覆层13及接触层14也可为由InP类化合物半导体构成的层。在一例中，下部包覆层11为InP层。活性层12具有多重量子阱构造(障壁层：GaInAsP/阱层：GaInAsP)。光子晶体层15A的基本层15a为GaInAsP。异折射率区域15b为空孔。上部包覆层13为InP层。接触层14为GaInAsP层。
另外，在进而另一例中，半导体基板10为GaN基板。下部包覆层11、活性层12、光子晶体层15A、上部包覆层13及接触层14也可为由氮化物类化合物半导体构成的层。在一例中，下部包覆层11为AlGaN层。活性层12具有多重量子阱构造(障壁层：InGaN/阱层：InGaN)。光子晶体层15A的基本层15a为GaN。异折射率区域15b为空孔。上部包覆层13为AlGaN层。接触层14为GaN层。
下部包覆层11具有与半导体基板10相同的导电型。上部包覆层13及接触层14具有与半导体基板10相反的导电型。在一例中，半导体基板10及下部包覆层11为n型。上部包覆层13及接触层14为p型。在活性层12与下部包覆层11之间设置有光子晶体层15A的情形时，该光子晶体层15A具有与半导体基板10相同的导电型。另一方面，在活性层12与上部包覆层13之间设置有光子晶体层15A的情形时，该光子晶体层15A具有与半导体基板10相反的导电型。再者，杂质浓度例如为1×1017～1×1021/cm3。活性层12为未有意添加任何杂质的本征(i型)，其杂质浓度为1×1015/cm3以下。再者，在有必要抑制经由杂质能级进行的光吸收所导致的损耗的影响的情形时等，光子晶体层15A也可为本征(i型)。
对本实施方式的面发光激光元件2A的尺寸例进行说明。电极16的开口16a的内径(于开口16a的形状为正方形的情形时，为一边的长度)被控制于50μm～800μm的范围内，例如为400μm。电极17的开口17a的内径(于开口17a的形状为正方形的情形时，为一边的长度)被控制于50μm～800μm的范围内，例如为400μm。光子晶体层15A的厚度例如被控制于100nm～400nm的范围内，例如为200nm。上部包覆层13的厚度例如被控制于2μm～50μm的范围内。下部包覆层11的厚度例如被控制于1μm～3μm的范围内。
若向电极16与电极17之间供给驱动电流，则驱动电流到达活性层12。此时，电极16与活性层12之间流通的电流于上部包覆层13中扩散，电极17与活性层12之间流通的电流于下部包覆层11中扩散。因此，驱动电流分散而到达活性层12的中央部附近。而且，在活性层12内发生电子与空穴的再结合，在该活性层12内产生光。该有助于发光的电子及空穴、以及所产生的光被高效地封入下部包覆层11与上部包覆层13之间。自活性层12释放出的光进入光子晶体层15A，形成与光子晶体层15A的晶格构造相应的特定模式。
自光子晶体层15A输出的一部分激光L1自接触层14的表面14a向面发光激光元件2A的外部输出。其后，所输出的激光L1于导光层31内传输并到达反射型超颖表面3A。然后，激光L1于超颖表面3A反射，在导光层31内传输并再次输入至接触层14的表面14a。然后，激光L1自半导体基板10的背面10b向面发光激光元件2A的外部输出。另外，自光子晶体层15A输出的剩余激光L2直接到达半导体基板10的背面10b，自半导体基板10的背面10b与激光L1一并向面发光激光元件2A的外部输出。再者，激光L1、L2向与主面10a垂直的方向(法线方向)输出。
继而，详细地对超颖表面3A的构成进行说明。图8为表示超颖表面3A的俯视图。本实施方式的超颖表面3A为反射型静态超颖表面。所谓「超颖表面」，是指通过将多个各自充分小于光的波长的单位构造以构成一维排列或二维排列的方式形成于平坦的表面上而获得的光学元件，该超颖表面于各单位构造分别使输入光的相位、强度或偏光变化。超颖表面存在各种构造，本实施方式的超颖表面具有其中被称作间隙等离子型的构造。超颖表面3A是沿着相互交叉(例如正交)的2个方向例如X轴方向及Y轴方向延伸的平板状的装置，将与该2个方向两者交叉(例如正交)的方向例如Z轴方向设为厚度方向。在超颖表面3A的主面3a，设置有多个单位区域20。多个单位区域20呈以X轴方向为行方向，以Y轴方向为列方向的M行N列(M、N为2以上的整数)的二维状排列。各单位区域20的平面形状为矩形形状(例如正方形形状)。各单位区域20的一边的长度W1例如处于200～400nm的范围内。超颖表面3A通过在各单位区域20中个别调制向主面3a输入的激光L1的相位，而用于透镜用途或全像形成等各种目的。
图9为沿着图8的IX-IX线的剖视图，表示超颖表面3A的剖面构造。如图9所示，超颖表面3A具备透光层9A。透光层9A具有主面9a(第1面)、及位于与主面9a为相反侧的背面9b(第2面)。进而，超颖表面3A具备设置于透光层9A的主面9a上的金属膜6A、及设置于透光层9A的背面9b上的金属膜8A。即，透光层9A设置于金属膜6A与金属膜8A之间。再者，在图9中，同时示出了设置于透光层9A的主面9a上的导光层31。导光层31与透光层9A接触。
透光层9A为平坦的膜，遍及多个单位区域20沿着X轴方向及Y轴方向两者延伸。透光层9A的主面9a隔着导光层31，与半导体基板10的背面10b(即第2光输出面2b)相对。因此，激光L1经由导光层31向主面9a输入。主面9a与背面9b的间隔(即透光层9A的沿着Z轴方向的厚度)设定为充分小于激光L1的波长λ0。透光层9A的厚度例如被控制于10～100nm的范围内。
透光层9A包含电介质层。作为一例，本实施方式的透光层9A由单一电介质层构成。再者，透光层9A也可除了电介质层以外，进而包含与电介质层不同的其他层(例如，与下述第2实施方式相同的透明导电层)。作为电介质层的透光层9A具有透光性及绝缘性的无机膜。所谓透光性，是指对输入至超颖表面3A的波长的吸收极低(例如光吸收率为20％以下)的性质。所谓绝缘性，是指电阻率极高(例如电阻率为106Ω·m以上)的性质。电介质层4例如包含氧化铝(Al2O3)、氧化硅(SiO2)及氟化镁(MgF2)中至少任一者。电介质层4的厚度例如被控制于1～20nm的范围内，在一例中为5nm。
金属膜6A为本实施方式中的第1金属膜，作为超颖表面构造中的纳米天线而发挥功能。金属膜6A例如为由金(Au)等金属构成的膜。金属膜6A的膜厚例如被控制于30～100nm的范围内，在一例中为30nm。金属膜6A包含多个部分金属膜61。图10(a)为表示金属膜6A的平面形状的图。金属膜6A的存在范围由影线示出。如图10(a)所示，多个部分金属膜61构成沿着X轴方向及Y轴方向两者的二维排列，且相互分隔。各部分金属膜61于各单位区域20中分别设置(各自包含于对应的单位区域20)。部分金属膜61的沿着X轴方向的宽度W2及部分金属膜61的沿着Y轴方向(第1方向)的宽度W3设定为小于单位区域20的一边的长度W1，且设定为充分小于激光L1的波长λ0。具体而言，部分金属膜61的宽度W2被控制于40～360nm的范围内，在一例中为90nm。另外，部分金属膜61的宽度W3被控制于40～360nm的范围内，较佳为40～180nm的范围内，在各单位区域20中分别独立地设定。因此，本实施方式中，在两个以上单位区域20间，部分金属膜61的宽度W3互不相同。
再者，作为一例，部分金属膜61的宽度W2相对于激光L1的波长λ0的比(W2/λ0)被控制于0.02～0.9的范围内，部分金属膜61的宽度W3相对于激光L1的波长λ0的比(W3/λ0)被控制于0.02～0.9的范围内。进而，部分金属膜61的宽度W2相对于单位区域20的一边的长度W1的比(W2/W1)被控制于0.1～1的范围内，部分金属膜61的宽度W3相对于单位区域20的一边的长度W1的比(W3/W1)被控制于0.1～0.9的范围内。
如上所述，部分金属膜61的宽度W2、W3小于单位区域20的一边的长度W1。而且，部分金属膜61分别于X轴方向及Y轴方向上，配置于单位区域20的大致中央部分。因此，如图9及图10(a)所示，透光层9A于各单位区域20中，包含自Z轴方向观察时未被金属膜6A遮住而露出的部分9e。部分9e具有沿着Z轴方向观察单位区域20时将部分金属膜61包围的形状，或包含隔着部分金属膜61的一对部分。再者，X轴方向或Y轴方向与激光L1的偏光方向一致。
金属膜8A为本实施方式中的第2金属膜。金属膜8A将输入至透光层9A的激光L1向主面9a反射。金属膜8A例如由金(Au)等金属构成。金属膜8A的膜厚例如被控制于100～200nm的范围内，在一例中为130nm。图10(b)为表示金属膜8A的平面形状的图。金属膜8A的存在范围由影线示出。本实施方式的金属膜8A遍及透光层9A的背面9b的整面毫无间隙地设置。
图11为表示光子晶体层15A中形成有多个异折射率区域15b的内侧区域RIN(参照图5)与超颖表面3A中形成有多个部分金属膜61的区域Q1两者的关系的俯视图。如图11所示，区域Q1的面积小于内侧区域RIN的面积，沿着Z轴方向观察面发光激光元件2A时区域Q1也可包含于内侧区域RIN。
再次参照图9。导光层31为了降低超颖表面3A与面发光激光元件2A之间的光损耗，而设置于面发光激光元件2A的第2光输出面2b与超颖表面3A的透光层9A之间。导光层31为具有透光性及绝缘性的无机膜，兼作针对第2光输出面2b的抗反射膜。导光层31可由单一层构成，又也可具有由多层层叠而成的层叠构造。导光层31具有位于面发光激光元件2A侧的面31a、及位于超颖表面3A侧的面31b(参照图2及图3)。面31a、31b为平坦且相互平行的面，沿着Z轴方向相互相对。导光层31的面31a与第2光输出面2b接触，面31b与透光层9A的主面9a接触。面31a、31b的沿着Z轴方向的间隔(即导光层31的厚度)例如被控制于50～300nm的范围内，在一例中为117nm。
导光层31例如也可包含Al2O3、SiO2、MgF2及氟化钙(CaF2)中至少任一者。另外，为了降低导光层31与透光层9A的界面上的反射，构成透光层9A的主面9a的层也可在激光L1的波长下具有导光层31的折射率以上的折射率。换言之，导光层31的折射率也可等于或小于构成透光层9A的主面9a的层的折射率。因此，在透光层9A由Al2O3构成的情形时，导光层31也可包含Al2O3、SiO2、MgF2及CaF2中至少任一者。另外，在透光层9A由SiO2构成的情形时，导光层31也可包含SiO2、MgF2及CaF2中至少任一者。另外，在透光层9A由MgF2构成的情形时，导光层31也可包含MgF2及CaF2中至少任一者。由此，自第2光输出面2b输出的激光L1以损耗被抑制得较小的状态自导光层31向透光层9A输入。
再者，在本实施方式中，具有导光层31中埋入有金属膜6A的多个部分金属膜61的构成，但也可具有透光层9A中埋入有多个部分金属膜61的构成。在导光层31中埋入有金属膜6A的多个部分金属膜61的构成中，导光层31的最小厚度大于金属膜6A的膜厚。
图12(a)～图12(d)及图13(a)～图13(c)为表示超颖表面3A的制作方法的一例中的各步骤的剖视图。首先，如图12(a)所示，作为第1步骤，准备面发光激光元件2A。然后，在面发光激光元件2A的第2光输出面2b(在本实施方式中，为接触层14的表面14a)上，成膜导光层31。导光层31的成膜例如使用电子束蒸镀法或溅镀法而进行。
其次，如图12(b)所示，在导光层31上涂布抗蚀剂41。抗蚀剂41例如为电子束曝光抗蚀剂。继而，如图12(c)所示，将抗蚀剂41曝光、显影，由此在抗蚀剂41形成开口41a。开口41a与多个部分金属膜61对应。继而，如图12(d)所示，经由抗蚀剂41的开口41a对导光层31进行蚀刻。由此，在导光层31形成多个凹部31c。凹部31c的深度与多个部分金属膜61的厚度相等。作为此时的蚀刻方法，例如可列举反应性离子蚀刻(RIE：Reactive Ion Eching)等干式蚀刻。凹部31c的深度可由蚀刻时间控制。
继而，如图13(a)所示，在导光层31上的整面蒸镀用于金属膜6A的金属材料(例如Au)。此时，金属材料经由抗蚀剂41的开口41a到达导光层31的凹部31c，将凹部31c掩埋。由此，形成金属膜6A的多个部分金属膜61。部分金属膜61的厚度可由蒸镀时间控制。较佳为以部分金属膜61的厚度与凹部31c的深度彼此相等的方式控制蒸镀时间。另外，该步骤中，剩余的金属材料M沉积于抗蚀剂41上。
继而，如图13(b)所示，将抗蚀剂41自导光层31上去除。此时，剩余的金属材料M被与抗蚀剂41一并除去。由此，导光层31的面31b出现。通过恰当地控制部分金属膜61的厚度与凹部31c的深度，面31b与多个部分金属膜61的露出面相互成为同一平面(整体上变得平坦)。其后，如图13(c)所示，在导光层31的面31b上及多个部分金属膜61上的整面，成膜透光层9A，进而成膜金属膜8A。透光层9A的成膜方法及材料与导光层31的成膜方法及材料相同。由于导光层31的面31b与多个部分金属膜61的露出面整体上变得平坦，故而透光层9A的主面9a及背面9b也变得平坦。另外，金属膜8A的成膜方法及材料与金属膜6A的成膜方法及材料相同。经过以上构成，制作出本实施方式的超颖表面3A。
对通过以上所说明的本实施方式的发光器件1A而获得的作用效果进行说明。在该发光器件1A中，面发光激光元件2A内所产生的激光L1、L2自第1光输出面2a及第2光输出面2b分别输出。其中，自第2光输出面2b输出的激光L1于导光层31中传输并输入至透光层9A的主面9a。
本实施方式的超颖表面3A具备MIM构造，该MIM构造依序层叠有作为光反射膜的金属膜8A、包含电介质层的透光层9A、及由具有有限宽度W3的多个部分金属膜61构成的金属膜6A。在该情形时，如图2及图3所示，透光层9A包含自金属膜6A露出的部分9e。自面发光激光元件2A输入至透光层9A的部分9e的激光L1于金属膜8A反射后，再次向超颖表面3A的外部输出。在多个部分金属膜61的宽度W3及透光层9A的厚度充分小于激光L1的波长λ0的情形时，透光层9A内发生表面等离子耦合所导致的较强的磁共振(等离子共振)。通过该磁共振，通过部分金属膜61与金属膜8A之间的激光L1的相位得到调制。
此处，以下数式(1)表示磁共振所导致的激光L1的相位调制量φ、部分金属膜61的宽度w(＝W3)、激光L1的波长λ0、及透光层9A的有效折射率Ngsp几者的关系。再者，m为整数。
[数1]
自数式(1)可知，相位调制量φ取决于部分金属膜61的宽度w。因此，通过在各单位区域20中分别独立地设定宽度w，能于空间上控制激光L1的相位。相位被如此调制后的激光L1自第2光输出面2b再次输入至面发光激光元件2A内，并自第1光输出面2a输出。
如上所述，在超颖表面为反射型的情形时，包含光源及超颖表面的发光器件中，需要用以将来自光源的光输入至超颖表面的光学系统、及用以传导自超颖表面输出的光的光学系统。因此，光学系统整体容易变得复杂，从而成为妨碍发光器件小型化的因素。与此相对地，在本实施方式的发光器件1A中，光源(面发光激光元件2A)与超颖表面3A经由导光层31一体化。因此，无需反射型的超颖表面3A与光源(面发光激光元件2A)之间的光学系统。故而，得以实现光学系统的简易化。
此外，在该发光器件1A中，透光层9A中构成主面9a的层在激光L1的波长下具有导光层31的折射率以上的折射率。此种构成会降低在导光层31与透光层9A的界面的反射，因此能效率良好地自导光层31向透光层9A输入激光L1。从而，超颖表面3A可有效地发挥功能。
另外，如本实施方式那样，两个以上单位区域20中的金属膜6A的沿着Y轴方向的宽度W3也可互不相同。如上所述，相位调制量取决于金属膜6A的宽度W3。因此，此种构成能实现构成一维排列或二维排列的多个单位区域20的各个中的相位调制，从而能较佳地实现包含具有此种构成的静态超颖表面的发光器件1A。
图14(a)及图14(b)为概念性地表示使输出光的出射角可变的光束转向，以作为超颖表面3A的应用例的图。在图14(b)的例中，通过在各单位区域20中分别沿着X轴方向(或Y轴方向)使相位调制量φ每次变化固定量，而使输出光的波阵面Pa相对于超颖表面3A的表面倾斜。此时，波阵面Pa的法线与超颖表面3A的表面的法线所成的角θ(即输出光的出射角)根据各单位区域20的相位调制量φ的变化量而定。该变化量越大则输出光的出射角θ越大，该变化量越小则输出光的出射角θ越小。因此，通过控制各单位区域20的相位调制量φ的变化量，能将输出光的出射角θ设定为任意角度。
图14(a)为表示具有光束转向用构造的衍射光学元件(DOE)100的光反射面101的形状的剖视图。衍射光学元件100中，在光反射面101设置有周期性凹凸，通过在凸部形成斜面102能控制输出光(反射光)的出射角。然而，在此种构成中，光反射面101的凹凸构造例如具有达200μm的厚度t2。与此相对地，本实施方式的超颖表面3A例如具有达210nm的厚度t1，与衍射光学元件100相比能极薄地构成(参照图14(b))。因此，有助于发光器件1A的小型化。
如本实施方式那样，面发光激光元件2A包含具有主面10a及与该主面10a相对的背面10b的基板、以及设置于主面10a上的活性层12及光子晶体层15A。光子晶体层15A也可包含基本层15a及多个异折射率区域15b，这些多个异折射率区域15b具有与基本层15a的折射率不同的折射率，周期性地排列于与光子晶体层15A的厚度方向垂直的设计面(基准面)上。通过此种构成，面发光激光元件2A可作为光子晶体面发光激光器(PCSEL)而发挥功能。PCSEL能通过光子晶体控制与主面平行的方向的光模分布。因此，PCSEL例如与同为面发光激光元件的垂直共振器面发光型激光装置(VCSEL)相比，原理上能维持单一模式地扩大发光面积。即，PCSEL原理上能使波阵面保持良好状态地扩大发光面积。因此，通过增加超颖表面3A的单位区域20的数量，能实现更复杂的相位调制图案。
如本实施方式那样，透光层9A也可包含Al2O3、SiO2及MgF2中至少任一者。通过此种构成，能较佳地实现包含电介质层的透光层9A。
如本实施方式那样，导光层31也可包含Al2O3、SiO2、MgF2及CaF2中至少任一者。通过此种构成，能较佳地发挥上述导光层31的作用。
如本实施方式那样，设置于第1光输出面2a上的电极17也可具有将第1光输出面2a中的激光输出区域包围的形状。通过此种构成，在超颖表面3A中被调制过相位的激光L1可避开电极17而自第1光输出面2a输出。
另外，如本实施方式那样，设置于第2光输出面2b上的电极16也可具有将超颖表面3A包围的形状。通过此种构成，既能将超颖表面3A与电极16一并设置于第2光输出面2b上，又能使来自电极16的电流充分扩散至活性层12的中央部附近。
(第1变化例)
图15为表示第1实施方式的一变化例的超颖表面3B的俯视图。在超颖表面3B的主面3a，形成有多个(N个)单位区域21，以此代替第1实施方式的多个单位区域20。多个单位区域21构成沿着X轴方向的一维排列。各单位区域21的平面形状为矩形形状(例如以与排列方向交叉的Y轴方向为长边方向的长方形形状)。各单位区域21的沿着X轴方向的宽度W4与第1实施方式的单位区域20的一边的长度W1相同。再者，超颖表面3B的IX-IX剖面的构造与第1实施方式相同(参照图9)。
图16(a)为表示金属膜6B的平面形状的图。金属膜6B设置于透光层9A的主面9a上，且与第1实施方式同样地包含多个部分金属膜62。多个部分金属膜62沿着X轴方向以相互分离的状态排列。多个部分金属膜62沿着X轴方向的配置周期(排列间距)固定。各部分金属膜62的平面形状为矩形形状(例如长方形形状)。各部分金属膜62于各单位区域21中分别设置，位于各单位区域21内。部分金属膜62的沿着X轴方向的宽度W2及部分金属膜62的沿着Y轴方向的宽度W3与第1实施方式相同。在本变化例中，也为部分金属膜62的宽度W2小于单位区域21的宽度W4。另外，部分金属膜62的宽度W3充分小于激光L1的波长λ0，且在各单位区域21中分别独立地设定。因此，本实施方式中，也为在两个以上单位区域21间，部分金属膜62的宽度W3互不相同。而且，部分金属膜62分别于X轴方向及Y轴方向上配置在单位区域21的大致中央部分。因此，透光层9A在各单位区域21中包含自部分金属膜62露出的部分9e。
图16(b)为表示金属膜8A的平面形状的图。超颖表面3B所具备的金属膜8A的形态与第1实施方式相同。
如本变化例那样，多个单位区域也可构成一维排列。在此种情形时，也能发挥与第1实施方式相同的效果。
(第2实施方式)
图17为模式性表示本发明的第2实施方式的发光器件1B的剖面构成的图。如图17所示，本实施方式的发光器件1B具备面发光激光元件2A、超颖表面3C及导光层31。这些中，面发光激光元件2A及导光层31的构成与上述第1实施方式相同，因此于本实施方式中省略说明。
本实施方式的超颖表面3C代替第1实施方式的超颖表面3A，隔着导光层31设置于面发光激光元件2A的第2光输出面2b上。超颖表面3C是与面发光激光元件2A一体地构成的反射型动态超颖表面，与第1实施方式的超颖表面3A同样地，具有间隙等离子型的构造。另外，超颖表面3C与第1实施方式的超颖表面3A同样地，具有图8所示的多个单位区域(像素)20。多个单位区域20构成以X轴方向为行方向，以Y轴方向为列方向的M行N列(M、N为2以上的整数)的二维排列。各单位区域20的平面形状为矩形形状(例如正方形形状)。各单位区域20的一边的长度W1例如被控制于200～400nm的范围内。超颖表面3C通过在各单位区域20中个别调制向主面3a输入的激光L1的相位，而用于透镜用途或全像形成等各种目的。
图18为表示相当于图8的IX-IX线的超颖表面3C的剖面构造的图。如图18所示，超颖表面3C具备驱动电路5、设置于驱动电路5的表面的金属膜8B、层叠于金属膜8B上的透光层9B、及设置于透光层9B上的金属膜6C。即，透光层9B设置于金属膜8B与金属膜6C之间。
透光层9B为平坦的膜，遍及多个单位区域20沿着X轴方向及Y轴方向两者延伸。透光层9B具有主面9c(第1面)及背面9d(第2面)。主面9c与背面9d沿着Z轴方向相互相对。自面发光激光元件2A的第2光输出面2b经由导光层31向主面9c输入激光L1。主面9c与背面9d的间隔(即透光层9B的沿着Z轴方向的厚度)设定为充分小于激光L1的波长λ0。透光层9B的厚度例如被控制于10～100nm的范围内。透光层9B具有以Z轴方向为层叠方向而层叠的透明导电层92及电介质层93。
透明导电层92为具有透光性及导电性的无机膜。本实施方式的透明导电层92包含由于掺杂剂而低电阻化后的氧化铟(In2O3)及氧化锌(Zn2O3)中至少任一者。相对于氧化铟的掺杂剂例如为Sn。掺杂有Sn的氧化铟称作ITO。另外，相对于氧化锌的掺杂剂例如为Al或Ga。掺杂有Al的氧化锌称作AZO。掺杂有Ga的氧化锌称作GZO。透明导电层92的厚度例如被控制于3～50nm的范围内，在一例中为20nm。
电介质层93为具有透光性及绝缘性的无机膜。所谓绝缘性，是指电阻率极高(例如电阻率为106Ω·m以上)的性质。电介质层93例如包含氧化铝(Al2O3)、氧化硅(SiO2)及氟化镁(MgF2)中至少任一者。电介质层93的厚度例如被控制于3～20nm的范围内，在一例中为5nm。在本实施方式中，电介质层93相对于透明导电层92位于主面9c侧。
再者，本实施方式中，在背面9d侧设置有透明导电层92，在主面9c侧设置有电介质层93，但也可于主面9c侧设置有透明导电层92，在背面9d侧设置有电介质层93。另外，本实施方式中，透明导电层92的一部分构成背面9d，电介质层93的一部分构成主面9c。但也可于包含透明导电层92及电介质层93的构造体与主面9c及/或背面9d之间进而设置其他层。另外，也可于透明导电层92与电介质层93之间进而设置其他层。
金属膜6C为本实施方式中的第1金属膜，可作为超颖表面构造中的纳米天线而发挥功能。金属膜6C设置于透光层9B的主面9c上。金属膜6C例如为由金(Au)等金属构成的膜。金属膜6C的膜厚例如被控制于30～100nm的范围内，在一例中为50nm。金属膜6C包含多个部分金属膜63。图19(a)为表示金属膜6C的平面形状的图。如图19(a)所示，多个部分金属膜63沿着X轴方向以相互分隔的状态排列。各部分金属膜63于各单位区域20的M行N列分别设置，遍及沿着Y轴方向排列的两个以上单位区域20(在本实施方式中，为M个单位区域20)延伸。部分金属膜63的沿着X轴方向的宽度W5设定为小于单位区域20的沿着该X轴方向的长度W1，且设定为充分小于激光L1的波长λ0。在一例中，部分金属膜63的宽度W5被控制于40～360nm的范围内，在一例中为250nm。另外，相邻的部分金属膜63彼此的间隔被控制于40～360nm的范围内，在一例中为150nm。另外，部分金属膜63的宽度W5相对于激光L1的波长λ0的比(W5/λ0)被控制于0.02～0.9的范围内。进而，部分金属膜63的宽度W5相对于单位区域20的一边的长度W1的比(W5/W1)被控制于0.1～0.9的范围内。
如上所述，部分金属膜63的宽度W5小于单位区域20的长度W1。而且，部分金属膜63在X轴方向上配置于单位区域20的大致中央部分。因此，如图18及图19(a)所示，透光层9B于各单位区域20中包含一对部分9f、9g。一对部分9f、9g分别设置于沿着Z轴方向观察单位区域20时隔着部分金属膜63的位置，且自金属膜6C露出。如图18所示，一对部分9f、9g的排列方向(即X轴方向)与激光L1的偏光方向L1a一致。
金属膜8B为本实施方式中的第2金属膜。金属膜8B设置于透光层9B的背面9d上。在一例中，金属膜8B与背面9d接触。金属膜8B将输入至透光层9B的激光L1向主面9c反射。金属膜8B例如由金(Au)等金属构成。金属膜8B的膜厚例如被控制于100～200nm的范围内，在一例中为150nm。金属膜8B包含多个部分金属膜81。图19(b)为表示金属膜8B的平面形状的图。多个部分金属膜81构成以X轴方向为行方向，以Y轴方向为列方向的M行N列二维排列，并且相互分隔。各部分金属膜81于各单位区域20中分别设置，位于各单位区域20内。在一例中，各部分金属膜81的平面形状为矩形形状(例如正方形形状)。在一例中，部分金属膜81的一边的长度W6处于40～360nm的范围内。进而，部分金属膜81的一边的长度W6相对于单位区域20的一边的长度W1的比(W6/W1)处于0.1～0.9的范围内。
驱动电路5为具有多个晶体管51的板状构件。驱动电路5控制自超颖表面3C的外部向金属膜8B与金属膜6C之间施加的电压。更详细而言，驱动电路5将多个部分金属膜63的电位设定为共通的基准电位(GND电位)，并且利用晶体管51个别控制多个部分金属膜81的电位。驱动电路5相对于透光层9B位于背面9d侧。各晶体管51与各单位区域20对应设置，且沿着Z轴方向观察单位区域20时位于各单位区域20内。晶体管51例如为设置于包含电介质的基板上的薄膜晶体管。在各晶体管51上，隔着绝缘膜设置有部分金属膜81。
图20为表示各单位区域20中的电路构成的图。如图20所示，驱动电路5进而具有M条栅极驱动配线53、及N条电压供给配线54。M条栅极驱动配线53分别沿着行方向(即X轴方向)延伸，并且分别沿着列方向(即Y轴方向)配置。N条电压供给配线54分别沿着列方向(即Y轴方向)延伸，并且分别沿着行方向(即X轴方向)配置。第m行(m＝1、2、…、M)栅极驱动配线53与在各位于第m行的单位区域20中分别设置的晶体管51的控制端子(栅极)电性连接。第n列(n＝1、2、…、N)电压供给配线54与在各位于第n列的单位区域20中分别设置的晶体管51的一电流端子(例如源极)电性连接。晶体管51的另一电流端子(例如漏极)经由单位区域20内的配线与该单位区域20的部分金属膜81电性连接。
另外，本实施方式的驱动电路5进而具有于各单位区域20中分别设置的多个电容器52。电容器52为本实施方式中的电压保持部的例，在各单位区域20中分别保持对单位区域20的部分金属膜81施加的电压。再者，作为电压保持部，除了电容器以外也可应用能保持电压的各种构成。电容器52例如为形成于驱动电路5内部的平行平板电容器。电容器52的一电极连接于部分金属膜81，另一电极连接于定电位区域(例如基准电位区域)。再者，如下所述，部分金属膜81也可兼作电容器52的一电极。
图21(a)～图21(d)为用以说明第m行第n列单位区域20中的驱动电路5的动作的图。在图21(a)～图21(d)中，以虚线标示出具有有效电压值的部分。首先，在图21(a)所示的状态下，对第m行栅极驱动配线53及第n列电压供给配线54均未施加电压，晶体管51为非导通状态。其次，如图21(b)所示，若对第m行栅极驱动配线53施加特定栅极电压Vg，则晶体管51成为导通状态。此时，第n列电压供给配线54与部分金属膜81经由晶体管51相互连接。继而，如图21(c)所示，对第n列电压供给配线54施加驱动电压Vd。驱动电压Vd的电压值是基于应对超颖表面3C设定的所希望的相位调制图案，在各单位区域20中分别独立地设定。由此，在经由晶体管51对部分金属膜81施加驱动电压Vd的同时，通过电容器52保持该驱动电压Vd。其后，如图21(d)所示，不再自第m行栅极驱动配线53施加栅极电压Vg，且停止自第n列电压供给配线54供给驱动电压Vd。此时，晶体管51再次成为非导通状态，但通过电容器52，部分金属膜81的电压被保持为驱动电压Vd。对所有单位区域20逐次进行此种动作，使驱动电路5被个别控制多个部分金属膜81的驱动电压Vd。由此，对超颖表面3C设定所希望的相位调制图案，在各单位区域20中分别调制激光L1的相位。
图22为表示各单位区域20中的驱动电路5的构造的俯视图。另外，图23为沿着图22的XXIII-XXIII线的剖视图，表示各单位区域20中的驱动电路5的剖面构造。如图22及图23所示，驱动电路5具有第1导电型(例如p型)半导体层55、及设置于半导体层55上的绝缘层57、58。半导体层55可为半导体基板本身，也可为形成于异种基板上的半导体膜(单晶膜、多晶膜或非晶膜)。在半导体层55的表面55c(即半导体基板的主面、或包含异种基板及半导体膜的基板状构件的主面)，设置有晶体管51。在半导体层55为形成于异种基板上的半导体膜的情形时，晶体管51称作薄膜晶体管。构成半导体层55的半导体基板、或构成异种基板及半导体层55的半导体膜使表面55c与透光层9B的背面9d(参照图2)相互相对，并且与透光层9B一体化。
作为一例，半导体层55主要由添加有第1导电型(例如p型)杂质的Si构成。在半导体层55内，形成有第2导电型(例如n型)半导体区域55a、55b。半导体区域55a、55b主要由添加有第2导电型杂质的Si构成。半导体区域55a、55b相互隔开间隔而配置，且于半导体层55的表面55c露出。半导体区域55a与设置于表面55c上的晶体管51的源极电极51b形成欧姆接触。半导体区域55b与设置于表面55c上的晶体管51的漏极电极51c形成欧姆接触。源极电极51b及漏极电极51c在表面55c上隔开间隔排列而配置。
除了源极电极51b、漏极电极51c以外的表面55c上的区域由绝缘层57覆盖。再者，在图22中，为了容易理解，仅示出了绝缘层57的必要部分。绝缘层57例如主要包含SiO2等绝缘性硅化合物。在绝缘层57上，设置有晶体管51的栅极电极51a。栅极电极51a与半导体层55中的位于半导体区域55a与半导体区域55b之间的区域隔着绝缘层57相对。栅极电极51a由设置于绝缘层57上的绝缘层58覆盖。如图23所示，绝缘层58为保护驱动电路5整体的保护膜。绝缘层58例如主要包含SiO2。在绝缘层58上，设置有该单位区域20的部分金属膜81。
如图22所示，源极电极51b与设置于表面55c上的电压供给配线54连接。栅极电极51a经由设置于绝缘层57上的配线连接于栅极驱动配线53。另外，如图23所示，漏极电极51c经由贯通绝缘层57、58的配线51d连接于部分金属膜81。
电容器52包含部分金属膜81的一部分、其正下方的半导体层55、及介置于这些之间的电介质层59。再者，半导体层55被设定为定电位(例如基准电位)。在该情形时，部分金属膜81兼作电容器52的一电极，半导体层55兼作电容器52的另一电极。电介质层59以将形成于绝缘层57、58的开口掩埋的方式设置。电介质层59的下表面与半导体层55接触，电介质层59的上表面与部分金属膜81接触。电介质层59例如主要包含SiO2。
图24(a)～图24(e)为表示超颖表面3C的制作方法的一例中的各步骤的剖视图。再者，在图24(a)～图24(e)中，仅具有代表性地示出了一个单位区域20，但其他单位区域20也与该单位区域20并行地，通过相同方法制作而成。首先，如图24(a)所示，作为第1步骤，准备驱动电路5。驱动电路5通过在具有晶体管的基板上形成配线层的周知方法制作而成。此时，在驱动电路5上的配线层，已形成有包含多个部分金属膜81的金属膜8B。其次，如图24(b)所示，例如利用溅镀法等物理蒸镀法于金属膜8B上形成透明导电层92。具体而言，在将由透明导电层92的材料构成的靶设置于真空腔室内的状态下，使利用高电压加以离子化后的惰性气体冲撞靶。由此，使透明导电层92的材料飞散，由此成膜该透明导电层92。在透明导电层92由ITO构成的情形时，电介质层93的材料例如为SiO2、Al2O3及HfO2中至少任一者。继而，如图24(c)所示，例如利用原子层沉积(Atomic Layer Deposition：ALD)法于透明导电层92上形成电介质层93。具体而言，针对各构成电介质层93的元素，分别进行向成膜装置内投入及吹拂原料气体的操作(即，反复实施例如数埃厚度的成膜)。在电介质层93由SiO2构成的情形时，ALD的原料例如为TDMAS及氧等离子体。继而，如图24(d)所示，例如利用举离(liftoff)法于电介质层93上形成包含多个部分金属膜63的金属膜6C。具体而言，首先，在电介质层93的上涂布抗蚀剂，并形成与多个部分金属膜63对应的多个开口。其次，在包含抗蚀剂的多个开口的电介质层93的整面蒸镀金属膜(例如Au膜)。然后，通过将抗蚀剂去除，而将沉积于抗蚀剂上的金属膜去除。经过以上步骤，制作出本实施方式的超颖表面3C。
继而，如图24(e)所示，例如利用CVD(Chemical Vapor Deposition，化学气相沉积)法，在电介质层93整面上，形成电介质层93、及覆盖金属膜6C的导光层31。具体而言，在调整成膜装置内的温度及压力后，针对各构成导光层31的元素，分别向成膜装置内送入原料气体。在导光层31由SiO2构成的情形时，CVD的原料例如为SiH4。
最后，通过化学机械研磨(CMP：Chemical Mechanical Polishing)使导光层31的表面(面31a)平坦化。其后，将导光层31的面31a接合于另外准备的面发光激光元件2A的第2光输出面2b，至此发光器件1B完成。作为此时的接合方法，例如可列举扩散接合或常温接合。
对通过以上所说明的本实施方式的发光器件1B所得的效果进行说明。在本实施方式的发光器件1B中，与第1实施方式同样地，光源(面发光激光元件2A)与超颖表面3C经由导光层31一体化。因此，无需反射型的超颖表面3C与光源(面发光激光元件2A)之间的光学系统。故而，根据本实施方式，能将光学系统简易化。
超颖表面3C具备MIM构造，该MIM构造依序层叠有作为光反射膜的金属膜8B、包含透明导电层92及电介质层93的透光层9B、及包含具有有限宽度W5的多个部分金属膜63的金属膜6C。在该情形时，如图18及图19(a)～图19(b)所示，透光层9B包含一对部分9f、9g。一对部分9f、9g分别设置于沿着层叠方向(Z轴方向)观察单位区域20时隔着部分金属膜63的位置，且自金属膜6C露出。自超颖表面3C的外部输入至透光层9B的一部分9f(或9g)的激光L1于金属膜8B反射，并自透光层9B的另一部分9g(或9f)向超颖表面3C的外部输出。此时，若向部分金属膜63与金属膜8B之间施加驱动电压Vd，则在部分金属膜63及金属膜8B两者产生被称作间隙表面等离子模式的相互反向的感应电流(在透光层9B内发生较强的磁共振(等离子共振))。通过该磁共振，通过部分金属膜63与金属膜8B之间的激光L1的相位得到调制。再者，磁共振所导致的激光L1的相位调制量φ、部分金属膜63的宽度w(＝W5)、激光L1的波长λ0、及透光层9B的有效折射率Ngsp几者的关系如上述式(1)所示。
自上述式(1)可知，相位调制量φ取决于透光层9B的有效折射率Ngsp。而且，通过使向部分金属膜63与金属膜8B之间施加的驱动电压Vd变化，能控制有效折射率Ngsp。其理由如下所述。若向部分金属膜63与金属膜8B之间施加驱动电压Vd，则如图25所示，通过部分金属膜63与金属膜8B之间的电场，透明导电层92的电介质层93的界面附近的电子密度提高。其结果，透明导电层92的该界面附近的部分变成经金属化后的层92a。该层92a与激光L1反应，故而透光层9B的有效折射率Ngsp变化。
进而，在本实施方式的超颖表面3C中，金属膜8B包含以相互分离的状态于各单位区域20中分别设置的多个部分金属膜81，驱动电路5个别控制多个部分金属膜81的驱动电压Vd。由此，如图25所示，能在各单位区域20中分别独立地控制透明导电层92中的金属化层92a的厚度(能在各单位区域20中分别独立地调制相位)。即，根据本实施方式的超颖表面3C，能进行各构成二维排列的单位区域20的动态相位调制。
另外，在本实施方式中，也为本实施方式的超颖表面3C与衍射光学元件(参照图14(a)及图14(b))相比能极薄地构成。因此，本实施方式有助于具备超颖表面3C的发光器件1B的小型化。
如本实施方式那样，驱动电路5也可具有对各部分金属膜81分别保持电压的多个电压保持部(电容器52)。由此，能对各部分金属膜81逐次设定电位，因此能将驱动电路5的构成简略化。在该情形时，多个电压保持部也可为以金属膜8B为一电极的电容器52。由此，能通过简易的构成实现电压保持部。
如本实施方式那样，电介质层93也可相对于透明导电层92位于主面9c侧。由此，形成反映出设置于上侧的金属构造的形状的累积层，故而有望使电子浓度变高。
如本实施方式那样，也可驱动电路5包含在各单位区域20中分别设置的多个晶体管51。另外，超颖表面3C具备于主面具有多个晶体管51的基板，且该基板使其主面与背面9d相互相对并与透光层9B一体化。由此，可提供一种组装有驱动电路的小型反射型动态超颖表面。
如本实施方式那样，也可驱动电路5将金属膜6C设定为基准电位，金属膜6C遍及于与一对部分9f、9g的排列方向交叉的方向上排列的两个以上单位区域20延伸。由此，既能抑制用以向金属膜6C提供基准电位的配线妨碍激光L1及输出光的进程，又能容易地对金属膜6C设定基准电位。因此，能通过简易的构造抑制超颖表面3C的输出效率的下降。
如本实施方式那样，电介质层93也可包含Al2O3、SiO2及MgF2中至少任一者。由此，能较佳地实现上述电介质层93。
如本实施方式那样，透明导电层92也可包含由于掺杂剂而低电阻化后的In2O3及Zn2O3中至少一者。由此，能较佳地发挥上述透明导电层92的作用。
(第2变化例)
在第2实施方式的超颖表面3C的主面3a，也可形成有图15所示的多个(N个)单位区域(像素)21，以此代替图8所示的多个单位区域20。多个单位区域21构成沿着X轴方向的一维排列。各单位区域21的平面形状为矩形形状(例如以与排列方向交叉的Y轴方向为长边方向的长方形形状)。各单位区域21的沿着X轴方向的宽度W4与第2实施方式的单位区域20的一边的长度W1相同。再者，本变化例的超颖表面的剖面构造与第2实施方式相同(参照图18)。
图26(a)为表示本变化例的金属膜6C的平面形状的图。金属膜6C设置于透光层9B的主面9c上，且与第2实施方式同样地包含多个部分金属膜63。多个部分金属膜63沿着X轴方向以相互分隔的状态排列。各部分金属膜63的平面形状为矩形形状(例如以Y轴方向为长边方向的长方形形状)。但于本实施方式中，单位区域21也为以Y轴方向为长边方向的长方形形状，因此各部分金属膜63于各单位区域21中分别设置，位于各单位区域21内。部分金属膜63的沿着X轴方向的宽度W5与第2实施方式相同。在本变化例中，也为部分金属膜63的宽度W5小于单位区域21的宽度W4。而且，部分金属膜63于X轴方向上配置在单位区域21的大致中央部分。因此，透光层9B于各单位区域21中包含一对部分9f、9g。
图26(b)为表示金属膜8C的平面形状的图。本变化例的超颖表面具备金属膜8C，以此代替第2实施方式的金属膜8B。金属膜8C为本变化例中的第2金属膜。金属膜8C的构成除了如下点以外，其他与第2实施方式的金属膜8B相同。即，本变化例的金属膜8C包含多个部分金属膜82。多个部分金属膜82沿着X轴方向以相互分离的状态排列。各部分金属膜82的平面形状为矩形形状(例如以Y轴方向为长边方向的长方形形状)。各部分金属膜82在各单位区域21中分别设置，位于各单位区域21内。再者，各部分金属膜82的沿着X轴方向(短边方向)的宽度W7与第2实施方式的部分金属膜81的一边的长度W6相同。
图27为表示驱动电路5A的构成的图。本变化例的超颖表面具备驱动电路5A，以此代替第2实施方式的驱动电路5。本变化例的驱动电路5A具有1条栅极驱动配线53、及N条电压供给配线54。栅极驱动配线53沿着单位区域21的排列方向(X轴方向)延伸。N条电压供给配线54分别沿着与单位区域21的排列方向交叉的方向(Y轴方向)延伸，且分别沿着X轴方向排列。栅极驱动配线53与在各单位区域21中分别设置的晶体管51的控制端子(栅极)电性连接。第n列(n＝1、2、…、N)电压供给配线54与在位于第n列的单位区域21设置的晶体管51的一电流端子(例如源极)电性连接。晶体管51的另一电流端子(例如漏极)经由单位区域21内的配线与该单位区域21的部分金属膜82电性连接。
另外，驱动电路5A进而具有在各单位区域21中分别设置的多个电容器52。电容器52为本变化例中的电压保持部的例，在各单位区域21中分别保持对单位区域21的部分金属膜82施加的电压。再者，电容器52的具体构成与上述实施方式相同。
如本变化例那样，多个单位区域也可构成一维排列。在此种情形时，也能发挥与第2实施方式相同的效果。
(第3变化例)
图28为表示第2实施方式的一变化例的超颖表面3D的剖面构造的图。本变化例中，在相互邻接的单位区域20(或21)的透光层9B之间设置有空隙94，单位区域20(或21)各自的透光层9B于空间上相互分离。该空隙94为了将相互邻接的单位区域20(或21)的透明导电层92彼此电性分离而设置。由此，对某单位区域20(或21)的部分金属膜81(82)与金属膜6C之间施加了驱动电压Vd时，能防止电子向邻接的单位区域20(或21)的透明导电层92泄漏。因此，能降低相互邻接的单位区域20(或21)间的串扰。再者，形成空隙94时，只要将具有与空隙94对应的开口的屏蔽形成于透光层9B上，并隔着该屏蔽蚀刻透光层9B即可。
图29为表示进而另一变化例的超颖表面3E的剖面构造的图。该例中，在相互邻接的单位区域20(或21)的透光层9B之间设置有绝缘部95，以此代替上述空隙94。绝缘部95例如主要包含SiO2等绝缘性材料。在此种构成中，也能有效地降低相互邻接的单位区域20(或21)间的串扰。再者，绝缘部95通过将上述空隙94形成于透光层9B后，向该空隙94中埋入绝缘性材料而较佳地形成。
(第3实施方式)
上述第1实施方式及第2实施方式对发光器件1A具备作为PCSEL的面发光激光元件2A的情形进行了说明，但发光器件并不限于PCSEL，而可具备各种面发光激光元件。例如，对通过控制自构成二维排列的多个发光点输出的光的相位光谱及强度光谱而输出任意光像的面发光激光元件进行了研究。此种面发光激光元件称作S-iPM(Static-integrablePhase Modulating，静态可积调相)激光器，输出包含半导体基板的主面的法线方向、及与该法线方向交叉的倾斜方向的二维任意形状的光像。
图30为S-iPM激光器所具备的相位调制层15B的俯视图。上述各实施方式的面发光激光元件2A也可具有图30所示的相位调制层15B，以此代替光子晶体层15A(参照图4)。由此，能使面发光激光元件2A为S-iPM激光器。再者，在面发光激光元件2A中，除了相位调制层15B以外的其他构成与第1实施方式相同，因此省略详细的说明。
图30为相位调制层15B的俯视图，且为用以说明异折射率区域的配置图案(旋转方式)的一例的图。相位调制层15B包含由第1折射率介质构成的基本层15a、及由具有与第1折射率介质的折射率不同的折射率的第2折射率介质构成的异折射率区域15b。此处，在与X-Y平面一致的相位调制层15B的设计面(基准面)上设定假想正方晶格。正方晶格的一边与X轴平行，另一边与Y轴平行。此时，以正方晶格的晶格点O为中心的正方形形状的单位构成区域R可遍及沿着X轴的多列及沿着Y轴的多行呈二维状设定。多个异折射率区域15b于各单位构成区域R内各设置有1个。异折射率区域15b的平面形状例如为圆形形状。在各单位构成区域R内，异折射率区域15b的重心G自距其最近的晶格点(单位构成区域R的中心)O偏离而配置。
具体而言，在图30中，x0～x3所示的虚线表示单位构成区域R中的X轴方向的中心位置，y0～y2所示的虚线表示单位构成区域R中的Y轴方向的中心位置。因此，虚线x0～x3与虚线y0～y2的各交点表示单位构成区域R(0，0)～R(3，2)各自的中心O(0，0)～O(3，2)，即晶格点。该假想正方晶格的晶格常数为a。再者，晶格常数a根据发光波长而调整。
上述异折射率区域15b的配置图案根据目标光束投射区域与目标输出光束图案而定。即，根据对与目标光束投射区域及目标输出光束图案对应的原始图案加以逆傅立叶变换所得的相位，决定于在X-Y平面上规定的相位调制层15B的设计面，使各异折射率区域15b的重心G自基本层15a中的假想正方晶格的各晶格点(虚线x0～x3与虚线y0～y2的交点)偏离的方向，由此决定上述配置图案。自各晶格点偏离的距离r(参照图31)通常遍及所有相位调制区域、所有异折射率区域相同，但也可使一部分相位调制区域中的距离r为与其他相位调制区域中的距离r不同的值，或使一部分异折射率区域中的距离r为与其他异折射率区域中的距离r不同的值。再者，图31为用以说明由旋转方式决定的配置图案(旋转方式)的一例的图，在图31中，示出了单位构成区域R(x，y)的构成，晶格点至异折射率区域15b的距离r由r(x，y)表示。
如图31所示，构成正方晶格的单位构成区域R(x，y)由在晶格点O(x，y)相互正交的s轴及t轴规定。再者，s轴为与X轴平行的轴，对应于图30中所示的虚线x0～x3。t轴为与Y轴平行的轴，对应于图30中所示的虚线y0～y2。在如此规定单位构成区域R(x，y)的s-t平面，自晶格点O(x，y)朝重心G的方向与s轴所成的角度被赋值为φ(x，y)。在旋转角度φ(x，y)为0°的情形时，自晶格点O(x，y)朝重心G的向量的方向与s轴的正方向一致。另外，自晶格点O(x，y)朝重心G的向量的长度(相当于距离r)被赋值为r(x，y)。
如图30所示，在相位调制层15B中，异折射率区域15b的重心G绕晶格点O(x，y)的旋转角度φ(x，y)根据目标输出光束图案(光像)在各单位构成区域R中分别独立地设定。旋转角度φ(x，y)于单位构成区域R(x，y)中具有特定值，但未必由特定函数表示。即，旋转角度φ(x，y)由在波数空间上变换输出光束图案，并对该波数空间的一定波数范围加以二维逆离散傅立叶变换所得的复振幅的相位项决定。再者，自目标输出光束图案求解复振幅分布(单位构成区域R各自的复振幅)时，应用全像生成计算时常用的GS(Gerchberg-Saxton)法等反复算法，由此目标输出光束图案的再现性提高。
在本实施方式中，自活性层12输出的激光输入至相位调制层15B的内部，形成与相位调制层15B内的晶格构造相应的特定模式。在相位调制层15B内散射并输出的激光L1于超颖表面3A～3E中任一者反射，并自第1光输出面2a向外部输出。此时，0次光朝主面10a的法线方向输出。与此相对地，+1次光及-1次光朝包含主面10a的法线方向、及与该法线方向交叉的倾斜方向的二维任意方向输出。
图32为用以说明本实施方式中的面发光激光元件的输出光束图案(光像)与相位调制层15B中的旋转角度φ(x，y)的分布两者的关系的图。具体而言，对在波数空间上变换输出光束图案的投射范围即光束投射区域(以XYZ正交坐标系中的坐标(x，y，z)表示的设计上的光像的设置面)所得的Kx-Ky平面进行探讨。规定该Kx-Ky平面的Kx轴及Ky轴相互正交，并且各自通过以下所详述的式(2)～式(6)，与将目标输出光束图案的输出方向自光输出面的法线方向(Z轴方向)转向至该光输出面时相对于该法线方向的角度建立对应。
首先，在由与半导体基板的主面的法线方向一致的Z轴、及与包含多个异折射率区域的相位调制层的一面一致且包含相互正交的X轴及Y轴的X-Y平面规定的XYZ正交坐标系中，在X-Y平面上，设定由各自具有正方形形状的M1(1以上的整数)×N1(1以上的整数)个单位构成区域R构成的假想正方晶格。此时，多个异折射率区域的配置图案被以如下方式规定，即，在由X轴方向的坐标成分x(0以上且M1－1以下的整数)、及Y轴方向的坐标成分y(0以上且N1－1以下的整数)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)内的异折射率区域的重心G自成为单位构成区域R(x，y)的中心的晶格点O(x，y)偏离距离r，且自晶格点O(x，y)朝重心G的向量朝向特定方向。
进而，XYZ正交坐标系中的坐标(ξ，η，ζ)如图37所示，相对于由动径的长度d1、自Z轴倾斜的倾斜角θtilt、及于X-Y平面上特定的自X轴旋转的旋转角θrot规定的球面坐标(d1，θttilt，θrot)，满足下式(2)～式(4)所示的关系。再者，图37为用以说明自球面坐标(d1，θtilt，θrot)向XYZ正交坐标系中的坐标(ξ，η，ζ)进行的坐标变换的图，通过坐标(ξ，η，ζ)，表示于作为实空间的XYZ正交坐标系中设定的特定平面(目标光束投射区域)上的设计上的光像。将相当于光像的输出光束图案设为朝向由角度θtilt及θrot规定的方向的辉点的集合时，，角度θtilt及θrot换算成为由下式(5)规定的规格化波数且与X轴对应的Kx轴上的坐标值kx、及为由下式(6)规定的规格化波数且与Y轴对应并与Kx轴正交的Ky轴上的坐标值ky。规格化波数表示将相当于假想正方晶格的晶格间隔的波数规格化为1.0的波数。此时，在由Kx轴及Ky轴规定的波数空间，包含相当于光像的输出光束图案的特定波数范围由各自为正方形形状的M2(1以上的整数)×N2(1以上的整数)个图像区域FR构成。再者，整数M2无需与整数M1一致。同样地，整数N2也无需与整数N1一致。另外，式(5)及式(6)例如于上述非专利文献2中已揭示。
[数2]
ξ＝d1 sinθtilt cosθrot…(2)
[数3]
η＝d1 sinθtilt sinθrot…(3)
[数4]
ζ＝d1 cosθtilt…(4)
[数5]
[数6]
a：假想正方晶格的晶格常数
λ：振荡波长
在该Kx-Ky平面上，包含目标输出光束图案的特定区域由各自为正方形形状的M2(1以上的整数)×N2(1以上的整数)个图像区域FR构成。另外，在与相位调制层的设计面(基准面)一致的X-Y平面上设定的假想正方晶格由M1(1以上的整数)×N1(1以上的整数)个单位构成区域R构成。再者，整数M2无需与整数M1一致。同样地，整数N2也无需与整数N1一致。此时，关于将由Kx轴方向的坐标成分kx(0以上且M2-1以下的整数)、及Ky轴方向的坐标成分ky(0以上且N2-1以下的整数)特定的Kx-Ky平面上的图像区域FR(kx，ky)分别二维逆离散傅立叶变换成由X轴方向的坐标成分x(0以上且M1-1以下的整数)、及Y轴方向的坐标成分y(0以上且N1-1以下的整数)特定的单位构成区域R(x，y)所得的单位构成区域R(x，y)中的复振幅F(x，y)，将j设为虚数单位而以下式(7)赋值。
[数7]
另外，在单位构成区域R(x，y)中，将振幅项设为A(x，y)且将相位项设为P(x，y)时，该复振幅F(x，y)由下式(8)规定。
[数8]
F(x，y)＝A(x，y)×exp[jP(x，y)]…(8)
如图32所示，在坐标成分x＝0～M1－1及y＝0～N1－1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＝0～M1－1且y＝0～N1－1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)中的旋转角度φ(x，y)如下所述，可自P(x，y)获得，在坐标成分x＝0～M1－1及y＝0～N1－1的范围内，单位构成区域R(x，y)的旋转角度φ(x，y)的分布相当于X-Y平面上的旋转角度分布。
再者，Kx-Ky平面上的输出光束图案的中心Q位于与第1面100a垂直的轴在线，在图32中，示出了以中心Q为原点的4个象限。在图32中，作为一例，示出了于第1象限及第3象限获得光像的情形，但也可于第2象限及第4象限、或所有象限获得像。在本实施方式中，如图32所示，可获得相对于原点而点对称的图案。图32示出了于第3象限获得文字「A」，在第1象限获得将文字「A」旋转180°而成的图案的情形，以作为一例。再者，在为旋转对称的光像(例如，十字、圆圈、双重圆圈等)的情形时，其等重叠而被作为一个光像观察。
来自本实施方式中的面发光激光元件的输出光束图案(光像)成为与由点、包含3个点以上的点群、直线、十字架、线图、晶格图案、照片、纹状图案，CG(计算机图形)及文字中至少一者表示的设计上的光像(原图像)对应的光像。此处，为了获得目标输出光束图案，通过以下顺序决定单位构成区域R(x，y)中的异折射率区域15b的旋转角度φ(x，y)。
在单位构成区域R(x，y)内，如上所述，异折射率区域15b的重心G以自晶格点O(x，y)偏离距离r(r(x，y)的值)的状态配置。此时，在单位构成区域R(x，y)内，以旋转角度φ(x，y)满足以下关系的方式，配置异折射率区域15b。
φ(x，y)＝C×P(x，y)+B
C：为比例常数，例如为180°/π
B：为任意常数，例如为0
再者，比例常数C及任意常数B相对于所有单位构成区域R为相同值。
即，在想要获得所希望的光像的情形时，只要对该光像加以逆傅立叶变换，将与该复振幅的相位相应的旋转角度分布φ(x，y)赋值给多个异折射率区域15b即可。再者，激光束的傅立叶变换后的远视像可取单个或多个点形状、圆环形状、直线形状、文字形状、双重圆环形状、或拉盖尔高斯光束形状等各种形状。再者，光束图案由远方界内的角度信息表示，故而于目标光束图案为由二维位置信息表示的位图图像等的情形时，只要暂且变换成角度信息后进行傅立叶变换即可。
作为自经傅立叶变换所得的复振幅分布获得强度(振幅)分布与相位分布的方法，例如关于强度分布I(x，y)，可通过使用Math Works公司的数值解析软件「MATLAB」的abs函数而进行计算，关于相位分布P(x，y)，可通过使用MATLAB的angle函数而进行计算。
此处，对自光像的傅立叶变换结果求解旋转角度分布φ(x，y)，而决定各异折射率区域16b的配置时，使用普通离散傅立叶变换(或高速傅立叶变换)进行计算的情形时的注意点加以叙述。若将傅立叶变换前的光像如图33(a)所示分割成A1、A2、A3及A4四个象限，则所得的光束图案变成如图33(b)所示。即，图33(b)中，在光束图案的第一象限，出现图33(a)的第三象限的图案与将图33(a)的第一象限的图案旋转180度而成的图案重叠所得的图案。在光束图案的第二象限，出现图33(a)的第四象限的图案与将图33(a)的第二象限的图案旋转180度而成的图案重叠所得的图案。在光束图案的第三象限，出现图33(a)的第一象限的图案与将图33(a)的第三象限的图案旋转180度而成的图案重叠所得的图案。在光束图案的第四象限，出现图33(a)的第二象限的图案与将图33(a)的第四象限的图案旋转180度而成的图案重叠所得的图案。
因此，使用仅于第一象限具有值的光像作为逆傅立叶变换前的光像(原始光像)的情形时，在所得的光束图案的第三象限出现原始光像的第一象限，在所得的光束图案的第一象限出现将原始光像的第一象限旋转180度而成的图案。
图34(a)～图34(c)示出了自本实施方式的面发光激光元件输出的光束图案(光像)的例。图34(a)～图34(c)各自的中心对应于与面发光激光元件的第1光输出面2a交叉且与该第1光输出面2a垂直的轴线(Z轴)。如这些图34(a)～图34(c)所示，面发光激光元件输出如下光，即，1次光，其沿着相对于该轴线倾斜的第1方向输出，且包含第1光像部分B1；-1次光，其沿着相对于该轴线与第1方向对称的第2个方向输出，且包含相对于该轴线与第1光像部分B1旋转对称的第2光像部分B2；及0次光B3，其该轴线上行进。
根据本实施方式，作为图2、图3及图17所示的面发光激光元件2A，可应用输出二维任意形状的光像的S-iPM激光器。此处，光相对于超颖表面的面垂直地输入的情形时，若超颖表面的周期较大，则衍射角度变小。因此，会产生自输出窗难以取出光的问题。与此相对地，在面发光激光元件2A为S-iPM激光器的情形时，能使光相对于超颖表面的面自倾斜方向输入。结果，使自超颖表面的衍射角度增大，从而自输出窗取出光变得容易。另外，光相对于超颖表面的面垂直地输入的情形时，在超颖表面反射的激光L1与不经超颖表面直接朝向第1光输出面2a的激光L2重叠。此种状况下，在面发光激光元件2A为S-iPM激光器的情形时，能使光相对于超颖表面的面自倾斜方向输入，故而仅选择性地取出于超颖表面反射的激光L1变得容易。
(第4变化例)
其次，对通过轴上位移方式决定第3实施方式的一变化例的相位调制层15C中的异折射率区域15b的配置图案的情形进行说明。再者，作为相位调制层15C中的异折射率区域15b的配置图案决定方法，应用轴上位移方式代替上述旋转方式的情形时，所得的相位调制层也可应用于上述各种实施方式中的面发光激光元件。在采用轴上位移方式的情形时，能使来自光源的输入光的偏光方向一致，因此能使输入至反射型超颖表面的光的偏光方向一致，从而具有能改善光利用效率，且能抑制无效光的效果。
图35为第3实施方式的一变化例的相位调制层15C的俯视图，且为用以说明相位调制层15C中的异折射率区域15b的配置图案(轴上位移方式)的模式图。相位调制层15C包含基本层15a、及具有与基本层15a的折射率不同的折射率的异折射率区域15b。此处，在相位调制层15C，与图30的例同样地，设定在X-Y平面上规定的假想正方晶格。正方晶格的一边与X轴平行，另一边与Y轴平行。此时，以正方晶格的晶格点O为中心的正方形形状的单位构成区域R遍及沿着X轴的多列(x0～x3)及沿着Y轴的多行(y0～y2)呈二维状设定。若于各个单位构成区域R的重心位置赋值各个单位构成区域R的坐标，则该重心位置与假想正方晶格的晶格点O一致。多个异折射率区域15b于各单位构成区域R内各设置有1个。异折射率区域15b的平面形状例如为圆形形状。晶格点O可位于异折射率区域15b的外部，也可包含于异折射率区域15b的内部。
图36为用以说明异折射率区域15b的重心G与假想正方晶格中的晶格点O(x，y)的位置关系，以作为通过轴位移方式决定的配置图案的一例的图。如图36所示，各异折射率区域15b的重心G配置于直线L上。直线L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L是相对于规定单位构成区域R(x，y)的s轴及t轴两者倾斜的直线。直线L相对于s轴的倾斜角为θ。倾斜角θ于相位调制层15C内固定。倾斜角θ满足0°＜θ＜90°，在一例中θ＝45°。或者，倾斜角θ满足180°＜θ＜270°，在一例中θ＝225°。在倾斜角θ满足0°＜θ＜90°或180°＜θ＜270°的情形时，直线L自通过s轴及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°，在一例中θ＝135°。或者，倾斜角θ满足270°＜θ＜360°，在一例中θ＝315°。在倾斜角θ满足90°＜θ＜180°或270°＜θ＜360°的情形时，直线L自通过s轴及t轴规定的坐标平面的第2象限延伸至第4象限。如此，倾斜角θ为除了0°、90°、180°及270°以外的角度。此处，将晶格点O(x，y)与重心G的距离设为r(x，y)。x表示X轴中的第x个晶格点的位置，y表示Y轴中的第y个晶格点的位置。在距离r(x，y)为正值的情形时，重心G位于第1象限(或第2象限)。在距离r(x，y)为负值的情形时，重心G位于第3象限(或第4象限)。在距离r(x，y)为0的情形时，晶格点O与重心G彼此一致。
图35所示的各异折射率区域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)两者的距离r(x，y)根据目标输出光束图案(光像)在各异折射率区域15b个别地设定。距离r(x，y)的分布于各由x(在图35的例中，为x0～x3)与y(于图35的例中，为y0～y2)的值决定的位置分别具有特定值，但未必由特定函数表示。距离r(x，y)的分布由对目标输出光束图案加以逆傅立叶变换所得的复振幅分布中的相位分布被抽出后所得的分布决定。即，在图36所示的单位构成区域R(x，y)中的相位P(x，y)为P0的情形时，距离r(x，y)设定为0，在相位P(x，y)为π+P0的情形时，距离r(x，y)设定为最大值R0，在相位P(x，y)为-π+P0的情形时，距离r(x，y)设定为最小值-R0。而且，以相对于其中间的相位P(x，y)，r(x，y)＝{P(x，y)－P0}×R0/π的方式，设定距离r(x，y)。此处，初期相位P0可任意设定。若将正方晶格的晶格间隔设为a，则r(x，y)的最大值R0例如处于下式(9)的范围。
[数9]
再者，自目标输出光束图案求解复振幅分布时，应用全像生成计算时常用的GS(Gerchberg-Saxton)法等反复算法，由此光束图案的再现性提高。
被作为输出光束图案而获得的光像与相位调制层15C中的相位分布P(x，y)两者的关系与上述旋转方式的情形时(图31)相同。因此，除了规定正方晶格之前提条件以外，也于由上述式(2)～式(8)规定的前提条件之下，按满足以下条件的方式构成相位调制层15C。即，以晶格点O(x，y)至对应的异折射率区域15b的重心G的距离r(x，y)满足如下关系的方式：
r(x，y)＝C×(P(x，y)－P0)
C：为比例常数，例如为R0/π
P0：为任意常数，例如为0
将该对应的异折射率区域15b配置于单位构成区域R(x，y)内。即，在单位构成区域R(x，y)中的相位P(x，y)为P0的情形时，距离r(x，y)设定为0，在相位P(x，y)为π+P0的情形时，距离r(x，y)设定为最大值R0，在相位P(x，y)为-π+P0的情形时，距离r(x，y)设定为最小值-R0。在想要获得目标输出光束图案的情形时，只要对该输出光束图案加以逆傅立叶变换，将与该复振幅的相位P(x，y)相应的距离r(x，y)的分布赋值给多个异折射率区域15b即可。相位P(x，y)与距离r(x，y)也可互成比例。
再者，激光束的傅立叶变换后的远视像可取单个或多个点形状、圆环形状、直线形状、文字形状、双重圆环形状、或拉盖尔高斯光束形状等各种形状。另外，输出光束图案由远场内的角度信息表示，故而在目标输出光束图案为由二维位置信息表示的点阵像等的情形时，只要姑且变换成角度信息，其后再变换成波数空间后，进行逆傅立叶变换即可。
作为自经逆傅立叶变换所得的复振幅分布获得强度分布与相位分布的方法，例如关于强度分布(A(x，y))，可通过使用Math Works公司的数值解析软件「MATLAB」的abs函数而进行计算，关于相位分布P(x，y)，可通过使用MATLAB的angle函数而进行计算。再者，自光像的逆傅立叶变换结果求解相位分布P(x，y)，而决定各异折射率区域15b的距离r(x，y)时，使用普通离散傅立叶变换(或高速傅立叶变换)进行计算的情形时的注意点与上述第3实施方式相同。
在本变化例中，作为图2、图3及图17所示的面发光激光元件2A，同样可应用输出二维任意形状的光像的S-iPM激光器。因此，能使光相对于超颖表面的面自倾斜方向输入，故而使自超颖表面的衍射角度增大，从而自输出窗取出光变得容易。另外，由于能使光相对于超颖表面的面自倾斜方向输入，故而仅选择性地取出在超颖表面反射的激光L1变得容易。
(第5变化例)
图38为模式性表示第5变化例的发光器件1C的剖面构成的图。如图38所示，发光器件1C具备面发光激光元件2B、超颖表面3A、导光层31。其中，超颖表面3A及导光层31的构成与第1实施方式相同。面发光激光元件2B除了第1实施方式的面发光激光元件2A的构成以外，进而具有电流狭窄层32。
电流狭窄层32具有使电流难以通过(或不让其通过)的构造，且在中央部具有开口32a。开口32a的平面形状与电极16的开口16a的形状相似，例如为正方形或圆形。电流狭窄层32例如为由包含高浓度Al的层氧化而成的氧化Al层。或者，电流狭窄层32也可为通过向包覆层13内注入质子(H+)而形成的层。或者，电流狭窄层32也可具有由与半导体基板10相反的导电型的半导体层、及与半导体基板10相同的导电型的半导体层依序层叠而成的逆pn接合构造。
若向电极16与电极17之间供给驱动电流，则驱动电流到达活性层12。此时，在电极16与活性层12之间流通的电流于包覆层13中充分扩散，并且通过电流狭窄层32的开口32a。由此，电流能均匀地扩散至活性层12的中央部附近。因此，在第2光输出面2b的中央部设置有超颖表面3A的情形时，活性层12中的发光区域的偏移也能得到抑制。再者，本变化例为将电流狭窄层32追加至第1实施方式的面发光激光元件2A而成的例，但也可对其他实施方式或变化例的面发光激光元件追加电流狭窄层32。在该情形时也能获得相同的效果。
(第6变化例)
图39为模式性表示第6变化例的发光器件1D的剖面构成的图。如图39所示，发光器件1D具备面发光激光元件2A、超颖表面3A、导光层31。这些构成除了如下点以外，其他与第1实施方式相同。即，本变化例的面发光激光元件2A中，在半导体基板10的主面10a侧设置有第1光输出面2a，在背面10b侧设置有第2光输出面2b。具体而言，接触层14的表面(或者，在接触层14形成有开口的情形时，为上部包覆层13的表面)成为第1光输出面2a，半导体基板10的背面10b成为第2光输出面2b。而且，超颖表面3A隔着导光层31设置于半导体基板10的背面10b上。
图40为模式性表示另一变化例的发光器件1E的剖面构成的图。如图40所示，发光器件1E具备面发光激光元件2A、第2实施方式的超颖表面3C(参照图17及图18)、导光层31。而且，接触层14的表面(或者，在接触层14形成有开口的情形时，为上部包覆层13的表面)成为第1光输出面2a，半导体基板10的背面10b成为第2光输出面2b。超颖表面3C隔着导光层31设置于半导体基板10的背面10b上。
也可如本变化例那样，在半导体基板10的主面10a侧设置有第1光输出面2a，在背面10b上设置有超颖表面3A(3C)。即便为此种形态，也能发挥与上述各实施方式相同的效果。另外，根据本变化例，电流能在半导体基板10中充分扩散，故而与电极16的开口16a相比，能确保电极17的开口17a较大。因此，能扩大超颖表面3A(3C)的面积。此外，通过自光子晶体层15A衍射的光通过基板10到达超颖表面3A(3C)，能使向超颖表面3A(3C)输入的输入光接近于良好的平面波。再者，在本变化例中，也可应用其他实施方式或变化例的面发光激光元件，以此代替面发光激光元件2A。在该情形时也能获得相同的效果。
(第7变化例)
图41为模式性表示第7变化例的发光器件1F的剖面构成的图。如图41所示，发光器件1F具备面发光激光元件2C、超颖表面3A、导光层31。其中，超颖表面3A及导光层31的构成与第6变化例相同。面发光激光元件2C与第1实施方式的面发光激光元件2A同样地，具有第1光输出面2a及第2光输出面2b。但在第1光输出面2a中，激光输出区域与电极16B并排而设置。另外，面发光激光元件2C为具有图30所示的相位调制层15B、或图35所示的相位调制层15C的S-iPM激光器。
图42(a)为表示第2光输出面2b的俯视图。图42(b)为表示第1光输出面2a的俯视图。如图42(b)所示，在第1光输出面2a中，激光输出区域2c与电极16B(第1电极)并排而配置。在激光输出区域2c上，设置有抗反射膜19。电极16B与其他实施方式不同，具有非框状而是里面被填满(中实)的图案。再者，如图42(a)所示，第2光输出面2b中的电极17及超颖表面3A两者的平面形状、配置等与第1实施方式相同。
自作为S-iPM激光器的面发光激光元件2C，沿着相对于与第2光输出面2b垂直的方向倾斜的方向输出激光L1。激光L1一面在超颖表面3A中被调制相位，一面反射，而自激光输出区域2c向发光器件1F的外部输出。根据此种构成，无需在第1光输出面2a上的电极设置开口，故而能使电流更有效地向活性层12的中央部附近扩散。
再者，如图43所示，图41的构成也可应用于作为PCSEL的面发光激光元件2A。在该情形时，通过自与电极16B并排的激光输出区域2c取出激光L1，也能发挥与上述相同的效果。
(第8变化例)
图44为表示第8变化例的发光装置1G的构成的图。该发光装置1G具备支持基板73、在支持基板73上构成一维排列或二维排列的多个发光器件1A、及个别地驱动多个发光器件1A的驱动电路72。各发光器件1A的构成与第1实施方式相同。但在多个发光器件1A中，也可包含输出红色波长域的光像的激光元件、输出蓝色波长域的光像的激光元件、及输出绿色波长域的光像的激光元件。输出红色波长域的光像的激光元件例如由GaAs类半导体构成。输出蓝色波长域的光像的激光元件及输出绿色波长域的光像的激光元件例如由氮化物类半导体构成。驱动电路72设置于支持基板73的背面或内部，个别地驱动各发光器件1A。驱动电路72通过来自控制电路71的指示，向各个发光器件1A供给驱动电流。
通过如本变化例那样，设置个别地驱动的多个发光器件1A，能较佳地实现平视(Head Up)显示器等。另外，在多个发光器件1A中，包含输出红色波长域的光像的激光元件、输出蓝色波长域的光像的激光元件、及输出绿色波长域的光像的激光元件。由此，可较佳地实现彩色平视显示器等。再者，在本变化例中，也可应用其他实施方式或变化例的发光器件，以此代替发光器件1A。在该情形时也能获得相同的效果。
(第9变化例)
图45为模式性表示第9变化例的发光器件1H的剖面构成的图。如图45所示，发光器件1H除了面发光激光元件2A、超颖表面3A及导光层31以外，进而具备设置于第2光输出面2b与超颖表面3A之间的1/4波长板33、及设置于第1光输出面2a上的偏光板34。图46为模式性表示另一变化例的发光器件1J的剖面构成的图。如图46所示，发光器件1J除了面发光激光元件2A、超颖表面3C(参照图17及图18)及导光层31以外，进而具备设置于第2光输出面2b与超颖表面3C之间的1/4波长板33、及设置于第1光输出面2a上的偏光板34。在这些情形时，自光子晶体层15A输出的一激光L1在1/4波长板33中使偏光面旋转45°后输入至超颖表面3A(或3C)。而且，在超颖表面3A(或3C)反射的激光L1在1/4波长板33中使偏光面再次旋转45°后到达第1光输出面2a。因此，在激光L1、及自光子晶体层15A直达第1光输出面2a的激光L2中，偏光面相互正交。因此，例如通过偏光板34通过激光L1且遮蔽激光L2，能使经过超颖表面3A(或3C)的激光L1选择性地向外部输出。即，能遮住自面发光激光元件2A向第1光输出面2a直达的激光L2，而仅取出经过第2光输出面2b及超颖表面3A(或3C)到达第1光输出面2a的光。再者，在本变化例中，也可使用其他实施方式或变化例的面发光激光元件，以此代替面发光激光元件2A。在该情形时也能获得相同的效果。
本发明的发光器件并不限于上述实施方式及变化例，也可进行其他各种变化。例如，在上述实施方式及各变化例中，对将本发明应用于PCSEL及S-iPM激光器的例进行了说明，但本发明可应用其他各种面发光激光元件。
【符号说明】
1A～1F，1H，1J 发光器件
1G 发光装置
2A～2C 面发光激光元件
2a 第1光输出面
2b 第2光输出面
2c 激光输出区域
3A～3E (反射型)超颖表面
3a 主面
4 电介质层
5，5A 驱动电路
6A～6C 金属膜
8A～8C 金属膜
9A，9B 透光层
9a，9c 主面
9b，9d 背面
9f，9g 部分
10 半导体基板
10a 主面
10b 背面
11 下部包覆层
12 活性层
13 上部包覆层
14 接触层
14a 表面
15A 光子晶体层
15B，15C 相位调制层
15a 基本层
15b 异折射率区域
16，16B，17 电极
17a 开口
19 抗反射膜
20，21 单位区域
31 导光层
31c 凹部
32 电流狭窄层
32a 开口
33 1/4波长板
34 偏光板
41 抗蚀剂
41a 开口
51 晶体管
51a 栅极电极
51b 源极电极
51c 漏极电极
51d 配线
52 电容器
53 栅极驱动配线
54 电压供给配线
55 半导体层
55a，55b 半导体区域
55c 表面
57，58 绝缘层
59 电介质层
61，62，63 部分金属膜
71 控制电路
72 驱动电路
73 支持基板
81，82 部分金属膜
92 透明导电层
92a 金属化层
93 电介质层
94 空隙
95 绝缘部
B1 第1光像部分
B2 第2光像部分
B3 0次光
L 直线
G 重心
L1，L2 激光
L1a 偏光方向
M 金属材料
O 晶格点(中心)
Pa 波阵面
Q1 区域
Q 中心
R 单位构成区域
RIN 内侧区域
ROUT 外侧区域
Vd 驱动电压
Vg 栅极电压。

Claims (19)

1.一种发光器件，其具备：
面发光激光元件，其具有相互相对的第1光输出面及第2光输出面；
导光层，其设置于所述第2光输出面上；及
反射型超颖表面，其隔着所述导光层设置于所述第2光输出面上，
所述反射型超颖表面具有：
透光层，其相对于所述导光层设置于所述第2光输出面的相反侧，包含电介质层，并且具有位于所述导光层与所述电介质层之间的第1面、及相对于所述电介质层位于所述第1面的相反侧的第2面；
第1金属膜，其设置于所述第1面上；及
第2金属膜，其设置于所述第2面上，将自所述面发光激光元件经由所述导光层输入至所述透光层的激光向所述导光层反射，
在以构成一维排列或二维排列的方式设定于所述透光层的所述第1面上的多个单位区域的各个中，所述透光层包含未被所述第1金属膜遮住且与所述导光层面对的露出部分，多个所述单位区域各自的宽度及所述透光层的厚度小于所述激光的波长，
所述反射型超颖表面在各所述单位区域分别调制所述激光的相位，
通过所述反射型超颖表面调制后的所述激光在通过所述第2光输出面后自所述第1光输出面输出。
2.如权利要求1所述的发光器件，其中，
多个所述单位区域中的两个以上单位区域中的所述第1金属膜的沿着在所述第1面上规定的第1方向的宽度互不相同。
3.如权利要求1所述的发光器件，其中，
所述透光层进一步包含设置于所述电介质层与所述导光层之间、或所述电介质层与所述第2金属膜之间的透明导电层，
所述第1金属膜及所述第2金属膜中至少一者包含以相互分离的状态设置于多个所述单位区域的各个的多个部分金属膜。
4.如权利要求3所述的发光器件，其中，
进一步具备控制向所述第1金属膜与所述第2金属膜之间施加的电压的驱动电路，
所述驱动电路个别地控制所述第1金属膜及所述第2金属膜中至少任一者的所述多个部分金属膜的电压。
5.如权利要求4所述的发光器件，其中，
所述驱动电路将所述第1金属膜设定为基准电位，
所述第1金属膜遍及多个所述单位区域中的两个以上单位区域延伸。
6.如权利要求3所述的发光器件，其中，
所述透明导电层包含由于掺杂剂而低电阻化后的氧化铟及氧化锌中至少一者。
7.如权利要求1至6中任一项所述的发光器件，其中，
所述面发光激光元件具有：
基板，其具有主面、及与所述主面相对的背面；及
活性层及光子晶体层，其设置于所述主面上，
所述光子晶体层包含：基本层；及多个异折射率区域，其具有与所述基本层的折射率不同的折射率，排列于与所述光子晶体层的厚度方向垂直的基准面上。
8.如权利要求1至6中任一项所述的发光器件，其中，
所述面发光激光元件为沿着基板的主面的法线方向、与所述法线方向交叉的倾斜方向、或所述法线方向与所述倾斜方向两者输出形成光像的光的元件，并具有：
所述基板，其具有所述主面、及与所述主面相对的背面；及
活性层及相位调制层，其设置于所述主面上，
所述相位调制层包含：基本层；及多个异折射率区域，其具有与所述基本层的折射率不同的折射率，在与所述相位调制层的厚度方向垂直的基准面上构成二维排列，
设定于所述基准面上且在与所述多个异折射率区域的各个对应有晶格点的假想正方晶格中，所述多个异折射率区域各自的重心配置于如下位置，即，自所述假想正方晶格的对应的晶格点偏离的位置，且以连结邻接的晶格点间的线段为基准，成为用以在所述对应的晶格点周围形成所述光像的至少一部分的旋转角的位置。
9.如权利要求1至6中任一项所述的发光器件，其中，
所述面发光激光元件为沿着基板的主面的法线方向、与所述法线方向交叉的倾斜方向、或所述法线方向与所述倾斜方向两者输出形成光像的光的元件，并具有：
所述基板，其具有所述主面、及与所述主面相对的背面；及
活性层及相位调制层，其设置于所述主面上，
所述相位调制层包含：基本层；及多个异折射率区域，其具有与所述基本层的折射率不同的折射率，在与所述相位调制层的厚度方向垂直的基准面上构成二维排列，
设定为如下结构，即，
设定于所述基准面上且在与所述多个异折射率区域的各个对应有晶格点的假想正方晶格中，所述多个异折射率区域各自的重心配置于通过所述假想正方晶格的晶格点且相对于所述正方晶格倾斜的直线上，并且
所述多个异折射率区域各自的重心与对应的晶格点在所述直线上的距离形成所述光像的至少一部分。
10.如权利要求7所述的发光器件，其中，
所述多个异折射率区域各自的在所述基准面上规定的平面形状所具有的对称性将180°旋转对称性排除在外。
11.如权利要求8所述的发光器件，其中，
所述多个异折射率区域各自的在所述基准面上规定的平面形状所具有的对称性将180°旋转对称性排除在外。
12.如权利要求9所述的发光器件，其中，
所述多个异折射率区域各自的在所述基准面上规定的平面形状所具有的对称性将180°旋转对称性排除在外。
13.如权利要求1至6中任一项所述的发光器件，其中，
所述电介质层包含氧化铝、氧化硅及氟化镁中至少任一者。
14.如权利要求1至6中任一项所述的发光器件，其中，
所述电介质层的一部分构成所述第1面。
15.如权利要求1至6中任一项所述的发光器件，其中，
所述导光层包含氧化铝、氧化硅、氟化镁及氟化钙中至少任一者。
16.如权利要求1至6中任一项所述的发光器件，其中，
所述面发光激光元件进一步具有设置于所述第1光输出面上的第1电极，
所述第1电极具有将所述第1光输出面中的激光输出区域包围的形状。
17.如权利要求1至6中任一项所述的发光器件，其中，
所述面发光激光元件进一步具有与激光输出区域并排设置于所述第1光输出面的第1电极。
18.如权利要求1至6中任一项所述的发光器件，其中，
所述面发光激光元件进一步具有设置于所述第2光输出面上的第2电极，
所述第2电极具有将所述反射型超颖表面包围的形状。
19.如权利要求1至6中任一项所述的发光器件，其中，
进一步具备：
1/4波长板，其设置于所述第2光输出面与所述反射型超颖表面之间；及
偏光板，其设置于所述第1光输出面上。
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