DE112016001195T5

DE112016001195T5 - Lichtemittierendes halbleiterelement

Info

Publication number: DE112016001195T5
Application number: DE112016001195.4T
Authority: DE
Inventors: Yoshitaka Kurosaka; Yuu Takiguchi; Takahiro Sugiyama; Kazuyoshi Hirose; Yoshiro Nomoto
Original assignee: Hamamatsu Photonics KK
Current assignee: Hamamatsu Photonics KK
Priority date: 2015-03-13
Filing date: 2016-03-11
Publication date: 2017-11-23
Also published as: US20190356113A1; WO2016148075A1; US10389088B2; US11088511B2; JPWO2016148075A1; JP6788574B2; US20180109075A1

Abstract

In einem lichtemittierenden Halbleiterelement, das mit einer aktiven Schicht 4, einem Paar von Deckschichten 2, 7, zwischen denen die aktive Schicht 4 angeordnet ist, und einer Phasenmodulationsschicht 6 bereitgestellt ist, die mit der aktiven Schicht 4 optische gekoppelt ist, umfasst die Phasenmodulationsschicht 6 eine Basisschicht 6A und eine Mehrzahl von Bereichen 6B mit unterschiedlichem Brechungsindex, die bezüglich der Basisschicht 6A unterschiedliche Brechungsindizes aufweisen. Wenn ein orthogonales XYZ-Koordinatensystem mit einer Dickenrichtung der Phasenmodulationsschicht 6 als Z-Achsenrichtung festgelegt ist und ein quadratisches Gitter mit einer virtuellen Gitterkonstante a in einer XY-Ebene festgelegt ist, ist jeder Bereich mit unterschiedlichem Brechungsindex 6B derart angeordnet, dass eine Mittelpunktposition G davon von einer Gitterpunktposition in einem virtuellen quadratischen Gitter um einen Abstand r verschoben ist und der Abstand r ist 0 < r ≤ 0,3a.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft ein lichtemittierendes Halbleiterelement.
Hintergrund
In der Vergangenheit wurde von den Erfindern der vorliegenden Erfindung ein lichtemittierendes Halbleiterelement vorgeschlagen, das in Patentliteratur 1 offenbart ist. Das in Patentliteratur 1 offenbarte lichtemittierende Halbleiterelement umfasst eine aktive Schicht, ein Paar von Deckschichten, zwischen denen die aktive Schicht angeordnet ist, und eine Phasenmodulationsschicht, die mit der aktiven Schicht optisch gekoppelt ist, und die Phasenmodulationsschicht umfasst eine Basisschicht und eine Mehrzahl von Bereichen mit unterschiedlichem Brechungsindex, die gegenüber der Basisschicht unterschiedliche Brechungsindizes aufweisen. In einem Fall, in dem ein quadratisches Gitter in der Phasenmodulationsschicht verwendet wird, ist der Bereich mit unterschiedlichem Brechungsindex (Hauptöffnung) derart angeordnet, dass er genau mit einem Gitterpunkt eines Öffnungsgitters zusammenfällt. Um den Bereich mit unterschiedlichem Brechungsindex herum ist ein hilfsweiser Bereich mit unterschiedlichem Brechungsindex (Nebenöffnung) vorgesehen und es kann Licht mit einer vorbestimmten Strahlstruktur emittiert werden.
Liste von Zitierungen
Patentliteratur

Patentliteratur 1: Internationale Veröffentlichung mit Nr. WO 2014/136962

Zusammenfassung der Erfindung
Technisches Problem
Im Falle einer Struktur mit einer Hauptöffnung und einer Nebenöffnung ist es jedoch schwierig, die Anordnungsgenauigkeit dazwischen gut zu steuern, und es ist auch schwierig, eine hohe Definition von Strukturen zu erhalten, wie z. B. Kürzung eines Gitterabstands. Demzufolge besteht ein Problem, wonach eine gewünschte Strahlstruktur schwer zu erhalten ist.
Die vorliegende Erfindung wurde gemacht, um die oben genannten Probleme zu lösen, und es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein lichtemittierendes Halbleiterelement bereitzustellen, das eine gewünschte Strahlstruktur leichter erhalten kann als zuvor.
Lösung des Problems
Zur Lösung der oben beschriebenen Probleme umfasst ein lichtemittierendes Halbleiterelement: eine aktive Schicht; ein Paar von Deckschichten, zwischen denen die aktive Schicht angeordnet ist; und eine Phasenmodulationsschicht, die mit der aktiven Schicht optisch gekoppelt ist, wobei die Phasenmodulationsschicht umfasst: eine Basisschicht; und eine Mehrzahl von Bereichen mit unterschiedlichem Brechungsindex, die gegenüber der Basisschicht unterschiedliche Brechungsindizes aufweisen, wobei, wenn ein orthogonales XYZ-Koordinatensystem mit einer Dickenrichtung der Phasenmodulationsschicht, die als eine Z-Achsenrichtung festgelegt ist und ein quadratisches Gitter mit einer virtuellen Gitterkonstante a in einer XY-Ebene festgelegt sind, jeder der Bereiche mit unterschiedlichem Brechungsindex angeordnet derart ist, dass eine Schwerpunktposition davon bezüglich einer Gitterpunktposition in dem virtuellen quadratischen Gitter um einen Abstand r versetzt ist und der Abstand r 0 < r ≤ 0,3a beträgt.
Im Falle dieser Struktur ist die Schwerpunktposition der ebenen Gestalt des Bereichs mit unterschiedlichem Brechungsindex um den Abstand r innerhalb des obigen Bereichs versetzt, wodurch sich der Phasenunterschied des Strahls gemäß der Richtung des Vektors von der Position des Gitterpunkts zu der Schwerpunktposition der ebenen Gestalt des Bereichs mit unterschiedlichem Brechungsindex ändert. Insbesondere ist es durch Ändern der Schwerpunktposition möglich, den Phasenunterschied der Strahlen zu steuern, die von den Bereichen mit unterschiedlichem Brechungsindex emittiert werden. Die Strahlstruktur, die insgesamt gebildet wird, kann mit einer gewünschten Gestalt gebildet werden. Zu diesem Zeitpunkt kann sich der Gitterpunkt des virtuellen quadratischen Gitters außerhalb des Bereichs mit unterschiedlichem Brechungsindex befinden oder der Gitterpunkt des virtuellen quadratischen Gitters kann innerhalb des Bereichs mit unterschiedlichem Brechungsindex sein.
In einem solchen lichtemittierenden Halbleiterelement liegt lediglich ein einzelner Bereich mit unterschiedlichem Brechungsindex wenigstens innerhalb des Kreises mit einem Radius von 0,62a um den Gitterpunkt des virtuellen quadratischen Gitters vor.
Zusätzlich weisen alle Bereiche mit unterschiedlichem Brechungsindex in einem zweiten lichtemittierenden Halbleiterelement in der Phasenmodulationsschicht (a) die gleiche Gestalt, (b) die gleiche Fläche und/oder (c) den gleichen Abstand r auf und (d) die Mehrzahl von Bereichen mit unterschiedlichem Brechungsindex kann durch eine Verschiebeoperation oder eine Verschiebeoperation und eine Drehoperation überlagert werden.
Durch Bereitstellen von wenigstens einer dieser Bedingungen (a) bis (d) kann die Erzeugung von Rauschen in der Strahlstruktur und von Licht Nullter-Ordnung unterdrückt werden, welches Rauschen erzeugt. Hier stellt Licht Nullter-Ordnung eine optische Ausgabe dar, die parallel zu einer Z-Richtung ausgegeben wird, und stellt Licht dar, das in der Phasenmodulationsschicht nicht phasenmodulliert ist. In der Phasenmodulationsschicht gemäß der vorliegenden Erfindung funktioniert es als photonischer Kristalllaser eines quadratischen Gitters, der parallel zur Z-Richtung ausgegeben wird, wenn r = 0 als der Abstand r zwischen dem Gitterpunkt des virtuellen quadratischen Gitters und dem Bereich mit unterschiedlichem Brechungsindex festgelegt wird. In der vorliegenden Erfindung ist der Fall r = 0 nicht vorgesehen. Die vorliegende Erfindung kann auch als eine Realisierung der Steuerung einer Strahlstruktur durch eine Störung angesehen werden, die auf jede Öffnungsposition des photonischen Kristalllasers mit quadratischem Gitter angewendet wird, umfassend das quadratische Gitter des photonischen Kristalls, der eine periodische Struktur darstellt. Mit anderen Worten, die Bildung eines stehenden-Wellen-Zustands in einer Richtung parallel zum quadratischen Gitter basiert auf dem gleichen Prinzip wie der photonische Kristall mit quadratischem Gitter, jedoch kann durch Anwendung der Störung, die an jeder Öffnungsposition gemäß der vorliegenden Erfindung designt wird, eine gewünschte Phasenmodulationsschicht auf eine ebene Welle angewendet werden, die in einer Richtung gebrochen wird, die zu dem quadratischen Gitter senkrecht ist, wodurch eine gewünschte Strahlstruktur erhalten werden kann. Von dem obigen Gesichtspunkt aus stellt die Struktur, die durch den Bereich mit unterschiedlichem Brechungsindex gebildet wird, einschließlich der Phasenmodulationsschicht der vorliegenden Erfindung, keine periodische Struktur dar, sondern wird als eine im Wesentlichen periodische Struktur bezeichnet.
Zusätzlich weist eine Gestalt von jedem der Bereiche mit unterschiedlichem Brechungsindex in der XY-Ebene gemäß einem dritten lichtemittierenden Halbleiterelement eine Rotationssymmetrie auf. In einem vierten lichtemittierenden Halbleiterelement stellt die Gestalt von jedem der Bereiche mit unterschiedlichem Brechungsindex in der XY-Ebene einen perfekten Kreis, ein Quadrat, ein reguläres Hexagon, ein reguläres Oktagon oder ein reguläres Hexadekagon dar. Im Vergleich zu Drehungen unsymmetrischer Figuren können diese Figuren mit hoher Genauigkeit strukturiert werden, da sie weniger beeinflusst werden, sogar wenn die Struktur in der Drehrichtung versetzt ist.
Zusätzlich weist die Gestalt von jedem der Bereiche mit unterschiedlichem Brechungsindex in der XY-Ebene in einem fünften lichtemittierenden Halbleiterelement eine Spiegelbildsymmetrie (Liniensymmetrie) auf. In einem sechsten lichtemittierenden Halbleiterelement, wobei die Gestalt von jedem der Bereiche mit unterschiedlichem Brechungsindex in der XY-Ebene ein Rechteck, eine Ellipse oder eine Gestalt darstellt, in der ein Teil von zwei Kreisen oder Ellipsen einander überlappen. Im Vergleich zu Figuren, die bezüglich Drehungen unsymmetrisch sind, können diese Figuren mit hoher Genauigkeit strukturiert werden, da die Position des Liniensegments, die als Referenz für die Liniensymmetrie dient, klar bekannt sein kann.
In einem siebten lichtemittierenden Halbleiterelement ist die Gestalt von jedem Bereich mit unterschiedlichem Brechungsindex in der XY-Ebene nicht auf die oben beschriebenen Figuren beschränkt. In einem siebten lichtemittierenden Halbleiterelement ist z. B. die Gestalt von jedem Bereich mit unterschiedlichem Brechungsindex in der XY-Ebene von einer trapezförmigen Gestalt, einer Gestalt (eiförmigen Gestalt), in der eine Dimension in einer Nebenachsenrichtung in der Nähe von einem Endabschnitt entlang einer Hauptachse einer Ellipse deformiert ist, so dass sie kleiner ist als eine Dimension in einer Nebenachsenrichtung in der Nähe eines anderen Endabschnitts, oder von einer Gestalt (tränenförmigen Gestalt), in der ein Endabschnitt entlang einer Hauptachse einer Ellipse als ein zulaufendes Ende deformiert ist, welches entlang einer Hauptachsenrichtung davon hervorsteht. In einer solchen Figur kann sogar die Phase des Strahls durch Verlagerung der Schwerpunktposition der ebenen Gestalt des Bereichs mit unterschiedlichem Brechungsindex von dem Gitterpunkt um den Abstand r verändert werden.
In einem achten lichtemittierenden Halbleiterelement, wenn ein effektiver Brechungsindex der Phasenmodulationsschicht n beträgt, fällt eine Wellenlänge λ₀ (= a × n), die durch die Phasenmodulationsschicht ausgewählt wird, in einen Emissionswellenlängenbereich der aktiven Schicht. Die Phasenmodulationsschicht (Brechungsgitterschicht) kann die Wellenlänge λ₀ aus den Emissionswellenlängen der aktiven Schicht auswählen und die ausgewählte Wellenlänge λ₀ nach außen ausgeben.
In einem neunten lichtemittierenden Halbleiterelement, wenn ein effektiver Brechungsindex der Phasenmodulationsschicht n beträgt, fällt eine Wellenlänge λ₀ (= 2^0,5 × a × n), die durch die Phasenmodulationsschicht ausgewählt wird, in einen Emissionswellenlängenbereich der aktiven Schicht. Die Phasenmodulationsschicht (Brechungsgitterschicht) kann die Wellenlänge λ₀ aus den Emissionswellenlängen der aktiven Schicht auswählen und die ausgewählte Wellenlänge λ₀ nach außen ausgeben.
In einem zehnten lichtemittierenden Halbleiterelement umfasst eine Strahlstruktur, die von dem lichtemittierenden Halbleiterelement emittiert wird, wenigstens eines aus: einem Punkt, einer geraden Linie, einem Kreuz, einer Gitterstruktur oder einem Buchstaben oder einer komplexen Amplitudenverteilung F(X, Y), die unter Durchführung einer zweidimensionalen Fourier-Transformation eines speziellen Bereichs der Strahlstruktur in der XY-Ebene erhalten wird, und unter Verwendung einer Intensitätsverteilung I(X, Y) in der XY-Ebene und einer Phasenverteilung P(X, Y) in der XY-Ebene wie folgt ausgedrückt, wobei j eine imaginäre Einheit darstellt: F(X, Y) = I(X, Y) × exp{P(X, Y)j}, wobei in der Phasenmodulationsschicht gilt φ(x, y) = C × P(X, Y), wenn φ einen Winkel gebildet durch eine X-Achse und eine Richtung von jedem Gitterpunkt des virtuellen quadratischen Gitters zum Schwerpunkt des entsprechenden Bereichs mit unterschiedlichem Brechungsindex bezeichnet, C eine Konstante bezeichnet, (x, y) eine Position eines virtuellen quadratischen Gitterpunkts an einer x-ten Position in einer X-Achsenrichtung und einer y-ten Position in einer Y-Achsenrichtung bezeichnet und φ(x, y) einen Winkel an einer Position (x, y) darstellt.
Buchstaben, die durch Strahlstrukturen konfiguriert werden, bedeuten Buchstaben aus Ländern der Welt, wie z. B. das deutsche, japanische, chinesische usw. Alphabet. Im Falle des Japanischen umfassen die Buchstaben Kanji, Hiragana und Katakana. Falls ein entsprechender Buchstabe angezeigt wird, kann die Stahlstruktur Fourier-transformiert werden und die Schwerpunktposition des Bereichs mit unterschiedlichem Brechungsindex kann um die Gitterposition des virtuellen quadratischen Gitters in der Richtung des Winkels φ gemäß des Phasenteils der komplexen Amplitude versetzt sein.
Vorteilhafte Effekte der Erfindung
Entsprechend dem lichtemittierenden Halbleiterelement der vorliegenden Erfindung kann leicht eine gewünschte Strahlstruktur erhalten werden.
Kurze Beschreibung der Figuren
1 zeigt eine Ansicht, die eine Konfiguration einer Laservorrichtung darstellt.
2 zeigt eine Ansicht, die eine Konfiguration eines Laserelements darstellt.
3 zeigt eine Tabelle, die eine Beziehung zwischen einem Material, einem Leitfähigkeitstyp und einer Dicke (nm) von jeder Verbindungshalbleiterschicht darstellt, die ein Laserelement bildet.
4 zeigt eine ebene Ansicht einer Phasenmodulationsschicht 6.
5 zeigt eine Ansicht zur Beschreibung einer positionellen Beziehung von Bereichen mit unterschiedlichem Brechungsindex.
6 zeigt ein Beispiel, in dem ein Brechungsindex von einer im Wesentlichen periodischen Struktur aus 4 lediglich in einem speziellen Bereich eines Phasenmodulationsbereichs angewendet wird.
7 zeigt eine Ansicht zur Beschreibung einer Beziehung zwischen einer ausgegebenen Strahlstruktur und einem Winkel φ in der Phasenmodulationsschicht 6.
8-(A) stellt eine Ansicht zur Erläuterung der Anordnung von ursprünglichen Strukturen vor einer Fourier-Transformation dar und 8-(B) zeigt eine Ansicht zur Erläuterung der Anordnung von Strahlstrukturen, die gemäß einer Ausführungsform erhalten werden.
9 zeigt eine Ansicht, die eine Konfiguration eines Laserelements darstellt.
10-(A) zeigt eine Ansicht zur Beschreibung einer ursprünglichen Struktur, die in der Ausführungsform verwendet wird, 10-(B) zeigt eine Ansicht zur Beschreibung einer Intensitätsverteilung, die durch eine zweidimensionale Fourier-Transformation der ursprünglichen Struktur erhalten wird, die in der Ausführungsform verwendet wird, und 10-(C) stellt eine Ansicht zur Beschreibung einer Phasenverteilung dar, die durch eine zweidimensionale Fourier-Transformation der ursprünglichen Struktur erhalten wird, die in der Ausführungsform verwendet wird.
11-(A) zeigt eine Ansicht, die einen Teil darstellt, der einer Verteilung mit unterschiedlichem Brechungsindex gemäß einer ersten Ausführungsform entnommen wird, und 11-(B) zeigt eine Ansicht, die eine Strahlstruktur darstellt, die in der ersten Ausführungsform erhalten wird.
12 zeigt einen Graphen, der ein S/N-Verhältnis einer ausgegebenen Strahlstruktur gemäß einer Beziehung zwischen einem Füllfaktor FF und einem Abstand r(a) zeigt.
13-(A) zeigt ein Diagramm, das einen Teil darstellt, der einer Verteilung mit unterschiedlichem Brechungsindex gemäß einer zweiten Ausführungsform entnommen ist, und 13-(B) zeigt eine Ansicht, die eine Strahlstruktur zeigt, die in der zweiten Ausführungsform erhalten wird.
14 zeigt einen Graphen, der ein S/N-Verhältnis einer ausgegebenen Strahlstruktur gemäß einer Beziehung zwischen einem Füllfaktor FF und einem Abstand r(a) darstellt.
15-(A) zeigt eine Ansicht, die einen Teil darstellt, der einer Verteilung mit unterschiedlichem Brechungsindex gemäß einer dritten Ausführungsform entnommen ist, und 15-(B) zeigt eine Ansicht, die eine Stahlstruktur darstellt, die in der dritten Ausführungsform erhalten wird.
16 zeigt einen Graphen, der ein S/N-Verhältnis einer ausgegebenen Strahlstruktur gemäß einer Beziehung zwischen einem Füllfaktor FF und einem Abstand r(a) zeigt.
17 zeigt einen Graphen, der eine Beziehung zwischen dem Abstand r(a) und dem S/N-Verhältnis im Fall von 12 zeigt.
18 zeigt einen Graphen, der eine Beziehung zwischen dem Abstand r(a) und dem S/N-Verhältnis im Fall von 14 darstellt.
19. zeigt einen Graphen, der eine Beziehung zwischen dem Abstand r(a) und dem S/N-Verhältnis im Fall von 16 darstellt.
20 zeigt eine ebene Ansicht, die eine Gestalt von jedem Bereich 6B mit unterschiedlichem Brechungsindex in einer XY-Ebene darstellt.
21 zeigt eine eben Ansicht, die eine Gestalt des Bereichs 6B mit unterschiedlichem Brechungsindex in einer XY-Ebene darstellt.
22-(A) zeigt eine Ansicht, die einen Wellenvektor zum Zeitpunkt einer Γ–Punktoszillation in der Phasenmodulationsschicht darstellt, und 22-(B) zeigt eine Ansicht, die einen Wellenvektor zum Zeitpunkt der M-Punktoszillation in der Phasenmodulationsschicht darstellt.
23 zeigt eine Ansicht, die eine Zielstruktur darstellt.
24 zeigt eine Ansicht, die eine Phasenverteilungsschicht einer Phasenmodulationsschicht entsprechend 23 darstellt.
25 zeigt eine durch ein Elektronenmikroskop erhaltene Fotographie einer Phasenmodulationsschicht entsprechend 23 erhalten durch.
26 zeigt eine Fotographie, die eine Strahlstruktur eines Laserelements entsprechend 23 darstellt.
27 zeigt einen Graphen, der eine Beziehung zwischen einer Wellenlänge und einer Lichtintensität einer Strahlstruktur eines Laserelements entsprechend 26 darstellt.
28 zeigt einen Graphen, der eine Beziehung zwischen einem Spitzenstrom (mA) und einer Laserlichtspitzenintensität (mW) eines Laserelements entsprechend 26 darstellt.
29 zeigt eine Ansicht, in der gleiche Wellenlängen bei einer Oszillationswellenlänge als Ergebnis einer Messung einer spektroskopischen Spektrum/Winkel-Abhängigkeit der Lichtintensität eines Laserelements entsprechend 26 dargestellt sind.
30 zeigt einen Graphen, der eine Beziehung zwischen einer Wellenzahl (2π/a) und einer Wellenlänge (nm) in einem Querschnitt entlang einer Γ-X-Richtung und einer Γ-M-Richtung in 29 darstellt.
31 zeigt einen Graphen, der ein Messergebnis in der Beziehung zwischen einer Wellenzahl (2π/a) und einer Wellenlänge (nm) in einem Querschnitt entlang einer Γ-X-Richtung und einer Γ-M-Richtung vor einer Oszillation in dem Element aus 29 darstellt.
32 zeigt eine Ansicht, die eine Zielstruktur darstellt.
33 zeigt eine Ansicht, die eine Phasenverteilungsstruktur einer Phasenmodulationsschicht entsprechend 32 darstellt.
34 zeigt eine Ansicht, die eine Strahlstruktur entsprechend 32 darstellt.
35 zeigt einen Graphen, der eine Beziehung zwischen einer Wellenlänge und einer Lichtintensität einer Strahlstruktur eines Laserelements entsprechend 32 darstellt.
36 zeigt einen Graphen, der eine Beziehung zwischen einem Spitzenstrom (mA) und einer Lichtintensität (mW) eines Laserelements entsprechend 34 darstellt.
37 zeigt eine Ansicht, die eine Zielstruktur darstellt.
38 zeigt eine Ansicht, die eine Phasenverteilungsstruktur einer Phasenmodulationsschicht entsprechend 37 darstellt.
39 zeigt eine Ansicht, die eine Strahlstruktur entsprechend 37 darstellt.
40 zeigt einen Graphen, der eine Beziehung zwischen einer Wellenlänge und einer Lichtintensität einer Strahlstruktur eines Laserelements entsprechend 37 darstellt.
41 zeigt einen Graphen, der eine Beziehung zwischen einem Spitzenstrom (mA) und einer Lichtintensität (mW) eines Laserelements entsprechend 39 darstellt.
42 zeigt eine Ansicht, die eine Zielstruktur darstellt.
43 zeigt eine Ansicht, die eine Phasenverteilungsstruktur einer Phasenmodulationsschicht entsprechend 42 darstellt.
44 zeigt eine Ansicht, die eine Strahlstruktur entsprechend 42 darstellt.
45 zeigt einen Graphen, der eine Beziehung zwischen einer Wellenlänge und einer Lichtintensität einer Strahlstruktur eines Laserelements entsprechend 42 darstellt.
46 zeigt einen Graphen, der eine Beziehung zwischen einem Spitzenstrom (mA) und einer Lichtintensität (mW) eines Laserelements entsprechend 44 darstellt.
47 zeigt eine Ansicht, die eine Zielstruktur darstellt.
48 zeigt eine Ansicht, die eine Phasenverteilungsstruktur einer Phasenmodulationsschicht entsprechend 47 darstellt.
49 zeigt eine Ansicht, die eine Strahlstruktur entsprechend 47 darstellt.
50 zeigt einen Graphen, der eine Beziehung zwischen einer Wellenlänge und einer Lichtintensität einer Strahlstruktur eines Laserelements entsprechend 47 darstellt.
51 zeigt einen Graphen, der eine Beziehung zwischen einem Spitzenstrom (mA) und einer Lichtintensität (mW) eines Laserelements entsprechend 49 darstellt.
Beschreibung von Ausführungsformen
Nachfolgend werden ein Laserelement (lichtemittierendes Halbleiterelement) und eine Laservorrichtung entsprechend Ausführungsformen beschrieben. Es werden ähnliche Bezugszeichen verwendet, um ähnliche strukturelle Elemente zu bezeichnen und es erfolgt keine wiederholte Beschreibung davon.
1 zeigt eine Ansicht, die eine Konfiguration einer Laservorrichtung darstellt.
Auf einer Trägerplatte SB ist eine Mehrzahl von Laserelemente LD eindimensional oder zweidimensional angeordnet. Jedes der Laserelemente LD wird durch eine Betriebsschaltung DRV betrieben, die an einer rückseitigen Oberfläche der Trägerplatte SB oder innerhalb der Trägerplatte SB bereitgestellt ist. Insbesondere versorgt die Betriebsschaltung DRV jedes der Laserelemente LD entsprechend einer Anweisung von einer Steuerschaltung CONT mit einem Betriebsstrom. Beispielsweise wird der Betriebsstrom den zweidimensional angeordneten Laserelementen LD entsprechend einer sequenziellen Reihenfolge von Adressen zugeführt, an denen die Laserelemente LD angeordnet sind. Durch das Laserelement LD wird ein Laserstrahl aus einer Richtung senkrecht zur Platte in einer Richtung mit einer speziellen Neigung emittiert. Wenn die Laserelemente LD in der Reihenfolge ihrer Adressen sequenziell leuchten, wird das Objekt durch den Laserstrahl scheinbar gescannt. Ein durch das Zielobjekt reflektierter Laserstrahl LB kann durch einen Fotodetektor PD erfasst werden, z. B. eine Fotodiode.
In die Steuerschaltung CONT wird ein Erfassungssignal eingegeben, das eine Laserstrahlintensität anzeigt, die durch den Fotodetektor PD erfasst wird. Wenn die Laserelemente LD gepulst betrieben werden, kann der Fotodetektor PD eine Zeit von einem Emissionszeitpunkt zu einem Erfassungszeitpunkt des Laserstrahls messen, insbesondere kann er einen Abstand zu dem Zielobjekt messen.
Die Laservorrichtung kann z. B. zur folgenden Anwendung verwendet werden. Beispielsweise kann die Laservorrichtung verwendet werden, um den Laserstrahl zu dem Zielobjekt zu emittieren und einen Abstand zu einer Laserstrahlbeleuchtungsposition zu messen, wodurch eine dreidimensionale Gestalt des Zielobjekts gemessen wird. Wenn die Daten einer dreidimensionalen Gestalt verwendet werden, dann können verschiedene Verarbeitungsvorrichtungen oder medizinische Vorrichtungen die Daten der dreidimensionalen Gestalt verwenden. Zusätzlich ist es möglich, einen Abstand zu einem Hindernis in einer Richtung zu messen, wenn der Laserstrahl zu einem sich bewegenden Objekt ausgegeben wird, wie z. B. einem Fahrzeug, und eine Bremse oder ein Handhabungsmittel als eine Sicherheitsvorrichtung zu verwenden, die entsprechend dem Abstand eine automatische Steuerung oder assistierende Steuerung durchführt.
Unten wird eine detaillierte Struktur eines Halbleiterlaserelements beschrieben, das in der oben genannten Laservorrichtung zu verwenden ist. Das Laserelement kann Laserlicht mit verschiedenen Intensitätsstrukturen emittieren.
2 zeigt eine Ansicht, die eine Konfiguration eines Laserelements darstellt.
Das Laserelement LD wählt Laserlicht von einer aktiven Schicht 4 aus und gibt das ausgewählte Laserlicht nach außen ab. Für die Struktur des Laserelements, wie zuvor, kann das Laserlicht auf eine Phasenmodulationsschicht 6 mittels einer optischen Faser oder direkt von einem Laserelementkörper einfallen, wie z. B. einem Halbleiterlaserelement. Das Laserlicht, das auf die Phasenmodulationsschicht 6 einfällt, bildet einen vorbestimmten Modus gemäß einem Gitter der Phasenmodulationsschicht 6 innerhalb der Phasenmodulationsschicht 6 und emittiert einen Laserstrahl mit einer gewünschten Struktur nach außen in einer Richtung senkrecht zu einer Oberfläche der Phasenmodulationsschicht 6.
Das Laserelement LD stellt eine Laserlichtquelle dar, die eine stehende Welle in einer Richtung innerhalb einer XY-Ebene bildet und gibt eine ebene Welle aus, deren Phase in einer Z-Richtung gesteuert ist, und umfasst eine aktive Schicht 4, die Laserlicht erzeugt, eine obere Deckschicht 7 und eine untere Deckschicht 2, zwischen denen die aktive Schicht 4 angeordnet ist, und Lichtleitschichten 3 und 5, die zwischen der oberen Deckschicht 7 und der unteren Deckschicht 2 angeordnet sind und zwischen denen die aktive Schicht 4 angeordnet ist. Die Phasenmodulationsschicht 6 ist zwischen der oberen Deckschicht 7 und der aktiven Schicht 4 angeordnet. In der in 2 dargestellten Struktur ist eine zweite Elektrode E2 in einem Mittelbereich einer Kontaktschicht 8 bereitgestellt.
In dieser Struktur sind die untere Deckschicht 2, die untere Lichtleitschicht 3, die aktive Schicht 4, die obere Lichtleitschicht 5, die Phasenmodulationsschicht 6, die obere Deckschicht 7 und die Kontaktschicht 8 auf einem Halbleitersubstrat 1 sequenziell geschichtet. Eine erste Elektrode E1 ist auf einer unteren Oberfläche des Halbleitersubstrats 1 bereitgestellt und eine zweite Elektrode E2 ist auf einer oberen Oberfläche der Kontaktschicht 8 bereitgestellt. Wenn ein Betriebsstrom zwischen der ersten Elektrode E1 und der zweiten Elektrode E2 bereitgestellt wird, tritt innerhalb der aktiven Schicht 4 eine Rekombination von Elektronen und Löchern auf und demzufolge wird von der aktiven Schicht 4 Licht emittiert. Durch die oberen und unteren Lichtleitschichten 3 und 5 und die Deckschichten 2 und 7 dazwischen wird ein Träger effizient eingefangen, um zur Lichtemission und erzeugtem Licht beizutragen.
Das von der aktiven Schicht emittierte Laserlicht fällt auf die Phasenmodulationsschicht 6 ein und bildet einen vorbestimmten Modus. Zusätzlich umfasst die Phasenmodulationsschicht 6 eine Basisschicht 6A, die aus einem Medium mit einem ersten Brechungsindex und einer Mehrzahl von Bereichen 6B mit unterschiedlichem Brechungsindex aus einem Medium mit einem zweiten Brechungsindex gebildet wird, welches einen Brechungsindex aufweist, der sich von dem ersten Brechungsindex unterscheidet, und innerhalb der Basisschicht 6A angeordnet ist. Die Mehrzahl von Bereiche 6B mit unterschiedlichem Brechungsindex umfasst eine im Wesentlichen periodische Struktur. Das auf die Phasenmodulationsschicht 6 einfallende Laserlicht wird als ein Laserstrahl senkrecht zu einer Substratfläche durch die obere Deckschicht 7, die Kontaktschicht 8 und die obere Elektrode E2 nach außen emittiert.
In einem Fall, in dem ein effektiver Brechungsindex der Phasenmodulationsschicht 6 gleich n ist, fällt eine Wellenlänge λ₀ (= a × n), die durch die Phasenmodulationsschicht 6 ausgewählt wird, in einen Emissionswellenlängenbereich der aktiven Schicht 4. Die Phasenmodulationsschicht (Brechungsgitterschicht) kann die Wellenlänge λ₀ von den Emissionswellenlängen der aktiven Schicht auswählen und die ausgegebene Wellenlänge λ₀ nach außen ausgeben.
Wenn die Störung gleich 0 ist, d. h. wenn r = 0, entspricht der Oszillationszustand zu diesem Zeitpunkt der Γ-Punktoszillation des quadratischen Gitters, wie in 22-(A) dargestellt ist, und ein Wellenvektor einer fundamentalen Welle ist in einer lateralen Richtung (Γ-X-Richtung) und einer longitudinalen Richtung (Γ-Y-Richtung) in der Ebene der Phasenmodulationsschicht 6 orientiert, wie in der gleichen Figur dargestellt ist. Der Abstand r stellt einen Abstand zwischen einer Gitterpunktposition O eines virtuellen quadratischen Gitters in der Phasenmodulationsschicht 6 und dem Schwerpunkt der Öffnung dar, und r = 0 zeigt den Fall an, in dem keine Störung vorliegt. Wenn r ungleich Null ist, wird ein Teil der stehenden Welle, die in der Ebene erzeugt werden, senkrecht zu der Substratoberfläche als ein Laserstrahl mit einer gewünschten Struktur nach außen emittiert. Der reziproke Gittervektor beträgt 2π/a mal dem fundamentalen Vektor.
In einem Fall, in dem der effektive Brechungsindex der Phasenmodulationsschicht 6 gleich n ist, fällt zusätzlich eine Wellenlänge λ₀ (= √2 × a × n), die durch die Phasenmodulationsschicht 6 ausgewählt wird, in einen Emissionswellenlängenbereich der aktiven Schicht 4. √2 = 2^0,5. Die Phasenmodulationsschicht (Brechungsgitterschicht) kann die Wellenlänge λ₀ aus den Emissionswellenlängen der aktiven Schicht auswählen und die ausgewählte Wellenlänge λ₀ nach außen abgeben. Wenn die Störung gleich 0 ist, insbesondere wenn r = 0, entspricht der Oszillationszustand zu diesem Zeitpunkt der M-Punktoszillation des quadratischen Gitters, wie in 22-(B) dargestellt ist. Gemäß der Darstellung in 22-(B) wird der Vektor der fundamentalen Welle der Laseroszillation um 45 Grad im Vergleich zu Fall (A) gedreht. Insbesondere ist die Oszillationswellenlänge in dem Oszillationsmodus (B) gleich der im Fall (A) und die Oszillationsrichtung im Gitter verschieden. In dem Oszillationsmodus (A) wird die stehende Welle gebildet, in der sich die Hauptlichtwelle in vier Richtungen entlang des Gitters des quadratischen Gitters ausbreitet, jedoch verläuft die Hauptlichtwelle in dem Oszillationsmodus (B) in einer Richtung, die um 45 Grad gedreht ist, insbesondere in einer diagonalen Richtung.
3 zeigt eine Tabelle, die eine Beziehung zwischen einem Material, einem Leitfähigkeitstyp und einer Dicke (nm) von jeder Verbindungshalbleiterschicht darstellt, die das Laserelement bildet.
Die Materialien von jedem Element sind wie in 3 dargestellt. Das Halbleitersubstrat 1 ist aus GaAs gebildet und die untere Deckschicht 2 ist aus AlGaAs gebildet. Die untere Lichtleitschicht 3 ist aus AlGaAs gebildet, die aktive Schicht 4 ist aus einer Multiquantentopfstruktur MQW (Barrierenschicht: AlGaAs/Topfschicht: InGaAs) gebildet, und die obere Lichtleitschicht 5 ist aus einer unteren Schicht AlGaAs/einer oberen Schicht GaAs gebildet. In der Phasenmodulationsschicht (Brechungsindexmodulationsschicht) 6 ist die Basisschicht 6A aus GaAs gebildet und der Bereich mit unterschiedlichem Brechungsindex 6B (vergrabene Schicht), der in die Basisschicht 6A vergraben ist, ist aus AlGaAs gebildet. Die untere Deckschicht 7 ist aus AlGaAs gebildet und die Kontaktschicht 8 ist aus GaAs gebildet.
Gemäß der Darstellung in 3 ist jede der Schichten mit einer Dotierung von einem ersten Leitfähigkeitstyp (N-Typ) oder einer Dotierung vom zweiten Leitfähigkeitstyp (P-Typ) dotiert (Dotierstoffkonzentration ist 1 × 10¹⁷ bis 1 × 10²¹/cm³) und ein Bereich, der nicht mit einem Dotierstoff dotiert ist, soll intrinsisch sein (I-Typ). Die Konzentration der Dotierung vom I-Typ beträgt 1 × 10¹⁵/cm³ oder weniger.
Darüber hinaus ist eine Energiebandlücke der Deckschicht größer als eine Energiebandlücke der Lichtleitschicht und die Energiebandlücke der Lichtleitschicht ist festgelegt, so dass sie größer ist als eine Energiebandlücke einer Topfschicht der aktiven Schicht 4. In AlGaAs ist es durch Änderung eines Zusammensetzungsverhältnisses von Al möglich, die Energiebandlücke und den Brechungsindex leicht zu ändern. In Al_xGa_1-xAs nimmt die Energiebandlücke mit einer positiven Korrelation zu Al ab (zu), wenn ein Zusammensetzungsverhältnis X von Al mit einem relativ kleinem Atomradius verringert (vergrößert) wird. Wenn InGaAs durch Mischen von In mit einem großen Atomradius mit GaAs gebildet wird, nimmt die Energiebandlücke ab. Insbesondere ist das Al-Zusammensetzungsverhältnis der Deckschicht größer als das Al-Zusammensetzungsverhältnis der Lichtleitschicht und das Al-Zusammensetzungsverhältnis der Lichtleitschicht ist gleich oder größer der Al-Zusammensetzung der Barrierenschicht (AlGaAs) der aktiven Schicht. Das Al-Zusammensetzungsverhältnis der Deckschicht ist auf 0,2 bis 0,4 festgelegt, in diesem Beispiel 0,3. Das Al-Zusammensetzungsverhältnis der Barrierenschicht in der Lichtleitschicht und der aktiven Schicht ist auf 0,1 bis 0,15 festgelegt, in diesem Beispiel 0,1.
Auch stellen die Dicken der Schichten, die in 3 dargestellt sind, in der ein numerischer Bereich bevorzugte Werte darstellt, und die Zahlen in Klammern optimale Werte dar. Die Phase des Laserlichts, das als die ebene Welle in der Z-Richtung von der Phasenmodulationsschicht emittiert wird, hängt auch von den Eigenschaften der Phasenmodulationsschicht ab und fungiert demzufolge als eine Phasenmodulationsschicht.
Gemäß der Darstellung in 9 kann die Phasenmodulationsschicht 6 zwischen der unteren Deckschicht 2 und der aktiven Schicht 4 bereitgestellt sein. In diesem Fall kann die Phasenmodulationsschicht 6 an einer Position angeordnet sein, die zwischen der unteren Deckschicht 2 und der Lichtleitschicht 3 angeordnet ist. Diese Struktur erreicht auch den gleichen Effekt, der oben beschrieben ist. Insbesondere fällt das durch die aktive Schicht 4 emittierte Laserlicht auf die Phasenmodulationsschicht 6 und bildet einen vorbestimmten Modus. Das auf die Phasenmodulationsschicht 6 einfallende Laserlicht wird als ein Laserstrahl in einer Richtung senkrecht zu einer Substratoberfläche durch die untere Lichtleitschicht, die aktive Schicht 4, die obere Lichtleitschicht 5, die obere Deckschicht 7, die Kontaktschicht 8 und die obere Elektrode E2 emittiert. Der Laserstrahl kann auch emittiert werden, während er zu der Richtung senkrecht zur Substratfläche geneigt ist.
Obwohl nicht dargestellt, kann der gleiche Effekt erhalten werden, wenn die Struktur die Phasenmodulationsschicht 6 und die aktive Schicht 4 zwischen der oberen Deckschicht 7 und der unteren Deckschicht 2 umfasst.
Es ist auch möglich, die Gestalt der Elektrode zu deformieren und Laserlicht von der unteren Oberfläche des Substrats zu emittieren. Insbesondere wenn die erste Elektrode E1 in einem Bereich offen ist, der der zweiten Elektrode E2 an der unteren Seite des Halbleitersubstrats 1 zugerichtet ist, wird der Laserstrahl, der von der unteren Oberfläche emittiert wird, nach außen emittiert. In diesem Fall stellt die erste Elektrode E1, die an der unteren Oberfläche des Halbleitersubstrats 1 bereitgestellt ist, eine Aperturelektrode mit einer Apertur in einem mittleren Abschnitt davon dar. Ein Antireflexionsfilm kann innerhalb und um die Apertur der ersten Elektrode E1 bereitgestellt sein. In diesem Fall wird der Antireflexionsfilm durch einen dielektrischen Einzelschichtfilm gebildet, wie z. B. Siliziumnitrid (SiN) oder Siliziumdioxid (SiO₂) oder einen dielektrischen Mehrschichtfilm. Als ein dielektrischer Mehrschichtfilm kann ein Film verwendet werden, der ungefähr durch Schichten von zwei oder mehr dielektrischen Schichten erzeugt wird, die aus einer dielektrischen Schichtgruppe ausgewählt sind, beispielsweise umfassend Titanoxid (TiO₂), Siliziumdioxid (SiO₂), Siliziummonoxid (SiO), Nioboxid (Nb₂O₅), Tantalpentoxid (Ta₂O₅), Magnesiumfluorid (MgF₂), Titanoxid (TiO₂), Aluminiumoxid (Al₂O₃), Ceroxid (CeO₂), Indiumoxid (In₂O₃) und Zirkoniumoxid (ZrO₂). Zum Beispiel wird ein Film mit einer Dicke von λ/4 als einer optischen Dicke für Licht mit einer Wellenlänge λ geschichtet. Zusätzlich kann ein Reflexionsfilm oder ein Antireflexionsfilm durch Sputtern gebildet werden.
Obwohl die zweite Elektrode E2 auf der oberen Oberfläche der Kontaktschicht 8 bereitgestellt wird, ist zusätzlich ein Bereich, der sich von dem Bereich unterscheidet, in dem die Kontaktelektrode E2 gebildet wird, falls erforderlich, mit einem isolierenden Film bedeckt, wie z. B. SiO₂ oder Siliziumnitrid, wodurch die Oberfläche davon geschützt wird.
In der obigen Struktur sind Löcher an einer Mehrzahl von Abschnitten der Basisschicht 6A durch Ätzen periodisch gebildet und die Bereiche 6B mit unterschiedlichem Brechungsindex sind in der Form von Löcher durch ein metallorganisches Gasphasenepitaxieverfahren, ein Sputterverfahren oder ein epitaktisches Verfahren gebildet. Nachdem die Bereiche 6B mit unterschiedlichem Brechungsindex in die Öffnungen der Basisschicht 6A eingebettet sind, können jedoch Deckschichten mit unterschiedlichem Brechungsindex, die aus dem gleichen Material gebildet sind, wie die Bereiche 6B mit unterschiedlichem Brechungsindex, darauf abgeschieden werden.
4 zeigt eine ebene Ansicht der Phasenmodulationsschicht 6, die oben beschrieben ist.
Die Phasenmodulationsschicht 6 umfasst die Basisschicht 6A, die aus einem Medium mit einem ersten Brechungsindex gebildet ist, und den Bereich 6B mit unterschiedlichem Brechungsindex, der aus einem Medium mit einem zweiten Brechungsindex gebildet ist, das einen Brechungsindex aufweist, der sich von dem des Mediums mit dem ersten Brechungsindex unterscheidet. Der Bereich 6B mit unterschiedlichem Brechungsindex ist ein Verbindungshalbleiter, kann jedoch eine Öffnung, gefüllt mit Argon, Stickstoff oder Luft darstellen.
In der Mehrzahl von Bereichen 6B mit unterschiedlichem Brechungsindex ist lediglich ein erster Bereich 6B1 mit einem unterschiedlichen Brechungsindex in der Öffnung, die einen ersten Bereich senkrecht zu einer Dickenrichtung (Z-Achse) aufweist (ein Bereich S1 in der XY-Ebene), in Bereichen R11 bis R34 mit einheitlicher Konfiguration einzeln gebildet. In einem Fall, in dem der erste Bereich 6B1 mit unterschiedlichem Brechungsindex kreisförmig ist, ist S = π(D/2)², wenn ein Durchmesser davon D beträgt. Ein Verhältnis aus der Fläche S des ersten Bereichs mit unterschiedlichem Brechungsindex 6B1, die in einem Bereich mit einheitlicher Konfiguration R11 bis R34 eingenommen wird, ist als ein Füllfaktor (FF) festgelegt. Die Fläche eines Bereichs mit einheitlicher Konfiguration R11 bis R34 ist gleich der Fläche des virtuellen quadratischen Gitters in einem Einheitsgitter.
Hier sind die Bereiche mit einheitlicher Konfiguration R11 bis R34 festgelegt. Jeder der Bereiche mit einheitlicher Konfiguration R11 bis R34 umfasst wenigstens einen ersten Bereich mit unterschiedlichem Brechungsindex 6B1. In jedem der Bereiche mit einheitlicher Konfiguration R11 bis R34 ist der (Schwerpunkt G) des ersten Bereichs 6B1 mit unterschiedlichem Brechungsindex zu einem Gitterpunkt O eines virtuellen quadratischen Gitters versetzt, der dazu am nächsten ist (vgl. 5).
Mit Bezug auf 5 wird angenommen, dass φ(x, y) einen Winkel darstellt, der zwischen einer Richtung von dem Gitterpunkt O des virtuellen quadratischen Gitters zu dem Schwerpunkt G und der X-Achse gebildet ist. Auf der X-Achse stellt x eine Position eines x-ten Gitterpunkts und y stellt eine Position eines y-ten Gitterpunkts auf der Y-Achse dar.
Wenn ein Drehwinkel φ identisch ist zu einer positiven Richtung der X-Achse, ist φ = 0° definiert.
Gemäß der Darstellung in 4 ist die Mehrzahl von Bereiche mit einheitlicher Konfiguration R11 und R34 in der Phasenmodulationsschicht 6 in der XY-Ebene mit der X-Achse und der Y-Achse zweidimensional angeordnet und XY-Koordinaten der Bereiche mit einheitlicher Konfiguration R11 und R34 sind an Schwerpunktpositionen der Bereiche mit einheitlicher Konfiguration entsprechend gegeben, wobei die Schwerpunktpositionen mit dem Gitterpunkt des virtuellen quadratischen Gitters übereinstimmen. Die XY-Koordinaten von jedem Bereich mit einheitlicher Konfiguration R11 bis R34 sind als (X, Y) festgelegt.
Die Koordinaten des Bereichs mit einheitlicher Konfiguration R11 sind (x1, y1) und die Koordinaten des Bereichs mit einheitlicher Konfiguration Rmn sind (xm, yn) (m und n sind natürliche Zahlen). Zu diesem Zeitpunkt weist die Drehwinkelverteilung φ(x, y) einen speziellen Wert für jede Position auf, die durch x (= x1, x2, x3, x4...) und y (= y1, y2, y3, y4...) festgelegt ist, jedoch wird sie nicht unbedingt durch eine spezielle Funktion ausgedrückt. Insbesondere kann die Drehwinkelverteilung φ(x, y) gemäß der obigen Beschreibung aus der Phasenverteilung bestimmt werden, die sich aus einer komplexen Amplitudenverteilung ergibt, die unter Durchführung einer Fourier-Transformation der ausgegebenen Strahlstruktur der vorliegenden Erfindung erhalten wird. Die Funktion kann auch auf einen gesamten Bereich oder einen speziellen Bereich der Phasenmodulationsschicht angewendet werden.
6 stellt ein Beispiel dar, in dem die Struktur mit im Wesentlichen periodischem Brechungsindex gemäß 4 lediglich in einem speziellen Bereich des Phasenmodulationsbereichs angewendet wird.
Gemäß der Darstellung in der ebenen Ansicht wird innerhalb eines quadratischen Innenbereichs RIN eine im Wesentlichen periodische Struktur (z. B. die Struktur aus 4) zur Emission einer Zielstrahlstruktur gebildet. Andererseits ist ein perfekt kreisförmiger Bereich mit unterschiedlichem Brechungsindex, in dem die Mittelpunktposition mit der Gitterpunktposition des quadratischen Gitters übereinstimmt, in einem Außenbereich ROUT angeordnet, der den Innenbereich RIN umgibt. Beispielsweise ist ein Füllfaktor FF in dem Außenbereich ROUT zu 12% festgelegt. Der Gitterabstand des virtuell festgelegten quadratischen Gitters, das virtuell festgelegt ist, ist auch im Innenbereich RIN und im Außenbereich ROUT gleich (= a).
Im Falle dieser Struktur besteht ein Vorteil darin, dass die Erzeugung eines Rauschens mit hoher Frequenz (sogenanntes Fenster-Funktionsrauschen), das durch eine abrupte Änderung in der Lichtintensität im peripheren Abschnitt des Innenbereichs RIN erzeugt wird, unterdrückt werden kann, da Licht auch im Außenbereich ROUT verteilt ist.
In der vorliegenden Erfindung wird nicht unbedingt eine Polarisationsplatte verwendet und die Verwendungseffizienz von Licht ist hoch.
7 zeigt eine Ansicht zur Beschreibung einer Beziehung zwischen der ausgegebenen Strahlstruktur und dem Winkel φ in der Phasenmodulationsschicht 6. Diese ausgegebene Strahlstruktur stellt eine Strahlstruktur dar, die im Betrieb gemäß der vorliegenden Erfindung beobachtet wird. Der Mittelpunkt der Figur entspricht der Richtung senkrecht zum Substrat gemäß der vorliegenden Erfindung und zeigt vier Quadranten mit diesem als Ursprung. 7 stellt einen Fall dar, in dem Bilder im ersten Quadranten und dritten Quadranten gemäß einem Beispiel erhalten werden, jedoch ist es auch möglich, Bilder im zweiten Quadranten und vierten Quadranten oder in allen Quadranten zu erhalten. Zu diesem Zeitpunkt wird eine Strahlstruktur, die bezüglich dem Ursprung punktsymmetrisch ist (insbesondere der Richtung senkrecht zu dem Substrat der Vorrichtung), gemäß der vorliegenden Erfindung erhalten. Hier wird als ein Beispiel ein Fall beschrieben, in dem eine Struktur erhalten wird, in der der Buchstabe ”A” im ersten Quadranten um 180 Grad gedreht ist. Es ist ersichtlich, dass die Strahlstruktur auch in der Richtung senkrecht zum Substrat gemäß der vorliegenden erhalten werden kann. In diesem Fall wird ein Paar von punktsymmetrischen Strukturen gleichzeitig als überlappend beobachtet. Insbesondere überlappen drehsymmetrische Strahlstrukturen (z. B. Strukturen, wie z. B. ein Kreuz, ein Kreis, ein Doppelkreuz oder dergleichen) und werden als eine Struktur beobachtet. Der Einfachheit halber wird ein Fall als ein Beispiel beschrieben, in dem Bilder im ersten Quadranten und dritten Quadranten erhalten werden.
In der vorliegenden Erfindung umfasst die emittierte Strahlstruktur wenigstens eines aus: einem Punkt, einer geraden Linie, einem Kreuz, einer Figur, einer Fotografie, einer Computergrafik (CG), einer Gitterstruktur oder einem Buchstaben. Buchstaben, die durch Strahlstrukturen konfiguriert sind, bedeuten Buchstaben aus Ländern der Welt, wie z. B. aus dem Alphabet in Japan, China, Deutschland oder dergleichen. Im Falle des Japanischen umfassen die Buchstaben Kanji, Hiragana und Katakana. In der ausgegebenen Strahlstruktur soll z. B. der Buchstabe ”A” im ersten Quadranten und dritten Quadraten angezeigt werden. Im ersten Quadranten werden Buchstaben im dritten Quadranten invertiert und angezeigt. In diesem Fall wird ein Winkel φ zum Entwurf der Phasenmodulationsschicht unter Verwendung der Strahlstruktur im dritten Quadranten als dem ursprünglichen Bild gemäß der folgenden Prozedur erhalten.
Es wird eine komplexe Amplitudenverteilung F(X, Y), die unter Durchführung einer zweidimensionalen Fourier-Transformation auf einem speziellen Bereich (in diesem Fall dem dritten Quadranten) der Strahlstruktur in der XY-Ebene erhalten wird, unter Verwendung einer Intensitätsverteilung I(X, Y) in der XY-Ebene und einer Phasenverteilung P(X, Y) in der XY-Ebene erhalten, wobei j eine imaginäre Einheit darstellt. Es können die Intensitätsverteilung und die Phasenverteilung erhalten werden.
Insbesondere ist F(X, Y) = I(X, Y) × exp{P(X, Y)j}.
Wenn angenommen wird, dass φ einen Winkel darstellt, der durch die X-Achse und die Richtung gebildet wird, von der jeder Gitterpunkt des oben beschriebenen virtuellen quadratischen Gitters zu dem Mittelpunkt G des entsprechenden Bereichs mit unterschiedlichem Brechungsindex gebildet wird, C eine Konstante darstellt, (x, y) eine Position eines virtuellen quadratischen Gitterpunkts an einer x-ten Position in der X-Achsenrichtung und einer y-ten Position in der Y-Achsenrichtung darstellt und φ(x, y) einen Winkel an der Position (x, y) darstellt, kann in der Phasenmodulationsschicht 6 aus φ(x, y) = C × P(X, Y) eine Winkelverteilung φ(x, y) erhalten werden. Hier stellt C eine Konstante dar und weist für alle Positionen (x, y) den gleichen Wert auf.
Falls der Buchstabe ”A” angezeigt wird, kann die Strahlstruktur einer Fourier-Transformation unterzogen werden und die Schwerpunktposition G des Bereichs mit unterschiedlichem Brechungsindex kann zu der Gitterpunktposition O des virtuellen quadratischen Gitters in der Richtung des Winkels φ gemäß der Phase der komplexen Amplitude versetzt sein. Eine gewöhnliche Strahlstruktur oder ein Paar von schrägen einzelnen Spitzenstrahlen kann durch Einstellen des Winkels φ erhalten werden. Nach der Fourier-Transformation des Laserstrahls kann ein Bild im Fernfeld verschiedene Gestalten haben, wie z. B. eine Gestalt mit einem einzelnen Punkt oder mehreren Punkten, eine ringförmige Gestalt, eine lineare Gestalt, eine buchstabenförmige Gestalt, eine doppelringförmige Gestalt oder eine Gestalt eines Laguerre-Gaußschen Strahls.
Da die Strahlrichtung auch gesteuert werden kann, können Laserelemente eindimensional oder zweidimensional angeordnet und für eine Laserbearbeitungsmaschine oder dergleichen verwendet werden, die ein Hochgeschwindigkeits-Scannen elektrisch durchführt.
Als ein Verfahren zum Erhalten der Intensitätsverteilung und der Phasenverteilung aus der komplexen Amplitudenverteilung, die durch Fourier-Transformation erhalten wird, können zum Beispiel zusätzlich die Intensitätsverteilung I(x, y) unter Verwendung der Betragsfunktion der numerischen Analyse-Software ”MATLAB” und die Phasenverteilung P(x, y) unter Verwendung der Winkelfunktion von MATLAB berechnet werden.
Es werden die Eigenschaften der Strahlstruktur beschrieben, die durch die vorliegende Erfindung erhalten wird. Es wird insbesondere das beschrieben, was anzumerken ist, wenn eine Beschreibung der vorliegende Erfindung hinsichtlich des Bestimmens der Winkelverteilung aus dem Ergebnis der Fourier-Transformation der Strahlstruktur und die Anordnung der Öffnungen gemäß der obigen Beschreibung erfolgt. Wenn die Strahlstruktur vor der Fourier-Transformation in vier Quadranten 1, 2, 3 und 4 unterteilt wird, wie in 8-(A) dargestellt ist, wird die Strahlstruktur gemäß der vorliegenden Erfindung entsprechend der Darstellung in 8-(B) erhalten. Insbesondere tritt eine Struktur, in der der erste Quadrant aus 8-(A), der um 180 Grad gedreht ist, und der dritte Quadrant aus 8-(A) einander überlappen, im ersten Quadranten der Strahlstruktur gemäß der vorliegenden Erfindung auf, tritt eine Struktur, in der der zweite Quadrant aus 8-(A), der um 180 Grad gedreht ist, und der vierte Quadrant aus 8-(A) einander überlappen, im zweiten Quadranten der Strahlstruktur gemäß der vorliegenden Erfindung auf, tritt eine Struktur, in der der dritte Quadrant aus 8-(A), der um 180 Grad gedreht ist, und der vierte Quadrant aus 8-(A) einander überlappen, im dritten Quadranten der Strahlstruktur gemäß der vorliegenden Erfindung auf und tritt eine Struktur, in der der vierte Quadrant aus 8-(A), der um 180 Grad gedreht ist, und der zweite Quadrant aus 8-(A), die einander überlappen, im vierten Quadranten der Strahlstruktur gemäß der vorliegenden Erfindung auf. Wenn eine Strahlstruktur, die lediglich einen Wert im ersten Quadranten aufweist, als die Strahlstruktur (ursprüngliche Struktur) vor der Fourier-Transformation verwendet wird, tritt der erste Quadrant der ursprünglichen Struktur folglich im dritten Quadranten in der Strahlstruktur auf, die gemäß der vorliegenden Erfindung erhalten wird. In dem ersten Quadranten in der Strahlstruktur, die gemäß der vorliegenden Erfindung erhalten wird, tritt lediglich die Struktur auf, in der der erste Quadrant der Originalstruktur um 180 Grad gedreht ist.
Als Nächstes wird die Menge an Versatz der Schwerpunktposition G des Bereichs mit unterschiedlichem Brechungsindex bezüglich der Gitterpunktposition O des virtuellen quadratischen Gitters beschrieben. Wenn eine Gitterkonstante, die einen Abstand des Mittelpunkts G festlegt, als a festgelegt ist, wird ein Füllfaktor des Bereichs mit unterschiedlichem Brechungsindex als FF = S/a² gegeben. Hier stellt S die Fläche des Bereichs mit unterschiedlichem Brechungsindex dar. Im Fall eines perfekten Kreises ist zum Beispiel S = π × (D/2)², wenn D den Durchmesser des perfekten Kreises D darstellt. Auch im Fall der quadratischen Struktur, wenn die Länge einer Seite des Quadrats L ist, ist S = L² gegeben. Das Gleiche gilt für die anderen Gestalten. Nachfolgend werden spezielle Ausführungsformen beschrieben. 10-(A) stellt ein originales Strukturbild dar, das allen Ausführungsformen gemein ist, sofern nicht anderweitig beschrieben ist. Der Buchstabe
(Licht) wird durch 704×704 Pixel gebildet. Zu diesem Zeitpunkt liegt der Buchstabe
im ersten Quadranten vor. Im zweiten Quadranten bis vierten Quadranten gibt es keine Strukturen. 10-(B) zeigt die Intensitätsverteilung, die sich unter Anwendung der zweidimensionalen Fourier-Transformation auf 10-(A) ergibt, die durch 704 × 704 Elemente gebildet wird. 10-(C) zeigt die Phasenverteilung, die unter Durchführung der zweidimensionalen Fourier-Transformation auf 10-(A) erhalten wird, die durch 704 × 704 Elemente gebildet wird. Dies entspricht auch der Winkelverteilung zum gleichen Zeitpunkt. 10-(C) zeigt die Winkelverteilung von 0 bis 2π entsprechend der Farbschattierung. Dem Teil mit schwarzer Farbe entspricht ein Winkel von 0.
11-(A) stellt eine teilweise Aufsicht des Bereichs mit unterschiedlichem Brechungsindex in der ersten Ausführungsform dar und der Bereich mit unterschiedlichem Brechungsindex in der Basisschicht ist in Weiß dargestellt. Tatsächlich existieren 704 × 704 Bereiche mit unterschiedlichem Brechungsindex. Die ebene Gestalt des Bereichs mit unterschiedlichem Brechungsindex stellt einen perfekten Kreis dar, der gesamte Durchmesser beträgt D = 111 nm, der Abstand r zwischen der Gitterpunktposition O des virtuellen quadratischen Gitters und des Schwerpunkts der Öffnung beträgt r = 8,52 nm und die Gitterkonstante des virtuellen quadratischen Gitters beträgt a = 284 nm. Zu diesem Zeitpunkt beträgt der Füllfaktor FF des perfekten Kreises FF = 12% und r = 0,03a. 11-(B) stellt eine vorhergesagte Strahlstruktur dar, die unter Anwendung der Fourier-Transformation auf den gesamten Bereich mit unterschiedlichem Brechungsindex durchgeführt wird.
12 zeigt einen Graphen, der das S/N-Verhältnis der ausgegebenen Strahlstruktur zeigt, insbesondere das Intensitätsverhältnis der gewünschten Strahlstruktur bezüglich Rauschen gemäß der Beziehung zwischen dem Füllfaktor FF und dem Abstand r(a) in der ersten Ausführungsform. Zusätzlich zeigt 17 einen Graphen, der eine Beziehung zwischen dem Abstand r(a) und dem S/N-Verhältnis im Falle von 12 darstellt.
Wenn wenigstens der Abstand r gleich 0,3a oder weniger beträgt, ist das S/N-Verhältnis im Falle dieser Struktur größer als das, wenn er größer ist als 0,3a. Wenn der Abstand r gleich 0,01a oder mehr beträgt, ist das S/N-Verhältnis größer als das, wenn der Abstand r gleich 0 ist. Mit Bezug auf 17 existiert insbesondere eine Spitze des S/N-Verhältnisses innerhalb dieses numerischen Bereichs. Vom Standpunkt der Verbesserung des S/N-Verhältnisses aus gilt insbesondere für den Abstand r vorzugsweise 0 < r ≤ 0,3a, weiter bevorzugt 0,01a ≤ 4 ≤ 0,3a und weiter bevorzugt 0,03a ≤ r ≤ 0,25. Sogar wenn r kleiner ist als 0,01a kann jedoch eine Strahlstruktur erhalten werden, obgleich das S/N-Verhältnis klein ist.
13-(A) zeigt eine teilweise Ansicht des Bereichs mit unterschiedlichem Brechungsindex in der zweiten Ausführungsform in Aufsicht und der Bereich mit unterschiedlichem Brechungsindex in der Basisschicht ist in Weiß dargestellt. Insbesondere existieren 704 × 704 Bereiche mit unterschiedlichem Brechungsindex. Die ebene Gestalt mit unterschiedlichem Brechungsindex ist ein Quadrat, die Länge L einer Seite ist L = 98,4 nm, der Abstand r zwischen der Gitterpunktposition O des virtuellen quadratischen Gitters und dem Schwerpunkt der Öffnung ist r = 8,52 nm und der Gitterabstand des virtuellen quadratischen Gitters beträgt a = 284 nm. Zu diesem Zeitpunkt beträgt der Füllfaktor FF des Quadrats FF = 12% und r = 0,03a. 13-(B) stellt eine vorhergesagte Strahlstruktur dar, die unter Durchführung der Fourier-Transformation auf dem gesamten Bereich mit unterschiedlichem Brechungsindex erhalten wird.
14 zeigt einen Graphen, der das S/N-Verhältnis der ausgegebenen Strahlstruktur zeigt, insbesondere das Intensitätsverhältnis der gewünschten Strahlstruktur bezüglich Rauschen gemäß der Beziehung zwischen dem Füllfaktor FF und dem Abstand r(a) in der zweiten Ausführungsform. Zusätzlich zeigt 18 einen Graphen, der eine Beziehung zwischen dem Abstand r(a) und dem S/N-Verhältnis im Falle von 14 zeigt.
Sogar im Falle dieser Struktur, wenn wenigstens der Abstand r gleich 0,3a oder weniger beträgt, ist das S/N-Verhältnis größer als das, wenn der Abstand größer ist als 0,3a. Wenn der Abstand r gleich 0,01a oder mehr beträgt, ist das S/N-Verhältnis größer als das, wenn der Abstand r gleich 0 ist. Mit Bezug auf 18 existiert insbesondere eine Spitze des S/N-Verhältnisses innerhalb dieses numerischen Bereichs. Vom Standpunkt der Verbesserung des S/N-Verhältnisses aus gilt insbesondere für den Abstand r vorzugsweise 0 < r ≤ 0,3a, weiter bevorzugt 0,01a ≤ r ≤ 0,3a und weiter bevorzugt 0,03a ≤ r ≤ 0,25a. Sogar wenn r kleiner ist als 0,01a kann jedoch eine Strahlstruktur erhalten werden, obwohl das S/N-Verhältnis klein ist.
15-(A) zeigt eine teilweise Aufsicht des Bereichs mit unterschiedlichem Brechungsindex in der dritten Ausführungsform und der Bereich mit unterschiedlichem Brechungsindex in der Basisschicht ist in Weiß gezeigt. Tatsächlich existieren 704 × 704 Bereiche mit unterschiedlichem Brechungsindex. Die ebene Gestalt des Bereichs mit unterschiedlichem Brechungsindex ist eine Gestalt, in der zwei perfekte Kreise einander überlappen, die Durchmesser der Öffnungen betragen alle D = 111 nm, die erste Öffnung weist den Schwerpunkt an der Gitterpunktposition O des virtuellen quadratischen Gitters auf und die zweite Öffnung ist unter einem Abstand r = 14,20 nm zwischen dem Schwerpunkt der Öffnung und der Gitterpunktposition O des virtuellen quadratischen Gitters angeordnet. Zu diesem Zeitpunkt wurde die Gitterkonstante a des virtuellen quadratischen Gitters auf 284 nm festgelegt. Zu diesem Zeitpunkt beträgt der Füllfaktor FF des perfekten Kreises FF = 12% und r = 0,05a. 13-(B) zeigt eine vorhergesagte Strahlstruktur, die unter Durchführung der Fourier-Transformation auf den gesamten Bereich mit unterschiedlichem Brechungsindex erhalten wird.
16 zeigt einen Graphen, der das S/N-Verhältnis der ausgegebenen Strahlstruktur zeigt, insbesondere das Intensitätsverhältnis der gewünschten Strahlstruktur bezüglich Rauschen gemäß der Beziehung zwischen dem Füllfaktor FF und dem Abstand r(a). 19 zeigt einen Graphen, der eine Beziehung zwischen dem Abstand r(a) und dem S/N-Verhältnis im Fall von 16 darstellt.
Sogar im Fall dieser Struktur, wenn wenigstens der Abstand r gleich 0,3a oder weniger beträgt, ist das S/N-Verhältnis größer, als wenn der Abstand größer ist als 0,3a. Wenn der Abstand r gleich 0,01a oder mehr beträgt, ist das S/N-Verhältnis größer als das, wenn der Abstand r gleich 0 ist. Insbesondere, mit Bezug auf 19, existiert eine Spitze des S/N-Verhältnisses innerhalb dieser numerischen Bereiche. Vom Standpunkt einer Verbesserung des S/N-Verhältnisses aus liegt der Abstand r vorzugsweise bei 0 < r ≤ 0,3a, weiter bevorzugt 0,01a ≤ r ≤ 0,3a und weiter bevorzugt 0,03a ≤ r 0,25a. Sogar wenn r kleiner ist als 0,01a kann jedoch eine Strahlstruktur erhalten werden, obwohl das S/N-Verhältnis klein ist.
Im Fall der 12, 14 und 16 sind darüber hinaus die Bereiche, in denen das S/N-Verhältnis 0,9, 0,6 und 0,3 übersteigt, durch die folgende Funktion gegeben. In den 17, 18 und 19, FF3, FF6, FF9, FF12, FF15, FF18, FF21, FF24, FF27 und FF30 zeigen entsprechend FF = 3%, FF = 6%, FF = 9% FF = 12%, FF = 15%, FF = 18%, FF = 21%, FF = 24%, FF = 27% und FF = 30%

(S/N in 12 beträgt 0,9 oder mehr)
FF > 0,03,
r > 0,06
r < –FF + 0,23, und
r > –FF + 0,13
(S/N in 12 beträgt 0,6 oder mehr)
FF > 0,03,
r > 0,03,
r < –FF + 0,25, und
r > –FF + 0,12
(S/N in 12 beträgt 0,3 oder mehr)
FF > 0,03,
r > 0,02,
r < –(2/3)FF + 0,30, und
r > –(2/3)FF + 0,083
(S/N in 14 beträgt 0,9 oder mehr)
r > –2FF + 0,25,
r < –FF + 0,25, und
r > FF – 0,05
(S/N in 14 beträgt 0,6 oder mehr)
FF > 0,03,
r > 0,04,
r < –(3/4)FF + 0,2375, und
r > –FF + 0,15
(S/N in 14 beträgt 0,3 oder mehr)
FF > 0,03,
r > 0,01,
r < –(2/3)FF + 1/3, und
r > –(2/3)FF + 0,10
(S/N in 16 beträgt 0,9 oder mehr)
r > 0,025,
r < –(4/3)FF + 0,20, und
r < –(20/27)FF + 0,20
(S/N in 16 beträgt 0,6 oder mehr)
FF > 0,03,
r > 0,02,
r > –(5/4)FF + 0,1625, und
r < –(13/18)FF + 0,222
(S/N in 16 beträgt 0,3 oder mehr)
FF > 0,03,
r > 0,01,
r < –(2/3)FF + 0,30, und
r > –(10/7)FF + 1/7
Unter den obengenannten Strukturen weisen ein Materialsystem, eine Dicke und eine Schichtkonfiguration einen Freiheitsgrad auf, solange die Struktur die aktive Schicht 4 und die Phasenmodulationsschicht 6 umfasst. Hier gilt ein Skalierungsgesetz für einen sogenannten photonischen Kristalllaser für ein quadratisches Gitter, wenn die Störung des virtuellen quadratischen Gitters gleich 0 ist. Insbesondere, wenn die Wellenlänge eine Konstante proportional α ist, kann der gleiche stehende-Welle-Zustand durch Multiplizieren der gesamten quadratische Gitterstruktur mit α erhalten werden. Es ist auch in der vorliegenden Erfindung in ähnlicher Weise möglich, die Struktur der Phasenmodulationsschicht durch das Skalierungsgesetz bei Wellenlängen zu bestimmen, die sich von den in den offenbarten Beispielen unterscheiden. Demzufolge ist es auch möglich, ein lichtemittierendes Halbleiterelement zu realisieren, das ein sichtbares Licht unter Verwendung der aktiven Schicht ausgibt, die Licht emittiert, wie z. B. eines von blauer Farbe, grüner Farbe und roter Farbe, und die Skalierungsregel entsprechend der Wellenlänge anzuwenden. Wenn das Laserelement hergestellt wird, wird jede Verbindungshalbleiterschicht durch eine metallorganische chemische Gasphasenabscheidung (MOCVD) hergestellt. Auf einer (001)-Ebene des Halbleitersubstrats 1 wird ein Kristallwachstum durchgeführt, jedoch ist die vorliegende Erfindung nicht darauf begrenzt. Wenn ein Laserelement unter Verwendung des oben genannten AlGaN hergestellt wird, liegt eine Wachstumstemperatur von AlGaAs in einem Bereich von 500°C bis 850°C und gemäß Experiment bei einer Temperatur von 550°C bis 700°C. Beim Aufwachsen wird TMA (Trimethylaluminium) als ein Al-Rohmaterial verwendet, TMG (Trimethylgallium) und TEG (Triethylgallium) werden als ein Galliumrohmaterial verwendet, AsH₃ (Arsenwasserstoff) wird als ein As-Rohmaterial verwendet, Si₂H₆ (Disilan) wird als ein Rohmaterial für eine Dotierung vom N-Typ verwendet, und DEZn (Diethylzink) wird als ein Rohmaterial für eine Dotierung vom P-Typ verwendet. Beim GaAs-Wachstum werden TMG und Arsen verwendet, jedoch wird TMA nicht verwendet. (GaAs wird unter Verwendung von TMG, TMI (Trimethylindium) und Arsen hergestellt. Die Bildung eines Isolationsfilms kann unter Durchführung von Sputtern auf ein Ziel unter Verwendung seiner Materialzusammensetzung als Rohmaterialien gebildet werden.
Insbesondere wird das oben genannte Laserelement durch sequenzielles und epitaktisches Aufwachsen einer Deckschicht vom N-Typ (AlGaAs) 2, einer Leitschicht (AlGaAs) 3 und einer Multiquantentrogstruktur (IGaAs/AlGaAs) 4, einer Lichtleitschicht (GaAs/AaGaAs) 5 und einer Basisschicht (GaAs) 6A, wie z. B. einer Phasenmodulationsschicht, auf einem Halbleitersubstrat vom N-Typ (GaAs) 1 unter Verwendung von MOCVD (metallorganischer chemischer Gasphasenabscheidung) gebildet werden. Anschließend wird ein Lack auf der SiN-Schicht durch das PCVD(Plasma-CVD)-Verfahren gebildet, um eine Ausrichtung nach dem epitaktischen Wachstum zu erstellen. Weiterhin wird der Lack belichtet und entwickelt und die SiN-Schicht wird unter Verwendung des Lacks als einer Maske geätzt, was dazu führt, dass die SiN-Schicht teilweise verbleibt, um eine Ausrichtungsmarkierung zu bilden. Der verbleibende Lack wird entfernt.
Als Nächstes wird ein separater Lack auf der Basisschicht 6A gebildet und es wird eine zweidimensionale feine Struktur unter Verwendung einer Ausrichtungsmarkierung als einer Referenz mittels einer Elektronenstrahlschreibvorrichtung auf den Lack geschrieben und entwickelt, wobei die zweidimensionale feine Struktur auf dem Lack gebildet wird. Daraufhin wird die zweidimensionale feine Struktur mit einer Tiefe von ungefähr 100 nm auf die Basisschicht 6A mittels eines Trockenätzens unter Verwendung des Lacks als einer Maske übertragen, um eine Öffnung (Bohrung) zu bilden, und der Lack wird entfernt. Die Tiefe der Öffnung beträgt 100 nm. Es wird wieder ein Verbindungshalbleiter, der sich von dem Bereich mit unterschiedlichem Brechungsindex 6B unterscheidet (AlGaAs), innerhalb der Öffnung die Tiefe der Öffnung übersteigend gewachsen. Durch MOCVD werden eine obere Deckschicht (AlGaAs) 7 und eine Kontaktschicht (GaAs) 8 sequenziell gebildet. Auf oberen und unteren Oberflächen des Substrats wird ein geeignetes Elektrodenmaterial durch ein Abscheidungsverfahren oder ein Sputterverfahren gebildet, wobei erste und zweite Elektroden gebildet werden. Auch ist es möglich, einen Isolationsfilm auf den oberen und unteren Oberflächen des Substrats durch ein Sputterverfahren oder dergleichen zu bilden, falls dies erforderlich ist.
Wenn die Phasenmodulationsschicht unter der aktiven Schicht bereitgestellt wird, kann die Phasenmodulationsschicht auf der unteren Deckschicht gebildet werden, bevor die aktive Schicht und die untere Lichtleitschicht gebildet werden.
In dem Fall der Herstellung eines Laserelementkörpers ohne Phasenmodulationsschicht kann dieser Herstellungsprozess nicht vorgesehen sein. Als eine Ausnehmung kann ein säulenförmiger Bereich mit unterschiedlichem Brechungsindex gebildet werden und ein Gas oder Luft, z. B. Stickstoff oder Argon, können darin gefüllt werden. In dem oben genannten virtuellen quadratischen Gitter wird ein Abstand zwischen vertikalen und horizontalen Gitterlinien ungefähr durch Teilen einer Wellenlänge durch einen äquivalenten Brechungsindex oder Teilen einer Wellenlänge durch einen äquivalenten Brechungsindex oder √2 erhalten, und es ist insbesondere bevorzugt, diesen auf 300 nm oder ungefähr 210 nm festzulegen. Im Falle eines quadratischen Gitters mit einem Gitterabstand a, wenn die Einheitsvektoren der orthogonalen Koordinaten zu x und y festgelegt sind, sind fundamentale Versschiebevektoren a₁ = ax und a₂ = ay und die fundamentalen reziproken Gittervektoren für die Verschiebevektoren a₁ und a₂ sind b₁ = (2π/a)y und b₂ = (2π/a)x. In einem Fall, in dem ein Wellenvektor einer Welle, die in einem Gitter existiert, k = nb₁ + mb₂ beträgt (n und m sind beliebige ganze Zahlen), existiert eine Wellenzahl k an einem Γ-Punkt, jedoch insbesondere in einem Fall, in dem die Größe des Wellenvektors gleich der Größe des fundamentalen reziproken Gittervektors ist, wird ein Resonanzmodus (stehende Welle in der XY-Ebene) erhalten, in dem ein Gitterabstand gleich einer Wellenlänge λ ist. In der vorliegenden Erfindung wird eine Oszillation in einem solchen Resonanzmodus (stehende-Welle-Zustand) erhalten. Zu diesem Zeitpunkt, wenn ein TE-Modus betrachtet wird, in dem ein elektrisches Feld in einer Ebene parallel zu dem quadratischen Gitter vorhanden ist, sind aufgrund der Symmetrie des quadratischen Gitters in dem stehende-Welle-Zustand, in dem der Gitterzustand und die Wellenlänge gleich sind, wie oben beschrieben ist, vier Moden vorhanden. In der vorliegenden Erfindung kann eine gewünschte Strahlstruktur in ähnlicher Weise erhalten werden, sogar wenn sie in einer beliebigen der vier stehende-Welle-Zustände oszilliert.
Die stehende Welle in der Phasenmodulationsschicht wird durch die Öffnungsgestalt gestreut und die Wellenfront, die in der vertikalen Richtung der Ebene erhalten wird, wird phasenmoduliert, wodurch eine gewünschte Strahlstruktur erhalten werden kann. Demzufolge kann eine gewünschte Strahlstruktur sogar ohne ein polarisierendes Plättchen erhalten werden. Diese Strahlstruktur kann nicht nur ein Paar von einzelnen Strahlspitzen (Punkten) sein, sondern kann jedoch auch, wie oben beschrieben ist, eine Buchstabengestalt, eine Gruppe von zwei oder mehr Punkten mit der gleichen Gestalt oder einen Vektorstrahl umfassen, in dem eine Phasen- oder Intensitätsverteilung räumlich ungleichförmig sind.
Zusätzlich liegt ein Brechungsindex der Basisschicht 6A in einem Bereich von 3,0 bis 3,5 und ein Brechungsindex des Bereichs 6B mit unterschiedlichem Brechungsindex liegt in einem Bereich von 1,0 bis 3,4. Zusätzlich liegt ein durchschnittlicher Durchmesser der entsprechenden Bereiche 6B1 mit unterschiedlichem Brechungsindex in der Öffnung der Basisschicht 6A in einem Bereich von beispielsweise 38 nm bis 76 nm. Eine Brechungsintensität in Richtung der Z-Achse wird durch eine Änderung in der Gestalt der Öffnung geändert. Die Brechungseffizienz ist proportional zu einem optischen Kopplungskoeffizienten κ1, der durch den Koeffizienten erster Ordnung im Falle einer Fourier-Transformation dargestellt wird, die auf eine Öffnungsgestalt angewendet wird. Der optische Kopplungskoeffizient wird z. B. in K. Sakai et al, ”Coupled-Wave Theory for Square-Lattice Photonic Crystal Lasers With TE Polarization, IEEE J. Q. E. 46, 788–795 (2010)” beschrieben.
Gemäß der obigen Beschreibung umfasst das lichtemittierende Halbleiterelement eine aktive Schicht, ein Paar von Deckschichten, zwischen denen die aktive Schicht geordnet ist, und eine Phasenmodulationsschicht, die mit der aktiven Schicht optisch gekoppelt ist, wobei die Phasenmodulationsschicht eine Basisschicht und eine Mehrzahl von Bereichen mit unterschiedlichem Brechungsindex umfasst, die gegenüber der Basisschicht unterschiedliche Brechungsindizes aufweisen. Wenn ein orthogonales XYZ-Koordinatensystem mit einer Dickenrichtung der Phasenmodulationsschicht als Z-Achsenrichtung festgelegt ist und ein quadratisches Gitter mit einer virtuellen Gitterkonstante a in einer XY-Ebene festgelegt ist, ist jeder der Bereiche mit unterschiedlichem Brechungsindex angeordnet, so dass eine Schwerpunktposition davon von einem Gitterpunkt in einem virtuellen quadratischen Gitter durch einen Abstand r festgelegt ist, und der Abstand r beträgt 0 < r ≤ 0,3a.
Im Fall dieser Struktur wird die Schwerpunktposition des Bereichs mit unterschiedlichem Brechungsindex um den Abstand r innerhalb des obigen Bereichs versetzt, wodurch sich der Phasenunterschied des Strahls gemäß der Richtung des Vektors von der Position des Gitterpunkts zu der Schwerpunktposition des Bereichs mit unterschiedlichem Brechungsindex ändert. Insbesondere ist es möglich, den Phasenunterschied der Strahlen, die von den Bereichen von unterschiedlichem Brechungsindex emittiert werden, lediglich durch Verändern der Schwerpunktposition zu ändern, und es kann die insgesamt gebildete Strahlstruktur gebildet werden, so dass sie eine gewünschte Gestalt aufzuweist. In einem solchen lichtemittierenden Halbleiterelement ist lediglich ein einzelner Bereich mit unterschiedlichem Brechungsindex wenigstens innerhalb des Kreises mit einem Radius von 0,62a um den Gitterpunkt des virtuellen quadratischen Gitters vorhanden.
In der Phasenmodulationsschicht weisen zusätzlich alle Bereiche 6B mit unterschiedlichem Brechungsindex (a) die gleiche Figur, (b) die gleiche Fläche und/oder (c) den gleichen Abstand r in der XY-Ebene auf, und (d) die Mehrzahl von Bereichen mit unterschiedlichem Brechungsindex kann durch eine Verschiebeoperation oder eine Verschiebeoperation und eine Drehoperation überlappt werden.
Durch Bereitstellen von wenigstens einer dieser Bedingungen (a) bis (d) ist es möglich die Erzeugung eines Rauschens in der Strahlstruktur und ein Licht nullter Ordnung zu unterdrücken, welches sich zu einem Rauschen entwickelt.
20 und 21 sind ebene Ansichten, die die Gestalt von jedem Bereich 6B mit unterschiedlichem Brechungsindex in der XY-Ebene darstellen.
Im Fall von 20-(A) weist die Gestalt des Bereichs 6B mit unterschiedlichem Brechungsindex in der XY-Ebene eine Rotationssymmetrie auf. Insbesondere stellt die Gestalt von jedem Bereich mit unterschiedlichem Brechungsindex in der XY-Ebene einen perfekten Kreis, ein Quadrat, ein reguläres Hexagon, ein reguläres Oktagon oder ein reguläres Hexadekagon dar. Im Vergleich zu nicht-rotationssymmetrischen Figuren können diese Figuren mit höherer Genauigkeit strukturiert werden, da sie weniger beeinflusst werden, sogar wenn die Struktur in der Drehrichtung verschoben ist.
Im Fall von 20-(B) weist die Gestalt von jedem Bereich mit unterschiedlichem Brechungsindex in der XY-Ebene eine Spiegelbildsymmetrie (Liniensymmetrie) auf. Insbesondere entspricht die Gestalt von jedem Bereich mit unterschiedlichem Brechungsindex in der XY-Ebene einem Rechteck, einer Ellipse oder einer Gestalt, in der ein Teil von zwei Kreisen oder Ellipsen einander überlappen. Der Gitterpunkt O des virtuellen quadratischen Gitters ist außerhalb dieser Bereiche mit unterschiedlichem Brechungsindex vorhanden.
Im Vergleich zu nicht-drehsymmetrischen Figuren können diese Figuren mit höherer Genauigkeit strukturiert werden, da die Position des Liniensegments, das als liniensymmetrische Referenz dient, klar bekannt sein kann.
Im Falle von 20-(C) ist die Gestalt von jedem Bereich mit unterschiedlichem Brechungsindex in der XY-Ebene von einer trapezförmigen Gestalt, einer Gestalt (eiförmigen Gestalt), in der eine Dimension in einer Nebenachsenrichtung in der Nähe von einem Endabschnitt entlang einer Hauptachse einer Ellipse deformiert ist, so dass sie kleiner ist als eine Dimension in einer Nebenachsenrichtung in der Nähe von einem anderen Endabschnitt, oder einer Gestalt (tränenförmigen Gestalt), in der ein Endabschnitt entlang einer Hauptachse einer Ellipse zu einem spitzeren Ende deformiert ist, das entlang einer Hauptachsenrichtung davon hervorsteht. Der Gitterpunkt O des virtuellen quadratischen Gitters ist außerhalb dieser Bereiche mit unterschiedlichem Brechungsindex vorhanden. Sogar bei einer solchen Figur kann die Phase des Strahls durch Verschieben der Schwerpunktposition des Bereichs mit unterschiedlichem Brechungsindex von dem Gitterpunkt O des virtuellen quadratischen Gitters um den Abstand r geändert werden.
Im Falle von 21-(D) weist die Gestalt von jedem Bereich mit unterschiedlichem Brechungsindex in der XY-Ebene eine Spiegelbildsymmetrie (Liniensymmetrie) auf. Insbesondere ist die Gestalt von jedem Bereich mit unterschiedlichem Brechungsindex in der XY-Ebene ein Rechteck, eine Ellipse oder eine Gestalt, in der ein Teil von zwei Kreisen oder Ellipsen einander überlappen. Der Gitterpunkt O des virtuellen quadratischen Gitters ist innerhalb dieser Bereiche mit unterschiedlichem Brechungsindex vorhanden.
Im Vergleich zu nicht-rotationssymmetrischen Figuren können diese Figuren mit hoher Genauigkeit strukturiert werden, da die Position des Liniensegments, das als Liniensymmetriereferenz dient, klar bekannt sein kann. Da der Abstand r zwischen dem Gitterpunkt O des virtuellen quadratischen Gitters und der Mittelpunktposition des Bereichs mit unterschiedlichem Brechungsindex klein ist, ist es zusätzlich möglich, das Auftreten von Rauschen in der Strahlstruktur zu reduzieren.
Im Fall von 21-(E) ist die Gestalt von jedem Bereich mit unterschiedlichem Brechungsindex in der XY-Ebene von einer trapezförmigen Gestalt, einer Gestalt (ovale Gestalt), in der eine Dimension in einer Nebenachsenrichtung in der Nähe von einem Endabschnitt entlang einer Hauptachse einer Ellipse deformiert ist, so dass sie kleiner ist als eine Dimension in einer Nebenachsenrichtung in der Nähe eines anderen Endabschnitts, oder einer Gestalt (tränenförmige Gestalt), in der ein Endabschnitt entlang einer Hauptachse einer Ellipse zu einem spitzen Ende deformiert ist, das entlang einer Hauptachsenrichtung davon hervorsteht. Der Gitterpunkt O des virtuellen quadratischen Gitters ist innerhalb dieser Bereiche mit unterschiedlichem Brechungsindex vorhanden. Sogar bei einer solchen Figur kann die Phase des Strahls durch Verschieben der Mittelpunktposition des Bereichs mit unterschiedlichem Brechungsindex von dem Gitterpunkt O des virtuellen quadratischen Gitters um den Abstand r geändert werden. Da der Abstand r zwischen dem Gitterpunkt O des virtuellen quadratischen Gitters und der Mittelpunktposition des Bereichs mit unterschiedlichem Brechungsindex klein ist, ist es möglich, das Auftreten eines Rauschens in der Strahlstruktur zusätzlich zu reduzieren.
23 zeigt ein Bild einer Zielstruktur und stellt den Charakter ”iPM Lasers” dar. Zu diesem Zeitpunkt existiert der Charakter ”iPM Lasers” im ersten Quadranten und es gibt keine Strukturen in den zweiten bis vierten Quadraten.
24 zeigt ein Diagramm, das eine Phasenverteilungsstruktur darstellt, die durch Extrahieren einer Phasenverteilung mittels einer zweidimensionalen Fourier-Transformation des Bildes aus 23 erhalten wird. 24 stellt die Verteilung von Phasen von 0 bis 2π gemäß der Farbschattierung dar. Der Teil mit schwarzer Farbe stellt eine Phase von 0 dar. In der vorliegenden Erfindung wird der Drehwinkel Φ der Öffnung gemäß dieser Phase bestimmt, wie in 5 dargestellt ist.
25 zeigt eine Elektronenmikroskop-Fotografie, die die Öffnungsgestalt der Phasenmodulationsschicht zum Erhalten des Bildes aus 23 darstellt. In den Gitterpunkten des im Wesentlichen quadratischen Gitters in der Phasenmodulationsschicht sind 1400 × 1400 Öffnungen angeordnet. Bezüglich dem Gitterabstand (= a) des virtuell festgelegten quadratischen Gitters beträgt der Abstand zwischen der Gitterpunktposition und dem Mittelpunkt der Öffnung r = 0,06a und der Füllfaktor ist FF = 20%. In 25 sind nicht alle, sondern einige der 1400 × 1400 Öffnungen dargestellt.
26 zeigt eine Fotografie, die eine Strahlstruktur eines Laserelements entsprechend 23 darstellt.
In diesem Beispiel wurde die Dimension der zweiten Elektrode E2 an der p-Seite in dem Laserelement zu 400 μm × 400 μm festgelegt und ein Pulsstrom von 10 kHz, 50 ns und 4 A wurde an das Laserelement LD aus 2 angelegt, um das Laserelement zu betreiben. Der Charakter ”iPM Lasers” und ein Charakter, der durch Rotation dieses Charakters um 180° erhalten wird, erscheinen im ersten Quadranten und dritten Quadranten.
27 zeigt eine Fotografie, die eine Beziehung zwischen einer Wellenlänge und einer Lichtintensität einer Strahlstruktur eines Laserelements entsprechend 26 darstellt.
Eine Intensitätsspitze des Laserlichts erscheint an einer Position, die eine Wellenlänge von 930 nm übersteigt.
28 zeigt einen Graphen, der eine Beziehung zwischen einem Spitzenstrom (mA) und einer Laserlichtspitzenintensität (mW) eines Laserelements entsprechend 26 darstellt.
Daten, die in der gleichen Figur durch ”ganz” indiziert sind, stellen ein Beispiel dar, in dem ein lichtempfangendes Energie-Messteil installiert wurde, so dass das gesamte ausgegebene Licht des Laserlichts umfasst wird, und es wurde das Laserlicht gemessen. Daten, die durch ”Licht nullter Ordnung” in der gleichen Figur bezeichnet sind, stellen ein Beispiel dar, in dem ein lichtempfangendes Energie-Messteil installiert wurde, so dass lediglich das Licht nullter Ordnung am Mittelpunkt des Laserlichts umfasst wird, und es wurde das Laserlicht gemessen. Daten, die in der gleichen Figur durch ”jedes modulierte Licht (geschätzt)” bezeichnet sind, stellen einen Wert dar, der durch Berechnung des obigen Werts (”ganz” – ”Licht nullter Ordnung”)/2 berechnet wurde und zeigt die abgeschätzte Lichtintensität des modulierten Lichts an.
Es kann aus der gleichen Figur ersichtlich sein, dass die Spitzenintensität des Laserlichts mit zunehmendem Spitzenstrom zunimmt. Zusätzlich kann von dem Punkt, an dem Spitzenstrom 1.200 mA übersteigt, erkannt werden, dass die gesamte Spitzenintensität mit großer Steigung linear zunimmt.
29 zeigt ein Diagramm, das mit gleichen Wellenlängen an einer Oszillationswellenlänge (930,2 nm) eines Ergebnisses einer Messung einer spektroskopischen Spektrum/Winkelabhängigkeit der Lichtintensität eines Laserelements entsprechend 26 erhalten wurde.
Der Charakter ”iPM Lasers” und ein Charakter, der durch Invertieren dieses Charakters erhalten wurde, erscheinen in dem ersten Quadranten und dem dritten Quadranten. Aus diesem Ergebnis ist ersichtlich, dass Licht der einzelnen Wellenlänge entsprechend der Oszillationswellenlänge in einer Richtung entsprechend der Strahlstruktur emittiert wird, die in 26 dargestellt ist. Insbesondere ist ersichtlich, dass die Strahlstruktur nicht durch eine Kombination von Licht mit verschiedenen Wellenlängen erhalten wird. Es kann eine Strahlstruktur mit einer komplizierten Gestalt realisiert werden, sogar bei einer einzelnen Wellenlänge.
30 zeigt einen Graphen, der eine Beziehung zwischen einer Wellenzahl (2π/a) und einer Wellenlänge (nm) in einem Querschnitt zeigt, der entlang einer Γ-X-Richtung und einer Γ-M-Richtung in 29 verläuft (insbesondere zum Zeitpunkt der Oszillation (eines angelegten Stroms von 4 A)). 30 zeigt insbesondere ein Diagramm, welches anzeigt, welche Wellenlänge von Licht zum Zeitpunkt der Laseroszillation emittiert wird und in welcher Richtung das Licht zum Zeitpunkt der Laseroszillation emittiert wird. Das Licht bei 930,2 nm, wie in 29 aufgetragen ist, wird in Richtungen emittiert, die den Buchstaben ”L”, ”a” und ”M” in 29 entsprechen. Licht wird auch am Γ-Punkt emittiert.
31 zeigt einen Graphen, der eine Beziehung zwischen einer Wellenzahl (2π/a) und einer Wellenlänge (nm) in einem Querschnitt entlang der gleichen Richtung vor der Oszillation (ein angelegter Strom von 400 mA) darstellt, wie in 30 gezeigt ist. Insbesondere zeigt 31 ein Diagramm, welches darstellt, welche Wellenlänge von Licht vor der Laseroszillation emittiert und in welche Richtung das Licht vor der Laseroszillation emittiert wird. Für eine periodische Struktur, wie z. B. ein quadratisches Gitter, ist es eine sogenannte photonische Bandstruktur. In der photonischen Bandstruktur ist bekannt, dass ein Abschnitt mit Steigung Null als eine Bandkante bezeichnet wird und es wird eine stehende Welle an der Bandkante gebildet. Die Bildung des Oszillationsmodus durch den Lichteinfangeffekt aufgrund der periodischen Struktur findet prinzipiell an der Bandkante statt. In 31 ist die Steigung von jedem Band am Γ-Punkt (dem Teil, an dem die Wellenzahl an der horizontalen Achse 0 beträgt) null und es ist möglich, dass der Oszillationsmodus gebildet wird. Andererseits sind an anderen Stellen als dem Γ-Punkt keine Bandkanten vorhanden und es gibt keine Möglichkeit, dass sich der Oszillationsmodus bildet. In 30 existieren das Band und die Bandkante nicht in dem Abschnitt, der sich von Γ-Punkt unter den Punkten unterscheidet, an dem das austretende Licht beobachtet wurde. Daher ist es ersichtlich, dass die Oszillation am Γ-Punkt auftritt. Ein Teil des Lichts, das am Γ-Punkt oszilliert, wird in Kombination in einer Richtung entsprechend den Buchstaben ”L”, ”a” und ”M” emittiert.
32 zeigt ein Bild einer Zielstruktur und zeigt eine Fotografie einer Person. Zu diesem Zeitpunkt existiert die Fotografie der Person im ersten Quadranten. Im zweiten Quadranten bis vierten Quadranten gibt es keine Strukturen.
33 zeigt ein Diagramm, das eine Phasenverteilungsstruktur darstellt, die durch Extrahieren einer Phasenverteilung mittels einer zweidimensionalen Fourier-Transformation des Bildes aus 32 erhalten wird. 33 stellt die Verteilung von Phasen von 0 bis 2π gemäß der Farbschattierung dar. Der Teil mit schwarzer Farbe stellt eine Phase von 0 dar. In der vorliegenden Erfindung wird der Drehwinkel Φ der Öffnung gemäß dieser Phase entsprechend der Darstellung in 5 bestimmt.
In den Gitterpunkten des im Wesentlichen quadratischen Gitters in der Phasenmodulationsschicht sind 1400 × 1400 Öffnungen angeordnet. Bezüglich dem Gitterabstand (= a) des virtuell festgelegten quadratischen Gitters beträgt der Abstand zwischen der Gitterpunktposition und dem Schwerpunkt der Öffnung r = 0,06a und der Füllfaktor beträgt FF = 20%.
34 zeigt eine Fotografie, die eine Strahlstruktur eines Laserelements entsprechend 32 darstellt.
In diesem Beispiel wurde die Dimension der zweiten Elektrode E2 auf der p-Seite in dem Laserelement zu 400 μm × 400 μm festgelegt. An das Laserelement LD in 2 wurde ein Pulsstrom von 10 kHz, 50 ns und 4 A angelegt, um das Laserelement zu betreiben. Im ersten Quadranten und dritten Quadranten erscheinen das Bild der Person und ein Bild, das durch Drehung dieses Bildes um 180° erhalten wurde.
35 zeigt eine Fotografie, die eine Beziehung zwischen einer Wellenlänge und Lichtintensität einer Strahlstruktur eines Laserelements entsprechend 32 darstellt.
Eine Intensitätsspitze des Laserlichts erscheint an einer Position, die eine Wellenlänge von 930 nm überschreitet.
36 zeigt einen Graphen, der eine Beziehung zwischen einem Spitzenstrom (mA) und einer Laserlichtspitzenintensität (mW) eines Laserelements entsprechend 34 darstellt.
Daten, die in der gleichen Figur durch ”ganz” bezeichnet sind, stellen ein Beispiel dar, in dem ein lichtempfangendes Energie-Messteil installiert wurde, so dass das ganze ausgegebene Licht des Laserlichts umfasst wird, und es wurde das Laserlicht gemessen. Daten, die in der gleichen Figur durch ”Licht nullter Ordnung” bezeichnet sind, stellen ein Beispiel dar, in dem ein lichtempfangendes Energie-Messteil installiert wurde, so dass lediglich das Licht nullter Ordnung am Schwerpunkt des Laserlichts umfasst wird, und es wurde das Laserlicht gemessen. Daten, die in der gleichen Figur durch ”jedes modulierte Licht (geschätzt)” bezeichnet sind, stellen einen Wert dar, der durch Berechnen des Obigen ”ganz” – ”Licht nullter Ordnung”)/2 berechnet wurde und bezeichnet die abgeschätzte Lichtintensität des modulierten Lichts.
Es ist aus der gleichen Figur ersichtlich, dass die Spitzenintensität des Laserlichts mit dem Spitzenstrom zunimmt. Zusätzlich ist von dem Punkt, an dem der Spitzenstrom 1.000 mA übersteigt, ersichtlich, dass die gesamte Spitzenintensität mit einer starken Steigung linear zunimmt.
37 zeigt ein Bild einer Zielstruktur und zeigt eine Fotografie einer Person. Zu diesem Zeitpunkt ist die Fotografie der Person im ersten Quadranten vorhanden. Im zweiten bis vierten Quadranten gibt es keine Strukturen.
38 zeigt eine Ansicht, die die Phasenverteilungsstruktur darstellt, die durch Extrahieren einer Phasenverteilung mittels zweidimensionaler Fourier-Transformation des Bildes aus 37 erhalten wird. 38 stellt die Verteilung von Phasen von 0 bis 2π gemäß der Farbschattierung dar. Der Teil mit schwarzer Farbe entspricht einer Phase von 0. In der vorliegenden Erfindung wird der Drehwinkel Φ der Öffnung entsprechend dieser Phase gemäß der Darstellung in 5 bestimmt.
In den Gitterpunkten des im Wesentlichen quadratischen Gitters sind in der Phasenmodulationsschicht 1400 × 1400 Öffnungen angeordnet. Bezüglich dem Gitterabstand (= a) des virtuelle festgelegten quadratischen Gitters beträgt der Abstand zwischen der Gitterpunktposition und dem Schwerpunnkt der Öffnung r = 0,06a und der Füllfaktor beträgt FF = 20%.
39 zeigt eine Fotografie, die eine Strahlstruktur eines Laserelements entsprechend 37 zeigt.
In diesem Beispiel wurde die Dimension der zweiten Elektrode E2 an der p-Seite in dem Laserelement auf 400 μm × 400 μm festgelegt. Dem Laserelement LD in 2 wurde ein Pulsstrom von 10 kHz, 50 ns und 4 A zugeführt, um das Laserelement zu betreiben. Im ersten Quadranten und dritten Quadranten treten das Bild der Person und ein Bild auf, das durch Invertieren dieses Bildes erhalten wurde.
40 zeigt eine Fotografie, die eine Beziehung zwischen einer Wellenlänge und einer Lichtintensität einer Strahlstruktur eines Laserelements entsprechend 37 darstellt.
Eine Intensitätsspitze des Laserlichts erscheint an einer Position, bei der eine Wellenlänge von 930 nm überschritten wird.
41 zeigt einen Graphen, der eine Beziehung zwischen einem Spitzenstrom (mA) und einer Laserlichtspitzenintensität (mW) eines Laserelements entsprechend 39 zeigt.
Daten, die in der gleichen Figur durch ”ganz” angezeigt werden, stellen ein Beispiel dar, in dem ein lichtaufnehmendes Energie-Messteil installiert wurde, so dass das gesamte ausgegebene Licht des Laserlichts umfasst wird, und es wurde das Laserlicht gemessen. Daten, die in der gleichen Figur durch ”Licht nullter Ordnung” bezeichnet sind, stellen ein Beispiel dar, in dem ein lichtaufnehmendes Energiemessteil installiert wurde, so dass lediglich das Licht nullter Ordnung am Mittelpunkt des Laserlichts umfasst wird, und es wurde das Laserlicht gemessen. Daten, die in der gleichen Figur durch ”jedes modulierte Licht (geschätzt)” bezeichnet sind, stellen einen Wert dar, der durch Berechnung des Obigen (”ganz” – ”Licht nullter Ordnung”)/2 erhalten wurde und bezeichnen die geschätzte Lichtintensität des modulierten Lichts.
Es ist aus der gleichen Figur ersichtlich, dass die Spitzenintensität des Laserlichts mit zunehmendem Spitzenstrom steigt. Zusätzlich ist von dem Punkt ersichtlich, an dem der Spitzenstrom 1.000 mA übersteigt, dass die gesamte Spitzenintensität mit einer großen Steigung linear ansteigt.
42 zeigt ein Bild einer Zielstruktur und zeigt eine Gitterstruktur. Zu diesem Zeitpunkt ist die Gitterstruktur im Mittelpunkt vorhanden. Die Gitterstruktur umfasst eine gerade Linie und dies zeigt eine Figur und kann eine Fotografie sein oder kann durch eine Computergrafik erzeugt werden (CG).
43 zeigt ein Diagramm, das eine Phasenverteilungsstruktur darstellt, die durch Extrahieren einer Phasenverteilung mittels zweidimensionaler Fourier-Transformation des Bildes aus 42 erhalten wird. 43 stellt die Verteilung von Phasen von 0 bis 2π entsprechend der Farbschattierung dar. Der Teil mit schwarzer Farbe stellt eine Phase von 0 dar. In der vorliegenden Erfindung ist der Drehwinkel Φ der Öffnung entsprechend dieser Phase gemäß der Darstellung in 5 bestimmt.
In den Gitterpunkten des im Wesentlichen quadratischen Gitters in der Phasenmodulationsschicht sind 1400 × 1400 Öffnungen angeordnet. Bezüglich dem Gitterabstand (= a) des virtuell festgelegten quadratischen Gitters beträgt der Abstand zwischen der Gitterpunktposition und dem Schwerpunkt der Öffnung r = 0,10a und der Füllfaktor beträgt FF = 20%.
44 zeigt eine Fotografie, die eine Strahlstruktur eines Laserelements entsprechend 42 darstellt.
In diesem Beispiel wurde die Dimension der zweiten Elektrode E2 an der p-Seite in dem Laserelement zu 400 μm × 400 μm festgelegt. Dem Laserelement LD aus 2 wurde zum Betrieb des Laserelements ein Pulsstrom von 10 kHz, 50 ns und 4 A zugeführt. Die Gitterstruktur erscheint im Mittelpunkt.
45 zeigt eine Fotografie, die eine Beziehung zwischen einer Wellenlänge und Lichtintensität einer Strahlstruktur eines Laserelements entsprechend 42 darstellt.
Eine Intensitätsspitze des Laserlichts erscheint an einer Position, die eine Wellenlänge von 930 nm übersteigt.
46 zeigt einen Graphen, der eine Beziehung zwischen einem Spitzenstrom (mA) und einer Laserlichtspitzenintensität (mW) eines Laserelements entsprechend 44 darstellt.
Daten, die in der gleichen Figur durch ”ganz” bezeichnet werden, stellen ein Beispiel dar, in dem ein lichtaufnehmendes Energie-Messteil installiert wurde, so dass das gesamte ausgegebene Licht des Laserlichts umfasst wird, und es wurde das Laserlicht gemessen.
Es ist aus der gleichen Figur ersichtlich, dass die Spitzenintensität des Laserlichts mit zunehmenden Spitzenstrom zunimmt. Zusätzlich ist ersichtlich, dass die gesamte Spitzenintensität mit einer großen Steigung von dem Punkt, an der Spitzenstrom 3.000 mA übersteigt, linear ansteigt.
47 zeigt ein Bild einer Zielstruktur und stellt eine Mehrpunktstruktur mit einer Mehrzahl von Punkten (Punkte) dar, die an Gitterpunktpositionen eines virtuellen quadratischen Gitters angeordnet sind. Es sind fünf Punkte vertikal und fünf Punkte horizontal gezeigt. Insbesondere sind insgesamt 25 Punkte dargestellt. In diesem Fall ist die Multipunktstruktur im Mittelpunkt vorhanden.
48 zeigt eine Ansicht, die eine Phasenverteilungsstruktur darstellt, die durch Extrahieren einer Phasenverteilung mittels zweidimensionaler Fourier-Transformation des Bildes aus 47 erhalten wird. 48 stellt die Verteilung von Phasen von 0 bis 2π entsprechend der Farbschattierung dar. Der Teil mit schwarzer Farbe stellt eine Phase von 0 dar. In der vorliegenden Erfindung wird der Drehwinkel Φ der Öffnung entsprechend dieser Phase gemäß der Darstellung in 5 bestimmt.
In den Gitterpunkten des im Wesentlichen quadratischen Gitters sind 1400 × 1400 Punkte in der Phasenmodulationsschicht angeordnet. Bezüglich dem Gitterabstand (= a) des virtuell festgelegten quadratischen Gitters beträgt der Abstand zwischen der Gitterpunktposition und dem Schwerpunkt der Öffnung r = 0,10a und der Füllfaktor beträgt FF = 20%.
49 zeigt eine Fotografie, die eine Strahlstruktur eines Laserelements entsprechend 47 darstellt.
In diesem Beispiel wurde die Dimension der zweiten Elektrode E2 auf der p-Seite in dem Laserelement zu 400 μm × 400 μm festgelegt. Dem Laserelement LD in 2 wurde zum Betrieb des Laserelements ein Pulsstrom von 10 kHz, 50 ns und 4 A zugeführt. Die Multipunktstruktur erscheint im Mittelpunkt.
50 zeigt eine Fotografie, die eine Beziehung zwischen einer Wellenlänge und Lichtintensität einer Strahlstruktur eines Laserelements entsprechend 47 darstellt.
Eine Intensitätsspitze des Laserlichts erscheint an einer Position, die eine Wellenlänge von 930 nm übersteigt.
51 zeigt einen Graphen, der eine Beziehung zwischen einem Spitzenstrom (mA) und einer Laserlichtspitzenintensität (mW) eines Laserelements entsprechend 49 darstellt.
Daten, die in der gleichen Figur durch ”ganz” bezeichnet sind, stellen ein Beispiel dar, in dem ein lichtaufnehmendes Energie-Messteil installiert wurde, so dass das ganze ausgegebene Licht des Laserlichts umfasst wird, und es wurde das Laserlicht gemessen.
Es ist aus der gleichen Figur ersichtlich, dass die Spitzenintensität des Laserlichts mit zunehmendem Spitzenstrom zunimmt. Zusätzlich ist ersichtlich, dass die gesamte Spitzenintensität von dem Punkt, an dem der Spitzenstrom 3.000 mA übersteigt, mit großer Steigung linear zunimmt.
Gemäß der obigen Beschreibung kann die Strahlstruktur, die durch lichtemittierende Halbleiterelement emittiert wird, wenigstens eines umfassen: einen Punkt, eine gerade Linie, ein Kreuz, eine Gitterstruktur, eine Figur, eine Fotografie, eine Computergrafik (CG) oder einen Buchstaben.
Bezugszeichenliste

6: Phasenmodulationsschicht
6A: Basisschicht
6B: Bereich mit unterschiedlichem Brechungsindex

Claims

Lichtemittierendes Halbleiterelement, umfassend: eine aktive Schicht; ein Paar von Deckschichten, zwischen denen die aktive Schicht angeordnet ist; und eine Phasenmodulationsschicht, die mit der aktiven Schicht optisch gekoppelt ist, wobei die Phasenmodulationsschicht umfasst: eine Basisschicht; und eine Mehrzahl von Bereichen mit unterschiedlichem Brechungsindex, die von der Basisschicht verschiedene Brechungsindizes aufweisen, wobei jeder der Bereiche mit unterschiedlichem Brechungsindex angeordnet ist, sodass eine Schwerpunktposition davon zu einer Gitterpunktposition in dem virtuellen quadratischen Gitter um einen Abstand r versetzt ist, und der Abstand r beträgt 0 < r ≤ 0,3a, wenn ein orthogonales XYZ-Koordinatensystem mit einer Dickenrichtung der Phasenmodulationsschicht als einer Z-Achsenrichtung festgelegt ist und ein quadratisches Gitter mit einer virtuellen Gitterkonstante a in einer XY-Ebene festgelegt ist.
Lichtemittierendes Halbleiterelement nach Anspruch 1, wobei in der Phasenmodulationsschicht alle Bereiche mit unterschiedlichem Brechungsindex in der XY-Ebene gleiche Figur, gleiche Fläche und/oder gleichen Abstand r, aufweisen wobei die Mehrzahl von Bereichen mit unterschiedlichem Brechungsindex einander durch eine Verschiebeoperation oder eine Verschiebeoperation und eine Drehoperation überlappen können.
Lichtemittierendes Halbleiterelement nach Anspruch 1 oder 2, wobei eine Gestalt von jedem Bereich mit unterschiedlichem Brechungsindex in der XY-Ebene eine Rotationssymmetrie aufweist.
Lichtemittierendes Halbleiterelement nach Anspruch 3, wobei die Gestalt von jedem Bereich mit unterschiedlichem Brechungsindex in der XY-Ebene einen perfekten Kreis, ein Quadrat, ein reguläres Hexagon, ein reguläres Oktagon oder ein reguläres Hexadekagon darstellt.
Lichtemittierendes Halbleiterelement nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Gestalt von jedem Bereich mit unterschiedlichem Brechungsindex in der XY-Ebene eine Spiegelbildsymmetrie aufweist.
Lichtemittierendes Halbleiterelement nach Anspruch 5, wobei die Gestalt von jedem Bereich mit unterschiedlichem Brechungsindex in der XY-Ebene ein Rechteck, eine Ellipse oder eine Gestalt darstellt, in der ein Teil von zwei Kreisen oder Ellipsen einander überlappen.
Lichtemittierendes Halbleiterelement nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Gestalt von jedem Bereich mit unterschiedlichem Brechungsindex in der XY-Ebene eine trapezförmige Gestalt, eine Gestalt, in der eine Dimension in einer Nebenachsenrichtung in der Nähe von einem Endabschnitt entlang einer Hauptachse einer Ellipse deformiert ist, so dass sie kleiner ist als eine Dimension in einer Nebenachsenrichtung in der Nähe eines anderen Endabschnitts, oder eine Gestalt, in der ein Endabschnitt entlang einer Hauptachse einer Ellipse zu einem spitzen Ende deformiert ist, das entlang einer Hauptachsenrichtung davon hervorsteht.
Lichtemittierendes Halbleiterelement nach Anspruch 1, wobei, wenn n einen effektiven Brechungsindex der Phasenmodulationsschicht darstellt, eine Wellenlänge λ₀ (= a × n), die durch die Phasenmodulationsschicht ausgewählt wird, in einen Emissionswellenlängenbereich der aktiven Schicht fällt.
Lichtemittierendes Halbleiterelement nach Anspruch 1, wobei, wenn n einen effektiven Brechungsindex der Phasenmodulationsschicht darstellt, eine Wellenlänge λ₀ (= 2^0,5 × a × n), die durch die Phasenmodulationsschicht ausgewählt wird, in einen Emissionswellenlängenbereich der aktiven Schicht fällt.
Lichtemittierendes Halbleiterelement entsprechend einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei eine Strahlstruktur, die von dem lichtemittierenden Halbleiterelement emittiert wird, wenigstens eines umfasst aus: Punkt, gerade Linie, Kreuz, Figur, Fotografie, Computergrafik (CG), Gittermuster, oder Buchstabe, eine komplexe Amplitude F(X, Y), die durch eine zweidimensionale Fourier-Transformation eines speziellen Bereichs der Strahlstruktur in der XY-Ebene erhalten wird, unter Verwendung einer Intensitätsverteilung I(X, Y) in der XY-Ebene und einer Phasenverteilung P(X, Y) in der XY-Ebene folgendermaßen ausgedrückt wird, wobei j eine imaginäre Einheit ist: F(X, Y) = I(X, Y) × exp{P(X, Y)j}, wobei in der Phasenmodulationsschicht, wenn φ einen Winkel darstellt, der durch eine X-Achse und eine Richtung von jedem Gitterpunkt des virtuellen quadratischen Gitters zum Mittelpunkt des entsprechenden Bereichs mit unterschiedlichem Brechungsindex gebildet wird, C eine Konstante ist, (x, y) eine Position eines virtuellen quadratischen Gitterpunkts an einer x-ten Position in einer X-Achsenrichtung und an einer y-ten Position in einer Y-Achsenrichtung darstellt und φ(x, y) einen Winkel an einer Position (x, y) darstellt, φ(x, y) = C × P(X, Y).