DE112018001611T5

DE112018001611T5 - Lichtemittierendes halbleiterelement und verfahren zur herstellung eines lichtemittierenden halbleiterelements

Info

Publication number: DE112018001611T5
Application number: DE112018001611.0T
Authority: DE
Inventors: Takahiro Sugiyama; Yuu Takiguchi; Yoshitaka Kurosaka; Kazuyoshi Hirose; Yoshiro Nomoto; Soh UENOYAMA
Original assignee: Hamamatsu Photonics KK
Current assignee: Hamamatsu Photonics KK
Priority date: 2017-03-27
Filing date: 2018-03-26
Publication date: 2020-01-16
Also published as: JPWO2018181202A1; JP7089504B2; WO2018181202A1; CN110383610A

Abstract

Die vorliegende Ausführungsform bezieht sich auf ein einzelnes lichtemittierendes Halbleiterelement mit einer Vielzahl von lichtemittierenden Abschnitten, von denen jeder in der Lage ist, Licht mit einem gewünschten Strahlprojektionsmuster zu erzeugen, und ein Verfahren zur Herstellung des lichtemittierenden Halbleiterelements. In dem lichtemittierenden Halbleiterelement werden eine aktive Schicht und eine Phasenmodulationsschicht auf einer gemeinsamen Substratschicht gebildet, und die Phasenmodulationsschicht enthält mindestens eine Vielzahl von Phasenmodulationsbereichen, die entlang der gemeinsamen Substratschicht angeordnet sind. Die Vielzahl von Phasenmodulationsbereichen wird durch Trennen der Phasenmodulationsschicht in eine Vielzahl von Stellen nach Herstellung der Phasenmodulationsschicht erhalten, und als Ergebnis kann das lichtemittierende Halbleiterelement, das mit einer Vielzahl von lichtemittierenden Abschnitten versehen ist, die genau ausgerichtet wurden, durch einen einfachen Herstellungsprozess im Vergleich zum Stand der Technik erhalten werden.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein lichtemittierendes Halbleiterelement und ein Verfahren zur Herstellung des lichtemittierenden Halbleiterelements.
Stand der Technik
Ein in Patentdokument 1 beschriebenes lichtemittierendes Halbleiterelement enthält eine aktive Schicht und eine Phasenmodulationsschicht, die optisch mit der aktiven Schicht gekoppelt ist. Die Phasenmodulationsschicht weist eine Basisschicht und eine Vielzahl von modifizierten Brechungsindexbereichen auf, die in der Basisschicht angeordnet sind. Das in Patentdokument 1 beschriebene lichtemittierende Halbleiterelement emittiert Licht eines Strahlmusters (Strahlprojektionsmuster), das einem Anordnungsmuster aus einer Vielzahl von modifizierten Brechungsindexbereichen entspricht. Das heißt, das Anordnungsmuster der Vielzahl von modifizierten Brechungsindexbereichen wird entsprechend dem Zielstrahlmuster eingestellt. Das Patentdokument 1 beschreibt auch ein Anwendungsbeispiel für ein solches lichtemittierendes Halbleiterelement. In dem vorstehend beschriebenen Anwendungsbeispiel sind eine Vielzahl von lichtemittierenden Halbleiterelementen, die jeweils unterschiedliche Richtungen von Laserstrahlen emittieren, ein- oder zweidimensional auf einer Trägerplatte angeordnet. Weiterhin ist das obige Anwendungsbeispiel so konfiguriert, dass ein Objekt durch einen Laserstrahl abgetastet wird, indem die Vielzahl der angeordneten lichtemittierenden Halbleiterelemente nacheinander beleuchtet wird. Das obige Anwendungsbeispiel wird angewendet zur Messung eines Abstandes zu einem Objekt, zur Laserbearbeitung des Objekts und dergleichen durch Abtasten des Objekts mit einem Laserstrahl.
Zitatliste
Patentliteratur
Patentdokument 1: WO 2016/148075 A
Nicht-Patentliteratur

Nicht-Patentdokument 1: Y. Kurosaka et al., „Effects of non-lasing band in two-dimensional photonic-crystal lasers clarified using omnidirectional band structure", Opt. Express 20, 21773 -21783 (2012).
Nicht-Patentdokument 2: K. Sakai et al., „Coupled-Wave Theory for Square-Lattice Photonic Crystal Lasers with TE Polarization", IEEE J. Q. E. 46, 788-795 (2010).
Nicht-Patentdokument 3: Peng, et al., „Coupled-wave analysis for photonic-crystal surface-emitting lasers on air holes with arbitrary sidewalls", Optics Express Vol. 19, Nr. 24, S. 24672-24686 (2011).

Zusammenfassung der Erfindung
Technische Aufgabe
Durch die Untersuchung der konventionellen lichtemittierenden Halbleiterelemente haben die Erfinder folgende Probleme festgestellt. Das heißt, in dem in Patentdokument 1 beschriebenen Anwendungsbeispiel ist es notwendig, die Vielzahl der lichtemittierenden Halbleiterelemente auf der Trägerplatte mit hoher Genauigkeit anzuordnen. Dies ist nicht einfach, so dass es nicht einfach ist, die Bestrahlung von Licht eines gewünschten Strahlprojektionsmusters in Bezug auf einen gewünschten Strahlprojektionsbereich mit hoher Genauigkeit zu realisieren. Darüber hinaus besteht sogar ein Risiko, dass ein Herstellungsprozess kompliziert wird, da ein Schritt zum Anordnen einer Vielzahl von lichtemittierenden Halbleiterelementen auf einer Trägerplatine erforderlich ist.
Die vorliegende Erfindung wurde in Anbetracht solcher Probleme gemacht, und ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein lichtemittierendes Halbleiterelement, das keinen Schritt erfordert, um eine Vielzahl von lichtemittierenden Halbleiterelementen auf einer Trägerplatte anzuordnen, und die Bestrahlung des Lichts eines Zielstrahlprojektionsmusters in Bezug auf einen Zielstrahlprojektionsbereich mit hoher Genauigkeit leicht realisiert, und ein Verfahren zur Herstellung des lichtemittierenden Halbleiterelements bereitzustellen.
Lösung der Aufgabe
Ein lichtemittierendes Halbleiterelement gemäß der vorliegenden Ausführungsform ist ein einzelnes lichtemittierendes Halbleiterelement mit einer Vielzahl von lichtemittierenden Abschnitten, in denen Nebensignaleffekte zwischen benachbarten lichtemittierenden Abschnitten reduziert werden. Das lichtemittierende Halbleiterelement enthält eine erste Oberfläche und eine zweite Oberfläche, die der ersten Oberfläche gegenüberliegt, wobei entweder die erste Oberfläche oder die zweite Oberfläche als Lichtemissionsfläche fungiert, die Licht abgibt, und die andere als Stützfläche (einschließlich einer Reflexionsfläche) fungiert. Das lichtemittierende Halbleiterelement enthält: eine aktive Schicht; eine Phasenmodulationsschicht mit einer Vielzahl von Phasenmodulationsbereichen; eine erste Mantelschicht; eine zweite Mantelschicht; eine erste-oberfläche-seitige Elektrode; eine Vielzahl von zweite-oberfläche-seitigen Elektroden; und eine gemeinsame Substratschicht. Die aktive Schicht befindet sich zwischen der ersten Oberfläche und der zweiten Oberfläche. Jede der Vielzahl von Phasenmodulationsschichten, die in der Phasenmodulationsschicht enthalten sind, ist optisch mit der aktiven Schicht gekoppelt. Jeder der Vielzahl von Phasenmodulationsbereichen ist so angeordnet, dass die Erzeugung von Nebensignaleffekten zwischen benachbarten Phasenmodulationsbereichen reduziert und ein Teil des unabhängigen lichtemittierenden Abschnitts gebildet wird. Darüber hinaus enthält jeder der Vielzahl von Phasenmodulationsbereichen einen Basisbereich mit einem ersten Brechungsindex und einer Vielzahl von modifizierten Brechungsindexbereichen, von denen jeder innerhalb des Basisbereichs bereitgestellt wird und einen zweiten Brechungsindex aufweist, der sich vom ersten Brechungsindex unterscheidet. Die erste Mantelschicht ist auf einer Seite positioniert, auf der die erste Oberfläche in Bezug auf eine gestapelte Struktur angeordnet ist, die mindestens die aktive Schicht und die Phasenmodulationsschicht enthält. Die zweite Mantelschicht ist auf einer Seite angeordnet, auf der die zweite Oberfläche in Bezug auf die gestapelte Struktur positioniert ist. Die erste-oberfläche-seitige Elektrode ist auf einer Seite angeordnet, auf der die erste Oberfläche in Bezug auf die erste Mantelschicht positioniert ist. Die Vielzahl der zweite-oberfläche-seitigen Elektroden entspricht jeweils der Vielzahl der Phasenmodulationsbereiche und ist auf einer Seite angeordnet, auf der die zweite Oberfläche in Bezug auf die zweite Mantelschicht positioniert ist. Die Vielzahl der zweite-oberfläche-seitigen Elektroden ist jeweils in einer Vielzahl von Bereichen angeordnet, die die Vielzahl von Phasenmodulationsbereichen entlang einer Stapelrichtung der gestapelten Struktur betrachtet überlappen. Die gemeinsame Substratschicht ist zwischen der ersten Mantelschicht und der erste-oberfläche-seitigen Elektrode angeordnet und weist eine kontinuierliche Oberfläche auf, die die Vielzahl der Phasenmodulationsbereiche aufweist.
Insbesondere die Vielzahl von modifizierten Brechungsindexbereichen in jedem der Vielzahl von Phasenmodulationsbereichen ist im Basisbereich gemäß einem Anordnungsmuster angeordnet, bei dem jeder Schwerpunkt an einer um einen vorbestimmten Abstand von jedem Gitterpunkt in einem virtuellen Quadratgitter im Basisbereich verschobenen Stelle positioniert ist. Im Übrigen ist das Anordnungsmuster (das Anordnungsmuster der Vielzahl von modifizierten Brechungsindexbereichen) in jedem der Vielzahl von Phasenmodulationsbereichen so eingestellt, dass ein Strahlprojektionsmuster von Licht, das von der Lichtemissionsfläche abgegeben wird, und ein Strahlprojektionsbereich, der ein Projektionsbereich des Strahlprojektionsmusters ist, mit einem Zielstrahlprojektionsmuster und einem Zielstrahlprojektionsbereich übereinstimmen, wenn ein Antriebsstrom von der zweite-oberfläche-seitigen Elektrode entsprechend dem auf der Stützflächenseite angeordneten Phasenmodulationsbereich zugeführt wird.
In einem Verfahren zur Herstellung eines lichtemittierenden Halbleiterelements gemäß der vorliegenden Ausführungsform wird ein lichtemittierendes Halbleiterelement mit der oben beschriebenen Struktur hergestellt. Insbesondere enthält das Herstellungsverfahren mindestens: einen ersten Schritt zum Bilden der gemeinsamen Substratschicht; einen zweiten Schritt zum Bilden eines Elementkörpers auf der gemeinsamen Substratschicht; und einen dritten Schritt zum Bilden eines Trennbereichs in dem Elementkörper. Im zweiten Schritt weist der auf der gemeinsamen Substratschicht gebildete Elementkörper eine dritte Oberfläche und eine der dritten Oberfläche und der gemeinsamen Substratschicht gegenüberliegende vierte Oberfläche auf. Darüber hinaus enthält der Elementkörper mindestens die aktive Schicht, die Phasenmodulationsschicht, die erste Mantelschicht und die zweite Mantelschicht, die zwischen der dritten Oberfläche und der vierten Oberfläche angeordnet sind. Am Ende des zweiten Schritts wird der Basisbereich in der Phasenmodulationsschicht aus einer einzigen Schicht gebildet, in der eine Vielzahl von Abschnitten, die die Vielzahl von Phasenmodulationsbereichen bilden müssen (Abschnitte, die jeweils die Vielzahl von modifizierten Brechungsindexbereichen beinhalten), in einem durch einen vorbestimmten Abstand voneinander getrennten Zustand angeordnet werden. Im dritten Schritt trennt der im Elementkörper gebildete Trennbereich elektrisch mindestens die Vielzahl von Abschnitten, die die Vielzahl von Phasenmodulationsbereichen bilden müssen. Darüber hinaus wird der Trennbereich von der dritten Oberfläche zur vierten Oberfläche bis zum Erreichen der gemeinsamen Substratschicht gebildet.
Vorteilhafte Effekte der Erfindung
Nach der vorliegenden Erfindung ist es möglich, das lichtemittierende Halbleiterelement bereitzustellen, das keinen Schritt des Anordnens der Vielzahl von lichtemittierenden Halbleiterelementen auf der Trägerplatte erfordert und die Bestrahlung mit Licht des Zielstrahlprojektionsmusters in Bezug auf den Zielstrahlprojektionsbereich mit hoher Genauigkeit realisiert, und das Verfahren zur Herstellung des lichtemittierenden Halbleiterelements.
Figurenliste

1 ist eine Ansicht eines lichtemittierenden Halbleiterelements gemäß einer ersten Ausführungsform, betrachtet von einer ersten Oberflächenseite.
2 ist eine Ansicht des lichtemittierenden Halbleiterelements gemäß der ersten Ausführungsform, betrachtet von einer zweiten Oberflächenseite.
3 ist eine Querschnittsansicht entlang der Linie III-III der 1 und 2.
4 ist eine schematische Ansicht zur Beschreibung eines Anordnungsmusters (Rotationssystems) eines modifizierten Brechungsindexbereichs in einem Phasenmodulationsbereich.
5 ist ein Diagramm zur Beschreibung einer Positionsbeziehung zwischen einem Schwerpunkt des modifizierten Brechungsindexbereichs und einem Gitterpunkt in einem virtuellen Quadratgitter als Beispiel für das durch das Rotationssystem bestimmte Anordnungsmuster.
6 ist eine Ansicht zum Beschreiben einer Beziehung zwischen einem Zielstrahlprojektionsmuster (optisches Bild) von Licht, das vom lichtemittierenden Halbleiterelement abgegeben wird, und einer Drehwinkelverteilung in einer Phasenmodulationsschicht.
7A bis 7D sind Ansichten, die ein Beispiel für das Zielstrahlprojektionsmuster im lichtemittierenden Halbleiterelement gemäß der ersten Ausführungsform und eine Phasenverteilung aus einer komplexen Amplitudenverteilung veranschaulichen, die durch inverses Fourier-Transformieren eines Originalmusters erhalten wird, das dieser entspricht.
8 ist ein Blockdiagramm, das eine Konfiguration einer Lichtemissionsvorrichtung mit dem lichtemittierenden Halbleiterelement gemäß der ersten Ausführungsform darstellt.
9 ist eine Ansicht des lichtemittierenden Halbleiterelements gemäß einer zweiten Ausführungsform, betrachtet von einer ersten Oberflächenseite.
10 ist eine Ansicht des lichtemittierenden Halbleiterelements gemäß der zweiten Ausführungsform, betrachtet von einer zweiten Oberflächenseite.
11 ist eine Querschnittsansicht entlang der Linie X-X in den 9 und 10.
12A bis 12F sind Ansichten, die ein Beispiel für ein Zielstrahlprojektionsmuster in den lichtemittierenden Halbleiterelementen gemäß der zweiten Ausführungsform und einer dritten Ausführungsform und einer Phasenverteilung aus einer komplexen Amplitudenverteilung veranschaulichen, die durch inverses Fourier-Transformieren eines Originalmusters erhalten wird, das dieser entspricht.
13A bis 13F sind Ansichten, die ein Beispiel für das Zielstrahlprojektionsmuster im lichtemittierenden Halbleiterelement gemäß der zweiten und dritten Ausführungsform, das sich von denen der 12A bis 12F unterscheidet, und eine Phasenverteilung aus einer komplexen Amplitudenverteilung veranschaulichen, die durch inverses Fourier-Transformieren eines Originalmusters erhalten wird, das dieser entspricht.
14 ist ein Blockdiagramm, das eine Konfiguration einer Lichtemissionsvorrichtung mit dem lichtemittierenden Halbleiterelement gemäß der zweiten Ausführungsform darstellt.
15 ist eine Ansicht des lichtemittierenden Halbleiterelements gemäß der dritten Ausführungsform, betrachtet von einer ersten Oberflächenseite.
16 ist eine Ansicht des lichtemittierenden Halbleiterelements gemäß der dritten Ausführungsform, betrachtet von einer zweiten Oberflächenseite.
17 ist eine Querschnittsansicht entlang der Linie XVI-XVI in den 15 und 16;
18 ist ein Blockdiagramm, das eine Konfiguration einer Lichtemissionsvorrichtung mit dem lichtemittierenden Halbleiterelement gemäß der dritten Ausführungsform darstellt.
19 ist eine Ansicht eines lichtemittierenden Halbleiterelements gemäß einer vierten Ausführungsform, betrachtet von einer ersten Oberflächenseite.
20 ist eine Ansicht des lichtemittierenden Halbleiterelements gemäß der vierten Ausführungsform, betrachtet von einer zweiten Oberflächenseite.
21 ist eine Querschnittsansicht entlang der Linie XX-XX in den 19 und 20.
22A bis 22J sind Ansichten, die ein Beispiel (im Rotationssystem) für eine Form veranschaulichen, die keine 180°-Drehsymmetrie unter Formen eines modifizierten Brechungsindexbereichs in einer X-Y-Ebene aufweist.
23 ist eine Ansicht, die ein erstes modifiziertes Beispiel für den in 4 dargestellten Phasenmodulationsbereich darstellt.
24 ist ein Diagramm, das als weiteres Beispiel für das durch das Rotationssystem bestimmte Anordnungsmuster eine Positionsbeziehung zwischen einem Schwerpunkt eines modifizierten Brechungsindexbereichs (verschobener modifizierter Brechungsindexbereich) und einem gitterpunktgelagerten, modifizierten Brechungsindexbereich beschreibt, wenn zusätzlich zum modifizierten Brechungsindexbereich (verschobener modifizierter Brechungsindexbereich) auch der gitterpunktgelagerte, modifizierte Brechungsindexbereich bereitgestellt wird.
25A bis 25K sind Ansichten, die ein Beispiel (im Rotationssystem) für eine Kombination des modifizierten Brechungsindexbereichs (verschobener modifizierter Brechungsindexbereich) und des gitterpunktgelagerten, modifizierten Brechungsindexbereichs veranschaulichen, wenn zusätzlich zum modifizierten Brechungsindexbereich (verschobener modifizierter Brechungsindexbereich) auch der gitterpunktgelagerte, modifizierte Brechungsindexbereich bereitgestellt wird.
26 ist eine Ansicht, die ein geändertes Beispiel (im Rotationssystem) für den Fall veranschaulicht, dass neben dem modifizierten Brechungsindexbereich (verschobener modifizierter Brechungsindexbereich) auch der gitterpunktgelagerte Brechungsindexbereich bereitgestellt wird.
27 ist eine Ansicht, die ein zweites geändertes Beispiel für den in 4 dargestellten Phasenmodulationsbereich darstellt.
28 ist eine schematische Ansicht zur Beschreibung eines Anordnungsmusters (im achsialen Schaltsystem) eines modifizierten Brechungsindexbereichs in einer Phasenmodulationsschicht.
29 ist ein Diagramm zur Beschreibung einer Positionsbeziehung zwischen einem Schwerpunkt G1 des modifizierten Brechungsindexbereichs und einem Gitterpunkt O in einem virtuellen Quadratgitter als Beispiel für das durch das achsiale Schaltsystem bestimmte Anordnungsmuster.
30 ist eine Draufsicht, die ein Beispiel veranschaulicht, in dem eine im Wesentlichen periodische Brechungsindexstruktur nur innerhalb eines bestimmten Bereichs einer Phasenmodulationsschicht als erstes geändertes Beispiel für die Phasenmodulationsschicht von 28 angewendet wird.
31A und 31B sind Ansichten zur Beschreibung von Punkten, die zu beachten sind, wenn eine Phasenwinkelverteilung aus einem Ergebnis der inversen Fourier-Transformation eines Zielstrahlprojektionsmusters (optisches Bild) erhalten wird, um die Anordnung des modifizierten Brechungsindexbereichs zu bestimmen.
32A und 32B sind Ansichten, die ein Beispiel für ein Strahlprojektionsmuster, das von einem lichtemittierenden Halbleiterelement abgegeben wird, und eine Lichtintensitätsverteilung (Diagramm) in einem Querschnitt veranschaulichen, der eine Lichtemissionsfläche des lichtemittierenden Halbleiterelements durchschneidet und eine Achse senkrecht zur Lichtemissionsfläche enthält.
33A und 33B sind eine dem in 32A dargestellten Strahlprojektionsmuster entsprechende Phasenverteilung und eine teilweise vergrößerte Ansicht davon.
34 ist eine Ansicht, die konzeptionell ein Beispiel für ein Strahlprojektionsmuster einer Wanderwelle in jede Richtung veranschaulicht. In diesem Beispiel wird ein Neigungswinkel einer Geraden L in Bezug auf die X-Achse und Y-Achse auf 45° eingestellt.
35A und 35B sind Ansichten, die das Rotationssystem des Drehens des modifizierten Brechungsindexbereichs um den Gitterpunkt, als das Verfahren zum Bestimmen des Anordnungsmusters des modifizierten Brechungsindexbereichs, und die Wanderwellen AU, AD, AR und AL veranschaulichen.
36A und 36B sind Ansichten, die das achsiale Schaltsystem eines Bewegens des modifizierten Brechungsindexbereichs auf der in Bezug auf das Quadratgitter geneigten Achse durch den Gitterpunkt, als das Verfahren zum Bestimmen des Anordnungsmusters des modifizierten Brechungsindexbereichs, und die Wanderwellen AU, AD, AR und AL veranschaulichen.
37A bis 37G sind Ansichten, die ein Beispiel (im achsialen Schaltsystem) für eine Ebenenform des modifizierten Brechungsindexbereichs veranschaulichen.
38A bis 38K sind Ansichten, die ein weiteres Beispiel (im achsialen Schaltsystem) für die Ebenenform des modifizierten Brechungsindexbereichs darstellen.
39A bis 39K sind Ansichten, die noch ein weiteres Beispiel (im achsialen Schaltsystem) für die Ebenenform des modifizierten Brechungsindexbereichs darstellen.
40 ist ein Diagramm, das ein zweites geändertes Beispiel für die Phasenmodulationsschicht von 28 darstellt.
41 ist ein Diagramm zur Beschreibung der Koordinatentransformation von sphärischen Koordinaten (d1, θ_tilt, θ_rot) in Koordinaten (x, y, z) in einem orthogonalen Koordinatensystem XYZ.

Beschreibung der Ausführungsformen
[Beschreibung der Ausführungsform der Erfindung der vorliegenden Anmeldung]
Zunächst wird der Inhalt der Ausführungsformen der Erfindung der vorliegenden Anmeldung einzeln aufgeführt und beschrieben.
(1) Als ein Gesichtspunkt ist ein lichtemittierendes Halbleiterelement gemäß der vorliegenden Ausführungsform ein einzelnes lichtemittierendes Halbleiterelement mit einer Vielzahl von lichtemittierenden Abschnitten, in denen Nebensignaleffekte zwischen benachbarten lichtemittierenden Abschnitten reduziert werden. Das lichtemittierende Halbleiterelement enthält eine erste Oberfläche und eine zweite Oberfläche, die der ersten Oberfläche gegenüberliegt, wobei entweder die erste Oberfläche oder die zweite Oberfläche als Lichtemissionsfläche fungiert, die Licht abgibt, und die andere als Stützfläche (einschließlich einer Reflexionsfläche) fungiert. Das lichtemittierende Halbleiterelement enthält: eine aktive Schicht; eine Phasenmodulationsschicht mit einer Vielzahl von Phasenmodulationsbereichen; eine erste Mantelschicht; eine zweite Mantelschicht; eine erste-oberfläche-seitige Elektrode; eine Vielzahl von zweite-oberfläche-seitigen Elektroden; und eine gemeinsame Substratschicht. Die aktive Schicht befindet sich zwischen der ersten Oberfläche und der zweiten Oberfläche. Jede der Vielzahl von Phasenmodulationsschichten, die in der Phasenmodulationsschicht enthalten sind, ist optisch mit der aktiven Schicht gekoppelt. Jeder der Vielzahl von Phasenmodulationsbereichen ist so angeordnet, dass die Erzeugung von Nebensignaleffekten zwischen benachbarten Phasenmodulationsbereichen reduziert wird, und bildet einen Teil des unabhängigen lichtemittierenden Abschnitts. Darüber hinaus enthält jeder der Vielzahl von Phasenmodulationsbereichen einen Basisbereich mit einem ersten Brechungsindex und eine Vielzahl von modifizierten Brechungsindexbereichen, von denen jeder innerhalb des Basisbereichs bereitgestellt wird und einen zweiten Brechungsindex aufweist, der sich vom ersten Brechungsindex unterscheidet. Die erste Mantelschicht ist auf einer Seite positioniert, auf der die erste Oberfläche in Bezug auf eine gestapelte Struktur angeordnet ist, die mindestens die aktive Schicht und die Phasenmodulationsschicht enthält. Die zweite Mantelschicht ist auf einer Seite angeordnet, auf der die zweite Oberfläche in Bezug auf die gestapelte Struktur positioniert ist. Die erste-oberfläche-seitige Elektrode ist auf einer Seite angeordnet, auf der die erste Oberfläche in Bezug auf die erste Mantelschicht positioniert ist. Die Vielzahl der zweite-oberfläche-seitigen Elektroden entspricht jeweils der Vielzahl der Phasenmodulationsbereiche und ist auf einer Seite angeordnet, auf der die zweite Oberfläche in Bezug auf die zweite Mantelschicht positioniert ist. Die Vielzahl von zweite-oberfläche-seitigen Elektroden ist jeweils in einer Vielzahl von Bereichen angeordnet, die die Vielzahl von Phasenmodulationsbereichen, entlang einer Stapelrichtung der gestapelten Struktur betrachtet, überlappen. Die gemeinsame Substratschicht ist zwischen der ersten Mantelschicht und der erste-oberfläche-seitigen Elektrode angeordnet und weist eine kontinuierliche Oberfläche auf, die die Vielzahl der Phasenmodulationsbereiche enthält.
Weiterhin ist die Vielzahl von modifizierten Brechungsindexbereichen in jedem der Vielzahl von Phasenmodulationsbereichen an vorbestimmten Positionen im Basisbereich gemäß einem Anordnungsmuster angeordnet, das konfiguriert ist, um ein Strahlprojektionsmuster von Licht, das von der Lichtemissionsfläche abgegeben wird, und einen Strahlprojektionsbereich, der ein Projektionsbereich des Strahlprojektionsmusters ist, mit einem Zielstrahlprojektionsmuster bzw. einem Zielstrahlprojektionsbereich übereinstimmen zu lassen, wenn der Antriebsstrom von der entsprechenden zweite-oberfläche-seitigen Elektrode unter der Vielzahl von zweite-oberfläche-seitigen Elektroden zugeführt wird.
Im Übrigen wird als erste Voraussetzung ein virtuelles Quadratgitter, das aus M1 (einer ganzen Zahl von eins oder mehr) × N1 (einer ganzen Zahl von eins oder mehr) Einheitsfeldern R mit jeweils einer quadratischen Form besteht, auf eine X-Y-Ebene in einem orthogonalen XYZ-Koordinatensystem eingestellt, das durch eine Z-Achse definiert ist, die mit der Normalenrichtung einer Lichtemissionsfläche und der X-Y-Ebene übereinstimmt, die zueinander orthogonale X- und Y-Achsen enthält und mit einer Oberfläche der Phasenmodulationsschicht mit der Vielzahl von modifizierten Brechungsindexbereichen übereinstimmt. Zu diesem Zeitpunkt ist das Anordnungsmuster so definiert, dass ein Schwerpunkt G1 des modifizierten Brechungsindexbereichs, der innerhalb eines Einheitsfelds R(x, y) positioniert ist, von einem Gitterpunkt O(x, y) um einen Abstand r entfernt ist, der die Mitte des Einheitsfelds R(x, y) bildet, und ein Vektor wird in einer spezifischen Richtung auf den Schwerpunkt G1 vom Gitterpunkt O(x, y) im Einheitsfeld R(x, y) auf der X-Y-Ebene gerichtet, die durch eine Koordinatenkomponente x (eine ganze Zahl von 1 bis M1) in einer X-Achsenrichtung und eine Koordinatenkomponente y (eine ganze Zahl von 1 bis N1) in einer Y-Achsenrichtung spezifiziert ist.
(2) Als ein Gesichtspunkt wird in einem Verfahren zur Herstellung eines lichtemittierenden Halbleiterelements gemäß der vorliegenden Ausführungsform ein lichtemittierendes Halbleiterelement mit der oben beschriebenen Struktur hergestellt. Insbesondere enthält das Herstellungsverfahren mindestens: einen ersten Schritt zum Bilden der gemeinsamen Substratschicht; einen zweiten Schritt zum Bilden eines Elementkörpers auf der gemeinsamen Substratschicht; und einen dritten Schritt zum Bilden eines Trennbereichs in dem Elementkörper. Im zweiten Schritt weist der auf der gemeinsamen Substratschicht gebildete Elementkörper eine dritte Oberfläche und eine vierte Oberfläche, die der dritten Oberfläche und der gemeinsamen Substratschicht gegenüberliegt, auf. Darüber hinaus enthält der Elementkörper mindestens die aktive Schicht, die Phasenmodulationsschicht, die erste Mantelschicht und die zweite Mantelschicht, die zwischen der dritten Oberfläche und der vierten Oberfläche angeordnet sind. Am Ende des zweiten Schrittes wird der Basisbereich in der Phasenmodulationsschicht aus einer einzigen Schicht gebildet, in der eine Vielzahl von Abschnitten, die die Vielzahl von Phasenmodulationsbereichen bilden müssen (Abschnitte, die jeweils die Vielzahl von modifizierten Brechungsindexbereichen beinhalten), im Zustand des durch einen vorbestimmten Abstand voneinander getrennt seins angeordnet werden. Im dritten Schritt trennt der im Elementkörper gebildete Trennbereich elektrisch mindestens die Vielzahl von Abschnitten, die die Vielzahl von Phasenmodulationsbereichen bilden müssen. Darüber hinaus wird der Trennbereich von der dritten Oberfläche bis zur vierten Oberfläche bis zum Erreichen der gemeinsamen Substratschicht gebildet.
In dem lichtemittierenden Halbleiterelement gemäß der vorliegenden Ausführungsform ist das Anordnungsmuster (Anordnungsmuster der Vielzahl von modifizierten Brechungsindexbereichen) in jedem der Vielzahl von Phasenmodulationsbereichen so eingestellt, dass ein Strahlprojektionsmuster von Licht, das von der Lichtemissionsfläche (der ersten Oberfläche oder der zweiten Oberfläche) abgegeben wird, und ein Strahlprojektionsbereich, der ein Projektionsbereich des Strahlprojektionsmusters ist, mit einem Zielstrahlprojektionsmuster und einem Zielstrahlprojektionsbereich übereinstimmen, wenn ein Antriebsstrom von der zweite-oberfläche-seitigen Elektrode, die dem Phasenmodulationsbereich entspricht, zugeführt wird. Daher bestimmt das in jedem der Vielzahl von Phasenmodulationsbereichen eingestellte Anordnungsmuster den Strahlprojektionsbereich und das Strahlprojektionsmuster des Lichts, das von der Lichtemissionsfläche des lichtemittierenden Halbleiterelements abgegeben wird. In der vorliegenden Ausführungsform enthält das einzelne lichtemittierende Halbleiterelement die Phasenmodulationsschicht mit der Vielzahl von Phasenmodulationsbereichen, die den Strahlprojektionsbereich und das Strahlprojektionsmuster von Licht bestimmen. Bei dieser Konfiguration ist bei dem Herstellungsverfahren nach der vorliegenden Ausführungsform ein Schritt zum Anordnen der Vielzahl von lichtemittierenden Halbleiterelementen auf einer Trägerplatte nicht erforderlich, was sich von einer Konfiguration unterscheidet, bei der eine Vielzahl von lichtemittierenden Halbleiterelementen mit jeweils einem Phasenmodulationsbereich (Phasenmodulationsschicht) auf einer Trägerplatte angeordnet werden. Dadurch kann eine Bestrahlung von Licht des Zielstrahlprojektionsmusters in Bezug auf den Zielstrahlprojektionsbereich einfach und mit hoher Genauigkeit realisiert werden.
(3) Als ein Gesichtspunkt der vorliegenden Ausführungsform kann das lichtemittierende Halbleiterelement ferner einen Trennbereich beinhalten, der jeden der Vielzahl von Phasenmodulationsbereichen elektrisch trennt und eine Vielzahl von entsprechenden Bereichen in jeder der aktiven Schichten elektrisch trennt, die erste Mantelschicht und die zweite Mantelschicht, die die Vielzahl von Phasenmodulationsbereichen aus einer Richtung entlang der Z-Achse (im Folgenden als „Z-Achsenrichtung“ bezeichnet) betrachtet überlappen. Weiterhin kann der Trennbereich als ein Gesichtspunkt der vorliegenden Ausführungsform die Vielzahl der entsprechenden Bereiche in jeder der aktiven Schicht, der Phasenmodulationsschicht, der ersten Mantelschicht und der zweiten Mantelschicht zusammen mit der Vielzahl der Phasenmodulationsbereiche optisch trennen. Da benachbarte Phasenmodulationsbereiche auf diese Weise durch den Trennbereich elektrisch getrennt werden, wird die Erzeugung von Nebensignaleffekten zwischen den benachbarten Phasenmodulationsbereichen unterdrückt. Darüber hinaus werden benachbarte Phasenmodulationsbereiche durch den Trennbereich optisch getrennt, so dass die Erzeugung von Nebensignaleffekten zwischen den benachbarten Phasenmodulationsbereichen weiter unterdrückt wird. Dadurch wird die Bestrahlung von Licht eines gewünschten Strahlprojektionsmusters (Zielstrahlprojektionsmuster) in Bezug auf einen gewünschten Strahlprojektionsbereich (Zielstrahlprojektionsbereich) mit noch höherer Genauigkeit realisiert.
(4) Als ein Gesichtspunkt der vorliegenden Ausführungsform erstreckt sich der Trennbereich von der zweiten Oberfläche in Richtung der gemeinsamen Substratschichtoberfläche bis zum Erreichen der gemeinsamen Substratschicht in einem Bereich zwischen benachbarten Phasenmodulationsbereichen unter der Vielzahl von Phasenmodulationsbereichen. Darüber hinaus ist ein Abstand (kürzester Abstand) zwischen einem distalen Ende des Trennbereichs und der erste-oberfläche-seitigen Elektrode vorzugsweise gleich oder kleiner als die halbe Dicke der gemeinsamen Substratschicht entlang der Z-Achsenrichtung. Typischerweise ist der Abstand zwischen dem distalen Ende des Trennbereichs und der erste-oberfläche-seitigen Elektrode vorzugsweise 70 µm oder kürzer. In diesem Fall wird die Erzeugung von Nebensignaleffekten zwischen benachbarten Phasenmodulationsbereichen ausreichend unterdrückt.
(5) Als ein Gesichtspunkt der vorliegenden Ausführungsform kann der Trennbereich eine Halbleiterschicht sein, die durch ein elektrisches Feld modifiziert ist, das durch Bestrahlung mit hochintensivem Licht verursacht wird. In diesem Fall kann ein lichtemittierendes Halbleiterelement, bei dem benachbarte Phasenmodulationsbereiche elektrisch getrennt sind, so dass die Erzeugung von Nebensignaleffekten zwischen den benachbarten Phasenmodulationsbereichen ausreichend unterdrückt wird, effizient hergestellt werden. Darüber hinaus kann der Trennbereich eine beliebige Halbleiterschicht sein, die durch Verunreinigungsdiffusion oder Ionenimplantation isoliert wird, und ein durch Trockenätzen oder Nassätzen gebildeter Luftspalt (Schlitz). In diesem Fall kann ein lichtemittierendes Halbleiterelement, bei dem benachbarte Phasenmodulationsbereiche elektrisch und optisch getrennt sind, so dass die Erzeugung von Nebensignaleffekten zwischen den benachbarten Phasenmodulationsbereichen ausreichend unterdrückt wird, effizient hergestellt werden.
(6) Als ein Gesichtspunkt der vorliegenden Ausführungsform kann ein Anordnungsmuster in jedem der Phasenmodulationsbereiche so eingestellt werden, dass die Strahlprojektionsbereiche gleich werden, auch wenn ein Antriebsstrom von einer der zweite-oberfläche-seitigen Elektroden zugeführt wird. In diesem Fall können neben einem Anwendungsbeispiel des in Patentdokument 1 beschriebenen lichtemittierenden Halbleiterelements (das Anwendungsbeispiel, bei dem ein Objekt mit einem Laserstrahl gescannt wird) verschiedene andere Anwendungen umgesetzt werden. So ist es beispielsweise möglich, eine Anwendung auf verschiedene Anzeigevorrichtungen eines Typs, bei dem eine Vielzahl von Mustern im gleichen Bereich eines Bildschirms geschaltet dargestellt wird, eine Anwendung auf verschiedene Arten von Beleuchtungen eines Typs, bei dem eine Stelle kontinuierlich oder intermittierend mit dem gleichen Lichtmuster bestrahlt wird, und eine Anwendung auf die Laserbearbeitung eines Typs, bei dem eine Stelle kontinuierlich mit dem gleichen Muster von gepulstem Licht bestrahlt wird, um Löcher eines Zielmusters in einem Objekt und dergleichen zu bohren, zu implementieren.
(7) Als ein Gesichtspunkt der vorliegenden Ausführungsform kann ein Anordnungsmuster in jedem der Phasenmodulationsbereiche so eingestellt werden, dass die Strahlprojektionsmuster gleich werden, selbst wenn ein Antriebsstrom von einer der Vielzahl von zweite-oberfläche-seitigen Elektroden zugeführt wird. In diesem Fall können neben dem in Patentdokument 1 beschriebenen Anwendungsbeispiel des lichtemittierenden Halbleiterelements (das Anwendungsbeispiel, bei dem das Objekt mit dem Laserstrahl gescannt wird) auch andere Anwendungen umgesetzt werden. Als eine von dem im Patentdokument 1 dargestellten Anwendungsbeispiel abweichende Anwendung ist es möglich, eine Anwendung auf verschiedene Arten von Beleuchtungen eines Typs zu implementieren, bei dem eine Stelle kontinuierlich oder intermittierend mit dem gleichen Lichtmuster bestrahlt wird, und eine Anwendung auf die Laserbearbeitung eines Typs, bei dem eine Stelle kontinuierlich mit dem gleichen Muster von gepulstem Licht bestrahlt wird, um Löcher eines Zielmusters in einem Objekt und dergleichen zu bohren, und eine Anwendung auf Beleuchtung eines Typs, der eine beliebige Stelle zu einem geeigneten Zeitpunkt bestrahlt, kann zusätzlich zu den oben beschriebenen Anwendungen implementiert werden.
In dem lichtemittierenden Halbleiterelement mit der vorstehend beschriebenen Struktur enthält die mit der aktiven Schicht optisch gekoppelte Phasenmodulationsschicht die Basisschicht und die Vielzahl der modifizierten Brechungsindexbereiche, die jeweils in die Basisschicht eingebettet sind und einen anderen Brechungsindex als der Brechungsindex der Basisschicht aufweisen. Darüber hinaus ist in dem das virtuelle Quadratgitter bildenden Einheitsfeld R(x, y) der Schwerpunkt G1 des entsprechenden modifizierten Brechungsindexbereichs so angeordnet, dass er vom Gitterpunkt O(x, y) entfernt ist. Weiterhin wird die Richtung des Vektors vom Gitterpunkt O zum Schwerpunkt G1 für jedes der Einheitsfelder 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 Strahlprojektionsmuster (eine Strahlgruppe, die ein optisches Bild formt) zu steuern, das als Ganzes in eine gewünschte Form gemäß der vorliegenden Ausführungsform geformt ist. Zu diesem Zeitpunkt kann der Gitterpunkt im virtuellen Quadratgitter außerhalb des modifizierten Brechungsindexbereichs positioniert werden und der Gitterpunkt kann innerhalb des modifizierten Brechungsindexbereichs positioniert werden.
(8) Als ein Gesichtspunkt der vorliegenden Ausführungsform ist es vorzuziehen, dass, wenn eine Gitterkonstante des virtuellen Quadratgitters (die im Wesentlichen einem Gitterintervall entspricht) a ist, ein Abstand r zwischen dem Schwerpunkt G1 des innerhalb des Einheitsfelds R(x, y) angeordneten modifizierten Brechungsindexbereichs und dem Gitterpunkt O(x, y) 0 ≤ r ≤ 0,3a erfüllt. Darüber hinaus enthält ein Originalbild (ein optisches Bild vor einer zweidimensionalen inversen Fourier-Transformation), das als Strahlprojektionsmuster von Licht dient, das von dem obigen lichtemittierenden Halbleiterelement emittiert wird, das der Vielzahl von Phasenmodulationsbereichen entspricht, zum Beispiel vorzugsweise mindestens einen Punkt, eine Punktgruppe, die aus drei oder mehr Punkten besteht, eine Gerade, ein Kreuz, eine Linienzeichnung, ein Gittermuster, ein Streifenmuster, einer Figur, ein Foto, Computergrafiken und/oder ein Zeichen.
(9) In einem Gesichtspunkt der vorliegenden Ausführungsform wird als zweite Voraussetzung zusätzlich zur ersten Voraussetzung angenommen, dass die Koordinaten (x, y, z) im orthogonalen XYZ-Koordinatensystem eine Beziehung erfüllen, die durch die folgenden Formeln (1) bis (3) in Bezug auf sphärische Koordinaten (d1, θ_tilt, θ_rot), die durch eine Radiuslänge d1, einen Neigungswinkel θ_tilt von der Z-Achse und einen Drehwinkel θ_rot von der X-Achse definiert werden, die, wie in 41 dargestellt ist, in der X-Y-Ebene angegeben sind. Im Übrigen ist 41 eine Ansicht zur Beschreibung der Koordinatentransformation von sphärischen Koordinaten (d1, θ_tilt, θ_rot) in Koordinaten (x, y, z) im orthogonalen XYZ-Koordinatensystem und ein gestaltetes optisches Bild auf einer vorgegebenen Ebene (Zielstrahlprojektionsbereich), die im orthogonalen XYZ-Koordinatensystem, dem realen Raum, eingestellt ist, wird durch die Koordinaten (x, y, z) ausgedrückt. Wenn das Zielstrahlprojektionsmuster, 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, der eine durch die folgende Formel (4) definierte, normierte Wellenzahl ist, auf einer der X-Achse entsprechenden Kx-Achse, und einen Koordinatenwert k_y , der eine durch die folgende Formel (5) definierte, normierte Wellenzahl ist, auf einer der Y-Achse entsprechnden und zur Kx-Achse orthogonalen Ky-Achse umgewandelt. Die normierte Wellenzahl bedeutet eine Wellenzahl, die unter der Annahme normiert ist, dass eine Wellenzahl, die dem Gitterintervall des virtuellen Quadratgitters entspricht, 1,0 ist. Zu diesem Zeitpunkt wird in dem durch die Kx-Achse und die Ky-Achse definierten Wellenzahlbereich ein spezifischer Wellenzahlbereich einschließlich des dem optischen Bild entsprechenden Strahlprojektionsmusters durch M2 (eine ganze Zahl von eins oder mehr) × N2 (eine ganze Zahl von eins oder mehr) Bildbereichen FR gebildet, die jeweils eine quadratische Form aufweisen. 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 Formel (4) und die Formel (5) beispielsweise durch das oben genannte Nicht-Patentdokument 1 offenbart. $x = d 1 sin θ_{t i l t} cos θ_{r o t}$
$y = d 1 sin θ_{t i l t} sin θ_{r o t}$
$z = d 1 cos θ_{t i l t}$
$k_{x} = \frac{a}{λ} sin θ_{t i l t} cos θ_{r o t}$
$k_{y} = \frac{a}{λ} sin θ_{t i l t} sin θ_{r o t}$

a: Gitterkonstante des virtuellen Quadratgitters
λ: Schwingungswellenlänge.

Als dritte Voraussetzung ist im Wellenzahlbereich eine komplexe Amplitude F(x, y), die durch eine zweidimensionale inverse Fourier-Transformation jedes Bildbereichs FR(k_x , k_y ) erhalten wird, der durch die Koordinatenkomponente k_x (eine ganze Zahl von 1 bis M2) in Kx-Achsenrichtung und die Koordinatenkomponente k_y (eine ganze Zahl von 1 bis N2) in Ky-Achsenrichtung zum Einheitsfeld R(x, y) auf der X-Y-Ebene angegeben wird, die durch die Koordinatenkomponente x (eine ganze Zahl von 1 bis M1) in X-Achsenrichtung und die Koordinatenkomponente y (eine ganze Zahl von 1 bis N1) in Y-Achsenrichtung angegeben wird, durch die folgende Formel (6) mit j als imaginäre Einheit gegeben. Darüber hinaus wird diese komplexe Amplitude F(x, y) durch die folgende Formel (7) definiert, wenn ein Amplitudenterm A(x, y) und ein Phasenterm P(x, y) ist. Weiterhin wird als vierte Voraussetzung das Einheitsfeld R(x, y) durch eine s-Achse und eine t-Achse definiert, die parallel zur X-Achse bzw. Y-Achse und zueinander orthogonal in dem Gitterpunkt O(x, y) sind, der die Mitte des Einheitsfelds R(x, y) bildet. $F (x, y) = \sum_{k_{x} = 1}^{M 2} \sum_{k_{y} = 1}^{N 2} F R (k_{x}, k_{y}) exp [j 2 π (k_{x} x + k_{y} y)]$
$F (x, y) = A (x, y) \times exp [j P (x, y)]$
Unter der ersten bis vierten Voraussetzung wird das Anordnungsmuster der modifizierten Brechungsindexbereiche in der Phasenmodulationsschicht durch ein Rotationssystem oder ein achsiales Schaltsystem bestimmt. Insbesondere wird bei der Bestimmung des Anordnungsmusters durch das Rotationssystem der entsprechende modifizierte Brechungsindexbereich innerhalb des Einheitsfelds R(x, y) so angeordnet, dass eine Beziehung erfüllt ist, in der 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 und die s-Achse verbindet, ist $φ (x, y) = C \times P (x, y) + B$

(hier ist C eine proportionale Konstante, z.B. 180°/π, und
B ist eine beliebige Konstante, z.B. 0).

In dem lichtemittierenden Halbleiterelement mit der oben beschriebenen Struktur ist der Abstand r zwischen der Mitte (Gitterpunkt) jedes das virtuelle Quadratgitter bildenden Einheitsfelds und dem Schwerpunkt G1 des entsprechenden modifizierten Brechungsindexbereichs vorzugsweise ein konstanter Wert über die gesamte Phasenmodulationsschicht in der Phasenmodulationsschicht (im Übrigen ist eine partielle Differenz im Abstand r nicht ausgeschlossen). Wenn also die Phasenverteilung (Verteilung des Phasenterms P(x, y) in der komplexen Amplitude F(x, y), die dem Einheitsfeld R(x, y) zugeordnet ist) in der gesamten Phasenmodulationsschicht gleichmäßig von Null auf 2π (rad) verteilt ist, stimmt der Schwerpunkt des modifizierten Brechungsindexbereichs im Durchschnitt mit dem Gitterpunkt des Einheitsfelds 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.
(10) Andererseits wird bei der Bestimmung des Anordnungsmusters durch das achsiale Schaltsystem der Schwerpunkt G1 des modifizierten Brechungsindexbereichs entsprechend einer Geraden, die den Gitterpunkt O(x, y) passiert und von der s-Achse geneigt ist, innerhalb des Einheitsfelds R(x, y) unter der ersten bis vierten Vorbedingung angeordnet. Zu diesem Zeitpunkt ist der entsprechende modifizierte Brechungsindexbereich innerhalb des Einheitsfelds R(x, y) so angeordnet, dass eine Beziehung erfüllt ist, nach der eine Liniensegmentlänge r(x, y) vom Gitterpunkt O(x, y) zum Schwerpunkt G1 des entsprechenden modifizierten Brechungsindexbereichs ist $r (x, y) = C \times (P (x, y) - P_{0})$

(C: eine proportionale Konstante,
P0: eine beliebige Konstante, z.B. Null).

Im Übrigen wird der gleiche Effekt wie beim oben beschriebenen Rotationssystem erreicht, auch wenn das Anordnungsmuster des modifizierten Brechungsindexbereichs in der Phasenmodulationsschicht durch das achsiale Schaltsystem bestimmt wird.
(11) Als ein Gesichtspunkt der vorliegenden Ausführungsform ist es vorzuziehen, dass mindestens die auf der X-Y-Ebene definierte Form, die auf der X-Y-Ebene definierte Fläche und/oder der auf der X-Y-Ebene definierte Abstand r in allen der Vielzahl von modifizierten Brechungsindexbereichen in mindestens einem Phasenmodulationsbereich aus der Vielzahl von Phasenmodulationsbereichen übereinstimmt. Hier enthält die oben beschriebene „Form, die auf der X-Y-Ebene definiert ist“ auch eine kombinierte Form einer Vielzahl von Elementen, die einen modifizierten Brechungsindexbereich bilden (siehe 25H bis 25K). Dementsprechend ist es möglich, die Erzeugung von Rauschlicht und Rauschen verursachendem Licht nullter Ordnung im Bereich der Strahlprojektion zu unterdrücken. Im Übrigen ist das Licht nullter Ordnung Licht, das parallel zur Richtung der Z-Achse abgegeben wird, und bedeutet Licht, das in der Phasenmodulationsschicht nicht phasenmoduliert ist.
(12) Als ein Gesichtspunkt der vorliegenden Ausführungsform ist es vorzuziehen, dass die Formen der Vielzahl der modifizierten Brechungsindexbereiche auf der X-Y-Ebene aus einem perfekten Kreis, einem Quadrat, einem regelmäßigen Sechseck, einem regelmäßigen Achteck, einem regelmäßigen Sechzehneck, einem gleichseitigen Dreieck, einem rechtwinkligen, gleichschenkligen Dreieck, einem Rechteck, einer Ellipse, einer Form, in der sich zwei Kreise oder Ellipsen teilweise überlappen, einer Eiform, einer Tropfenform, einem gleichschenkligen Dreieck, einer Pfeilform, einem Trapez, einem Fünfeck oder einer Form, in der sich zwei Rechtecke teilweise überlappen, bestehen. Im Übrigen ist die „Eiform“ eine Form, die durch Verformung einer Ellipse erhalten wird, so dass eine Dimension in einer Kurzachsenrichtung in der Nähe eines Endabschnitts entlang einer Längsachse kleiner ist als eine Dimension in der Kurzachsenrichtung in der Nähe des anderen Endabschnitts, wie in den 22H und 38D dargestellt ist. Wie in den 22D und 38E veranschaulicht ist, ist die „Tropfenform“ eine Form, die durch Verformung eines Endabschnitts einer Ellipse entlang ihrer Längsachse in einen spitzen Endabschnitt erhalten wird, der entlang einer Längsachsenrichtung vorsteht. Die Pfeilform ist eine Form, bei der eine Seite eines Rechtecks eine dreieckige Kerbe bildet und eine der einen Seite gegenüberliegende Seite einen dreieckigen Vorsprung bildet, wie in den 22E und 38G dargestellt ist.
Wenn die Formen der Vielzahl von modifizierten Brechungsindexbereichen auf der X-Y-Ebene perfekte Kreise, Quadrate, regelmäßige Sechsecke, regelmäßige Achtecke, regelmäßige Sechzehnecke, Rechtecke oder Ellipsen sind, das heißt, wenn die Formen der jeweiligen modifizierten Brechungsindexbereiche spiegelsymmetrisch (linear symmetrisch) sind, ist es möglich, den Winkel φ, der zwischen einer Richtung vom Gitterpunkt O(x, y) jedes der Vielzahl das virtuelle Quadratgitter bildenden Einheitsfeldern R in Richtung des Schwerpunktes G1 jedes entsprechenden modifizierten Brechungsindexbereichs und der zur X-Achse parallelen s-Achse gebildet wird, mit hoher Genauigkeit in der Phasenmodulationsschicht einzustellen. Darüber hinaus sind die Formen der Vielzahl von modifizierten Brechungsindexbereichen auf der X-Y-Ebene gleichseitige Dreiecke, rechtwinklige gleichschenklige Dreiecke, gleichschenklige Dreiecke, Formen, in der sich zwei Kreise oder Ellipsen teilweise überlappen, Eiformen, Tropfenformen, Pfeilformen, Trapeze, Fünfecke oder Formen, in der sich zwei Rechtecke teilweise überlappen, d.h. nicht die 180°-Rotationssymmetrie haben, und es ist möglich, eine höhere Lichtabgabe zu erzielen.
(13) Als ein Gesichtspunkt der vorliegenden Ausführungsform kann mindestens ein Phasenmodulationsbereich aus der Vielzahl der Phasenmodulationsbereiche einen inneren Bereich aufweisen, der aus M1 × N1 Einheitsfeldern R und einem äußeren Bereich gebildet wird, der so vorgesehen ist, dass er einen äußeren Umfang des inneren Bereichs umgibt. Im Übrigen enthält der äußere Bereich eine Vielzahl von peripheren, gitterpunktgelagerten, modifizierten Brechungsindexbereichen, die so angeordnet sind, dass sie jeweils Gitterpunkte eines erweiterten Quadratgitters überlappen, die durch Einstellen der gleichen Gitterstruktur wie beim virtuellen Quadratgitter auf einem Außenumfang des virtuellen Quadratgitters definiert werden. In diesem Fall wird ein Lichtleck entlang der X-Y-Ebene unterdrückt und ein Oszillationsschwellenstrom kann reduziert werden.
(14) Als ein Gesichtspunkt der vorliegenden Ausführungsform kann mindestens ein Phasenmodulationsbereich aus der Vielzahl der Phasenmodulationsbereiche eine Vielzahl anderer modifizierter Brechungsindexbereiche beinhalten, die sich von der Vielzahl der modifizierten Brechungsindexbereiche unterscheiden, d.h. eine Vielzahl von gitterpunktgelagerten modifizierten Brechungsindexbereichen. Die Vielzahl der modifizierten Brechungsindexbereiche ist in jedem der M1 × N1 Einheitsfelder R so angeordnet, dass jeder Schwerpunkt G2 mit dem Gitterpunkt O des entsprechenden Einheitsfelds R übereinstimmt. In diesem Fall weist eine Form einer Kombination aus dem modifizierten Brechungsindexbereich und dem gitterpunktgelagerten modifizierten Brechungsindexbereich nicht die Rotationssymmetrie von 180° in ihrer Ganzheit auf. Dadurch kann die höhere Lichtabgabe erreicht werden.
Wie vorstehend beschrieben, kann jeder Gesichtspunkt, der in der [Beschreibung der Ausführungsform der Erfindung der vorliegenden Anmeldung] aufgeführt ist, auf jeden der verbleibenden Gesichtspunkte oder auf alle Kombinationen dieser verbleibenden Gesichtspunkte angewendet werden.
[Ausführliche Ausführungsform der Erfindung der vorliegenden Anmeldung]
Im Folgenden werden spezifische Strukturen des lichtemittierenden Halbleiterelements und das Herstellungsverfahren für das lichtemittierende Halbleiterelement gemäß der vorliegenden Ausführungsform anhand der beigefügten Zeichnungen ausführlich beschrieben. Im Übrigen ist die Erfindung nicht auf diese Beispiele beschränkt, sondern wird durch die Patentansprüche veranschaulicht, und eine Entsprechung und jede Änderung im Rahmen der Patentansprüche soll darin aufgenommen werden. Darüber hinaus werden dieselben Elemente in der Beschreibung der Zeichnungen mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet und redundante Beschreibungen weggelassen.
(Erste Ausführungsform)
Eine Konfiguration eines lichtemittierenden Halbleiterelements 100 gemäß einer ersten Ausführungsform wird mit Bezug auf die 1 bis 3 beschrieben. 1 ist eine Ansicht des von einer ersten Oberflächenseite betrachteten lichtemittierenden Halbleiterelements 100 gemäß der ersten Ausführungsform. 2 ist eine Ansicht des lichtemittierenden Halbleiterelements 100 von einer zweiten Oberflächenseite aus gesehen, und 3 ist eine Querschnittsansicht entlang der Linie III-III in den 1 und 2.
Wie in den 1 bis 3 dargestellt ist, weist das lichtemittierende Halbleiterelement 100 eine erste Oberfläche 100a und eine zweite Oberfläche 100b auf und gibt Licht von der ersten Oberfläche 100a als Lichtemissionsfläche aus. In der vorliegenden Ausführungsform fungiert die zweite Oberfläche 100b als Stützfläche. Das lichtemittierende Halbleiterelement 100 enthält eine gemeinsame Substratschicht 101, eine aktive Schicht 103 und eine Phasenmodulationsschicht 104, eine erste Mantelschicht 102, eine zweite Mantelschicht 106, ein Paar zweite-oberfläche-seitige Elektroden 108-1 und 108-2 und eine erste-oberfläche-seitige Elektrode 110. Die Phasenmodulationsschicht 104 enthält ein Paar von Phasenmodulationsbereichen 104-1 und 104-2, die optisch mit der aktiven Schicht 103 gekoppelt sind. Im Übrigen wird eine gestapelte Struktur unter Verwendung der Phasenmodulationsschicht 104 konfiguriert, die mindestens die aktive Schicht 103 und das Paar der Phasenmodulationsbereiche 104-1 und 104-2 enthält. Die Konfiguration der gestapelten Struktur ist auch in Ausführungsformen, die später beschrieben werden sollen, gleich. Die erste Mantelschicht 102 ist in Bezug auf die gestapelte Struktur auf der Seite der ersten Oberfläche 100a positioniert (einschließlich mindestens der aktiven Schicht 103 und der Phasenmodulationsschicht 104). Die zweite Mantelschicht 106 ist in Bezug auf die gestapelte Struktur auf der Seite der zweiten Oberfläche 100b positioniert (einschließlich mindestens der aktiven Schicht 103 und der Phasenmodulationsschicht 104). Die zweite-oberfläche-seitigen Elektroden 108-1 und 108-2 sind auf der Seite angeordnet, auf der die zweite Oberfläche 100b in Bezug auf die zweite Mantelschicht 106 an Positionen entsprechend den jeweiligen Phasenmodulationsbereichen 104-1 und 104-2 angeordnet ist. Die erste-oberfläche-seitige Elektrode 110 ist auf der Seite angeordnet, auf der die erste Oberfläche 100a in Bezug auf die erste Mantelschicht 102 angeordnet ist.
Die Phasenmodulationsbereiche 104-1 und 104-2 beinhalten die Basisbereiche 104-1a und 104-2a mit einem ersten Brechungsindex und einer Vielzahl von modifizierten Brechungsindexbereichen 104-1b und 104-2b mit einem zweiten Brechungsindex, der sich jeweils vom ersten Brechungsindex unterscheidet. Die Vielzahl der modifizierten Brechungsindexbereiche 104-1b und 104-2b sind in den Basisbereichen 104-1a bzw. 104-2a nach einem Anordnungsmuster angeordnet, bei dem jeder Schwerpunkt G1 an einer um einen vorbestimmten Abstand r von jedem Gitterpunkt in einem virtuellen Quadratgitter in jedem der Basisbereiche 104-1a und 104-2a verschobenen Stelle positioniert ist. In jedem der Phasenmodulationsbereiche 104-1 und 104-2 ist das Anordnungsmuster der Vielzahl von modifizierten Brechungsindexbereichen 104-1b so eingestellt, dass ein Strahlprojektionsmuster, das durch von der ersten Oberfläche 100a abgegebenes Licht exprimiert wird, und ein Strahlprojektionsbereich, der ein Projektionsbereich des Strahlprojektionsmusters ist, mit einem Zielstrahlprojektionsmuster und einem Zielstrahlprojektionsbereich übereinstimmen, wenn ein Antriebsstrom von der dem Phasenmodulationsbereich 104-1 oder 104-2 entsprechenden zweite-oberfläche-seitigen Elektrode 108-1 oder 108-2 zugeführt wird.
Der Strahlprojektionsbereich von Licht, das abgegeben wird, wenn der Antriebsstrom von der zweite-oberfläche-seitigen Elektrode 108-1 zugeführt wird, und der Strahlprojektionsbereich von Licht, das abgegeben wird, wenn der Antriebsstrom von der zweite-oberfläche-seitigen Elektrode 108-2 zugeführt wird, können gleich oder unterschiedlich sein. Darüber hinaus kann das Strahlprojektionsmuster von Licht, das abgegeben wird, wenn der Antriebsstrom von der zweite-oberfläche-seitigen Elektrode 108-1 zugeführt wird, und das Strahlprojektionsmuster von Licht, das abgegeben wird, wenn der Antriebsstrom von der zweite-oberfläche-seitigen Elektrode 108-2 zugeführt wird, ebenfalls gleich oder unterschiedlich sein.
Im Übrigen bezeichnet der „Strahlprojektionsbereich“ in der Beschreibung einen Projektionsbereich von Licht, das von der ersten Oberfläche oder der zweiten Oberfläche eines lichtemittierenden Halbleiterelements abgegeben wird, wenn ein Antriebsstrom von einer zweite-oberfläche-seitigen Elektrode zugeführt wird, und das „Strahlprojektionsmuster“ bezeichnet ein Projektionsmuster von Licht (ein Muster der Lichtintensität) innerhalb des Projektionsbereichs.
Die aktive Schicht 103, die Phasenmodulationsschicht 104, die erste Mantelschicht 102, die zweite Mantelschicht 106 und die gemeinsame Substratschicht 101 sind mit einem Trennbereich 112 versehen, der sich von der zweiten Oberfläche 100b über die gemeinsame Substratschicht 101 bis zum Erreichen der gemeinsamen Substratschicht 101 erstreckt. Der Trennbereich 112 erstreckt sich von der zweiten Oberfläche 100b in Richtung der gemeinsamen Substratschicht 101, um die aktive Schicht 103, die erste Mantelschicht 102, die zweite Mantelschicht 106 und entsprechende Bereiche in der ersten Mantelschicht 102 sowie der zweiten Mantelschicht 106 elektrisch und optisch zu trennen, die die Phasenmodulationsbereiche 104-1 und 104-2 aus der Richtung der Z-Achse (Stapelrichtung) betrachtet überlappen. Eine Dicke eines Abschnitts der gemeinsamen Substratschicht 101, die an der unteren Seite des Trennbereichs 112 positioniert ist (der kürzeste Abstand zwischen einer Endfläche 112a auf der Seite des Trennbereichs 112 zur erste-oberfläche-seitigen Elektrode 110 und der erste-oberfläche-seitigen Elektrode 110), ist gleich oder kürzer als eine halbe Dicke der gemeinsamen Substratschicht 101 und typischerweise 70 µm oder kürzer. Wie in 3 dargestellt ist, können die jeweiligen Abschnitte des lichtemittierenden Halbleiterelements 100, die an den Stellen des Trennbereichs 112 unterteilt sind, als unabhängige lichtemittierende Abschnitte (ein erster lichtemittierender Abschnitt und ein zweiter lichtemittierender Abschnitt) betrachtet werden.
Wie in den 1 und 3 dargestellt ist, enthält die erste-oberfläche-seitige Elektrode 110 Öffnungen 110-1 und 110-2 an Positionen, die den Phasenmodulationsbereichen 104-1 und 104-2 und den zweite-oberflächen-seitigen Elektroden 108-1 und 108-2 entsprechen. Die erste-oberfläche-seitige Elektrode 110 kann eine transparente Elektrode anstelle der Elektrode mit der Öffnung sein.
Eine vertikale Beziehung zwischen der aktiven Schicht 103 und der Phasenmodulationsschicht 104 kann einer vertikalen Beziehung entgegengesetzt sein, die in 3 dargestellt ist. Darüber hinaus veranschaulicht 3 auch die gemeinsame Substratschicht 101, eine obere Lichtleitschicht 105b, eine untere Lichtleitschicht 105a, eine Kontaktschicht 107, eine Isolationsschicht 109 und eine Antireflexionsschicht 111, wobei das lichtemittierende Halbleiterelement 100 diese Schichten jedoch nicht unbedingt enthält.
Obwohl die jeweiligen Schichten, Bestandsmaterialien, Formen, Abmessungen, Herstellungsverfahren einschließlich der Hauptschritte mit Ausnahme eines Schrittes zur Herstellung des Trennbereichs und dergleichen der jeweiligen Bereiche von Fachleuten auf der Grundlage der in Patentdokument 1 beschriebenen Inhalte angemessen ausgewählt werden können, werden im Folgenden einige Beispiele dafür erläutert. Das heißt, ein Beispiel für das Material oder eine Struktur jeder in 3 dargestellten Schicht ist wie folgt gegeben. Die gemeinsame Substratschicht 101 besteht aus GaAs. Die erste Mantelschicht 102 besteht aus AlGaAs. Die aktive Schicht 103 weist eine multiple Quantentopfstruktur MQW auf (eine Barriereschicht: AIGaAs/eine Vertiefungsschicht: InGaAs). Die Phasenmodulationsschicht 104 enthält die Basisbereiche 104-1a und 104-2a und die Vielzahl der modifizierten Brechungsindexbereiche 104-1b und 104-2b, die in die Basisbereiche 104-1a und 104-2a eingebettet sind. Die Basisbereiche 104-1a und 104-2a bestehen aus GaAs. Die Vielzahl der modifizierten Brechungsindexbereiche 104-1b und 104-2b sind aus AlGaAs hergestellt. Die obere Lichtleitschicht 105b und die untere Lichtleitschicht 105a bestehen aus AlGaAs. Die zweite Mantelschicht 106 besteht aus AlGaAs. Die Kontaktschicht 107 besteht aus GaAs. Die Isolationsschicht 109 besteht aus SiO₂ oder Siliziumnitrid. Die Antireflexionsschicht 111 besteht aus einem dielektrischen einschichtigen Film wie Siliziumnitrid (SiN) und Siliziumdioxid SiO₂) oder einem dielektrischen Mehrschichtfilm.
Bei dem Herstellungsverfahren gemäß der vorliegenden Ausführungsform wird nach dem Bilden des gemeinsamen Substrats (ein erster Schritt) ein Elementkörper (der mindestens die aktive Schicht 103, die Phasenmodulationsschicht 104, die erste Mantelschicht 102 und die zweite Mantelschicht 106 enthält) auf der gemeinsamen Substratschicht 101 wie vorstehend beschrieben (ein zweiter Schritt) gebildet. In Bezug auf den wie vorstehend beschrieben ausgebildeten Elementkörper wird der Trennbereich 112 gebildet, der sich von der zweiten Oberfläche 100b bis zum Erreichen der gemeinsamen Substratschicht 101 zur gemeinsamen Substratschicht 101 erstreckt (ein dritter Schritt). Der Trennbereich 112 ist eine Halbleiterschicht, die durch hochintensives Licht (elektrisches Feld) modifiziert wird, eine Halbleiterschicht, die entweder durch Diffusion oder Ionenimplantation isoliert wird, oder ein Spalt (Luftspalt), der entweder durch Trockenätzen oder Nassätzen gebildet wird. Beispiele für ein spezifisches Verfahren zur Modifikation mit dem hochintensiven Licht (elektrisches Feld) sind hier die Bearbeitung mit einem Nanosekundenlaser und die Verarbeitung mit einem Ultrakurzpulslaser. Die Vielzahl der modifizierten Brechungsindexbereiche 104-1b und 104-2b können Löcher sein, die mit Argon, Stickstoff, Luft oder dergleichen gefüllt sind. Der Trennbereich 112, der sich von der zweiten Oberfläche 100b bis zur gemeinsamen Substratschicht 101 erstreckt, durchläuft nicht unbedingt die gemeinsame Substratschicht 101. Die Dicke des Abschnitts der gemeinsamen Substratschicht 101 entlang der Z-Achsenrichtung, in der der Trennbereich 112 gebildet wird (der kürzeste Abstand zwischen der Endfläche 112a auf der Seite des Trennbereichs 112 zur erste-oberfläche-seitigen Elektrode 110 und der erste-oberfläche-seitigen Elektrode 110), ist jedoch vorzugsweise gleich oder kürzer als die halbe Dicke der gemeinsamen Substratschicht 101, um Nebensignaleffekte zwischen den lichtemittierenden Abschnitten zu reduzieren. Typischerweise ist eine Dicke eines Abschnitts, in dem der Trennbereich 112 nicht gebildet wird, 70 µm oder kürzer. Im Übrigen ist das Herstellungsverfahren nach der vorliegenden Ausführungsform auch auf die Herstellung von lichtemittierenden Halbleiterelementen nach einer zweiten bis vierten Ausführungsform anwendbar, die später zu beschreiben sind.
In einem Beispiel wird der gemeinsamen Substratschicht 101 und der ersten Mantelschicht 102 eine Verunreinigung vom N-Typ hinzugefügt. Der zweiten Mantelschicht 106 und der Kontaktschicht 107 wird eine Verunreinigung vom P-Typ hinzugefügt. Darüber hinaus sind die Energiebandlücken der ersten Mantelschicht 102 und der zweiten Mantelschicht 106 größer als die Energiebandlücken der oberen Lichtleitschicht 105b und der unteren Lichtleitschicht 105a. Die Energiebandlücke der oberen Lichtleitschicht 105b und der unteren Lichtleitschicht 105a ist größer eingestellt als eine Energiebandlücke der multiplen Quantentopfstruktur MQW der aktiven Schicht 103.
Anschließend wird das Anordnungsmuster der Vielzahl von modifizierten Brechungsindexbereichen in jedem der Phasenmodulationsbereiche mit Bezug auf die 4 und 5 beschrieben. Die 4 ist eine schematische Ansicht zur Beschreibung des Anordnungsmusters des modifizierten Brechungsindexbereichs im Phasenmodulationsbereich. Die 5 ist ein Diagramm zur Beschreibung einer Positionsbeziehung zwischen einem Schwerpunkt G1 des modifizierten Brechungsindexbereichs und einem Gitterpunkt O in einem virtuellen Quadratgitter. Obwohl in 4 nur zwölf modifizierte Brechungsindexbereiche dargestellt sind, wird in der Praxis eine große Anzahl von modifizierten Brechungsindexbereichen bereitgestellt. In einem Beispiel werden 704 × 704 modifizierte Brechungsindexbereiche bereitgestellt. Im Übrigen ist das hierin beschriebene Anordnungsmuster kein Anordnungsmuster, das der ersten Ausführungsform eigen ist, und die Anordnungsmuster der später beschriebenen zweiten bis vierten Ausführungsform sind auf die gleiche Weise konfiguriert. So sind in 4 Bezugszeichen, die den Phasenmodulationsbereich, den Basisbereich bzw. die Vielzahl der modifizierten Brechungsindexbereiche repräsentieren, zur gemeinsamen Nutzung vereinheitlicht, so dass der Phasenmodulationsbereich, der Basisbereich und die Vielzahl der modifizierten Brechungsindexbereiche jeweils durch n04-m, n04-ma bzw. n04-mb repräsentiert werden. Im Übrigen ist „n“ eine Zahl zur Unterscheidung der Ausführungsformen („1“ für die erste Ausführungsform, „2“ für die zweite Ausführungsform, usw.), „m“ ist eine Zahl zur Unterscheidung von lichtemittierenden Halbleiterelementen, die ein lichtemittierendes Halbleitermodul bilden, und sowohl „n“ als auch „m“ werden durch eine ganze Zahl von eins oder mehr repräsentiert.
Wie in 4 dargestellt ist, enthält die Phasenmodulationsschicht n04-m einen Basisbereich n04-ma mit einem ersten Brechungsindex und einen modifizierten Brechungsindexbereich n04-mb mit einem zweiten Brechungsindex, der sich vom ersten Brechungsindex unterscheidet, und das in der X-Y-Ebene definierte virtuelle Quadratgitter ist in die Phasenmodulationsschicht n04-m eingestellt. 4 ist eine schematische Ansicht zur Beschreibung des Anordnungsmusters (im Rotationssystem) des modifizierten Brechungsindexbereichs in der Phasenmodulationsschicht. Eine Seite des Quadratgitters ist parallel zur X-Achse und die andere Seite ist parallel zur Y-Achse. Zu diesem Zeitpunkt können die Einheitsfelder R, die jeweils eine quadratische Form mit einem Gitterpunkt O des Quadratgitters 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 n04-mb wird nacheinander in jedem der Einheitsfelder R bereitgestellt. Eine planare Form des modifizierten Brechungsindexbereichs n04-mb ist beispielsweise eine kreisförmige Form. In jedem der Einheitsfelder R ist ein Schwerpunkt G1 des modifizierten Brechungsindexbereichs n04-mb von einem Gitterpunkt O entfernt angeordnet, der dem Schwerpunkt G1 am nächsten liegt. Insbesondere ist die X-Y-Ebene eine Ebene orthogonal zu einer Dickenrichtung (Z-Achse) jedes der in 3 dargestellten lichtemittierenden Halbleiterelemente 100-1 und 100-2 und stimmt mit einer Oberfläche der Phasenmodulationsschicht n04-m einschließlich des modifizierten Brechungsindexbereichs n04-mb überein. Jedes der das Quadratgitter bildenden Einheitsfelder R wird durch eine Koordinatenkomponente x (eine ganze Zahl von eins oder mehr) in einer X-Achsenrichtung und eine Koordinatenkomponente y (eine ganze Zahl von eins oder mehr) in einer Y-Achsenrichtung spezifiziert und als Einheitsfeld R(x, y) ausgedrückt. Zu diesem Zeitpunkt wird die Mitte des Einheitsfelds R(x, y), d.h. ein Gitterpunkt, durch O(x, y) dargestellt. Im Übrigen kann der Gitterpunkt O außerhalb des modifizierten Brechungsindexbereichs n04-mb positioniert oder in den modifizierten Brechungsindexbereich n04-mb aufgenommen werden. Im Übrigen wird ein Verhältnis der Fläche S des modifizierten Brechungsindexbereichs n04-mb, der innerhalb eines Einheitsfelds R liegt, als Füllfaktor (FF) bezeichnet. Wenn das Gitterintervall des Quadratgitters a ist, wird der Füllfaktor FF des modifizierten Brechungsindexbereichs n04-mb als S/a² angegeben. Hier ist S die Fläche des modifizierten Brechungsindexbereichs n04-mb in der X-Y-Ebene und wird als S = π × (D/2)² mit einem Durchmesser D eines perfekten Kreises angegeben, wenn beispielsweise eine Form des modifizierten Brechungsindexbereichs n04-mb die perfekte Kreisform ist. Wenn die Form des modifizierten Brechungsindexbereichs n04-mb ein Quadrat ist, wird zusätzlich S = LA² mit einer Länge LA von einer Seite des Quadrats angegeben.
In 4 stellen gestrichelte Linien, die durch x1 bis x4 gekennzeichnet sind, zentrale Positionen des Einheitsfelds R in Richtung der X-Achse dar, und gestrichelte Linien, die durch y1 bis y3 gekennzeichnet sind, zentrale Positionen des Einheitsfelds R in Richtung der Y-Achse. Daher stellen die Schnittpunkte der gestrichelten Linien x1 bis x4 und der gestrichelten Linien y1 bis y3 die Mittelpunkte O(1,1) bis O(3,4) der Einheitsfelder R(1,1) bis R(3,4) dar, also Gitterpunkte. Eine Gitterkonstante dieses virtuellen Quadratgitters ist a. Im Übrigen wird die Gitterkonstante a entsprechend einer Lichtemissionswellenlänge eingestellt.
Das Anordnungsmuster des modifizierten Brechungsindexbereichs n04-mb wird nach dem im Patentdokument 1 beschriebenen Verfahren in Übereinstimmung mit dem Zielstrahlprojektionsbereich und dem Zielstrahlprojektionsmuster bestimmt. Das heißt, das Anordnungsmuster wird durch Bestimmen einer Richtung bestimmt, in der der Schwerpunkt G1 jedes der modifizierten Brechungsindexbereiche n04-mb von jedem Gitterpunkt (jeder Schnittpunkt zwischen den gestrichelten Linien x1 bis x4 und den gestrichelten Linien y1 bis y3) im virtuellen Quadratgitter im Basisbereich n04-ma in Abhängigkeit von einer Phase, die durch inverses Fourier-Transformieren des ursprünglichen Musters entsprechend dem Zielstrahlprojektionsbereich und dem Zielstrahlprojektionsmuster erhalten wird, verschoben wird. Wie in Patentdokument 1 beschrieben, ist der Abstand r (siehe 5), der von jedem Gitterpunkt verschoben wird, wünschenswert im Bereich von 0 < r ≤ 0,3a, wobei a die Gitterkonstante des Quadratgitters ist. Obwohl der Abstand r, der von jedem der Gitterpunkte verschoben wird, in der Regel über alle Phasenmodulationsbereiche und alle modifizierten Brechungsindexbereiche gleich ist, kann der Abstand r in einigen Phasenmodulationsbereichen auf einen anderen Wert als den Abstand r in den anderen Phasenmodulationsbereichen eingestellt werden, oder der Abstand r einiger modifizierter Brechungsindexbereiche kann auf einen anderen Wert als den Abstand r der anderen modifizierten Brechungsindexbereiche eingestellt werden. Die 5 ist im Übrigen ein Diagramm zur Beschreibung eines Beispiels für das vom Rotationssystem bestimmte Anordnungsmuster (im Rotationssystem). In 5 ist die Konfiguration des Einheitsfelds R(x, y) dargestellt, und der Abstand r vom Gitterpunkt zum modifizierten Brechungsindexbereich n04-mb wird durch r(x, y) angezeigt.
Wie in 5 dargestellt ist, ist das das Quadratgitter bildende Einheitsfeld R(x, y) durch eine s-Achse und eine t-Achse, die am Gitterpunkt O(x, y) orthogonal zueinander sind, definiert. Die s-Achse ist im Übrigen eine zur X-Achse parallele Achse und entspricht den in 4 dargestellten gestrichelten Linien x1 bis x4. Die t-Achse ist eine zur Y-Achse parallele Achse und entspricht den in 4 dargestellten gestrichelten Linien y1 bis y3. 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, die das Einheitsfeld R(x, y) definiert, angegeben. Wenn der Drehwinkel φ(x, y) 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 (dem Abstand r entsprechend) des Vektors, der den Gitterpunkt O(x, y) und den Schwerpunkt G1 verbindet, mit r(x, y) angegeben.
Wie in 4 dargestellt ist, wird in der Phasenmodulationsschicht n04-m der Drehwinkel φ(x, y) um den Gitterpunkt O(x, y) des Schwerpunktes G1 des modifizierten Brechungsindexbereichs n04-mb für jedes der Einheitsfelder R gemäß dem Zielstrahlprojektionsmuster (optisches Bild) unabhängig eingestellt. Der Drehwinkel φ(x, y) hat einen bestimmten Wert im Bereich des Einheitsfelds 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 Zielstrahlprojektionsmusters in einen Wellenzahlraum und Durchführen einer zweidimensionalen inversen Fourier-Transformation eines konstanten Wellenzahlbereichs des Wellenzahlraums erhalten wird. Im Übrigen wird die Reproduzierbarkeit des Zielstrahlprojektionsmusters durch die Anwendung eines iterativen Algorithmus wie des Gerchberg-Saxton (GS)-Verfahrens verbessert, das im Allgemeinen in der Berechnung der Hologrammerzeugung zum Zeitpunkt des Erhaltens einer komplexen Amplitudenverteilung (komplexe Amplitude jedes der Einheitsfelder R) aus dem Zielstrahlprojektionsmuster verwendet wird.
6 ist eine Ansicht zum Beschreiben einer Beziehung zwischen dem vom lichtemittierenden Halbleiterelement 100 ausgegebenen Zielstrahlprojektionsmuster (optisches Bild) und einer Verteilung des Drehwinkels φ(x,y) in der Phasenmodulationsschicht n04-m. Insbesondere wird eine Kx-Ky-Ebene, die durch Umwandeln des Zielstrahlprojektionsbereichs (eine Installationsebene eines entworfenen optischen Bildes, die durch Koordinaten (x, y, z) im orthogonalen Koordinatensystem XYZ ausgedrückt wird), der der Projektionsbereich des Zielstrahlprojektionsmusters ist, in den Wellenzahlbereich erhalten wird, betrachtet. Eine Kx-Achse und eine Ky-Achse, die die Kx-Ky-Ebene definieren, sind orthogonal zueinander, wobei jede von ihnen mit einem Winkel in Bezug auf eine Normalenrichtung verbunden ist, wenn eine Projektionsrichtung des Zielstrahlprojektionsmusters von der Normalenrichtung (der Z-Achsenrichtung) der ersten Oberfläche 100a zur ersten Oberfläche 100a durch die obigen Formeln (1) bis (5) geschwenkt wird. Es wird davon ausgegangen, dass ein bestimmter Bereich, der das Zielstrahlprojektionsmuster enthält, 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 auf der Kx-Ky-Ebene aufweisen. Darüber hinaus wird davon ausgegangen, dass das auf der X-Y-Ebene auf der Phasenmodulationsschicht n04-m eingestellte virtuelle Quadratgitter aus M1 (einer ganzen Zahl von eins oder mehr) × N1 (einer ganzen Zahl von eins oder mehr) Einheitsfeldern R besteht. Die ganze Zahl M2 muss im Übrigen nicht mit der ganzen Zahl M1 übereinstimmen. Ebenso muss die ganze Zahl N2 nicht mit der ganzen Zahl N1 übereinstimmen. Zu diesem Zeitpunkt ist eine komplexe Amplitude F(x, y) im Einheitsfeld R(x, y), die durch eine zweidimensionale inverse Fourier-Transformation jedes Bildbereichs FR(kx, ky) auf der Kx-Ky-Ebene, die durch die Koordinatenkomponente k_x (eine ganze Zahl von 1 bis M2) in der Kx-Achsenrichtung und die Koordinatenkomponente k_y (eine ganze Zahl von 1 bis N2) in der Ky-Achsenrichtung angegeben ist, auf das Einheitsfeld R(x, y) erhalten wird, das durch die Koordinatenkomponente x (eine ganze Zahl von 1 bis M1) in X-Achsenrichtung und die Koordinatenkomponente y (eine ganze Zahl von 1 bis N1) in Y-Achsenrichtung angegeben ist, durch die folgende Formel (8) mit j als imaginäre Einheit gegeben. $F (x, y) = \sum_{k_{x} = 1}^{M 2} \sum_{k_{y} = 1}^{N 2} F R (k_{x}, k_{y}) exp [j 2 π (k_{x} x + k_{y} y)]$
Wenn sich ein Amplituden-Term A(x, y) und ein Phasen-Term P(x, y) im Einheitsfeld R(x, y) befinden, wird die komplexe Amplitude F(x, y) zusätzlich durch die folgende Formel (9) definiert. $F (x, y) = A (x, y) \times exp [j P (x, y)]$
Wie in 6 dargestellt ist, entspricht die Verteilung des Amplituden-Terms A(x, y) bei der komplexen Amplitude F(x, y) des Einheitsfelds 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 Phasenterms P(x, y) bei der komplexen Amplitude F(x, y) im Einheitsfeld 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 Einheitsfeld R(x, y) ergibt sich aus P(x, y), wie später beschrieben wird, und die Verteilung des Drehwinkels φ(x, y) des Einheitsfelds R(x, y) entspricht der Drehwinkelverteilung in der X-Y-Ebene im Bereich der Koordinatenkomponenten von x = 1 bis M1 und y = 1 bis N1.
Im Übrigen ist eine Mitte Q des Strahlprojektionsmusters auf der Kx-Ky-Ebene auf einer Achse senkrecht zur ersten Oberfläche 100a positioniert und vier Quadranten mit der Mitte Q als Ursprung sind in 6 dargestellt. Obwohl ein Fall, bei 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 kann ein Muster punktsymmetrisch zum Ursprung erhalten werden, wie in 6 dargestellt ist. Die 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 in überlappender Weise wahrgenommen.
Das vom lichtemittierenden Halbleiterelement 100 ausgegebene Strahlprojektionsmuster (optisches Bild) wird zu optischen Bildern, die dem entworfenen optischen Bild (Originalbild) entsprechen, das durch mindestens einen Punkt, einer aus drei oder mehr Punkten bestehenden Punktgruppe, einer Geraden, einem Kreuz, einer Linienzeichnung, einem Gittermuster, einem Foto, einem Streifenmuster, Computergrafiken (CG) und/oder einem Zeichen ausgedrückt wird. Hier wird der Drehwinkel φ(x, y) des modifizierten Brechungsindexbereichs n04-mb im Einheitsfeld R(x, y) durch das folgende Verfahren bestimmt, um das Zielstrahlprojektionsmuster zu erhalten.
Wie vorstehend beschrieben wurde, ist der Schwerpunkt G1 des modifizierten Brechungsindexbereichs n04-mb innerhalb des Einheitsfelds R(x, y) im Zustand der Entfernung vom Gitterpunkt O(x, y) um einen Wert der Entfernung r(r(x, y) angeordnet. Zu diesem Zeitpunkt ist der modifizierte Brechungsindexbereich n04-mb innerhalb des Einheitsfelds 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 beliebige Konstante B für alle Bereiche des Einheitsfelds R gleich.
Das heißt, wenn das Zielstrahlprojektionsmuster erhalten werden soll, kann das Muster, das auf der auf den Wellenzahlbereich projizierten Kx-Ky-Ebene gebildet wird, einer zweidimensionalen inversen Fourier-Transformation auf das Einheitsfeld R(x, y) auf der X-Y-Ebene auf der Phasenmodulationsschicht n04-m unterzogen werden und der Drehwinkel φ(x, y), der dem Phasenterm P(x, y) der komplexen Amplitude F(x, y) entspricht, kann auf den innerhalb des Einheitsfelds R(x, y) angeordneten modifizierten Brechungsindexbereich n04-mb 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 oder eine Laguerre Gaußsche Strahlform. Im Übrigen wird das Zielstrahlprojektionsmuster 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, in dem das Zielstrahlprojektionsmuster 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-Terms 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 des Phasenterms P(x, y) auf der X-Y-Ebene) kann mit Hilfe der Winkelfunktion von MATLAB berechnet werden.
Wie vorstehend beschrieben wurde, kann bei Bestimmung des Anordnungsmusters des modifizierten Brechungsindexbereichs n04-mb das Licht des Zielstrahlprojektionsbereichs und des Zielstrahlprojektionsmusters von der ersten Oberfläche 100a des lichtemittierenden Halbleiterelements 100 in den Strahlprojektionsbereich abgegeben werden. Das Zielstrahlprojektionsmuster kann von einem Designer beliebig bestimmt werden und kann ein Punkt, eine aus drei oder mehr Punkten bestehende Punktgruppe, eine gerade Linie, eine Linienzeichnung, ein Kreuz, eine Figur, ein Foto, Computergrafiken (CG), ein Zeichen oder dergleichen sein. In der X-Y-Ebene jedes Phasenmodulationsbereichs haben alle modifizierten Brechungsindexbereiche n04-mb die gleiche Figur, den gleichen Bereich und/oder den gleichen Abstand r. Darüber hinaus kann die Vielzahl der modifizierten Brechungsindexbereiche n04-mb so gebildet werden, dass sie sich durch einen Translationsvorgang oder einer Kombination aus dem Translationsvorgang und einem Rotationsvorgang überlappen können. In diesem Fall ist es möglich, die Erzeugung von Rauschlicht und Rauschen verursachendem Licht nullter Ordnung im Strahlprojektionsbereich zu unterdrücken. Hier ist das Licht nullter Ordnung Licht, das parallel zur Z-Achsenrichtung abgegeben wird, und Licht, das in der Phasenmodulationsschicht n04-m nicht phasenmoduliert wird.
Hier veranschaulichen die 7A bis 7D ein Beispiel für das Zielstrahlprojektionsmuster und eine Phasenverteilung aus einer komplexen Amplitudenverteilung, die durch inverse Fourier-Transformation des entsprechenden Originalmusters erhalten wird. Die 7A veranschaulicht ein Beispiel für das Zielstrahlprojektionsmuster, das erhalten wird, wenn der Antriebsstrom von der zweite-oberfläche-seitigen Elektrode 108-1 zugeführt wird, und die 7B veranschaulicht ein Beispiel für das Zielstrahlprojektionsmuster, das erhalten wird, wenn der Antriebsstrom von der zweite-oberfläche-seitigen Elektrode 108-2 zugeführt wird. Die 7C und 7D veranschaulichen die Phasenverteilungen aus den komplexen Amplitudenverteilungen, die durch inverses Fourier-Transformieren der Originalmuster entsprechend den jeweiligen Strahlprojektionsmustern in 7A bzw. 7B erhalten wurden. Jede der 7C und 7D besteht aus 704 × 704 Elementen, und eine Verteilung der Winkel von 0 bis 2π wird durch Licht und Farbton dargestellt. Ein schwarzer Teil repräsentiert den Winkel von Null.
Als nächstes wird eine Lichtemissionsvorrichtung, die das lichtemittierende Halbleiterelement 100 enthält, unter Bezugnahme auf 8 beschrieben. Die 8 ist ein Blockdiagramm, das eine Konfiguration der Lichtemissionsvorrichtung mit dem lichtemittierenden Halbleiterelement 100 veranschaulicht. Wie in 8 dargestellt ist, enthält eine Lichtemissionsvorrichtung 140 das lichtemittierende Halbleiterelement 100, eine Stromversorgungsschaltung 141, eine Steuersignaleingangsschaltung 142 und eine Treiberschaltung 143. Die Stromversorgungsschaltung 141 versorgt die Treiberschaltung 143 und das lichtemittierende Halbleiterelement 100. Die Steuersignaleingangsschaltung 142 überträgt ein von der Außenseite der Lichtemissionsvorrichtung 140 zugeführtes Steuersignal an die Treiberschaltung 143. Die Treiberschaltung 143 liefert einen Antriebsstrom an das lichtemittierende Halbleiterelement 100. Die Treiberschaltung 143 und das lichtemittierende Halbleiterelement 100 sind über zwei gemeinsame Antriebsleitungen 144-1 und 144-2 zur Versorgung eines Antriebsstroms und einer gemeinsamen Potentialleitung 145 verbunden. Die Antriebsleitungen 144-1 und 144-2 sind jeweils mit den zweite-oberfläche-seitigen Elektroden 108-1 und 108-2 verbunden. Die gemeinsame Potentialleitung 145 ist mit der erste-oberfläche-seitigen Elektrode 110 verbunden. Im Übrigen repräsentieren in 8 das über der Treiberschaltung 143 dargestellte lichtemittierende Halbleiterelement 100 und das unter der Treiberschaltung 143 dargestellte lichtemittierende Halbleiterelement 100 die erste Oberfläche bzw. die zweite Oberfläche des einzelnen lichtemittierenden Halbleiterelements 100.
Die Antriebsleitungen 144-1 und 144-2 können je nach Anwendung alternativ oder gleichzeitig betrieben werden. Darüber hinaus kann die Treiberschaltung 143 getrennt vom lichtemittierenden Halbleiterelement 100 konfiguriert oder integral auf der gemeinsamen Substratschicht 101 des lichtemittierenden Halbleiterelements 100 ausgebildet sein.
Die Lichtemissionsvorrichtung 140 mit dem wie vorstehend beschrieben konfigurierten lichtemittierenden Halbleiterelement 100 arbeitet wie folgt. Das heißt, es wird ein Antriebsstrom aus der Treiberschaltung 143 zwischen einer der Antriebsleitungen 144-1 und 144-2 und der gemeinsamen Potentialleitung 145 zugeführt. In dem lichtemittierenden Abschnitt, der der zweite-oberfläche-seitigen Elektrode entspricht, die mit der Antriebsleitung verbunden ist, der der Antriebsstrom zugeführt wurde, werden Elektronen und Löcher in der aktiven Schicht 103 neu kombiniert, so dass die aktive Schicht 103 im lichtemittierenden Abschnitt Licht emittiert. Das durch diese Lichtemission erhaltene Licht wird durch die erste Mantelschicht 102 und die zweite Mantelschicht 106 effizient begrenzt. Das von der aktiven Schicht 103 emittierte Licht tritt in das Innere des entsprechenden Phasenmodulationsbereichs ein, und aufgrund eines Einschränkungseffekts durch zweidimensionale Rückkopplung durch den Phasenmodulationsbereich wird ein vorgegebener Modus gebildet. Wenn genügend Elektronen und Löcher in die aktive Schicht injiziert werden, schwingt das auf den Phasenmodulationsbereich einfallende Licht in einem vorbestimmten Modus. Das den vorbestimmten Schwingungsmodus bildende Licht wird einer Phasenmodulation gemäß dem Anordnungsmuster der modifizierten Brechungsindexbereiche unterworfen, und das der Phasenmodulation unterworfene Licht wird von der Seite der erste-oberfläche-seitigen Elektrode nach außen (Strahlprojektionsbereich) als Licht emittiert, das das Strahlprojektionsmuster gemäß dem Anordnungsmuster darstellt.
In der vorliegenden Ausführungsform ist das lichtemittierende Halbleiterelement 100 ein einzelnes Element, das mit der Phasenmodulationsschicht 104 einschließlich des Paares der Phasenmodulationsbereiche 104-1 und 104-2 versehen ist. Somit ist ein Prozess, bei dem eine Vielzahl von lichtemittierenden Halbleiterelementen auf einer Trägerplatte angeordnet werden, nicht erforderlich, was sich von einer Konfiguration unterscheidet, bei der eine Vielzahl von lichtemittierenden Halbleiterelementen, die jeweils einen Phasenmodulationsbereich (Phasenmodulationsschicht) aufweisen, auf einer Trägerplatte angeordnet werden. Daher kann die Bestrahlung des Lichts des Zielstrahlprojektionsmusters in Bezug auf den Zielstrahlprojektionsbereich leicht mit hoher Genauigkeit gemäß der vorliegenden Ausführungsform realisiert werden.
Darüber hinaus sind in der vorliegenden Ausführungsform die aktive Schicht 103, die Phasenmodulationsschicht 104, die erste Mantelschicht 102, die zweite Mantelschicht 106 und die gemeinsame Substratschicht 101 mit dem Trennbereich 112 versehen, der die entsprechenden Bereiche, die die Phasenmodulationsbereiche 104-1 und 104-2 von der Z-Achsrichtung betrachtet überlappen, elektrisch und optisch voneinander trennt. Da die benachbarten Phasenmodulationsbereiche 104-1 und 104-2 durch den Trennbereich 112 elektrisch und optisch getrennt sind, wird die Erzeugung von Nebensignaleffekten zwischen den benachbarten Phasenmodulationsbereichen 104-1 und 104-2 unterdrückt. Dadurch wird die Bestrahlung des Lichts des gewünschten Strahlprojektionsmusters in Bezug auf den gewünschten Strahlprojektionsbereich mit noch höherer Genauigkeit realisiert.
In der vorliegenden Ausführungsform kann das Anordnungsmuster in jedem der Phasenmodulationsbereiche 104-1 und 104-2 so eingestellt werden, dass die Strahlprojektionsbereiche gleich werden, auch wenn ein Antriebsstrom von einer der zweite-oberfläche-seitigen Elektroden 108-1 und 108-2 zugeführt wird (das Strahlprojektionsmuster ist jedoch beliebig). In der obigen Konfiguration können neben einem Anwendungsbeispiel des im Patentdokument 1 beschriebenen lichtemittierenden Halbleiterelements (das Anwendungsbeispiel, bei dem ein Objekt mit einem Laserstrahl gescannt wird) verschiedene andere Anwendungen implementiert werden. So ist es beispielsweise gemäß der vorliegenden Ausführungsform möglich, (a) eine Anwendung auf verschiedene Anzeigevorrichtungen eines Typs, bei dem zwei Muster im gleichen Bereich eines Bildschirms geschaltet angezeigt werden, (b) eine Anwendung auf verschiedene Beleuchtungsarten eines Typs, bei dem eine Stelle kontinuierlich oder intermittierend mit dem gleichen Lichtmuster bestrahlt wird, und (c) eine Anwendung auf eine Laserbearbeitung eines Typs, bei dem eine Stelle kontinuierlich mit dem gleichen Muster von gepulstem Licht bestrahlt wird, um Löcher eines Zielmusters in einem Objekt zu bohren, zu implementieren.
Als Beispiel für die Anwendung (a) in der ersten Ausführungsform gibt es eine Anwendung, bei der ein Muster von x, wie in 7A dargestellt ist, und ein Muster von o, wie in 7B dargestellt ist, an der gleichen Position auf einem Bildschirm in einer gemäß einer Benutzeranweisung geschalteten Weise oder eines geeigneten Zeitpunkts angezeigt werden.
Als Beispiel für die Anwendung (b) in der ersten Ausführungsform werden sowohl das Anordnungsmuster im ersten Phasenmodulationsbereich 104-1 als auch das Anordnungsmuster im zweiten Phasenmodulationsbereich 104-2 so eingestellt, dass der gleiche Strahlprojektionsbereich und das gleiche Strahlprojektionsmuster erhalten werden können. Im Übrigen wird das Strahlprojektionsmuster auf ein Strahlprojektionsmuster eingestellt, das beispielsweise eine gleichmäßige Helligkeit über den gesamten oder einen Teil des Strahlprojektionsbereichs aufweist. Es gibt eine Anwendung, bei der ein Antriebsstrom von den beiden zweite-oberfläche-seitigen Elektroden 108-1 und 108-2 zugeführt wird, wenn eine helle Beleuchtung erforderlich ist, und ein Antriebsstrom nur von einer der zweite-oberfläche-seitigen Elektroden 108-1 und 108-2 geliefert wird, wenn er bei dunkler Beleuchtung ausreichend ist.
Als Beispiel für die Anwendung (c) in der ersten Ausführungsform sind sowohl das Anordnungsmuster im ersten Phasenmodulationsbereich 104-1 als auch das Anordnungsmuster im zweiten Phasenmodulationsbereich 104-2 so eingestellt, dass der gleiche Strahlprojektionsbereich und das gleiche Strahlprojektionsmuster erhalten werden können. Im Übrigen ist der Strahlprojektionsbereich an einer Position ausgerichtet, an der ein Loch eines Werkstücks erwünscht gebohrt wird, und das Strahlprojektionsmuster ist auf ein Muster einer Form der Lochform eingestellt, die wunschgemäß gebohrt wird. Es gibt eine Anwendung, bei der abwechselnd ein gepulster Strom von den beiden zweite-oberfläche-seitigen Elektroden 108-1 und 108-2 zugeführt wird. In diesem Fall kann ein Impulsintervall von jedem der lichtemittierenden Abschnitte verlängert werden. Auf diese Weise ist es möglich, einen von jedem der lichtemittierenden Abschnitte abgegebenen höheren Peak zu erhalten und eine größere Leistung zu erzielen.
Darüber hinaus kann in der vorliegenden Ausführungsform das Anordnungsmuster in jedem der Phasenmodulationsbereiche 104-1 und 104-2 so eingestellt werden, dass die Strahlprojektionsmuster gleich werden, auch wenn ein Antriebsstrom von einer der zweite-oberfläche-seitigen Elektroden 108-1 und 108-2 zugeführt wird (der Strahlprojektionsbereich ist jedoch beliebig). Auch bei der obigen Konfiguration können neben einem Anwendungsbeispiel des in Patentdokument 1 beschriebenen lichtemittierenden Halbleiterelements (das Anwendungsbeispiel, bei dem ein Objekt mit einem Laserstrahl gescannt wird) verschiedene andere Anwendungen realisiert werden. So kann beispielsweise zusätzlich zu den vorstehend beschriebenen Anwendungen (a) bis (c) auch eine Anwendung auf die Beleuchtung eines Typs realisiert werden, bei der zwei Stellen zu einem geeigneten Zeitpunkt bestrahlt werden.
(Zweite Ausführungsform)
Die zweite Ausführungsform ist eine Ausführungsform, bei der drei oder mehr Paare von Phasenmodulationsbereichen und zweite-oberfläche-seitigen Elektroden, die jeweils zu zweit (in einem Paar) in der ersten Ausführungsform vorgesehen sind, eindimensional angeordnet sind. Mit anderen Worten, die zweite Ausführungsform ist eine Ausführungsform, bei der die Anzahl der lichtemittierenden Abschnitte, die in der ersten Ausführungsform zwei sind, auf drei oder mehr erhöht wird, und die lichtemittierenden Abschnitte eindimensional angeordnet sind und andere Konfigurationen sind neben diesem geänderten Punkt die gleichen wie die der ersten Ausführungsform.
Eine Konfiguration eines lichtemittierenden Halbleiterelements 200 gemäß der zweiten Ausführungsform wird mit Bezug auf die 9 bis 11 beschrieben. Die 9 ist eine Ansicht des lichtemittierenden Halbleiterelements 200 gemäß der zweiten Ausführungsform, betrachtet von einer ersten Oberflächenseite. Die 10 ist eine Ansicht des lichtemittierenden Halbleiterelements 200 von einer zweiten Oberflächenseite aus gesehen. Die 11 ist eine Querschnittsansicht entlang der Linie XX in den 9 und 10. Obwohl die 9 bis 11 ein Beispiel veranschaulichen, in dem fünf lichtemittierende Abschnitte (erster bis fünfter lichtemittierender Abschnitt) auf einer Geraden angeordnet sind, kann die Anzahl der lichtemittierenden Abschnitte von fünf verschieden sein, und eine solche eindimensionale Anordnung kann auf einer Kurve durchgeführt werden.
Wie in den 9 bis 11 dargestellt ist, weist das lichtemittierende Halbleiterelement 200 eine erste Oberfläche 200a und eine zweite Oberfläche 200b auf und gibt Licht von der ersten Oberfläche 200a als Lichtemissionsfläche ab. In der vorliegenden Ausführungsform fungiert die zweite Oberfläche 200b als Stützfläche. Das lichtemittierende Halbleiterelement 200 enthält eine gemeinsame Substratschicht 201, eine aktive Schicht 203, eine Phasenmodulationsschicht 204, eine erste Mantelschicht 202, eine zweite Mantelschicht 206, eine Vielzahl von zweite-oberfläche-seitigen Elektroden 208-1 bis 208-5 und eine erste-oberfläche-seitige Elektrode 210. Die Phasenmodulationsschicht 204 enthält eine Vielzahl von Phasenmodulationsbereichen 204-1 bis 204-5, die optisch mit der aktiven Schicht 203 gekoppelt sind. Im Übrigen wird eine gestapelte Struktur unter Verwendung der Phasenmodulationsschicht 204 konfiguriert, die mindestens die aktive Schicht 203 und die Vielzahl der Phasenmodulationsbereiche 204-1 bis 204-5 enthält. Die erste Mantelschicht 202 ist auf der Seite positioniert, auf der die erste Oberfläche 200a in Bezug auf die gestapelte Struktur angeordnet ist (einschließlich mindestens der aktiven Schicht 203 und der Phasenmodulationsschicht 204). Die zweite Mantelschicht 206 ist auf der Seite positioniert, auf der die zweite Oberfläche 200b in Bezug auf die gestapelte Struktur (einschließlich mindestens der aktiven Schicht 203 und der Phasenmodulationsschicht 204) angeordnet ist. Die zweite-oberfläche-seitigen Elektroden 208-1 bis 208-5 sind auf der Seite angeordnet, auf der die zweite Oberfläche 200b in Bezug auf die zweite Mantelschicht 206 an Positionen entsprechend den jeweiligen Phasenmodulationsbereichen 204-1 bis 204-5 angeordnet ist. Die erste-oberfläche-seitige Elektrode 210 ist auf der Seite angeordnet, auf der die erste Oberfläche 200a in Bezug auf die erste Mantelschicht 202 angeordnet ist.
Die Phasenmodulationsbereiche 204-1 bis 204-5 beinhalten Basisbereiche 204-1a bis 204-5a, die einen ersten Brechungsindex aufweisen, und eine Vielzahl von modifizierten Brechungsindexbereichen 204-1b bis 204-5b, die einen zweiten Brechungsindex aufweisen, der sich jeweils vom ersten Brechungsindex unterscheidet. Die Vielzahl der modifizierten Brechungsindexbereiche 204-1b bis 204-5b sind in den Basisbereichen 204-1a bis 204-5a entsprechend einem Anordnungsmuster angeordnet, in dem jeder Schwerpunkt G1 an einer um einen vorbestimmten Abstand r von jedem Gitterpunkt O in einem virtuellen Quadratgitter in jedem der Basisbereiche 204-1a bis 204-5a verschobenen Stelle positioniert ist. Ein Anordnungsmuster der modifizierten Brechungsindexbereiche 204-1b bis 204-5b in jedem der Phasenmodulationsbereiche 204-1 bis 204-5 ist so eingestellt, dass ein Strahlprojektionsmuster, das durch von der ersten Oberfläche 200a abgegebenes Licht exprimiert wird, und ein Strahlprojektionsbereich, der ein Projektionsbereich des Strahlprojektionsmusters ist, zu einem Zielstrahlprojektionsmuster und einem Zielstrahlprojektionsbereich wird, wenn von jeder der zweite-oberfläche-seitigen Elektroden 208-1 bis 208-5, die jedem der Phasenmodulationsbereiche 204-1 bis 204-5 entsprechen, ein Antriebsstrom zugeführt wird.
Die Strahlprojektionsbereiche des Lichts, das abgegeben wird, wenn der Antriebsstrom von den zweite-oberfläche-seitigen Elektroden 208-1 bis 208-5 zugeführt wird, können alle gleich sein, oder zumindest einige davon können sich von den anderen unterscheiden. Darüber hinaus können die Strahlprojektionsmuster des Lichts, das abgegeben wird, wenn der Antriebsstrom von den zweite-oberfläche-seitigen Elektroden 208-1 bis 208-5 zugeführt wird, ebenfalls alle gleich sein, oder zumindest einige davon können sich von den anderen unterscheiden.
Die aktive Schicht 203, die Phasenmodulationsschicht 204, die erste Mantelschicht 202, die zweite Mantelschicht 206 und die gemeinsame Substratschicht 201 sind mit einem Trennbereich 212 versehen, der sich von der zweiten Oberfläche 200b bis zum Erreichen der gemeinsamen Substratschicht 201 bis zur gemeinsamen Substratschicht 201 erstreckt. Der Trennbereich 212 erstreckt sich von der zweiten Oberfläche 200b in Richtung der gemeinsamen Substratschicht 201, um die aktive Schicht 203, die erste Mantelschicht 202, die zweite Mantelschicht 206 und entsprechende Bereiche, die die Phasenmodulationsbereiche 204-1 bis 204-5 aus Z-Achsenrichtung (Stapelrichtung) betrachtet überlappen, in der ersten Mantelschicht 202 und der zweiten Mantelschicht 206 elektrisch und optisch zu trennen. Eine Dicke eines Abschnitts der gemeinsamen Substratschicht 201, die im unteren Teil des Trennbereichs 212 angeordnet ist (der kürzeste Abstand zwischen einer Endfläche 212a der Seite des Trennbereichs 212 zur erste-oberfläche-seitigen Elektrode 210 und der erste-oberfläche-seitigen Elektrode 210), ist gleich oder kürzer als eine halbe Dicke der gemeinsamen Substratschicht 201 entlang der Z-Achsenrichtung und typischerweise 70 µm oder kürzer. Wie in 11 dargestellt ist, können die jeweiligen Abschnitte des lichtemittierenden Halbleiterelements 200, die an den Stellen des Trennbereichs 212 unterteilt sind, als unabhängige lichtemittierende Abschnitte betrachtet werden (der erste lichtemittierende Abschnitt bis zum fünften lichtemittierenden Abschnitt). Darüber hinaus ist ein Schritt zur Herstellung des Trennbereichs 212 derselbe wie derjenige der ersten Ausführungsform.
Wie in den 9 und 11 dargestellt ist, enthält die erste-oberfläche-seitige Elektrode 210 Öffnungen 210-1 bis 210-5 an Positionen, die den Phasenmodulationsbereichen 204-1 bis 204-5 und den zweite-oberfläche-seitigen Elektroden 208-1 bis 208-5 entsprechen. Die erste-oberfläche-seitige Elektrode 210 kann eine transparente Elektrode anstelle der Elektrode mit der Öffnung sein.
Eine vertikale Beziehung zwischen der aktiven Schicht 203 und der Phasenmodulationsschicht 204 kann einer in 11 dargestellten vertikalen Beziehung entgegengesetzt sein. Darüber hinaus veranschaulicht 11 auch die gemeinsame Substratschicht 201, eine obere Lichtleitschicht 205b, eine untere Lichtleitschicht 205a, eine Kontaktschicht 207, eine Isolationsschicht 209 und eine Antireflexionsschicht 211, wobei das lichtemittierende Halbleiterelement 200 diese Schichten nicht unbedingt enthält.
Obwohl die jeweiligen Schichten, Bestandteile, Formen, Abmessungen, Herstellungsverfahren einschließlich der Hauptschritte mit Ausnahme eines Schrittes zur Herstellung des Trennbereichs und dergleichen der jeweiligen Bereiche von Fachleuten auf der Grundlage der in Patentdokument 1 beschriebenen Inhalte ähnlich wie bei der ersten Ausführungsform angemessen ausgewählt werden können, werden einige Beispiele hierfür im Folgenden erläutert. Das heißt, ein Beispiel für das Material oder eine Struktur jeder in 11 dargestellten Schicht ist wie folgt gegeben. Die gemeinsame Substratschicht 201 besteht aus GaAs. Die erste Mantelschicht 202 besteht aus AlGaAs. Die aktive Schicht 203 weist eine multiple Quantentopfstruktur MQW auf (eine Barriereschicht: AIGaAs/eine Vertiefungsschicht: InGaAs). Die Phasenmodulationsschicht 204 enthält die Basisbereiche 204-1a bis 204-5a und die Vielzahl der modifizierten Brechungsindexbereiche 204-1b bis 204-5b, die in die Basisbereiche 204-1a bis 204-5a eingebettet sind. Die Basisbereiche 204-1a bis 204-5a bestehen aus GaAs. Die Vielzahl der modifizierten Brechungsindexbereiche 204-1b bis 204-5b sind aus AlGaAs hergestellt. Die obere Lichtleitschicht 205b und die untere Lichtleitschicht 205a bestehen aus AlGaAs. Die zweite Mantelschicht 206 besteht aus AlGaAs. Die Kontaktschicht 207 besteht aus GaAs. Die Isolationsschicht 209 besteht aus SiO₂ oder Siliziumnitrid. Die Antireflexionsschicht 211 besteht aus einem dielektrischen einschichtigen Film wie Siliziumnitrid (SiN) und Siliziumdioxid (SiO₂) oder einem dielektrischen Mehrschichtfilm. Der Trennbereich 212 ist eine Halbleiterschicht, die durch hochintensives Licht (elektrisches Feld) modifiziert ist, eine Halbleiterschicht, die entweder durch Diffusion oder Ionenimplantation isoliert ist, oder ein Spalt (Luftspalt), der entweder durch Trockenätzen oder Nassätzen gebildet wird. Beispiele für ein spezifisches Verfahren zur Modifikation mit dem hochintensiven Licht (elektrisches Feld) sind hier die Bearbeitung mit einem Nanosekundenlaser und die Bearbeitung mit einem Ultrakurzpulslaser. Die Vielzahl der modifizierten Brechungsindexbereiche 204-1b bis 204-5b können Löcher sein, die mit Argon, Stickstoff, Luft oder dergleichen gefüllt sind.
In einem Beispiel wird der gemeinsamen Substratschicht 201 und der ersten Mantelschicht 202 eine Verunreinigung vom N-Typ hinzugefügt. Die zweite Mantelschicht 206 und die Kontaktschicht 207 werden mit einer P-Verunreinigung versehen. Darüber hinaus sind die Energiebandlücken der ersten Mantelschicht 202 und der zweiten Mantelschicht 206 größer als die Energiebandlücken der oberen Lichtleitschicht 205b und der unteren Lichtleitschicht 205a. Die Energiebandlücke der oberen Lichtleitschicht 205b und der unteren Lichtleitschicht 205a ist größer eingestellt als eine Energiebandlücke der multiplen Quantentopfstruktur MQW der aktiven Schicht 203.
Hier veranschaulichen die 12A bis 12F und 13A bis 13F Beispiele für das Zielstrahlprojektionsmuster und eine Phasenverteilung aus einer komplexen Amplitudenverteilung, die durch inverses Fourier-Transformieren des zugehörigen Ausgangsmusters gemäß der vorliegenden Ausführungsform und einer später zu beschreibenden dritten Ausführungsform erhalten wird. Die 12A bis 12C veranschaulichen Beispiele für die Zielstrahlprojektionsmuster, die erhalten werden, wenn ein Antriebsstrom von den zweite-oberfläche-seitigen Elektroden des ersten lichtemittierenden Abschnitts, des dritten lichtemittierenden Abschnitts und des fünften lichtemittierenden Abschnitts zugeführt wird. Die 12D bis 12F veranschaulichen die Phasenverteilungen aus den komplexen Amplitudenverteilungen, die durch inverses Fourier-Transformieren der Originalmuster entsprechend den jeweiligen Strahlprojektionsmustern in den 12A bis 12C erhalten wurden. Die 13A bis 13C veranschaulichen weitere Beispiele für die Zielstrahlprojektionsmuster, die erhalten werden, wenn ein Antriebsstrom von den Zweite-oberfläche-seitigen Elektroden des ersten lichtemittierenden Abschnitts, des dritten lichtemittierenden Abschnitts und des fünften lichtemittierenden Abschnitts zugeführt wird. Die 13D bis 13F veranschaulichen die Phasenverteilungen aus den komplexen Amplitudenverteilungen, die durch inverses Fourier-Transformieren der Originalmuster entsprechend den jeweiligen Strahlprojektionsmustern in den 13A bis 13C erhalten wurden. Jede der 12D bis 12F und 13D bis 13F besteht aus 704 × 704 Elementen, und eine Verteilung der Winkel von 0 bis 2π wird durch Licht und Farbton dargestellt. Ein schwarzer Teil repräsentiert den Winkel von Null.
Als nächstes wird eine Konfiguration einer Lichtemissionsvorrichtung mit dem lichtemittierenden Halbleiterelement 200 mit Bezug auf 14 beschrieben. Die 14 ist ein Blockdiagramm, das eine Konfiguration der Lichtemissionsvorrichtung mit dem lichtemittierenden Halbleiterelement 200 darstellt. Wie in 14 dargestellt ist, enthält eine Lichtemissionsvorrichtung 240 das lichtemittierende Halbleiterelement 200, eine Stromversorgungsschaltung 241, eine Steuersignaleingangsschaltung 242 und eine Treiberschaltung 243. Die Stromversorgungsschaltung 241 versorgt die Treiberschaltung 243 und das lichtemittierende Halbleiterelement 200 mit strom. Die Steuersignaleingangsschaltung 242 überträgt ein von der Außenseite der Lichtemissionsvorrichtung 240 zugeführtes Steuersignal an die Treiberschaltung 243. Die Treiberschaltung 243 liefert einen Antriebsstrom an das lichtemittierende Halbleiterelement 200. Die Treiberschaltung 243 und das lichtemittierende Halbleiterelement 200 sind über eine Vielzahl von Antiebsleitungen 244-1 bis 244-5 zum Zuführen eines Antriebsstroms und einer einzigen gemeinsamen Potentialleitung 245 verbunden. Die Antriebsleitungen 244-1 bis 244-5 sind jeweils mit den zweite-oberfläche-seitigen Elektroden 208-1 bis 208-5 verbunden. Die gemeinsame Potentialleitung 245 ist mit der erste-oberfläche-seitigen Elektrode 210 verbunden. Im Übrigen stellen in 14 das über der Treiberschaltung 243 dargestellte lichtemittierende Halbleiterelement 200 und das unter der Treiberschaltung 243 dargestellte lichtemittierende Halbleiterelement 200 die erste Oberfläche bzw. die zweite Oberfläche des einzelnen lichtemittierenden Halbleiterelements 200 dar.
Die Antriebsleitungen 244-1 bis 244-5 können je nach Anwendung alternativ angetrieben werden, oder mindestens zwei davon können gleichzeitig angetrieben werden. Darüber hinaus kann die Treiberschaltung 243 getrennt vom lichtemittierenden Halbleiterelement 200 konfiguriert oder integral auf der gemeinsamen Substratschicht 201 des lichtemittierenden Halbleiterelements 200 ausgebildet sein.
Die Lichtemissionsvorrichtung 240 mit dem wie vorstehend beschrieben konfigurierten lichtemittierenden Halbleiterelement 200 arbeitet wie folgt. Das heißt, es wird ein Antriebsstrom aus der Treiberschaltung 243 zwischen einer der Antriebsleitungen 244-1 bis 244-5 und der gemeinsamen Potentialleitung 245 zugeführt. In dem lichtemittierenden Abschnitt, der der zweite-oberfläche-seitigen Elektrode entspricht, die mit der Antriebsleitung verbunden ist, der der Antriebsstrom zugeführt wurde, werden Elektronen und Löcher in der aktiven Schicht 203 neu kombiniert, so dass die aktive Schicht 203 im lichtemittierenden Abschnitt Licht emittiert. Das durch diese Lichtemission erhaltene Licht wird durch die erste Mantelschicht 202 und die zweite Mantelschicht 206 effizient begrenzt. Das von der aktiven Schicht 203 emittierte Licht tritt in das Innere des entsprechenden Phasenmodulationsbereichs ein, und aufgrund eines Einschränkungseffekts durch zweidimensionale Rückkopplung durch den Phasenmodulationsbereich wird ein vorgegebener Modus gebildet. Wenn genügend Elektronen und Löcher in die aktive Schicht injiziert werden, schwingt das auf den Phasenmodulationsbereich einfallende Licht in einem vorbestimmten Modus. Das den vorbestimmten Schwingungsmodus bildende Licht wird einer Phasenmodulation gemäß dem Anordnungsmuster der modifizierten Brechungsindexbereiche unterworfen, und das der Phasenmodulation unterworfene Licht wird von der Seite der erste-oberfläche-seitigen Elektrode nach außen (Strahlprojektionsbereich) als Licht emittiert, das das Strahlprojektionsmuster gemäß dem Anordnungsmuster darstellt.
Selbst in der vorliegenden Ausführungsform ist das lichtemittierende Halbleiterelement 200 ein einzelnes Element, das mit der Phasenmodulationsschicht 204 einschließlich der Vielzahl der Phasenmodulationsbereiche 204-1 bis 204-5 versehen ist. Somit ist ein Prozess, bei dem eine Vielzahl von lichtemittierenden Halbleiterelementen auf einer Trägerplatte angeordnet werden, nicht erforderlich, was sich von einer Konfiguration unterscheidet, bei der eine Vielzahl von lichtemittierenden Halbleiterelementen, die jeweils einen Phasenmodulationsbereich (Phasenmodulationsschicht) aufweisen, auf einer Trägerplatte angeordnet werden. Somit wird die Bestrahlung des Lichts des Zielstrahlprojektionsmusters in Bezug auf den Zielstrahlprojektionsbereich einfach und mit hoher Genauigkeit realisiert.
Darüber hinaus sind die aktive Schicht 203, die Phasenmodulationsschicht 204, die erste Mantelschicht 202, die zweite Mantelschicht 206 und die gemeinsame Substratschicht 201 ebenfalls mit dem Trennbereich 212 versehen, der sich in der vorliegenden Ausführungsform von der zweiten Oberfläche 200b bis zum Erreichen der gemeinsamen Substratschicht 201 bis zur gemeinsamen Substratschicht 201 erstreckt. Da die aneinandergrenzenden Phasenmodulationsbereiche 204-1 bis 204-5 durch den Trennbereich 212 elektrisch und optisch getrennt sind, wird die Erzeugung von Nebensignaleffekten zwischen den benachbarten Phasenmodulationsbereichen 204-1 bis 204-5 unterdrückt. Dadurch wird die Bestrahlung des Lichts des gewünschten Strahlprojektionsmusters in Bezug auf den gewünschten Strahlprojektionsbereich mit noch höherer Genauigkeit realisiert.
Darüber hinaus kann das Anordnungsmuster in jedem der Phasenmodulationsbereiche 204-1 bis 204-5 auch so eingestellt werden, dass die Strahlprojektionsbereiche gleich werden, auch wenn von einer der zweite-oberfläche-seitigen Elektroden 208-1 bis 208-5 in der vorliegenden Ausführungsform ein Antriebsstrom zugeführt wird (das Strahlprojektionsmuster ist jedoch beliebig). Im Falle der obigen Konfiguration können neben einem Anwendungsbeispiel des in Patentdokument 1 beschriebenen lichtemittierenden Halbleiterelements (das Anwendungsbeispiel, bei dem ein Objekt mit einem Laserstrahl gescannt wird) auch andere Anwendungen realisiert werden. So ist es beispielsweise gemäß der vorliegenden Ausführungsform möglich, (a) eine Anwendung auf verschiedene Anzeigevorrichtungen eines Typs, bei dem drei oder mehr Muster im gleichen Bereich eines Bildschirms in geschalteter Weise angezeigt werden, (b) eine Anwendung auf verschiedene Beleuchtungsarten eines Typs, bei dem eine Stelle kontinuierlich oder intermittierend mit dem gleichen Lichtmuster bestrahlt wird, und (c) eine Anwendung auf die Laserbearbeitung eines Typs, bei dem eine Stelle kontinuierlich mit dem gleichen Muster von gepulstem Licht bestrahlt wird, um Löcher eines Zielmusters in einem Objekt zu bohren, zu implementieren.
Beispiele für die Anwendung (a) in der zweiten Ausführungsform sind eine Anwendung, bei der nicht nur das Muster von x, wie in der 7A veranschaulicht ist, und das Muster von o, wie in der 7B veranschaulicht ist, sondern auch andere Muster wie ρ und □ an der gleichen Position auf einem Bildschirm nach einer Anweisung eines Benutzers oder einem geeigneten Zeitpunkt geschaltet angezeigt werden, eine Anwendung, bei der leicht unterschiedliche Muster, wie in den 12A bis 12F und 13A bis 13F veranschaulicht ist, in geschalteter Weise kontinuierlich dargestellt werden, um eine Animation in einem Bereich anzuzeigen, und dergleichen.
Als Beispiel für die Anwendung (b) in der zweiten Ausführungsform gibt es eine Anwendung, bei der die als Anwendung (b) in der ersten Ausführungsform dargestellte Beleuchtung so geändert wird, dass sie in mehreren Schritten umschaltbar ist.
Als Beispiel für die Anwendung (c) in der dritten Ausführungsform gibt es eine Anwendung, bei der die als Anwendung (c) in der ersten Ausführungsform dargestellte Laserbearbeitung auf sequentielles Pulstreiben einer Vielzahl von zweite-oberfläche-seitigen Elektroden umgestellt wird. In diesem Fall kann ein Impulsintervall jedes lichtemittierenden Abschnitts verlängert werden, so dass es möglich ist, von jedem lichtemittierenden Abschnitt eine höhere Spitzenleistung zu erhalten, und es ist möglich, eine größere Leistung zu erzielen.
Darüber hinaus kann das Anordnungsmuster in jedem der Phasenmodulationsbereiche 204-1 bis 204-5 auch so eingestellt werden, dass die Strahlprojektionsmuster gleich werden, auch wenn von einer der zweite-oberfläche-seitigen Elektroden 208-1 bis 208-5 in der vorliegenden Ausführungsform ein Antriebsstrom zugeführt wird (der Strahlprojektionsbereich ist jedoch beliebig). Im Falle der obigen Konfiguration können neben dem in Patentdokument 1 beschriebenen Anwendungsbeispiel des lichtemittierenden Halbleiterelements (das Anwendungsbeispiel, bei dem das Objekt mit dem Laserstrahl gescannt wird) verschiedene andere Anwendungen als das obige Anwendungsbeispiel realisiert werden. Die Anwendungen, die sich von dem in Patentschrift 1 dargestellten Anwendungsbeispiel unterscheiden, können neben der oben beschriebenen Anwendung (a) bis zur Anwendung (c) auch eine Anwendung zur Beleuchtung eines Typs beinhalten, bei der eine beliebige Stelle zu einem gewünschten Zeitpunkt bestrahlt wird.
(Dritte Ausführungsform)
Die dritte Ausführungsform ist eine Ausführungsform, bei der die eindimensionale Anordnung der Phasenmodulationsbereiche und der zweite-oberfläche-seitigen Elektroden in der zweiten Ausführungsform in eine zweidimensionale Anordnung umgewandelt wird. Mit anderen Worten, diese dritte Ausführungsform ist die Ausführungsform, bei der die eindimensionale Anordnung der Vielzahl von lichtemittierenden Abschnitten wie bei der zweiten Ausführungsform in die zweidimensionale Anordnung geändert wird, und Konfigurationen sind bis auf den geänderten Punkt die gleichen wie bei der zweiten Ausführungsform.
Eine Konfiguration eines lichtemittierenden Halbleiterelements 300 gemäß der dritten Ausführungsform wird mit Bezug auf die 15 bis 17 beschrieben. Die 15 ist eine Ansicht des lichtemittierenden Halbleiterelements 300 gemäß der dritten Ausführungsform von einer ersten Oberflächenseite aus gesehen, die 16 ist eine Ansicht des lichtemittierenden Halbleiterelements 300 von einer zweiten Oberflächenseite aus gesehen, und die 17 ist eine Querschnittsansicht entlang der Linie XVI-XVI in den 15 und 16. Obwohl die 15 bis 17 ein Beispiel veranschaulichen, in dem fünfzehn lichtemittierende Abschnitte (erster bis fünfzehnter lichtemittierender Abschnitt) in drei Reihen und fünf Spalten angeordnet sind, kann die Anzahl der lichtemittierenden Abschnitte von fünfzehn verschieden sein, und eine solche zweidimensionale Anordnung kann beliebig sein.
Wie in den 15 bis 17 dargestellt ist, weist das lichtemittierende Halbleiterelement 300 eine erste Oberfläche 300a und eine zweite Oberfläche 300b auf und gibt Licht von der ersten Oberfläche 300a als Lichtemissionsfläche ab. In der vorliegenden Ausführungsform fungiert die zweite Oberfläche 300b als Stützfläche. Das lichtemittierende Halbleiterelement 300 enthält eine gemeinsame Substratschicht 301, eine aktive Schicht 303, eine Phasenmodulationsschicht 304, eine erste Mantelschicht 302, eine zweite Mantelschicht 306, eine Vielzahl von zweite-oberfläche-seitigen Elektroden 308-1 bis 308-15 und eine erste-oberfläche-seitige Elektrode 310. Die Phasenmodulationsschicht 304 enthält eine Vielzahl von Phasenmodulationsbereichen 304-1 bis 304-15, die optisch mit der aktiven Schicht 303 gekoppelt sind. Im Übrigen wird eine gestapelte Struktur unter Verwendung der Phasenmodulationsschicht 304 konfiguriert, die mindestens die aktive Schicht 303 und die Vielzahl der Phasenmodulationsbereiche 304-1 bis 304-15 enthält. Die erste Mantelschicht 302 ist auf der Seite positioniert, auf der die erste Oberfläche 300a in Bezug auf die gestapelte Struktur angeordnet ist (einschließlich mindestens der aktiven Schicht 303 und der Phasenmodulationsschicht 304). Die zweite Mantelschicht 306 ist auf der Seite positioniert, auf der die zweite Oberfläche 300b zur gestapelte Struktur (einschließlich mindestens der aktiven Schicht 303 und der Phasenmodulationsschicht 304) angeordnet ist. Die zweite-oberfläche-seitigen Elektroden 308-1 bis 308-15 sind auf der Seite angeordnet, auf der die zweite Oberfläche 300b in Bezug auf die zweite Mantelschicht 306 an Positionen entsprechend den jeweiligen Phasenmodulationsbereichen 304-1 bis 304-15 angeordnet ist. Die erste-oberfläche-seitige Elektrode 310 ist auf der Seite angeordnet, auf der die erste Oberfläche 300a in Bezug auf die erste Mantelschicht 302 angeordnet ist.
Die Phasenmodulationsbereiche 304-1 bis 304-15 beinhalten Basisbereiche 304-1a bis 304-15a mit einem ersten Brechungsindex und einer Vielzahl von modifizierten Brechungsindexbereichen 304-1b bis 304-15b mit einem zweiten Brechungsindex, der sich jeweils vom ersten Brechungsindex unterscheidet. Die Vielzahl der modifizierten Brechungsindexbereiche 304-1b bis 304-15b ist in den Basisbereichen 304-1a bis 304-15a entsprechend einem Anordnungsmuster angeordnet, in dem jeder Schwerpunkt G1 an einer um einen vorbestimmten Abstand r von jedem Gitterpunkt O in einem virtuellen Quadratgitter in jedem der Basisbereiche 304-1a bis 304-15a verschobenen Stelle positioniert ist. Ein Anordnungsmuster der modifizierten Brechungsindexbereiche 304-1b bis 304-15b in jedem der Phasenmodulationsbereiche 304-1 bis 304-15 ist so eingestellt, dass ein Strahlprojektionsmuster, das durch von der ersten Oberfläche 300a abgegebenes Licht exprimiert wird, und ein Strahlprojektionsbereich, der ein Projektionsbereich des Strahlprojektionsmusters ist, mit einem Zielstrahlprojektionsmuster und einem Zielstrahlprojektionsbereich übereinstimmen, wenn von jeder der zweite-oberfläche-seitigen Elektroden 308-1 bis 308-15 ein Antriebsstrom zugeführt wird, der jedem der Phasenmodulationsbereiche 304-1 bis 304-15 entspricht.
Die Strahlprojektionsbereiche des Lichts, das ausgegeben wird, wenn der Antriebsstrom von den zweite-oberfläche-seitigen Elektroden 308-1 bis 308-15 zugeführt wird, können alle gleich sein, oder zumindest manche davon können sich von den anderen unterscheiden. Darüber hinaus können die Strahlprojektionsmuster des Lichts, das abgegeben wird, wenn der Antriebsstrom von den zweite-oberfläche-seitigen Elektroden 308-1 bis 308-15 zugeführt wird, ebenfalls alle gleich sein, oder zumindest ein Teil davon kann sich von den anderen unterscheiden.
Die aktive Schicht 303, die Phasenmodulationsschicht 304, die erste Mantelschicht 302, die zweite Mantelschicht 306 und die gemeinsame Substratschicht 301 sind mit einem Trennbereich 312 versehen, der sich von der zweiten Oberfläche 300b bis zum Erreichen der gemeinsamen Substratschicht 301 bis zur gemeinsamen Substratschicht 301 erstreckt. Der Trennbereich 312 erstreckt sich von der zweiten Oberfläche 300b in Richtung der gemeinsamen Substratschicht 301, um die aktive Schicht 303, die erste Mantelschicht 302, die zweite Mantelschicht 306 und entsprechende Bereiche in der ersten Mantelschicht 302 und der zweiten Mantelschicht 306 elektrisch und optisch zu trennen, die die Phasenmodulationsbereiche 304-1 bis 304-15 aus der Richtung der Z-Achse (Stapelrichtung) betrachtet überlappen. Eine Dicke eines Abschnitts der gemeinsamen Substratschicht 301, die im unteren Teil des Trennbereichs 312 (der kürzeste Abstand zwischen einer Endfläche 312a der Seite des Trennbereichs 312 zur erste-oberfläche-seitigen Elektrode 310 und der erste-oberfläche-seitigen Elektrode 310) angeordnet ist, ist gleich oder kürzer als eine halbe Dicke der gemeinsamen Substratschicht 301 entlang der Z-Achsenrichtung und typischerweise 70 µm oder kürzer. Wie in 17 dargestellt ist, können die jeweiligen Abschnitte des lichtemittierenden Halbleiterelements 300, die an den Stellen des Trennbereichs 312 unterteilt sind, als unabhängige lichtemittierende Abschnitte betrachtet werden (der erste lichtemittierende Abschnitt bis zum fünfzehnten lichtemittierenden Abschnitt). Darüber hinaus ist ein Schritt zur Herstellung des Trennbereichs 312 derselbe wie derjenige der ersten Ausführungsform.
Wie in den 15 und 17 dargestellt ist, enthält die erste-oberfläche-seitige Elektrode 310 Öffnungen 310-1 bis 310-15 an Positionen, die jeweils den Phasenmodulationsbereichen 304-1 bis 304-15 und den zweite-oberfläche-seitigen Elektroden 308-1 bis 308-15 entsprechen. Die erste-oberfläche-seitige Elektrode 310 kann eine transparente Elektrode anstelle der Elektrode mit der Öffnung sein.
Eine vertikale Beziehung zwischen der aktiven Schicht 303 und der Phasenmodulationsschicht 304 kann einer vertikalen Beziehung entgegengesetzt sein, die in 17 dargestellt ist. Darüber hinaus veranschaulicht 17 auch die gemeinsame Substratschicht 301, eine obere Lichtleitschicht 305b, eine untere Lichtleitschicht 305a, eine Kontaktschicht 307, eine Isolationsschicht 309 und eine Antireflexionsschicht 311, wobei das lichtemittierende Halbleiterelement 300 diese Schichten jedoch nicht unbedingt enthält.
Obwohl die jeweiligen Schichten, Bestandteile, Formen, Abmessungen, Herstellungsverfahren einschließlich der Hauptschritte mit Ausnahme eines Schrittes zur Herstellung des Trennbereichs und dergleichen der jeweiligen Bereiche von Fachleuten auf der Grundlage der in Patentdokument 1 beschriebenen Inhalte ähnlich der ersten Ausführungsform und der zweiten Ausführungsform angemessen ausgewählt werden können, werden einige Beispiele hierfür im Folgenden erläutert. Das heißt, ein Beispiel für das Material oder eine Struktur jeder in 17 dargestellten Schicht ist wie folgt gegeben. Die gemeinsame Substratschicht 301 besteht aus GaAs. Die erste Mantelschicht 302 besteht aus AlGaAs. Die aktive Schicht 303 weist eine multiple Quantentopfstruktur MQW auf (eine Barriereschicht: AIGaAs/eine Vertiefungsschicht: InGaAs). Die Phasenmodulationsschicht 304 enthält die Basisbereiche 304-1a bis 304-15a und die Vielzahl der modifizierten Brechungsindexbereiche 304-1b bis 304-15 eingebettet in die Basisbereiche 304-1a bis 304-15a. Die Basisbereiche 304-1a bis 304-15a sind aus GaAs gefertigt. Die Vielzahl der modifizierten Brechungsindexbereiche 304-1b bis 304-15b sind aus AlGaAs hergestellt. Die obere Lichtleitschicht 305b und die untere Lichtleitschicht 305a bestehen aus AlGaAs. Die zweite Mantelschicht 306 besteht aus AlGaAs. Die Kontaktschicht 307 besteht aus GaAs. Die Isolationsschicht 309 besteht aus SiO₂ oder Siliziumnitrid. Die Antireflexionsschicht 311 besteht aus einem dielektrischen einschichtigen Film wie Siliziumnitrid (SiN) und Siliziumdioxid (SiO₂) oder einem dielektrischen Mehrschichtfilm. Der Trennbereich 312 ist eine Halbleiterschicht, die durch hochintensives Licht (elektrisches Feld) modifiziert ist, eine Halbleiterschicht, die entweder durch Diffusion oder Ionenimplantation isoliert ist, oder ein Spalt (Luftspalt), der entweder durch Trockenätzen oder Nassätzen gebildet wird. Beispiele für ein spezifisches Verfahren zur Modifikation mit dem hochintensiven Licht (elektrisches Feld) sind hier die Bearbeitung mit einem Nanosekundenlaser und die Bearbeitung mit einem Ultrakurzpulslaser. Die Vielzahl der modifizierten Brechungsindexbereiche 304-1b bis 304-15b können Gitterlücken sein, die mit Argon, Stickstoff, Luft oder dergleichen gefüllt sind.
In einem Beispiel wird der gemeinsamen Substratschicht 301 und der ersten Mantelschicht 302 eine Verunreinigung vom N-Typ hinzugefügt. Die zweite Mantelschicht 306 und die Kontaktschicht 307 werden mit einer P-Verunreinigung versehen. Darüber hinaus sind die Energiebandlücken der ersten Mantelschicht 302 und der zweiten Mantelschicht 306 größer als die Energiebandlücken der oberen Lichtleitschicht 305b und der unteren Lichtleitschicht 305a. Die Energiebandlücke der oberen Lichtleiterschicht 305b und der unteren Lichtleitschicht 305a ist größer eingestellt als eine Energiebandlücke der multiplen Quantentopfstruktur MQW der aktiven Schicht 303.
Anschließend wird eine Konfiguration einer Lichtemissionsvorrichtung mit dem lichtemittierenden Halbleiterelement 300 unter Bezugnahme auf 18 beschrieben. Die 18 ist ein Blockdiagramm, das eine Konfiguration der Lichtemissionsvorrichtung mit dem lichtemittierenden Halbleiterelement 300 darstellt.
Wie in 18 dargestellt ist, enthält eine Lichtemissionsvorrichtung 340 das lichtemittierende Halbleiterelement 300, eine Stromversorgungsschaltung 341, eine Steuersignaleingangsschaltung 342 und eine Treiberschaltung 343. Die Stromversorgungsschaltung 341 versorgt die Treiberschaltung 343 und das lichtemittierende Halbleiterelement 300 mit Strom. Die Steuersignaleingangsschaltung 342 überträgt ein von der Außenseite der Lichtemissionsvorrichtung 340 zugeführtes Steuersignal an die Treiberschaltung 343. Die Treiberschaltung 343 liefert einen Antriebsstrom an das lichtemittierende Halbleiterelement 300. Die Treiberschaltung 343 und das lichtemittierende Halbleiterelement 300 sind über eine Vielzahl von Antriebsleitungen 44-1 bis 344-15 verbunden, um einen Antriebsstrom und eine einzige gemeinsame Potentialleitung 345 zu liefern. Die Antriebsleitungen 344-1 bis 344-15 sind jeweils mit den zweite-oberfläche-seitigen Elektroden 308-1 bis 308-15 verbunden, und die gemeinsame Potentialleitung 345 ist mit der erste-oberfläche-seitigen Elektrode 310 verbunden. Im Übrigen stellen das über der Treiberschaltung 343 dargestellte lichtemittierende Halbleiterelement 300 und das unter der Treiberschaltung 343 dargestellte lichtemittierende Halbleiterelement 300 in 18 die erste Oberfläche bzw. die zweite Oberfläche des einzelnen lichtemittierenden Halbleiterelements 300 dar.
Die Antriebsleitungen 344-1 bis 344-15 können alternativ entsprechend einer Anwendung angetrieben werden, oder mindestens zwei davon können gleichzeitig angetrieben werden. Darüber hinaus kann die Treiberschaltung 343 getrennt vom lichtemittierenden Halbleiterelement 300 konfiguriert oder integral auf der gemeinsamen Substratschicht 301 des lichtemittierenden Halbleiterelements 300 ausgebildet sein.
Die Lichtemissionsvorrichtung 340 mit dem wie vorstehend beschrieben konfigurierten lichtemittierenden Halbleiterelement 300 arbeitet wie folgt. Das heißt, es wird ein Antriebsstrom aus der Treiberschaltung 343 zwischen einer der Antriebsleitungen 344-1 bis 344-15 und der gemeinsamen Potentialleitung 345 zugeführt. In dem lichtemittierenden Abschnitt, der der zweite-oberfläche-seitigen Elektrode entspricht, die mit der Antriebsleitung verbunden ist, der der Antriebsstrom zugeführt wurde, werden Elektronen und Löcher in der aktiven Schicht 303 neu kombiniert, so dass die aktive Schicht 303 im lichtemittierenden Abschnitt Licht emittiert. Das durch diese Lichtemission erhaltene Licht wird durch die erste Mantelschicht 302 und die zweite Mantelschicht 306 effizient begrenzt. Das von der aktiven Schicht 303 emittierte Licht tritt in das Innere des entsprechenden Phasenmodulationsbereichs ein, und aufgrund eines Einschränkungseffekts durch zweidimensionale Rückkopplung durch den Phasenmodulationsbereich wird ein vorgegebener Modus gebildet. Wenn genügend Elektronen und Löcher in die aktive Schicht injiziert werden, schwingt das auf den Phasenmodulationsbereich einfallende Licht in einem vorbestimmten Modus. Das den vorbestimmten Schwingungsmodus bildende Licht wird einer Phasenmodulation gemäß dem Anordnungsmuster der modifizierten Brechungsindexbereiche unterzogen, und das der Phasenmodulation unterzogene Licht wird von der Seite der erste-oberfläche-seitigen Elektrode nach außen als Licht mit dem Strahlprojektionsbereich und dem Strahlprojektionsmuster gemäß dem Anordnungsmuster ausgestrahlt.
Selbst in der vorliegenden Ausführungsform ist das lichtemittierende Halbleiterelement 300 ein einzelnes Element, das mit der Phasenmodulationsschicht 304 einschließlich der Vielzahl der Phasenmodulationsbereiche 304-1 bis 304-15 versehen ist. Somit ist ein Prozess, bei dem eine Vielzahl von lichtemittierenden Halbleiterelementen auf einer Trägerplatte angeordnet werden, nicht erforderlich, was sich von einer Konfiguration unterscheidet, bei der eine Vielzahl von lichtemittierenden Halbleiterelementen, die jeweils einen Phasenmodulationsbereich (Phasenmodulationsschicht) aufweisen, auf einer Trägerplatte angeordnet werden. Somit wird die Bestrahlung des Lichts des Zielstrahlprojektionsmusters in Bezug auf den Zielstrahlprojektionsbereich einfach und mit hoher Genauigkeit realisiert.
Die aktive Schicht 303, die Phasenmodulationsschicht 304, die erste Mantelschicht 302, die zweite Mantelschicht 306 und die gemeinsame Substratschicht 301 sind ebenfalls mit dem Trennbereich 312 versehen, der sich in der vorliegenden Ausführungsform von der zweiten Oberfläche 300b bis zum Erreichen der gemeinsamen Substratschicht 301 bis zur gemeinsamen Substratschicht 301 erstreckt. Da die benachbarten Phasenmodulationsbereiche 304-1 bis 304-15 durch den obigen Trennbereich 312 elektrisch und optisch getrennt sind, wird die Erzeugung von Nebensignaleffekten zwischen den benachbarten Phasenmodulationsbereichen 304-1 bis 304-15 unterdrückt. Dadurch wird die Bestrahlung des Lichts des gewünschten Strahlprojektionsmusters in Bezug auf den gewünschten Strahlprojektionsbereich mit noch höherer Genauigkeit realisiert.
Das Anordnungsmuster in jedem der Phasenmodulationsbereiche 304-1 bis 304-15 kann auch so eingestellt werden, dass die Strahlprojektionsbereiche gleich werden, selbst wenn ein Antriebsstrom von einer der zweite-oberfläche-seitigen Elektroden 308-1 bis 308-15 in der vorliegenden Ausführungsform zugeführt wird. Im Falle der obigen Konfiguration können neben einem Anwendungsbeispiel des in Patentdokument 1 beschriebenen lichtemittierenden Halbleiterelements (das Anwendungsbeispiel, bei dem ein Objekt mit einem Laserstrahl gescannt wird) auch andere Anwendungen realisiert werden. Mögliche Anwendungen sind die gleichen wie bei der zweiten Ausführungsform.
Darüber hinaus kann das Anordnungsmuster in jedem der Phasenmodulationsbereiche 304-1 bis 304-15 auch so eingestellt werden, dass die Strahlprojektionsmuster gleich werden, selbst wenn ein Antriebsstrom von einer der zweite-oberfläche-seitigen Elektroden 308-1 bis 308-15 in der vorliegenden Ausführungsform zugeführt wird. Im Falle der obigen Konfiguration können neben dem in Patentdokument 1 beschriebenen Anwendungsbeispiel des lichtemittierenden Halbleiterelements (das Anwendungsbeispiel, bei dem das Objekt mit dem Laserstrahl gescannt wird) verschiedene andere Anwendungen als das obige Anwendungsbeispiel realisiert werden. Mögliche Anwendungen sind in diesem Fall auch die gleichen wie in der zweiten Ausführungsform.
(Vierte Ausführungsform)
Die vierte Ausführungsform ist eine Ausführungsform, bei der die von der ersten Oberflächenseite in der ersten Ausführungsform abgenommene Lichtleistung geändert wird, um von der zweiten Oberflächenseite abgenommen zu werden. Dementsprechend durchläuft die Lichtabgabe nicht die gemeinsame Substratschicht, so dass es möglich ist, die Absorption des Ausgabelichts durch die gemeinsame Substratschicht zu eliminieren und eine Dämpfung des Ausgabelichts und eine Wärmeentwicklung der gemeinsamen Substratschicht zu verhindern. Die vierte Ausführungsform ist die gleiche wie die erste Ausführungsform bis auf eine solche Änderung.
Eine Konfiguration eines lichtemittierenden Halbleiterelements 100B gemäß der vierten Ausführungsform wird mit Bezug auf die 19 bis 21 beschrieben. Die 19 ist eine Ansicht des lichtemittierenden Halbleiterelements 100B gemäß der vierten Ausführungsform, betrachtet von einer ersten Oberflächenseite. Die 20 ist eine Ansicht des lichtemittierenden Halbleiterelements 100B, betrachtet von einer zweiten Oberflächenseite. Die 21 ist eine Querschnittsansicht entlang der Linie XX-XX in den 19 und 20.
Wie in den 19 bis 21 dargestellt ist, weist das lichtemittierende Halbleiterelement 100B eine erste Oberfläche 100Ba und eine zweite Oberfläche 100Bb auf und gibt Licht von der zweiten Oberfläche 100Bb als Lichtemissionsfläche im Unterschied zur ersten und dritten Ausführungsform ab. In der vorliegenden Ausführungsform fungiert die erste Oberfläche 100Ba als Stützfläche. Das lichtemittierende Halbleiterelement 100B enthält eine gemeinsame Substratschicht 101B, eine aktive Schicht 103B, eine Phasenmodulationsschicht 104B, eine erste Mantelschicht 102B, eine zweite Mantelschicht 106B, ein Paar zweite-oberfläche-seitige Elektroden 108B-1 und 108B-2 sowie ein Paar erste-oberfläche-seitige Elektroden 110B-1 und 110B-2. Die Phasenmodulationsschicht 104B enthält ein Paar von Phasenmodulationsbereichen 104B-1 und 104B-2, die optisch mit der aktiven Schicht 103B gekoppelt sind. Im Übrigen wird eine gestapelte Struktur unter Verwendung der Phasenmodulationsschicht 104B mit mindestens der aktiven Schicht 103B und dem Paar der Phasenmodulationsbereiche 104B-1 und 104B-2 konfiguriert. Die erste Mantelschicht 102B ist auf der Seite positioniert, auf der die erste Oberfläche 100Ba in Bezug auf die gestapelte Struktur angeordnet ist (einschließlich mindestens der aktiven Schicht 103B und der Phasenmodulationsschicht 104B). Die zweite Mantelschicht 106B ist auf der Seite positioniert, auf der die zweite Oberfläche 100Bb in Bezug auf die gestapelte Struktur angeordnet ist (einschließlich mindestens der aktiven Schicht 103B und der Phasenmodulationsschicht 104B). Die zweite-oberfläche-seitigen Elektroden 108B-1 und 108B-2 sind auf der Seite angeordnet, auf der die zweite Oberfläche 100Bb in Bezug auf die zweite Mantelschicht 106B an Positionen entsprechend den jeweiligen Phasenmodulationsbereichen 104B-1 und 104B-2 angeordnet ist. Die erste-oberfläche-seitigen Elektroden 110B-1 und 110B-2 sind auf der Seite angeordnet, auf der die erste Oberfläche 100Ba in Bezug auf die erste Mantelschicht 102 angeordnet ist.
Die Phasenmodulationsbereiche 104B-1 und 104B-2 beinhalten die Basisbereiche 104B-1a und 104B-1b mit einem ersten Brechungsindex und eine Vielzahl von modifizierten Brechungsindexbereichen 104B-2a und 104B-2b mit einem zweiten Brechungsindex, der sich jeweils vom ersten Brechungsindex unterscheidet. Die Vielzahl der modifizierten Brechungsindexbereiche 104B-1b und 104B-2b sind jeweils in den Basisbereichen 104B-1a bzw. 104B-2a nach einem Anordnungsmuster angeordnet, in dem jeder Schwerpunkt G1 an einer um einen vorbestimmten Abstand r von jedem Gitterpunkt O in einem virtuellen Quadratgitter in jedem der Basisbereiche 104B-1a und 104B-2a verschobenen Stelle positioniert ist. Das Anordnungsmuster der Vielzahl von modifizierten Brechungsindexbereichen 104B-1b und 104B-2b in jedem der Phasenmodulationsbereiche 104B-1 und 104B-2 ist so eingestellt, dass ein Strahlprojektionsmuster, das durch von der zweiten Oberfläche 100Bb abgegebenes Licht exprimiert wird, und ein Strahlprojektionsbereich, der ein Projektionsbereich des Strahlprojektionsmusters ist, mit einem Zielstrahlprojektionsmuster und einem Zielstrahlprojektionsbereich übereinstimmen, wenn ein Antriebsstrom von der zweite-oberfläche-seitigen Elektrode 108B-1 oder 108B-2 zugeführt wird, die dem Phasenmodulationsbereich 104B-1oder 104B-2 entspricht.
Der Strahlprojektionsbereich von Licht, das abgegeben wird, wenn der Antriebsstrom von der zweite-oberfläche-seitigen Elektrode 108B-1 zugeführt wird, und der Strahlprojektionsbereich von Licht, das abgegeben wird, wenn der Antriebsstrom von der zweite-oberfläche-seitigen Elektrode 108B-2 zugeführt wird, können gleich oder unterschiedlich sein. Darüber hinaus kann das Strahlprojektionsmuster des Lichts, das abgegeben wird, wenn der Antriebsstrom von der zweite-oberfläche-seitigen Elektrode 108B-1 zugeführt wird, und das Strahlprojektionsmuster des Lichts, das abgegeben wird, wenn der Antriebsstrom von der zweite-oberfläche-seitigen Elektrode 108B-2 zugeführt wird, ebenfalls gleich oder unterschiedlich sein.
Die aktive Schicht 103B, die Phasenmodulationsschicht 104B, die erste Mantelschicht 102B, die zweite Mantelschicht 106B und die gemeinsame Substratschicht 101B sind mit einem Trennbereich 112B versehen, der sich von der zweiten Oberfläche 100Bb bis zum Erreichen der gemeinsamen Substratschicht 101B bis zur gemeinsamen Substratschicht 101B erstreckt. Der Trennbereich 112B erstreckt sich von der zweiten Oberfläche 100Bb in Richtung der gemeinsamen Substratschicht 101B, um die aktive Schicht 103B, die erste Mantelschicht 102B, die zweite Mantelschicht 106B und entsprechende Bereiche in der ersten Mantelschicht 102B und der zweiten Mantelschicht 106B elektrisch und optisch zu trennen, die die Phasenmodulationsbereiche 104B-1 und 104B-2 aus der Richtung der Z-Achse (Stapelrichtung) betrachtet überlappen. Eine Dicke eines Abschnitts der gemeinsamen Substratschicht 101B, die im unteren Teil des Trennbereichs 112B positioniert ist (ein Abstand zwischen einer Endfläche 112Ba der Seite des Trennbereichs 112B zur erste-oberfläche-seitigen Elektrode 110B-1 oder 110B-2 und der Seite der erste-oberfläche-seitigen Elektrode 110B-1 oder 110B-2) ist gleich oder kürzer als eine halbe Dicke der gemeinsamen Substratschicht 101B entlang der Richtung der Z-Achse (Stapelrichtung) und typischerweise 70 µm oder kürzer. Im Übrigen ist die erste-oberfläche-seitige Elektrode in der vierten Ausführungsform zweigeteilt, aber diese beiden erste-oberfläche-seitigen Elektroden 110B-1 und 110B-2 werden gemeinsam als „erste-oberfläche-seitige Elektrode“ bezeichnet. Daher bezieht sich der „Abstand zwischen der Endfläche 112Ba der Seite des Trennbereichs 112B zur erste-oberfläche-seitigen Elektrode 110B-1 oder 110B-2 und der erste-oberfläche-seitigen Elektrode 110B-1 oder 110B-2“ (eine Dicke eines Abschnitts, in dem der Trennbereich nicht in der gemeinsamen Substratschicht 101B ausgebildet ist) auf einen Abstand zwischen einer Ebene, die Oberflächen sowohl von der erste-oberfläche-seitigen Elektrode 110B-1 als auch der erste-oberfläche-seitigen Elektrode 110B-2 auf der Seite, auf der die gemeinsame Substratschicht 101B angeordnet ist, enthält, und der Endfläche 112Ba. Der so definierte Abstand (Mindestabstand) von der Endfläche 112Ba des Trennbereichs 112B zur erste-oberfläche-seitigen Elektrode 110B-1 oder 110B-2 ist gleich oder kürzer als die halbe Dicke der gemeinsamen Substratschicht 101B entlang der Z-Achsenrichtung (Stapelrichtung). Darüber hinaus ist eine Dicke eines Abschnitts, in dem ein solcher Trennbereich nicht gebildet wird, typischerweise 70 µm oder kürzer. Wie in 21 dargestellt ist, können die jeweiligen Abschnitte des lichtemittierenden Halbleiterelements 100B, die an den Stellen des Trennbereichs 112B unterteilt sind, als unabhängige lichtemittierende Abschnitte (ein erster lichtemittierender Abschnitt und ein zweiter lichtemittierender Abschnitt) betrachtet werden. Darüber hinaus ist ein Schritt zur Herstellung des Trennbereichs 112B derselbe wie derjenige der ersten Ausführungsform.
Wie in den 20 und 21 dargestellt ist, enthalten die zweite-oberfläche-seitigen Elektroden 108B-1 und 108B-2 Öffnungen 108B-1a und 108B-2a an Positionen, die den Phasenmodulationsbereichen 104B-1 und 104B-2 und den erste-oberfläche-seitigen Elektroden 110B-1 und 110B-2 entsprechen. Die zweite-oberfläche-seitigen Elektroden 108B-1 und 108B-2 können transparente Elektroden anstelle der Elektroden mit den Öffnungen sein.
Eine vertikale Beziehung zwischen der aktiven Schicht 103B und der Phasenmodulationsschicht 104B kann einer vertikalen Beziehung entgegengesetzt sein, die in 21 dargestellt ist. Darüber hinaus kann eine DBR-Schicht 120B zwischen der gemeinsamen Substratschicht 101B und der ersten Mantelschicht 102B vorgesehen werden, um die Lichtabsorption in der gemeinsamen Substratschicht 101B zu reduzieren. Die DBR-Schicht 120B kann an anderen Stellen vorgesehen werden, solange die DBR-Schicht zwischen der Phasenmodulationsschicht 104B und der gemeinsamen Substratschicht 101B bereitgestellt wird. Darüber hinaus veranschaulicht die 21 auch die gemeinsame Substratschicht 101B, eine obere Lichtleitschicht 105Bb, eine untere Lichtleitschicht 105Ba, eine Kontaktschicht 107B, eine Isolationsschicht 109B und eine Antireflexionsschicht 111B, wobei das lichtemittierende Halbleiterelement 100B diese Schichten nicht unbedingt enthält.
Obwohl die jeweiligen Schichten, Bestandteile, Formen, Abmessungen, Herstellungsverfahren einschließlich der Hauptschritte mit Ausnahme eines Schrittes zur Herstellung des Trennbereichs und dergleichen der jeweiligen Bereiche von Fachleuten auf der Grundlage der in Patentdokument 1 beschriebenen Inhalte angemessen ausgewählt werden können, werden im Folgenden einige Beispiele dafür erläutert. Das heißt, ein Beispiel für das Material oder eine Struktur jeder in 21 dargestellten Schicht ist wie folgt dargestellt. Die gemeinsame Substratschicht 101B besteht aus GaAs. Die erste Mantelschicht 102B besteht aus AlGaAs. Die aktive Schicht 103B weist eine multiple Quantentopfstruktur MQW auf (eine Barriereschicht: AIGaAs/eine Vertiefungsschicht: InGaAs). Die Phasenmodulationsschicht 104B enthält die Basisbereiche 104B-1a und 104B-2a und die Vielzahl der modifizierten Brechungsindexbereiche 104B-1b und 104B-2b, die in die Basisbereiche 104B-1a und 104B-2a eingebettet sind. Die Basisbereiche 104B-1a und 104B-2a bestehen aus GaAs. Die Vielzahl der modifizierten Brechungsindexbereiche 104B-1b und 104B-2b sind aus AlGaAs hergestellt. Die obere Lichtleitschicht 105Bb und die untere Lichtleitschicht 105Ba bestehen aus AlGaAs. Die zweite Mantelschicht 106B besteht aus AlGaAs. Die Kontaktschicht 107B besteht aus GaAs. Die Isolationsschicht 109B besteht aus SiO₂ oder Siliziumnitrid. Die Antireflexionsschicht 111B besteht aus einem dielektrischen einschichtigen Film wie Siliziumnitrid (SiN) und Siliziumdioxid (SiO₂) oder einem dielektrischen Mehrschichtfilm. Der Trennbereich 112B ist eine Halbleiterschicht, die durch hochintensives Licht (elektrisches Feld) modifiziert ist, eine Halbleiterschicht, die entweder durch Diffusion oder Ionenimplantation isoliert ist, oder ein Spalt (Luftspalt), der entweder durch Trockenätzen oder Nassätzen gebildet wird. Beispiele für ein spezifisches Verfahren zur Modifikation mit dem hochintensiven Licht (elektrisches Feld) sind hier die Bearbeitung mit einem Nanosekundenlaser und die Bearbeitung mit einem Ultrakurzpulslaser. Die Vielzahl der modifizierten Brechungsindexbereiche 104B-1b und 104B-2b können Löcher sein, die mit Argon, Stickstoff, Luft oder dergleichen gefüllt sind.
In einem Beispiel wird der gemeinsamen Substratschicht 101B und der ersten Mantelschicht 102B eine Verunreinigung vom N-Typ hinzugefügt. Der zweiten Mantelschicht 106B und der Kontaktschicht 107B wird eine P-Verunreinigung hinzugefügt. Darüber hinaus sind die Energiebandlücken der ersten Mantelschicht 102B und der zweiten Mantelschicht 106B größer als die Energiebandlücken der oberen Lichtleitschicht 105Bb und der unteren Lichtleitschicht 105Ba. Die Energiebandlücke der oberen Lichtleitschicht 105Bb und der unteren Lichtleitschicht 105Ba ist größer als eine Energiebandlücke der multiplen Quantentopfstruktur MQW der aktiven Schicht 103B.
Obwohl die erste bis vierte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wie oben beschrieben wurden, ist die vorliegende Erfindung nicht auf die erste bis vierte Ausführungsform beschränkt.
So sind beispielsweise die Trennbereiche 112, 212, 312 und 112B in der ersten bis vierten Ausführungsform vorgesehen, aber der Trennbereich kann entfallen, wenn Nebensignaleffekte kein Problem darstellen, z.B. wenn ein Abstand zwischen benachbarten Phasenmodulationsbereichen vergrößert werden kann.
So wurde beispielsweise das Beispiel, in dem der modifizierte Brechungsindexbereich der Kreis (perfekter Kreis) ist, in den 4 und 5 beschrieben, aber der modifizierte Brechungsindexbereich kann eine andere Form als die des Kreises aufweisen. Wenn beispielsweise die Formen der Vielzahl von modifizierten Brechungsindexbereiche auf der X-Y-Ebene einen perfekten Kreis, ein Quadrat, ein regelmäßiges Sechseck, ein regelmäßiges Achteck, ein regelmäßiges Sechzehneck, ein Rechteck und eine Ellipse annehmen, das heißt, wenn die Formen der jeweiligen modifizierten Brechungsindexbereiche spiegelbildlich symmetrisch (liniensymmetrisch) sind, ist es möglich, den Winkel φ, der zwischen der Richtung vom Gitterpunkt O(x, y) jedes der das virtuelle Quadratgitter bildenden Vielzahl von Einheitsfeldern R in Richtung des Schwerpunkts G1 jedes entsprecheden modifizierten Brechungsindexbereichs und der zur X-Achse parallelen s-Achse gebildet wird, mit hoher Genauigkeit in der Phasenmodulationsschicht einzustellen. Darüber hinaus können die Formen der Vielzahl von modifizierten Brechungsindexbereichen auf der X-Y-Ebene Formen sein, die nicht die 180°-Drehsymmetrie aufweisen, wie in den 22A bis 22J dargestellt ist. Beispiele für Formen, die nicht die 180°-Drehsymmetrie aufweisen, sind ein in 22B dargestelltes gleichseitiges Dreieck, ein in 22A dargestelltes rechtwinkliges gleichschenkliges Dreieck, ein in 22C dargestelltes gleichschenkliges Dreieck, eine in 22I dargestellte Form, bei der sich zwei Kreise oder Ellipsen teilweise überlappen, eine in 22H dargestellte Eiform, eine in 22D dargestellte Tropfenform, eine in 22E dargestellte Pfeilform, ein in 22F dargestelltes Trapez, ein in 22G dargestelltes Fünfeck und eine in 22J dargestellte Form, bei der sich zwei Rechtecke teilweise überlappen. In diesem Fall ist es möglich, eine höhere Lichtabgabe zu erzielen. Im Übrigen ist die „Eiform“ eine Form, die durch Verformung einer Ellipse erhalten wird, so dass eine Dimension in einer Kurzachsenrichtung in der Nähe eines Endabschnitts entlang einer Längsachse kleiner ist als eine Dimension in der Kurzachsenrichtung in der Nähe des anderen Endabschnitts, wie in 22H dargestellt ist. Wie in 22D dargestellt ist, ist die „Tropfenform“ eine Form, die erhalten wird, indem ein Endabschnitt einer Ellipse entlang ihrer Längsachse in einen spitzen Endabschnitt verformt wird, der entlang einer Längsachsenrichtung vorsteht. Die Pfeilform ist eine Form, bei der eine Seite eines Rechtecks eine dreieckige Kerbe bildet und eine der einen Seite gegenüberliegende Seite einen dreieckigen Vorsprung bildet, wie in 22E dargestellt ist.
Darüber hinaus bezieht sich jede der ersten bis dritten Ausführungsform auf das lichtemittierende Halbleiterelement, in dem Licht von der ersten Oberfläche abgegeben wird, wobei die zweite-oberfläche-seitige Elektrode jedoch als die Elektrode mit der Öffnung oder die transparente Elektrode zum Bilden des lichtemittierenden Halbleiterelements konfiguriert werden kann, in dem Licht von der zweiten Oberflächenseite wie in der vierten Ausführungsform abgegeben wird. Obwohl jede Anzahl der Phasenmodulationsbereiche, der zweite-oberfläche-seitigen Elektroden und der erste-oberfläche-seitigen Elektroden zwei (ein Paar) in der vierten Ausführungsform ist, kann die Anzahl auf drei oder mehr eingestellt werden, und die Anordnung kann ein- oder zweidimensional wie in der zweiten oder dritten Ausführungsform erfolgen. Im Falle des lichtemittierenden Halbleiterelements, bei dem Licht von der zweiten Oberflächenseite abgegeben wird, durchläuft die Lichtabgabe nicht die gemeinsame Substratschicht, so dass es möglich ist, die Absorption des Ausgabelichts durch die gemeinsame Substratschicht zu eliminieren und eine Dämpfung des Ausgabelichts und eine Wärmeentwicklung der gemeinsamen Substratschicht zu verhindern.
Die Phasenmodulationsschicht kann mit einem inneren Bereich A versehen sein, der eine Vielzahl von modifizierten Brechungsindexbereichen enthält, die konfiguriert sind, um einen Strahlprojektionsbereich und ein Strahlprojektionsmuster zu erzeugen, und einem äußeren Bereich B, der einen äußeren Umfang des inneren Bereichs A umgibt, wie in einem ersten geänderten Beispiel, das in 23 dargestellt ist. Der innere Bereich A ist im Wesentlichen ein Bereich, der aus den Einheitsfeldern R besteht, in denen jeweils die entsprechenden modifizierten Brechungsindexbereiche angeordnet sind. Der äußere Bereich B ist mit einer Vielzahl von peripheren, gitterpunktgelagerten, modifizierten, Brechungsindexbereichen versehen. Schwerpunkte der Vielzahl von peripheren, gitterpunktgelagerten, modifizierten Brechungsindexbereiche sind zum Beispiel vorzugsweise mit Gitterpunkten in einem erweiterten Quadratgitter deckungsgleich, das durch Einstellen der gleichen Gitterstruktur wie ein virtuelles Quadratgitter auf einen Außenumfang des virtuellen Quadratgitters definiert wird. Die 23 veranschaulicht im Übrigen einen Gesichtspunkt, in dem das veränderte Beispiel der Phasenmodulationsschicht in einer Schichtdickenrichtung (Z-Achsenrichtung) betrachtet wird. In 23 stellt eine Außenkontur (der äußere Bereich B) einen Teil des Phasenmodulationsbereichs dar. Der von dem äußeren Bereich B umgebene innere Bereich A ist ein Phasenmodulationsbereich mit einer Vielzahl von modifizierten Brechungsindexbereichen, die konfiguriert sind, um einen Strahlprojektionsbereich und ein Strahlprojektionsmuster zu erzeugen (ein Bereich, der im Wesentlichen aus der Vielzahl von Einheitsfeldern R besteht), was der ersten bis vierten Ausführungsform ähnlich ist. Daher besteht der Phasenmodulationsbereich der Phasenmodulationsschicht im Beispiel von 23 aus dem inneren Bereich A und dem äußeren Bereich B. Wie vorstehend beschrieben wurde, ist der äußere Bereich B der Bereich, der die Vielzahl der peripheren, gitterpunktgelagerten, modifizierten Brechungsindexbereiche enthält, die jeweils den Schwerpunkt an der Gitterpunktposition im virtuellen Quadratgitter aufweisen, und ein Beispiel dafür ist wie folgt dargestellt. Das heißt, eine Gitterkonstante des virtuellen Quadratgitters im äußeren Bereich B kann gleich einer Gitterkonstante des virtuellen Quadratgitters im inneren Bereich A sein, und eine Form und eine Größe jedes peripheren gitterpunktgelagerten modifizierten Brechungsindexbereichs im äußeren Bereich B kann gleich einer Form und einer Größe des modifizierten Brechungsindexbereichs im inneren Bereich A sein. Nach diesem veränderten Beispiel wird ein Lichtleck in einer Richtung auf gleicher Ebene unterdrückt und ein Schwingungsschwellenstrom kann reduziert werden.
Weiterhin veranschaulichen die 4 und 5 das Beispiel, in dem die modifizierten Brechungsindexbereiche (im Folgenden als „verschobene modifizierte Brechungsindexbereiche“ bezeichnet) mit den Schwerpunkten G1 an den um den vorgegebenen Abstand von den jeweiligen Gitterpunkten im virtuellen Quadratgitter im Basisbereich verschobenen Stellen nacheinander im jeweiligen Einheitsfeld bereitgestellt werden. Der verschobene modifizierte Brechungsindexbereich kann jedoch in eine Vielzahl von Abschnitten unterteilt werden, so dass alle Schwerpunkte an den um den vorgegebenen Abstand von den jeweiligen Gitterpunkten verschobenen Stellen positioniert sind. Zusätzlich zu den verschobenen modifizierten Brechungsindesxbereichen können an den jeweiligen Gitterpunkten gitterpunktgelagerte modifizierte Brechungsindexbereiche vorgesehen werden. Der gitterpunktgelagerte modifizierte Brechungsindexbereich ist ein Bereich mit einem Brechungsindex, der sich vom Brechungsindex (erster Brechungsindex) des Basisbereichs ähnlich dem verschobenen modifizierten Brechungsindexbereich unterscheidet, aber aus dem gleichen Material (einem Material mit dem gleichen Brechungsindex) wie der verschobene modifizierte Brechungsindexbereich hergestellt sein kann, oder ein Teil davon kann einen Teil des verschobenen modifizierten Brechungsindexbereichs überlappen.
Hierin wird ein Beispiel für die Bereitstellung des gitterpunktgelagerten modifizierten Brechungsindexbereichs zusätzlich zum verschobenen modifizierten Brechungsindexbereich mit Bezug auf die 24, 25Abis 25K und 26 beschrieben. Die 24 ist ein Diagramm zur Beschreibung einer Positionsbeziehung zwischen dem Schwerpunkt des verschobenen modifizierten Brechungsindexbereichs und dem gitterpunktgelagerten modifizierten Brechungsindexbereich bei der Bereitstellung des gitterpunktgelagerten modifizierten Brechungsindexbereichs zusätzlich zum verschobenen modifizierten Brechungsindexbereich. Die 25A bis 25K sind Ansichten, die ein Beispiel (im Rotationssystem) für eine Kombination aus dem verschobenen modifizierten Brechungsindexbereich und dem gitterpunktgelagerten modifizierten Brechungsindexbereich veranschaulichen, wenn zusätzlich zum verschobenen modifizierten Brechungsindexbereich der gitterpunktgelagerte modifizierte Brechungsindexbereich bereitgestellt wird. Die 26 ist eine Ansicht, die ein verändertes Beispiel (im Rotationssystem) für den Fall veranschaulicht, dass zusätzlich zum verschobenen modifizierten Brechungsindexbereich auch der gitterpunktgelagerte modifizierte Brechungsindexbereich bereitgestellt wird.
In diesen Zeichnungen stellt O den Gitterpunkt dar, G1 stellt den Schwerpunkt des verschobenen modifizierten Brechungsindexbereichs dar und G2 stellt einen Schwerpunkt des gitterpunktgelagerten modifizierten Brechungsindexbereichs dar. Obwohl die Positionsbeziehung zwischen dem Schwerpunkt G1 des verschobenen modifizierten Brechungsindexbereichs n04-mb und dem Gitterpunkt O, wie in 24 dargestellt ist, die gleiche ist wie die in 5, ist in 24 zusätzlich ein gitterpunktgelagerter modifizierter Brechungsindexbereich n04-mc vorgesehen. Obwohl der Schwerpunkt G2 des gitterpunktgelagerten modifizierten Brechungsindexbereichs n04-mc den Gitterpunkt O in 24 überlappt, ist der Schwerpunkt G2 nicht unbedingt auf den Gitterpunkt O gesetzt, wie in 26 dargestellt ist. Obwohl sowohl der verschobene modifizierte Brechungsindexbereich n04-mb als auch der gitterpunktgelagerte modifizierte Brechungsindexbereich n04-mc Kreise sind und sich die beiden in 24 nicht überlappen, ist eine Kombination beider Bereiche darauf nicht beschränkt.
Wie in den 25A bis 25K dargestellt ist, sind verschiedene Kombinationen als Kombination des verschobenen modifizierten Brechungsindexbereichs n04-mb und des gitterpunktgelagerten modifizierten Brechungsindexbereichs n04-mc denkbar. Die 25A ist die Kombination aus 24. Die 25B ist eine Kombination, bei der sowohl der verschobene modifizierte Brechungsindexbereich n04-mb als auch der gitterpunktgelagerte modifizierte Brechungsindexbereich n04-mc Quadrate sind. Die 25C ist eine Kombination, bei der sowohl der verschobene modifizierte Brechungsindexbereich n04-mb als auch der gitterpunktgelagerte modifizierte Brechungsindexbereich n04-mc Kreise sind und sich beide teilweise überlappen. Die 25D ist eine Kombination, bei der sowohl der verschobene modifizierte Brechungsindexbereich n04-mb als auch der gitterpunktgelagerte modifizierte Brechungsindexbereich n04-mc quadratisch sind und sich teilweise überlappen. Die 25E ist eine Kombination, bei der der verschobene modifizierte Brechungsindexbereich n04-mb und der gitterpunktgelagerte modifizierte Brechungsindexbereich n04-mc von 25D beliebig um die jeweiligen Schwerpunkte G1 und G2 (Gitterpunkt O) gedreht werden, so dass sich die beiden nicht überlappen. Die 25F ist eine Kombination, bei der der verschobene modifizierte Brechungsindexbereich n04-mb ein Dreieck ist und der gitterpunktgelagerte modifizierte Brechungsindexbereich n04-mc ein Quadrat ist. Die 25G ist eine Kombination, bei der der verschobene modifizierte Brechungsindexbereich n04-mb und der gitterpunktgelagerte modifizierte Brechungsindexbereich n04-mc von 25F beliebig um die jeweiligen Schwerpunkte G1 und G2 (Gitterpunkt O) gedreht werden, so dass sich die beiden nicht überlappen. Die 25H veranschaulicht eine Kombination, bei der der verschobene modifizierte Brechungsindexbereich n04-mb der 25A in zwei kreisförmige Bereiche unterteilt ist. Die 251 ist eine Kombination, bei der der verschobene modifizierte Brechungsindexbereich n04-mb in ein Quadrat und ein Dreieck unterteilt ist und der gitterpunktgelagerte modifizierte Brechungsindexbereich n04-mc ein Dreieck ist. Die 25J ist eine Kombination, bei der der verschobene modifizierte Brechungsindexbereich n04-mb und der gitterpunktgelagerte modifizierte Brechungsindexbereich n04-mc von 25I beliebig um die jeweiligen Schwerpunkte G1 und G2 (der Gitterpunkt O) gedreht werden. Die 25K ist eine Kombination, bei der sowohl der verschobene modifizierte Brechungsindexbereich n04-mb als auch der gitterpunktgelagerte modifizierte Brechungsindexbereich n04-mc Quadrate sind, der verschobene modifizierte Brechungsindexbereich n04-mb in zwei Quadrate unterteilt ist und die Richtungen der Seiten der jeweiligen Quadrate jeweils in die gleiche Richtung gerichtet sind. Wenn neben dem verschobenen modifizierten Brechungsindexbereich auch der gitterpunktgelagerte modifizierte Brechungsindexbereich vorgesehen ist, weist der modifizierte Brechungsindexbereich, der beide Bereiche kombiniert, nicht die 180°-Rotationssymmetrie als Ganzes auf, so dass es möglich ist eine höhere Lichtabgabe zu erreichen.
Wenn die Form des modifizierten Brechungsindexbereichs (einschließlich des peripheren gitterpunktgelagerten modifizierten Brechungsindexbereichs und des gitterpunktgelagerten modifizierten Brechungsindexbereichs) als Form mit einer linearen Seite ausgebildet wird, ist es wünschenswert, eine Richtung der Seite auf eine bestimmte Ebenenorientierung von Kristallen auszurichten, die die gemeinsame Substratschicht bilden. Wenn der modifizierte Brechungsindexbereich dann ein mit Argon, Stickstoff oder Luft gefülltes Loch ist, wird es einfach, eine Form des Lochs zu steuern, und es ist möglich, einen Defekt in einer auf dem Loch gewachsenen Kristallschicht zu unterdrücken.
Im Übrigen sind die Formen oder die Anzahl der modifizierten Brechungsindexbereiche (einschließlich des peripheren gitterpunktgelagerten modifizierten Brechungsindexbereichs und des gitterpunktgelagerten modifizierten Brechungsindexbereichs), die so vorgesehen sind, dass sie den jeweiligen Gitterpunkten entsprechen, innerhalb eines Phasenmodulationsbereichs nicht unbedingt gleich. Wie in 27 (ein zweites verändertes Beispiel der in 4 dargestellten Phasenmodulationsschicht n04-m) dargestellt ist, können die Formen und die Anzahl der modifizierten Brechungsindexbereiche für jeden Gitterpunkt unterschiedlich sein.
Anschließend wird ein Fall des Bestimmens eines Anordnungsmusters des modifizierten Brechungsindexbereichs n04-mb in der Phasenmodulationsschicht n04-m durch ein achsiales Schaltsystem beschrieben. Im Übrigen wird als Verfahren zum Bestimmen des Anordnungsmusters des modifizierten Brechungsindexbereichs n04-mb in der Phasenmodulationsschicht n04-m die erhaltene Phasenmodulationsschicht gemäß den verschiedenen vorstehend beschriebenen Ausführungsformen auf die lichtemittierenden Halbleitermodule aufgebracht, auch wenn das achsiale Schaltsystem anstelle des vorstehend beschriebenen Rotationssystems angewendet wird.
Die 28 ist eine schematische Ansicht zur Beschreibung des Anordnungsmusters (im achsialen Schaltsystem) des modifizierten Brechungsindexbereichs n04-mb in der Phasenmodulationsschicht n04-m. Die Phasenmodulationsschicht n04-m enthält den Basisbereich n04-ma mit einem ersten Brechungsindex und den modifizierten Brechungsindexbereich n04-mb mit einem zweiten Brechungsindex, der sich vom ersten Brechungsindex unterscheidet. Hier wird in der Phasenmodulationsschicht n04-m ein auf einer X-Y-Ebene definiertes virtuelles Quadratgitter in gleicher Weise wie im Beispiel von 4 eingestellt. Eine Seite des Quadratgitters ist parallel zur X-Achse und die andere Seite ist parallel zur Y-Achse. Zu diesem Zeitpunkt werden die Einheitsfelder R, die jeweils eine quadratische Form mit einem Gitterpunkt O des Quadratgitters als Mittelpunkt aufweisen, zweidimensional über eine Vielzahl von Spalten (x1 bis x4) entlang der X-Achse und eine Vielzahl von Zeilen (y1 bis y3) entlang der Y-Achse eingestellt. Unter der Annahme, dass die Koordinaten der jeweiligen Einheitsfelder R mit den Schwerpunktpositionen der jeweiligen Einheitsfelder R angegeben werden, stimmen die Schwerpunktpositionen mit den Gitterpunkten O der virtuellen Quadratgitter überein. Eine Vielzahl von modifizierten Brechungsindexbereichen n04-mb wird nacheinander in jedem der Einheitsfelder R bereitgestellt. Eine planare Form des modifizierten Brechungsindexbereichs n04-mb ist beispielsweise eine kreisförmige Form. Der Gitterpunkt O kann außerhalb des modifizierten Brechungsindexbereichs n04-mb positioniert oder in den modifizierten Brechungsindexbereich n04-mb aufgenommen werden.
Im Übrigen wird ein Verhältnis der Fläche S des modifizierten Brechungsindexbereichs n04-mb, der ein Einheitsfeld R besetzt, als Füllfaktor (FF) bezeichnet. Wenn das Gitterintervall des Quadratgitters a ist, wird der Füllfaktor FF des modifizierten Brechungsindexbereichs n04-mb mit S/a² angegeben. Hier ist S die Fläche des modifizierten Brechungsindexbereichs n04-mb auf der X-Y-Ebene und wird mit S = π × (D/2)² mit einem Durchmesser D eines perfekten Kreises angegeben, wenn beispielsweise eine Form des modifizierten Brechungsindexbereichs n04-mb die perfekte Kreisform ist. Wenn die Form des modifizierten Brechungsindexbereichs n04-mb ein Quadrat ist, wird zusätzlich S = LA² mit einer Länge LA von einer Seite des Quadrats angegeben.
Die 29 ist ein Diagramm zur Beschreibung einer Positionsbeziehung zwischen dem Schwerpunkt G1 des modifizierten Brechungsindexbereichs n04-mb und dem Gitterpunkt O(x, y) im virtuellen Quadratgitter als Beispiel für das durch das achsiale Schaltsystem bestimmte Anordnungsmuster. Wie in 29 dargestellt ist, ist der Schwerpunkt G1 jedes der modifizierten Brechungsindexbereiche n04-mb auf der Geraden L angeordnet. Die Gerade L ist eine Gerade, die durch den entsprechenden Gitterpunkt O(x, y) des Einheitsfelds R(x, y) verläuft und in Bezug auf jede Seite des Quadratgitters geneigt ist. Mit anderen Worten, die Gerade L ist eine Gerade, die sowohl in Bezug auf die s-Achse als auch auf die t-Achse, die jedes der Einheitsfelder R(x, y) definieren, geneigt ist. Ein Neigungswinkel der Geraden L in Bezug auf die s-Achse ist θ. Der Neigungswinkel θ ist innerhalb der Phasenmodulationsschicht n04-m konstant. Der Neigungswinkel θ erfüllt 0° < θ < 90° und in einem Beispiel θ = 45°. Alternativ erfüllt der Neigungswinkel θ 180° < θ < 270° und in einem Beispiel θ = 225°. Wenn der Neigungswinkel θ 0° < θ < 90° oder 180° < θ < 270° erfüllt, erstreckt sich die Gerade L vom ersten Quadranten bis zum dritten Quadranten der durch die s-Achse und t-Achse definierten Koordinatenebene. Alternativ erfüllt der Neigungswinkel θ 90° < θ < 180° und in einem Beispiel θ = 135°. Alternativ erfüllt der Neigungswinkel θ 270° < θ < 360° und in einem Beispiel θ = 315°. Wenn der Neigungswinkel θ 90° < θ < 180° oder 270° < θ < 360° erfüllt, erstreckt sich die Gerade L vom zweiten Quadranten bis zum vierten Quadranten der durch die s- und t-Achse definierten Koordinatenebene. Auf diese Weise ist der Neigungswinkel θ ein Winkel ohne 0°, 90°, 180° und 270°. Hier wird ein Abstand zwischen dem Gitterpunkt O(x, y) und dem Schwerpunkt G1 als r(x, y) angenommen. Hier gibt x eine Position des x-ten Gitterpunktes auf der X-Achse und y eine Position des y-ten Gitterpunktes auf der Y-Achse an. Wenn der Abstand r(x, y) ein positiver Wert ist, wird der Schwerpunkt G1 im ersten Quadranten (oder im zweiten Quadranten) positioniert. Wenn der Abstand r(x, y) ein negativer Wert ist, wird der Schwerpunkt G1 im dritten Quadranten (oder im vierten Quadranten) positioniert. Wenn der Abstand r(x, y) Null ist, fallen der Gitterpunkt O und der Schwerpunkt G1 zusammen.
Der in 28 dargestellte Abstand r(x, y) zwischen dem Schwerpunkt G1 jedes der modifizierten Brechungsindexbereiche n04-mb und dem entsprechenden Gitterpunkt O(x, y) des Einheitsfelds R(x, y) wird für jeden der modifizierten Brechungsindexbereiche n04-mb gemäß einem Zielstrahlprojektionsmuster (optisches Bild) individuell eingestellt. Eine Verteilung des Abstands r(x, y) hat an jeder Position einen spezifischen Wert, der durch die Werte von x (x1 bis x4 im Beispiel von 28) und y (y1 bis y3 im Beispiel von 28) bestimmt wird, ist aber nicht unbedingt durch eine bestimmte Funktion dargestellt. Die Verteilung des Abstands r(x, y) wird aus einer Phasenverteilung bestimmt, die aus einer komplexen Amplitudenverteilung extrahiert wird, die durch inverses Fourier-Transformieren eines Zielstrahlprojektionsmusters erhalten wird. Das heißt, der Abstand r(x, y) wird auf Null gesetzt, wenn die Phase P(x, y) im in 29 dargestellten Einheitsfeld R(x, y) P₀ ist, der Abstand r(x, y) wird auf einen Maximalwert R₀ eingestellt, wenn die Phase P(x, y) gleich π + P₀ ist, und der Abstand r(x, y) wird auf einen Minimalwert -R₀ eingestellt, wenn die Phase P(x, y) gleich -π + P₀ ist. Weiterhin ist der Abstand r(x, y) so eingestellt, dass r(x, y) = {P(x, y) - P₀} x R₀/π für eine Zwischenphase P(x, y) davon. Hier kann eine Anfangsphase P₀ beliebig eingestellt werden. Unter der Annahme, dass ein Gitterintervall des Quadratgitters a ist, liegt der Maximalwert R₀ von r(x, y) beispielsweise in einem Bereich der folgenden Formel (10). $0 \leq R_{0} \leq \frac{a}{\sqrt{2}}$
Die Reproduzierbarkeit des Strahlprojektionsmusters wird im Übrigen durch den Einsatz eines iterativen Algorithmus wie dem Gerchberg-Saxton (GS)-Verfahren verbessert, das im Allgemeinen bei der Berechnung der Hologrammerzeugung zum Zeitpunkt der Erlangung einer komplexen Amplitudenverteilung aus dem Zielstrahlprojektionsmuster verwendet wird.
Die 30 ist eine Draufsicht, die ein Beispiel veranschaulicht, in dem eine im Wesentlichen periodische Brechungsindexstruktur nur innerhalb eines bestimmten Bereichs einer Phasenmodulationsschicht als erstes verändertes Beispiel für die Phasenmodulationsschicht von 28 angewendet wird. In dem in 30 dargestellten Beispiel wird innerhalb des quadratischen inneren Bereichs RIN eine im Wesentlichen periodische Struktur (z.B. die Struktur von 28) gebildet, die zum Ausstrahlen eines Zielstrahlprojektionsmusters konfiguriert ist, was dem in 23 dargestellten Beispiel ähnlich ist. Andererseits ist ein modifizierter Brechungsindexbereich, der in einem perfekten Kreis gebildet wird und dessen Schwerpunktposition mit einer Gitterpunktposition des Quadratgitters übereinstimmt, in einem äußeren Bereich ROUT um den inneren Bereich RIN angeordnet. Das Gitterintervall des virtuell eingestellten Quadratgitters ist im inneren Bereich RIN und im äußeren Bereich ROUT gleich (= a). In dieser Struktur wird das Licht auch im äußeren Bereich ROUT verteilt, so dass es möglich ist, das Auftreten von hochfrequentem Rauschen (sog. Fensterfunktionsrauschen), das durch eine abrupte Änderung der Lichtintensität im Randbereich des inneren Bereichs RIN verursacht wird, zu unterdrücken. Darüber hinaus kann das Lichtleck in der Ebene unterdrückt werden, und es ist mit einer Reduzierung des Schwellenstroms zu rechnen.
Im Übrigen ist die Beziehung zwischen dem optischen Bild, das als Strahlprojektionsmuster erhalten wird, das von jedem der Vielzahl von lichtemittierenden Halbleiterelementen in den lichtemittierenden Halbleitermodulen gemäß den verschiedenen vorstehend beschriebenen Ausführungsformen ausgegeben wird, und der Phasenverteilung P(x, y) in der Phasenmodulationsschicht n04-m die gleiche wie bei dem oben beschriebenen Rotationssystem (5). Dementsprechend ist die Phasenmodulationsschicht n04-m konfiguriert, um die folgenden Bedingungen unter der oben beschriebenen ersten Voraussetzung, die das Quadratgitter definiert, zu erfüllen, wobei die oben beschriebene zweite Voraussetzung durch die oben genannten Formeln (1) bis (3) definiert ist, die oben beschriebene dritte Voraussetzung durch die oben genannten Formeln (4) und (5) definiert ist, und die oben beschriebene vierte Voraussetzung durch die oben genannten Formeln (6) und (7) definiert ist. Das heißt, der entsprechende modifizierte Brechungsindexbereich n04-mb ist innerhalb des Einheitsfelds R(x, y) so angeordnet, dass der Abstand r(x, y) vom Gitterpunkt O(x, y) zum Schwerpunkt G des entsprechenden modifizierten Brechungsindexbereichs n04-mb die Beziehung r(x, y) = C × (P(x, y) - P₀) (C: eine proportionale Konstante, z.B. R₀/π, P₀: eine beliebige Konstante, z.B. Null) erfüllt. Das heißt, der Abstand r(x, y) wird auf Null gesetzt, wenn die Phase P(x, y) im Einheitsfeld R(x, y) gleich P₀ ist, auf den Maximalwert R₀ gesetzt, wenn die Phase P(x, y) gleich π + P₀ ist, und auf den Minimalwert -R₀, wenn die Phase P(x, y) gleich -π + P₀ ist. Wenn ein Zielstrahlprojektionsmuster erhalten werden soll, ist es vorzuziehen, das Zielstrahlprojektionsmuster einer inversen Fourier-Transformation zu unterziehen und die Verteilung des Abstands r(x, y) gemäß der Phase P(x, y) der komplexen Amplitude davon auf die Vielzahl der modifizierten Brechungsindexbereiche n04-mb anzuwenden. Die Phase P(x, y) und der Abstand r(x, y) können proportional zueinander sein.
Im Übrigen kann ein Fernfeldbild nach der 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. Es ist auch möglich, eine Strahlrichtung zu steuern, und so ist es möglich, eine Laserbearbeitungsmaschine zu realisieren, die elektrisch Hochgeschwindigkeitsabtastungen durchführt, beispielsweise durch ein- oder zweidimensionales Anordnen der Vielzahl von lichtemittierenden Halbleiterelementen in jedem der lichtemittierenden Halbleitermodule gemäß den verschiedenen vorstehend beschriebenen Ausführungsformen. Im Übrigen wird das Strahlprojektionsmuster durch Winkelinformationen im Fernfeld dargestellt, so dass die inverse Fourier-Transformation nach einmaliger Umwandlung der Winkelinformationen durchgeführt und dann im Fall eines Bitmap-Bilds oder dergleichen in einen Wellenzahlraum umgewandelt werden kann, in dem das Zielstrahlprojektionsmuster durch zweidimensionale Positionsinformationen dargestellt wird.
Als Verfahren zum Erhalten einer Intensitätsverteilung und der Phasenverteilung aus der durch die inverse Fourier-Transformation erhaltenen komplexen Amplitudenverteilung kann beispielsweise eine Intensitätsverteilung I(x, y) mit der abs-Funktion der numerischen Analysesoftware „MATLAB“ von MathWorks, Inc. berechnet werden, und die Phasenverteilung P(x, y) kann mit der Winkelfunktion von MATLAB berechnet werden.
Hierin wird eine Beschreibung hinsichtlich der Punkte gegeben, die bei der Berechnung mit einer allgemeinen diskreten Fourier-Transformation (oder schnellen Fourier-Transformation) zu beachten sind, wenn der Abstand r(x, y) jedes der modifizierten Brechungsindexbereiche n04-mb durch Erhalten der Phasenverteilung P(x, y) aus dem Ergebnis der inversen Fourier-Transformation des Zielstrahlprojektionsmusters bestimmt wird. Die 31A und 31B sind im Übrigen Ansichten zur Beschreibung von Punkten, die zu beachten sind, wenn eine Phasenwinkelverteilung (entsprechend einer Drehwinkelverteilung im Rotationssystem) aus einem Ergebnis der inversen Fourier-Transformation eines Zielstrahlprojektionsmusters erhalten wird, um die Anordnung des modifizierten Brechungsindexbereichs zu bestimmen. Das Strahlprojektionsmuster, das aus der komplexen Amplitudenverteilung berechnet wird, die durch die inverse Fourier-Transformation von 31A erhalten wird, die das Zielstrahlprojektionsmuster ist, befindet sich in dem in 31B dargestellten Zustand. Wenn das Muster in vier Quadranten aufgeteilt ist, d.h. A1, A2, A3 und A4, wie in den 31A und 31B dargestellt ist, erscheint im ersten Quadranten des Strahlprojektionsmusters von 31B ein überlagertes Muster, bei dem ein durch Drehen des ersten Quadranten von 31A um 180 Grad erhaltenes Muster und ein Muster im dritten Quadranten von 31A übereinander angeordnet sind. Im zweiten Quadranten von 31B erscheint ein überlagertes Muster, in dem ein Muster, das durch Drehen des zweiten Quadranten von 31A um 180 Grad erhalten wird, und ein Muster im vierten Quadranten von 31A einander überlagert werden. Im dritten Quadranten der 31B erscheint ein überlagertes Muster, bei dem das durch Drehen des dritten Quadranten der 31A um 180 Grad erhaltene Muster und das Muster im ersten Quadranten der 31A einander überlagert werden. Im vierten Quadranten von 31B erscheint ein überlagertes Muster, bei dem das durch Drehen des vierten Quadranten von 31A um 180 Grad erhaltene Muster und das Muster im zweiten Quadranten von 31A einander überlagert sind. Zu diesem Zeitpunkt ist das um 180 Grad gedrehte Muster ein Muster, das aus negativen Lichtkomponenten erster Ordnung besteht.
Wenn also ein Muster mit einem Wert nur im ersten Quadranten als optisches Bild (optisches Originalbild) verwendet wird, das nicht der inversen Fourier-Transformation unterworfen wurde, erscheint das Muster im ersten Quadranten des optischen Originalbildes im dritten Quadranten des erhaltenen Strahlprojektionsmusters und das durch Drehen des ersten Quadranten des optischen Originalbildes um 180 Grad erhaltene Muster erscheint im ersten Quadranten des erhaltenen Strahlprojektionsmusters.
Im Übrigen können ein Materialsystem, eine Filmdicke und eine Schichtkonfiguration unterschiedlich verändert werden, solange sie so konfiguriert sind, dass sie die aktive Schicht und die Phasenmodulationsschicht 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 α Male konstant wird, kann der gleiche Stehwellenzustand durch Multiplikation der gesamten Quadrgitterstruktur mit α erreicht werden. Ebenso ist es möglich, die Struktur der Phasenmodulationsschicht n04-m nach der Skalierungsregel abhängig von der Wellenlänge auch in der vorliegenden Ausführungsform zu bestimmen. Daher ist es auch möglich, das lichtemittierende Halbleiterelement, das sichtbares Licht abgibt, unter Verwendung der aktiven Schicht 12, die Licht wie beispielsweise Blau, Grün und Rot emittiert, und unter Anwendung der Skalierungsregel in Abhängigkeit der Wellenlänge zu realisieren.
Wenn die Einheitsvektoren der orthogonalen Koordinaten gleich x und y im Falle des Quadratgitters mit dem Gitterintervall a sind, sind die Basistranslationsvektoren a₁ = ax und a₂ = ay, und die grundlegenden reziproken Gittervektoren sind b₁ = (2rr/a)x und b₂ = (2π/a)y für die Translationsvektoren a₁ und a₂. Wenn ein Wellenzahlvektor einer in einem Gitter vorhandenen Welle k = nb₁ + mb₂ ist (n und m sind beliebige ganze Zahlen), ist am Punkt Г eine Wellenzahl k vorhanden. Weiterhin, wenn die Größe des Wellenzahlvektors gleich der Größe eines grundlegenden reziproken Gittervektors ist, wird ein Resonanzmodus (eine stehende Welle innerhalb der X-Y-Ebene) erhalten, in dem das Gitterintervall a gleich einer Wellenlänge λ ist. In den oben beschriebenen verschiedenen Ausführungsformen wird eine Schwingung in einem solchen Resonanzmodus (Stehwellenzustand) erreicht. 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 den oben beschriebenen verschiedenen Ausführungsformen kann ein gewünschtes Strahlprojektionsmuster ebenfalls in jeder Schwingungsart in einem dieser vier Stehwellenzustände erhalten werden.
Im Übrigen kann das gewünschte Strahlprojektionsmuster erhalten werden, wenn die stehende Welle in der Phasenmodulationsschicht n04-m durch die Lochform gestreut wird und die in vertikaler Richtung der Ebene erhaltene Wasserfront phasenmoduliert wird. Somit kann das gewünschte Strahlprojektionsmuster auch ohne Polarisationsplatte erreicht werden. Dieses Strahlprojektionsmuster kann nicht nur ein Paar einzelner Peakstrahlen (Punkte) sein, sondern auch eine Zeichenform oder zwei oder mehr Punktgruppen mit der gleichen Form wie oben beschrieben oder ein Vektorstrahl oder dergleichen, bei denen die Phasen- oder Intensitätsverteilung räumlich ungleichmäßig ist.
Im Übrigen ist es als Beispiel vorzuziehen, dass der Brechungsindex des Basisbereichs n04-ma 3,0 bis 3,5 und der Brechungsindex des modifizierten Brechungsindexbereichs n04-mb 1,0 bis 3,4 beträgt. Darüber hinaus beträgt ein mittlerer Radius der jeweils modifizierten Brechungsindexbereiche n04-mb im Loch des Basisbereichs n04-ma beispielsweise 20 nm bis 120 nm bei einem Band von 940 nm. Wenn sich die Größe jedes der modifizierten Brechungsindexbereiche n04-mb 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 Fourier-Transformation der Form des modifizierten Brechungsindexbereichs n04-mb dargestellt wird. Der optische Kopplungskoeffizient wird beispielsweise in dem vorstehend beschriebenen Nicht-Patentdokument 2 beschrieben.
Es wird eine Beschreibung über einen Effekt gegeben, der durch ein lichtemittierendes Halbleiterelement erhalten wird, das die Phasenmodulationsschicht n04-m enthält, deren Anordnungsmuster des modifizierten Brechungsindexbereichs n04-mb durch das achsiale Schaltsystem wie vorstehend beschrieben bestimmt wurde. Konventionell ist als lichtemittierendes Halbleiterelement ein lichtemittierendes Halbleiterelement bekannt, in dem der Schwerpunkt G1 jedes der modifizierten Brechungsindexbereiche n04-mb vom entsprechenden Gitterpunkt O des virtuellen Quadratgitters entfernt angeordnet ist und einen Drehwinkel gemäß einem optischen Bild um jeden der Gitterpunkte O aufweist (siehe z.B. Patentschrift 1). Wenn es unterdessen möglich ist, eine neue Lichtemissionsvorrichtung zu realisieren, bei der sich die Positionsbeziehung zwischen dem Schwerpunkt G1 jedes der modifizierten Brechungsindexbereiche n04-mb und jedem der Gitterpunkte O von derjenigen des Stands der Technik unterscheidet, wird ein Konstruktionsspielraum der Phasenmodulationsschicht n04-m erweitert, was äußerst vorteilhaft ist.
Die Phasenmodulationsschicht n04-m, die optisch mit der aktiven Schicht gekoppelt ist, enthält den Basisbereich n04-ma und die Vielzahl der modifizierten Brechungsindexbereiche n04-mb, die jeweils einen anderen Brechungsindex als der Basisbereich n04-ma aufweisen, und der Schwerpunkt G1 jedes der modifizierten Brechungsindexbereiche n04-mb ist auf der Geraden L angeordnet, die durch den Gitterpunkt O des virtuellen Quadratgitters verläuft und sowohl in Bezug auf die s-Achse als auch auf die t-Achse in dem durch das orthogonale Koordinatensystem der s-Achse und der t-Achse definierten Einheitsfeld R geneigt ist. Weiterhin wird der Abstand r(x, y) zwischen dem Schwerpunkt G1 jedes der modifizierten Brechungsindexbereiche n04-mb und dem entsprechenden Gitterpunkt O individuell gemäß dem Zielstrahlprojektionsmuster eingestellt. In einem solchen Fall ändert sich eine Phase eines Strahls in Abhängigkeit vom Abstand zwischen dem Gitterpunkt O und dem Schwerpunkt G1. Das heißt, es ist möglich, die Phase des aus jedem der modifizierten Brechungsindexbereiche n04-mb auszusendenden Strahls zu steuern, indem man nur die Position des Schwerpunktes G1 ändert, und das als Ganzes in einer gewünschten Form zu bildende Strahlprojektionsmuster (Zielstrahlprojektionsmuster) herzustellen. Das heißt, jedes der oben beschriebenen lichtemittierenden Halbleiterelemente ist ein S-iPM-Laser. Gemäß einer solchen Struktur ist es möglich, ein Strahlprojektionsmuster beliebiger Form in eine Richtung auszugeben, die in Bezug auf eine Richtung senkrecht zur ersten Oberfläche geneigt ist, von der aus Licht abgegeben wird, ähnlich der herkömmlichen Struktur, in der der Schwerpunkt G1 jedes der modifizierten Brechungsindexbereiche n04-mb den Drehwinkel um jeden der Gitterpunkte O gemäß dem Zielstrahlprojektionsmuster aufweist. Auf diese Weise ist es möglich, im achsialen Schaltsystem das lichtemittierende Halbleiterelement und das lichtemittierende Halbleitermodul bereitzustellen, bei dem sich die Positionsbeziehung zwischen dem Schwerpunkt G1 jedes der modifizierten Brechungsindexbereiche n04-mb und jedem der Gitterpunkte O völlig vom Stand der Technik unterscheidet.
Die 32A ist hier eine Ansicht, die ein Beispiel für das Strahlprojektionsmuster (optisches Bild) veranschaulicht, das von dem lichtemittierenden Halbleiterelement ausgegeben wird. Die Mitte von 32A entspricht einer Achse, die die Lichtemissionsfläche des lichtemittierenden Halbleiterelements schneidet und senkrecht zur Lichtemissionsfläche ist. Darüber hinaus ist 32B ein Diagramm, das eine Lichtintensitätsverteilung in einem Querschnitt einschließlich der Achse darstellt, die die Lichtemissionsfläche des lichtemittierenden Halbleiterelements schneidet und senkrecht zur lichtemittierenden Oberfläche ist. Die 32B wird durch Integration und Plotten von vertikaler Anzahl von Bilddaten mit 1344 Punkten x 1024 Punkten erhalten und unter Verwendung eines optischen FFP-Systems (A3267-12, hergestellt von Hamamatsu Photonics K.K.), einer Kamera (ORCA-05G, hergestellt von Hamamatsu Photonics K.K.) und eines Strahlprofilers (Lepas-12, hergestellt von Hamamatsu Photonics K.K.) in einem Fernfeldbild aufgenommen. Im Übrigen wird eine maximale Zählanzahl in 32A auf 255 normiert, und das Licht B0 nullter Ordnung in der Mitte wird gesättigt, um die Intensitätsverhältnisse von positivem und negativem Licht erster Ordnung deutlich darzustellen. Eine Intensitätsdifferenz zwischen dem Licht erster Ordnung und dem negativen Licht erster Ordnung ist aus 32B leicht zu erkennen. Darüber hinaus ist 33A eine Ansicht, die eine Phasenverteilung darstellt, die dem in 32A dargestellten Strahlprojektionsmuster entspricht. Die 33B ist eine teilweise vergrößerte Ansicht von 33A. In den 33A und 33B wird an jedem Punkt der Phasenmodulationsschicht n04-m eine Phase durch Abschattung angezeigt. Ein Phasenwinkel nähert sich 0°, wenn die Schattierung dunkler wird, und der Phasenwinkel nähert sich 360°, wenn die Schattierung heller wird. Der Phasenwinkel ist jedoch nicht unbedingt im Bereich von 0° bis 360° einzustellen, da ein Mittelwert des Phasenwinkels beliebig eingestellt werden kann. Wie in den 32A und 32B dargestellt ist, gibt das lichtemittierende Halbleiterelement das Licht erster Ordnung ab, das einen ersten optischen Bildabschnitt B1 enthält, der in einer ersten Richtung ausgegeben wird, die in Bezug auf die Achse geneigt ist, und das negative Licht erster Ordnung, das einen zweiten optischen Bildabschnitt B2 enthält, der in einer zweiten Richtung ausgegeben wird, die symmetrisch zur ersten Richtung in Bezug auf die Achse ist und rotationssymmetrisch zum ersten optischen Bildabschnitt B1 in Bezug auf die Achse ist. Typischerweise erscheint der erste optische Bildabschnitt B1 im ersten Quadranten in der X-Y-Ebene und der zweite optische Bildabschnitt B2 im dritten Quadranten in der X-Y-Ebene. Es gibt jedoch einen Fall, in dem nur das Licht erster Ordnung verwendet wird und das negative Licht erster Ordnung je nach Anwendung nicht verwendet wird. In einem solchen Fall ist es wünschenswert, dass die Lichtmenge des negativen Lichts erster Ordnung gedämpft wird um kleiner als die des Lichts erster Ordnung zu sein.
Die 34 ist eine Ansicht, die konzeptionell ein Beispiel für ein Strahlprojektionsmuster einer sich bewegenden Welle in jede Richtung veranschaulicht. In diesem Beispiel beträgt der Neigungswinkel der Geraden L in Bezug auf die s-Achse und die t-Achse im Einheitsfeld R 45°. In der Phasenmodulationsschicht des S-iPM-Lasers vom Quadratgittertyp werden entlang der X-Y-Ebene elementare Wanderwellen AU, AD, AR und AL erzeugt. Die Wanderwellen AU und AD sind Licht, das sich entlang von Seiten ausbreitet, die sich unter den entsprechenden Seiten des Quadratgitters in Richtung der Y-Achse erstrecken. Die Wanderwelle AU breitet sich in der positiven Y-Achsenrichtung aus und die Wanderwelle AD breitet sich in der negativen Y-Achsenrichtung aus. Weiterhin sind die Wanderwellen AR und AL Licht, das sich entlang von Seiten ausbreitet, die sich unter den entsprechenden Seiten des Quadratgitters in X-Achsenrichtung erstrecken. Die Wanderwelle AR breitet sich in der positiven X-Achsenrichtung aus und die Wanderwelle AL breitet sich in der negativen X-Achsenrichtung aus. In diesem Fall werden aus den sich in entgegengesetzte Richtungen ausbreitenden Wellen Strahlprojektionsmuster in entgegengesetzte Richtungen erhalten. So wird beispielsweise ein Strahlprojektionsmuster BU, das nur den zweiten optischen Bildabschnitt B2 enthält, aus der Wanderwelle AU erhalten, und ein Strahlprojektionsmuster BD, das nur den ersten optischen Bildabschnitt B1 enthält, wird aus der Wanderwelle AD erhalten. Ebenso wird aus der Wanderwelle AR ein Strahlprojektionsmuster BR erhalten, das nur den zweiten optischen Bildabschnitt B2 enthält, und aus der Wanderwelle AL ein Strahlprojektionsmuster BL, das nur den ersten optischen Bildabschnitt B1 enthält. Mit anderen Worten, eine der sich in entgegengesetzte Richtungen ausbreitenden Wellen wird zum Licht erster Ordnung und die andere zum negativen Licht erster Ordnung. Das vom lichtemittierenden Halbleiterelement ausgegebene Strahlprojektionsmuster ist eines, bei dem sich diese Strahlprojektionsmuster BU, BD, BR und BL überlagern.
Nach Studien der vorliegenden Erfinder enthält das konventionelle lichtemittierende Halbleiterelement, bei dem der modifizierte Brechungsindexbereich um den Gitterpunkt gedreht wird, aufgrund der Art der Anordnung des modifizierten Brechungsindexbereichs notwendigerweise beide Wanderwellen, die sich in entgegengesetzte Richtungen ausbreiten. Das heißt, im konventionellen System erscheinen die gleichen Mengen des Lichts erster Ordnung und des negativen Lichts erster Ordnung in einer der vier Wanderwellen AU, AD, AR und AL, die eine stehende Welle bilden, und das Licht nullter Ordnung wird in Abhängigkeit von einem Radius eines Rotationskreises erzeugt (der Abstand zwischen dem Schwerpunkt des modifizierten Brechungsindexbereichs und dem Gitterpunkt). So ist es prinzipiell schwierig, eine Differenz zwischen den Lichtmengen des Lichts erster Ordnung und des negativen Lichts erster Ordnung anzuwenden, und es ist schwierig, eine davon selektiv zu reduzieren. Daher ist es schwierig, die Lichtmenge des negativen Lichts erster Ordnung im Verhältnis zur Lichtmenge des Lichts erster Ordnung zu reduzieren.
Hier sind die 35A und 35B Ansichten, die das Rotationssystem des Drehens des oben beschriebenen modifizierten Brechungsindexbereichs n04-mb um den Gitterpunkt als das Verfahren zum Bestimmen des Anordnungsmusters des modifizierten Brechungsindexbereichs und der Wanderwellen AU, AD, AR und AL veranschaulichen. Es wird eine Beschreibung hinsichtlich eines Grunds gegeben, warum es schwierig ist, entweder das Licht erster Ordnung oder das negative Licht erster Ordnung im Rotationssystem, in dem der modifizierte Brechungsindexbereich n04-mb um den Gitterpunkt O gedreht wird, selektiv zu reduzieren. Die in 35B in positiver Richtung der t-Achse dargestellte Wanderwelle AU wird als Beispiel für vier Wanderwellen in Bezug auf die Entwurfsphase φ(x, y) an einer bestimmten Position betrachtet. Zu diesem Zeitpunkt wird eine Verschiebung vom Gitterpunkt O aufgrund einer geometrischen Beziehung zu r·sinφ(x, y) für die Wanderwelle AU und somit erfüllt eine Phasendifferenz eine Beziehung von (2π/a)r·sinφ(x, y). Infolgedessen ergibt sich eine Phasenverteilung Φ(x, y) für die Wanderwelle AU durch Φ(x, y) = exp{j(2π/a)r·sinφ(x, y)}, wenn der Einfluss der Größe des modifizierten Brechungsindexbereichs n04-mb gering ist, so dass der Einfluss ignoriert werden kann. Der Beitrag der Phasenverteilung Φ(x, y) zum Licht nullter Ordnung und zum positiven und negativen Licht erster Ordnung wird durch die Komponenten n = 0 und n = ± 1 im Falle einer Erweiterung durch exp{jnΦ(x, y)} (n: eine ganze Zahl) gegeben. Unter Verwendung einer mathematischen Formel, die durch die folgende Formel (11) definiert ist, die sich auf eine Bessel-Funktion Jn(z) einer ersten Art der Ordnung n bezieht, kann die Phasenverteilung Φ(x, y) einer Reihenexpansion unterzogen werden, und jede Lichtmenge des Lichts nullter Ordnung und des positiven und negativen Lichts erster Ordnung kann beschrieben werden. $e^{j z sin ϕ} = \sum_{n = - \infty}^{\infty} J_{n} (z) \cdot e^{j n ϕ}$
Zu diesem Zeitpunkt werden eine Lichtkomponente nullter Ordnung, eine Lichtkomponente erster Ordnung und eine negative Lichtkomponente erster Ordnung der Phasenverteilung ((x, y) durch J₀(2πr/a), J₁(2πr/a) und J_-1(2πr/a) dargestellt. Unterdessen werden die Größen der positiven und negativen Lichtkomponenten erster Ordnung gleich, da die Beziehung J₁(x) = -J_-1(x) hinsichtlich der positiven und negativen Bessel-Funktionen erster Ordnung besteht. Obwohl die Wanderwelle AU in positiver Y-Achsenrichtung hier als Beispiel für vier Wanderwellen betrachtet wurde, wird für die anderen drei Wellen (die Wanderwellen AD, AR und AL) die gleiche Beziehung hergestellt, und die Größen der positiven und negativen Lichtkomponenten erster Ordnung werden gleich. Aus dem obigen Argument ist es im Prinzip schwierig, die Differenz zwischen den Lichtmengen der positiven und negativen Lichtkomponenten erster Ordnung im konventionellen System anzuwenden, in dem der modifizierte Brechungsindexbereich n04-mb um den Gitterpunkt O gedreht wird.
Andererseits tritt gemäß der Phasenmodulationsschicht n04-m, in der das Anordnungsmuster des modifizierten Brechungsindexbereichs n04-mb durch das achsiale Schaltsystem bestimmt wird, die Differenz zwischen den Lichtmengen des Lichts erster Ordnung und des negativen Lichts erster Ordnung für die einzelne Wanderwelle auf, und die ideale Phasenverteilung kann erhalten werden, wenn sich die Verschiebungsgröße R₀ einem oberen Grenzwert der obigen Formel (9) nähert, z.B. wenn der Neigungswinkel θ 45°, 135°, 225° oder 315° beträgt. Dadurch wird das Licht nullter Ordnung reduziert, und entweder das Licht erster Ordnung oder das negative Licht erster Ordnung wird selektiv in jeder der Wanderwellen AU, AD, AR und AL reduziert. So wird es im Prinzip möglich, die Differenz zwischen den Lichtmengen des Lichts erster Ordnung und des negativen Lichts erster Ordnung anzuwenden, indem eine der Wanderwellen, die sich in entgegengesetzte Richtungen ausbreiten, selektiv reduziert wird.
Die 36A und 36B sind Ansichten, die das achsiale Schaltsystem des Bewegens des modifizierten Brechungsindexbereichs auf der in Bezug auf das Quadratgitter geneigten Achse durch den Gitterpunkt als das Verfahren zum Bestimmen des Anordnungsmusters des modifizierten Brechungsindexbereichs n04-mb und der Wanderwellen AU, AD, AR und AL veranschaulichen. Eine Beschreibung wird hinsichtlich eines Grunds gegeben, warum es möglich ist, entweder das Licht erster Ordnung oder das negative Licht erster Ordnung in dem in 36A dargestellten achsialen Schaltsystem selektiv zu reduzieren, in dem sich der Schwerpunkt G1 des modifizierten Brechungsindexbereichs n04-mb auf der Geraden L bewegt, die durch den Gitterpunkt O verläuft und sowohl in Bezug auf die s-Achse als auch auf die t-Achse, die das Einheitsfeld R definieren, geneigt ist. Die in 36B in positiver Richtung der t-Achse dargestellte Wanderwelle AU gilt als Beispiel für vier Wanderwellen für eine Entwurfsphase φ(x, y) im Einheitsfeld R(x, y) (entsprechend dem Drehwinkel von 5 im Rotationssystem). Zu diesem Zeitpunkt wird eine Verschiebung vom Gitterpunkt O zu r·sinθ·{φ(x, y) - φ₀}/π für die Wanderwelle AU aufgrund der geometrischen Beziehung, und somit erfüllt eine Phasendifferenz eine Beziehung (2π)/a)r·sinθ·{φ(x, y) - φ₀}/π. Zur Vereinfachung ist hier festgelegt, dass der Neigungswinkel θ = 45° und der Phasenwinkel φ₀ = 0°. Zu diesem Zeitpunkt ist die Phasenverteilung Φ(x, y) (entsprechend der oben beschriebenen Phasenverteilung P(x, y)) bezüglich der Wanderwelle AU durch die folgende Formel (12) gegeben, wenn der Einfluss der Größe des modifizierten Brechungsindexbereichs n04-mb gering ist, so dass der Einfluss ignoriert werden kann. $Φ (x, y) = exp {j (\frac{\sqrt{2} r}{a}) ϕ (x, y)}$
Der Beitrag der Phasenverteilung Φ(x, y) zum Licht nullter Ordnung und zum positiven und negativen Licht erster Ordnung wird durch die Komponenten n = 0 und n = ± 1 im Falle einer Erweiterung durch exp{nΦ(x, y)} (n: eine ganze Zahl) gegeben. Unterdessen, wenn eine durch die folgende Formel (13) ausgedrückte Funktion f(z) einer Laurent-Reihenerweiterung unterzogen wird, wird eine durch die folgende Formel (14) definierte mathematische Formel erstellt. $f (z) = z^{c}$
wobei $\begin{array}{l} 0 < | c | < 1 \\ c = \frac{\sqrt{2} r}{a} \\ z = exp {j φ (x, y)} \\ z^{c} = \sum_{n = - \infty}^{\infty} e^{j π (c - n)} \cdot s i n c [π (c - n)] \cdot z^{n} \end{array}$
Hierin ist sinc(x) = x/sin(x). Bei Verwendung einer mathematischen Formel, die durch die obige Formel (14) definiert ist, kann die Phasenverteilung Φ(x, y) einer Reihenerweiterung unterzogen werden, und jede Lichtmenge des Lichts nullter Ordnung und des Lichts positiver und negativer erster Ordnung kann beschrieben werden. Zu diesem Zeitpunkt, wenn auf einen Punkt geachtet wird, an dem ein Absolutwert des Exponententerms exp{jπ(c - n)} in der obigen Formel (14) eins ist,
wird eine Größe einer Lichtkomponente nullter Ordnung der Phasenverteilung Φ(x, y) durch die folgende Formel (15) ausgedrückt. $sin c (\frac{\sqrt{2} π r}{a})$
Darüber hinaus wird eine Größe einer Lichtkomponente erster Ordnung der Phasenverteilung Φ(x, y) durch die folgende Formel (16) ausgedrückt. $sin c \cdot π (- 1 + \frac{\sqrt{2} r}{a})$
Eine Größe einer negativen Lichtkomponente erster Ordnung der Phasenverteilung Φ(x, y) wird durch die folgende Formel (17) ausgedrückt. $sin c \cdot π (1 + \frac{\sqrt{2} r}{a})$
Weiterhin erscheinen in den obigen Formeln (15) bis (17) die Lichtkomponente nullter Ordnung und die negative Lichtkomponente erster Ordnung zusätzlich zur Lichtkomponente erster Ordnung, außer im Falle der Erfüllung der durch den folgenden Ausdruck (18) definierten Bedingung. Die Größen der positiven und negativen Lichtkomponenten erster Ordnung werden jedoch nicht gleich groß. $r = \frac{a}{\sqrt{2}}$
Obwohl die Wanderwelle AU in positiver Y-Achsenrichtung in der obigen Beschreibung als Beispiel für vier Wanderwellen betrachtet wurde, wird für die anderen drei Wellen (die Wanderwellen AD, AR und AL) die gleiche Beziehung hergestellt, und es entsteht eine Differenz zwischen den Größen der positiven und negativen Lichtkomponenten erster Ordnung. Aus dem obigen Argument ist es prinzipiell möglich, die Differenz zwischen den Lichtmengen der positiven und negativen Lichtkomponenten erster Ordnung gemäß dem achsialen Schaltsystem anzuwenden, bei dem sich der modifizierte Brechungsindexbereich n04-mb auf der Geraden L bewegt, die durch den Gitterpunkt O verläuft und vom Quadratgitter geneigt wird. Dadurch wird es im Prinzip möglich, nur ein gewünschtes optisches Bild (den ersten optischen Bildabschnitt B1 oder den zweiten optischen Bildabschnitt B2) selektiv herauszunehmen, indem das negative Licht erster Ordnung oder das Licht erster Ordnung reduziert wird. Selbst in 32B, wie vorstehend beschrieben, wird nachvollzogen, dass der Intensitätsunterschied zwischen dem Licht erster Ordnung und dem negativen Licht erster Ordnung auftritt.
Darüber hinaus kann der Neigungswinkel θ (der Winkel zwischen der s-Achse und der Geraden L) der Geraden L im Einheitsfeld R in der Phasenmodulationsschicht n04-m im achsialen Schaltsystem konstant sein. Dadurch ist es möglich, die Anordnung des Schwerpunktes G1 des modifizierten Brechungsindexbereichs n04-mb einfach zu gestalten. Darüber hinaus kann der Neigungswinkel in diesem Fall 45°, 135°, 225° oder 315° betragen. Dadurch können die vier Basiswellen (bei der Einstellung der X- und Y-Achse entlang des Quadratgitters, Lichtausbreitung in positiver X-Achsenrichtung, Lichtausbreitung in negativer X-Achsenrichtung, Lichtausbreitung in positiver Y-Achsenrichtung und Lichtausbreitung in negativer Y-Achsenrichtung) gleichermaßen zum optischen Bild beitragen. Wenn der Neigungswinkel θ 45°, 135°, 225° oder 315° beträgt, werden die Richtungen elektromagnetischer Felder auf der Geraden L durch Auswahl eines geeigneten Bandkantenmodus in eine Richtung ausgerichtet, so dass linear polarisiertes Licht erhalten werden kann. Als Beispiel für einen solchen Modus gibt es die Modi A und B, die in 3 des oben beschriebenen Nicht-Patentdokuments 3 dargestellt sind. Wenn der Neigungswinkel θ 0°, 90°, 180° oder 270° beträgt, trägt im Übrigen ein Paar von Wanderwellen, die sich in Y-Achsenrichtung oder X-Achsenrichtung ausbreiten, nicht zum Licht erster Ordnung (Signallicht) unter den vier Wanderwellen AU, AD, AR und AL bei und es ist daher schwierig, das Signallicht hocheffizient zu gestalten.
Im Übrigen kann die optische Kopplung auch dann problemlos erreicht werden, wenn die Positionsbeziehung zwischen der aktiven Schicht und der Phasenmodulationsschicht n04-m entlang der Z-Achsenrichtung umgekehrt wird, was dasselbe ist wie im oben beschriebenen Rotationssystem.
Die 37A bis 37G und 38A bis 38K sind Ansichten, die verschiedene Beispiele (im achsialen Schaltsystem) einer Ebenenform des modifizierten Brechungsindexbereichs veranschaulichen. Im oben beschriebenen Beispiel ist die Form des modifizierten Brechungsindexbereichs n04-mb auf der X-Y-Ebene der Kreis. Der modifizierte Brechungsindexbereich n04-mb kann jedoch eine andere Form als den Kreis aufweisen. So kann beispielsweise die Form des modifizierten Brechungsindexbereichs n04-mb eine Spiegelsymmetrie (Liniensymmetrie) aufweisen. Hier stellt die Spiegelbild-Symmetrie (Liniensymmetrie) dar, dass eine planare Form des modifizierten Brechungsindexbereichs n04-mb, der auf einer Seite einer Geraden angeordnet ist, und eine planare Form des modifizierten Brechungsindexbereichs n04-mb, der auf der anderen Seite der Geraden angeordnet ist, spiegelbildsymmetrisch (liniensymmetrisch) miteinander sein kann, wobei die bestimmte Gerade entlang der X-Y-Ebene dazwischenliegt. Beispiele für die Form mit der Spiegelbild-Symmetrie (Liniensymmetrie) sind ein in 37A dargestellter perfekter Kreis, ein in 37B dargestelltes Quadrat, ein in 37C dargestelltes regelmäßiges Sechseck, ein in 37D dargestelltes regelmäßiges Achteck, ein in 37E dargestelltes regelmäßiges Sechzehneck, ein in 37F dargestelltes Rechteck, eine in 37G dargestellte Ellipse und dergleichen. Wenn die Form des modifizierten Brechungsindexbereichs n04-mb auf der X-Y-Ebene eine Spiegelsymmetrie (lineare Symmetrie) aufweist, hat jedes der Einheitsfelder R des virtuellen Quadratgitters der Phasenmodulationsschicht n04-m eine einfache Form, und die Richtung und Position des Schwerpunktes G1 des entsprechenden modifizierten Brechungsindexbereichs n04-mb kann mit hoher Genauigkeit aus dem Gitterpunkt O auf diese Weise bestimmt werden. Das heißt, es ist möglich, Musterungen mit hoher Genauigkeit durchzuführen.
Darüber hinaus kann die Form des modifizierten Brechungsindexbereichs n04-mb auf der X-Y-Ebene eine Form aufweisen, die keine 180-Grad-Rotationssymmetrie aufweist. Beispiele für eine solche Form sind ein in 38A dargestelltes gleichseitiges Dreieck, ein in 38B dargestelltes rechtwinkliges gleichschenkliges Dreieck, eine in 38C dargestellte Form, in der sich zwei Kreise oder Ellipsen teilweise überlappen, eine in 38D dargestellte Eiform, eine in 38E dargestellte Tropfenform, ein in 38F dargestelltes gleichschenkliges Dreieck, eine in 38G dargestellte Pfeilform, ein in 38H dargestelltes Trapez, ein in 381 dargestelltes Fünfeck, eine in 38J dargestellte Form, in der sich zwei Rechtecke teilweise überlappen, eine in 38K dargestellte Form, in der sich zwei Rechtecke teilweise ohne Spiegelbild-Symmetrie überlappen, und dergleichen. Im Übrigen ist die „Eiform“ eine so verformte Form, dass eine Dimension einer Ellipse in einer Kurzachsenrichtung in der Nähe eines Endabschnitts entlang einer Längsachse kleiner ist als eine Dimension in der Kurzachsenrichtung in der Nähe des anderen Endabschnitts. Die „Tropfenform“ ist eine Form, die durch Verformung eines Endabschnitts entlang der Längsachse der Ellipse in einen spitzen Endabschnitt erhalten wird, der entlang einer Längsachsenrichtung vorsteht. Die „Pfeilform“ ist eine Form, bei der eine Seite eines Rechtecks in eine Dreiecksform vertieft ist und eine der einen Seite gegenüberliegende Seite zu einer Dreiecksform zugespitzt wird. Da die Form des modifizierten Brechungsindexbereichs n04-mb in der X-Y-Ebene auf diese Weise nicht die 180-Grad-Rotationssymmetrie aufweist, ist es möglich, eine höhere Lichtabgabe zu erzielen. Im Übrigen kann der modifizierte Brechungsindexbereich n04-mb aus einer Vielzahl von Elementen gemäß den 38J und 38K bestehen, und in einem solchen Fall ist der Schwerpunkt G1 des modifizierten Brechungsindexbereichs n04-m ein kombinierter Schwerpunkt der Vielzahl von Komponenten.
Die 39A bis 39K sind Ansichten, die noch ein weiteres Beispiel (im achsialen Schaltsystem) für die Ebenenform des modifizierten Brechungsindexbereichs darstellen. Darüber hinaus ist die 40 eine Ansicht, die ein zweites geändertes Beispiel für die Phasenmodulationsschicht von 28 darstellt.
In dem in den 39A bis 39K und 40 dargestellten Beispiel besteht jeder der modifizierten Brechungsindexbereiche n04-mb aus einer Vielzahl von Komponenten 15b und 15c. Der Schwerpunkt G1 ist ein kombinierter Schwerpunkt aller Komponenten und befindet sich auf der Geraden L. Sowohl die Komponenten 15b als auch 15c haben einen zweiten Brechungsindex, der sich vom ersten Brechungsindex des Basisbereichs n04-ma unterscheidet. Die beiden Komponenten 15b und 15c können Löcher sein, und ein Verbindungshalbleiter kann in die Löcher eingebettet sein. In jedem der Einheitsfelder R werden die Komponenten 15c in Einszu-Eins-Anordnung mit den Komponenten 15b bereitgestellt. Weiterhin ist der kombinierte Schwerpunkt G1 der Komponenten 15b und 15c auf der Geraden L positioniert, die den Gitterpunkt O des Einheitsfelds R kreuzt, das das virtuelle Quadratgitter bildet. Im Übrigen sind sowohl die Komponenten 15b als auch 15c im Bereich des Einheitsfelds R enthalten, das das virtuelle Quadratgitter bildet. Das Einheitsfeld R ist ein Bereich, der von Geraden umgeben ist, die Gitterpunkte des virtuellen Quadratgitters halbieren.
Eine Ebenenform der Komponente 15c ist beispielsweise ein Kreis, kann aber verschiedene Formen aufweisen, wie in den verschiedenen Beispielen in den 37A bis 37G und 38A bis 38K dargestellt ist. Die 39A bis 39K zeigen Beispiele für Formen und relative Beziehungen der Komponenten 15b und 15c auf der X-Y-Ebene. Die 39A und 39B veranschaulichen einen Modus, in dem sowohl die Komponente 15b als auch 15c Figuren gleicher Form aufweisen. Die 39C und 39D veranschaulichen einen Modus, in dem sowohl die Komponente 15b als auch 15c Figuren der gleichen Form aufweisen und deren Teile sich gegenseitig überlappen. Die 39E veranschaulicht einen Modus, in dem sowohl die Komponente 15b als auch 15c Figuren gleicher Form aufweisen und für jeden Gitterpunkt ein Abstand zwischen den Schwerpunkten der Komponenten 15b und 15c beliebig eingestellt wird. Die 39F veranschaulicht einen Modus, in dem die Komponenten 15b und 15c Figuren unterschiedlicher Form aufweisen. Die 39G veranschaulicht einen Modus, in dem sowohl die Komponente 15b als auch 15c Figuren beiderseits unterschiedlicher Formen aufweisen und für jeden Gitterpunkt ein Abstand zwischen den Schwerpunkten der Komponenten 15b und 15c beliebig eingestellt wird.
Darüber hinaus kann, wie in den 39H bis 39K dargestellt ist, die Komponente 15b, die einen Teil des Differentialbrechungsindexbereichs n04-mb bildet, aus zwei voneinander getrennten Bereichen 15b1 und 15b2 bestehen. Dann kann für jeden Gitterpunkt ein Abstand zwischen einem kombinierten Schwerpunkt (entsprechend dem Schwerpunkt der Einzelkomponente 15b) der Bereiche 15b1 und 15b2 und dem Schwerpunkt der Komponente 15c beliebig eingestellt werden. Darüber hinaus können in diesem Fall die Bereiche 15b1 und 15b2 und die Komponente 15c Figuren der gleichen Form aufweisen, wie in 39H dargestellt ist. Alternativ können sich zwei Figuren der Bereiche 15b1 und 15b2 und der Komponente 15c von der anderen Figur unterscheiden, wie in 39I dargestellt ist. Darüber hinaus kann für jeden Gitterpunkt zusätzlich zu einem Winkel einer Geraden, die die Bereiche 15b1 und 15b2 zur s-Achse verbindet, ein Winkel der Komponente 15c zur s-Achse beliebig eingestellt werden, wie in 39J dargestellt ist. Darüber hinaus kann der Winkel der Geraden, die die Bereiche 15b1 und 15b2 in Bezug auf die s-Achse verbindet, für jeden Gitterpunkt beliebig eingestellt werden, während die Bereiche 15b1 und 15b2 und die Komponente 15c den gleichen relativen Winkel zueinander beibehalten, wie in 39K dargestellt ist.
Im Übrigen können die Ebenenformen der modifizierten Brechungsindexbereiche n04-mb unter den Einheitsfeldern R gleich sein. Das heißt, die modifizierten Brechungsindexbereiche n04-mb können in allen Einheitsfeldern R den gleichen Wert aufweisen und durch eine Translation oder der Translation und einer Rotation veranlasst werden sich zu überlappen. In einem solchen Fall ist es möglich, die Erzeugung von Rauschlicht und Licht nullter Ordnung, das im Strahlprojektionsmuster zu Rauschen wird, zu unterdrücken. Alternativ sind die Ebenenformen der modifizierten Brechungsindexbereiche n04-mb unter den Einheitsfeldern R nicht unbedingt gleich, und die Formen können zwischen den benachbarten Einheitsfeldern R unterschiedlich sein, wie beispielsweise in 40 dargestellt ist. Im Übrigen wird der Mittelpunkt der Geraden L, die durch jeden der Gitterpunkte O verläuft, in allen Fällen der 37A bis 37G, 38A bis 38K, 39A bis 39K und 40 vorzugsweise eingestellt, um mit dem Gitterpunkt O übereinzustimmen, wie in den Beispielen von 36A und 36B dargestellt ist.
Wie vorstehend beschrieben, ist es möglich, die gleichen Effekte wie bei den Ausführungsformen, auf die die Phasenmodulationsschicht, in der das Anordnungsmuster des modifizierten Brechungsindexbereichs durch das Rotationssystem bestimmt wird, angewendet wurde, auch bei der Konfiguration der Phasenmodulationsschicht in geeigneter Weise zu erzielen, in der das Anordnungsmuster des modifizierten Brechungsindexbereichs durch das achsiale Schaltystem bestimmt wird.
Bezugszeichenliste

100, 200, 300, 100B: lichtemittierendes Halbleiterelement;
102, 202, 302, 102B: erste Mantelschicht;
103, 203, 303, 103B: aktive Schicht;
104, 204, 304, 104B: Phasenmodulationsschicht;
104-m (m ist eine positive ganze Zahl), 204-m, 304-m, 104B-m: Phasenmodulationsbereich;
104-ma, 204-ma, 304-ma, 104B-ma: Basisbereich;
104-mb, 204-mb, 304-mb, 104B-mb: Vielzahl von modifizierten Brechungsindexbereichen;
106, 206, 306, 106B: zweite Mantelschicht;
108-m, 208-m, 308-m, 108B-m: zweite-oberfläche-seitige Elektrode;
110, 210, 310, 110B-m: erste-oberfläche-seitige Elektrode; und
112, 212, 312, 112B: Trennbereich

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2016/148075 A [0003]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Y. Kurosaka et al., „Effects of non-lasing band in two-dimensional photonic-crystal lasers clarified using omnidirectional band structure“, Opt. Express 20, 21773 -21783 (2012) [0003]
K. Sakai et al., „Coupled-Wave Theory for Square-Lattice Photonic Crystal Lasers with TE Polarization“, IEEE J. Q. E. 46, 788-795 (2010) [0003]
Peng, et al., „Coupled-wave analysis for photonic-crystal surface-emitting lasers on air holes with arbitrary sidewalls“, Optics Express Vol. 19, Nr. 24, S. 24672-24686 (2011) [0003]

Claims

Ein lichtemittierendes Halbleiterelement, umfassend eine erste Oberfläche und eine zweite Oberfläche, die der ersten Oberfläche gegenüberliegt, wobei entweder die erste Oberfläche oder die zweite Oberfläche als Lichtemissionsfläche fungiert, die Licht abgibt, und die andere als Stützfläche fungiert, wobei das lichtemittierende Halbleiterelement ferner umfasst: eine aktive Schicht, die zwischen der ersten Oberfläche und der zweiten Oberfläche angeordnet ist; eine Phasenmodulationsschicht, die zwischen der ersten Oberfläche und der zweiten Oberfläche angeordnet ist und eine Vielzahl von Phasenmodulationsbereichen enthält, von denen jeder optisch mit der aktiven Schicht gekoppelt ist, wobei die Vielzahl von Phasenmodulationsbereichen jeweils einen Basisbereich mit einem ersten Brechungsindex und eine Vielzahl von modifizierten Brechungsindexbereichen enthält, von denen jeder in dem Basisbereich vorgesehen ist und einen zweiten Brechungsindex aufweist, der sich vom ersten Brechungsindex unterscheidet; eine erste Mantelschicht, die auf einer Seite angeordnet ist, auf der die erste Oberfläche in Bezug auf eine gestapelte Struktur angeordnet ist, die mindestens die aktive Schicht und die Phasenmodulationsschicht enthält; eine zweite Mantelschicht, die auf einer Seite angeordnet ist, auf der die zweite Oberfläche in Bezug auf die gestapelte Struktur positioniert ist; eine erste-oberfläche-seitige Elektrode, die auf einer Seite angeordnet ist, auf der die erste Oberfläche in Bezug auf die erste Mantelschicht positioniert ist; eine Vielzahl von zweite-oberfläche-seitigen Elektroden, die auf einer Seite angeordnet sind, auf der die zweite Oberfläche in Bezug auf die zweite Mantelschicht angeordnet ist und der Vielzahl von Phasenmodulationsbereichen entspricht, wobei die Vielzahl von zweite-oberfläche-seitigen Elektroden in einer Vielzahl von Bereichen angeordnet ist, die die Vielzahl von Phasenmodulationsbereichen entlang einer Stapelrichtung der gestapelten Struktur betrachtet überlappen; und eine gemeinsame Substratschicht, die zwischen der ersten Mantelschicht und der ersten-oberfläche-seitigen Elektrode angeordnet ist, wobei die gemeinsame Substratschicht eine kontinuierliche Oberfläche aufweist, die die Vielzahl von Phasenmodulationsbereichen hält, wobei in jedem der in der Phasenmodulationsschicht enthaltenen Vielzahl von Phasenmodulationsbereichen die Vielzahl von modifizierten Brechungsindexbereichen an vorbestimmten Positionen im Basisbereich gemäß einem Anordnungsmuster angeordnet und konfiguriert ist, um ein Strahlprojektionsmuster zu erzeugen, das ein Projektionsmuster von Licht ist, das von der Lichtemissionsfläche abgegeben wird, wenn ein Antriebsstrom von einer entsprechenden zweite-oberfläche-seitigen Elektrode aus der Vielzahl von zweite-oberfläche-seitigen Elektroden zugeführt wird, und wobei ein Strahlprojektionsbereich, in dem das Strahlprojektionsmuster gebildet wird, mit einem Zielstrahlprojektionsmuster bzw. einem Zielstrahlprojektionsbereich übereinstimmt, und in einem Zustand, in dem ein virtuelles Quadratgitter, das aus M1 (einer ganzen Zahl von eins oder mehr) × N1 (einer ganzen Zahl von eins oder mehr) Einheitsfeldern R mit jeweils einer quadratischen Form besteht, auf eine X-Y-Ebene in einem orthogonalen XYZ-Koordinatensystem eingestellt wird, das durch eine Z-Achse definiert ist, die mit einer Normalenrichtung der Lichtemissionsfläche und der X-Y-Ebene übereinstimmt, die die zueinander orthogonalen X- und Y-Achsen enthält und mit einer Oberfläche der Phasenmodulationsschicht einschließlich der Vielzahl von modifizierten Brechungsindexbereichen übereinstimmt, das Anordnungsmuster so definiert ist, dass ein Schwerpunkt G1 des in einem Einheitsfeld R(x, y) positionierten modifizierten Brechungsindexbereichs von einem Gitterpunkt O(x, y) als Mittelpunkt des Einheitsfelds R(x, y) durch einen Abstand r im Einheitsfeld R(x, y) auf der X-Y-Ebene getrennt ist, die durch eine Koordinatenkomponente x (eine ganze Zahl von eins oder mehr und M1 oder weniger) in einer X-Achsenrichtung und eine Koordinatenkomponente y (eine ganze Zahl von eins oder mehr und N1 oder weniger) in einer Y-Achsenrichtung angegeben wird, und ein Vektor vom Gitterpunkt O(x, y) zum Schwerpunkt G1 in eine bestimmte Richtung gerichtet ist.
Das lichtemittierende Halbleiterelement nach Patentanspruch 1, weiterhin umfassend einen Trennbereich, der jeden aus der Vielzahl von Phasenmodulationsbereichen elektrisch trennt und eine Vielzahl von entsprechenden Bereichen in der aktiven Schicht, der ersten Mantelschicht und der zweiten Mantelschicht, die die Vielzahl von Phasenmodulationsbereichen aus einer Richtung entlang der Z-Achse betrachtet überlappen, elektrisch trennt.
Das lichtemittierende Halbleiterelement nach Patentanspruch 2, wobei der Trennbereich die Vielzahl entsprechender Bereiche in der aktiven Schicht, der Phasenmodulationsschicht, der ersten Mantelschicht und der zweiten Mantelschicht zusammen mit der Vielzahl der Phasenmodulationsbereiche optisch trennt.
Das lichtemittierende Halbleiterelement nach Patentanspruch 2 oder 3, wobei sich der Trennbereich von der zweiten Oberfläche bis zum Erreichen der gemeinsamen Substratschicht in einem Bereich zwischen benachbarten Phasenmodulationsbereichen aus der Vielzahl von Phasenmodulationsbereichen bis zur gemeinsamen Substratschicht erstreckt, und ein Abstand zwischen einem distalen Ende des Trennbereichs und der erste-oberfläche-seitigen Elektrode gleich oder kürzer als eine halbe Dicke der gemeinsamen Substratschicht in der Richtung entlang der Z-Achse ist.
Das lichtemittierende Halbleiterelement nach einem der Patentansprüche 2 bis 4, wobei der Trennbereich entweder eine Halbleiterschicht, die durch ein durch hochintensive Lichtbestrahlung verursachtes elektrisches Feld modifiziert ist, eine Halbleiterschicht, die durch Verunreinigungsdiffusion oder Ionenimplantation isoliert ist, oder ein durch Trockenätzen oder Nassätzen gebildeter Luftspalt ist.
Das lichtemittierende Halbleiterelement nach einem der Patentansprüche 1 bis 5, wobei das Anordnungsmuster in jedem der Phasenmodulationsbereiche so eingestellt ist, dass die Strahlprojektionsbereiche gleich werden, auch wenn ein Antriebsstrom von einer der zweite-oberfläche-seitigen Elektroden zugeführt wird.
Das lichtemittierende Halbleiterelement nach einem der Patentansprüche 1 bis 6, wobei das Anordnungsmuster in jedem der Phasenmodulationsbereiche so eingestellt ist, dass die Strahlprojektionsmuster gleich werden, auch wenn ein Antriebsstrom von einer der Vielzahl von zweite-oberfläche-seitigen Elektroden zugeführt wird.
Das lichtemittierende Halbleiterelement nach einem der Patentansprüche 1 bis 7, wobei in einem Zustand, in dem die Phasenmodulationsschicht die folgende erste bis siebte Bedingung erfüllt: die erste Bedingung ist so definiert, dass eine Gitterkonstante des virtuellen Quadratgitters a ist, wobei der Abstand r 0 ≤ r ≤ 0,3a erfüllt; die zweite Bedingung ist so definiert, dass Koordinaten (x, y, z) im orthogonalen XYZ-Koordinatensystem Beziehungen erfüllen, die durch folgende Formeln (1) bis (3) in Bezug auf sphärische 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 werden: $x = d 1 sin θ_{t i l t} cos θ_{r o t}$
$y = d 1 sin θ_{t i l t} sin θ_{r o t}$
$z = d 1 cos θ_{t i l t}$
die dritte Bedingung ist so definiert, dass ein Zielstrahlprojektionsmuster ein Satz von hellen Punkten ist, die in Richtungen gerichtet sind, die durch die Winkel θ_tilt und θ_rot definiert werden, wobei die Winkel θ_tilt und θ_rot in einen Koordinatenwert k_x, der eine durch folgende Formel (4) definierte normierte Wellenzahl ist, auf einer der X-Achse entsprechenden Kx-Achse und einen Koordinatenwert k_y, der eine durch folgende Formel (5) definierte normierte Wellenzahl ist, auf einer der Y-Achse entsprechenden und zur Kx-Achse orthogonalen Ky-Achse umgewandelt werden: $k_{x} = \frac{a}{λ} sin θ_{t i l t} cos θ_{r o t}$
$k_{y} = \frac{a}{λ} sin θ_{t i l t} sin θ_{r o t}$
a: Gitterkonstante des virtuellen Quadratgitters λ: Schwingungswellenlänge; die vierte Bedingung ist so definiert, dass ein spezifischer Wellenzahlbereich, der das Strahlprojektionsmuster enthält, 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 Wellenzahlbereich aufweisen, die durch die Kx-Achse und die Ky-Achse definiert wird; die fünfte Bedingung ist so definiert, dass eine komplexe Amplitude F(x, y), die durch eine zweidimensionale inverse Fourier-Transformation jedes Bildbereichs FR(k_x, k_y), der durch die Koordinatenkomponente k_x (eine ganze Zahl von 1 bis M2) in der Kx-Achsenrichtung und die Koordinatenkomponente k_y (eine ganze Zahl von 1 bis N2) in der Ky-Achsenrichtung spezifiziert ist, in das Einheitsfeld R(x, y) auf der X-Y-Ebene im Wellenzahlbereich erhalten wird, durch folgende Formel (6) mit j als imaginäre Einheit gegeben ist: $F (x, y) = \sum_{k_{x} = 1}^{M 2} \sum_{k_{y} = 1}^{N 2} F R (k_{x}, k_{y}) exp [j 2 π (k_{x} x + k_{y} y)]$
die sechste Bedingung ist so definiert, dass die komplexe Amplitude F(x, y) durch folgende Formel (7) definiert wird, wenn im Einheitsfeld R(x, y) ein Amplitudenterm gleich A(x, y) und ein Phasenterm gleich P(x, y) ist: $F (x, y) = A (x, y) \times exp [j P (x, y)]$
und die siebte Bedingung ist so definiert, dass das Einheitsfeld R(x, y) durch eine s-Achse und eine t-Achse definiert wird, die parallel zur X-Achse und Y-Achse und orthogonal zueinander am Gitterpunkt O(x, y) verlaufen, die Phasenmodulationsschicht so konfiguriert ist, dass der entsprechende modifizierte Brechungsindexbereich innerhalb des Einheitsfelds R(x, y) angeordnet ist, wobei der entsprechende modifizierte Brechungsindexbereich eine Beziehung erfüllt, in der ein Winkel φ(x, y), der von einem den Gitterpunkt O(x, y) und den Schwerpunkt G1 des entsprechenden modifizierten Brechungsindexbereichs verbindenden Liniensegment und der s-Achse gebildet wird, ist $φ (x, y) = C \times P (x, y) + B$
(C: eine proportionale Konstante, B: eine beliebige Konstante).
Das lichtemittierende Halbleiterelement nach einem der Patentansprüche 1 bis 7, wobei in einem Zustand, in dem die Phasenmodulation die folgende erste bis sechste Bedingung später erfüllt: die erste Bedingung ist so definiert, dass Koordinaten (x, y, z) im orthogonalen XYZ-Koordinatensystem Beziehungen erfüllen, die durch folgende Formeln (8) bis (10) in Bezug auf sphärische 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 werden: $x = d 1 sin θ_{t i l t} cos θ_{r o t}$
$y = d 1 sin θ_{t i l t} sin θ_{r o t}$
$z = d 1 cos θ_{t i l t}$
die zweite Bedingung ist so definiert, dass ein Zielstrahlprojektionsmuster ein Satz von hellen Punkten ist, die in durch die Winkel θtilt und θrot definierte Richtungen gerichtet sind, wobei die Winkel θ_tilt und θ_rot in einen Koordinatenwert k_x, der eine durch folgende Formel (11) definierte normierte Wellenzahl ist, auf einer der X-Achse entsprechenden Kx-Achse und einen Koordinatenwert k_y, der eine durch folgende Formel (12) definierte normierte Wellenzahl ist, auf einer der Y-Achse entsprechenden und zur Kx-Achse orthogonalen Ky-Achse umgewandelt werden: $k_{x} = \frac{a}{λ} sin θ_{t i l t} cos θ_{r o t}$
$k_{y} = \frac{a}{λ} sin θ_{t i l t} sin θ_{r o t}$
a: Gitterkonstante des virtuellen Quadratgitters λ: Schwingungswellenlänge; die dritte Bedingung ist so definiert, dass ein spezifischer Wellenzahlbereich, der das Strahlprojektionsmuster enthält, 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 Wellenzahlbereich aufweisen, die durch die Kx-Achse und die Ky-Achse definiert wird; die vierte Bedingung ist so definiert, dass eine komplexe Amplitude F(x, y), die durch eine zweidimensionale inverse Fourier-Transformation jedes Bildbereichs FR(k_x, k_y), der durch die Koordinatenkomponente k_x (eine ganze Zahl von 1 bis M2) in der Kx-Achsenrichtung und die Koordinatenkomponente k_y (eine ganze Zahl von 1 bis N2) in der Ky-Achsenrichtung spezifiziert ist, in das Einheitsfeld R(x, y) auf der X-Y-Ebene im Wellenzahlraum erhalten wird, durch folgende Formel (13) mit j als imaginäre Einheit gegeben ist: $F (x, y) = \sum_{k_{x} = 1}^{M 2} \sum_{k_{y} = 1}^{N 2} F R (k_{x}, k_{y}) exp [j 2 π (k_{x} x + k_{y} y)]$
die fünfte Bedingung ist so definiert, dass die komplexe Amplitude F(x, y) durch folgende Formel (14) definiert wird, wenn im Einheitsfeld R(x, y) ein Amplitudenterm gleich A(x, y) und ein Phasenterm gleich P(x, y) ist: $F (x, y) = A (x, y) \times exp [j P (x, y)]$
und die sechste Bedingung ist so definiert, dass das Einheitsfeld R(x, y) durch eine s-Achse und eine t-Achse definiert wird, die zur X-Achse und Y-Achse parallel und am Gitterpunkt O(x, y) zueinander orthogonal sind, die Phasenmodulationsschicht so konfiguriert ist, dass der entsprechende modifizierte Brechungsindexbereich innerhalb des Einheitsfelds R(x,y) angeordnet ist, wobei der entsprechende modifizierte Brechungsindexbereich eine Beziehung erfüllt, in der ein Schwerpunkt G1 des entsprechenden modifizierten Brechungsindexbereichs auf einer durch den Gitterpunkt O(x, y) verlaufenden und von der s-Achse geneigten Geraden positioniert ist und eine Liniensegmentlänge r(x, y) vom Gitterpunkt O(x, y) zum Schwerpunkt G1 des entsprechenden modifizierten Brechungsindexbereichs ist r(x, y) = C × (P(x,y) - P₀) (C: eine proportionale Konstante, P₀: eine beliebige Konstante).
Das lichtemittierende Halbleiterelement nach einem der Patentansprüche 1 bis 9, wobei zumindest eine auf der X-Y-Ebene definierte Form, eine auf der X-Y-Ebene definierte Fläche, oder der auf der X-Y-Ebene definierte Abstand r in allen der Vielzahl von modifizierten Brechungsindexbereichen in der Phasenmodulationsschicht in mindestens einem Phasenmodulationsbereich aus der Vielzahl von Phasenmodulationsbereichen übereinstimmend ist.
Das lichtemittierende Halbleiterelement nach einem der Patentansprüche 1 bis 10, wobei Formen der Vielzahl von modifizierten Brechungsindexbereichen auf der X-Y-Ebene ein perfekter Kreis, ein Quadrat, ein regelmäßiges Sechseck, ein regelmäßiges Achteck, ein regelmäßiges Sechzehneck, ein gleichseitiges Dreieck, ein rechtwinkliges gleichschenkliges Dreieck, ein Rechteck, eine Ellipse, eine Form, in der sich zwei Kreise oder Ellipsen teilweise überlappen, eine Eiform, die erhalten wird, indem eine Ellipse so verformt wird, dass eine Dimension in einer Kurzachsenrichtung in einer Nähe eines Endabschnitts entlang einer Längsachse kleiner ist als eine Dimension in der Kurzachsenrichtung in einer Nähe eines anderen Endabschnitts, eine Tropfenform, die erhalten wird, indem ein Endabschnitt einer Ellipse entlang einer Längsachse in einen spitzen, entlang einer Längsachsenrichtung vorstehenden Endabschnitt verformt wird, ein gleichschenkliges Dreieck, eine Pfeilform, in der eine Seite eines Rechtecks eine dreieckige Kerbe bildet und eine der einen Seite gegenüberliegende Seite einen dreieckigen Vorsprung formt, ein Trapez, ein Fünfeck oder eine Form, in der sich zwei Rechtecke teilweise überlappen.
Das lichtemittierende Halbleiterelement nach einem der Patentansprüche 1 bis 11, wobei in mindestens einem Phasenmodulationsbereich aus der Vielzahl der Phasenmodulationsbereiche, der Phasenmodulationsbereich enthält: einen inneren Bereich, der aus M1 × N1 Einheitsfeldern R besteht; und einen äußeren Bereich, der vorgesehen ist, einen Außenumfang des inneren Bereichs zu umgeben, wobei der äußere Bereich eine Vielzahl von peripheren, gitterpunktgelagerten, modifizierten Brechungsindexbereichen enthält, die so angeordnet sind, dass sie sich jeweils mit Gitterpunkten in einem erweiterten Quadratgitter überlappen, das durch Einstellen einer identischen Gitterstruktur wie das virtuelle Quadratgitter auf einem Außenumfang des virtuellen Quadratgitters definiert wird.
Das lichtemittierende Halbleiterelement nach einem der Patentansprüche 1 bis 12, wobei in mindestens einem Phasenmodulationsbereich aus der Vielzahl der Phasenmodulationsbereiche, der Phasenmodulationsbereich eine Vielzahl von gitterpunktgelagerten modifizierten Brechungsindexbereichen enthält, die jeweils in den M1 × N1 Einheitsfeldern R angeordnet sind, wobei jeder der Vielzahl von gitterpunktgelagerten modifizierten Brechungsindexbereichen einen Schwerpunkt G2 aufweist, der mit dem Gitterpunkt O des entsprechenden Einheitsfelds R übereinstimmt.
Ein Herstellungsverfahren zur Herstellung des lichtemittierenden Halbleiterelements nach einem der Patentansprüche 1 bis 13, wobei das Herstellungsverfahren umfasst: einen ersten Schritt zum Bilden der gemeinsamen Substratschicht; einen zweiten Schritt zum Bilden eines Elementkörpers, der eine dritte Oberfläche und eine der dritten Oberfläche und der gemeinsamen Substratschicht gegenüberliegende vierte Oberfläche aufweist, auf der gemeinsamen Substratschicht, wobei der Elementkörper mindestens die aktive Schicht, die Phasenmodulationsschicht, die erste Mantelschicht und die zweite Mantelschicht enthält, die zwischen der dritten Oberfläche und der vierten Oberfläche angeordnet sind, der zweite Schritt des Bildens des Basisbereichs in der Phasenmodulationsschicht mit einer einzelnen Schicht, in der eine Vielzahl von Abschnitten, die die Vielzahl von Phasenmodulationsbereichen bilden müssen, wobei die Vielzahl von Abschnitten, die jeweils die Vielzahl von modifizierten Brechungsindexbereichen enthalten, in einem Zustand angeordnet sind, in dem sie durch einen vorbestimmten Abstand voneinander getrennt sind; und einen dritten Schritt zum Bilden eines Trennbereichs, der mindestens die Vielzahl von Abschnitten, die die Vielzahl von Phasenmodulationsbereichen bilden müssen, im Elementkörper elektrisch trennt, der dritte Schritt des Bildens des Trennbereichs von der dritten Oberfläche bis zum Erreichen der gemeinsamen Substratschicht zur vierten Oberfläche.
Das Herstellungsverfahren nach Patentanspruch 14, wobei ein Abstand zwischen einem distalen Ende des Trennbereichs und der erste-oberfläche-seitigen Elektrode gleich oder kleiner als eine halbe Dicke der gemeinsamen Substratschicht entlang einer Richtung von der dritten Oberfläche zur vierten Oberfläche ist.
Das Herstellungsverfahren nach Patentanspruch 14 oder 15, wobei der Trennbereich entweder eine Halbleiterschicht, die durch ein elektrisches Feld modifiziert ist, das durch hochintensive Lichtbestrahlung verursacht wird, eine Halbleiterschicht, die durch Verunreinigungsdiffusion oder Ionenimplantation isoliert ist, oder ein Luftspalt, der durch Trockenätzen oder Nassätzen gebildet wird, ist.