DE112017004497T5

DE112017004497T5 - Lichtemittierendes halbleiterelement und lichtemittierende vorrichtung mit diesem element

Info

Publication number: DE112017004497T5
Application number: DE112017004497.9T
Authority: DE
Inventors: Kazuyoshi Hirose; Yoshitaka Kurosaka; Takahiro Sugiyama; Yuu Takiguchi; Yoshiro Nomoto
Original assignee: Hamamatsu Photonics KK
Current assignee: Hamamatsu Photonics KK
Priority date: 2016-09-07
Filing date: 2017-08-31
Publication date: 2019-06-19
Also published as: CN109690890A; JP6747922B2; JP2018041832A; CN109690890B; WO2018047717A1

Abstract

Die vorliegende Ausführungsform bezieht sich auf ein lichtemittierendes Halbleiterelement mit einer Struktur, die die Entfernung von Licht nullter Ordnung aus dem Ausgangslicht eines S-iPM-Lasers ermöglicht. Das lichtemittierende Halbleiterelement umfasst eine aktive Schicht, ein Paar Hüllschichten und eine Phasenmodulationsschicht. Die Phasenmodulationsschicht weist eine Basisschicht und eine Vielzahl von modifizierten Brechungsindexbereichen auf, die jeweils einzeln an einer bestimmten Position angeordnet sind. Eine der beiden Hüllschichten umfasst eine verteilte Bragg-Reflektorschicht, die eine Transmissionscharakteristik in Bezug auf ein spezifisches optisches Bild aufweist, das entlang einer geneigten Richtung in Bezug auf eine Lichtemissionsoberfläche ausgegeben wird, und eine Reflexionscharakteristik in Bezug auf das Licht nullter Ordnung aufweist, das entlang einer Normalenrichtung der Lichtemissionsoberfläche abgegeben wird.

Description

Technischer Bereich
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein lichtemittierendes Halbleiterelement und eine lichtemittierende Vorrichtung, die dieses umfasst.
Hintergrund
Ein in Patentdokument 1 beschriebenes lichtemittierendes Halbleiterelement umfasst eine aktive Schicht, ein Paar Hüllschichten, die die aktive Schicht umschließen, und eine Phasenmodulationsschicht, die optisch mit der aktiven Schicht gekoppelt ist. Die Phasenmodulationsschicht weist eine Basisschicht und eine Vielzahl von modifizierten Brechungsindexbereichen auf, von denen jeder einen Brechungsindex aufweist, der sich von einem Brechungsindex der Basisschicht unterscheidet. Wenn auf der Phasenmodulationsschicht ein quadratisches Gitter eingestellt ist, ist jeder der modifizierten Brechungsindexbereiche (Hauptlöcher) so angeordnet, dass er mit einem Mittelpunkt (Gitterpunkt) eines entsprechenden Bereichs (mit quadratischer Form) im quadratischen Gitter übereinstimmt. Ein zusätzlicher modifizierter Brechungsindexbereich (Teil-Loch) ist um den modifizierten Brechungsindexbereich herum vorgesehen, und Licht mit einem vorbestimmten Strahlmuster kann emittiert werden.
Zitatliste
Patentliteratur
Patentdokument 1: PCT Internationale Anmeldung Veröffentlichung Nr. 2014/136962
Zusammenfassung der Erfindung
Technisches Problem
Durch die Untersuchung der konventionellen lichtemittierenden Halbleiterelemente haben die Erfinder die folgenden Probleme herausgefunden. Das heißt, es wurden Studien zu einem lichtemittierenden Halbleiterelement durchgeführt, das ein beliebiges optisches Bild ausgibt, indem es ein Phasenspektrum und ein Intensitätsspektrum von Licht aus einer Vielzahl von zweidimensional angeordneten lichtemittierenden Punkten steuert. Als eine von Strukturen eines solchen lichtemittierenden Halbleiterelements gibt es eine Struktur, in der eine untere Hüllschicht, eine aktive Schicht und eine obere Hüllschicht auf einem Halbleitersubstrat vorgesehen sind, und eine Phasenmodulationsschicht zwischen der unteren Hüllschicht und der aktiven Schicht oder zwischen der aktiven Schicht und der oberen Hüllschicht vorgesehen ist. Die Phasenmodulationsschicht besteht aus einer Basisschicht und einer Vielzahl von modifizierten Brechungsindexbereichen, von denen jeder einen anderen Brechungsindex als der der Basisschicht aufweist. Wenn ein virtuelles Quadratgitter in einer Ebene senkrecht zu einer Dickenrichtung der Phasenmodulationsschicht eingestellt wird, wird eine Schwerpunktposition des modifizierten Brechungsindexbereichs, der jedem von mehreren Quadratbereichen zugeordnet ist, die das Quadratgitter bilden, von einer Gitterpunktposition des Quadratbereichs verschoben, der gemäß einem optischen Bild, das erzeugt werden muss, zugeordnet ist. Ein solches lichtemittierendes Halbleiterelement wird als statischintegrierbarer phasenmodulierender (S-iPM) Laser bezeichnet und gibt einen Strahl aus, um ein optisches Bild mit einer zweidimensionalen beliebigen Form entlang einer Richtung senkrecht zu einer Hauptfläche des Halbleitersubstrats (Normalrichtung) und einer Richtung mit einem vorbestimmten Spreizwinkel in Bezug auf die Normalrichtung zu erzeugen.
Allerdings wird nicht nur Signallicht, das ein gewünschtes optisches Ausgangsbild ist, sondern auch Licht nullter Ordnung aus dem lichtemittierenden Halbleiterelement ausgegeben. Dieses Licht nullter Ordnung ist Licht, das in der Richtung senkrecht zur Hauptoberfläche des Halbleitersubstrats abgegeben wird (d.h. in einer Richtung senkrecht zur Lichtemission) und normalerweise nicht im S-iPM-Laser verwendet wird. Daher wird das Licht nullter Ordnung zum Rauschlicht zum Zeitpunkt des Erhaltens des gewünschten optischen Ausgangsbildes, und daher ist es wünschenswert, das Licht nullter Ordnung aus dem optischen Bild zu entfernen.
Die vorliegende Erfindung wurde gemacht, um das oben beschriebene Problem zu lösen, und ein Ziel davon ist es, ein lichtemittierendes Halbleiterelement mit einer Struktur bereitzustellen, die in der Lage ist, Licht nullter Ordnung aus dem Ausgangslicht eines S-iPM-Lasers zu entfernen, und eine lichtemittierende Vorrichtung, die dieses umfasst.
Lösung des Problems
Um das oben beschriebene Problem zu lösen, umfasst ein lichtemittierendes Halbleiterelement gemäß der vorliegenden Ausführungsform beispielsweise eine aktive Schicht, ein Paar von Hüllschichten, die aus ersten und zweiten Hüllschichten bestehen, und eine Phasenmodulationsschicht. Das lichtemittierende Halbleiterelement weist eine Lichtemissionsfläche und eine der Lichtemissionsfläche zugewandte Lichtreflexionsfläche auf und gibt ein optisches Bild beliebiger Form entlang einer Normalenrichtung der Lichtemissionsfläche und einer geneigten Richtung mit vorgegebener Neigung und Spreizwinkel gegenüber der Normalenrichtung aus. Die aktive Schicht ist zwischen der Lichtemissionsfläche und der Lichtreflexionsfläche angeordnet. Die erste Hüllschicht ist zwischen der Lichtemissionsoberfläche und der aktiven Schicht angeordnet. Die zweite Hüllschicht ist zwischen der Lichtreflexionsfläche und der aktiven Schicht angeordnet. Die Phasenmodulationsschicht ist zwischen der ersten Hüllschicht und der aktiven Schicht oder zwischen der zweiten Hüllschicht und der aktiven Schicht angeordnet. Darüber hinaus umfasst jede der ersten und zweiten Hüllschichten eine verteilte Bragg-Reflektorschicht, die eine Transmissionscharakteristik in Bezug auf das spezifische optische Bild aufweist, das entlang der geneigten Richtung ausgegeben wird, und eine Reflexionscharakteristik in Bezug auf Licht nullter Ordnung, das entlang der Normalenrichtung ausgegeben wird. Die Phasenmodulationsschicht weist eine Basisschicht und eine Vielzahl von modifizierten Brechungsindexbereichen auf, von denen jeder einen Brechungsindex aufweist, der sich von einem Brechungsindex der Basisschicht unterscheidet. Des Weiteren umfasst ein Verfahren zur Herstellung des lichtemittierenden Halbleiterelements und eine lichtemittierende Vorrichtung, die diese umfasst: einen ersten Schritt zum Bereitstellen einer unteren Hüllschicht (eine zweite Hüllschicht, die ein Paar Hüllschichten bildet) auf einem Substrat; einen zweiten Schritt zum Bereitstellen einer aktiven Schicht auf der zweiten Hüllschicht; einen dritten Schritt zum Bereitstellen einer oberen Hüllschicht (eine erste Hüllschicht, die ein Paar Hüllschichten bildet) auf der aktiven Schicht; und einen vierten Schritt zum Bereitstellen einer Phasenmodulationsschicht zwischen der unteren Hüllschicht und der aktiven Schicht oder zwischen der aktiven Schicht und der oberen Hüllschicht, wobei der vierte Schritt zwischen dem ersten Schritt und dem zweiten Schritt oder zwischen dem zweiten Schritt und dem dritten Schritt ausgeführt wird.
Insbesondere bei dem Verfahren zur Herstellung des lichtemittierenden Halbleiterelements gemäß der vorliegenden Ausführungsform und der diese umfassenden lichtemittierenden Vorrichtung ist die Phasenmodulationsschicht so konfiguriert, dass jeder der Vielzahl von modifizierten Brechungsindexbereichen individuell an einer bestimmten Position angeordnet ist. Konkret heißt das, dass ein virtuelles quadratisches Gitter, das aus M1 (einer ganzen Zahl von einem oder mehreren) × N1 (einer ganzen Zahl von einem oder mehreren) Einheitsbestandteilen R mit jeweils einer quadratischen Form besteht, auf einer X-Y-Ebene in einem orthogonalen XYZ-Koordinatensystem eingestellt ist, das durch eine Z-Achse definiert ist, die mit der Normalenrichtung übereinstimmt, und die X-Y-Ebene, die X- und Y-Achsen umfasst, die orthogonal zueinander und mit einer Oberfläche der Phasenmodulationsschicht übereinstimmen, die die Vielzahl von modifizierten Brechungsindexbereichen umfasst, die Phasenmodulationsschicht so konfiguriert ist, dass ein Schwerpunkt G1 des modifizierten Brechungsindexbereichs, der innerhalb eines Einheitsbestandteilbereichs R(x, y) angeordnet ist, von einem Gitterpunkt O(x, y) entfernt ist, der das Zentrum des Einheitsbestandteilbereichs R(x) ist, y) und ein Vektor in einer bestimmten Richtung auf den Schwerpunkt G1 vom Gitterpunkt O(x, y) im Einheitsbestandteilbereich R(x, y) auf der X-Y-Ebene gerichtet ist, die durch eine Koordinatenkomponente x (eine ganze Zahl zwischen eins und M1) in einer X-Achsenrichtung und eine Koordinatenkomponente y (eine ganze Zahl zwischen eins und N1) in einer Y-Achsenrichtung spezifiziert ist.
Vorteilhafte Effekte der Erfindung
Gemäß dem Verfahren zur Herstellung der lichtemittierenden Vorrichtung und des lichtemittierenden Halbleiterelements der vorliegenden Ausführungsform kann das Licht nullter Ordnung vom Ausgang des S-iPM-Lasers entfernt werden.
Figurenliste

1 ist eine perspektivische Ansicht, die eine Konfiguration eines Laserelements als Beispiel für ein lichtemittierendes Halbleiterelement gemäß der vorliegenden Ausführungsform darstellt.
2 ist eine Ansicht, die eine Modifikation in Bezug auf eine Anordnung einer Phasenmodulationsschicht veranschaulicht.
3 ist eine Draufsicht auf die Phasenmodulationsschicht.
4 ist eine Ansicht, die eine Positionsbeziehung von modifizierten Brechungsindexbereichen in der Phasenmodulationsschicht veranschaulicht.
5 ist eine Draufsicht, die ein Beispiel veranschaulicht, in dem eine im Wesentlichen periodische Brechungsindexstruktur von 3 nur innerhalb eines bestimmten Bereichs der Phasenmodulationsschicht angewendet wird.
6 ist eine Ansicht zum Beschreiben einer Beziehung zwischen einem optischen Bild, das durch Bilden eines Ausgangsstrahlmusters eines Laserelements erhalten wird, und einer Drehwinkelverteilung in der Phasenmodulationsschicht.
7A und 7B sind Ansichten zur Beschreibung von Punkten, die zu beachten sind, wenn die Drehwinkelverteilung aus einem Ergebnis der Fourier-Transformation des optischen Bildes erhalten wird und die Anordnung der modifizierten Brechungsindexbereiche bestimmt wird.
8A ist ein Bild eines Originalmusters, das drei spezifischen Konfigurationen der Phasenmodulationsschicht gemeinsam ist, 8B ist eine Intensitätsverteilung, die durch eine zweidimensionale Fouriertransformation der 8A extrahiert wird, und 8C ist eine Phasenverteilung, die durch eine zweidimensionale Fouriertransformation der 8A extrahiert wird.
9A ist ein Bild, das eine Anordnung von modifizierten Brechungsindexbereichen in einer Phasenmodulationsschicht einer ersten Konfiguration veranschaulicht, um die in 8C dargestellte Phasenverteilung zu realisieren, und 9B ist ein vorhergesagtes Strahlmuster, das durch Fourier-Transformation des gesamten modifizierten Brechungsindexbereichs erhalten wird.
10 ist ein Diagramm, das ein S/N-Verhältnis eines Ausgangsstrahlmusters gemäß einer Beziehung zwischen einem Füllfaktor und einem Abstand r(a) in der ersten Konfiguration der Phasenmodulationsschicht darstellt.
11 ist ein Diagramm, das eine Beziehung zwischen dem Abstand r(a) und dem S/N-Verhältnis in der ersten Konfiguration der Phasenmodulationsschicht veranschaulicht.
12A ist ein Bild, das eine Anordnung von modifizierten Brechungsindexbereichen in einer Phasenmodulationsschicht einer zweiten Konfiguration veranschaulicht, um die in 8C dargestellte Phasenverteilung zu realisieren, und 12B ist ein vorhergesagtes Strahlmuster, das durch Fourier-Transformation des gesamten modifizierten Brechungsindexbereichs erhalten wird.
13 ist ein Diagramm, das ein S/N-Verhältnis eines Ausgangsstrahlmusters gemäß einer Beziehung zwischen einem Füllfaktor und einem Abstand r(a) in der zweiten Konfiguration der Phasenmodulationsschicht darstellt.
14 ist ein Diagramm, das eine Beziehung zwischen dem Abstand r(a) und dem S/N-Verhältnis in der zweiten Konfiguration der Phasenmodulationsschicht veranschaulicht.
15A ist ein Bild, das eine Anordnung von modifizierten Brechungsindexbereichen in einer Phasenmodulationsschicht einer dritten Konfiguration darstellt, um die in 8C dargestellte Phasenverteilung zu realisieren. 15B ein vorhergesagtes Strahlmuster, erhalten durch Fourier-Transformation des gesamten modifizierten Brechungsindexbereichs.
16 ist ein Diagramm, das ein S/N-Verhältnis eines Ausgangsstrahlmusters gemäß einer Beziehung zwischen einem Füllfaktor und einem Abstand r(a) in der dritten Konfiguration der Phasenmodulationsschicht darstellt.
17 ist ein Diagramm, das eine Beziehung zwischen dem Abstand r(a) und dem S/N-Verhältnis in der dritten Konfiguration der Phasenmodulationsschicht veranschaulicht.
18 ist eine perspektivische Ansicht, die ein Beispiel für ein Strahlmuster (optisches Bild) veranschaulicht, das von einem Laserelement ausgegeben wird, wenn angenommen wird, dass es keine DBR-Schicht gibt.
Die 19A bis 19C sind Bilder, die Beispiele für ein Strahlmuster veranschaulichen, das vom Laserelement ausgegeben wird, wenn davon ausgegangen wird, dass es keine DBR-Schicht gibt.
20 ist eine Ansicht, die schematisch eine Querschnittsstruktur des Laserelements darstellt.
21 ist eine Ansicht, die eine spezifische Struktur der DBR-Schicht veranschaulicht.
22 ist eine Ansicht, die ein Strukturmodell in der Nähe der Phasenmodulationsschicht und der DBR-Schicht darstellt.
23 ist eine perspektivische Ansicht, die eine Konfiguration eines Laserelements gemäß einer ersten Modifikation veranschaulicht.
24 ist eine Ansicht, die eine Modifikation in Bezug auf eine Anordnung einer Phasenmodulationsschicht veranschaulicht.
25 ist eine Ansicht, die schematisch eine Querschnittsstruktur des Laserelements darstellt.
26 ist eine Draufsicht auf eine Phasenmodulationsschicht einer zweiten Modifikation.
27A bis 27C sind Draufsichten, die Beispiele für eine Form in der X-Y-Ebene des modifizierten Brechungsindexbereichs zeigen.
28A und 28B sind Draufsichten, die Beispiele für die Form in der X-Y-Ebene des modifizierten Brechungsindexbereichs zeigen.
29 ist eine Ansicht, die eine Konfiguration einer lichtemittierenden Vorrichtung mit einer Vielzahl von lichtemittierenden Halbleiterelementen als vierte Modifikation des lichtemittierenden Halbleiterelements gemäß der vorliegenden Ausführungsform darstellt.
30 ist eine Ansicht, die eine spezifische Stapelstruktur des Laserelements (ein Beispiel für das lichtemittierende Halbleiterelement gemäß der vorliegenden Ausführungsform) veranschaulicht, wie in 1 dargestellt.
31 ist ein Diagramm, das eine Änderung eines Reflexionsgrades gemäß einer Änderung eines Einfallswinkels in einer p-artigen GaAs/AIGaAs-Schicht von 30 darstellt.
32 ist ein Diagramm, das eine Brechungsindexverteilung und eine Verteilung des elektrischen Feldmodus eines Laserelements veranschaulicht, das zum Zeitpunkt des Bestimmens einer Struktur der p-Typ-GaAs/AIGaAs-Schicht, die die DBR-Schicht ist, verwendet wird.
33 ist eine Ansicht, die eine spezifische Stapelstruktur eines Laserelements gemäß einer ersten Modifikation veranschaulicht.
34 ist ein Diagramm, das eine Änderung eines Reflexionsgrades gemäß einer Änderung eines Einfallswinkels in einer n-Typ GaAs/AIGaAs-Schicht von 33 veranschaulicht.
35 ist ein Diagramm, das eine Brechungsindexverteilung und eine Verteilung des elektrischen Feldmodus eines Laserelements veranschaulicht, das zum Zeitpunkt des Bestimmens einer Struktur der n-Typ GaAs/AIGaAs-Schicht, die die DBR-Schicht ist, verwendet wird.
36 ist ein Diagramm zur Beschreibung der Koordinatentransformation von sphärischen Koordinaten (d1, θtilt, θrot) in Koordinaten (x, y, z) in einem orthogonalen Koordinatensystem XYZ.

Beschreibung der Ausführungsformen
[Beschreibung der Ausführungsformen der Erfindung der vorliegenden Anwendung]
Zunächst wird der Inhalt einer Ausführungsform der Erfindung der vorliegenden Anmeldung einzeln aufgeführt und beschrieben.
(1) Ein Aspekt eines lichtemittierenden Halbleiterelements gemäß der vorliegenden Ausführungsform umfasst eine aktive Schicht, ein Paar von Hüllschichten, die aus ersten und zweiten Hüllschichten bestehen, und eine Phasenmodulationsschicht, die eine Lichtemissionsoberfläche und eine Lichtreflexionsoberfläche aufweist, die der Lichtemissionsoberfläche zugewandt angeordnet sind, und ein optisches Bild beliebiger Form entlang einer Normalenrichtung der Lichtemissionsoberfläche und einer geneigten Richtung mit einer vorbestimmten Neigung und einem vorbestimmten Spreizwinkel in Bezug auf die Normalenrichtung ausgibt. Die aktive Schicht ist zwischen der Lichtemissionsfläche und der Lichtreflexionsfläche angeordnet. Die erste Hüllschicht ist zwischen der Lichtemissionsoberfläche und der aktiven Schicht angeordnet. Die zweite Hüllschicht ist zwischen der Lichtreflexionsfläche und der aktiven Schicht angeordnet. Die Phasenmodulationsschicht ist zwischen der ersten Hüllschicht und der aktiven Schicht oder zwischen der zweiten Hüllschicht und der aktiven Schicht angeordnet. Darüber hinaus umfasst jede der ersten und zweiten Hüllschichten eine verteilte Bragg-Reflektorschicht, die eine Transmissionscharakteristik in Bezug auf das spezifische optische Bild aufweist, das entlang der geneigten Richtung ausgegeben wird, und eine Reflexionscharakteristik in Bezug auf Licht nullter Ordnung, das entlang der Normalenrichtung ausgegeben wird. Die Phasenmodulationsschicht weist eine Basisschicht und eine Vielzahl von modifizierten Brechungsindexbereichen auf, von denen jeder einen Brechungsindex aufweist, der sich von einem Brechungsindex der Basisschicht unterscheidet. Des Weiteren umfasst ein Verfahren zur Herstellung des lichtemittierenden Halbleiterelements und eine lichtemittierende Vorrichtung, die diese umfasst: einen ersten Schritt zum Bereitstellen einer unteren Hüllschicht (eine zweite Hüllschicht, die ein Paar Hüllschichten bildet) auf einem Substrat; einen zweiten Schritt zum Bereitstellen einer aktiven Schicht auf der zweiten Hüllschicht; einen dritten Schritt zum Bereitstellen einer oberen Hüllschicht (eine erste Hüllschicht, die ein Paar Hüllschichten bildet) auf der aktiven Schicht; und einen vierten Schritt zum Bereitstellen einer Phasenmodulationsschicht zwischen der unteren Hüllschicht und der aktiven Schicht oder zwischen der aktiven Schicht und der oberen Hüllschicht, wobei der vierte Schritt zwischen dem ersten Schritt und dem zweiten Schritt oder zwischen dem zweiten Schritt und dem dritten Schritt ausgeführt wird.
Insbesondere bei dem Verfahren zur Herstellung des lichtemittierenden Halbleiterelements gemäß der vorliegenden Ausführungsform und der diese umfassenden lichtemittierenden Vorrichtung ist die Phasenmodulationsschicht so konfiguriert, dass jeder der Vielzahl von modifizierten Brechungsindexbereichen individuell an einer bestimmten Position angeordnet ist. Insbesondere wird als erste Voraussetzung ein virtuelles quadratisches Gitter, das aus M1 (einer ganzen Zahl von einem oder mehreren) × N1 (einer ganzen Zahl von einem oder mehreren) Einheitsbestandteilen R mit jeweils einer quadratischen Form besteht, auf eine X-Y-Ebene in einem orthogonalen XYZ-Koordinatensystem gesetzt, das durch eine Z-Achse definiert ist, die mit der Normalrichtung übereinstimmt, und die X-Y-Ebene mit X- und Y-Achsen, die orthogonal zueinander und mit einer Oberfläche der Phasenmodulationsschicht mit der Vielzahl der modifizierten Brechungsindexbereiche übereinstimmen. Zu diesem Zeitpunkt ist die Phasenmodulationsschicht so konfiguriert, dass ein Schwerpunkt G1 des modifizierten Brechungsindexbereichs, der innerhalb eines Einheitsbestandteilbereichs R(x, y) positioniert ist, von einem Gitterpunkt O(x, y) entfernt ist, der die Mitte des Einheitsbestandteilbereichs R(x, y) ist, und ein Vektor in einer bestimmten Richtung auf den Schwerpunkt G1 vom Gitterpunkt O(x, y) im Einheitsbestandteilbereich R(x, y) auf der X-Y-Ebene gerichtet ist, die durch eine Koordinatenkomponente x (eine ganze Zahl zwischen eins und M1) in einer X-Achsenrichtung und eine Koordinatenkomponente y (eine ganze Zahl zwischen eins und N1) in einer Y-Achsenrichtung spezifiziert ist.
(2) Als Aspekt der vorliegenden Ausführungsform ist es vorzuziehen, wenn die zweite Hüllschicht eine verteilte Bragg-Reflektorschicht umfasst, dass ein Abstand zwischen der verteilten Bragg-Reflektorschicht und der Phasenmodulationsschicht entsprechend eingestellt wird. Insbesondere ist der Abstand zwischen der verteilten Bragg-Reflektorschicht und der Phasenmodulationsschicht so eingestellt, dass sich eine Komponente des Lichts nullter Ordnung, das sich nach der Reflexion durch die verteilte Bragg-Reflektorschicht in Richtung Lichtemissionsoberfläche bewegt, und eine Komponente des Lichts nullter Ordnung, das sich direkt von der Phasenmodulationsschicht in Richtung Lichtemissionsoberfläche bewegt, gegenseitig schwächen.
(3) In dem lichtemittierenden Halbleiterelement mit der vorstehend beschriebenen Struktur umfasst die mit der aktiven Schicht optisch gekoppelte Phasenmodulationsschicht die Basisschicht und die Vielzahl der modifizierten Brechungsindexbereiche, von denen jeder in die Basisschicht eingebettet ist und einen vom Brechungsindex der Basisschicht verschiedenen Brechungsindex aufweist. Darüber hinaus ist in dem das virtuelle Quadratgitter bildenden Einheitsbestandteilbereich R(x, y) der Schwerpunkt G1 des entsprechenden modifizierten Brechungsindexbereichs so angeordnet, dass er vom Gitterpunkt O(x, y) entfernt ist. Des Weiteren wird die Richtung des Vektors vom Gitterpunkt O zum Schwerpunkt G1 für jeden der Einheitsbestandteile R individuell eingestellt. In einer solchen Konfiguration ändert sich eine Phase eines Strahls in Abhängigkeit von der Richtung des Vektors vom Gitterpunkt O zum Schwerpunkt G1 des entsprechenden modifizierten Brechungsindexbereichs, d.h. eine Winkelposition um einen Gitterpunkt des Schwerpunktes G1 des modifizierten Brechungsindexbereichs. Auf diese Weise ist es möglich, die Phase des aus jedem der modifizierten Brechungsindexbereiche ausgegebenen Strahls nur durch Ändern einer Position des Schwerpunktes des modifizierten Brechungsindexbereichs zu steuern und ein Strahlmuster (eine Strahlgruppe, die ein optisches Bild bildet) zu steuern, das als Ganzes in eine gewünschte Form gemäß der vorliegenden Ausführungsform geformt wird. Zu diesem Zeitpunkt kann der Gitterpunkt im virtuellen quadratischen Gitter außerhalb des modifizierten Brechungsindexbereichs und der Gitterpunkt innerhalb des modifizierten Brechungsindexbereichs positioniert werden.
Das heißt, das für die vorliegende Ausführungsform anwendbare lichtemittierende Halbleiterelement ist ein S-iPM-Laser und kann das optische Bild der beliebigen Form entlang der Normalrichtung der Lichtemissionsfläche und der Schrägrichtung mit der vorbestimmten Neigung und dem vorbestimmten Spreizwinkel gegenüber der Normalrichtung ausgeben (z.B. ein auf einer zweidimensionalen Ebene gebildetes Strahlmuster).
(4) Darüber hinaus ist die verteilte Bragg-Reflektorschicht eine Schicht mit der Transmissionscharakteristik in Bezug auf das spezifische optische Bild, das entlang der geneigten Richtung ausgegeben wird, und mit der Reflexionscharakteristik in Bezug auf das Licht nullter Ordnung, das entlang der Normalenrichtung der Lichtemissionsoberfläche ausgegeben wird, wie vorstehend beschrieben. In einer solchen Konfiguration, in der die verteilte Bragg-Schicht in der ersten Hüllschicht vorgesehen ist, d.h. die Konfiguration, in der die verteilte Bragg-Reflektorschicht zwischen einem Schichtbereich, der aus der aktiven Schicht und der Phasenmodulationsschicht besteht, und der Lichtemissionsoberfläche vorgesehen ist, durchläuft das spezifische optische Bild aus dem von der Phasenmodulationsschicht ausgegebenen Licht die verteilte Bragg-Reflektorschicht und erreicht leicht die Lichtemissionsoberfläche. Andererseits wird das Licht nullter Ordnung durch die verteilte Bragg-Reflektorschicht abgeschirmt und erreicht kaum die Lichtaustrittsfläche. Daher kann das Licht nullter Ordnung entsprechend dem lichtemittierenden Halbleiterelement der vorliegenden Ausführungsform angemessen aus dem Ausgang des lichtemittierenden Halbleiterelements entfernt werden.
Umgekehrt kann die verteilte Bragg-Schicht in der zweiten Hüllschicht vorgesehen sein. Das heißt, die verteilte Bragg-Schicht befindet sich zwischen einem Schichtbereich, der aus der aktiven Schicht und der Phasenmodulationsschicht und der Lichtreflexionsfläche besteht. In diesem Fall ist es wichtig, ein Intervall zwischen der verteilten Bragg-Reflektorschicht und der Phasenmodulationsschicht einzustellen. Insbesondere ist der Abstand zwischen der verteilten Bragg-Reflektorschicht und der Phasenmodulationsschicht so eingestellt, dass sich eine Komponente des Lichts nullter Ordnung, das sich nach der Reflexion durch die verteilte Bragg-Reflektorschicht in Richtung Lichtemissionsoberfläche bewegt, und eine Komponente des Lichts nullter Ordnung, das sich direkt von der Phasenmodulationsschicht in Richtung Lichtemissionsoberfläche bewegt, gegenseitig schwächen. Dadurch erreicht das spezifische optische Bild aus dem von der Phasenmodulationsschicht ausgegebenen Licht leicht die Lichtemissionsoberfläche. Andererseits schwächen sich die Lichtkomponenten nullter Ordnung gegenseitig durch die Interferenz zwischen einer von der Lichtreflexionsfläche reflektierten Komponente und einer von der Phasenmodulationsschicht reflektierten Komponente und erreichen kaum die Lichtemissionsoberfläche. Daher kann das Licht nullter Ordnung entsprechend dem lichtemittierenden Halbleiterelement der vorliegenden Ausführungsform angemessen aus dem Ausgang des lichtemittierenden Halbleiterelements entfernt werden.
(5) Als Aspekt der vorliegenden Ausführungsform, bei der eine Gitterkonstante des virtuellen quadratischen Gitters (die im Wesentlichen einem Gitterintervall entspricht) a ist, ist es vorzuziehen, dass ein Abstand r zwischen dem Schwerpunkt G1 des innerhalb des Einheitsbereichs R(x, y) angeordneten modifizierten Brechungsindexbereichs und dem Gitterpunkt O(x, y) 0 ≤ r ≤ 0,3a erfüllt. Darüber hinaus umfasst ein Originalbild (ein optisches Bild vor der zweidimensionalen inversen Fourier-Transformation), das durch das von der Lichtemissionsfläche des lichtemittierenden Halbleiterelements emittierte Strahlmuster dargestellt wird, vorzugsweise wenigstens einen von einem Punkt, einer Geraden, einem Kreuz, einer Linienzeichnung, einem Gittermuster, einer Fotografie, einem Streifenmuster, einer Computergrafik und beispielsweise einem Charakter.
(6) In einem Aspekt der vorliegenden Ausführungsform werden als zweite Voraussetzung zusätzlich zur ersten Voraussetzung die Koordinaten (x, y, z) im orthogonalen XYZ-Koordinatensystem angenommen, um eine Beziehung zu erfüllen, die durch die folgenden Formeln (1) bis (3) in Bezug auf sphärische Koordinaten (d1, θ_tilt , θ_rot )) definiert ist, die durch eine Radiuslänge d1, einen Neigungswinkel θ_tilt von der Z-Achse und einen Drehwinkel θ_rot von der X-Achse, der auf der X-Y-Ebene angegeben ist, wie in 36 dargestellt. 36 ist eine Ansicht zur Beschreibung der Koordinatentransformation von kugelförmigen Koordinaten (d1, θ_tilt , θ_rot ) zu Koordinaten (x, y, z) im orthogonalen Koordinatensystem XYZ, und ein entworfenes optisches Bild auf einer vorbestimmten Ebene, die im orthogonalen Koordinatensystem XYZ, dem realen Raum, festgelegt ist, wird durch die Koordinaten (x, y, z) ausgedrückt. Wenn das Strahlmuster, das dem vom lichtemittierenden Halbleiterelement ausgegebenen optischen Bild entspricht, ein Satz von hellen Punkten ist, die in Richtungen gerichtet sind, die durch die Winkel θ_tilt und θ_rot definiert sind, werden die Winkel θ_tilt und θ_rot in einen Koordinatenwert k_x umgewandelt, der eine normierte Wellenzahl ist, die durch die folgende Formel (4) definiert ist, auf einer K_x -Achse, die der X-Achse entspricht, und einen Koordinatenwert k_y , der eine normierte Wellenzahl ist, die durch die folgende Formel (5) definiert ist, auf einer K_y -Achse entspricht der Y-Achse und orthogonal zur K_x -Achse. Die normierte Wellenzahl bedeutet eine normierte Wellenzahl, wobei angenommen wird, dass eine Wellenzahl, die dem Gitterintervall des virtuellen Quadratgitters entspricht, 1,0 ist. Zu diesem Zeitpunkt wird in dem durch die K_x -Achse und die K_y -Achse definierten Wellenzahlraum ein spezifischer Wellenzahlraum einschließlich des dem optischen Bild entsprechenden Strahlmusters durch M2 (eine ganze Zahl von einem oder mehreren) x N2 (eine ganze Zahl von einem oder mehreren) Bildbereichen FR mit jeweils einer quadratischen Form gebildet. Im Übrigen muss die ganze Zahl M2 nicht mit der ganzen Zahl M1 übereinstimmen. Ebenso muss die ganze Zahl N2 nicht mit der ganzen Zahl N1 übereinstimmen. Darüber hinaus werden die Formeln (4) und (5) beispielsweise in Y. Kurosaka et al. offenbart: „Effects of non-lasing band in two-dimensional photonic-crystal lasers clarified using omnidirectional band structure", Opt. Express 20, 21773 -21783 (2012). $x = d 1 sin θ_{t i l t} cos θ_{rot}$
$y = d 1 sin θ_{t i l t} sin θ_{rot}$
$z = d 1 cos θ_{t i l t}$
$k_{x} = \frac{α}{λ} sin θ_{t i l t} cos θ_{r o t}$
$k_{y} = \frac{α}{λ} sin θ_{t i l t} sin θ_{r o t}$

a: Gitterkonstante des virtuellen quadratischen Gitters
λ: Schwingungswellenlänge des lichtemittierenden Halbleiterelements
Als dritte Voraussetzung wird im Wellenzahlraum eine komplexe Amplitude F(x, y), die durch eine zweidimensionale inverse Fouriertransformation jedes Bildbereichs FR(k_x, k_y) erhalten wird, spezifiziert durch die Koordinatenkomponente kx (eine ganze Zahl zwischen eins und M2) in der Kx-Achsenrichtung und die Koordinatenkomponente k_y (eine ganze Zahl zwischen eins und N2) in der Ky-axisrichtung zum Einheitsbestandteilbereich R(x, y) auf der X-Y-Ebene, die durch die Koordinatenkomponente x (eine ganze Zahl zwischen eins und M1) in der X-Achsenrichtung und die Koordinatenkomponente y (eine ganze Zahl zwischen eins und N1) in der Y-Achsenrichtung spezifiziert ist, durch die folgende Formel (6) mit j als imaginärer Einheit gegeben ist. Darüber hinaus ist diese komplexe Amplitude F(x, y) durch die folgende Formel (7) definiert, wobei ein Amplitudenterm A(x, y) und ein Phasenterm P(x, y) ist. Des Weiteren wird als vierte Voraussetzung der Einheitsbestandteilbereich R(x, y) durch eine s-Achse und eine t-Achse definiert, die parallel zur X-Achse bzw. der Y-Achse und orthogonal zueinander im Gitterpunkt O(x, y), der die Mitte des einheitenbildenden Bereichs R(x, y) ist. $F (x, y) = \sum_{k_{x} = 1}^{M 2} \sum_{k_{y} = 1}^{N 2} F R (k_{x}, k_{y}) exp [j 2 π (k_{x} x + k_{y} y)]$
$F (x, y) = A (x, y) \times exp [j P (x, y)]$
Unter den oben genannten ersten bis vierten Voraussetzungen ist die Phasenmodulationsschicht konfiguriert, um die folgenden ersten und zweiten Bedingungen zu erfüllen. Das heißt, die erste Bedingung ist, dass jeder entsprechende modifizierte Brechungsindexbereich aus der Vielzahl der modifizierten Brechungsindexbereiche in einem Zustand angeordnet ist, in dem der Schwerpunkt G1 vom Gitterpunkt O(x, y) innerhalb des Komponentenbereichs R(x, y) der Einheit entfernt ist. Darüber hinaus ist die zweite Bedingung, dass der entsprechende modifizierte Brechungsindexbereich innerhalb des Einheitsbestandteilbereichs R(x, y) so angeordnet ist, dass ein Winkel φ(x, y), der durch ein Liniensegment gebildet wird, das den Gitterpunkt O(x, y) und den Schwerpunkt G1 des entsprechenden modifizierten Brechungsindexbereichs verbindet und die s-Achse φ(x, y) = C × P(x, y) + B (hier ist C eine proportionale Konstante, z.B. 180°/π, und B ist eine beliebige Konstante, z.B. 0) in einem Zustand erfüllt, in dem eine Liniensegmentlänge r(x, y) vom Gitterpunkt O(x, y) zum Schwerpunkt G1 des entsprechenden modifizierten Brechungsindexbereichs auf einen gemeinsamen Wert in jedem der M1 × N1 Einheitsbestandteilebereiche R eingestellt ist.
In dem lichtemittierenden Halbleiterelement mit der vorstehend beschriebenen Struktur ist der Abstand r zwischen dem Mittelpunkt (Gitterpunkt) jedes das virtuelle Quadratgitter bildenden Einheitsbestandteils und dem Schwerpunkt G1 des entsprechenden modifizierten Brechungsindexbereichs vorzugsweise ein konstanter Wert über die gesamte Phasenmodulationsschicht in der Phasenmodulationsschicht. Dadurch, dass die Phasenverteilung (Verteilung des Phasenbegriffs P(x, y) in der komplexen Amplitude F(x, y), die dem Einheitsbestandteilbereich R(x, y) zugeordnet ist) in der gesamten Phasenmodulationsschicht gleichmäßig von Null auf 2π (rad) verteilt ist, stimmt der Schwerpunkt des modifizierten Brechungsindexbereichs im Mittel mit dem Gitterpunkt des Einheitsbestandteilbereichs R im Quadratgitter überein. Daher entspricht ein zweidimensional verteilter Bragg-Beugungseffekt in der obigen Phasenmodulationsschicht ungefähr einem zweidimensional verteilten Bragg-Beugungseffekt bei der Anordnung des modifizierten Brechungsindexbereichs auf jedem Gitterpunkt des Quadratgitters, so dass es leicht ist, eine stehende Welle zu bilden, und es ist möglich, eine Reduzierung des Schwellenstroms für die Oszillation zu erwarten.
(6) Eine lichtemittierende Vorrichtung gemäß der vorliegenden Ausführungsform kann als Aspekt eine Vielzahl von lichtemittierenden Halbleiterelementen umfassen, von denen jedes eine lichtemittierende Oberfläche und eine Treiberschaltung aufweist, die die Vielzahl von lichtemittierenden Halbleiterelementen einzeln steuert. Jedes der Vielzahl von lichtemittierenden Halbleiterelementen weist die obige Struktur als das lichtemittierende Halbleiterelement gemäß der vorliegenden Ausführungsform auf. Insbesondere weist jedes der Vielzahl von lichtemittierenden Halbleiterelementen die Lichtemissionsfläche und eine der Lichtemissionsfläche zugewandte Lichtreflexionsfläche auf und gibt ein optisches Bild beliebiger Form entlang einer Normalenrichtung der Lichtemissionsfläche und einer geneigten Richtung mit einer vorbestimmten Neigung und einem vorbestimmten Spreizwinkel in Bezug auf die Normalenrichtung aus. Des Weiteren umfasst jedes der Vielzahl von lichtemittierenden Halbleiterelementen eine aktive Schicht, ein Paar Hüllschichten, die die aktive Schicht umschließen, und eine Phasenmodulationsschicht, die zwischen der aktiven Schicht und einer der beiden Hüllschichten vorgesehen und optisch mit der aktiven Schicht gekoppelt ist. In jedem der Vielzahl von lichtemittierenden Halbleiterelementen besteht das Paar von Hüllschichten aus einer ersten Hüllschicht, die zwischen der aktiven Schicht und der Lichtemissionsoberfläche vorgesehen ist, und einer zweiten Hüllschicht, die zwischen der aktiven Schicht und der Lichtemissionsoberfläche vorgesehen ist. Die Phasenmodulationsschicht weist eine Basisschicht und eine Vielzahl von modifizierten Brechungsindexbereichen auf, von denen jeder einen Brechungsindex aufweist, der sich von einem Brechungsindex der Basisschicht unterscheidet. Darüber hinaus umfasst jede der ersten Hüllschicht und der zweiten Hüllschicht eine verteilte Bragg-Reflektorschicht, die eine Transmissionscharakteristik in Bezug auf das spezifische optische Bild aufweist, das entlang der geneigten Richtung ausgegeben wird, und eine Reflexionscharakteristik in Bezug auf Licht nullter Ordnung aufweist, das entlang der Normalenrichtung ausgegeben wird.
Des Weiteren ist die Phasenmodulationsschicht jedes der Vielzahl von lichtemittierenden Halbleiterelementen wie folgt konfiguriert. Das heißt, in jedem der Vielzahl von lichtemittierenden Halbleiterelementen wird ein virtuelles quadratisches Gitter, das aus M1 (einer ganzen Zahl von einem oder mehreren) × N1 (einer ganzen Zahl von einem oder mehreren) Einheitsbestandteilen R mit jeweils einer quadratischen Form besteht, auf eine X-Y-Ebene in einem orthogonalen XYZ-Koordinatensystem gesetzt, das durch eine Z-Achse definiert ist, die mit der Normalrichtung übereinstimmt, und die X-Y-Ebene mit X- und Y-Achsen, die orthogonal zueinander und mit einer Oberfläche der Phasenmodulationsschicht mit der Vielzahl von modifizierten Brechungsindexbereichen übereinstimmen. Zu diesem Zeitpunkt ist die Phasenmodulationsschicht so konfiguriert, dass ein Schwerpunkt G1 des modifizierten Brechungsindexbereichs, der innerhalb eines Einheitsbestandteilbereichs R(x, y) positioniert ist, von einem Gitterpunkt O(x, y) entfernt ist, der die Mitte des Einheitsbestandteilbereichs R(x, y) ist und ein Vektor in einer bestimmten Richtung auf den Schwerpunkt G1 vom Gitterpunkt O(x, y) im Einheitsbestandteilbereich R(x, y) auf der X-Y-Ebene gerichtet ist, die durch eine Koordinatenkomponente x (eine ganze Zahl zwischen eins und M1) in einer X-Achsenrichtung und eine Koordinatenkomponente y (eine ganze Zahl zwischen eins und N1) in einer Y-Achsenrichtung spezifiziert ist. Auf diese Weise umfasst die lichtemittierende Vorrichtung die Vielzahl von lichtemittierenden Halbleiterelementen, die einzeln angesteuert werden und aus jedem der lichtemittierenden Halbleiterelemente nur ein gewünschtes optisches Bild extrahieren können. Dementsprechend ist es möglich, eine Head-up-Anzeige oder dergleichen durch entsprechendes Ansteuern der benötigten Elemente zu einem Modul zu realisieren, in dem die einer Vielzahl von Mustern entsprechenden lichtemittierenden Halbleiterelemente im Voraus angeordnet sind.
(7) Als Aspekt der vorliegenden Ausführungsform umfasst jedes der Vielzahl von lichtemittierenden Halbleiterelementen vorzugsweise eines der lichtemittierenden Halbleiterelemente, das ein optisches Bild mit einem roten Wellenlängenbereich ausgibt, ein lichtemittierendes Halbleiterelement, das ein optisches Bild mit einem blauen Wellenlängenbereich ausgibt, und ein lichtemittierendes Halbleiterelement, das ein optisches Bild mit einem grünen Wellenlängenbereich ausgibt. In diesem Fall kann ein farbiges Head-up-Display o.ä. entsprechend realisiert werden.
Wie vorstehend beschrieben, kann jeder in [Beschreibung der Ausführungsform der Erfindung der vorliegenden Anmeldung] aufgeführte Aspekt auf jeden der verbleibenden Aspekte oder auf alle Kombinationen dieser verbleibenden Aspekte angewendet werden.
[Details der Ausführungsform der Erfindung der vorliegenden Anwendung] Im Folgenden werden spezifische Strukturen des lichtemittierenden Halbleiterelements und der lichtemittierenden Vorrichtung gemäß der vorliegenden Ausführungsform anhand der beigefügten Zeichnungen detailliert beschrieben. Im Übrigen ist die Erfindung nicht auf diese verschiedenen Beispiele beschränkt, sondern wird durch die Ansprüche veranschaulicht, und die Äquivalenz und jede Änderung im Rahmen der Ansprüche soll darin aufgenommen werden. Darüber hinaus werden dieselben Elemente in der Beschreibung der Zeichnungen mit den gleichen Referenzzeichen gekennzeichnet und redundante Beschreibungen weggelassen.
1 ist eine perspektivische Ansicht, die eine Konfiguration eines Laserelements 1A als Beispiel für das lichtemittierende Halbleiterelement gemäß der vorliegenden Ausführungsform darstellt. In 1 ist ein orthogonales XYZ-Koordinatensystem definiert, dessen Achse sich entlang einer Stapelrichtung (Dickenrichtung) von Schichten erstreckt, die das Laserelement 1A als Z-Achse bilden. Das Laserelement 1A weist eine Lichtreflexionsfläche 2a und eine Lichtemissionsfläche 2b auf, die in Z-Richtung einander zugewandt sind. Das orthogonale Koordinatensystem XYZ ist im Übrigen durch die Z-Achse und eine X-Y-Ebene definiert, die X- und Y-Achsen orthogonal zueinander umfasst und mit einer Oberfläche einer Phasenmodulationsschicht 15A mit modifizierten Brechungsindexbereichen 15b übereinstimmt, die eine Ebene orthogonal zur Z-Achse ist. Das Laserelement 1A ist ein S-iPM-Laser, der eine stehende Welle entlang der X-Y-Ebene bildet und eine phasengesteuerte ebene Welle in Richtung Z-Achse ausgibt. Wie später beschrieben, gibt das Laserelement 1A ein zweidimensionales optisches Bild einer beliebigen Form entlang einer geneigten Richtung mit vorgegebener Neigung und Spreizwinkel in Bezug auf eine Richtung senkrecht zur Lichtemissionsfläche 2b (d.h. die Richtung der Z-Achse) aus.
Das Laserelement 1A umfasst eine aktive Schicht 12, die auf einem Halbleitersubstrat 10 vorgesehen ist, ein Paar Hüllschichten 11 und 13, die auf dem Halbleitersubstrat 10 vorgesehen sind, um die aktive Schicht 12 zu stapeln („to sandwich“), und eine Kontaktschicht 14, die auf einem zentralen Bereich der Hüllschicht 13 vorgesehen ist. Das Halbleitersubstrat 10, die aktive Schicht 12, die Hüllschichten 11 und 13 und die Kontaktschicht 14 bestehen aus einem Verbindungshalbleiter, beispielsweise einem GaAsbasierten Halbleiter, einem InP-basierten Halbleiter oder einem nitridbasierten Halbleiter. Eine Energiebandlücke der Hüllschicht 11 und eine Energiebandlücke der Hüllschicht 13 sind größer als eine Energiebandlücke der aktiven Schicht 12. Eine Dickenrichtung (Stapelrichtung) des Halbleitersubstrats 10, der aktiven Schicht 12, der Hüllschichten 11 und 13 und der Kontaktschicht 14 stimmt mit der Z-Achsenrichtung überein.
Das Laserelement 1A umfasst des Weiteren die Phasenmodulationsschicht 15A. In der vorliegenden Ausführungsform ist die Phasenmodulationsschicht 15A zwischen der aktiven Schicht 12 und der Hüllschicht 13 vorgesehen. Mit einem Schichtbereich, der aus der aktiven Schicht 12 und der Phasenmodulationsschicht 15A als Referenz besteht, wird daher die Hüllschicht (erste Hüllschicht) 11 zwischen dem Schichtbereich und der Lichtemissionsoberfläche 2b positioniert, und die Hüllschicht (zweite Hüllschicht) 13 wird am Beispiel von 1 zwischen einem Schichtbereich und der Lichtemissionsfläche 2a positioniert. Im Übrigen kann eine Lichtleitschicht wenigstens zwischen der aktiven Schicht 12 und/oder der Hüllschicht 13 und gegebenenfalls zwischen der aktiven Schicht 12 und/oder der Hüllschicht 11 vorgesehen sein. Wenn die Lichtleitschicht zwischen der aktiven Schicht 12 und der Hüllschicht 13 vorgesehen ist, ist die Phasenmodulationsschicht 15A zwischen der Hüllschicht 13 und der Lichtleitschicht vorgesehen. Die Dickenrichtung der Phasenmodulationsschicht 15A stimmt mit der Z-Achsenrichtung überein.
Wie in 2 dargestellt, kann die Phasenmodulationsschicht 15A zwischen der Hüllschicht 11 und der aktiven Schicht 12 vorgesehen sein. Des Weiteren, wenn die Lichtleitschicht zwischen der aktiven Schicht 12 und der Hüllschicht 11 vorgesehen ist, wird die Phasenmodulationsschicht 15A zwischen der Hüllschicht 11 und der Lichtleitschicht vorgesehen. Auch im Beispiel von 2, mit einem Schichtbereich, der aus der aktiven Schicht 12 und der Phasenmodulationsschicht 15A als Referenz besteht, ist die Hüllschicht (erste Hüllschicht) 11 zwischen dem Schichtbereich und der Lichtemissionsfläche 2b positioniert, und die Hüllschicht (zweite Hüllschicht) 13 ist zwischen einem Schichtmengenbereich und der Lichtemissionsfläche 2a positioniert.
Die Phasenmodulationsschicht 15A besteht aus einer Basisschicht 15a, die aus einem ersten Brechungsindexmedium und der Vielzahl der modifizierten Brechungsindexbereiche 15b besteht aus einem zweiten Brechungsindexmedium mit einem Brechungsindex, der sich von dem des ersten Brechungsindexmediums unterscheidet und innerhalb der Basisschicht 15a existiert. Die Vielzahl der modifizierten Brechungsindexbereiche 15b umfasst eine Struktur, in der eine Position eines Schwerpunktes von einer im Wesentlichen periodischen Struktur verschoben ist. Wenn ein effektiver Brechungsindex der Phasenmodulationsschicht 15A gleich n ist, wird eine Wellenlänge λ₀ (= a × n, a ist ein Gitterintervall), ausgewählt durch die Phasenmodulationsschicht 15A, innerhalb eines Emissionswellenlängenbereichs der aktiven Schicht 12 eingeschlossen. Die Phasenmodulationsschicht (Beugungsgitterschicht) 15A kann die Wellenlänge λ₀ aus der Emissionswellenlänge der aktiven Schicht 12 auswählen und Licht der gewählten Wellenlänge nach außen ausgeben. Das in die Phasenmodulationsschicht 15A einfallende Laserlicht bildet einen vorbestimmten Modus, der der Anordnung der modifizierten Brechungsindexbereiche 15b in der Phasenmodulationsschicht 15A entspricht, und wird von der Oberfläche (Lichtemissionsfläche 2b) des Laserelementes 1A als Laserstrahl mit einem gewünschten Muster nach außen abgegeben.
Das Laserelement 1A umfasst des Weiteren eine Elektrode 16, die auf der Kontaktschicht 14 vorgesehen ist, und eine Elektrode 17, die auf einer Rückfläche des Halbleitersubstrats 10 vorgesehen ist. Die Elektrode 16 steht in ohmschem Kontakt mit der Kontaktschicht 14 und die Elektrode 17 in ohmschem Kontakt mit dem Halbleitersubstrat 10. Des Weiteren weist die Elektrode 17 eine rechteckige Öffnung 17a auf. Ein Teil der Rückfläche des Halbleitersubstrats 10, der von der Elektrode 17 verschieden ist (einschließlich der Innenseite der Öffnung 17a), ist mit einem Antireflexionsfilm 19 bedeckt. Die Elektrode 16 besteht beispielsweise aus Ti/Au, Ti/Pt/Au oder Cr/Au. Die Elektrode 17 besteht beispielsweise aus AuGe/Au.
Wenn ein Antriebsstrom zwischen der Elektrode 16 und der Elektrode 17 zugeführt wird, erfolgt in der aktiven Schicht 12 (Lichtemission) eine Entkopplung zwischen Elektronen und Löchern. Die Elektronen und Löcher, die zur Lichtemission und zum erzeugten Licht beitragen, werden effizient zwischen der unteren Hüllschicht 11 und der oberen Hüllschicht 13 begrenzt. Das von der aktiven Schicht 12 emittierte Laserlicht tritt in das Innere der Phasenmodulationsschicht 15A ein und wiederholt Streuung und Beugung, um den vorbestimmten Modus zu bilden, der einer Gitterstruktur innerhalb der Phasenmodulationsschicht 15A entspricht. Ein Teil des in der Phasenmodulationsschicht 15A gebeugten Laserlichts wird von der Elektrode 16 reflektiert und von der Rückseite des Halbleitersubstrats 10 durch die Öffnung 17a nach außen abgegeben. Der Rest des Laserlichts, das in die Phasenmodulationsschicht 15A eingetreten ist, gelangt direkt auf die Rückseite des Halbleitersubstrats 10 und wird von der Rückseite durch die Öffnung 17a nach außen abgegeben. Zu diesem Zeitpunkt wird das im Laserlicht enthaltene Licht nullter Ordnung entlang der Z-Achse emittiert (Normalrichtung der Lichtemissionsfläche 2b). Andererseits wird das im Laserlicht enthaltene Signallicht entlang der Z-Achsenrichtung (Normalrichtung) emittiert und die Richtung mit dem vorgegebenen Spreizwinkel gegenüber der Normalrichtung. Das Signallicht bildet das gewünschte optische Bild (spezifisches optisches Bild), und das Licht nullter Ordnung wird in der vorliegenden Ausführungsform nicht verwendet.
Als Beispiel ist das Halbleitersubstrat 10 ein GaAs-Substrat, und jede der Hüllschichten 11, die aktive Schicht 12, die Phasenmodulationsschicht 15A, die Hüllschicht 13 und die Kontaktschicht 14 ist eine Verbindungshalbleiterschicht, die aus Elementen besteht, die in der Gruppe bestehend aus Ga, AI und In des Elements Gruppe III und As des Elements Gruppe V enthalten sind. Als spezifisches Beispiel ist die Hüllschicht 11 eine AlGaAs-Schicht, die aktive Schicht 12 weist eine multiple Quantenwallstruktur auf (Barriereschicht: AIGaAs/Wellschicht: InGaAs), die Grundschicht 15a der Phasenmodulationsschicht 15A ist GaAs, der modifizierte Brechungsindexbereich 15b ist ein Loch, die Hüllschicht 13 ist eine AlGaAs-Schicht, und die Kontaktschicht 14 ist eine GaAs-Schicht.
In AlGaAs können eine Energiebandlücke und ein Brechungsindex leicht geändert werden, indem ein Zusammensetzungsverhältnis von AI geändert wird. In AlXGa₁-_xAs, wo ein Zusammensetzungsverhältnis X von AI mit einem relativ kleinen Atomradius verringert (erhöht) wird, nimmt die Energiebandlücke mit einer positiven Korrelation mit dem Zusammensetzungsverhältnis ab (erhöht). Darüber hinaus, wenn In mit einem großen Atomradius mit GaAs gemischt wird, um InGaAs zu bilden, verringert sich die Energiebandlücke. Das heißt, das Al-Zusammensetzungsverhältnis der Hüllschichten 11 oder 13 ist größer als das Al-Zusammensetzungsverhältnis der Barriereschicht (AIGaAs) der aktiven Schicht 12. Das Al-Zusammensetzungsverhältnis der Hüllschicht 11 ist beispielsweise auf 0,2 bis 1,0 eingestellt und beträgt in einem Beispiel 0,4. Das Al-Zusammensetzungsverhältnis der Hüllschicht 13 ist gleich oder höher eingestellt als die Al-Zusammensetzung der Hüllschicht 11 und ist beispielsweise auf 0,2 bis 1,0 eingestellt und beträgt in einem Beispiel 0,7. Das Al-Zusammensetzungsverhältnis der Barriereschicht der aktiven Schicht 12 ist so eingestellt, dass es niedriger ist als die AI-Zusammensetzung der Hüllschicht, und ist beispielsweise auf 0,1 bis 0,4 eingestellt und beträgt in einem Beispiel 0,15.
Darüber hinaus ist das Halbleitersubstrat 10 als weiteres Beispiel ein InP-Substrat, und jede der Hüllschicht 11, die aktive Schicht 12, die Phasenmodulationsschicht 15A, die Hüllschicht 13 und die Kontaktschicht 14 ist unter Verwendung eines Verbindungshalbleiters konfiguriert, der nicht nur aus einem Element besteht, das in der Gruppe bestehend aus Ga, AI und In des Elements der Gruppe III und Ab dem Element der Gruppe V enthalten ist, zum Beispiel ein Verbindungshalbleiter auf InP-Basis. Konkret ist die Hüllschicht 11 eine InP-Schicht, die aktive Schicht 12 weist eine mehrfache Quantentopfstruktur auf (eine Barriereschicht: GalnAsP/eine Topfschicht: GaInAsP), die Grundschicht 15a der Phasenmodulationsschicht 15A ist GaInAsP, der modifizierte Brechungsindexbereich 15b ist ein Loch, die Hüllschicht 13 ist eine InP-Schicht, und die Kontaktschicht 14 ist eine GaInAsP-Schicht.
Als noch ein weiteres Beispiel ist das Halbleitersubstrat 10 ein GaN-Substrat, und jede der Hüllschichten 11, die aktive Schicht 12, die Phasenmodulationsschicht 15A, die Hüllschicht 13 und die Kontaktschicht 14 ist eine Verbindungshalbleiterschicht, die nicht nur aus einem Element besteht, das in der Gruppe bestehend aus Ga, AI und In des Elements der Gruppe III und Ab dem Element der Gruppe V enthalten ist, zum Beispiel ein Verbindungshalbleiter auf Nitridbasis. Als spezifisches Beispiel ist die Hüllschicht 11 eine AlGaN-Schicht, die aktive Schicht 12 weist eine multiple Quanten-Wellstruktur auf (eine Barriereschicht: InGaN/eine Wellschicht: InGaN), die Grundschicht 15a der Phasenmodulationsschicht 15A ist GaN, der modifizierte Brechungsindexbereich 15b ist ein Loch, die Hüllschicht 13 ist eine AlGaN-Schicht, und die Kontaktschicht 14 ist eine GaN-Schicht.
Im Übrigen wird der Hüllschicht 11 ein Leitfähigkeitstyp, der dem des Halbleitersubstrats 10 entspricht, und der Hüllschicht 13 und der Kontaktschicht 14 ein Leitfähigkeitstyp, der dem des Halbleitersubstrats 10 entgegengesetzt ist, gegeben. In einem Beispiel sind das Halbleitersubstrat 10 und die Hüllschicht 11 n-artig und die Hüllschicht 13 und die Kontaktschicht 14 p-artig. Eine Verunreinigungskonzentration ist im Übrigen z.B. 1 × 10¹⁷ bis 1 × 10²¹/cm³. Die Phasenmodulationsschicht 15A und die aktive Schicht 12 sind intrinsisch (i-Typ), die nicht absichtlich mit einer Verunreinigung dotiert sind, und eine Verunreinigungskonzentration davon ist 1 × 10¹⁵/cm³ oder weniger.
Eine Dicke des Substrats 10 beträgt 100 bis 600 (µm) und in einem Beispiel 150 (µm). Eine Dicke der Hüllschicht 11 beträgt 1 bis 3 (µm) und in einem Beispiel 2 (µm). Eine Dicke der aktiven Schicht 12 beträgt 160 bis 720 (nm) und in einem Beispiel 225 (nm). Eine Dicke der Phasenmodulationsschicht 15A beträgt 100 bis 300 (nm) und in einem Beispiel 250 (nm). Eine Dicke der Hüllschicht 13 beträgt 1 bis 3 (µm) und in einem Beispiel 2 (µm). Eine Dicke der Kontaktschicht 14 beträgt 50 bis 190 (nm) und in einem Beispiel 100 (nm).
Obwohl der modifizierte Brechungsindexbereich 15b ein Loch in der obigen Struktur ist, kann der modifizierte Brechungsindexbereich 15b durch Einbetten eines Halbleiters mit einem modifizierten Brechungsindex gebildet werden, der sich von der Basisschicht 15a in dem Loch unterscheidet. In einem solchen Fall kann beispielsweise das Loch der Basisschicht 15a durch Ätzen gebildet werden. Der Halbleiter kann mit einem metallorganischen chemischen Dampfabscheideverfahren, einem Sputterverfahren oder einem epitaktischen Verfahren in das Loch eingebettet werden. Wenn beispielsweise die Basisschicht 15a aus GaAs besteht, kann der modifizierte Brechungsindexbereich 15b aus AlGaAs bestehen. Darüber hinaus kann der modifizierte Brechungsindexbereich 15b durch Einbetten des Halbleiters in das Loch der Basisschicht 15a gebildet werden, und dann kann der gleiche Halbleiter wie der modifizierte Brechungsindexbereich 15b weiter darauf abgeschieden werden. Wenn der modifizierte Brechungsindexbereich 15b das Loch ist, kann das Loch im Übrigen mit einem Inertgas wie Argon, Stickstoff und Wasserstoff oder Luft gefüllt werden.
Der Antireflexionsfilm 19 besteht aus einem dielektrischen einschichtigen Film wie Siliziumnitrid (z.B. SiN) und Siliziumoxid (z.B. SiO₂) oder einem dielektrischen Mehrschichtfilm. So ist es beispielsweise möglich, eine Schicht aufzubringen, die durch das Stapeln von zwei oder mehr Arten von dielektrischen Schichten erhalten wird, die aus einer dielektrischen Schichtgruppe ausgewählt sind, die aus Titanoxid (TiO₂), Siliziumdioxid (SiO₂), Siliziummonoxid (SiO) besteht, Nioboxid (Nb₂O₅), Tantalpentoxid (Ta₂O₅), Magnesiumfluorid (MgF₂), Titanoxid (TiO₂), Aluminiumoxid (AL₂O₃), Ceroxid (CeO₂), Indiumoxid (In₂O₃), Zirkonoxid (ZrO₂) und dergleichen als dielektrischer Mehrschichtfilm. So wird beispielsweise eine Folie mit einer Dicke von λ/4 als optische Filmdicke für Licht einer Wellenlänge λ gestapelt.
Im Übrigen ist es auch möglich, eine Elektrodenform zu verformen und Laserlicht von einer Oberfläche der Kontaktschicht 14 abzugeben. Das heißt, wenn die Öffnung 17a der Elektrode 17 nicht vorgesehen ist und die Elektrode 16 auf der Oberfläche der Kontaktschicht 14 offen ist, wird der Laserstrahl von der Oberfläche der Kontaktschicht 14 nach außen abgegeben. In diesem Fall dient die Oberfläche der Kontaktschicht 14 als Lichtemissionsfläche und die Rückseite des Halbleitersubstrats 10 als Lichtreflexionsfläche. Der Antireflexionsfilm ist innerhalb und um die Öffnung der Elektrode 16 angeordnet.
3 ist eine Draufsicht auf die Phasenmodulationsschicht 15A. Die Phasenmodulationsschicht 15A umfasst die Grundschicht 15a, die aus dem ersten Brechungsindexmedium und der Vielzahl der modifizierten Brechungsindexbereiche 15b, die aus dem zweiten Brechungsindexmedium mit dem von dem des ersten Brechungsindexmediums verschiedenen Brechungsindex bestehen, besteht. Hier wird in der Phasenmodulationsschicht 15A ein virtuelles Quadratgitter in der X-Y-Ebene eingestellt. Eine Seite des quadratischen Gitters ist parallel zur X-Achse und die andere Seite ist parallel zur Y-Achse. Zu diesem Zeitpunkt können die Einheitsbestandteilbereiche R, die jeweils eine quadratische Form mit einem Gitterpunkt O des quadratischen Gitters als Mittelpunkt aufweisen, zweidimensional über eine Vielzahl von Spalten entlang der X-Achse und eine Vielzahl von Zeilen entlang der Y-Achse eingestellt werden. Eine Vielzahl von modifizierten Brechungsindexbereichen 15b ist nacheinander in jedem der Einheitsbestandteilbereiche R vorgesehen. Eine planare Form des modifizierten Brechungsindexbereichs 15b ist beispielsweise eine kreisförmige Form. In jedem der Einheitsbestandteile R ist ein Schwerpunkt G1 des modifizierten Brechungsindexbereichs 15b von einem Gitterpunkt O entfernt, der dem Schwerpunkt G1 am nächsten liegt. Insbesondere ist die X-Y-Ebene eine Ebene orthogonal zur Dickenrichtung (Z-Achse) des in 1 und 2 dargestellten Laserelements 1A und fällt mit einer Oberfläche der Phasenmodulationsschicht 15A einschließlich des modifizierten Brechungsindexbereichs 15b zusammen. Jeder der das quadratische Gitter bildenden Einheitsbestandteilbereiche R wird durch eine Koordinatenkomponente x (eine ganze Zahl von einem oder mehreren) in einer X-Achsenrichtung und eine Koordinatenkomponente y (eine ganze Zahl von einem oder mehreren) in einer Y-Achsenrichtung spezifiziert und als Einheitsbestandteilbereich R(x, y) ausgedrückt. Zu diesem Zeitpunkt wird das Zentrum der Einheitsbestandteilregion R(x, y), d.h. ein Gitterpunkt, durch O(x, y) dargestellt. Im Übrigen kann der Gitterpunkt O außerhalb des modifizierten Brechungsindexbereichs 15b positioniert oder in den modifizierten Brechungsindexbereich 15b einbezogen werden.
Für den Fall, dass der modifizierte Brechungsindexbereich 15b kreisförmig ist, ist der Bereich S = π(D/2)², wobei D ein Durchmesser davon ist. Ein Verhältnis der Fläche S des modifizierten Brechungsindexbereichs 15b, der innerhalb eines Einheitsbestandteilbereichs R liegt, ist definiert als ein Füllfaktor (FF). Die Fläche eines Einheitsbestandteilbereichs R ist gleich der Fläche innerhalb eines Einheitsgitters des virtuellen quadratischen Gitters.
Wie in 4 dargestellt, ist der das quadratische Gitter bildende Einheitsbestandteilbereich R(x, y) durch eine s-Achse und eine t-Achse orthogonal zueinander am Gitterpunkt O(x, y) definiert. Im Übrigen ist die s-Achse eine Achse parallel zur X-Achse und die t-Achse eine Achse parallel zur Y-Achse. Auf diese Weise wird ein Winkel, der zwischen einer Richtung vom Gitterpunkt O(x, y) zum Schwerpunkt G1 und der s-Achse gebildet wird, als φ(x, y) in der s-t-Ebene angegeben, die den Einheitsbestandteilbereich R(x, y) definiert. Wenn der Drehwinkel φ(x, y) gleich 0° beträgt, stimmt eine Richtung eines Vektors, der den Gitterpunkt O(x, y) und den Schwerpunkt G1 verbindet, mit einer positiven Richtung der s-Achse überein. Zusätzlich wird eine Länge des Vektors, der den Gitterpunkt O(x, y) und den Schwerpunkt G1 verbindet, als r(x, y) angegeben. Als Beispiel ist r(x, y) konstant (über die gesamte Phasenmodulationsschicht 15A) im gesamten Komponentenbereich der Einheit.
Wie in 3 dargestellt, wird in der Phasenmodulationsschicht 15A der Drehwinkel φ(x, y) um den Gitterpunkt O(x, y) des Schwerpunktes G1 des modifizierten Brechungsindexbereichs 15b unabhängig für jeden der Einheitsbestandteile R gemäß einem gewünschten optischen Bild eingestellt. Der Drehwinkel φ(x, y) hat einen bestimmten Wert im Komponentenbereich R(x, y), wird aber nicht unbedingt durch eine bestimmte Funktion ausgedrückt. Das heißt, der Drehwinkel φ(x, y) wird basierend auf einem Phasen-Term einer komplexen Amplitude bestimmt, der durch Umwandeln des gewünschten optischen Bildes in einen Wellenzahlraum und Durchführen einer zweidimensionalen inversen Fourier-Transformation eines konstanten Wellenzahl-Bereichs des Wellenzahlraums erhalten wird. Die Reproduzierbarkeit des Strahlmusters wird im Übrigen durch die Anwendung eines iterativen Algorithmus wie dem Gerchberg-Saxton (GS)-Verfahren verbessert, das in der Regel bei der Berechnung der Hologrammerzeugung zum Zeitpunkt des Erhaltens einer komplexen Amplitudenverteilung (komplexe Amplitude jedes der Einheitsbestandteile R) aus dem gewünschten optischen Bild verwendet wird.
5 ist eine Draufsicht, die ein Beispiel veranschaulicht, in dem eine im Wesentlichen periodische Brechungsindexstruktur von 3 nur innerhalb eines bestimmten Bereichs der Phasenmodulationsschicht angewendet wird. In dem in 5 dargestellten Beispiel wird innerhalb eines quadratischen Innenbereichs RIN eine im Wesentlichen periodische Struktur (z.B. die Struktur von 3) gebildet, die zum Ausstrahlen eines Zielstrahlmusters konfiguriert ist. Andererseits ist ein perfekt kreisförmig modifizierter Brechungsindexbereich, dessen Schwerpunktposition mit einer Gitterpunktposition des quadratischen Gitters übereinstimmt, in einem Außenbereich ROUT um den Innenbereich RIN angeordnet. So wird beispielsweise der Füllfaktor FF im Außenbereich ROUT auf 12% gesetzt. Darüber hinaus ist ein Gitterintervall des quadratischen Gitters, das virtuell eingestellt ist, sowohl innerhalb des inneren Bereichs RIN als auch innerhalb des äußeren Bereichs ROUT gleich (= a). Alternativ kann im Außenbereich ROUT ein eindimensionales Beugungsgitter vorgesehen sein, das periodisch in einer Richtung senkrecht zu einer den Innenbereich RIN umgebenden Seite angeordnet ist. Im Übrigen wird ein Strom an den inneren Bereich RIN und nicht an den äußeren Bereich ROUT geliefert. In dieser Struktur wird das Licht auch im Außenbereich ROUT verteilt, so dass es den Vorteil hat, dass das Auftreten von hochfrequenten Rauschen (sog. Fensterfunktionsrauschen „window function noise“), das durch eine abrupte Änderung der Lichtintensität im Randbereich des Innenbereichs RIN verursacht wird, unterdrückt werden kann. Darüber hinaus kann die Lichtleckage in der Ebene unterdrückt werden, und es ist mit einer Reduzierung des Schwellenstroms zu rechnen.
6 ist eine Ansicht zum Beschreiben einer Beziehung zwischen einem optischen Bild, das einem vom Laserelement 1A ausgegebenen Strahlmuster entspricht, und der Verteilung des Drehwinkels φ(x, y) in der Phasenmodulationsschicht 15A. Insbesondere wird eine Kx-Ky-Ebene, die durch Konvertierung der Ebene erhalten wird, auf der ein optisches Bild durch einen Strahl erzeugt wird, der vom Laserelement 1A (einer Installationsebene eines entworfenen optischen Bildes, das durch Koordinaten (x, y, z) im orthogonalen Koordinatensystem XYZ) auf den Wellenzahlraum ausgedrückt wird, betrachtet. Eine Kx-Achse und eine Ky-Achse, die die Kx-Ky-Ebene definieren, sind orthogonal zueinander, von denen jede mit einem Winkel in Bezug auf die Normalrichtung verbunden ist, wenn eine Strahlaustrittsrichtung von der Z-Achsenrichtung in die horizontale Richtung orthogonal zur Z-Achsenrichtung durch die obigen Formeln (1) bis (5) geschwenkt wird. Es wird davon ausgegangen, dass ein bestimmter Bereich, der ein einem optischen Bild entsprechendes Strahlmuster umfasst, aus M2 (eine ganze Zahl von einem oder mehreren) x N2 (eine ganze Zahl von einem oder mehreren) Bildbereichen FR besteht, die jeweils eine quadratische Form auf der Kx-Ky-Ebene aufweisen. Darüber hinaus wird davon ausgegangen, dass das auf der X-Y-Ebene auf der Phasenmodulationsschicht 15A eingestellte virtuelle Quadratgitter aus M1 (eine ganze Zahl von einem oder mehreren) x N1 (eine ganze Zahl von einem oder mehreren) Einheitsbestandteilen R besteht. Die Ganzzahl M2 muss im Übrigen nicht mit der Ganzzahl M1 übereinstimmen. Ebenso muss die Ganzzahl N2 nicht mit der Ganzzahl N1 übereinstimmen. Zu diesem Zeitpunkt eine komplexe Amplitude F(x, y) im Einheitsbestandteilbereich R(x, y), die durch eine zweidimensionale inverse Fouriertransformation jedes Bildbereichs FR(kx, ky) auf der Kx-Ky-Ebene erhalten wird, spezifiziert durch die Koordinatenkomponente kx (eine Ganzzahl zwischen eins und M2) in der Kx-Achsenrichtung und die Koordinatenkomponente ky (eine Ganzzahl zwischen eins und N2) in der Ky-Achsenrichtung, für den Einheitsbestandteilbereich R(x, y), der durch die Koordinatenkomponente x (eine ganze Zahl zwischen eins und M1) in X-Achsenrichtung und die Koordinatenkomponente y (eine ganze Zahl zwischen eins und N1) in Y-Achsenrichtung spezifiziert ist, durch die folgende Formel (8) mit j als imaginäre Einheit gegeben ist. $F (x, y) = \sum_{k_{x} = 1}^{M 2} \sum_{k_{y} = 1}^{N 2} F R (k_{x}, k_{y}) exp [j 2 π (k_{x} x + k_{y} y)]$
Darüber hinaus, wenn ein Amplituden-Term A(x, y) und ein Phasen-Term P(x, y) in dem Einheitsbestandteilbereich R(x, y) ist, ist die komplexe Amplitude F(x, y) durch die folgende Formel (9) definiert. $F (x, y) = A (x, y) \times exp [j P (x, y)]$
Wie in 6 dargestellt, entspricht die Verteilung des Amplituden-Term A(x, y) bei der komplexen Amplitude F(x, y) des Einheitsbestandteilbereichs R(x, y) der Intensitätsverteilung auf der X-Y-Ebene in einem Bereich von Koordinatenkomponenten von x = 1 bis M1 und y = 1 bis N1. Darüber hinaus entspricht die Verteilung des Phasentermins P(x, y) bei der komplexen Amplitude F(x, y) im Komponentenbereich R(x, y) der Phasenverteilung auf der X-Y-Ebene im Bereich von x = 1 bis M1 und y = 1 bis N1. Der Drehwinkel φ(x, y) im Einheitsbestandteilbereich R(x, y) wird aus P(x, y) erhalten, wie später beschrieben, und die Verteilung des Drehwinkels φ(x, y) des Einheitsbestandteilbereichs R(x, y) entspricht der Drehwinkelverteilung in der X-Y-Ebene im Bereich der Koordinatenkomponenten x = 1 bis M1 und y = 1 bis N1.
Im Übrigen ist ein Zentrum Q eines Ausgangsstrahlmusters auf der Kx-Ky-Ebene auf einer Achse senkrecht zur Hauptfläche (Lichtemissionsfläche 2b) des Halbleitersubstrats 10 positioniert, und vier Quadranten mit dem Zentrum Q als Ursprung sind in 6 dargestellt. Obwohl ein Fall, in dem ein optisches Bild im ersten Quadranten und im dritten Quadranten erhalten wird, in 6 als Beispiel dargestellt ist, ist es auch möglich, Bilder im zweiten Quadranten und im vierten Quadranten oder in allen Quadranten zu erhalten. In der vorliegenden Ausführungsform können optische Bilder punktsymmetrisch zum Ursprung erhalten werden, wie in 6 dargestellt. 6 veranschaulicht einen Fall, in dem beispielsweise ein Zeichen „A“ im dritten Quadranten und ein Muster durch Drehen des Zeichens „A“ um 180° im ersten Quadranten erhalten werden. Im Übrigen werden rotationssymmetrische optische Bilder (z.B. ein Kreuz, ein Kreis, ein Doppelkreis oder dergleichen) als ein optisches Bild überlappend betrachtet.
Das vom Laserelement 1A ausgegebene Strahlmuster (optisches Bild) wird zu einem optischen Bild, das dem entworfenen optischen Bild (Originalbild) entspricht, das durch wenigstens einen von einem Punkt, einer Geraden, einem Kreuz, einer Linienzeichnung, einem Gittermuster, einer Fotografie, einem Streifenmuster, einer Computergrafik (CG) und einem Charakter ausgedrückt wird. Hier wird der Drehwinkel φ(x, y) des modifizierten Brechungsindexbereichs 15b im Einheitsbestandteilbereich R(x, y) durch das folgende Verfahren bestimmt, um ein gewünschtes optisches Bild zu erhalten.
Wie vorstehend beschrieben, ist der Schwerpunkt G1 des modifizierten Brechungsindexbereichs 15b innerhalb des Einheitsteilbereichs R(x, y) im Zustand der Entfernung vom Gitterpunkt O(x, y) durch r(x, y) angeordnet. Zu diesem Zeitpunkt ist der modifizierte Brechungsindexbereich 15b innerhalb des Einheitsbestandteilbereichs R(x, y) so angeordnet, dass der Drehwinkel φ(x, y) die folgende Beziehung erfüllt. $φ (x, y) = C \times P (x, y) + B$

C: eine proportionale Konstante, z.B. 180°/π
B: eine beliebige Konstante, z.B. 0
Im Übrigen sind die proportionale Konstante C und die willkürliche Konstante B für alle Bereiche R der Einheiten gleich.
Das heißt, wenn es darum geht, das gewünschte optische Bild zu erhalten, kann das auf der auf den Wellenzahlraum projizierten Kx-Ky-Ebene gebildete optische Bild einer zweidimensionalen inversen Fourier-Transformation in den Einheitsbestandteilbereich R(x, y) auf der X-Y-Ebene auf der Phasenmodulationsschicht 15A unterzogen werden und der Drehwinkel φ(x, y) entsprechend dem Phasenbegriff P(x, y) der komplexen Amplitude F(x, y) kann auf den innerhalb des Einheitsbestandteilbereichs R(x, y) angeordneten modifizierten Brechungsindexbereich 15b angewendet werden. Im Übrigen kann ein Fernfeldbild nach einer zweidimensionalen inversen Fourier-Transformation des Laserstrahls verschiedene Formen annehmen, wie z.B. eine einzelne Punktform oder eine Vielzahl von Punktformen, eine ringförmige Form, eine lineare Form, eine Zeichenform, eine doppelte ringförmige Form und eine Laguerre Gaußsche Strahlform. Im Übrigen wird das Strahlmuster durch Wellenzahlinformationen im Wellenzahlraum (auf der Kx-Ky-Ebene) dargestellt, so dass die zweidimensionale inverse Fourier-Transformation nach einmaliger Umwandlung der Wellenzahlinformationen bei einem Bitmap-Bild oder dergleichen, bei dem ein Zielstrahlmuster durch zweidimensionale Positionsinformationen dargestellt wird, durchgeführt werden kann.
Als Verfahren zum Erhalten der Intensitätsverteilung und der Phasenverteilung aus der komplexen Amplitudenverteilung auf der X-Y-Ebene, die beispielsweise durch die zweidimensionale inverse Fourier-Transformation erhalten wurde, kann die Intensitätsverteilung (Verteilung des Amplituden-Term A(x, y) auf der X-Y-Ebene) mit Hilfe der abs-Funktion der numerischen Analysesoftware „MATLAB“ von MathWorks, Inc. berechnet werden, und die Phasenverteilung (Verteilung der Phasenbegriffe P(x, y) auf der X-Y-Ebene) kann mit Hilfe der Winkelfunktion von MATLAB berechnet werden.
Hier wird eine Beschreibung der Punkte gegeben, die bei der Berechnung mit allgemeiner diskreter zweidimensionaler inverser Fouriertransformation oder schneller zweidimensionaler inverser Fouriertransformation zu beachten sind, wenn die Drehwinkelverteilung (Verteilung des Drehwinkels φ(x, y) auf der X-Y-Ebene) aus dem Ergebnis der zweidimensionalen inversen Fouriertransformation des optischen Bildes erhalten wird, um die Anordnung der modifizierten Brechungsindexbereiche 15b in jedem der Teilbereiche R zu bestimmen. Wenn ein optisches Bild (entworfenes optisches Bild auf einer vorbestimmten Ebene, dargestellt durch Koordinaten (x, y, z) im orthogonalen Koordinatensystem XYZ), das nicht der zweidimensionalen inversen Fourier-Transformation unterzogen wird, in vier Quadranten wie A1, A2, A3 und A4 unterteilt wird, wie im Originalbild in 7A dargestellt, wird das erhaltene Strahlmuster zu einem in 7B dargestellten Muster. Das heißt, ein Muster, bei dem sich ein durch Drehen des ersten Quadranten um 180° erhaltenes Muster und ein Muster des dritten Quadranten von 7A überlappen, erscheint im ersten Quadranten des Strahlmusters von 7B. Ein Muster, bei dem sich ein durch Drehen des zweiten Quadranten um 180° von 7A erhaltenes Muster und ein Muster im vierten Quadranten von 7A überlappen, erscheint im zweiten Quadranten des Strahlmusters von 7B. Ein Muster, bei dem sich ein durch Drehen des dritten Quadranten um 180° von 7A erhaltenes Muster und ein Muster im ersten Quadranten von 7A überlappen, erscheint im dritten Quadranten des Strahlmusters von 7B. Ein Muster, bei dem sich ein durch Drehen des vierten Quadranten um 180° von 7A erhaltenes Muster und ein Muster im zweiten Quadranten von 7A überlappen, erscheint im vierten Quadranten des Strahlmusters von 7B.
Wenn also ein Muster mit einem Wert nur im ersten Quadranten als optisches Bild (optisches Originalbild) verwendet wird, das nicht der zweidimensionalen inversen Fourier-Transformation unterzogen wird, erscheint das Muster in den ersten Quadranten des ursprünglichen optischen Bildes im dritten Quadranten des erhaltenen Strahlmusters. Andererseits erscheint im ersten Quadranten des erhaltenen Strahlmusters ein Muster, das durch Drehen des ersten Quadranten des ursprünglichen optischen Bildes um 180° erhalten wird.
Anschließend wird ein bevorzugter Abstand zwischen dem Schwerpunkt G1 des modifizierten Brechungsindexbereichs 15b und dem Gitterpunkt O des virtuellen Quadratgitters beschrieben. Wenn das Gitterintervall des quadratischen Gitters a ist, wird der Füllfaktor FF des modifizierten Brechungsindexbereichs 15b als S/a² angegeben. Hier ist S die Fläche des modifizierten Brechungsindexbereichs 15b auf der X-Y-Ebene und wird als S = π × (D/2)² mit einem Durchmesser D eines perfekten Kreises, z.B. bei der perfekten Kreisform, angegeben. Darüber hinaus wird bei einer quadratischen Form S = LA² mit einer Länge LA von einer Seite des Quadrats angegeben.
Im Folgenden werden drei spezifische Konfigurationen der Phasenmodulationsschicht 15A beschrieben. 8A ist ein Bild eines Originalmusters, das jeder Konfiguration gemeinsam ist, und ist ein Charakter von „Licht“, das aus 704 × 704 Pixeln besteht. Zu diesem Zeitpunkt existiert das Zeichen „Licht“ im ersten Quadranten, und es gibt kein Muster im zweiten Quadranten zum vierten Quadranten. 8B ist ein Bild, das durch die Durchführung einer zweidimensionalen Fourier-Transformation von 8A und das Extrahieren der Intensitätsverteilung erhalten wird und aus 704 × 704 Elementen besteht. 8C ist ein Bild, das durch die Durchführung einer zweidimensionalen Fourier-Transformation von 8A und das Extrahieren der Phasenverteilung erhalten wird und aus 704 × 704 Elementen besteht. Dies entspricht auch gleichzeitig der Winkelverteilung, und 8C veranschaulicht die Phasenverteilung von 0 bis 2π (rad) in Abhängigkeit von Licht und Schatten der Farbe. Ein Teil mit einer schwarzen Farbe stellt eine Phase von 0 (rad) dar.
9A ist ein Bild, das die Anordnung der modifizierten Brechungsindexbereiche 15b in der Phasenmodulationsschicht 15A einer ersten Konfiguration veranschaulicht, um die in 8C dargestellte Phasenverteilung zu realisieren, und die Basisschicht 15a ist schwarz und der modifizierte Brechungsindexbereich 15b ist weiß dargestellt. In dieser ersten Konfiguration existieren 704 × 704 modifizierte Brechungsindexbereiche 15b, eine planare Form des modifizierten Brechungsindexbereichs 15b ist ein perfekter Kreis, und das Gitterintervall a des Quadratgitters beträgt 284nm. 9A veranschaulicht einen Fall, in dem der Durchmesser D des modifizierten Brechungsindexbereichs 15b 111nm und der Abstand r zwischen dem Gitterpunkt O des virtuellen Quadratgitters und dem Schwerpunkt G1 des modifizierten Brechungsindexbereichs 15b 8,52nm beträgt. Zu diesem Zeitpunkt beträgt der Füllfaktor FF des modifizierten Brechungsindexbereichs 15b gleich 12% und der Abstand r ist 0,03a. 9B veranschaulicht ein vorhergesagtes Strahlmuster, das durch Fourier-Transformation des gesamten modifizierten Brechungsindexbereichs erhalten wurde.
10 ist ein Diagramm, das ein S/N-Verhältnis eines Ausgangsstrahlmusters gemäß einer Beziehung zwischen dem Füllfaktor FF und einem Abstand r(a) in der ersten Konfiguration (Sample 1) der Phasenmodulationsschicht 15A darstellt, d.h. ein Intensitätsverhältnis eines gewünschten Strahlmusters und Rauschens. 11 ist ein Diagramm, das einen Zusammenhang zwischen dem Abstand r(a) und dem S/N-Verhältnis im Falle von 10 veranschaulicht (Beispiel 1 der ersten Konfiguration). Im Falle dieser Struktur versteht es sich, dass S/N höher ist, wenn der Abstand r 0,3a oder kleiner als der des Falles ist, in dem der Abstand r 0,3a überschreitet, und S/N höher ist, wenn der Abstand r 0,01a oder länger als der des Falles ist, in dem der Abstand r Null ist. Insbesondere gibt es in diesen numerischen Bereichen mit Bezug auf 11 einen Peak des S/N-Verhältnisses. Das heißt, der Abstand r ist vorzugsweise 0 < r ≤ 0,3a, bevorzugter 0,01a ≤ r ≤ 0,3a, und noch bevorzugter 0,03a ≤ r ≤ 0,25a aus der Sicht der Verbesserung des S/N-Verhältnisses. Inzwischen kann ein Strahlmuster erreicht werden, auch wenn r kleiner als 0,01a ist, obwohl der Rauschabstand klein ist.
12A ist ein Bild (eine zweite Konfiguration der Phasenmodulationsschicht 15A), das die Anordnung der modifizierten Brechungsindexbereiche 15b veranschaulicht, um die in 8C dargestellte Phasenverteilung zu realisieren, und die Basisschicht 15a ist schwarz und der modifizierte Brechungsindexbereich 15b ist weiß dargestellt. In dieser zweiten Konfiguration ist eine planare Form des modifizierten Brechungsindexbereichs 15b ein Quadrat, die Anzahl der modifizierten Brechungsindexbereiche 15b und das Gitterintervall a des quadratischen Gitters ist gleichzusetzen mit denen der ersten Konfiguration. 12A veranschaulicht einen Fall, bei dem die Länge L einer Seite des modifizierten Brechungsindexbereichs 15b 98,4nm und der Abstand r zwischen dem Gitterpunkt O des virtuellen Quadratgitters und dem Schwerpunkt G1 des modifizierten Brechungsindexbereichs 15b gleich 8,52nm beträgt. Zu diesem Zeitpunkt beträgt der Füllfaktor FF des modifizierten Brechungsindexbereichs 15b 12% und der Abstand r 0,03a. 12B veranschaulicht ein vorhergesagtes Strahlmuster, das durch Fourier-Transformation des gesamten modifizierten Brechungsindexbereichs erhalten wurde.
13 ist ein Diagramm, das ein S/N-Verhältnis eines Ausgangsstrahlmusters gemäß einer Beziehung zwischen dem Füllfaktor FF und einem Abstand r(a) in der zweiten Konfiguration (Sample 2) der Phasenmodulationsschicht darstellt, d.h. ein Intensitätsverhältnis eines gewünschten Strahlmusters und Rauschens. 14 ist ein Diagramm, das eine Beziehung zwischen dem Abstand r(a) und dem S/N-Verhältnis im Falle von 13 veranschaulicht (Beispiel 2 der zweiten Konfiguration). Selbst bei dieser Struktur versteht es sich, dass S/N höher ist, wenn der Abstand r 0,3a oder kleiner als der des Falles ist, wenn der Abstand r 0,3a überschreitet, und S/N höher ist, wenn der Abstand r 0,01a oder länger als der des Falles ist, wenn der Abstand r gleich Null ist. Insbesondere gibt es in diesen numerischen Bereichen mit Bezug auf 14 einen Peak des S/N-Verhältnisses. Das heißt, der Abstand r ist vorzugsweise 0 < r ≤ 0,3a, bevorzugter 0,01 a ≤ r ≤ 0,3a, und noch bevorzugter 0,03a ≤ r ≤ 0,25a aus der Sicht der Verbesserung des S/N-Verhältnisses. Inzwischen kann ein Strahlmuster erreicht werden, auch wenn r kleiner als 0,01a ist, obwohl das Rauschabstand klein ist.
15A ist ein Bild (eine dritte Konfiguration der Phasenmodulationsschicht 15A), das die Anordnung der modifizierten Brechungsindexbereiche 15b veranschaulicht, um die in 8C dargestellte Phasenverteilung zu realisieren, und die Basisschicht 15a ist schwarz und der modifizierte Brechungsindexbereich 15b ist weiß dargestellt. In der dritten Konfiguration ist eine planare Form des modifizierten Brechungsindexbereichs 15b eine Form, die durch Überlagerung von zwei perfekten Kreisen im Zustand der gegenseitigen Verschiebung erhalten wird, und der Schwerpunkt eines perfekten Kreises wird so gewählt, dass er mit dem Gitterpunkt O übereinstimmt. Die Anzahl der modifizierten Brechungsindexbereiche 15b und das Gitterintervall a des quadratischen Gitters werden so eingestellt, dass sie gleich denen der ersten Konfiguration sind. 15A veranschaulicht einen Fall, in dem die Durchmesser der beiden perfekten Kreise beide 111 nm betragen und der Abstand r zwischen dem Schwerpunkt des anderen perfekten Kreises und dem Gitterpunkt O 14,20nm beträgt. Zu diesem Zeitpunkt beträgt der Füllfaktor FF des modifizierten Brechungsindexbereichs 15b 12% und der Abstand r gleich 0,05a. 15B veranschaulicht ein vorhergesagtes Strahlmuster, das durch Fourier-Transformation des gesamten modifizierten Brechungsindexbereichs erhalten wurde.
16 ist ein Diagramm, das ein S/N-Verhältnis eines Ausgangsstrahlmusters gemäß einer Beziehung zwischen dem Füllfaktor FF und einem Abstand r(a) in der dritten Konfiguration (Sample 3) der Phasenmodulationsschicht 15A darstellt, d.h. ein Intensitätsverhältnis eines gewünschten Strahlmusters und Rauschens. 17 ist ein Diagramm, das eine Beziehung zwischen dem Abstand r(a) und dem S/N-Verhältnis im Falle von 16 veranschaulicht (Beispiel 3 der dritten Konfiguration). Selbst bei dieser Struktur versteht es sich, dass S/N höher ist, wenn der Abstand r 0,3a oder kleiner als der des Falles ist, wenn der Abstand r 0,3a überschreitet, und S/N höher ist, wenn der Abstand r gleich 0,01a oder länger als der des Falles ist, wenn der Abstand r gleich Null ist. Insbesondere gibt es in diesen Zahlenbereichen unter Bezugnahme auf 17 einen Peak des S/N-Verhältnisses. Das heißt, der Abstand r ist vorzugsweise 0 < r ≤ 0,3a, bevorzugter 0,01a ≤ r ≤ 0,3a, und noch bevorzugter 0,03a ≤ r ≤ 0,25a aus der Sicht der Verbesserung des S/N-Verhältnisses. Inzwischen kann ein Strahlmuster erreicht werden, auch wenn r kleiner als 0,01 a ist, obwohl das Rauschabstand klein ist.
Im Übrigen werden die Bereiche, in denen der Signalrauschabstand in 10 (Sample 1), 13 (Sample 2) und 16 (Sample 3) 0,9, 0,6 und 0,3 übersteigt, durch die folgenden Funktionen dargestellt. Im Übrigen stellen FF3, FF6, FF9, FF12, FF15, FF18, FF21, FF24, FF27 und FF30 in 11 (Sample 1), 14 (Sample 2) und 17 (Sample 3) FF = 3%, FF = 6%, FF = 9%, FF = 12%, FF = 15%, FF = 18%, FF = 21%, FF = 24%, FF = 27% bzw. FF = 30% dar.
(S/N ist 0,9 oder mehr in 10)
FF > 0,03,
r > 0.06,
r < -FF + 0,23, und
r > -FF+ 0,13
(S/N ist 0,6 oder mehr in 10)
FF > 0.03,
r > 0.03,
r < - FF + 0,25,
r > -FF + 0,12
(S/N ist 0,3 oder mehr in 10)
FF > 0.03,
r > 0.02,
r < -(2/3)FF + 0,30, und
r > -(2/3)FF + 0,083
(S/N ist 0,9 oder mehr in 13)
r > -2 FF + 0,25,
r < -FF + 0,25,
r > FF - 0,05
(S/N ist 0,6 oder mehr in 13)
FF > 0.03,
r > 0.04,
r < -(3/4)FF + 0,2375,
r > -FF + 0,15
(S/N ist 0,3 oder mehr in 13)
FF > 0.03,
r > 0.01,
r < -(2/3)FF + 1/3, und
r > -(2/3)FF + 0,10
(S/N ist 0,9 oder mehr in 16)
r > 0.025,
r > -(4/3)FF + 0,20, und
r < -(20/27)FF + 0,20
(S/N ist 0,6 oder mehr in 16)
FF > 0.03,
r > 0.02,
r > -(5/4)FF + 0,1625,
r < -(13/18)FF + 0,222
(S/N ist 0,3 oder mehr in 16)
FF > 0.03,
r > 0.01,
r < -(2/3)FF + 0,30,
r > -(10/7)FF + 1/7
Im Übrigen können ein Materialsystem, eine Filmdicke und eine Schichtkonfiguration unterschiedlich verändert werden, solange sie so konfiguriert sind, dass sie die aktive Schicht 12 und die Phasenmodulationsschicht 15A in die obige Struktur aufnehmen. Hier gilt eine Skalierungsregel für einen so genannten photonischen Quadratgitterkristall-Laser, bei dem die Störung durch das virtuelle Quadratgitter Null ist. Das heißt, wenn eine Wellenlänge konstant wird α mal, kann der gleiche Stehwellenzustand durch Multiplikation der gesamten quadratischen Gitterstruktur mit α erreicht werden. Ebenso ist es möglich, die Struktur der Phasenmodulationsschicht 15A nach der Skalierungsregel abhängig von der Wellenlänge auch in der vorliegenden Ausführungsform zu bestimmen. Daher ist es auch möglich, das Laserelement 1A zu realisieren, das sichtbares Licht ausgibt, indem man die aktive Schicht 12, die Licht wie Blau, Grün und Rot emittiert, verwendet und die Skalierungsregel abhängig von der Wellenlänge anwendet.
Bei der Herstellung des Laserelements 1A wird jede Verbindungshalbleiterschicht durch ein metallorganisches Verfahren zur chemischen Dampfabscheidung (MOCVD) erhalten. Obwohl das Kristallwachstum auf einer (001) -Ebene des Halbleitersubstrats 10 durchgeführt wird, ist das Kristallwachstum nicht darauf beschränkt. Darüber hinaus beträgt bei der Herstellung des Laserelements 1A unter Verwendung von AlGaN die Wachstumstemperatur von AlGaAs 500°C bis 850°C, und 550°C bis 700°C wurden in das Experiment aufgenommen. Trimethylaluminium (TMA) wird zum Zeitpunkt des Wachstums als AI-Rohstoff verwendet, Trimethylgallium (TMG) und Triethylgallium (TEG) als Gallium-Rohstoffe, AsH3 (Arsin) als Rohstoff, Disilan (Si2H6) als Rohstoff einer N-Verunreinigung und Diethylzinc (DEZn) als Rohstoff einer P-Verunreinigung. Beim Wachstum von GaAs werden TMG und Arsin verwendet, aber TMA wird nicht verwendet. InGaAs wird aus TMG, Trimethylindium (TMI) und Arsin hergestellt. Ein isolierender Film kann durch Sputtern eines Targets mit einem seiner Bestandteile als Rohstoff oder durch ein Plasma-CVD (PCVD)-Verfahren gebildet werden.
Das heißt, dass im obigen Laserelement 1A zunächst eine AlGaAs-Schicht, die als n-Typ Hüllschicht 11 dient, eine InGaAs/AIGaAs-Multiquantentopfstruktur, die als aktive Schicht 12 dient, und eine GaAs-Schicht, die als Basisschicht 15a der Phasenmodulationsschicht 15A dient, epitaktisch sequentiell auf einem GaAs-Substrat, das als N-Typ-Halbleitersubstrat 10 dient, unter Verwendung des metallorganischen chemischen Dampfabscheidungsverfahrens (MOCVD) gewachsen sind. Anschließend wird auf der Basisschicht 15a durch ein Plasma-CVD (PCVD)-Verfahren eine SiN-Schicht gebildet, um eine Ausrichtung nach dem epitaktischen Wachstum durchzuführen, und dann wird ein Resist auf der SiN-Schicht gebildet. Des Weiteren wird der Resist belichtet und entwickelt, die SiN-Schicht mit dem Resist als Maske geätzt und eine Ausrichtungsmarkierung in einem Zustand gebildet, in dem ein Teil der SiN-Schicht übrig bleibt. Der verbleibende Resist wird entfernt.
Anschließend wird ein weiterer Resist auf die Basisschicht 15a aufgebracht, und ein zweidimensionales Feinmuster wird von einer Elektronenstrahlziehvorrichtung unter Bezugnahme auf die Ausrichtmarke auf den Resist gezeichnet. Das zweidimensionale Feinmuster wird auf dem Resist gebildet, indem der Resist nach dem Zeichnen entwickelt wird. Danach wird das zweidimensionale Feinmuster durch Trockenätzen mit dem Resist als Maske auf die Basisschicht 15a übertragen und der Resist nach der Bildung von Löchern (Poren) entfernt. Eine Tiefe des Lochs beträgt z.B. 100 bis 300nm. Diese Löcher werden als modifizierte Brechungsindexbereiche 15b verwendet, oder Verbindungshalbleiter (AIGaAs), die als modifizierte Brechungsindexbereiche 15b dienen sollen, werden in diesen Löchern wieder aufgewachsen, um tiefer als die Tiefe des Lochs zu sein. Wenn das Loch der modifizierte Brechungsindexbereich 15b ist, kann das Loch mit einem Gas wie Luft, Stickstoff und Argon verschlossen werden. Anschließend werden eine AlGaAs-Schicht, die als Hüllschicht 13 dient, und eine GaAs-Schicht, die als Kontaktschicht 14 dient, sequentiell durch MOCVD gebildet, und die Elektroden 16 und 17 werden durch ein Dampfabscheidungsverfahren oder ein Sputterverfahren gebildet. Darüber hinaus wird der Antireflexionsfilm 19 bei Bedarf durch Sputtern oder dergleichen gebildet.
Im Übrigen kann die Phasenmodulationsschicht 15A auf der Hüllschicht 11 vor der Bildung der aktiven Schicht 12 gebildet werden, wenn die Phasenmodulationsschicht 15A zwischen der aktiven Schicht 12 und der Hüllschicht 11 vorgesehen ist. Darüber hinaus ist das Gitterintervall a des virtuellen quadratischen Gitters ein Grad, der durch Division einer Wellenlänge durch einen äquivalenten Brechungsindex erhalten wird, und ist beispielsweise auf etwa 300nm eingestellt.
Wenn die Einheitenvektoren der orthogonalen Koordinaten x und y im Falle des quadratischen Gitters mit dem Gitterintervall a sind, sind die grundlegenden Translationsvektoren a₁ = ax und a₂ = ay, und die grundlegenden reziproken Gittervektoren sind b₁ = (2π/a)y und b₂ = (2π/a)x für die Translationsvektoren a₁ und a₂ . Wenn ein Wellenzahlvektor einer im Gitter vorhandenen Welle k = nb₁ + mb₂ ist (n und m sind beliebige ganze Zahlen), existiert die Wellenzahl k an einem Γ-Punkt. Insbesondere wenn die Größe des Wellenzahlvektors gleich der Größe des grundlegenden reziproken Gittervektors ist, erhält man einen Resonanzmodus (stehende Welle in der X-Y-Ebene), wobei das Gitterintervall a gleich der Wellenlänge λ ist. In der vorliegenden Ausführungsform wird die Schwingung in einem solchen Resonanzmodus (Standwellenzustand) erhalten. Betrachtet man einen TE-Modus, in dem zu diesem Zeitpunkt ein elektrisches Feld in einer Ebene parallel zum Quadratgitter vorhanden ist, so gibt es vier Modi des Stehwellenzustands, bei denen das Gitterintervall und die Wellenlänge aufgrund der Symmetrie des Quadratgitters wie oben beschrieben gleich sind. In der vorliegenden Ausführungsform kann ein gewünschtes Strahlmuster in jeder Schwingungsart in einem dieser vier Stehwellenzustände ähnlich erhalten werden.
Im Übrigen kann das gewünschte Strahlmuster erreicht werden, da die stehende Welle in der Phasenmodulationsschicht 15A durch die Lochform gestreut wird und die in vertikaler Richtung der Ebene erhaltene Wasserfront phasenmoduliert wird. Dadurch kann das gewünschte Strahlmuster auch ohne Polarisationsplatte erreicht werden. Dieses Strahlmuster muss nicht nur ein Paar einzelner Peakstrahlen (Spots) sein, sondern kann auch eine Zeichenform oder zwei oder mehr Spotgruppen mit der gleichen Form wie oben beschrieben oder ein Vektorstrahl oder dergleichen, bei denen die Phasen- oder Intensitätsverteilung räumlich ungleichmäßig ist.
Es ist wünschenswert, dass der Brechungsindex der Basisschicht 15a 3,0 bis 3,5 und der Brechungsindex des modifizierten Brechungsindexbereichs 15b 1,0 bis 3,4 beträgt. Ein durchschnittlicher Durchmesser der jeweils modifizierten Brechungsindexbereiche 15b in den Löchern der Basisschicht 15a beträgt beispielsweise 38nm bis 76nm. Wenn sich die Größe dieses Lochs ändert, ändert sich die Beugungsintensität in der Richtung der Z-Achse. Diese Beugungseffizienz ist proportional zu einem optischen Kopplungskoeffizienten κ1. der durch einen Koeffizienten erster Ordnung zum Zeitpunkt der Fouriertransformation der Form des modifizierten Brechungsindexbereichs 15b dargestellt wird. Der optische Kopplungskoeffizient wird beispielsweise 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.
Es wird noch einmal auf 1 verwiesen. Das Laserelement 1A der vorliegenden Ausführungsform umfasst die Schicht 18 des verteilten Bragg-Reflektors (DBR). Die DBR-Schicht 18 weist eine Struktur auf, in der zwei Arten von Schichten mit modifizierten Brechungsindizes abwechselnd gestapelt sind. Die DBR-Schicht 18 weist eine Übertragungscharakteristik in Bezug auf ein gewünschtes optisches Bild (spezifisches optisches Bild) auf, das in der Richtung ausgegeben wird, die in Bezug auf die Z-Achse geneigt ist (Normalrichtung der Lichtemissionsfläche 2b), unter den optischen Bildern, die von der Phasenmodulationsschicht 15A erzeugt werden. Andererseits weist die DBR-Schicht 18 eine Reflexionscharakteristik in Bezug auf das entlang der Z-Achse abgegebene Licht nullter Ordnung auf. Die DBR-Schicht 18 der vorliegenden Ausführungsform ist in der Hüllschicht 13 enthalten, die zwischen dem Schichtbereich, der aus der aktiven Schicht 12 und der Phasenmodulationsschicht 15A besteht, und der Lichtreflexionsfläche 2a zwischen dem Paar der Hüllschichten 11 und 13 vorgesehen ist. Insbesondere umfasst die Hüllschicht 13 einen Abschnitt 13a, der auf der Phasenmodulationsschicht 15A (oder der aktiven Schicht 12) gebildet ist, die DBR-Schicht 18, die auf dem Abschnitt 13a gebildet ist, und einen Abschnitt 13b, der auf der DBR-Schicht 18 gebildet ist. Im Übrigen kann bei Bedarf einer der Abschnitte 13a und 13b weggelassen werden (auch wenn eine Filmdicke 0nm beträgt). Des Weiteren fungiert die DBR-Schicht 18 als Umhüllung für das in der aktiven Schicht 12 erzeugte Licht zusammen mit der Umhüllungsschicht 13.
18 ist hier eine perspektivische Ansicht, die ein Beispiel für ein Strahlmuster (optisches Bild) veranschaulicht, das vom Laserelement 1A ausgegeben wird, wenn angenommen wird, dass die DBR-Schicht 18 nicht vorhanden ist. Darüber hinaus sind die 19A bis 19C Bilder, die Beispiele für das vom Laserelement 1A ausgegebene Strahlmuster veranschaulichen, wenn angenommen wird, dass die DBR-Schicht 18 nicht vorhanden ist. Wie in den 18 und 19A bis 19C) veranschaulicht, umfassen die von der Lichtemissionsfläche 2b ausgegebenen optischen Bilder, wenn die DBR-Schicht 18 nicht vorhanden ist, das Licht B1 nullter Ordnung, das als heller Fleck auf der Z-Achse vom Laserelement 1A erscheint, das Licht B2 erster Ordnung, das in einer ersten Richtung ausgegeben wird, die in Bezug auf die Z-Achse geneigt ist, und das negative Licht B3 erster Ordnung, das in einer zweiten Richtung ausgegeben wird, die mit der ersten Richtung in Bezug auf die Z-Achse symmetrisch und mit dem Licht B2 erster Ordnung in Bezug auf die Z-Achse rotationssymmetrisch ist. Typischerweise wird das Licht erster Ordnung B2 im ersten Quadranten innerhalb einer Anzeigeebene (Ebene parallel zur X-Y-Ebene) orthogonal zur Z-Achse und das negative Licht erster Ordnung B3 im dritten Quadranten innerhalb der Anzeigeebene ausgegeben. Der maximale Winkel eines Abstrahlwinkels des Lichts nullter Ordnung B1 liegt beispielsweise im Bereich von 80° bis 85° und die minimalen Winkel der Abstrahlwinkel der Erstordnungsleuchte B2 und der negativen Erstordnungsleuchte B3 liegen beispielsweise im Bereich von 25° bis 30°.
Die DBR-Schicht 18 der vorliegenden Ausführungsform überträgt das gewünschte optische Bild (z.B. das Licht erster Ordnung B2 und das negative Licht erster Ordnung B3) aus den optischen Bildern und reflektiert das Licht nullter Ordnung B1. 20 ist eine schematische Ansicht, die eine Querschnittsstruktur des Laserelements 1A darstellt. Wie in der Zeichnung dargestellt, nähert sich ein Teil B1a des von der Phasenmodulationsschicht 15A ausgegebenen Lichts nullter Ordnung der Lichtreflexionsfläche 2a an. Dann kehrt das Licht B1a nullter Ordnung seine Richtung um, indem es von der DBR-Schicht 18 reflektiert wird, und nähert sich der Lichtemissionsoberfläche 2b. Andererseits wird der Rest B1b des von der Phasenmodulationsschicht 15A ausgegebenen Lichts nullter Ordnung direkt auf die Lichtemissionsfläche 2b gerichtet. Zu diesem Zeitpunkt, da das Licht B1a nullter Ordnung und das Licht B1b nullter Ordnung, die verschiedene optische Pfade durchlaufen haben, in die gleiche Richtung vorrücken, stören sich das Licht B1a nullter Ordnung und das Licht B1b nullter Ordnung gegenseitig. In der vorliegenden Ausführungsform ist ein Intervall zwischen der DBR-Schicht 18 und der Phasenmodulationsschicht 15A so eingestellt, dass sich das Licht B1a und das Licht B1b nullter Ordnung gegenseitig schwächen (ein Pfeil B1c in 20). Im Übrigen entspricht der Abstand zwischen der DBR-Schicht 18 und der Phasenmodulationsschicht 15A im Wesentlichen einer Dicke des Abschnitts 13a in der Hüllschicht 13 am Beispiel von 20.
21 ist eine Ansicht, die eine spezifische Struktur der DBR-Schicht 18 veranschaulicht. Die DBR-Schicht 18 ist ein periodischer Mehrschichtfilm, bei dem die Schichten 18a und 18b mit modifizierten Brechungsindizes abwechselnd gestapelt sind. Jede Dicke dieser Schichten 18a und 18b ist ein Viertel einer Emissionswellenlänge der aktiven Schicht 12. Wenn das Laserelement 1A aus einem Halbleiter auf GaAs-Basis besteht, bestehen die Schichten 18a und 18b beispielsweise aus p-Typ-AIGaAs mit unterschiedlichen AI-Zusammensetzungen voneinander (p-Typ-GaAs, wenn die AI-Zusammensetzung Null ist). Darüber hinaus, wenn das Laserelement 1A aus einem Verbindungshalbleiter auf Nitridbasis besteht, bestehen die Schichten 18a und 18b beispielsweise aus p-artigem AlGaN (p-artigem GaN, wenn die AI-Zusammensetzung Null ist) mit unterschiedlichen AI-Zusammensetzungen voneinander.
Die DBR-Schicht 18 weist eine hohe Reflexion in Bezug auf das aus der Stapelrichtung einfallende Licht auf (d.h. eine Richtung senkrecht zu einer Schnittstelle zwischen den Schichten 18a und 18b). Insbesondere wenn ein Einfallswinkel θ von Licht L₁ mit einer vorbestimmten Wellenlänge (Emissionswellenlänge der aktiven Schicht 12) an der Schnittstelle zwischen der DBR-Schicht 18 und dem Abschnitt 13a der Hüllschicht 13 geändert wird, wird eine Lichtintensität des reflektierten Lichts L₂ bemerkenswert größer als eine Lichtintensität des transmittierten Lichts L₃ in einem vorbestimmten Bereich, in dem der Einfallswinkel θ nahe 0° liegt. Des Weiteren werden die Brechungsindizes der jeweiligen Schichten 18a und 18b so bestimmt, dass ein Abstrahlwinkel des Lichtes B1 nullter Ordnung in den vorgegebenen Bereich einbezogen wird und die Abstrahlwinkel des Lichtes B2 erster Ordnung und des negativen Lichtes B3 erster Ordnung vom vorgegebenen Bereich abweichen.
Wenn die Schicht 18a, die am Ende der Phasenmodulationsschicht 15A-Seite angeordnet ist, eine Schicht mit niedrigem Brechungsindex ist, wird im Übrigen eine an der Schnittstelle zwischen den Schichten 18a und 18b reflektierte Lichtphase zu einem geraden Vielfachen von π (rad), so dass keine Phasenverschiebung im reflektierten Licht auftritt. Andererseits, wenn die Schicht 18a, die am Ende der Phasenmodulationsschicht 15A-Seite positioniert ist, eine Schicht mit hohem Brechungsindex ist, wird eine an der Schnittstelle zwischen den Schichten 18a und 18b reflektierte Lichtphase zu einem ungeraden Vielfachen von π (rad), so dass eine Phasenverschiebung von π (rad) im reflektierten Licht auftritt. Unter Berücksichtigung dieser Tatsache wird der Abstand zwischen der DBR-Schicht 18 und der Phasenmodulationsschicht 15A bestimmt.
Ein Verfahren zum Bestimmen des Intervalls zwischen der DBR-Schicht 18 und der Phasenmodulationsschicht 15A wird unter Bezugnahme auf 22 näher beschrieben. 22 ist eine Ansicht, die ein Strukturmodell in der Nähe der Phasenmodulationsschicht 15A und der DBR-Schicht 18 darstellt. 22 veranschaulicht die Z-Achse, die eine Position in Dickenrichtung, den modifizierten Brechungsindexbereich 15b (z.B. ein Loch), die aktive Schicht 12 und die Hüllschicht 11, die auf dem modifizierten Brechungsindexbereich 15b positioniert sind, den Abschnitt 13a der Hüllschicht 13, der unter dem modifizierten Brechungsindexbereich 15b positioniert ist, die DBR-Schicht 18 und eine elektrische Feldmodenverteilung Ez. Die Verteilung des elektrischen Feldmodus Ez ist eine Funktion einer Dickenrichtungsposition z.
Eine erste gebeugte Welle P1, die in eine positive Richtung der Z-Achse vorrückt, geht vom modifizierten Brechungsindexbereich (Beugungsabschnitt) 15b zur aktiven Schicht 12 und zur Hüllschicht 11 durch. Zusätzlich geht eine zweite gebeugte Welle P2, die in eine negative Richtung der Z-Achse vorrückt, vom modifizierten Brechungsindexbereich 15b zum Abschnitt 13a durch. Nach der Reflexion durch die DBR-Schicht 18 rückt die zweite gebeugte Welle P2 in die positive Richtung der Z-Achse vor und trifft wieder auf den modifizierten Brechungsindexbereich 15b. In diesem Modell wird die Beugung in vertikaler Richtung durch die Summe der Beugung von ebenen Wellen (z.B. ebene Wellen 1 bis 3 in 22) für jede Position in Dickenrichtung im modifizierten Brechungsindexbereich 15b dargestellt. Insbesondere eine Intensität ΔEy(z) einer vertikal gebeugten Welle einer Grundwelle in der dreidimensionalen gekoppelten Wellentheorie, die in C. Peng, et al., „ Coupled-wave analysis for photonic-crystal surface-emitting lasers on air holes with arbitrary sidewalls", Optics. Express 19, 24672-24686 (2011) wird durch die folgende Formel (10) ausgedrückt. $Δ E_{y} (z) ≃ k_{0}^{2} R_{x} \int_{P C} ξ_{- 1.0} (z) G (z, z') Θ_{0} (z') d z' - k_{0}^{2} S_{x} \int_{P C} ξ_{1.0} (z) G (z, z') Θ_{0} (z') d z'$
Hier ist k₀ eine Wellenzahl, ξ(z) ist ein Fourier-Koeffizient des modifizierten Brechungsindexbereichs 15b an der Dickenrichtungsposition z, G(z, z') ist die Grüne Funktion, Θ(z) ist eine Verteilung des elektrischen Feldmodus in der z-Richtung, und Rx und Sx sind elektrische Feldstärken in der Ebenenrichtung. Auf diese Weise wird die Intensität der vertikal gebeugten Welle in Form eines Integrals aus einem Produkt des Fourier-Koeffizienten und der Verteilung des elektrischen Feldmodus an der Dickenrichtungsposition z gegeben und basierend auf der vertikal gebeugten Welle gemäß der obigen Formel (10) und der Summe der reflektierten Wellen der DBR-Schicht 18 berechnet.
In der vorliegenden Ausführungsform kann die Reflexion in Dickenrichtung im modifizierten Brechungsindexbereich 15b im Wesentlichen ignoriert werden, so dass die erste vom modifizierten Brechungsindexbereich 15b nach oben gerichtete gebeugte Welle P1 und die zweite vom modifizierten Brechungsindexbereich 15b nach unten gerichtete gebeugte Welle P2 die gleiche Phase aufweisen. Die Dickenrichtungsposition z einer in der Ebene ebenen Welle, die in vertikaler Richtung mit der gleichen Phase wie diese Phase gebeugt wird, ist als z₀ definiert. Des Weiteren ist die oben beschriebene Phasenverschiebung in der DBR-Schicht 18 definiert als φ. Wenn der Brechungsindex der ersten Schicht 18a der DBR-Schicht 18 höher ist als der des Abschnitts 13a der Hüllschicht 13, φ = π (rad). Wenn der Brechungsindex der ersten Schicht 18a der DBR-Schicht 18 niedriger ist als der des Abschnitts 13a der Hüllschicht 13, φ = 0 (rad). Darüber hinaus ist eine Emissionswellenlänge der aktiven Schicht 12 als λ definiert. Zu diesem Zeitpunkt ist es vorzuziehen, dass ein Abstand L mit der Phasenmodulationsschicht 15A die folgende Formel (11) erfüllt. Hier ist n_D ein Brechungsindex des modifizierten Brechungsindexbereichs 15b, n_L ist ein Brechungsindex des Abschnitts 13a der Hüllschicht 13, h ist eine Dicke der Phasenmodulationsschicht 15A und m ist eine ganze Zahl. $2 {n_{D} (h - z_{0}) + n_{L} L} + \frac{ϕ λ}{2 π} = \frac{(2 m + 1) λ}{2}$
(Intervalleinstellung)
Im Übrigen ist es bei der eigentlichen Herstellung des Laserelements 1A vorzuziehen, dass der Abstand zwischen der DBR-Schicht 18 und der Phasenmodulationsschicht 15A experimentell so eingestellt wird, dass die Intensität des auszugebenden Lichtes B1 nullter Ordnung abnimmt. Darüber hinaus gibt es einen Fall, in dem in der Hüllschicht 13 aufgrund des Vorhandenseins der DBR-Schicht 18 ein Ausbreitungsmodus in Dickenrichtung auftritt. In diesem Fall ist es besser, das Intervall zwischen der DBR-Schicht 18 und der aktiven Schicht 12 zu verlängern. In der Hüllschicht 13 trat jedoch auch dann kein Ausbreitungsmodus auf, wenn die DBR-Schicht 18 und die Phasenmodulationsschicht 15A aufgrund der Strukturanalyse des Laserelements 1A in einem Band von 940nm durch die Erfinder nebeneinander lagen.
Es wird der Effekt beschrieben, der durch das Laserelement 1A der oben beschriebenen Ausführungsform erreicht werden kann. In dem Laserelement 1A umfasst die Phasenmodulationsschicht 15A die Basisschicht 15a und die Vielzahl der modifizierten Brechungsindexbereiche 15b mit modifizierten Brechungsindizes aus der Basisschicht 15a, wobei der Schwerpunkt G1 jedes der modifizierten Brechungsindexbereiche 15b so angeordnet ist, dass er vom Gitterpunkt O des virtuellen Quadratgitters entfernt ist, und die Richtung des Vektors vom Gitterpunkt O zum Schwerpunkt G1 für jeden der modifizierten Brechungsindexbereiche 15b individuell eingestellt ist. In diesem Fall ändert sich die Phase des Strahls entsprechend der Richtung des Vektors vom Gitterpunkt O zum Schwerpunkt G1, d.h. der Winkelposition des Schwerpunktes G1 um den Gitterpunkt O, wie vorstehend beschrieben. Das heißt, es ist möglich, die Phase des aus jedem der modifizierten Brechungsindexbereiche 15b zu emittierenden Strahls zu steuern, indem man nur die Position des Schwerpunktes G1 ändert und das Strahlmuster als Ganzes in einer gewünschten Form bildet. Das heißt, dieses Laserelement 1A ist der S-iPM-Laser und kann das optische Bild mit der zweidimensionalen beliebigen Form entlang der Richtung (Normalrichtung) senkrecht zur Lichtemissionsfläche 2b und der Richtung geneigt zur Normalrichtung ausgeben.
Im Laserelement 1A der vorliegenden Ausführungsform ist die DBR-Schicht 18 zwischen der aktiven Schicht 12 und der Phasenmodulationsschicht 15A und der Lichtreflexionsfläche 2a vorgesehen. Des Weiteren ist der Abstand zwischen der DBR-Schicht 18 und der Phasenmodulationsschicht 15A so eingestellt, dass sich das von der DBR-Schicht 18 reflektierte Licht B1a in Richtung der Lichtemissionsoberfläche 2b und das von der Phasenmodulationsschicht 15A direkt auf die Lichtemissionsoberfläche 2b gerichtete Licht B1b nullter Ordnung gegenseitig schwächen. Auf diese Weise erreichen gewünschte optische Bilder (das Licht erster Ordnung B2 und das negative Licht erster Ordnung B3) aus dem von der Phasenmodulationsschicht 15A ausgegebenen Licht leicht die Lichtemissionsoberfläche 2b, aber Komponenten des Lichtes nullter Ordnung B1 stören sich gegenseitig und schwächen sich gegenseitig und erreichen kaum die Lichtemissionsoberfläche 2b. Daher ist es möglich, das Licht B1 nullter Ordnung entsprechend dem Laserelement 1A der vorliegenden Ausführungsform angemessen aus dem Ausgang des Laserelements 1A zu entfernen.
(Erste Modifikation)
23 ist eine perspektivische Ansicht, die eine Konfiguration eines Laserelements 1B gemäß einer ersten Modifikation als Beispiel für das lichtemittierende Halbleiterelement gemäß der vorliegenden Ausführungsform darstellt. Das Laserelement 1B ist ein S-iPM-Laser, der eine stehende Welle entlang der X-Y-Ebene bildet und eine phasengesteuerte Planwelle in Richtung Z-Achse ausgibt. Das Laserelement 1B gibt ein optisches Bild beliebiger Form entlang einer Richtung aus, die in Bezug auf die Normalrichtung der Lichtemissionsfläche 2b (d.h. die Richtung der Z-Achse) geneigt ist, was der obigen Ausführungsform ähnlich ist.
Das Laserelement 1B umfasst die auf dem Halbleitersubstrat 10 vorgesehene aktive Schicht 12, ein Paar auf dem Halbleitersubstrat 10 vorgesehene und die aktive Schicht 12 umschließende Hüllschichten 21 und 23, die auf einem zentralen Bereich der Hüllschicht 23 vorgesehene Kontaktschicht 14 und die zwischen der aktiven Schicht 12 und der Hüllschicht 23 vorgesehene Phasenmodulationsschicht 15A. Unter ihnen sind die Konfigurationen des Halbleitersubstrats 10, der aktiven Schicht 12, der Kontaktschicht 14 und der Phasenmodulationsschicht 15A die gleichen wie bei dem in den vorstehend beschriebenen Beispiel in den 1 und 2 dargestellten. Wie in 24 dargestellt, kann die Phasenmodulationsschicht 15A zwischen der Hüllschicht 21 und der aktiven Schicht 12 vorgesehen sein.
Die Hüllschicht 23 hat die gleiche Konfiguration wie die Hüllschicht 13 des in 1 und 2 dargestellten Beispiels, jedoch ist keine DBR-Schicht vorgesehen. Die Hüllschicht 21 hat die gleiche Konfiguration wie die Hüllschicht 11 des in 1 und 2 dargestellten Beispiels, mit der Ausnahme, dass eine DBR-Schicht 28 vorgesehen ist. Die DBR-Schicht 28 hat die gleiche Konfiguration wie die DBR-Schicht 18 des in den 1 und 2 dargestellten Beispiels. Das heißt, die DBR-Schicht 28 wird durch abwechselndes Stapeln von zwei Schichttypen mit modifizierten Brechungsindizes gebildet und weist eine Transmissionscharakteristik in Bezug auf ein bestimmtes optisches Bild (das Licht erster Ordnung B2 und das negative Licht erster Ordnung B3) auf, das in der zur Z-Achse geneigten Richtung ausgegeben wird, und weist eine Reflexionscharakteristik in Bezug auf das entlang der Z-Achse ausgegebene Licht nullter Ordnung B1 unter den von der Phasenmodulationsschicht 15A erzeugten optischen Bildern auf. Die DBR-Schicht 28 der ersten Modifikation ist in der Hüllschicht 21 enthalten, die zwischen der aktiven Schicht 12 und der Phasenmodulationsschicht 15A vorgesehen ist, und die Lichtemissionsfläche 2b zwischen dem Paar der Hüllschichten 21 und 23. Insbesondere umfasst die Hüllschicht 21 einen Abschnitt 21b, der auf der Phasenmodulationsschicht 15A (oder der aktiven Schicht 12) gebildet ist, die DBR-Schicht 28, die auf dem Abschnitt 21b gebildet ist, und einen Abschnitt 21a, der auf der DBR-Schicht 28 gebildet ist. Im Übrigen kann einer der Abschnitte 21a und 21b bei Bedarf weggelassen werden. Des Weiteren fungiert die DBR-Schicht 28 als Umhüllung für das in der aktiven Schicht 12 zusammen mit der Umhüllungsschicht 21 erzeugte Licht.
25 ist eine schematische Ansicht, die eine Querschnittsstruktur des Laserelements 1B darstellt. Wie in der Zeichnung dargestellt, nähert sich ein Teil B1a des von der Phasenmodulationsschicht 15A ausgegebenen Lichts nullter Ordnung der Lichtreflexionsfläche 2a an. Dann kehrt das Licht B1a der Ordnung Null seine Richtung um, indem es von der Lichtreflexionsfläche 2a reflektiert wird und sich der Lichtemissionsfläche 2b nähert. Andererseits wird der Rest B1b des von der Phasenmodulationsschicht 15A ausgegebenen Lichts nullter Ordnung direkt auf die Lichtemissionsfläche 2b gerichtet. Dann erreichen die Lichtstrahlen B1a und B1b nullter Ordnung (d.h. der Lichtstrahl B1 nullter Ordnung) die DBR-Schicht 28. Da die DBR-Schicht 28 die Eigenschaft hat, das Licht B1 nullter Ordnung zu reflektieren, nimmt zu diesem Zeitpunkt eine Lichtintensität des Lichts B1 nullter Ordnung ab, das durch die DBR-Schicht 28 hindurchgeht. Andererseits durchlaufen die meisten der ersten Ordnung Licht B2 und die negative erste Ordnung Licht B3, die spezifische optische Bilder sind, die DBR-Schicht 28. Im Übrigen ist der Abstand zwischen der DBR-Schicht 18 und der Phasenmodulationsschicht 15A in den Beispielen der 1 und 2 definiert, aber ein Abstand zwischen der DBR-Schicht 28 und der Phasenmodulationsschicht 15A ist bei der ersten Modifikation nicht besonders begrenzt.
In dieser ersten Modifikation ist die DBR-Schicht 28 mit der Transmissionscharakteristik in Bezug auf die spezifischen optischen Bilder (das Licht erster Ordnung B2 und das negative Licht erster Ordnung B3) und der Reflexionscharakteristik in Bezug auf das Licht nullter Ordnung B1 zwischen der aktiven Schicht 12 und der Phasenmodulationsschicht 15A und der Lichtemissionsfläche 2b vorgesehen. Auf diese Weise durchlaufen die spezifischen optischen Bilder (das Licht erster Ordnung B2 und das negative Licht erster Ordnung B3) aus dem Licht der Phasenmodulationsschicht 15A die DBR-Schicht 28 und erreichen leicht die Lichtemissionsfläche 2b, wobei das Licht erster Ordnung durch die DBR-Schicht 28 abgeschirmt wird und kaum die Lichtemissionsfläche 2b erreicht. Daher kann das Licht B1 nullter Ordnung entsprechend dem Laserelement 1B der ersten Modifikation aus dem Ausgang des Laserelements 1B entfernt werden.
(Zweite Modifikation)
26 ist eine Draufsicht einer Phasenmodulationsschicht 15B in einem Laserelement gemäß einer zweiten Modifikation als Beispiel für das lichtemittierende Halbleiterelement gemäß der vorliegenden Ausführungsform. Eine Struktur des Laserelements nach der zweiten Modifikation ist die gleiche wie in den Beispielen in den 1, 2, 23 und 24 mit Ausnahme der Phasenmodulationsschicht 15B. Die Phasenmodulationsschicht 15B der zweiten Modifikation umfasst des Weiteren eine Vielzahl von modifizierten Brechungsindexbereichen 15c zusätzlich zur Konfiguration der Phasenmodulationsschicht 15A der oben beschriebenen Ausführungsform. Jeder der modifizierten Brechungsindexbereiche 15c umfasst eine periodische Struktur und besteht aus einem zweiten Brechungsindexmedium mit einem anderen Brechungsindex als dem des ersten Brechungsindexmediums der Basisschicht 15a. Jeder der modifizierten Brechungsindexbereiche 15c ist in jedem der modifizierten Brechungsindexbereiche 15b mit einer Eins-zu-Eins-Korrespondenz versehen. Ein Schwerpunkt G2 jedes der modifizierten Brechungsindexbereiche 15c fällt mit einem Gitterpunkt O (der Mittelpunkt jedes der Einheitsbestandteile R) eines virtuellen quadratischen Gitters zusammen. Eine planare Form des modifizierten Brechungsindexbereichs 15c ist beispielsweise kreisförmig. Ähnlich wie der modifizierte Brechungsindexbereich 15b kann der modifizierte Brechungsindexbereich 15c ein Loch sein oder durch Einbetten eines Verbindungshalbleiters in das Loch gebildet werden. So ist es beispielsweise möglich, die Auswirkungen der obigen Ausführungsform auch bei der Konfiguration der Phasenmodulationsschicht wie bei der zweiten Modifikation angemessen darzustellen.
(Dritte Modifikation)
Die 27A bis 27C, 28A und 28B sind Draufsichten, die Beispiele für eine Form des modifizierten Brechungsindexbereichs 15b in der X-Y-Ebene zeigen. In den in 27A dargestellten Beispielen (Muster 1 bis 5) weist die Form des modifizierten Brechungsindexbereichs 15b in der X-Y-Ebene eine Rotationssymmetrie auf. Das heißt, die Form jedes der modifizierten Brechungsindexbereiche in der X-Y-Ebene ist ein perfekter Kreis (Muster 1), ein Quadrat (Muster 2), ein normales Sechseck (Muster 3), ein normales Achteck (Muster 4) oder ein normales Sechseck (Muster 5). Im Vergleich zu einer rotationssymmetrischen Figur hat die Figur in 27A auch bei einer Verschiebung des Musters in Drehrichtung weniger Einfluss und es ist somit möglich, die Musterung mit hoher Genauigkeit durchzuführen.
In den in 27B dargestellten Beispielen (Muster 1 bis 3) weist die Form jedes der modifizierten Brechungsindexbereiche in der X-Y-Ebene eine Spiegelbild-Symmetrie (Liniensymmetrie) auf. Das heißt, die Form jedes der modifizierten Brechungsindexbereiche in der X-Y-Ebene ist ein Rechteck (Muster 1), eine Ellipse (Muster 2), eine Form, in der sich zwei Kreise oder Ellipsen teilweise überlappen (Muster 3). Der Gitterpunkt O des virtuellen quadratischen Gitters liegt außerhalb dieser modifizierten Brechungsindexbereiche. Im Vergleich zur rotationsasymmetrischen Figur ist es möglich, eine Position eines Liniensegments, das als Referenz für die Liniensymmetrie mit der Figur in 27B dient, eindeutig zu kennen und somit eine Musterung mit hoher Genauigkeit durchzuführen.
In den Beispielen (Muster 1 bis 3), die in 27C ist die Form jedes der modifizierten Brechungsindexbereiche in der X-Y-Ebene ein Trapez (Muster 1), eine Form, die so verformt ist, dass ein Maß in der Kurzachsenrichtung in der Nähe eines Endabschnitts entlang einer Längsachse einer Ellipse kleiner ist als ein Maß in der Kurzachsenrichtung in der Nähe des anderen Endabschnitts (eine Eiform: Muster 2), oder eine Form (eine Tränenform: Muster 3), in der ein Endabschnitt entlang der Längsachse einer Ellipse zu einem geschärften Endabschnitt verformt wird, der entlang der Längsachse vorsteht. Der Gitterpunkt O des virtuellen quadratischen Gitters liegt außerhalb, dieser modifizierten Brechungsindexbereiche. Auch mit der Figur der 27C kann eine Phase eines Balkens verändert werden, indem eine Position des Schwerpunktes des modifizierten Brechungsindexbereichs um den Abstand r vom Gitterpunkt O des virtuellen Quadratgitters verschoben wird.
In den in 28A dargestellten Beispielen (Muster 1 bis 3) weist die Form jedes der modifizierten Brechungsindexbereiche in der X-Y-Ebene eine Spiegelbild-Symmetrie (Liniensymmetrie) auf. Das heißt, die Form jedes der modifizierten Brechungsindexbereiche in der X-Y-Ebene ist ein Rechteck (Muster 1), eine Ellipse (Muster 2), eine Form, in der sich zwei Kreise oder Ellipsen teilweise überlappen (Muster 3). Der Gitterpunkt O des virtuellen quadratischen Gitters befindet sich innerhalb dieser modifizierten Brechungsindexbereiche. Im Vergleich zur rotationsasymmetrischen Figur ist es möglich, eine Position eines Liniensegments, das als Referenz für die Liniensymmetrie mit der Figur in 28A dient, eindeutig zu kennen und somit eine Musterung mit hoher Genauigkeit durchzuführen. Da der Abstand r zwischen dem Gitterpunkt O des virtuellen quadratischen Gitters und der Position des Schwerpunktes des modifizierten Brechungsindexbereichs klein ist, ist es außerdem möglich, das Auftreten von Rauschen eines Strahlmusters zu reduzieren.
In den Beispielen (Beispiele 1 bis 4), die in 28B ist die Form jedes der modifizierten Brechungsindexbereiche in der X-Y-Ebene ein rechteckiges gleichschenkliges Dreieck (Muster 1), ein Trapez (Muster 2), eine Form, die so verformt ist, dass ein Maß in der Kurzachsenrichtung in der Nähe eines Endabschnitts entlang einer Längsachse einer Ellipse kleiner ist als ein Maß in der Kurzachsenrichtung in der Nähe des anderen Endabschnitts (eine Eiform): Muster 3), oder eine Form (eine Tränenform: Muster 4), in der ein Endabschnitt entlang der Längsachse einer Ellipse zu einem geschärften Endabschnitt verformt wird, der entlang der Längsachse vorsteht. Der Gitterpunkt O des virtuellen quadratischen Gitters befindet sich innerhalb dieser modifizierten Brechungsindexbereiche. Auch mit der Figur der 28B kann eine Phase eines Balkens verändert werden, indem eine Position des Schwerpunktes des modifizierten Brechungsindexbereichs um den Abstand r vom Gitterpunkt O des virtuellen quadratischen Gitters verschoben wird. Da der Abstand r zwischen dem Gitterpunkt O des virtuellen quadratischen Gitters und der Position des Schwerpunktes des modifizierten Brechungsindexbereichs klein ist, ist es außerdem möglich, das Auftreten von Rauschen eines Strahlmusters zu reduzieren.
(Vierte Modifikation)
29 ist eine Ansicht, die eine Konfiguration einer lichtemittierenden Vorrichtung 2A mit einer Vielzahl von lichtemittierenden Halbleiterelementen als vierte Modifikation des lichtemittierenden Halbleiterelements gemäß der vorliegenden Ausführungsform darstellt. Diese lichtemittierende Vorrichtung 2A umfasst ein Trägersubstrat 6, eine Vielzahl von Laserelementen 1A, die ein- oder zweidimensional auf dem Trägersubstrat 6 angeordnet sind, und eine Treiberschaltung 4, die die Vielzahl von Laserelementen 1A einzeln steuert. Als Beispiel ist die Konfiguration jedes der Laserelemente 1A die gleiche wie in dem oben beschriebenen Beispiel in 1 und 2. Allerdings umfasst jedes der Vielzahl von Laserelementen 1A ein Laserelement, das ein optisches Bild eines roten Wellenlängenbereichs ausgibt, ein Laserelement, das ein optisches Bild eines blauen Wellenlängenbereichs ausgibt, und ein Laserelement, das ein optisches Bild eines grünen Wellenlängenbereichs ausgibt. Das Laserelement, das das optische Bild des roten Wellenlängenbereichs ausgibt, besteht beispielsweise aus einem Halbleiter auf GaAs-Basis. Jedes der Laserelemente, das das optische Bild des blauen Wellenlängenbereichs und das Laserelement, das das optische Bild des grünen Wellenlängenbereichs ausgibt, besteht beispielsweise aus einem Halbleiter auf Nitridbasis. Die Treiberschaltung 4 ist auf einer Rückseite oder der Innenseite des Trägersubstrats 6 vorgesehen und treibt jedes der Laserelemente 1A einzeln an. Die Treiberschaltung 4 versorgt jedes der Laserelemente 1A gemäß einer Anweisung einer Steuerschaltung 7 mit einem Steuerstrom.
Da wie bei der vierten Modifikation nur ein bestimmtes optisches Bild aus der Vielzahl der einzeln angesteuerten Laserelemente 1A extrahiert wird, ist es möglich, eine Head-up-Anzeige oder dergleichen durch entsprechendes Ansteuern der benötigten Elemente bezüglich eines Moduls, in dem die einer Vielzahl von Mustern entsprechenden Laserelemente im Voraus angeordnet sind, entsprechend zu realisieren. Darüber hinaus umfasst jedes der Vielzahl von Laserelementen 1A eines der Laserelemente, das das optische Bild des roten Wellenlängenbereichs ausgibt, wobei das Laserelement das optische Bild des blauen Wellenlängenbereichs ausgibt und das Laserelement das optische Bild des grünen Wellenlängenbereichs wie bei der vierten Modifikation ausgibt, wobei es möglich ist, eine Farbvorausstellungsanzeige und dergleichen entsprechend zu realisieren.
(Erstes spezifisches Beispiel)
30 ist eine Ansicht, die eine bestimmte Stapelstruktur eines Laserelements als Beispiel für die vorliegende Ausführungsform veranschaulicht (das in 1 und 2 dargestellte Beispiel). Dieses Laserelement besteht aus einem GaAs-basierten Verbindungshalbleiter und umfasst: ein n-Typ GaAs-Substrat, das als Halbleitersubstrat 10 dient; eine n-Typ AlGaAs-Schicht (AI-Zusammensetzung: 40%, Dicke: 2.0µm), die als Hüllschicht 11 dient; eine i-Typ InGaAs/AIGaAs-Schicht (Dicke: 225nm), die als aktive Schicht 12 dient; eine i-Typ GaAs-Schicht (der modifizierte Brechungsindexbereich 15b ist ein Loch, Dicke: 250nm, FF = 15%), die als Phasenmodulationsschicht 15A dient; eine p-Typ AlGaAs-Schicht (AI-Zusammensetzung: 70%, Dicke): 200nm), die als Abschnitt 13a der Hüllschicht 13 dient; eine p-artige GaAs/AIGaAs-Schicht, die als DBR-Schicht 18 dient; eine p-artige AlGaAs-Schicht (AI-Zusammensetzung: 70%, Dicke: 200nm), die als Abschnitt 13b der Hüllschicht 13 dient; und eine p-artige GaAs-Schicht (Dicke: 100nm), die als Kontaktschicht 14 dient.
Die p-artige GaAs/AIGaAs-Schicht, die als DBR-Schicht 18 dient, ist als elf Paare konfiguriert, wobei das Paar einer GaAs-Schicht (Brechungsindex: 3,55), die als Schicht 18a dient (siehe 21) und einer AIGaAs-Schicht (AI-Zusammensetzung: 95%, Brechungsindex: 2,99), die als Schicht 18b dient (insgesamt 22 Schichten), aufeinander gestapelt sind. Infolgedessen betrug die Dicke der p-Typ GaAs/AIGaAs-Schicht 1592nm. Eine Emissionswellenlänge λ der i-Typ InGaAs/AIGaAs-Schicht, die als aktive Schicht 12 dient, wurde auf 940nm eingestellt, und die Schichtdicken der Schichten 18a und 18b in Bezug auf den TE-Modus (S-Welle) der Emissionswellenlänge waren 66,1 nm bzw. 78,6nm. 31 ist ein Diagramm, das eine Änderung eines Reflexionsgrades gemäß einer Änderung eines Einfallswinkels in der p-Typ-GaAs/AIGaAs-Schicht von 30 darstellt. Wie in diesem Diagramm dargestellt, ist der Reflexionsgrad hoch und überschreitet in einem vorgegebenen Bereich D1, in dem ein Einfallswinkel nahe 0° liegt, deutlich 90%. Andererseits ist der Reflexionsgrad niedrig und liegt in einem vorgegebenen Bereich D2, in dem der Einfallswinkel weit von 0° entfernt ist, deutlich unter 20%. Daher wird das Licht B1 nullter Ordnung reflektiert, aber das Licht B2 erster Ordnung und das negative Licht B3 erster Ordnung können entsprechend der DBR-Schicht 18 entsprechend übertragen werden. Zu diesem Zeitpunkt nähert sich der Teil B1a des von der Phasenmodulationsschicht 15A ausgegebenen Lichts nullter Ordnung der DBR-Schicht 18, wie in der Beschreibung von 20 beschrieben. Dann kehrt das Licht B1a der Ordnung Null seine Richtung um, indem es von der DBR-Schicht 18 reflektiert wird und auf die Lichtemissionsfläche 2b gerichtet ist. Andererseits wird der Rest B1b des von der Phasenmodulationsschicht 15A emittierten Lichts nullter Ordnung direkt auf die Lichtemissionsfläche 2b gerichtet. Zu diesem Zeitpunkt, da das Licht B1a nullter Ordnung und das Licht B1b nullter Ordnung, die verschiedene optische Pfade durchlaufen haben, in die gleiche Richtung vorrücken, stören sich das Licht B1a nullter Ordnung und das Licht B1b nullter Ordnung gegenseitig. In der vorliegenden Ausführungsform schwächen sich das Licht nullter Ordnung B1a und das Licht nullter Ordnung B1b gegenseitig ab, da das Intervall zwischen der Phasenmodulationsschicht 15A und der DBR-Schicht 18 durch die Formel (11) oder die obige „Intervalleinstellung“ definiert ist und es somit möglich ist, die Emission des Lichts nullter Ordnung als Ganzes zu unterdrücken. Zu diesem Zeitpunkt ist eine Reflexion des bei einem Einfallswinkel von 0° auf die DBR-Schicht 18 einfallenden Lichtes B1a nullter Ordnung höher als 90%, so dass das Licht der nullten Ordnung von 90% oder mehr durch eine schwächere Störung mit dem Licht B1b nullter Ordnung geschwächt werden kann.
32 veranschaulicht eine Brechungsindexverteilung G11a und eine Verteilung des elektrischen Feldmodus G11b eines Laserelements, das zum Zeitpunkt des Bestimmens einer Struktur der als DBR-Schicht 18 dienenden p-artigen GaAs/AIGaAs-Schicht verwendet wird. Die horizontale Achse stellt eine Position in Stapelrichtung dar, und ein Bereich davon ist 5.0µm. Im ersten konkreten Beispiel wird die aktive Schicht 12 als eine einzelne Schicht mit einer durchschnittlichen Dielektrizitätskonstante und einer Gesamtschichtdicke betrachtet, und die Phasenmodulationsschicht 15A wird als eine einzelne Schicht mit einer durchschnittlichen Dielektrizitätskonstante betrachtet, um die Berechnung zu vereinfachen.
Eine Berechnungsformel aus einer durchschnittlichen Dielektrizitätskonstante N_Active und einer Gesamtschichtdicke D_Active der aktiven Schicht 12 ist durch die folgende Formel (12) gegeben. Im Übrigen ist i eine Schichtnummer (i = is1, ...., ie1), Ni ein Brechungsindex einer i-ten Schicht und di eine Filmdicke der i-ten Schicht. $N_{A c t i v e} = \sqrt{\frac{\sum_{i = l s 1}^{i e 1} d_{I} \cdot N_{I}^{2}}{\sum_{i = i s 1}^{i e 1} d_{I}}}$
$D_{A c t i v e} = \sum_{i = i s 1}^{i e 1} d_{I}$
Im hergestellten Laserelement nach dem ersten spezifischen Beispiel, die durchschnittliche Dielektrizitätskonstante N_Active = 3,46 und die Gesamtschichtdicke D_Active = 225nm.
Eine Berechnungsformel für eine durchschnittliche Dielektrizitätskonstante NPM der Phasenmodulationsschicht 15A ist durch die folgende Formel (13) gegeben. FF ist ein Füllfaktor, NGaAs ist ein Brechungsindex der Basisschicht 15a und NAir ist ein Brechungsindex des modifizierten Brechungsindexbereichs 15b. $N_{P M} = \sqrt{F F \cdot N_{A i r}^{2} + (1 - F F) \cdot N_{G a A s}^{2}}$
Im hergestellten Laserelement nach dem ersten konkreten Beispiel sind der Füllfaktor FF = 15%, N_GaAs = 3,55, N_Air= 1 und die durchschnittliche Dielektrizitätskonstante NPM = 3,30.
(Zweites spezifisches Beispiel)
33 ist eine Ansicht, die eine spezifische Stapelstruktur eines Laserelements gemäß einer ersten Modifikation veranschaulicht. Dieses Laserelement besteht aus einem GaAs-basierten Verbindungshalbleiter und umfasst: ein n-Typ GaAs-Substrat, das als Halbleitersubstrat 10 dient; eine n-Typ AlGaAs-Schicht (AI-Zusammensetzung: 40%, Dicke: 200nm), die als Abschnitt 21a der Hüllschicht 21 dient; eine n-Typ GaAs/AIGaAs-Schicht, die als DBR-Schicht 28 dient; eine n-Typ AlGaAs-Schicht (AI-Zusammensetzung: 40%, Dicke: 200nm), die als Abschnitt 21b der Hüllschicht 21 dient; eine i-Typ InGaAs/AIGaAs-Schicht (Dicke: 225nm), die als aktive Schicht 12 dient; eine i-Typ GaAs-Schicht (der modifizierte Brechungsindexbereich 15b ist ein Loch, Dicke: 250nm, FF = 15%), die als Phasenmodulationsschicht 15A dient; eine p-Typ AlGaAs-Schicht (AI-Zusammensetzung: 70%, Dicke: 2.0µm), die als Hüllschicht 23 dient; und eine p-artige GaAs-Schicht (Dicke 100nm), die als Kontaktschicht 14 dient. Im Übrigen ist eine Konfiguration der n-Typ GaAs/AIGaAs-Schicht als DBR-Schicht 28 die gleiche wie die der ersten Ausführungsform.
34 ist ein Diagramm, das eine Änderung eines Reflexionsgrades gemäß einer Änderung eines Einfallswinkels in der n-Typ-GaAs/AIGaAs-Schicht von 33 darstellt. Wie in diesem Diagramm dargestellt, ist der Reflexionsgrad hoch und überschreitet deutlich 90% in einem vorbestimmten Bereich D3, in dem ein Einfallswinkel nahe 0° liegt. Andererseits ist der Reflexionsgrad niedrig und liegt in einem vorgegebenen Bereich D4, in dem der Einfallswinkel weit von 0° entfernt ist, deutlich unter 20%. Daher wird das Licht B1 nullter Ordnung reflektiert, aber das Licht B2 erster Ordnung und das negative Licht B3 erster Ordnung können entsprechend der DBR-Schicht 28 entsprechend übertragen werden.
35 veranschaulicht eine Brechungsindexverteilung G21a und eine Verteilung des elektrischen Feldmodus G21b eines Laserelements, das zum Zeitpunkt des Bestimmens einer Struktur der als DBR-Schicht 28 dienenden n-Typ-GaAs/AIGaAs-Schicht verwendet wird. Die horizontale Achse stellt eine Position in Stapelrichtung dar, und ein Bereich davon ist 5.0µm. Auch im zweiten spezifischen Beispiel wird die aktive Schicht 12 als eine einzelne Schicht mit einer durchschnittlichen Dielektrizitätskonstante und einer Gesamtschichtdicke betrachtet, und die Phasenmodulationsschicht 15A wird als eine einzelne Schicht mit einer durchschnittlichen Dielektrizitätskonstante betrachtet, um die Berechnung zu vereinfachen.
Das Halbleiter-Leuchtmittel gemäß der Ausführungsform ist nicht auf die oben beschriebenen Ausführungsformen beschränkt, und es können verschiedene andere Modifikationen vorgenommen werden. So wurde beispielsweise das Laserelement, das aus den Halbleitern von GaAs-Basis-, InP-Basis- und Nitrid-Basis-Verbindungen (insbesondere GaN-Basis-Verbindungen) besteht, in den oben beschriebenen Beispielen der 1 und 2 veranschaulicht und das erste und zweite spezifische Beispiel, die Erfindung kann auf Laserelemente angewendet werden, die aus verschiedenen Halbleitermaterialien bestehen, die von diesen Materialien verschieden sind.
Bezugszeichenliste
1A, 1B... Laserelement; 2A... lichtemittierende Vorrichtung; 2a.... Lichtreflexionsfläche; 2b.... Lichtemissionsfläche; 4... Treiberschaltung; 6... Trägersubstrat; 7... Steuerschaltung; 10... Halbleitersubstrat; 11, 13, 21, 23 .... Hüllschicht; 12 .... aktive Schicht; 14... Kontaktschicht; 15A, 15B... Phasenmodulationsschicht; 15a... Basisschicht; 15b, 15c... modifizierter Brechungsindexbereich; 16, 17... Elektrode; 17a... Öffnung 18, 28DBR-Schicht; 19 .... Antireflexionsfilm; B1.... Licht nullter Ordnung; B2.... Licht erster Ordnung; B3... negatives Licht erster Ordnung; Ez.... Verteilung des elektrischen Feldmodus; G1, G2... Schwerpunkt; O... Gitterpunkt; R... Einheitsbestandteilbereich; RIN... innerer Bereich; und ROUT ... äußerer Bereich.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

Y. Kurosaka et al. offenbart: „Effects of non-lasing band in two-dimensional photonic-crystal lasers clarified using omnidirectional band structure“, Opt. Express 20, 21773 -21783 (2012). [0019]
K. Sakai et al., „Coupled-Wave Theory for Square-Lattice Photonic Crystal Lasers With TE Polarization, IEEE J. Q. E. 46, 788-795 (2010 [0076]
C. Peng, et al., „ Coupled-wave analysis for photonic-crystal surface-emitting lasers on air holes with arbitrary sidewalls“, Optics. Express 19, 24672-24686 (2011 [0084]

Claims

Lichtemittierendes Halbleiterelement, das eine Lichtemissionsfläche und eine der Lichtemissionsfläche zugewandte Lichtreflexionsfläche aufweist und ein optisches Bild beliebiger Form entlang einer Normalenrichtung der Lichtemissionsfläche und einer geneigten Richtung mit vorbestimmter Neigung und Spreizwinkel gegenüber der Normalenrichtung ausgibt, wobei das lichtemittierende Halbleiterelement umfasst: eine aktive Schicht, die zwischen der Lichtemissionsfläche und der Lichtreflexionsfläche angeordnet ist; eine erste Hüllschicht, die zwischen der Lichtemissionsoberfläche und der aktiven Schicht angeordnet ist; eine zweite Hüllschicht, die zwischen der Lichtreflexionsfläche und der aktiven Schicht angeordnet ist; und eine Phasenmodulationsschicht, die zwischen der ersten Hüllschicht und der aktiven Schicht oder zwischen der zweiten Hüllschicht und der aktiven Schicht angeordnet ist, wobei jede der ersten und zweiten Hüllschichten eine verteilte Bragg-Reflektorschicht umfasst, die eine Transmissionscharakteristik in Bezug auf ein spezifisches optisches Bild aufweist, das entlang der geneigten Richtung ausgegeben wird, und eine Reflexionscharakteristik in Bezug auf Licht nullter Ordnung aufweist, das entlang der Normalenrichtung ausgegeben wird, wobei die Phasenmodulationsschicht eine Basisschicht und eine Vielzahl von modifizierten Brechungsindexbereichen umfasst, von denen jeder einen Brechungsindex aufweist, der sich von einem Brechungsindex der Basisschicht unterscheidet, und wobei die Phasenmodulationsschicht so konfiguriert ist, dass: wobei in einem orthogonalen XYZ-Koordinatensystem, das durch eine Z-Achse definiert ist, die mit der Normalrichtung übereinstimmt, und die X-Y-Ebene, die X- und Y-Achsen umfasst, die orthogonal zueinander und mit einer Oberfläche der Phasenmodulationsschicht übereinstimmen, die die Vielzahl der modifizierten Brechungsindexbereiche umfasst, ein virtuelles quadratisches Gitter, das aus M1 (einer ganzen Zahl von eins oder mehr) × N1 (einer ganzen Zahl von eins oder mehr) Komponentenbereichen R mit jeweils einer quadratischen Form besteht, auf der X-Y-Ebene eingestellt ist, in dem Einheitsbestandteilbereich R(x, y) auf einer X-Y-Ebene, die durch eine Koordinatenkomponente x (eine ganze Zahl zwischen eins und M1) in einer X-Achsenrichtung und eine Koordinatenkomponente y (eine ganze Zahl zwischen eins und N1) in einer Y-Achsenrichtung spezifiziert ist, ein Schwerpunkt G1 des modifizierten Brechungsindexbereichs, der in einem Einheitsbestandteilbereich R(x, y) positioniert ist, von einem Gitterpunkt O(x, y) entfernt ist, der ein Mittelpunkt des Einheitsbestandteilbereichs R(x, y) ist, und ein Vektor in einer bestimmten Richtung auf den Schwerpunkt G1 vom Gitterpunkt O(x, y) gerichtet ist.
Lichtemittierendes Halbleiterelement nach Anspruch 1, wobei die zweite Hüllschicht die verteilte Bragg-Reflektorschicht umfasst, und ein Abstand zwischen der verteilten Bragg-Reflektorschicht und der Phasenmodulationsschicht so eingestellt ist, dass sich eine Komponente des Lichts nullter Ordnung in Richtung der Lichtemissionsoberfläche nach der Reflexion durch die verteilte Bragg-Reflektorschicht und eine Komponente des Lichts nullter Ordnung, das direkt auf die Lichtemissionsoberfläche von der Phasenmodulationsschicht gerichtet ist, gegenseitig schwächen.
Lichtemittierendes Halbleiterelement nach Anspruch 1 oder 2, wobei, wenn eine Gitterkonstante des virtuellen quadratischen Gitters a ist, ein Abstand r zwischen dem Schwerpunkt G1 des modifizierten Brechungsindexbereichs, der innerhalb des Einheitsbestandteilbereichs R(x, y) angeordnet ist, und dem Gitterpunkt O(x, y) 0 ≤ r ≤ 0.3a erfüllt.
Lichtemittierendes Halbleiterelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei in einem Zustand, in dem die folgende erste bis sechste Bedingung erfüllt sind: wobei die erste Bedingung definiert ist, dass die Koordinaten (x, y, z) im orthogonalen XYZ-Koordinatensystem die Beziehungen erfüllen, die durch die folgenden Formeln (1) bis (3) in Bezug auf die sphärischen Koordinaten (d1, θ_tilt, θ_rot) dargestellt werden, die durch eine Länge d1 eines Radiusvektors, einen Neigungswinkel θ_tilt von der Z-Achse und einen Drehwinkel θ_rot von der auf der X-Y-Ebene angegebenen X-Achse definiert sind: $x = d 1 sin θ_{t i l t} cos θ_{rot}$
$y = d 1 sin θ_{t i l t} sin θ_{rot}$
$z = d 1 cos θ_{t i l t}$
wobei die zweite Bedingung definiert ist, dass das Lassen eines Strahlmusters, das dem optischen Bild entspricht, das vom lichtemittierenden Halbleiterelement ausgegeben wird, ein Satz von hellen Flecken ist, die in Richtungen gerichtet sind, die durch die Winkel θ_tilt und θ_rot definiert sind, die Winkel θ_tilt und θ_rot in einen Koordinatenwert kx umgewandelt werden, der eine normierte Wellenzahl ist, die durch eine folgende Formel (4) definiert ist, auf einer Kx-Achse, die der X-Achse entspricht, und einem Koordinatenwert ky, der eine normierte Wellenzahl ist, die durch eine folgende Formel (5) definiert ist, auf einer Ky-Achse, die der Y-Achse entspricht und orthogonal zur Kx-Achse ist: $k_{x} = \frac{α}{λ} sin θ_{t i l t} cos θ_{r o t}$
$k_{y} = \frac{α}{λ} sin θ_{t i l t} sin θ_{r o t}$
a: Gitterkonstante des virtuellen quadratischen Gitters λ: Schwingungswellenlänge des lichtemittierenden Halbleiterelements; wobei die dritte Bedingung definiert ist, dass ein spezifischer Wellenzahlraum einschließlich des Strahlmusters aus M2 (einer ganzen Zahl von eins oder mehr) × N2 (einer ganzen Zahl von eins oder mehr) Bildbereichen FR besteht, die jeweils eine quadratische Form in einem Wellenzahlraum aufweisen, der durch die Kx-Achse und die Ky-Achse definiert ist; wobei die vierte Bedingung definiert ist, dass im Wellenzahlraum eine komplexe Amplitude F(x, y, die durch eine zweidimensionale inverse Fouriertransformation jedes Bildbereichs FR(kx, ky) erhalten wird, spezifiziert durch die Koordinatenkomponente kx (eine ganze Zahl zwischen eins und M2) in der Kx-Achsenrichtung und die Koordinatenkomponente ky (eine ganze Zahl zwischen eins und N2) in der Ky-axisrichtung, an den Einheitsbestandteilsbereich R(x, y) in der X-Y-Ebene, gegeben ist durch eine folgende Formel (6) mit j als imaginäre Einheit: $F (x, y) = \sum_{k_{x} = 1}^{M 2} \sum_{k_{y} = 1}^{N 2} F R (k_{x}, k_{y}) exp [j 2 π (k_{x} x + k_{y} y)]$
die fünfte Bedingung, die definiert ist, dass die komplexe Amplitude F(x, y) durch eine folgende Formel (7) definiert ist, wobei ein Amplituden-Term A(x, y) und ein Phasen-Term P(x, y) in dem Einheitsbestandteilbereich R(x, y) ist: $F (x, y) = A (x, y) \times exp [j P (x, y)]$
und die sechste Bedingung, die definiert ist, dass der Einheitsbestandteilbereich R(x, y) durch eine s-Achse und eine t-Achse definiert ist, die parallel zur X-Achse und der Y-Achse und orthogonal zueinander am Gitterpunkt O(x, y) sind, wobei die Phasenmodulationsschicht so konfiguriert ist, dass: in einem Zustand, in dem eine Liniensegmentlänge r(x, y) vom Gitterpunkt O(x, y) zum Schwerpunkt G1 des entsprechenden modifizierten Brechungsindexbereichs auf einen gemeinsamen Wert in jedem der M1 × N1-Einheitsbestandteilebereiche R, einen Winkel φ(x, y), der durch ein Liniensegment gebildet wird, das den Gitterpunkt O(x, y) und den Schwerpunkt G1 des entsprechenden modifizierten Brechungsindexbereichs verbindet, eingestellt ist, und die s-Achse eine durch die folgende Formel ausgedrückte Beziehung erfüllt: $φ (x, y) = C \times P (x, y) + B$
C: eine proportionale Konstante B: eine beliebige Konstante, und der entsprechende modifizierte Brechungsindexbereich im Einheitsbestandteilbereich R(x, y) angeordnet ist.
Lichtemittierende Vorrichtung, umfassend: eine Vielzahl von lichtemittierenden Halbleiterelementen, die jeweils eine identische Struktur wie das lichtemittierende Halbleiterelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4 aufweisen; und eine Treiberschaltung, die konfiguriert ist, um die Vielzahl von lichtemittierenden Halbleiterelementen einzeln anzusteuern.
Lichtemittierende Vorrichtung nach Anspruch 5, wobei jedes der Vielzahl von lichtemittierenden Halbleiterelementen eines der lichtemittierenden Halbleiterelemente umfasst, das das optische Bild eines roten Wellenlängenbereichs ausgibt, ein lichtemittierendes Halbleiterelement, das das optische Bild eines blauen Wellenlängenbereichs ausgibt, und ein lichtemittierendes Halbleiterelement, das das das optische Bild eines grünen Wellenlängenbereichs ausgibt.