DE112019003083T5 - Lichtemittierende vorrichtung - Google Patents

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Yuta Aoki
Kazuyoshi Hirose
Satoru OKAWARA
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Hamamatsu Photonics KK
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Abstract

Eine lichtemittierende Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform enthält eine Struktur zur Erhöhung eines optischen Begrenzungskoeffizienten einer Schicht, die eine Resonanzmode bildet. Die lichtemittierende Vorrichtung enthält eine erste Mantelschicht, eine aktive Schicht, eine zweite Mantelschicht, eine Schicht zur Bildung einer Resonanzmode und eine Schicht mit hohem Brechungsindex. Die erste Mantelschicht, die aktive Schicht, die zweite Mantelschicht, die Resonanzmodenbildungsschicht und die Schicht mit hohem Brechungsindex enthalten hauptsächlich Nitrid-Halbleiter. Die Schicht mit hohem Brechungsindex hat einen höheren Brechungsindex als die erste Mantelschicht, die aktive Schicht, die zweite Mantelschicht und die Resonanzmodenbildungsschicht und weist eine Übergitterstruktur auf, in der zwei oder mehr Schichten mit voneinander verschiedenen Brechungsindizes wiederholt laminiert sind.

Description

  • Technischer Bereich
  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine lichtemittierende Vorrichtung.
  • Stand der Technik
  • Das Patentdokument 1 beschreibt eine Technologie im Zusammenhang mit einem oberflächenemittierenden Laser. Der oberflächenemittierende Laser umfasst einen Laminierungsabschnitt, in dem eine erste Mantelschicht, eine zweidimensionale photonische Kristallschicht, eine aktive Schicht und eine zweite Mantelschicht nacheinander laminiert werden. Die aktive Schicht besteht aus einer Sperrschicht und einer Quantentopfschicht. Die zweidimensionale photonische Kristallschicht hat eine Struktur, in der Medien mit unterschiedlichen Brechungsindizes periodisch angeordnet sind. Dieser oberflächenemittierende Laser hat eine Resonanzmode in einer Richtung in der Ebene der zweidimensionalen photonischen Kristallschicht. Außerdem enthält dieser oberflächenemittierende Laser eine Lichtinduktionsschicht. Die Lichtinduktionsschicht hat einen Brechungsindex, der höher ist als der Brechungsindex der Sperrschicht, der ersten Mantelschicht und der zweiten Mantelschicht, und weist eine Bandlücke auf, die breiter ist als die der Quantentopfschicht. Die Lichtinduktionsschicht ist zwischen der zweidimensionalen photonischen Kristallschicht und der aktiven Schicht oder zwischen der zweidimensionalen photonischen Kristallschicht und der ersten Mantelschicht vorgesehen.
  • Zitationsliste
  • Patentliteratur
  • Patentdokument 1: Ungeprüfte japanische Patentveröffentlichung Nr. 2010-109223
  • Nichtpatentliteratur
  • Nichtpatentdokument 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)
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Technisches Problem
  • Die Erfinder haben bei der Untersuchung der zuvor beschriebenen herkömmlichen Technik folgende Probleme festgestellt. Das heißt, in einer lichtemittierenden Vorrichtung vom Oberflächenemissionstyp, die Laserlicht in einer Richtung ausgibt, die eine Hauptfläche eines Substrats schneidet, ist manchmal in der Nähe der aktiven Schicht eine Schicht (z.B. eine photonische Kristallschicht) vorgesehen, die eine Resonanzmode in einer Richtung entlang der Hauptfläche des Substrats bildet. In diesem Fall ist es zur weitgehenden Minimierung des Schwellenstroms erforderlich, den optischen Begrenzungskoeffizienten in der Schicht, die die Resonanzmode bildet, zu erhöhen. Im Falle einer lichtemittierenden Vorrichtung im nahen Infrarotbereich (0,9 bis 1,1 µm), die hauptsächlich einen Halbleiter auf GaAs-Basis enthält, beträgt beispielsweise der optische Begrenzungskoeffizient der Schicht, die die Resonanzmode bildet, 20% oder mehr, und es wird ein relativ guter Schwellenstromwert (Schwellenstromdichte < 1 kA/cm2) erreicht. Wenn jedoch im Falle einer lichtemittierenden Vorrichtung im ultravioletten bis blauen Bereich, die hauptsächlich einen Nitrid-Halbleiter wie GaN enthält, die Schichtstruktur dieselbe ist wie bei einer lichtemittierenden Vorrichtung, die hauptsächlich einen Halbleiter auf GaAs Basis enthält, bleibt der optische Begrenzungskoeffizient der Schicht, die die Resonanzmode bildet, aufgrund der Eigenschaften des Materials bei etwa 2 bis 3%. In diesem Fall wird der Schwellenstromwert extrem groß, und es wird schwierig, ein praktisches lichtemittierendes Bauelement zu erhalten, das in der Lage ist, kontinuierlich zu schwingen. Wenn der optische Begrenzungskoeffizient so klein ist, kann auch die Stabilität einer Schwingungsmode abnehmen.
  • Die vorliegende Erfindung wurde konzipiert, um die oben genannten Probleme zu lösen, und es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, den optischen Begrenzungskoeffizienten einer Schicht, die eine Resonanzmode in einer lichtemittierenden Vorrichtung vom Oberflächenemissionstyp bildet, die hauptsächlich einen Nitrid-Halbleiter enthält und eine Schicht enthält, die die Resonanzmode bildet, zu verbessein.
  • Lösung des Problems
  • Um die oben genannten Probleme zu lösen, umfasst die lichtemittierende Vorrichtung gemäß der vorliegenden Ausführungsform mindestens ein Substrat, eine erste Mantelschicht, eine aktive Schicht, eine zweite Mantelschicht, eine Resonanzmodenbildungsschicht und eine Schicht mit hohem Brechungsindex. Das Substrat weist eine Hauptfläche auf. Die aktive Schicht ist auf der Hauptfläche vorgesehen. Die zweite Mantelschicht ist auf der ersten Mantelschicht vorgesehen. Die zweite Mantelschicht ist auf der aktiven Schicht vorgesehen. Die Resonanzmodenbildungsschicht ist zwischen der ersten Mantelschicht und der aktiven Schicht oder zwischen der aktiven Schicht und der zweiten Mantelschicht vorgesehen. Die Resonanzmodenbildungsschicht umfasst eine Basisschicht und eine Vielzahl von modifizierten Brechungsindexbereichen, deren Brechungsindex sich von einem Brechungsindex der Basisschicht unterscheidet und die zweidimensional auf einer zur Normalen der Hauptfläche orthogonalen Entwurfsfläche verteilt sind. Die Schicht mit hohem Brechungsindex ist zwischen der ersten Mantelschicht und der zweiten Mantelschicht vorgesehen, weist einen Brechungsindex auf, der höher ist als der Brechungsindex der ersten Mantelschicht, der zweiten Mantelschicht und der Resonanzmodenbildungsschicht. Die Schicht mit hohem Brechungsindex ist in mindestens einem der folgenden Räume vorgesehen: einem Raum, in dem die Resonanzmodenbildungsschicht zwischen der Schicht mit hohem Brechungsindex und der aktiven Schicht angeordnet ist, oder einem Raum, in dem die Schicht mit hohem Brechungsindex zwischen der aktiven Schicht und der Resonanzmodenbildungsschicht angeordnet ist. Die erste Mantelschicht, die aktive Schicht, die zweite Mantelschicht, die Resonanzmodenbildungsschicht und die Schicht mit hohem Brechungsindex enthalten hauptsächlich Nitrid-Halbleiter. Darüber hinaus hat die Schicht mit hohem Brechungsindex eine Übergitterstruktur (superlattice), bei der zwei oder mehr Schichten mit voneinander verschiedenen Brechungsindizes wiederholt entlang der Normalrichtung der Hauptfläche laminiert sind.
  • Vorteilhafte Wirkungen der Erfindung
  • Gemäß der vorliegenden Ausführungsform ist es möglich, den optischen Begrenzungskoeffizienten einer Schicht zu verbessern, die eine Resonanzmode in einer lichtemittierenden Vorrichtung vom Oberflächenemissionstyp bildet, die hauptsächlich einen Nitrid-Halbleiter enthält und eine Schicht enthält, die den Resonanzmodus bildet.
  • Figurenliste
    • 1 ist eine perspektivische Ansicht, die eine Konfiguration eines oberflächenemittierenden Laserelements 1A als lichtemittierende Vorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
    • 2 ist ein Diagramm, das schematisch eine Querschnittsstruktur des oberflächenemittierenden Laserelements 1A zeigt.
    • 3 ist ein Diagramm, das schematisch eine Querschnittsstruktur des oberflächenemittierenden Laserelements 1A zeigt.
    • 4 ist eine Draufsicht auf eine photonische Kristallschicht 15A.
    • 5 ist eine Draufsicht, die ein Beispiel zeigt, bei dem ein modifizierter Brechungsindexbereich 15b nur in einem bestimmten Bereich der photonischen Kristallschicht angeordnet ist.
    • 6A bis 6G sind Diagramme, die Beispiele für eine planare Form des modifizierten Brechungsindexbereichs 15b zeigen.
    • 7A bis 7K sind Diagramme, die Beispiele für eine planare Form des modifizierten Brechungsindexbereichs 15b zeigen.
    • 8A bis 8K sind Draufsichten, die weitere Beispiele für die Form des modifizierten Brechungsindexbereichs auf einer X-Y-Ebene zeigen.
    • 9A und 9B sind Oberflächenaufnahmen einer GaN-Schicht.
    • 10 zeigt schematisch eine Querschnittskonfiguration eines oberflächenemittierenden Laserelements 1B gemäß einer ersten Modifikation.
    • 11 zeigt eine Modifikation eines Falls, in dem eine aktive Schicht 12 zwischen einer photonischen Kristallschicht 15A und einer Mantelschicht 13 liegt.
    • 12 zeigt schematisch eine Querschnittskonfiguration eines oberflächenemittierenden Laserelements 1C gemäß einer zweiten Modifikation.
    • 13 zeigt schematisch eine Querschnittskonfiguration eines oberflächenemittierenden Laserelements 1D gemäß einer dritten Modifikation.
    • 14 ist eine Draufsicht auf eine Phasenmodulationsschicht 15B, die im S-iPM Laser enthalten ist.
    • 15 ist ein Diagramm, das einen Teil der Phasenmodulationsschicht 15B vergrößert darstellt.
    • 16 ist ein Diagramm zur Erläuterung eines Zusammenhangs zwischen einem optischen Bild, das durch Bildung eines Ausgangsstrahlmusters des oberflächenemittierenden Laserelements erhalten wird, und einer Drehwinkelverteilung φ (x, y) in der Phasenmodulationsschicht 15B.
    • 17 ist ein Diagramm zur Erläuterung der Koordinatentransformation von sphärischen Koordinaten in Koordinaten in einem orthogonalen XYZ-Koordinatensystem.
    • 18 ist eine Draufsicht, die ein Beispiel zeigt, bei dem die Brechungsindexstruktur von 14 nur in einem bestimmten Bereich der Phasenmodulationsschicht angewendet wird.
    • 19A und 19B sind Diagramme zur Erläuterung der zu beachtenden Punkte, wenn eine Berechnung unter Verwendung einer allgemeinen diskreten Fourier-Transformation (oder schnellen Fourier-Transformation) bei der Bestimmung einer Anordnung des modifizierten Brechungsindexbereichs 15b durchgeführt wird.
    • 20A bis 20D zeigen Beispiele von Strahlmustern (optische Bilder), die von dem oberflächenemittierenden Laserelement ausgegeben werden.
    • 21 ist eine Draufsicht auf eine Phasenmodulationsschicht 15C, die im S-iPM Laser enthalten ist.
    • 22 ist ein Diagramm, das die des modifizierten Brechungsindexbereichs 15b in der Phasenmodulationsschicht 15C zeigt.
    • 23 ist ein Diagramm, das die Konfiguration einer lichtemittierenden Vorrichtung 1E gemäß einer vierten Modifikation zeigt.
    • 24 ist eine Tabelle, die eine konkrete Schichtstruktur des oberflächenemittierenden Laserelements zeigt.
    • 25 ist eine Tabelle, die eine konkrete Schichtstruktur des oberflächenemittierenden Laserelements zeigt.
    • 26 ist eine Tabelle, die eine konkrete Schichtstruktur des oberflächenemittierenden Laserelements zeigt.
    • 27 ist eine Tabelle, die eine konkrete Schichtstruktur des oberflächenemittierenden Laserelements zeigt.
    • 28 ist eine Tabelle, die eine konkrete Schichtstruktur des oberflächenemittierenden Laserelements zeigt.
    • 29 ist eine Tabelle, die eine konkrete Schichtstruktur des oberflächenemittierenden Laserelements zeigt.
    • 30 ist eine Tabelle, die eine konkrete Schichtstruktur des oberflächenemittierenden Laserelements zeigt.
    • 31 ist eine Tabelle, die eine konkrete Schichtstruktur des oberflächenemittierenden Laserelements zeigt.
    • 32 ist eine Tabelle, die eine konkrete Schichtstruktur des oberflächenemittierenden Laserelements zeigt.
    • 33 ist eine Tabelle, die eine konkrete Schichtstruktur des oberflächenemittierenden Laserelements zeigt.
    • 34 ist ein Diagramm, das ein Brechungsindexprofil und die Modenverteilung des oberflächenemittierenden Laserelements, das die in 24 gezeigte Schichtstruktur aufweist, veranschaulicht.
    • 35 ist ein Diagramm, das ein Brechungsindexprofil und die Modenverteilung des oberflächenemittierenden Laserelements, das die in 25 gezeigte Schichtstruktur aufweist, veranschaulicht.
    • 36 ist ein Diagramm, das ein Brechungsindexprofil und die Modenverteilung des oberflächenemittierenden Laserelements, das die in 26 gezeigte Schichtstruktur aufweist, veranschaulicht.
    • 37 ist ein Diagramm, das ein Brechungsindexprofil und die Modenverteilung des oberflächenemittierenden Laserelements, das die in 27 gezeigte Schichtstruktur aufweist, veranschaulicht.
    • 38 ist ein Diagramm, das das Brechungsindexprofil und die Modenverteilung des oberflächenemittierenden Laserelements, das die in 28 gezeigte Schichtstruktur aufweist, veranschaulicht.
    • 39 ist ein Diagramm, das ein Brechungsindexprofil und die Modenverteilung des oberflächenemittierenden Laserelements, das die in 29 gezeigte Schichtstruktur aufweist, veranschaulicht.
    • 40 ist ein Diagramm, das ein Brechungsindexprofil und die Modenverteilung des oberflächenemittierenden Laserelements, das die in 30 gezeigte Schichtstruktur aufweist, veranschaulicht.
    • 41 ist ein Diagramm, das das Brechungsindexprofil und die Modenverteilung des oberflächenemittierenden Laserelements, das die in 31 gezeigte Schichtstruktur aufweist, veranschaulicht.
    • 42 ist ein Diagramm, das ein Brechungsindexprofil und die Modenverteilung des oberflächenemittierenden Laserelements, das die in 32 gezeigte Schichtstruktur aufweist, veranschaulicht.
    • 43 ist ein Diagramm, das ein Brechungsindexprofil und die Modenverteilung des oberflächenemittierenden Laserelements, das die in 33 gezeigte Schichtstruktur aufweist, veranschaulicht.
  • Beschreibung der Ausführungsformen
  • [Beschreibung der Ausführungsformen der Erfindung der vorliegenden Anmeldung]
  • Zunächst werden die Inhalte der Ausführungsformen der Erfindung der vorliegenden Anmeldung einzeln aufgeführt und beschrieben.
  • (1) Die lichtemittierende Vorrichtung gemäß der vorliegenden Ausführungsform umfasst als einen Aspekt mindestens ein Substrat, eine erste Mantelschicht, eine aktive Schicht, eine zweite Mantelschicht, eine Resonanzmodenbildungsschicht und eine Schicht mit hohem Brechungsindex. Das Substrat weist eine Hauptfläche auf. Die aktive Schicht ist auf der Hauptfläche vorgesehen. Die zweite Mantelschicht ist auf der ersten Mantelschicht vorgesehen. Die zweite Mantelschicht ist auf der aktiven Schicht vorgesehen. Die Resonanzmodenbildungsschicht ist zwischen der ersten Mantelschicht und der aktiven Schicht oder zwischen der aktiven Schicht und der zweiten Mantelschicht vorgesehen. Die Resonanzmodenbildungsschicht umfasst eine Basisschicht und eine Vielzahl von Bereichen mit modifiziertem Brechungsindex, deren Brechungsindex sich von einem Brechungsindex der Basisschicht unterscheidet und die zweidimensional auf einer zur Normalen der Hauptfläche orthogonalen Entwurfsfläche verteilt sind. Die Schicht mit hohem Brechungsindex ist zwischen der ersten Mantelschicht und der zweiten Mantelschicht vorgesehen, hat einen Brechungsindex, der höher ist als der Brechungsindex der ersten Mantelschicht, der zweiten Mantelschicht und der Resonanzmodenbildungsschicht. Die Schicht mit hohem Brechungsindex ist in mindestens einem der folgenden Räume vorgesehen: einem Raum, in dem die Resonanzmodenbildungsschicht zwischen der Schicht mit hohem Brechungsindex und der aktiven Schicht angeordnet ist, oder einem Raum, in dem die Schicht mit hohem Brechungsindex zwischen der aktiven Schicht und der Resonanzmodenbildungsschicht angeordnet ist. Die erste Mantelschicht, die aktive Schicht, die zweite Mantelschicht, die Resonanzmodenbildungsschicht und die Schicht mit hohem Brechungsindex enthalten im Wesentlichen Nitrid-Halbleiter. Darüber hinaus hat die Schicht mit hohem Brechungsindex eine Übergitterstruktur, bei der zwei oder mehr Schichten mit voneinander verschiedenen Brechungsindizes wiederholt entlang der Normalrichtung der Hauptfläche laminiert sind.
  • In der lichtemittierenden Vorrichtung mit der zuvor beschriebenen Struktur erreicht das von der aktiven Schicht abgegebene Licht die Resonanzmodenbildungsschicht, während es zwischen der ersten Mantelschicht und der zweiten Mantelschicht eingeschlossen ist. In der Resonanzmodenbildungsschicht wird eine Resonanzmode in einer Richtung entlang der Hauptfläche des Substrats gebildet, und es wird Laserlicht einer Mode, die dem Anordnungszustand einer Vielzahl von Bereichen mit modifiziertem Brechungsindex entspricht, erzeugt. Das Laserlicht bewegt sich in einer Richtung, die die Hauptfläche des Substrats schneidet, und wird von der Oberfläche auf der ersten Mantelschichtseite oder der zweiten Mantelschichtseite der lichtemittierenden Vorrichtung nach außen ausgegeben. Die lichtemittierende Vorrichtung mit der zuvor beschriebenen Struktur enthält ferner eine Schicht mit hohem Brechungsindex, deren Brechungsindex höher ist als der der ersten Mantelschicht, der zweiten Mantelschicht und der Resonanzmodenbildungsschicht. Die Schicht mit hohem Brechungsindex ist in der Nähe der Resonanzmodenbildungsschicht vorgesehen (z.B. eine Position, an der die Resonanzmodenbildungsschicht zwischen der Brechungsindexschicht und der aktiven Schicht oder eine Position, die zwischen der aktiven Schicht und der Resonanzmodenbildungsschicht angeordnet ist). Da die Schicht mit hohem Brechungsindex einen größeren optischen Begrenzungskoeffizienten als die umgebenden Schichten aufweist, wird der optische Begrenzungskoeffizient der Resonanzmodenbildungsschicht, die sich in der Nähe der Schicht mit hohem Brechungsindex befindet, unter dem Einfluss dieser Schicht ebenfalls groß. Daher kann der optische Begrenzungskoeffizient der Schicht, die die Resonanzmode bildet, gemäß der lichtemittierenden Vorrichtung gemäß einem Aspekt der vorliegenden Ausführungsform erhöht werden.
  • Die erste Mantelschicht, die aktive Schicht, die zweite Mantelschicht, die Resonanzmodenbildungsschicht und die Schicht mit hohem Brechungsindex enthalten hauptsächlich Nitrid-Halbleiter. In einem Fall, in dem ein Nitrid-Halbleiter aufgebracht wird, wenn eine Vielzahl von Schichten mit voneinander verschiedenen Zusammensetzungen laminiert werden, sind Defekte aufgrund von Unterschieden in der Gitterkonstante und dem Wärmeausdehnungskoeffizienten im Vergleich zu typischen Verbindungshalbleitern wie Halbleitern auf GaAs Basis und InP Basis wahrscheinlicher. Insbesondere wenn versucht wird, eine dicke Schicht mit hohem Brechungsindex zu bilden, ist es schwierig, eine Schichtstruktur von guter Qualität zu erhalten, da die Dehnung durch einen Unterschied in der Gitterkonstante mit dem Substratmaterial verursacht wird. Wenn die Schicht mit hohem Brechungsindex jedoch dünn ausgebildet wird, wird der Effekt der Erhöhung des optischen Begrenzungskoeffizienten der Resonanzmodenbildungsschicht begrenzt. Daher hat in der lichtemittierenden Vorrichtung gemäß einem Aspekt der vorliegenden Ausführungsform die Schicht mit hohem Brechungsindex eine Übergitterstruktur, in der zwei oder mehr Schichten mit voneinander verschiedenen Brechungsindizes wiederholt laminiert werden. Durch abwechselndes Wachsen der Schicht mit großem Brechungsindex und der Schicht mit kleinem Brechungsindex kann so die durch den Unterschied in der Gitterkonstante verursachte Dehnung zerstreut werden. Auf diese Weise ist es möglich, auf einfache Weise eine Schicht mit hohem Brechungsindex zu realisieren, die insgesamt eine ausreichende Dicke aufweist und gleichzeitig durch Verzerrung verursachte Defekte reduziert.
  • (2) Als ein Aspekt der vorliegenden Ausführungsform enthält die Resonanzmodenbildungsschicht vorzugsweise eine photonische Kristallschicht, in der eine Vielzahl von modifizierten Brechungsindexbereichen periodisch angeordnet ist. Das von der aktiven Schicht abgegebene Licht erreicht die photonische Kristallschicht, während es zwischen der ersten Mantelschicht und der zweiten Mantelschicht eingeschlossen ist. In der photonischen Kristallschicht wird in einer Richtung entlang der Hauptfläche des Substrats eine Resonanzmode gebildet, und Licht oszilliert bei einer Wellenlänge, die einer Anordnungsperiode der Vielzahl von modifizierten Brechungsindexbereichen entspricht, wodurch Laserlicht erzeugt wird. Wenn zum Beispiel die Anordnungsperiode in einem Quadratgitterkristall eine Länge von einer Lichtwellenlänge hat, wird ein Teil des Laserlichts in einer Richtung senkrecht zur Hauptfläche des Substrats gebeugt und von der Oberfläche auf der Seite der ersten Mantelschicht oder der Seite der zweiten Mantelschicht der lichtemittierenden Vorrichtung nach außen ausgegeben.
  • (3) Als ein Aspekt der vorliegenden Ausführungsform können, um Licht zur Erzeugung eines optischen Bildes entlang der Normalrichtung der Hauptfläche des Substrats, der Neigungsrichtung, die die Normalrichtung schneidet, oder sowohl der Normalrichtung als auch der Neigungsrichtung auszugeben, die baryzentrischen Positionen der Vielzahl von modifizierten Brechungsindexbereichen individuell eingestellt werden. Das heißt, als Beispiel für die baryzentrische Einstellung des modifizierten Brechungsindexbereichs wird in einem virtuellen Quadratgitter, das auf der Entwurfsfläche der Resonanzmodenbildungsschicht eingestellt ist, mindestens ein modifizierter Brechungsindexbereich der Vielzahl von modifizierten Brechungsindexbereichen jedem Gitterpunkt des virtuellen Quadratgitters zugeordnet. Der Schwerpunkt jedes der mehreren modifizierten Brechungsindexbereiche kann an einer Position angeordnet werden, die einen Drehwinkel aufweist, der dem optischen Bild entspricht, das auf dem entsprechenden Gitterpunkt in einem von dem entsprechenden Gitterpunkt getrennten Zustand zentriert ist. Das von der aktiven Schicht abgegebene Licht erreicht die Resonanzmodenbildungsschicht, während es zwischen der ersten Mantelschicht und der zweiten Mantelschicht eingeschlossen ist. In der Resonanzmodenbildungsschicht weisen die Schwerpunkte der mehreren modifizierten Brechungsindexbereiche einen Drehwinkel auf, der für jeden modifizierten Brechungsindexbereich eingestellt ist, der auf einen Gitterpunkt des virtuellen Quadratgitters zentriert ist. In einem solchen Fall wird im Vergleich zu dem Fall, in dem sich die Schwerpunkte der mehreren modifizierten Brechungsindexbereiche auf dem Gitterpunkt des Quadratgitters befinden, die Lichtintensität von Licht (Licht nullter Ordnung), das entlang der Normalrichtung der Hauptfläche des Substrats ausgegeben wird, verringert und die Lichtintensität von Licht höherer Ordnung (z.B. Licht +1. Ordnung und Licht -1. Ordnung), das entlang der Neigungsrichtung ausgegeben wird, die die Normalrichtung schneidet, erhöht. Da außerdem der Schwerpunkt jedes modifizierten Brechungsindexbereichs einen Drehwinkel hat, der dem optischen Bild entspricht, kann die Lichtphase für jeden modifizierten Brechungsindexbereich moduliert werden. Daher ist es entsprechend der lichtemittierenden Vorrichtung möglich, Licht zur Erzeugung eines optischen Bildes beliebiger Form entlang der Neigungsrichtung auszugeben, die sich mit der Normalrichtung der Hauptfläche des Substrats schneidet.
  • (4) Als ein Aspekt der vorliegenden Ausführungsform ist die Anpassung der baryzentrischen Position jeder der Vielzahl der modifizierten Brechungsindexbereiche nicht auf das zuvor beschriebene Beispiel beschränkt. Als ein weiteres Beispiel für die baryzentrische Einstellung des modifizierten Brechungsindexbereichs ist in einem virtuellen Quadratgitter, das auf der Entwurfsfläche der Resonanzmodenbildungsschicht angeordnet ist, jedem Gitterpunkt des virtuellen Quadratgitters mindestens ein modifizierter Brechungsindexbereich aus der Vielzahl der modifizierten Brechungsindexbereiche zugeordnet. Der Schwerpunkt jedes der mehreren modifizierten Brechungsindexbereiche kann auf einer Geraden angeordnet sein, die durch den entsprechenden Gitterpunkt verläuft und in Bezug auf das Quadratgitter in einem Zustand geneigt ist, in dem der Abstand zwischen dem Schwerpunkt und dem entsprechenden Gitterpunkt entsprechend dem optischen Bild individuell eingestellt ist. Das von der aktiven Schicht abgegebene Licht wird effizient zwischen der ersten Mantelschicht und der zweiten Mantelschicht verteilt und wird auch in der Resonanzmodenbildungsschicht verteilt. In der Resonanzmodenbildungsschicht ist der Schwerpunkt jedes der mehreren modifizierten Brechungsindexbereiche auf einer Geraden angeordnet, die durch den entsprechenden Gitterpunkt des virtuellen Quadratgitters verläuft und in Bezug auf das Quadratgitter geneigt ist. Dann wird der Abstand zwischen dem Schwerpunkt jedes modifizierten Brechungsindexbereichs und dem entsprechenden Gitterpunkt entsprechend dem optischen Bild individuell eingestellt. Auch in einem solchen Fall wird die Lichtintensität von Licht (Licht nullter Ordnung), das entlang der Normalrichtung der Hauptfläche des Substrats ausgegeben wird, verringert, und die Lichtintensität von Licht höherer Ordnung (z.B. Licht +1. Ordnung und Licht -1. Ordnung), das entlang der Neigungsrichtung ausgegeben wird, die die Normalrichtung schneidet, wird erhöht. Da außerdem der Abstand zwischen dem Schwerpunkt jedes modifizierten Brechungsindexbereichs und dem entsprechenden Gitterpunkt entsprechend dem optischen Bild individuell eingestellt wird, kann die Lichtphase für jeden modifizierten Brechungsindexbereich moduliert werden. Daher ist es je nach lichtemittierender Vorrichtung möglich, Licht auszugeben, das ein optisches Bild beliebiger Form entlang einer Neigungsrichtung erzeugt, die sich mit der Normalrichtung der Hauptfläche des Substrats schneidet.
  • (5) Als ein Aspekt der vorliegenden Ausführungsform können die erste Mantelschicht, die zweite Mantelschicht und die Basisschicht eine GaN-Schicht oder eine AlGaN-Schicht sein. In diesem Fall ist mindestens eine der zwei oder mehr Schichten der Schicht mit hohem Brechungsindex vorzugsweise eine Nitrid-Halbleiterschicht mit In. Dementsprechend ist es möglich, vorzugsweise die Schicht mit hohem Brechungsindex zu realisieren, die einen höheren Brechungsindex aufweist als die erste Mantelschicht, die zweite Mantelschicht und die photonische Kristallschicht (oder die Phasenmodulationsschicht). Darüber hinaus kann als ein Aspekt der vorliegenden Ausführungsform mindestens eine Schicht der Schichten mit hohem Brechungsindex zusätzlich A1 enthalten. Je größer die Al-Zusammensetzung wird, desto niedriger wird der Brechungsindex der Schicht mit hohem Brechungsindex, aber die Bandlücke wird breiter und die Lichtdurchlässigkeit kann erhöht werden. Der Einschluss von A1 kann die Gitterkonstante aufgrund der In-haltigen Nitrid-Halbleiterschicht verringern und sie nahe an die Gitterkonstante von GaN der Basisschicht bringen, wodurch ein Spannungsrelaxationseffekt erwartet werden kann.
  • (6) Als ein Aspekt der vorliegenden Ausführungsform hat die aktive Schicht eine Mehrfachquantentopfstruktur, bei der Quantentopfschichten und Sperrschichten abwechselnd entlang der Normalrichtung laminiert sind. In diesem Fall ist die Bandlücke von mindestens einer Schicht der Schicht mit hohem Brechungsindex vorzugsweise breiter als die Bandlücke der Quantentopfschicht. Auf diese Weise können elektrische Ladungsträger effizient in der Quantentopfschicht der aktiven Schicht eingeschlossen werden. Als ein Aspekt der vorliegenden Ausführungsform ist die Quantentopfschicht vorzugsweise eine Nitrid-Halbleiterschicht mit In. Darüber hinaus ist die In-Zusammensetzung von mindestens einer Schicht der Schicht mit hohem Brechungsindex vorzugsweise kleiner als die In-Zusammensetzung der Quantentopfschicht. Es ist zu beachten, dass sich „In Zusammensetzung“ auf den prozentualen Anteil des Molverhältnisses in Bezug auf alle im Nitrid-Halbleiter enthaltenen Dotierstoffe bezieht. Eine solche Konfiguration erlaubt es, die Bandlücke mindestens einer Schicht breiter zu machen als die Bandlücke der Quantentopfschicht. Genauer gesagt, als ein Aspekt der vorliegenden Ausführungsform, beträgt die In-Zusammensetzung mindestens einer Schicht der Schicht mit hohem Brechungsindex vorzugsweise 2% oder mehr. Dadurch kann der Brechungsindex der Schicht mit hohem Brechungsindex im Vergleich zum Brechungsindex der Umgebung ausreichend erhöht und der optische Begrenzungskoeffizient der Schicht, die den Resonanzmodus bildet, erhöht werden.
  • Somit ist jeder im Abschnitt [Beschreibung der Ausführungsformen der Erfindung der vorliegenden Anmeldung] aufgeführte Aspekt auf alle anderen Aspekte oder auf alle Kombinationen dieser Aspekte anwendbar.
  • [Einzelheiten der Ausführungsformen der Erfindung der vorliegenden Anmeldung]
  • Nachfolgend wird ein konkreter Aufbau der lichtemittierenden Vorrichtung gemäß der vorliegenden Ausführungsform unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen ausführlich beschrieben. Es ist zu beachten, dass die vorliegende Erfindung nicht auf diese Beispiele beschränkt ist, sondern durch die Ansprüche definiert wird, und dass sie alle Modifikationen im Sinne und Umfang, die den Ansprüchen entsprechen, umfassen soll. Darüber hinaus werden in der Beschreibung der Zeichnungen identische Elemente mit identischen Bezugszeichen gekennzeichnet und es wird auf redundante Beschreibungen verzichtet.
  • (Erste Ausführungsform)
  • 1 ist eine perspektivische Ansicht, die die Konfiguration des oberflächenemittierenden Laserelements 1A als lichtemittierende Vorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. 2 ist ein Diagramm, das schematisch eine Querschnittsstruktur des oberflächenemittierenden Laserelements 1A zeigt. Es ist zu beachten, dass ein orthogonales XYZ-Koordinatensystem definiert ist, in dem eine in Dickenrichtung des oberflächenemittierenden Laserelements 1A verlaufende Achse die Z-Achse ist. Das oberflächenemittierende Laserelement 1A bildet eine stehende Welle entlang einer auf der X-Y-Ebene definierten Richtung und gibt Laserlicht LI in einer Richtung (Z-Achsenrichtung) senkrecht zur Hauptfläche eines Halbleitersubstrats 10 aus.
  • Das oberflächenemittierende Laserelement 1A ist ein oberflächenemittierender photonischer Kristalllaser (PCSEL). Das oberflächenemittierende Laserelement 1A umfasst das Halbleitersubstrat 10, eine Mantelschicht 11 (erste Mantelschicht), die auf einer Hauptfläche 10a des Halbleitersubstrats 10 vorgesehen ist, eine aktive Schicht 12, die auf der Mantelschicht 11 vorgesehen ist, eine Mantelschicht 13 (zweite Mantelschicht), die auf der aktiven Schicht 12 vorgesehen ist, und eine Kontaktschicht 14, die auf der Mantelschicht 13 vorgesehen ist. Darüber hinaus enthält das oberflächenemittierende Laserelement 1A eine photonische Kristallschicht 15A, Schichten mit hohem Brechungsindex 16 und 17 sowie eine Führungsschicht 18. Das Laserlicht wird von einer Rückfläche 10b des Halbleitersubstrats 10 ausgegeben.
  • Das Halbleitersubstrat 10, die Mantelschichten 11 und 13, die aktive Schicht 12, die Kontaktschicht 14, die photonische Kristallschicht 15A, die Schichten mit hohem Brechungsindex 16 und 17 sowie die Führungsschicht 18 enthalten hauptsächlich Nitrid-Halbleiter. Die Energiebandlücke der Mantelschicht 11 und die Energiebandlücke der Mantelschicht 13 sind breiter als die Energiebandlücke der aktiven Schicht 12. Die Dickenrichtungen des Halbleitersubstrats 10, der Mantelschichten 11 und 13, der aktiven Schicht 12, der Kontaktschicht 14, der photonischen Kristallschicht 15A, der Schichten mit hohem Brechungsindex 16 und 17 sowie der Führungsschicht 18 fallen mit der Z-Achsenrichtung zusammen.
  • Gegebenenfalls kann zwischen der Mantelschicht 11 und der Mantelschicht 13 eine Lichtleiterschicht zur Einstellung der Lichtverteilung eingefügt werden. Die Lichtleiterschicht kann eine Ladungsträgersperrschicht enthalten, um Ladungsträger effizient in der aktiven Schicht 12 einzuschließen.
  • In den in 1 und 2 gezeigten Beispielen ist die photonische Kristallschicht 15A zwischen der aktiven Schicht 12 und der Mantelschicht 13 vorgesehen, aber wie in 3 gezeigt, kann die photonische Kristallschicht 15A zwischen der Mantelschicht 11 und der aktiven Schicht 12 vorgesehen werden. Wenn außerdem die Lichtleiterschicht zwischen der aktiven Schicht 12 und der Mantelschicht 11 vorgesehen ist, ist die photonische Kristallschicht 15A zwischen der Mantelschicht 11 und der Lichtleiterschicht vorgesehen. Die Lichtleiterschicht kann eine Ladungsträgersperrschicht enthalten, um Ladungsträger effizient in der aktiven Schicht 12 einzuschließen.
  • Die photonische Kristallschicht (Beugungsgitterschicht) 15A ist in der vorliegenden Ausführungsform eine Resonanzmodenbildungsschicht. Die photonische Kristallschicht 15A enthält eine Basisschicht 15a und eine Vielzahl von modifizierten Brechungsindexbereichen 15b. Die Basisschicht 15a ist eine Halbleiterschicht, die aus einem ersten Brechungsindexmedium besteht. Die Vielzahl modifizierter Brechungsindexbereiche 15b besteht aus einem zweiten Brechungsindexmedium mit einem Brechungsindex, der sich von dem des ersten Brechungsindexmediums unterscheidet, und ist in der Basisschicht 15a ausgebildet. Die Führungsschicht 18 ist eine Halbleiterschicht, die die Basisschicht 15a und die Vielzahl von modifizierten Brechungsindexbereichen 15b bedeckt. Der Brechungsindex der Führungsschicht 18 kann derselbe wie der Brechungsindex des ersten Brechungsindexmediums sein. Der Brechungsindex der Führungsschicht 18 kann derselbe wie der Brechungsindex des zweiten Brechungsindexmediums sein. Alternativ kann sich der Brechungsindex der Führungsschicht 18 sowohl vom Brechungsindex des ersten Brechungsindexmediums als auch vom Brechungsindex des zweiten Brechungsindexmediums unterscheiden. Die Vielzahl der modifizierten Brechungsindexbereiche 15b ist zweidimensional und periodisch auf einer Entwurfsfläche (X-Y-Ebene) orthogonal zur Dickenrichtung (Z-Achsenrichtung) der photonischen Kristallschicht 15A angeordnet. Wenn der äquivalente Brechungsindex n ist, ist eine von der photonischen Kristallschicht 15A ausgewählte Wellenlänge λ0 (= a × n, wobei a der Gitterabstand ist) in den Emissionswellenlängenbereich der aktiven Schicht 12 enthalten. Die photonische Kristallschicht 15A kann die Wellenlänge λ0 der Emissionswellenlängen der aktiven Schicht 12 auswählen und nach außen ausgeben. In der vorliegenden Ausführungsform liegt die Wellenlänge λ0 beispielsweise im Bereich von 365 bis 550 nm, in einem Beispiel bei 405 nm.
  • 4 ist eine Draufsicht auf die photonische Kristallschicht 15A. Hier ist in der photonischen Kristallschicht 15A ein virtuelles Quadratgitter in der X-Y-Ebene festgelegt. Es wird angenommen, dass eine Seite des Quadratgitters parallel zur X-Achse und die andere Seite parallel zur Y-Achse verläuft. Dabei kann ein quadratischer Einheitskomponentenbereich R, der auf einem Gitterpunkt O des Quadratgitters zentriert ist, zweidimensional über eine Vielzahl von Spalten entlang der X-Achse und eine Vielzahl von Reihen entlang der Y-Achse festgelegt werden. Die Vielzahl der modifizierten Brechungsindexbereiche 15b wird in jedem Einheitskomponentenbereich R durch eine feste Anzahl von einer oder zwei oder mehr bereitgestellt. Die planare Form des modifizierten Brechungsindexbereichs 15b ist z.B. kreisförmig. In jedem Einheitskomponentenbereich R überlappt (fällt zusammen mit) jedem Gitterpunkt O ein Schwerpunkt G des modifizierten Brechungsindexbereichs 15b. Es ist zu beachten, dass die periodische Struktur der Vielzahl der modifizierten Brechungsindexbereiche 15b nicht darauf beschränkt ist und beispielsweise ein Dreiecksgitter an Stelle des Quadratgitters verwendet werden kann.
  • Im Nachfolgenden wird der innere Aufbau der Phasenmodulationsschicht 15 ausführlicher beschrieben. 4 ist eine Draufsicht auf die Phasenmodulationsschicht 15A. Wie in 4 dargestellt, wird ein virtuelles Quadratgitter auf einer Entwurfsebene (Bezugsebene) der Phasenmodulationsschicht 15A eingestellt, die mit der X-Y-Ebene zusammenfällt. Es wird angenommen, dass eine Seite des Quadratgitters parallel zur X-Achse und die andere Seite parallel zur Y-Achse liegt. Zu diesem Zeitpunkt kann ein quadratischer Einheitskomponentenbereich R, der auf einem Gitterpunkt O des Quadratgitters zentriert ist, zweidimensional über eine Vielzahl von Spalten entlang der X-Achse und eine Vielzahl von Reihen entlang der Y-Achse festgelegt werden. Die Vielzahl der modifizierten Brechungsindexbereiche 15b ist in jedem Einheitskomponentenbereich R auf mindestens einer Eins-zu-eins-Basis vorgesehen (zwei oder mehr modifizierte Brechungsindexbereiche 15b können in jedem Einheitskomponentenbereich R vorgesehen werden). Die planare Form jedes modifizierten Brechungsindexbereichs 15b ist z.B. kreisförmig. Der Schwerpunkt G des modifizierten Brechungsindexbereichs 15b überlappt jeden Gitterpunkt O (fällt mit ihm zusammen). Es ist zu beachten, dass die periodische Struktur der Vielzahl der modifizierten Brechungsindexbereiche 15b nicht darauf beschränkt ist und z.B. ein Dreiecksgitter an Stelle des Quadratgitters verwendet werden kann.
  • In 4 geben die in 4 mit x0 bis x3 gekennzeichneten gestrichelten Linien die Mittelpositionen im Einheitskomponentenbereich R in X-Achsenrichtung und die mit y0 bis y2 gekennzeichneten gestrichelten Linien die Mittelpositionen im Einheitskomponentenbereich R in Y-Achsenrichtung an. Daher geben die Schnittpunkte der gestrichelten Linien x0 bis x3 und der gestrichelten Linien y0 bis y2 die jeweiligen Mittelpunkte O (0, 0) bis O (3, 2) der Einheitskomponentenbereiche R (0, 0) bis R (3, 2), d.h. die Gitterpunkte, an. Die Gitterkonstante dieses virtuellen Quadratgitters ist a. Es ist zu beachten, dass die Gitterkonstante a entsprechend der Emissionswellenlänge angepasst wird.
  • 5 ist eine Draufsicht, die ein Beispiel zeigt, in dem der modifizierte Brechungsindexbereich 15b nur in einem bestimmten Bereich der photonischen Kristallschicht 15A angeordnet ist. In dem in 5 gezeigten Beispiel wird eine periodische Struktur des modifizierten Brechungsindexbereichs 15b innerhalb eines inneren Bereichs RIN des Quadrats gebildet. Andererseits wird die periodische Struktur des modifizierten Brechungsindexbereichs 15b auch in einem äußeren Bereich ROUT gebildet, der den inneren Bereich RIN umgibt, und eine Elektrode 26 wird auf dem inneren Bereich RIN gebildet, so dass ein Strom hauptsächlich durch den inneren Bereich RIN fließt. Bei dieser Struktur kann eine Lichtleckage in Richtung in der Ebene unterdrückt werden, und es ist eine Verringerung des Schwellenstroms zu erwarten.
  • Obwohl 4 ein Beispiel zeigt, in dem die Form des modifizierten Brechungsindexbereichs 15b auf der X-Y-Ebene kreisförmig ist, kann der modifizierte Brechungsindexbereich 15b eine andere Form als eine Kreisform aufweisen. Beispielsweise kann die Form des modifizierten Brechungsindexbereichs 15b auf der X-Y-Ebene spiegelsymmetrisch sein (Liniensymmetrie). Spiegelsymmetrie (Liniensymmetrie) bedeutet hier, dass über eine bestimmte Gerade entlang der X-Y-Ebene die planare Form des modifizierten Brechungsindexbereichs 15b, der sich auf einer Seite der Geraden befindet, und die planare Form des modifizierten Brechungsindexbereichs 15b, der sich auf der anderen Seite der Geraden befindet, zueinander spiegelsymmetrisch (liniensymmetrisch) sein können. Beispiele für Formen mit Spiegelsymmetrie (Liniensymmetrie) sind neben einem perfekten Kreis, wie in 6A gezeigt, ein in 6B gezeigtes Quadrat, ein in 6C gezeigtes regelmäßiges Sechseck, ein in 6D gezeigtes regelmäßiges Achteck, ein in 6E gezeigtes regelmäßiges Sechseck, ein in 6F gezeigtes Rechteck und eine in 6G gezeigte Ellipse.
  • Darüber hinaus kann die Form des modifizierten Brechungsindexbereichs 15b auf der X-Y-Ebene eine Form sein, die keine Rotationssymmetrie von 180° aufweist. Beispiele für solche Formen umfassen ein gleichseitiges Dreieck, wie in Fig.. 7A, ein gleichschenkliges rechtwinkliges Dreieck, wie in 7B dargestellt, eine Form, wie in 7C dargestellt (eine Form, in der sich zwei Kreise oder Ellipsen teilweise überlappen), eine ovale Form, wie in 7D dargestellt (eine Form, die so verformt wird, dass die Abmessung in Richtung der Nebenachse in der Nähe des einen Endes entlang der Hauptachse einer Ellipse kleiner wird als die Abmessung in Richtung der Nebenachse in der Nähe des anderen Endes), eine Tropfenform, wie in 7E dargestellt (eine Form, bei der ein Ende entlang der Hauptachse einer Ellipse zu einem spitzen Ende verformt wird, das entlang der Richtung der Hauptachse vorsteht), ein gleichschenkliges Dreieck, wie in 7F dargestellt, eine Pfeilform, wie 7G dargestellt (eine Form, bei der eine Seite eines Rechtecks dreieckig ausgespart und die gegenüberliegende Seite dreieckig zugespitzt ist), ein Trapez, wie in 7H dargestellt, ein Fünfeck, wie in 71 dargestellt, eine Form, wie in 7J dargestellt (eine Form, bei der sich zwei Rechtecke teilweise überlappen) und eine Form, wie in 7K dargestellt (eine Form, bei der sich zwei Rechtecke teilweise überlappen und keine Spiegelsymmetrie aufweisen). Da die Form des modifizierten Brechungsindexbereichs 15b auf der X-Y-Ebene keine Rotationssymmetrie von 180° aufweist, kann somit eine höhere Lichtleistung erzielt werden.
  • 8A bis 8K sind Draufsichten, die weitere Beispiele für die Form des modifizierten Brechungsindexbereichs in der X-Y-Ebene zeigen. In diesem Beispiel ist zusätzlich zu dem modifizierten Brechungsindexbereich 15b ein modifizierter Brechungsindexbereich 15c, der sich von dem modifizierten Brechungsindexbereich 15b unterscheidet, in einem Einheitskomponentenbereich R vorgesehen. Jeder modifizierte Brechungsindexbereich 15c besteht aus einem zweiten Brechungsindexmedium mit einem Brechungsindexwert, der sich von dem des ersten Brechungsindexmediums der Basisschicht 15a unterscheidet. Ähnlich wie der modifizierte Brechungsindexbereich 15b kann der modifizierte Brechungsindexbereich 15c ein Loch sein oder eine Struktur aufweisen, in der ein Verbindungshalbleiter in das Loch eingebettet ist. Die modifizierten Brechungsindexbereiche 15c entsprechen eins zu eins den jeweiligen modifizierten Brechungsindexbereichen 15b. Dann befindet sich der Schwerpunkt G, in dem die modifizierten Brechungsindexbereiche 15b und 15c zusammen vorkommen, auf dem Gitterpunkt O des Einheitskomponentenbereichs R, der das virtuelle Quadratgitter bildet. Es ist zu beachten, dass die beiden modifizierten Brechungsindexbereiche 15b und 15c in den Bereich des Einheitskomponentenbereichs R fallen, der das virtuelle Quadratgitter bildet. Die Einheitskomponentenbereich R ist eine Region, die von einer geraden Linie umgeben ist, welche die Gitterpunkte des virtuellen Quadratgitters halbiert.
  • Obwohl die planare Form des modifizierten Brechungsindexbereichs 15c z.B. kreisförmig ist, kann er verschiedene Formen ähnlich dem modifizierten Brechungsindexbereich 15b aufweisen. 8A bis 8K zeigen Beispiele für die Formen und die relativen Beziehungen der modifizierten Brechungsindexbereiche 15b und 15c auf der X-Y-Ebene. 8A und 8B zeigen Beispiele, in denen die modifizierten Brechungsindexbereiche 15b und 15c Figuren gleicher Form aufweisen. 8C und 8D zeigen Beispiele, in denen die modifizierten Brechungsindexbereiche 15b und 15c Figuren gleicher Form aufweisen und sich teilweise überlappen. 8E zeigt ein Beispiel, in dem die modifizierten Brechungsindexbereiche 15b und 15c Figuren gleicher Form aufweisen und die modifizierten Brechungsindexbereiche 15b und 15c miteinander gedreht sind. 8F zeigt ein Beispiel, in dem die modifizierten Brechungsindexbereiche 15b und 15c Figuren mit voneinander verschiedenen Formen aufweisen. 8G zeigt ein Beispiel, bei dem die modifizierten Brechungsindexbereiche 15b und 15c Figuren mit voneinander verschiedenen Formen aufweisen und die modifizierten Brechungsindexbereiche 15b und 15c miteinander gedreht sind.
  • Wie in 8H bis 8K gezeigt, kann der modifizierte Brechungsindexbereich 15b zwei voneinander getrennte Bereiche 15b1 und 15b2 aufweisen. Dann kann der Abstand zwischen dem Schwerpunkt (der dem Schwerpunkt eines einzelnen modifizierten Brechungsindexbereichs 15b entspricht), in dem die Bereiche 15b1 und 15b2 kombiniert sind, und dem Schwerpunkt des modifizierten Brechungsindexbereichs 15c innerhalb des Einheitskomponentenbereichs R beliebig festgelegt werden. In diesem Fall können, wie in 8H gezeigt, die Bereiche 15b1 und 15b2 und der modifizierte Brechungsindexbereich 15c Figuren mit zueinander gleicher Form aufweisen. Wie aus 81 hervorgeht, können sich die Figuren der zwei Bereiche 15b1 und 15b2 und des modifizierten Brechungsindexbereichs 15c voneinander unterscheiden. Wie in 8J gezeigt, kann zusätzlich zu dem Winkel, der durch die Verbindungsgerade zwischen den Bereichen 15b1 und 15b2 und der X-Achse gebildet wird, der Winkel des modifizierten Brechungsindexbereichs 15c in Bezug auf die X-Achse innerhalb des Einheitskomponentenbereichs R willkürlich festgelegt werden. Wie in 8K gezeigt, während die Bereiche 15b1 und 15b2 und der modifizierte Brechungsindexbereich 15c den gleichen relativen Winkel zueinander beibehalten, kann der Winkel, der durch die Verbindungsgerade zwischen den Bereichen 15b1 und 15b2 und der X-Achse gebildet wird, innerhalb des Einheitskomponentenbereichs R willkürlich eingestellt werden.
  • Es ist zu beachten, dass die Vielzahl der modifizierten Brechungsindexbereiche 15b in jedem Einheitskomponentenbereich R vorgesehen werden kann. Hier bezieht sich der Einheitskomponentenbereich R auf einen Bereich mit einer minimalen Fläche in einem Bereich, der von einer senkrechten Halbierenden mit einem Gitterpunkt O' aus anderen Einheitskomponentenbereichen umgeben ist, die periodisch in Bezug auf den Gitterpunkt O einer bestimmten Einheitskomponentenbereich R angeordnet sind, und entspricht einer Wigner-Seitz-Zelle in der Festkörperphysik. In diesem Fall haben die mehreren modifizierten Brechungsindexbereiche 15b, die in einem Einheitskomponentenbereich R enthalten sind, zwar Figuren gleicher Form, aber die Schwerpunkte können voneinander verschieden sein. Die Form der in der X-Y-Ebene definierten modifizierten Brechungsindexbereiche 15b kann zwischen den Einheitskomponentenbereichen R identisch sein und kann zwischen den Einheitskomponentenbereichen R durch eine Translationsoperation oder eine Translations- und eine Rotationsoperation miteinander überlappt werden. In diesem Fall wird die Fluktuation der photonischen Bandstruktur reduziert, und es kann ein Spektrum mit einer schmalen Linienbreite erhalten werden. Alternativ dazu muss die Form des modifizierten Brechungsindexbereichs, der auf der X-Y-Ebene definiert ist, zwischen den Einheitskomponentenbereichen R nicht notwendigerweise identisch sein, und die Form kann sich zwischen benachbarten Einheitskomponentenbereichen R voneinander unterscheiden.
  • Im Folgenden wird erneut auf 1 und 2 Bezug genommen. Die Schicht 16 mit hohem Brechungsindex ist zwischen der aktiven Schicht 12 und der photonischen Kristallschicht 15A vorgesehen. Die Schicht 16 mit hohem Brechungsindex ist vorgesehen, um den optischen Begrenzungskoeffizienten der photonischen Kristallschicht 15A zu erhöhen, und hat einen höheren Brechungsindex als die Mantelschichten 11 und 13 und die photonische Kristallschicht 15A. Die Schicht 16 mit hohem Brechungsindex hat eine Übergitterstruktur. Diese Übergitterstruktur wird durch abwechselndes Laminieren von zwei sehr dünnen Schichten 16a und 16b mit voneinander verschiedenen Brechungsindizes erhalten, wie in der vergrößerten Ansicht in 2 dargestellt. Es ist zu beachten, dass in der Übergitterstruktur drei oder mehr Schichten mit voneinander verschiedenen Brechungsindizes wiederholt laminiert werden können.
  • Die Schicht 17 mit hohem Brechungsindex ist zwischen der Mantelschicht 11 und der Mantelschicht 13 an einer Stelle vorgesehen, an der die photonische Kristallschicht 15A zwischen der Schicht 17 mit hohem Brechungsindex und der aktiven Schicht 12 angeordnet werden kann. Das heißt, im Beispiel von 2 ist die Schicht 17 mit hohem Brechungsindex zwischen der photonischen Kristallschicht 15A und der Mantelschicht 13 vorgesehen. Im Beispiel von 3 befindet sich die Schicht 17 mit hohem Brechungsindex zwischen der photonischen Kristallschicht 15A und der Mantelschicht 11. Die Schicht 17 mit hohem Brechungsindex ist zusammen mit der Schicht 16 mit hohem Brechungsindex vorgesehen, um den optischen Begrenzungskoeffizienten der photonischen Kristallschicht 15A zu erhöhen, und hat einen Brechungsindex, der höher ist als der jeder der Mantelschichten 11 und 13 und der photonischen Kristallschicht 15A. Ähnlich wie die Schicht 16 mit hohem Brechungsindex hat auch die Schicht 17 mit hohem Brechungsindex eine Übergitterstruktur. Diese Übergitterstruktur wird durch abwechselndes Laminieren von zwei Schichten 17a und 17b mit voneinander verschiedenen Brechungsindizes, wie in der vergrößerten Ansicht in 2 dargestellt, erhalten. Es ist zu beachten, dass in der Übergitterstruktur drei oder mehr Schichten mit voneinander verschiedenen Brechungsindizes wiederholt laminiert werden können.
  • Es ist zu beachten, dass der Ausdruck „die Schichten 16 und 17 mit hohem Brechungsindex einen Brechungsindex aufweisen, der höher ist als der der Mantelschichten 11 und 13 und der photonischen Kristallschicht 15A“ bedeutet, dass der Wert, bei dem die Brechungsindizes der Vielzahl der Schichten, die die Übergitterstruktur bilden, entsprechend der Dicke gewichtet und gemittelt werden, höher ist als der Brechungsindex jeder der Mantelschichten 11 und 13 und der photonischen Kristallschicht 15A.
  • Das oberflächenemittierende Laserelement 1A enthält ferner eine Elektrode 26, die auf der Kontaktschicht 14 vorgesehen ist, und eine Elektrode 27, die auf der Rückseite 10b des Halbleitersubstrats 10 vorgesehen ist. Die Elektrode 26 steht in ohmschem Kontakt mit der Kontaktschicht 14, und die Elektrode 27 steht in ohmschem Kontakt mit dem Halbleitersubstrat 10. Die Elektrode 26 befindet sich im mittleren Bereich der Kontaktschicht 14. Ein anderer Teil der Kontaktschicht 14 als die Elektrode 26 ist mit einem Schutzfilm 28 bedeckt. Es ist zu beachten, dass die nicht mit der Elektrode 26 in Kontakt stehende Kontaktschicht 14 entfernt werden kann. Die Elektrode 27 hat eine planare Form, wie z.B. einen Rahmen (ringförmig), der den Ausgangsbereich des Laserlichts L1 umgibt, und hat eine Öffnung 27a. Es ist zu beachten, dass die planare Form der Elektrode 27 verschiedene Formen haben kann, wie z.B. eine rechteckige Rahmenform und eine ringförmige Form. Ein Teil (einschließlich der Innenseite der Öffnung 27a) der Rückfläche 10b des Halbleitersubstrats 10 mit Ausnahme der Elektrode 27 ist mit einem Antireflexionsfilm 29 bedeckt. Der Antireflexionsfilm 29 in einem anderen Bereich als der Öffnung 27a kann entfernt werden.
  • Wenn ein Treiberstrom zwischen der Elektrode 26 und der Elektrode 27 zugeführt wird, findet in der aktiven Schicht 12 eine Rekombination von Elektronen und Löchern statt (Lichtemission). Die Elektronen und Löcher, die zu dieser Lichtemission und dem erzeugten Licht beitragen, werden effizient zwischen der Mantelschicht 11 und der Mantelschicht 13 verteilt. Da das von der aktiven Schicht 12 abgegebene Licht zwischen der Mantelschicht 11 und der Mantelschicht 13 verteilt wird, tritt das Licht in das Innere der photonischen Kristallschicht 15A ein und bildet eine Resonanzmode entlang der Richtung, die auf der Hauptfläche 10a des Halbleitersubstrats 10 entsprechend der Gitterstruktur innerhalb der photonischen Kristallschicht 15A definiert ist. Dann oszilliert das Licht bei einer Wellenlänge, die einer Anordnungsperiode der Vielzahl von modifizierten Brechungsindexbereichen 15b entspricht, wodurch Laserlicht L1 erzeugt wird. Das von der photonischen Kristallschicht 15A ausgegebene Laserlicht L1 wandert entlang der Normalen der Hauptfläche 10a des Halbleitersubstrats 10 und wird direkt zur Außenseite der Oberfläche ausgegeben, wobei das Laserelement 1A von der Rückfläche 10b durch die Öffnung 27a emittiert wird, oder es wird von der Elektrode 26 reflektiert und dann zur Außenseite der Oberfläche ausgegeben, wobei das Laserelement 1A von der Rückfläche 10b durch die Öffnung 27a emittiert wird.
  • Zum Beispiel ist das Halbleitersubstrat 10 ein GaN-Substrat, und die Mantelschicht 11, die aktive Schicht 12, die photonische Kristallschicht 15A, die Mantelschicht 13 und die Kontaktschicht 14 bestehen aus Nitrid-Halbleitern. In einem Beispiel ist die Mantelschicht 11 eine GaN-Schicht oder eine AlGaN-Schicht. Die aktive Schicht 12 hat eine Mehrfachquantentopfstruktur (Sperrschicht: InGaN / Quantentopfschicht: InGaN). Die Basisschicht 15a der photonischen Kristallschicht 15A und die Führungsschicht 18 sind eine GaN-Schicht oder eine AlGaN-Schicht. Der modifizierte Brechungsindexbereich 15b ist ein Loch. Die Mantelschicht 13 ist eine GaN-Schicht oder eine AlGaN-Schicht. Die Kontaktschicht 14 ist eine GaN-Schicht.
  • Wenn also die Mantelschichten 11 und 13 und die Basisschicht 15a eine GaN-Schicht oder eine AlGaN-Schicht sind, ist mindestens eine der zwei oder mehr Schichten, die die Übergitterstruktur der Schichten 16 und 17 mit hohem Brechungsindex bilden (z.B. die Schichten 16a und 17a), eine In enthaltende Nitrid-Halbleiterschicht (z.B. eine InGaN-Schicht). Die Schicht der Schichten 16 und 17 mit hohem Brechungsindex kann eine InAlGaN-Schicht sein, die zusätzlich A1 enthält. Die Bandlücke der Schicht der Schichten 16 und 17 mit hohem Brechungsindex ist breiter als die Bandlücke der Quantentopfschicht der aktiven Schicht 12. Wenn die Quantentopfschicht beispielsweise eine Nitrid-Halbleiterschicht (z.B. eine InGaN-Schicht) mit In ist, ist die In-Zusammensetzung (prozentualer Anteil des Molverhältnisses in Bezug auf alle im Nitrid-Halbleiter enthaltenen Dotierstoffe) der Schicht der Schichten 16 und 17 mit hohem Brechungsindex kleiner als die In-Zusammensetzung der Quantentopschicht. Wenn die Mantelschichten 11 und 13 und die Basisschicht 15a eine GaN-Schicht oder eine AlGaN-Schicht sind, beträgt die In-Zusammensetzung der Schichten 16 und 17 mit hohem Brechungsindex z.B. 2% oder mehr.
  • Wenn der Nitrid-Halbleiter In enthält, können die Energiebandlücke und der Brechungsindex leicht durch Änderung des Zusammensetzungsverhältnisses (Molverhältnis) von In verändert werden. Das heißt, je größer das Zusammensetzungsverhältnis x von InxGa1-xN oder InxAlyGa1-x-yN wird, desto schmaler wird die Energiebandlücke und desto größer wird der Brechungsindex. Wenn der Nitrid-Halbleiter A1 enthält, können die Energiebandlücke und der Brechungsindex durch Änderung des Zusammensetzungsverhältnisses von A1 leicht geändert werden. Das heißt, je größer das Zusammensetzungsverhältnis y von A1 in AlyGa1-yN oder InxAlyGa1-x-yN wird, desto breiter wird die Energiebandlücke und desto kleiner wird der Brechungsindex. Wenn die Mantelschichten 11 und 13 eine AlGaN-Schicht sind, beträgt ihr Al-Zusammensetzungsverhältnis z.B. 0 bis 0,15, in einem Beispiel 0,06. Wenn die Sperrschicht der aktiven Schicht 12 eine InGaN-Schicht ist, beträgt ihr In-Zusammensetzungsverhältnis z.B. 0 bis 0,2, in einem Beispiel 0,01. Wenn die Quantentopfschicht der aktiven Schicht 12 eine InGaN-Schicht ist, beträgt ihr In-Zusammensetzungsverhältnis z.B. 0 zu 0,2 und in einem Beispiel 0,10.
  • Wenn die Schicht 16a der Schichten 16 und 17 mit hohem Brechungsindex eine InxGa1-xN-Schicht ist, liegt ihr In-Zusammensetzungsverhältnis x beispielsweise in einem Bereich von gleich oder größer als 0,02 und kleiner als x1, vorzugsweise die Hälfte oder mehr von x1, wobei das In-Zusammensetzungsverhältnis der Quantentopfschicht der aktiven Schicht 12 x1 ist. Wenn die Ladungsträgerkonzentration in der aktiven Schicht 12 bis zu einem gewissen Grad begrenzt werden kann, kann das In-Zusammensetzungsverhältnis x der Schichten 16 und 17 mit hohem Brechungsindex x1 überschreiten. Wenn die Schicht 16a der Schichten 16 und 17 mit hohem Brechungsindex eine InxAlyGa1-x-yN-Schicht ist, liegt ihr Al-Zusammensetzungsverhältnis y beispielsweise in einem Bereich von gleich oder größer als 0 und gleich oder kleiner als 0,15. Die Schicht 16b der Schichten 16 und 17 mit hohem Brechungsindex ist z.B. eine GaN-Schicht, eine InGaN-Schicht oder eine InAlGaN-Schicht. Wenn es sich bei der Schicht 16b um eine InGaN-Schicht handelt, ist ihre In-Zusammensetzung kleiner als die der Schicht 16a.
  • Die Mantelschicht 11 hat den gleichen Leitfähigkeitstyp wie das Halbleitersubstrat 10. Die Mantelschicht 13 und die Kontaktschicht 14 haben einen Leitfähigkeitstyp, der dem des Halbleitersubstrats 10 entgegengesetzt ist. In einem Beispiel weisen das Halbleitersubstrat 10 und die Mantelschicht 11 den n-Typ und die Mantelschicht 13 und die Kontaktschicht 14 den p-Typ auf. Die photonische Kristallschicht 15A weist den gleichen Leitfähigkeitstyp wie das Halbleitersubstrat 10 auf, wenn sie zwischen der aktiven Schicht 12 und der Mantelschicht 11 vorgesehen ist, und weist den entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp wie das Halbleitersubstrat 10 auf, wenn sie zwischen der aktiven Schicht 12 und der Mantelschicht 13 vorgesehen ist. Es ist zu beachten, dass die Verunreinigungskonzentration z.B. 1 × 1016 bis 1 × 1021/cm3 beträgt. Im Falle eines intrinsischen Typs (i-Typ), dem keine Verunreinigung absichtlich hinzugefügt wird, beträgt die Verunreinigungskonzentration 1 × 1016/cm3 oder weniger. Die aktive Schicht 12 ist nicht darauf beschränkt, intrinsisch (i-Typ) zu sein und kann dotiert sein. Es ist zu beachten, dass die Verunreinigungskonzentration der photonischen Kristallschicht 15A intrinsisch (i-Typ) sein kann, wenn es notwendig ist, den Effekt des Verlusts aufgrund von Lichtabsorption über den Verunreinigungsgrad zu unterdrücken.
  • Die Schichten 16 und 17 mit hohem Brechungsindex weisen denselben Leitfähigkeitstyp wie das Halbleitersubstrat 10 auf, wenn sie auf der Seite der Mantelschicht 11 in Bezug auf die aktive Schicht 12 angeordnet sind, und weisen den entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp wie das Halbleitersubstrat 10 auf, wenn sie auf der Seite der Mantelschicht 13 in Bezug auf die aktive Schicht 12 angeordnet sind. In diesem Fall ist es nicht notwendig, dass alle der zwei oder mehr Schichten, die die Übergitterstruktur bilden, den Leitfähigkeitstyp aufweisen, und es kann nur eine der beiden Schichten (z.B. die Schichten 16b und 17b mit einem kleinen Brechungsindex) den Leitfähigkeitstyp aufweisen. Alternativ können die Schichten 16 und 17 mit hohem Brechungsindex undotiert sein (i-Typ).
  • Die Dicke des Halbleitersubstrats 10 beträgt z.B. 150 µm. Die Dicke der Mantelschicht 11 beträgt z.B. 1200 nm. Die Dicke der aktiven Schicht 12 beträgt z.B. 49 nm (wenn abwechselnd vier Sperrschichten mit einer Dicke von 10 nm und drei Quantentopfschichten mit einer Dicke von 3 nm laminiert werden). Die Dicke der photonischen Kristallschicht 15A beträgt z.B. 70 nm. Die Dicke der Mantelschicht 13 beträgt z.B. 500 nm. Die Dicke der Kontaktschicht 14 beträgt z.B. 100 nm. Die Dicke der Schicht 16 mit hohem Brechungsindex beträgt z.B. 5 bis 200 nm, und die Einzeldicke der Schichten 16a und 16b beträgt z.B. 0,1 bis 20 nm. In einem Beispiel wird die Schicht 16 mit hohem Brechungsindex durch Laminieren von sieben Schichten der Schicht 16a mit einer Dicke von 5 nm und sieben Schichten der Schicht 16b mit einer Dicke von 5 nm (insgesamt 14 Schichten) konfiguriert. Die Dicke der Schicht 17 mit hohem Brechungsindex beträgt z.B. 5 bis 200 nm, und die Einzeldicke der Schichten 17a und 17b beträgt z.B. 0,1 bis 20 nm. In einem Beispiel wird die Schicht 17 mit hohem Brechungsindex durch Laminieren von drei Schichten der Schicht 17a mit einer Dicke von 5 nm und drei Schichten der Schicht 17b mit einer Dicke von 5 nm (insgesamt sechs Schichten) konfiguriert.
  • Es ist zu beachten, dass in der zuvor beschriebenen Struktur der modifizierte Brechungsindexbereich 15b ein Loch ist, aber der modifizierte Brechungsindexbereich 15b kann durch Einbetten eines Halbleiters, der einen anderen Brechungsindex als die Basisschicht 15a aufweist, in das Loch gebildet werden. In diesem Fall wird z.B. ein Loch in der Basisschicht 15a durch Ätzen gebildet, und dann wird ein Halbleiter unter Verwendung des metallorganischen chemischen Aufdampfverfahrens, des Molekularstrahl-Epitaxieverfahrens, des Sputterverfahrens oder des Epitaxieverfahrens in das Loch eingebettet. Wenn zum Beispiel die Basisschicht 15a aus GaN besteht, kann der modifizierte Brechungsindexbereich 15b aus AlGaN bestehen. Nachdem der modifizierte Brechungsindexbereich 15b durch Einbetten des Halbleiters in das Loch der Basisschicht 15a gebildet wurde, kann der mit dem modifizierten Brechungsindexbereich 15b identische Halbleiter als Führungsschicht 18 weiter darauf abgeschieden werden. Es ist zu beachten, dass, wenn der modifizierte Brechungsindexbereich 15b ein Loch ist, ein inertes Gas wie Argon und Stickstoff oder ein Gas wie Wasserstoff und Luft in dem Loch eingeschlossen werden kann.
  • Der Antireflexionsfilm 29 besteht beispielsweise aus einem dielektrischen Einschichtfilm wie Siliziumnitrid (z.B. SiN) oder Siliziumoxid (z.B. SiO2) oder einem dielektrischen Mehrschichtfilm. Als dielektrischer Mehrschichtfilm kann z.B. ein Film verwendet werden, in dem zwei oder mehr Arten dielektrischer Schichten aus einer Gruppe dielektrischer Schichten, ausgewählt aus Titanoxid (TiO2), Siliziumdioxid (SiO2), Siliziummonoxid (SiO), Nioboxid (Nb2O5), Tantalpentoxid (Ta2O5), Magnesiumfluorid (MgF2), Titanoxid (TiO2), Aluminiumoxid (Al2O3), Ceroxid (CeO2), Indiumoxid (In2O3) und Zirkonoxid (ZrO2), laminiert werden. Zum Beispiel wird im Falle eines dielektrischen Einschichtfilms ein Film mit einer Dicke von λ/4 einer optischen Filmdicke für Licht mit einer Wellenlänge λ laminiert. Der Schutzfilm 28 ist ein Isolierfilm wie Siliziumnitrid (z.B. SiN) oder Siliziumoxid (z.B. SiO2). Die Elektrode 26 hat eine laminierte Struktur aus z.B. Ti und A1. Die Elektrode 27 hat eine laminierte Struktur aus z.B. Ni und Au. Es ist zu beachten, dass die Materialien der Elektroden 26 und 27 nur zur Realisierung der ohmschen Kopplung benötigt werden und nicht auf diese Bereiche beschränkt sind.
  • Im Nachfolgenden werden die Effekte, die durch das oberflächenemittierende Laserelement 1A der vorliegenden Ausführungsform einschließlich der obigen Konfiguration erzielt werden, beschrieben. Dieses oberflächenemittierende Laserelement 1A umfasst die Schichten 16 und 17 mit hohem Brechungsindex, deren Brechungsindex höher ist als der der Mantelschicht 11, der Mantelschicht 13 und der photonischen Kristallschicht 15A. Die Schichten 16 und 17 mit hohem Brechungsindex sind jeweils in der Nähe der photonischen Kristallschicht 15A angeordnet, d.h. an einer Stelle zwischen der Mantelschicht 11 und der Mantelschicht 13, wo die photonische Kristallschicht 15A mit der aktiven Schicht 12 sandwichartig angeordnet ist, und zwischen der aktiven Schicht 12 und der photonischen Kristallschicht 15A. Die Schichten16 und 17 mit hohem Brechungsindex haben einen optischen Begrenzungskoeffizienten, der größer ist als der der umgebenden Schichten (die Mantelschicht 11, die Mantelschicht 13 und die photonische Kristallschicht 15A). Daher wird der optische Begrenzungskoeffizient der photonischen Kristallschicht 15A, die sich in der Nähe der Schichten 16 und 17 mit hohem Brechungsindex befindet, unter deren Einfluss ebenfalls groß. Entsprechend dem oberflächenemittierenden Laserelement 1A der vorliegenden Ausführungsform kann daher der optische Begrenzungskoeffizient der photonischen Kristallschicht 15A erhöht werden.
  • Im Fall eines Nitrid-Halbleiters, wenn mehrere Schichten mit unterschiedlichen Zusammensetzungen laminiert werden, treten Defekte aufgrund von Unterschieden in der Gitterkonstante und dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten im Vergleich zu typischen Verbindungshalbleitern wie Halbleitern auf GaAs Basis und InP Basis mit höherer Wahrscheinlichkeit auf. Insbesondere wenn versucht wird, eine dicke Schicht mit hohem Brechungsindex zu bilden, die aus einer einzigen Schicht besteht, ist es schwierig, eine Schichtstruktur von guter Qualität zu erhalten, da die Dehnung durch einen Unterschied in der Gitterkonstante mit dem Substratmaterial verursacht wird. Wenn die Schicht mit hohem Brechungsindex jedoch dünn gemacht wird, wird der Effekt der Erhöhung des optischen Begrenzungskoeffizienten der photonischen Kristallschicht 15A begrenzt. Daher umfasst in dem oberflächenemittierenden Laserelement 1A gemäß der vorliegenden Ausführungsform die Schicht 16 (17) mit hohem Brechungsindex eine Übergitterstruktur, in der zwei oder mehr Schichten 16a und 16b (17a und 17b) mit voneinander verschiedenen Brechungsindizes wiederholt laminiert werden. So kann durch abwechselndes Wachsen der Schicht mit einem großen Brechungsindex und der Schicht mit einem kleinen Brechungsindex die durch den Unterschied in der Gitterkonstante verursachte Dehnung zerstreut werden. Dadurch ist es möglich, die Schichten 16 und 17 mit hohem Brechungsindex mit einer insgesamt ausreichenden Dicke leicht zu realisieren und gleichzeitig durch Verzerrung verursachte Defekte zu reduzieren.
  • 9A ist eine Oberflächenfotografie einer GaN-Schicht, die durch Aufwachsen einer GaN-Schicht auf einem Saphir-Substrat, Aufwachsen einer In0,1GaN-Bulkschicht mit einer Dicke von 25 nm und einer GaN-Schicht (Abdeckschicht) mit einer Dicke von 40 nm auf der GaN-Schicht und ferner durch Erhöhen der Temperatur auf 1000°C oder höher vor dem Aufwachsen einer GaN-Schicht mit einer Dicke von 450 nm erhalten wurde. 9B ist eine Oberflächenfotografie einer GaN-Schicht, die durch Aufwachsen einer GaN-Schicht auf einem Saphir-Substrat, abwechselndes Laminieren einer In0,1GaN-Schicht mit einer Dicke von 2,5 nm und einer GaN-Schicht mit einer Dicke von 2,5 nm auf die GaN-Schicht für 10 Perioden zur Bildung einer Übergitterstruktur, Aufwachsen einer GaN-Schicht (Mantelschicht) mit einer Dicke von 40 nm und ferner durch Erhöhen der Temperatur auf 1000°C oder höher vor dem Aufwachsen einer GaN-Schicht mit einer Dicke von 450 nm erhalten wurde. Es ist zu beachten, dass die Kristallwachstumstemperatur der In0,1GaN-Bulkschicht und des In0,1GaN/GaN-Übergitters z.B. 750 bis 850°C beträgt. In beiden Fällen beträgt die Gesamtschichtdicke der InGaN-Schicht 25 nm, aber es zeigt sich, dass die Übergitterstruktur eine Verschlechterung der InGaN-Schicht verringert hat und ein hochqualitativer Kristall gebildet wurde.
  • Wie in der vorliegenden Ausführungsform gezeigt, können die Mantelschicht 11, die Mantelschicht 13 und die Basisschicht 15a eine GaN-Schicht oder eine AlGaN-Schicht sein, und mindestens eine der Schichten 16a und 17a der zwei oder mehr Schichten der Schichten 16 und 17 mit hohem Brechungsindex kann eine In enthaltende Nitrid-Halbleiterschicht sein. Aus diesem Grund können die Schichten 16 und 17 mit hohem Brechungsindex, die einen höheren Brechungsindex aufweisen als jeweils die Mantelschicht 11, die Mantelschicht 13 und die photonische Kristallschicht 15A, vorzugsweise realisiert werden. In diesem Fall können die Schichten 16a und 17a zusätzlich A1 enthalten. Je größer die Al-Zusammensetzung wird, desto niedriger wird der Brechungsindex der Schichten 16 und 17 mit hohem Brechungsindex. Je größer die Al-Zusammensetzung wird, desto größer wird jedoch die Bandlücke und die Lichtdurchlässigkeit kann erhöht werden. Darüber hinaus kann durch die Erhöhung der Al-Zusammensetzung die Gitterkonstante aufgrund der In-haltigen Nitrid-Halbleiterschicht verringert und nahe an die Gitterkonstante von GaN der Basisschicht 15a gebracht werden, wodurch ein Spannungsrelaxationseffekt zu erwarten ist.
  • Wie in der vorliegenden Ausführungsform gezeigt, weist die aktive Schicht 12 eine Mehrfachquantentopfstruktur auf, bei der Quantentopfschichten und Sperrschichten abwechselnd laminiert sind. Die Bandlücke der Schichten 16a und 17a kann breiter sein als die Bandlücke der Quantentopfschicht. In diesem Fall können die Schichten 16 und 17 mit hohem Brechungsindex effektiv arbeiten und gleichzeitig den Einfluss der aktiven Schicht 12 auf die Lichtemission unterdrücken. Zu diesem Zeitpunkt ist die Quantentopfschicht eine Nitrid-Halbleiterschicht mit In, und die In-Zusammensetzung der Schichten 16a und 17a kann kleiner sein als die In-Zusammensetzung der Quantentopfschicht. Eine solche Konfiguration erlaubt es zum Beispiel, die Bandlücke der Schichten 16a und 17a breiter zu machen als die Bandlücke der Quantentopfschicht.
  • Wie in der vorliegenden Ausführungsform gezeigt, kann die In-Zusammensetzung der Schichten 16a und 17a 2% oder mehr betragen. Dadurch können die Brechungsindizes der Schichten 16 und 17 mit hohem Brechungsindex gegenüber dem Brechungsindex der Umgebung ausreichend erhöht und der optische Begrenzungskoeffizient der photonischen Kristallschicht 15A erhöht werden.
  • (Erste Modifikation)
  • 10 zeigt schematisch eine Querschnittskonfiguration des oberflächenemittierenden Laserelements 1B gemäß der ersten Modifikation der obigen Darstellung. Der Unterschied zwischen dieser ersten Modifikation und der zuvor beschriebenen Ausführungsform ist die Anzahl der Schichten der Schicht mit hohem Brechungsindex. Das heißt, das oberflächenemittierende Laserelement 1B gemäß der ersten Modifikation enthält die Schicht 17 mit hohem Brechungsindex, aber nicht die Schicht 16 mit hohem Brechungsindex. Mit anderen Worten, die Schicht mit hohem Brechungsindex ist nur zwischen der Mantelschicht 13 und der photonischen Kristallschicht 15A vorgesehen, und die Schicht mit hohem Brechungsindex ist nicht zwischen der aktiven Schicht 12 und der photonischen Kristallschicht 15A angeordnet. In diesem Fall dient die aktive Schicht 12 auch als Schicht mit hohem Brechungsindex. Die aktive Schicht 12 (insbesondere die Quantentopfschicht) hat eine hohe In-Zusammensetzung. Daher ist der Brechungsindex der aktiven Schicht 12 ausreichend größer als der Brechungsindex der umgebenden Schichten (der Mantelschicht 11 und der photonischen Kristallschicht 15A). Daher ist der optische Begrenzungskoeffizient der aktiven Schicht 12 groß, und aufgrund seines Einflusses wird auch der optische Begrenzungskoeffizient der photonischen Kristallschicht 15A groß. Selbst wenn also die Schicht mit hohem Brechungsindex zwischen der aktiven Schicht 12 und der photonischen Kristallschicht 15A wie in dieser ersten Modifikation weggelassen wird, können die gleichen Effekte wie in der obigen Ausführungsform erzielt werden.
  • 11 zeigt eine Modifikation einer Konfiguration (siehe 3), bei der sich die aktive Schicht 12 zwischen der photonischen Kristallschicht 15A und der Mantelschicht 13 befindet. In diesem Fall wird die Schicht 16 mit hohem Brechungsindex zwischen der aktiven Schicht 12 und der photonischen Kristallschicht 15A weggelassen, und die Schicht mit hohem Brechungsindex ist nur zwischen der Mantelschicht 11 und der photonischen Kristallschicht 15A vorgesehen. Mit einer solchen Konfiguration können auch die ähnlichen Effekte wie bei der zuvor beschriebenen Ausführungsform erzielt werden.
  • Es ist zu beachten, dass die Anordnung der Schicht mit hohem Brechungsindex nicht auf die zuvor beschriebene Ausführungsform und diese erste Modifikation beschränkt ist. Zum Beispiel kann die Schicht mit hohem Brechungsindex nur zwischen der aktiven Schicht 12 und der photonischen Kristallschicht 15A vorgesehen werden.
  • (Zweite Modifikation)
  • 12 zeigt schematisch eine Querschnittskonfiguration eines oberflächenemittierenden Laserelements 1C gemäß der zweiten Modifikation der zuvor beschriebenen Ausführungsform. Der Unterschied zwischen dieser zweiten Modifikation und der zuvor beschriebenen Ausführungsform ist die Anzahl der aktiven Schichten. Das heißt, das oberflächenemittierende Laserelement 1C gemäß der zweiten Modifikation enthält zusätzlich zu der in 2 dargestellten aktiven Schicht 12Aeine weitere aktive Schicht 12A. Die aktive Schicht 12A befindet sich z.B. zwischen der Schicht 17 mit hohem Brechungsindex und der Mantelschicht 13. Der innere Aufbau der aktiven Schicht 12A ist der gleiche wie der der aktiven Schicht 12. Bei einer solchen Konfiguration wird die aktive Schicht 12A mit einem ausreichend großen optischen Begrenzungskoeffizienten in der Nähe der Schicht 17 mit hohem Brechungsindex vorgesehen. Daher kann auch diese zweite Modifikation die Effekte der obigen Ausführungsform bemerkenswerter erreichen.
  • (Dritte Modifikation)
  • 13 zeigt schematisch eine Querschnittskonfiguration eines oberflächenemittierenden Laserelements 1D gemäß der dritten Modifikation der zuvor beschriebenen Ausführungsform. In dieser dritten Modifikation werden ferner die Schichten 16 und 17 mit hohem Brechungsindex gegenüber denen der zweiten Modifikation weggelassen. Das heißt, das oberflächenemittierende Laserelement 1D enthält keine der Schichten 16 und 17 mit hohem Brechungsindex, und zwischen der Mantelschicht 11 und der photonischen Kristallschicht 15A sowie zwischen der Mantelschicht 13 und der photonischen Kristallschicht 15A ist außer den aktiven Schichten 12 und 12A keine weitere Schicht mit hohem Brechungsindex vorgesehen. In diesem Fall spielen die aktiven Schichten 12 und 12A eine Rolle der Schichten 16 und 17 mit hohem Brechungsindex. Das heißt, die photonische Kristallschicht 15A wird von den aktiven Schichten 12 und 12A mit ausreichend großen optischen Begrenzungskoeffizienten eingeschlossen. Daher kann auch diese dritte Modifikation die ähnlichen Effekte wie die zuvor beschriebene Ausführungsform erzielen.
  • (Zweite Ausführungsform)
  • Während in der zuvor beschriebenen Ausführungsform (erste Ausführungsform) das oberflächenemittierende Laserelement 1A beschrieben wurde, das ein PCSEL ist, ist die lichtemittierende Vorrichtung der vorliegenden Erfindung nicht auf einen PCSEL beschränkt, sondern kann aus verschiedenen oberflächenemittierenden Laserelementen bestehen. Beispielsweise wurde ein oberflächenemittierendes Laserelement untersucht, das ein beliebiges optisches Bild durch Steuerung eines Phasenspektrums und eines Intensitätsspektrums des von einer Vielzahl von zweidimensional angeordneten lichtemittierenden Punkten ausgegebenen Lichts ausgibt. Ein solches oberflächenemittierendes Laserelement wird als statisch-integrierbarer phasenmodulierender (S-iPM) Laser bezeichnet und gibt ein zweidimensionales optisches Bild beliebiger Form sowohl entlang der Normalrichtung der Hauptfläche des Halbleitersubstrats als auch entlang der Neigungsrichtung, die die Normalrichtung schneidet, aus.
  • 14 ist eine Draufsicht auf eine Phasenmodulationsschicht 15B, die im S-iPM-Laser enthalten ist. Das oberflächenemittierende Laserelement 1A jeder der zuvor beschriebenen Ausführungsformen und Modifikationen kann die in 14 gezeigte Phasenmodulationsschicht 15B anstelle der photonischen Kristallschicht 15A enthalten (siehe 4). Dadurch kann das oberflächenemittierende Laserelement 1A als S-iPM-Laser fungieren. Die Phasenmodulationsschicht 15B ist in dieser zweiten Ausführungsform eine Resonanzmodenbildungsschicht. Es ist zu beachten, dass das oberflächenemittierende Laserelement 1A bis auf die Phasenmodulationsschicht 15B die gleiche Konfiguration wie die erste Ausführungsform aufweist, weshalb auf eine detaillierte Beschreibung derselben verzichtet wird.
  • Die Phasenmodulationsschicht 15B umfasst die Basisschicht 15a, die aus dem ersten Brechungsindexmedium besteht, und den modifizierten Brechungsindexbereich 15b, der aus dem zweiten Brechungsindexmedium mit einem Brechungsindex besteht, der sich von dem des ersten Brechungsindexmediums unterscheidet. Hier wird angenommen, dass auf der Entwurfsfläche der Phasenmodulationsschicht 15B, die mit der X-Y-Ebene zusammenfällt, ein virtuelles quadratisches Gitter festgelegt ist. Es wird angenommen, dass eine Seite des Quadratgitters parallel zur X-Achse und die andere Seite parallel zur Y-Achse verläuft. Dabei kann ein quadratischer Einheitskomponentenbereich R, der auf einem Gitterpunkt O des Quadratgitters zentriert ist, zweidimensional über eine Vielzahl von Spalten entlang der X-Achse und eine Vielzahl von Reihen entlang der Y-Achse eingestellt werden. Die Vielzahl der modifizierten Brechungsindexbereiche 15b sind nacheinander in jedem Einheitskomponentenbereich R vorgesehen. Die planare Form des modifizierten Brechungsindexbereichs 15b ist z.B. kreisförmig. In der Einheitskomponentenbereich R (x, y) ist der Schwerpunkt G des modifizierten Brechungsindexbereichs 15b von dem Gitterpunkt O (x, y) entfernt angeordnet, der sich in der Mitte des Einheitskomponentenbereichs R (x, y) befindet.
  • Es wird angenommen, dass, wie in 15 gezeigt, im Einheitskomponentenbereich R (x, y), der durch eine zur X-Achse parallele s-Achse und eine zur Y-Achse parallele t-Achse definiert ist, ein Winkel, der durch eine Richtung vom Gitterpunkt O (x, y) entsprechend dem Ursprung des s-t Koordinatensystems in der Einheitskomponentenbereich R (x, y) zum Schwerpunkt G und zur s-Achse gebildet wird, φ (x, y) ist. Wenn ein Drehwinkel φ 0° beträgt, fällt die Richtung des Vektors, der den Gitterpunkt O (x, y) und den Schwerpunkt G verbindet, mit der positiven X-Achsenrichtung zusammen. Die Länge des Vektors, der den Gitterpunkt O (x, y) und den Schwerpunkt G verbindet, sei r (x, y). In einem Beispiel ist r (x, y) über die gesamte Phasenmodulationsschicht 15B konstant.
  • Wie in 14 gezeigt, wird in der Phasenmodulationsschicht 15B der Drehwinkel φ um den Gitterpunkt O des Schwerpunkts G des modifizierten Brechungsindexbereichs 15b unabhängig für jeden Einheitskomponentenbereich R (x, y) entsprechend einem gewünschten optischen Bild eingestellt. Die Drehwinkelverteilung φ (x, y) hat einen konkreten Wert für jeden Einheitskomponentenbereich R (x, y), wird aber nicht unbedingt durch eine konkrete Funktion ausgedrückt. Das heißt, die Drehwinkelverteilung φ (x, y) wird aus einer Phasenverteilung bestimmt, die in einer komplexen Amplitudenverteilung enthalten ist, die durch Ausführen einer inversen Fourier-Transformation an einem gewünschten optischen Bild erhalten wird. Es ist zu beachten, dass, wenn die komplexe Amplitudenverteilung aus dem gewünschten optischen Bild erhalten wird, die Reproduzierbarkeit des Ausgangsstrahlmusters (Strahlprojektionsmuster) durch Anwendung eines Wiederholungsalgorithmus wie der Gerchberg-Saxton (GS)-Methode verbessert wird, die zum Zeitpunkt der Berechnung der Hologramm-Erzeugung üblicherweise verwendet wird.
  • Gemäß der zweiten Ausführungsform tritt das von der aktiven Schicht 12 ausgegebene Laserlicht in das Innere der Phasenmodulationsschicht 15B ein, während es zwischen der Mantelschicht 11 und der Mantelschicht 13 eingeschlossen ist, und bildet eine vorbestimmte Mode, die der Gitterstruktur innerhalb der Phasenmodulationsschicht 15B entspricht. Das in der Phasenmodulationsschicht 15B gestreute Laserlicht L1 wird von der Rückfläche 10b des Halbleitersubstrats 10 nach außen abgegeben. Zu diesem Zeitpunkt wird das Licht nullter Ordnung entlang der Normalrichtung der Hauptfläche 10a ausgegeben. Auf der anderen Seite werden das Licht +1. Ordnung und das Licht -1. Ordnung in jeder Richtung ausgegeben, einschließlich der Normalrichtung der Hauptfläche 10a und der Neigungsrichtung, die die Normalrichtung schneidet.
  • 16 ist ein Diagramm zur Erläuterung eines Zusammenhangs zwischen einem optischen Bild, das durch Bildung eines Ausgangsstrahlmusters (Strahlprojektionsmuster) des oberflächenemittierenden Laserelements gemäß der zweiten Ausführungsform erhalten wird, und der Drehwinkelverteilung φ (x, y) in der Phasenmodulationsschicht 15B. Es ist zu beachten, dass ein Mittelpunkt Q des Ausgangsstrahlmusters auf einer Achse entlang der Normalrichtung der Hauptfläche 10a des Halbleitersubstrats 10 liegt, und 16 zeigt ein kx-ky-Koordinatensystem (vier Quadranten) mit dem Mittelpunkt Q als Ursprung. Als Beispiel zeigt 16 einen Fall, in dem optische Bilder im ersten Quadranten und im dritten Quadranten erhalten werden, wobei auch Bilder im zweiten Quadranten und im vierten Quadranten oder in allen Quadranten erhalten werden können. In dieser zweiten Ausführungsform wird, wie in 16 gezeigt, ein optisches Bild, das in Bezug auf den Ursprung punktsymmetrisch ist, erhalten. 16 zeigt als Beispiel einen Fall, in dem der Buchstabe „A“ als gebeugtes Licht der +1. Ordnung im dritten Quadranten erhalten wird und ein Muster mit dem um 180° gedrehten Buchstaben „A“ als gebeugtes Licht der -1. Ordnung im ersten Quadranten erhalten wird. Es ist zu beachten, dass im Falle eines rotationssymmetrischen optischen Bildes (z.B. Kreuz, Kreis, Doppelkreis usw.) diese als ein optisches Bild betrachtet werden, in dem sie sich überlappen.
  • Das optische Bild des Ausgangsstrahlmusters, das von dem oberflächenemittierenden Laserelement gemäß der zweiten Ausführungsform ausgegeben wird, enthält mindestens einen Punkt, eine Gerade, ein Kreuz, eine Strichzeichnung, ein Gittermuster, eine Fotografie, ein Streifenmuster, Computergrafik (CG) und ein Zeichen. Um hier ein gewünschtes optisches Bild zu erhalten, wird die Drehwinkelverteilung φ (x, y) des modifizierten Brechungsindexbereichs 15b der Phasenmodulationsschicht 15B durch das folgende Verfahren bestimmt.
  • Zunächst wird als erste Voraussetzung in dem orthogonalen XYZ-Koordinatensystem, das durch die Z-Achse, die mit der Normalrichtung zusammenfällt, und die X-Y-Ebene, die mit einer Oberfläche der Phasenmodulationsschicht 15B zusammenfällt, definiert ist, die mehrere modifizierten Brechungsindexbereiche 15b enthält und die X-Achse und die Y-Achse orthogonal zueinander enthält, ein virtuelles quadratisches Gitter auf der X-Y-Ebene festgelegt, das aus M1 (ganze Zahl von 1 oder mehr) × N1 (ganze Zahl von 1 oder mehr) Einheitskomponentenbereichen R besteht, die jeweils eine quadratische Form aufweisen.
  • Als zweite Voraussetzung wird angenommen, dass die Koordinaten (ξ, η, ζ) im orthogonalen XYZ-Koordinatensystem die durch die folgenden Formeln (1) bis (3) gezeigte Beziehung in Bezug auf sphärische Koordinaten (r, θrot, θtilt) erfüllen, die durch eine Bewegungsradiuslänge r, einen Neigungswinkel θtilt von der Z-Achse und einen Drehwinkel θrot von der X-Achse definiert sind, die in der X-Y-Ebene angegeben sind, wie in 17 gezeigt. Es ist zu beachten, dass 17 ein Diagramm zur Erläuterung der Koordinatentransformation von den sphärischen Koordinaten (r, θrot, θtilt) zu den Koordinaten (ξ, η, ζ) im orthogonalen XYZ-Koordinatensystem ist, in dem die Koordinaten (ξ, η, ζ) ein optisches Entwurfsbild auf einer vorbestimmten Ebene ausdrücken, die im orthogonalen XYZ-Koordinatensystem festgelegt ist, das ein realer Raum ist. Wenn das Strahlprojektionsmuster, das dem vom oberflächenemittierenden Laserelement ausgegebenen optischen Bild entspricht, ein Satz heller Punkte ist, die in die durch die Winkel θtilt und θrot definierte Richtung orientiert sind, wird angenommen, dass die Winkel θtiit und θrot in den Koordinatenwert kx auf der Kx-Achse, der eine durch die folgende Formel (4) definierte normierte Wellenzahl ist und der X-Achse entspricht, und den Koordinatenwert ky auf der Ky-Achse, der eine durch die folgende Formel (5) definierte normierte Wellenzahl ist, der Y-Achse entspricht und orthogonal zur Kx-Achse ist, umgewandelt werden. Die normierte Wellenzahl bedeutet eine Wellenzahl, die mit der Wellenzahl normiert ist, die dem Gitterabstand eines virtuellen Rechteckgitters von 1,0 entspricht. Zu diesem Zeitpunkt wird in dem durch die Kx-Achse und die Ky-Achse definierten Wellenzahlraum ein konkreter Wellenzahlbereich einschließlich des Strahlmusters, das einem optischen Bild entspricht, aus M2 (ganze Zahl von 1 oder mehr) × N2 (ganze Zahl von 1 oder mehr) Bildbereichen FR gebildet, die jeweils eine quadratische Form aufweisen. Es ist zu beachten, dass die ganze Zahl M2 nicht unbedingt mit der ganzen Zahl M1 übereinstimmt. In ähnlicher Weise stimmt auch die ganze Zahl N2 nicht notwendigerweise mit der ganzen Zahl N1 überein. Die Formeln (4) und (5) sind z.B. in dem oben erwähnten Nichtpatentdokument 1 offenbart. ξ = r  sin θ t i l t  cos θ r o t
    Figure DE112019003083T5_0001
     η = r  sin θ t i l t  sin θ r o t
    Figure DE112019003083T5_0002
     ζ = r  cos θ t i l t
    Figure DE112019003083T5_0003
     k x = α λ sin θ t i l t  cos θ r o t
    Figure DE112019003083T5_0004
     k y = α λ sin θ t i l t  sin θ r o t
    Figure DE112019003083T5_0005
    • a: Gitterkonstante eines virtuellen Quadratgitters
    • λ: Oszillationswellenlänge
  • Als dritte Voraussetzung wird eine komplexe Amplitude F (x, y), die dadurch erhalten wird, dass jeder der Bildbereiche FR (kx, ky), der durch eine Koordinatenkomponente kx (ganze Zahl von 0 oder mehr und M2-1 oder weniger) in Kx-Achsenrichtung und eine Koordinatenkomponente ky (ganze Zahl von 0 oder mehr und N2-1 oder weniger) in Ky-Achsenrichtung im Wellenzahlraum spezifiziert ist, der zweidimensionalen inversen diskreten Fourier-Transformation in den Einheitskomponentenbereich R (x, y) auf der X-Y-Ebene unterzogen wird, die durch die Koordinatenkomponente x (ganze Zahl von 0 oder mehr und M1-1 oder weniger) in X-Achsenrichtung und die Koordinatenkomponente y (ganze Zahl von 0 oder mehr und N1-1 oder weniger) in Y-Achsenrichtung angegeben wird, durch die folgende Formel (6) angegeben, wobei j eine imaginäre Einheit ist. Wenn der Amplitudenterm A (x, y) und der Phasenterm P (x, y) ist, wird die komplexe Amplitude F (x, y) durch die folgende Formel (7) definiert. Darüber hinaus wird als vierte Voraussetzung der Einheitskomponentenbereich R (x, y) durch die s-Achse und die t-Achse definiert, die parallel zur X-Achse bzw. zur Y-Achse und orthogonal zueinander am Gitterpunkt O (x, y) liegen, der als Mittelpunkt des Einheitskomponentenbereichs R (x, y) dient. F ( x , y ) = ∑ k x = 0 M 2 − 1 ∑ k y = 0 N 2 − 1 F R ( k x , k y ) exp [ j 2 π ( k x M 2 x + k y N 2 y ) ]
    Figure DE112019003083T5_0006
     F ( x , y ) = A ( x , y ) × exp [ j P ( x , y ) ]
    Figure DE112019003083T5_0007
  • Unter den oben genannten ersten bis vierten Voraussetzungen ist die Phasenmodulationsschicht 15B so konfiguriert, dass sie die folgenden ersten und zweiten Voraussetzungen erfüllt. Das heißt, die erste Bedingung ist, dass der Schwerpunkt G im Einheitskomponentenbereich R (x, y) in einem vom Gitterpunkt O (x, y) entfernten Zustand angeordnet ist. Die zweite Bedingung ist, dass in einem Zustand, in dem die Linienlänge r (x, y) vom Gitterpunkt O (x, y) zum entsprechenden Schwerpunkt G in jedem der M1 × N1-Einheitskomponentenbereiche R auf einen gemeinsamen Wert gesetzt ist, der entsprechende modifizierte Brechungsindexbereich 15b in den Einheitskomponentenbereichen R (x, y) so angeordnet ist, dass der Winkel φ (x, y), der durch das Liniensegment gebildet wird, das den Gitterpunkt O (x, y) und den entsprechenden Schwerpunkt G verbindet, und die s-Achse die folgende Beziehung erfüllen: φ ( x , y ) = C × P ( x , y ) + B
    Figure DE112019003083T5_0008
    • C: Proportionale Konstante, z.B. 180°/π
    • B: Beliebige Konstante, z.B. 0.
  • 18 ist eine Draufsicht, die ein Beispiel zeigt, bei dem die Brechungsindexstruktur von 14 nur in einem bestimmten Bereich der Phasenmodulationsschicht angewendet wird. Im Beispiel von 18 wird eine Brechungsindexstruktur (z.B.: Struktur von 14) zur Ausgabe eines Zielstrahlprojektionsmusters innerhalb des inneren Bereichs RIN des Quadrats gebildet. Andererseits wird in einem äußeren Bereich ROUT, der den inneren Bereich RIN umgibt, ein perfekt kreisförmiger modifizierter Brechungsindexbereich angeordnet, dessen Schwerpunkt mit der Gitterpunktposition des Quadratgitters zusammenfällt. Zum Beispiel wird der Füllfaktor FF im äußeren Bereich ROUT auf 12% gesetzt. Im inneren Bereich RIN und im äußeren Bereich ROUT sind die Gitterabstände der virtuell eingestellten Quadratgitter identisch (= a). Diese Struktur hat den Vorteil, dass das Licht auch im äußeren Bereich ROUT verteilt wird, so dass es möglich ist, das Auftreten von hochfrequentem Rauschen (sog. Fensterfunktionsrauschen) zu unterdrücken, das durch eine plötzliche Änderung der Lichtintensität an der Peripherie des inneren Bereichs RIN verursacht wird. Darüber hinaus können Lichtleckagen in Richtung in der Ebene unterdrückt werden, und es ist eine Verringerung des Schwellenstroms zu erwarten.
  • Als Verfahren zur Gewinnung der Intensitätsverteilung und der Phasenverteilung aus der komplexen Amplitudenverteilung, die z. B. durch die inverse Fourier-Transformation erhalten wird, kann eine Intensitäts- (Amplituden-) Verteilung I (x, y) unter Verwendung der abs-Funktion von „MATLAB“, einer numerischen Analysesoftware von MathWorks, Inc., und die Phasenverteilung P (x, y) unter Verwendung der Winkelfunktion von MATLAB berechnet werden.
  • Hier wird auf einen Fall aufmerksam gemacht, in dem eine allgemeine diskrete Fourier-Transformation (oder schnelle Fourier-Transformation) zur Berechnung verwendet wird, wenn die Drehwinkelverteilung φ (x, y) aus dem Ergebnis der inversen Fourier-Transformation des optischen Bildes erhalten und die Anordnung jedes modifizierten Brechungsindexbereichs 15b bestimmt wird. Ein Ausgangsstrahlmuster, das aus der komplexen Amplitudenverteilung berechnet wird, die durch die inverse Fourier-Transformation von 19A erhalten wird, und das ein gewünschtes optisches Bild ist, wird wie in 19B dargestellt. Bei Unterteilung in vier Quadranten von A1, A2, A3 und A4, wie in 19A und 19B gezeigt, erscheint im ersten Quadranten des Ausgangsstrahlmusters von 19B ein Muster, in dem sich das durch Drehung des Musters im ersten Quadranten in 19A um 180 Grad erhaltene Muster und das Muster im dritten Quadranten in 19A überlagern. Im zweiten Quadranten des Strahlmusters erscheint ein Muster, in dem sich das durch Drehung des Musters im zweiten Quadranten in 19A um 180 Grad erhaltene Muster und das Muster im vierten Quadranten in 19A überlagern. Im dritten Quadranten des Strahlmusters erscheint ein Muster, bei dem sich das durch Drehung des Musters im dritten Quadranten in 19A um 180 Grad erhaltene Muster und das Muster im ersten Quadranten in 19A überlagern. Im vierten Quadranten des Strahlmusters erscheint ein Muster, bei dem sich das durch Drehung des Musters im vierten Quadranten in 19A um 180 Grad erhaltene Muster und das Muster im zweiten Quadranten in 19A überlagern. Zu diesem Zeitpunkt ist das um 180 Grad gedrehte Muster ein Muster, das durch die Lichtkomponente der -1. Ordnung gebildet wird.
  • Wenn daher ein Muster, das einen Wert nur im ersten Quadranten hat, vor der inversen Fourier-Transformation als optisches Bild (ursprüngliches optisches Bild) verwendet wird, erscheint der erste Quadrant des ursprünglichen optischen Bildes im dritten Quadranten des resultierenden Strahlprojektionsmusters, und ein Muster, bei dem das Muster im ersten Quadranten des ursprünglichen optischen Bildes um 180 Grad gedreht ist, erscheint im ersten Quadranten des resultierenden Strahlprojektionsmusters.
  • 20Abis 20D zeigen Beispiele von Strahlprojektionsmustern (optische Bilder), die von S-iPM-Lasern auf GaAs Basis im nahen Infrarot-Wellenlängenbereich ausgegeben werden, wobei das gleiche Prinzip wie bei der zweiten Ausführungsform verwendet wird. Die Mitte jeder Figur entspricht der Achse (Z-Achse), die senkrecht zur Hauptfläche 10a des Halbleitersubstrats 10 steht. Wie in diesen Figuren gezeigt, gibt das oberflächenemittierende Laserelement Licht +1. Ordnung, das in einer ersten Richtung ausgegeben wird, die in Bezug auf die Achse geneigt ist und einen ersten optischen Bildabschnitt B1 enthält, Licht -1. Ordnung, das in einer zweiten Richtung ausgegeben wird, die in Bezug auf die Achse symmetrisch zur ersten Richtung ist und einen zweiten optischen Bildteil B2 enthält, der in Bezug auf die Achse rotationssymmetrisch zum ersten optischen Bildteil B1 ist, und Licht nullter Ordnung B3, das sich auf der Achse ausbreitet, aus.
  • Wie zuvor beschrieben, haben in der Phasenmodulationsschicht 15B die Schwerpunkte G der Vielzahl der modifizierten Brechungsindexbereiche 15b einen Drehwinkel, der für jeden modifizierten Brechungsindexbereich 15b um den Gitterpunkt O des virtuellen Quadratgitters herum festgelegt ist. In einem solchen Fall wird im Vergleich zu dem Fall, in dem sich die Schwerpunkte G der Vielzahl von modifizierten Brechungsindexbereichen 15b auf dem Gitterpunkt O des Quadratgitters (erste Ausführungsform) befinden, die Lichtintensität von Licht (Licht nullter Ordnung B3), das in der Richtung senkrecht zur Hauptfläche 10a des Halbleitersubstrats 10 ausgegeben wird, verringert und die Lichtintensität von Licht höherer Ordnung (z.B. Licht + 1. Ordnung und Licht -1. Ordnung), das in der in Bezug auf die Richtung geneigten Richtung ausgegeben wird, erhöht. Da außerdem der Schwerpunkt G jedes modifizierten Brechungsindexbereichs 15b einen Drehwinkel hat, der dem optischen Bild entspricht, kann die Phase des Lichts für jeden modifizierten Brechungsindexbereich 15b moduliert werden. Daher ist es gemäß diesem oberflächenemittierenden Laserelement möglich, ein optisches Bild beliebiger Form in einer Richtung auszugeben, die in Bezug auf eine Richtung senkrecht zur Hauptfläche 10a des Halbleitersubstrats 10 geneigt ist.
  • Das oberflächenemittierende Laserelement der zweiten Ausführungsform enthält, ähnlich wie die erste Ausführungsform, die erste Modifikation oder die zweite Modifikation, wobei beide oder eine der Schichten 16 und 17 mit hohem Brechungsindex (siehe 2 und 3) einen höheren Brechungsindex aufweisen als die Mantelschichten 11 und 13 und die Phasenmodulationsschicht 15B. Die Schichten 16 und 17 mit hohem Brechungsindex sind jeweils in der Nähe der Phasenmodulationsschicht 15B vorgesehen, d.h. an einer Stelle zwischen der Mantelschicht 11 und der Mantelschicht 13, wo die Phasenmodulationsschicht 15B mit der aktiven Schicht 12 sandwichartig angeordnet ist, und zwischen der aktiven Schicht 12 und der Phasenmodulationsschicht 15B. Da die Schichten 16 und 17 mit hohem Brechungsindex einen größeren optischen Begrenzungskoeffizienten aufweisen als die umgebenden Schichten, wird der optische Begrenzungskoeffizient der Phasenmodulationsschicht 15B, die sich in der Nähe der Schichten 16 und 17 mit hohem Brechungsindex befindet, unter deren Einfluss ebenfalls groß. Entsprechend dem oberflächenemittierenden Laserelement der zweiten Ausführungsform kann daher der optische Begrenzungskoeffizient der Phasenmodulationsschicht 15B (d.h. der Schicht, die den Resonanzmodus bildet) erhöht werden. Auch bei dem oberflächenemittierenden Laserelement hat die Schicht 16 (17) mit hohem Brechungsindex eine Übergitterstruktur, in der zwei oder mehr Schichten 16a und 16b (17a und 17b) mit voneinander verschiedenen Brechungsindizes wiederholt laminiert sind. Dadurch kann die durch den Unterschied in der Gitterkonstante verursachte Dehnung zerstreut werden. Das heißt, es ist leicht möglich, die Schichten 16 und 17 mit hohem Brechungsindex mit einer insgesamt ausreichenden Dicke zu realisieren und gleichzeitig die durch Verzerrung verursachten Defekte zu reduzieren.
  • (Dritte Ausführungsform)
  • Der S-iPM-Laser ist nicht auf die zuvor beschriebene Konfiguration der zweiten Ausführungsform beschränkt. Beispielsweise kann auch die Konfiguration der Phasenmodulationsschicht der dritten Ausführungsform den S-iPM-Laser vorzugsweise realisieren. 21 ist eine Draufsicht auf die im S-iPM Laser enthaltene Phasenmodulationsschicht 15C. 22 ist ein Diagramm, das die Positionsbeziehung des modifizierten Brechungsindexbereichs 15b in der Phasenmodulationsschicht 15C zeigt. Die Phasenmodulationsschicht 15C ist eine Resonanzmodenbildungsschicht in der vorliegenden dritten Ausführungsform. Wie in 21 und 22 dargestellt, ist in der Phasenmodulationsschicht 15C der Schwerpunkt G jeder modifizierten Brechungsindexregion 15b auf der Geraden D angeordnet. Die Gerade D ist eine Gerade, die durch den entsprechenden Gitterpunkt O jeder Einheitskomponentenbereich R verläuft und in Bezug auf jede Seite des Quadratgitters geneigt ist. Mit anderen Worten, die Gerade D ist eine Gerade, die sowohl in Bezug auf die s-Achse (die zur X-Achse parallele Achse) als auch auf die t-Achse (die zur Y-Achse parallele Achse) geneigt ist, die das Koordinatensystem der Einheitskomponentenbereich R(x, y) definieren. Der Neigungswinkel der Geraden D in Bezug auf eine Seite des Quadratgitters (die positive Richtung der s-Achse) ist θ. Der Neigungswinkel θ ist in der Phasenmodulationsschicht 15C konstant. Der Neigungswinkel θ erfüllt 0° < θ < 90°, und θ = 45° in einem Beispiel. Alternativ erfüllt der Neigungswinkel θ 180° < θ < 270°, und θ = 225° in einem Beispiel. Wenn der Neigungswinkel θ 0° < θ < 90° oder 180° < θ < 270° erfüllt, erstreckt sich die Gerade D vom ersten Quadranten bis zum dritten Quadranten der durch die s-Achse und die t-Achse definierten Koordinatenebene. Alternativ erfüllt der Neigungswinkel θ 90° < θ < 180°, und θ = 135° in einem Beispiel. Alternativ erfüllt der Neigungswinkel θ in einem Beispiel die Bedingungen 270° < θ < 360° und θ = 315°. Wenn der Neigungswinkel θ 90° < θ < 180° oder 270° < θ < 360° erfüllt, erstreckt sich die Linie D vom zweiten Quadranten bis zum vierten Quadranten der durch die s-Achse und die t-Achse definierten Koordinatenebene. Somit ist der Neigungswinkel θ ein Winkel, der 0°, 90°, 180° und 270° ausschließt. Durch die Einstellung des Neigungswinkels θ ist es wie zuvor beschrieben möglich, sowohl die in X-Achsenrichtung als auch die in Y-Achsenrichtung wandernde Lichtwelle dazu zu veranlassen, zum Ausgangsstrahl beizutragen. Hier sei der Abstand zwischen dem Gitterpunkt O und dem Schwerpunkt G r (x, y). x bezeichnet die Position des x-ten Gitterpunktes auf der X-Achse und y die Position des y-ten Gitterpunktes auf der Y-Achse. Wenn der Abstand r (x, y) ein positiver Wert ist, befindet sich der Schwerpunkt G im ersten Quadranten (oder im zweiten Quadranten). Wenn der Abstand r (x, y) ein negativer Wert ist, befindet sich der Schwerpunkt G im dritten Quadranten (oder im vierten Quadranten). Wenn der Abstand r (x, y) 0 ist, fallen der Gitterpunkt O und der Schwerpunkt G zusammen.
  • Der Abstand r (x, y) zwischen dem Schwerpunkt G jedes modifizierten Brechungsindexbereichs und dem Gitterpunkt O (x, y), der sich im Mittelpunkt (Ursprung des s-t Koordinatensystems) jedes in 21 gezeigten Einheitskomponentenbereichs R (x, y) befindet, wird individuell für jeden modifizierten Brechungsindexbereich 15b gemäß einem gewünschten optischen Bild eingestellt. Die Verteilung des Abstands r (x, y) hat einen konkreten Wert für jeden Einheitskomponentenbereich R (x, y), der durch die Werte der Koordinatenwerte x und y bestimmt wird, aber nicht unbedingt durch eine konkrete Funktion dargestellt wird. Die Verteilung des Abstands r (x, y) wird aus einer Phasenverteilung bestimmt, die in einer komplexen Amplitudenverteilung enthalten ist, die durch Ausführen einer inversen Fourier-Transformation an einem gewünschten optischen Bild erhalten wird. Das heißt, wie in 22 gezeigt, wird der Abstand r (x, y) auf 0 gesetzt, wenn die Phase P (x, y) in einem bestimmten Einheitskomponentenbereich R (x, y) P0 ist. Wenn die Phase P (x, y) π + P0 ist, wird der Abstand r (x, y) auf den Maximalwert R0 gesetzt. Wenn die Phase P (x, y) -π + P0 ist, wird der Abstand r (x, y) auf den Minimalwert -R0 gesetzt. Dann wird für eine Zwischenphase P (x, y) der Abstand r (x, y) so angegeben, dass r (x, y) = {P (x, y) - P0} × R0/π ist wahr. Hier kann die Anfangsphase P0 beliebig eingestellt werden. Unter der Annahme, dass der Gitterabstand des Quadratgitters a ist, liegt der Maximalwert R0 von r (x, y) z.B. im Bereich von 0 ≤ R 0 ≤ a 2
    Figure DE112019003083T5_0009
  • Es sollte beachtet werden, dass, wenn die komplexe Amplitudenverteilung aus dem gewünschten optischen Bild erhalten wird, die Reproduzierbarkeit des Strahlprojektionsmusters durch die Anwendung eines Wiederholungsalgorithmus wie der Gerchberg-Saxton (GS)-Methode verbessert wird, die zum Zeitpunkt der Berechnung der Hologramm-Erzeugung üblicherweise verwendet wird.
  • In dieser dritten Ausführungsform kann ein gewünschtes optisches Bild erhalten werden, indem die Verteilung des Abstands r (x, y) des modifizierten Brechungsindexbereichs 15b der Phasenmodulationsschicht 15C nach folgendem Verfahren bestimmt wird. Das heißt, unter den zuvor beschriebenen ersten bis vierten Voraussetzungen, die in der zweiten Ausführungsform beschrieben sind, wird die Phasenmodulationsschicht 15C so konfiguriert, dass sie die folgenden Bedingungen erfüllt. Das heißt, der entsprechende modifizierte Brechungsindexbereich 15b ist in den Einheitskomponentenbereichen R (x, y) so angeordnet, dass der Abstand r (x, y) vom Gitterpunkt O (x, y) zum Schwerpunkt G des entsprechenden modifizierten Brechungsindexbereichs 15b die folgende Beziehung erfüllt. r ( x , y ) = C × ( P ( x , y ) − P 0 )
    Figure DE112019003083T5_0010
    • C: Proportionale Konstante, z.B. R0/π
    • P0: Willkürliche Konstante, z.B. 0,
  • D.h. der Abstand r (x, y) wird auf 0 gesetzt, wenn die Phase P (x, y) im Einheitskomponentenbereich R (x, y) P0 ist. Wenn die Phase P (x, y) π + P0 ist, wird der Abstand r (x, y) auf den Maximalwert R0 gesetzt. Wenn die Phase P (x, y) -π + P0 ist, wird der Abstand r (x, y) auf den Minimalwert -R0 eingestellt. Wenn ein gewünschtes optisches Bild erhalten werden soll, ist es vorzuziehen, dass das optische Bild einer inversen diskreten Fourier-Transformation unterzogen wird und die Verteilung des Abstands r (x, y), die der Phase P (x, y) seiner komplexen Amplitude entspricht, auf die Vielzahl der modifizierten Brechungsindexbereiche 15b gegeben wird. Die Phase P (x, y) und der Abstand r (x, y) können proportional zueinander sein.
  • Es ist zu beachten, dass auch in der dritten Ausführungsform die Brechungsindexstruktur von 21 nur in einem bestimmten Bereich der Phasenmodulationsschicht angewendet werden darf. So wird z.B. wie im Beispiel von 18 eine Brechungsindexstruktur (z.B.: Struktur von 21) zur Ausgabe eines Zielstrahlprojektionsmusters innerhalb des inneren Bereichs RIN des Quadrats gebildet. In diesem Fall wird in einem äußeren Bereich ROUT, der den inneren Bereich RIN umgibt, ein perfekt kreisförmiger modifizierter Brechungsindexbereich angeordnet, dessen Schwerpunkt mit der Gitterpunktposition des Quadratgitters zusammenfällt. Zum Beispiel wird der Füllfaktor FF im äußeren Bereich ROUT auf 12% gesetzt. Im inneren Bereich RIN und im äußeren Bereich ROUT sind die Gitterabstände der virtuell eingestellten Quadratgitter identisch (= a). Bei dieser Struktur wird das Licht auch im äußeren Bereich ROUT verteilt, so dass es möglich ist, das Auftreten von hochfrequentem Rauschen (sog. Fensterfunktionsrauschen) zu unterdrücken, das durch eine plötzliche Änderung der Lichtintensität an der Peripherie des inneren Bereichs RIN verursacht wird. Darüber hinaus können Lichtleckagen in Richtung in der Ebene unterdrückt werden, und es ist eine Verringerung des Schwellenstroms zu erwarten.
  • Als Verfahren zur Gewinnung der Intensitätsverteilung und der Phasenverteilung aus der komplexen Amplitudenverteilung, die beispielsweise durch die inverse Fourier-Transformation erhalten wird, kann eine Intensitäts- (Amplituden-) Verteilung I (x, y) unter Verwendung der abs-Funktion von „MATLAB“, einer numerischen Analysesoftware von MathWorks, Inc., und die Phasenverteilung P (x, y) unter Verwendung der Winkelfunktion von MATLAB berechnet werden. Es sollte beachtet werden, dass die Punkte, die in Bezug auf einen Fall zu beachten sind, in dem eine allgemeine diskrete Fourier-Transformation (oder schnelle Fourier-Transformation) zur Berechnung verwendet wird, wenn die Phasenverteilung P (x, y) aus dem Ergebnis der inversen Fourier-Transformation des optischen Bildes erhalten und der Abstand r (x, y) jedes modifizierten Brechungsindexbereichs 15b bestimmt wird, die gleichen sind wie in der zweiten zuvor beschriebenen Ausführungsform.
  • Wie zuvor beschrieben, sind in der Phasenmodulationsschicht 15C die Schwerpunkte G der Vielzahl von modifizierten Brechungsindexbereichen 15b auf der Geraden D angeordnet, die durch den Gitterpunkt O des virtuellen Quadratgitters verläuft und in Bezug auf das Quadratgitter geneigt ist. Dann wird der Abstand r (x, y) zwischen dem Schwerpunkt G jedes modifizierten Brechungsindexbereichs 15b und dem entsprechenden Gitterpunkt O entsprechend dem optischen Bild individuell eingestellt. Auch in einem solchen Fall wird im Vergleich zu dem Fall, in dem die Schwerpunkte der Vielzahl der modifizierten Brechungsindexbereiche 15b auf dem Gitterpunkt O des Quadratgitters (erste Ausführungsform) liegen, die Lichtintensität des Lichts (Licht nullter Ordnung B3, dargestellt in 20A bis 20D), das entlang der Normalrichtung der Hauptfläche 10a des Halbleitersubstrats 10 ausgegeben wird, verringert und die Lichtintensität des Lichts höherer Ordnung (z.B. Licht +1. Ordnung und Licht -1. Ordnung), das entlang der Neigungsrichtung ausgegeben wird, die die Normalrichtung schneidet, erhöht. Da außerdem der Abstand r (x, y) zwischen dem Schwerpunkt G jedes modifizierten Brechungsindexbereichs 15b und dem entsprechenden Gitterpunkt O entsprechend dem optischen Bild individuell eingestellt wird, kann die Phase des Lichts für jeden modifizierten Brechungsindexbereich 15b moduliert werden. Daher kann entsprechend dem oberflächenemittierenden Laserelement ein optisches Bild beliebiger Form entlang einer Neigungsrichtung ausgegeben werden, die die Normalrichtung der Hauptfläche 10a des Halbleitersubstrats 10 schneidet.
  • Das oberflächenemittierende Laserelement der dritten Ausführungsform enthält ebenfalls, ähnlich wie die erste Ausführungsform, die erste oder die zweite zuvor beschriebene Modifikation, wobei beide oder eine der Schichten 16 und 17 mit hohem Brechungsindex (siehe 2 und 3) einen höheren Brechungsindex aufweisen als die Mantelschichten 11 und 13 und die Phasenmodulationsschicht 15C. Die Schichten 16 und 17 mit hohem Brechungsindex sind jeweils in der Nähe der Phasenmodulationsschicht 15C vorgesehen, d.h. an einer Stelle zwischen der Mantelschicht 11 und der Mantelschicht 13, wo die Phasenmodulationsschicht 15C mit der aktiven Schicht 12 sandwichartig angeordnet ist, und zwischen der aktiven Schicht 12 und der Phasenmodulationsschicht 15C. Da die Schichten16 und 17 mit hohem Brechungsindex einen größeren optischen Begrenzungskoeffizienten aufweisen als die umgebenden Schichten, wird der optische Begrenzungskoeffizient der Phasenmodulationsschicht 15C, die sich in der Nähe der Schichten 16 und 17 mit hohem Brechungsindex befindet, unter deren Einfluss ebenfalls groß. Daher kann auch nach dem oberflächenemittierenden Laserelement der dritten Ausführungsform der optische Begrenzungskoeffizient der Phasenmodulationsschicht 15C (d.h. der Schicht, die den Resonanzmodus bildet) erhöht werden. Auch im oberflächenemittierenden Laserelement hat die Schicht 16 (17) mit hohem Brechungsindex eine Übergitterstruktur, in der zwei oder mehr Schichten 16a und 16b (17a und 17b) mit voneinander verschiedenen Brechungsindizes wiederholt laminiert sind. Dadurch kann die durch den Unterschied in der Gitterkonstante verursachte Dehnung zerstreut werden. Das heißt, es ist leicht möglich, die Schichten 16 und 17 mit hohem Brechungsindex mit einer insgesamt ausreichenden Dicke zu realisieren und gleichzeitig die durch Verzerrung verursachten Defekte zu reduzieren.
  • (Vierte Modifikation)
  • 23 ist ein Diagramm, das die Konfiguration der lichtemittierenden Vorrichtung 1E gemäß der vierten Modifikation zeigt. Die lichtemittierende Vorrichtung 1E umfasst ein Trägersubstrat 73, die Vielzahl von oberflächenemittierenden Laserelementen 1A, die eindimensional oder zweidimensional auf dem Trägersubstrat 73 angeordnet sind, und eine Treiberschaltung 72, die die Vielzahl von oberflächenemittierenden Laserelementen 1A einzeln ansteuert. Die Konfiguration jedes oberflächenemittierenden Laserelements 1A hat dieselbe Struktur wie die der ersten Ausführungsform. Die Treiberschaltung 72 ist auf der Rückseite oder im Inneren des Trägersubstrats 73 vorgesehen und treibt jedes oberflächenemittierende Laserelement 1A einzeln an. Die Treiberschaltung 72 liefert einen Treiberstrom an die einzelnen oberflächenemittierenden Laserelemente 1A gemäß einer Anweisung von einer Steuerschaltung 71.
  • Es ist möglich, vorzugsweise ein Head-up-Display oder ähnliches zu realisieren, indem, wie in der vierten Modifikation, die Vielzahl von einzeln angesteuerten oberflächenemittierenden Laserelementen 1A bereitgestellt werden. Es ist zu beachten, dass in der vorliegenden Modifikation anstelle des oberflächenemittierenden Laserelements 1A ein oberflächenemittierendes Laserelement gemäß einer anderen Ausführungsform oder Modifikation verwendet werden kann. Auch in diesem Fall können die gleichen Effekte erzielt werden.
  • (Spezifisches Beispiel)
  • Die Erfinder haben die Beziehung zwischen dem Brechungsindex der Schichten 16 und 17 mit hohem Brechungsindex und dem optischen Begrenzungskoeffizienten der Resonanzmodenbildungsschicht in jeder der zuvor beschriebenen Ausführungsformen untersucht. Die Ergebnisse werden im Folgenden beschrieben. Die 24 bis 33 sind Tabellen, die konkrete Schichtstrukturen des oberflächenemittierenden Laserelements zeigen. Diese Tabellen zeigen den Leitfähigkeitstyp (p ist p-Typ, n ist n-Typ und u ist undotiert), die Zusammensetzung, die Schichtdicke, den Brechungsindex und den optischen Begrenzungskoeffizienten Γ jeder Schicht. Es ist zu beachten, dass die Schichtnummer 1 die Kontaktschicht 14, die Schichtnummer 2 die Mantelschicht 13, die Schichtnummer 3 die Ladungsträgersperrschicht, die Schichtnummer 4 die Führungsschicht, die Schichtnummern 5 bis 11 die aktiven Schichten 12 der Mehrfachquantentopfstruktur, die Schichtnummer 12 die Ladungsträgersperrschicht, die Schichtnummer 13 die Schicht 16 mit hohem Brechungsindex, die Schichtnummer 14 die Führungsschicht 18, die Schichtnummer 15 die Resonanzmodenbildungsschicht (die photonische Kristallschicht 15A und die Phasenmodulationsschicht 15B oder 15C), die Schichtnummer 16 die Führungsschicht, die Schichtnummer 17 die Schicht 17 mit hohem Brechungsindex, die Schichtnummer 18 die Führungsschicht und die Schichtnummer 19 die Mantelschicht 11 bezeichnet. Es ist zu beachten, dass ein Brechungsindex nAir-hole der Resonanzmodenbildungsschicht unter Verwendung der folgenden Formel (9), die die mittlere Permittivität ausdrückt, berechnet wird. n A i r − h o l e = F F ⋅ n A i r 2 + ( 1 − F F ) n G a N 2
    Figure DE112019003083T5_0011
    nAir ist der Brechungsindex von Luft (= 1), nGaN ist der Brechungsindex von GaN (= 2,5549), und FF ist der Füllfaktor (= 0,15).
  • In diesen Strukturbeispielen beträgt die In-Zusammensetzung der InGaN-Schichten (Schichten 16a und 17a) der Schichten 16 und 17 mit hohem Brechungsindex 0% (24), 1% (25), 2% (26), 3% (27), 4% (28), 5% ( 25), 3% (27), 4% (28), 5% (17). 29), 6% (30), 6% (30), 7% (31), 8% (32) und 9% (33), wodurch sich der Brechungsindex der InGaN-Schichten der Schichten 16 und 17 mit hohem Brechungsindex bei einer Wellenlänge von 405 nm von 2,5549 auf 2,7425 ändert.
  • 34 bis 43 sind Diagramme, die jeweils ein oberflächenemittierendes Laserelement, das Brechungsindexprofil und die Modenverteilung wie folgt zeigen: 34 zeigt ein oberflächenemittierendes Laserelement mit einer in 24 gezeigten Schichtstruktur; 35 zeigt ein oberflächenemittierendes Laserelement mit einer in 25 gezeigten Schichtstruktur; 36 zeigt ein oberflächenemittierendes Laserelement mit einer in 26 gezeigten Schichtstruktur; 37 zeigt ein oberflächenemittierendes Laserelement mit einer in 27 gezeigten Schichtstruktur; 38 zeigt ein oberflächenemittierendes Laserelement mit einer in 28 gezeigten Schichtstruktur; 36 zeigt ein oberflächenemittierendes Laserelement mit einer in 26 gezeigten Schichtstruktur; 37 zeigt ein oberflächenemittierendes Laserelement mit einer in 27 gezeigten Schichtstruktur 39 zeigt ein oberflächenemittierendes Laserelement mit einer in 29 gezeigten Schichtstruktur; 40 zeigt ein oberflächenemittierendes Laserelement mit einer in 30 gezeigten Schichtstruktur; 41 zeigt ein oberflächenemittierendes Laserelement mit einer in 31 gezeigten Schichtstruktur; 42 zeigt ein oberflächenemittierendes Laserelement mit einer in 32 gezeigten Schichtstruktur; und 43 zeigt ein oberflächenemittierendes Laserelement mit einer in 33 gezeigten Schichtstruktur. In den Figuren stellen die Diagramme G21a bis G30a das Brechungsindexprofil und die Diagramme G21b bis G30b die Modenverteilung dar. Die Modenverteilung stellt die Größe der elektrischen Feldamplitude im TE-Modus dar. Die horizontale Achse stellt eine Position in Laminierungsrichtung dar (Bereich ist 2,0 µm). Die äquivalenten Brechungsindizes Neff der in 24 bis 33 gezeigten Schichtstrukturen betragen 2,5296, 2,5302, 2,5311, 2,5321, 2,5334, 2,5350, 2,5369, 2,5393, 2,5422 bzw. 2,5457. In 34 bis 43 ist ein Bereich T1 die Mantelschicht 11, ein Bereich T2 die Schicht 16 mit hohem Brechungsindex, ein Bereich T3 die Resonanzmodenbildungsschicht, ein Bereich T4 die Schicht 17 mit hohem Brechungsindex, ein Bereich T5 die aktive Schicht 12, ein Bereich T6 die Mantelschicht 13 und ein Bereich T7 die Kontaktschicht 14.
  • Der äquivalente Brechungsindex bezieht sich hier auf einen Brechungsindex, der durch das Licht des Resonanzmodus gefühlt wird, das in Richtung der Schichtdicke in Bezug auf die Schichtstruktur verteilt ist. Ausgehend von der Äquivalenzbrechzahl Neff kann der Gitterabstand a von Gitterpunkten oder virtuellen Gitterpunkten bestimmt werden. Wenn z.B. Gitterpunkte oder virtuelle Gitterpunkte in einer Quadratgitterform angeordnet sind, kann der Gitterabstand a in Abhängigkeit von der Bandkante, die der von der Resonanzmodenbildungsschicht gewählten Wellenlänge λ entspricht, wie folgt bestimmt werden. Das heißt, wenn der Punkt Γ an der Bandkante verwendet wird, wird der Gitterabstand a so bestimmt, dass λ = Neff × a erfüllt ist. Wird dagegen der M-Punkt an der Bandkante verwendet, wird der Gitterabstand a so bestimmt, dass λ = (21/2)Neff × a erfüllt ist. Daher wird eine Phasenverschiebung von dΨ (x, y) = (±πx/a, ±πy/a) zur Phasenverteilung Ψ (x, y) addiert. Zu diesem Zeitpunkt kann die Wellenlänge λ aus dem Wellenlängenbereich der aktiven Schicht 12 ausgewählt und nach außen ausgegeben werden.
  • Wie in 24 und 34 gezeigt, sind die Brechungsindizes der InGaN-Schichten der Schichten 16 und 17 mit hohem Brechungsindex gleich den Brechungsindizes der Mantelschichten 11 und 13, wenn die In-Zusammensetzung der InGaN-Schichten der Schichten 16 und 17 mit hohem Brechungsindex 0 % (d. h. GaN) beträgt, und in diesem Fall bleibt der optische Begrenzungskoeffizient Γ der Resonanzmodenbildungsschicht bei 3,8 %. Andererseits wird, wie in 25 bis 33 und 35 bis 43 gezeigt, der optische Begrenzungskoeffizient Γ der Resonanzmodenbildungsschicht allmählich größer, je größer die Zusammensetzung der InGaN-Schichten der Schichten 16 und 17 mit hohem Brechungsindex wird (d.h. je größer die Brechungsindizes der Schichten 16 und 17 mit hohem Brechungsindex werden). Genauer gesagt, Γ = 4,4% bei einer In-Zusammensetzung von 1%, Γ = 5,0% bei einer In-Zusammensetzung von 2%, Γ = 5,6% bei einer In-Zusammensetzung von 3%, Γ = 6,2% bei einer In-Zusammensetzung von 4%, Γ = 6,8% bei einer In-Zusammensetzung von 5%, Γ = 7,5% bei einer In-Zusammensetzung von 6%, Γ = 8,1% bei einer In-Zusammensetzung von 7%, Γ = 8,8% bei einer In-Zusammensetzung von 8% und Γ = 9,4% bei einer In-Zusammensetzung von 9%.
  • Indem das oberflächenemittierende Laserelement mit den Schichten 16 und 17 mit hohem Brechungsindex versehen wird, kann der optische Begrenzungskoeffizient der Resonanzmodenbildungsschicht erhöht werden. Somit ist es möglich, eine praktische lichtemittierende Vorrichtung zu erhalten, die in der Lage ist, den Schwellenstromwert zu reduzieren und kontinuierlich zu oszillieren. Da insbesondere die In-Zusammensetzung der InGaN-Schichten der Schichten 16 und 17 mit hohem Brechungsindex 2% oder mehr beträgt, kann der optische Begrenzungskoeffizient Γ der Resonanzmodenbildungsschicht auf einen effektiven Wert von 5,0% oder mehr erhöht werden.
  • Die lichtemittierende Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung ist nicht auf jede der zuvor beschriebenen Ausführungsformen beschränkt, und es können verschiedene andere Modifikationen durchgeführt werden. So können z.B. alle zuvor beschriebenen Ausführungsformen und Modifikationen je nach gewünschtem Zweck und Wirkungen miteinander kombiniert werden. In jeder der zuvor beschriebenen Ausführungsformen kann die Schicht mit hohem Brechungsindex nur zwischen der aktiven Schicht 12 und der Resonanzmodenbildungsschicht vorgesehen werden. Auch in einem solchen Fall kann der optische Begrenzungskoeffizient der Resonanzmodenbildungsschicht erhöht werden. Während jede der zuvor beschriebenen Ausführungsformen und Modifikationen als Beispiele eine Konfiguration beschrieben haben, in der Licht von der Rückseite 10b des Halbleitersubstrats 10 (Rückseitenemissionstyp) emittiert wird, ist die vorliegende Erfindung auch auf ein oberflächenemittierendes Laserelement anwendbar, bei dem Licht von der Vorderseite der Kontaktschicht 14 emittiert wird (alternativ wird die Oberfläche der Mantelschicht 13 durch Entfernen eines Teils der Kontaktschicht 14 freigelegt).
  • Bezugszeichenliste
    • 1A, 1B, 1C, 1D
    Oberflächenemittierendes Laserelement;
    1E
    lichtemittierende Vorrichtung,
    10
    Halbleitersubstrat;
    10a
    Hauptfläche;
    10b
    Rückseite;
    11
    Mantelschicht;
    11, 13
    Mantelschicht;
    12, 12A
    aktive Schicht;
    13
    Mantelschicht;
    14
    Kontaktschicht;
    15A
    Photonische Kristallschicht;
    15B, 15C
    Phasenmodulationsschicht;
    15a
    Basisschicht;
    15b, 15c
    modifizierter Brechungsindexbereich;
    16, 17
    Schicht mit hohem Brechungsindex;
    18
    Führungsschicht;
    26, 27
    Elektrode;
    27a
    Öffnung;
    28
    Schutzfilm;
    29
    Antireflexionsfilm;
    71
    Steuerschaltung;
    72
    Treiberschaltung;
    73
    Trägersubstrat;
    B1, B2
    Optischer Bildabschnitt;
    B3
    Licht nullter Ordnung;
    D
    Gerade;
    FR
    Bildbereich;
    G
    Schwerpunkt;
    L1
    Laserlicht;
    O
    Gitterpunkt;
    Q
    Mittelpunkt;
    R
    Einheitskomponentenbereich;
    RIN
    innerer Bereich;
    ROUT
    und äußerer Bereich.

Claims (10)

  1. Lichtemittierende Vorrichtung, umfassend: ein Substrat mit einer Hauptfläche; eine erste Mantelschicht auf der Hauptfläche; eine aktive Schicht, die auf der ersten Mantelschicht vorgesehen ist; eine zweite Mantelschicht, die auf der aktiven Schicht vorgesehen ist; eine Resonanzmodenbildungsschicht, die zwischen der ersten Mantelschicht und der aktiven Schicht oder zwischen der aktiven Schicht und der zweiten Mantelschicht vorgesehen ist, wobei die Resonanzmodenbildungsschicht eine Basisschicht und eine Vielzahl von modifizierten Brechungsindexbereichen umfasst, wobei die Vielzahl von modifizierten Brechungsindexbereichen einen Brechungsindex aufweist, der sich von einem Brechungsindex der Basisschicht unterscheidet und zweidimensional auf einer Entwurfsfläche senkrecht zu einer Normalen der Hauptfläche verteilt ist; und eine Schicht mit hohem Brechungsindex, die zwischen der ersten Mantelschicht und der zweiten Mantelschicht vorgesehen ist, wobei die Schicht mit hohem Brechungsindex einen Brechungsindex aufweist, der höher ist als der Brechungsindex der ersten Mantelschicht, der zweiten Mantelschicht und der Resonanzmodenbildungsschicht, wobei die Schicht mit hohem Brechungsindex in einem Raum, in dem die Resonanzmodenbildungsschicht zwischen der Schicht mit hohem Brechungsindex und der aktiven Schicht angeordnet ist, und/oder einem Raum, in dem die Schicht mit hohem Brechungsindex zwischen der aktiven Schicht und der Resonanzmodenbildungsschicht angeordnet ist, vorgesehen ist, wobei die erste Mantelschicht, die aktive Schicht, die zweite Mantelschicht, die Resonanzmodenbildungsschicht und die Schicht mit hohem Brechungsindex hauptsächlich einen Nitrid-Halbleiter enthalten, und die Schicht mit hohem Brechungsindex eine Übergitterstruktur aufweist, in der zwei oder mehr Schichten mit voneinander verschiedenen Brechungsindizes wiederholt entlang einer senkrechten Richtung der Hauptfläche laminiert sind.
  2. Lichtemittierende Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Resonanzmodenbildungsschicht eine photonische Kristallschicht enthält, in der die Vielzahl von modifizierten Brechungsindexbereichen periodisch angeordnet ist.
  3. Lichtemittierende Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei um Licht zur Erzeugung eines optischen Bildes entlang einer Normalrichtung der Hauptfläche des Substrats, einer Neigungsrichtung, die die Normalrichtung schneidet, oder sowohl der Normalrichtung als auch der Neigungsrichtung auszugeben, in einem virtuellen Quadratgitter, das auf der Entwurfsfläche der Resonanzmodenbildungsschicht angeordnet ist, mindestens ein modifizierter Brechungsindexbereich der Vielzahl von modifizierten Brechungsindexbereichen jedem Gitterpunkt des virtuellen Quadratgitters zugeordnet ist, und ein Schwerpunkt jeder der Vielzahl von modifizierten Brechungsindexbereichen an einer Position angeordnet ist, die einen Drehwinkel aufweist, der dem optischen Bild entspricht, das auf einem entsprechenden Gitterpunkt in einem Zustand zentriert ist, in dem es von dem entsprechenden Gitterpunkt entfernt ist.
  4. Lichtemittierende Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei um Licht zur Erzeugung eines optischen Bildes entlang einer Normalrichtung der Hauptfläche des Substrats, einer Neigungsrichtung, die die Normalrichtung schneidet, oder sowohl der Normalrichtung als auch der Neigungsrichtung auszugeben, in einem virtuellen Quadratgitter, das auf der Entwurfsfläche der Resonanzmodenbildungsschicht festgelegt ist, mindestens ein modifizierter Brechungsindexbereich der Vielzahl der modifizierten Brechungsindexbereiche jedem Gitterpunkt des virtuellen Quadratgitters zugeordnet ist, und ein Schwerpunkt jedes der Vielzahl der modifizierten Brechungsindexbereiche auf einer Geraden angeordnet ist, die durch den entsprechenden Gitterpunkt verläuft und in Bezug auf das virtuelle Quadratgitter in einem Zustand geneigt ist, in dem ein Abstand zwischen dem Schwerpunkt und dem entsprechenden Gitterpunkt individuell gemäß dem optischen Bild eingestellt ist.
  5. Lichtemittierende Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die erste Mantelschicht, die zweite Mantelschicht und die Basisschicht eine GaN-Schicht oder eine AlGaN-Schicht sind, und mindestens eine Schicht der zwei oder mehr Schichten der Schicht mit hohem Brechungsindex eine Nitrid-Halbleiterschicht mit In ist.
  6. Lichtemittierende Vorrichtung nach Anspruch 5, wobei die mindestens eine Schicht der Schicht mit hohem Brechungsindex ferner A1 enthält.
  7. Lichtemittierende Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, wobei die aktive Schicht eine Mehrfachquantentopfstruktur aufweist, in der Quantentopfschichten und Sperrschichten abwechselnd entlang der Normalrichtung laminiert sind, und eine Bandlücke der mindestens einen Schicht der Schicht mit hohem Brechungsindex breiter ist als eine Bandlücke der Quantentopfschicht.
  8. Lichtemittierende Vorrichtung nach Anspruch 7, wobei die Quantentopfschicht eine Nitrid-Halbleiterschicht ist, die In enthält, und die In-Zusammensetzung der mindestens einen Schicht der Schicht mit hohem Brechungsindex, die durch ein Molverhältnis in Bezug auf alle im Nitrid-Halbleiter enthaltenen Dotierstoffe definiert ist, kleiner als in der Zusammensetzung der Quantentopfschicht ist.
  9. Lichtemittierende Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, wobei die Zusammensetzung der mindestens einen Schicht der Schicht mit hohem Brechungsindex, die durch ein Molverhältnis in Bezug auf alle in dem Nitrid-Halbleiter enthaltenen Dotierstoffe definiert ist, 2% oder mehr beträgt.
  10. Lichtemittierende Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei die In-Zusammensetzung der mindestens einen Schicht der Schicht mit hohem Brechungsindex 2% oder mehr beträgt.
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Families Citing this family (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11637409B2 (en) 2017-03-27 2023-04-25 Hamamatsu Photonics K.K. Semiconductor light-emitting module and control method therefor
US11646546B2 (en) * 2017-03-27 2023-05-09 Hamamatsu Photonics K.K. Semiconductor light emitting array with phase modulation regions for generating beam projection patterns
JP6959042B2 (ja) 2017-06-15 2021-11-02 浜松ホトニクス株式会社 発光装置
WO2019111787A1 (ja) 2017-12-08 2019-06-13 浜松ホトニクス株式会社 発光装置およびその製造方法
JP7445437B2 (ja) * 2020-01-20 2024-03-07 浜松ホトニクス株式会社 光源モジュール及び光変調モジュール
US20210262787A1 (en) * 2020-02-21 2021-08-26 Hamamatsu Photonics K.K. Three-dimensional measurement device
CN113745961A (zh) * 2021-08-31 2021-12-03 江苏华兴激光科技有限公司 一种GaAs基光子晶体激光器及其制作方法
JP2023059111A (ja) * 2021-10-14 2023-04-26 国立研究開発法人物質・材料研究機構 面発光量子カスケードレーザ

Family Cites Families (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6704343B2 (en) * 2002-07-18 2004-03-09 Finisar Corporation High power single mode vertical cavity surface emitting laser
JP2007019277A (ja) 2005-07-07 2007-01-25 Rohm Co Ltd 半導体発光素子
JP5138898B2 (ja) * 2006-03-31 2013-02-06 国立大学法人京都大学 ２次元フォトニック結晶面発光レーザ光源
JP4110181B2 (ja) * 2006-09-01 2008-07-02 キヤノン株式会社 半導体レーザ装置
GB0904948D0 (en) 2009-03-23 2009-05-06 Monitor Coatings Ltd Compact HVOF system
JP5333133B2 (ja) 2009-06-19 2013-11-06 住友電気工業株式会社 Ｉｉｉ族窒化物半導体レーザダイオード
JP5047258B2 (ja) * 2009-12-09 2012-10-10 キヤノン株式会社 二次元フォトニック結晶面発光レーザ
JP2014027264A (ja) 2012-06-22 2014-02-06 Canon Inc 面発光レーザ
JP6152848B2 (ja) * 2012-07-06 2017-06-28 パナソニックＩｐマネジメント株式会社 半導体発光素子
WO2014136955A1 (ja) * 2013-03-07 2014-09-12 浜松ホトニクス株式会社 レーザ素子及びレーザ装置
GB201607996D0 (en) 2016-05-06 2016-06-22 Univ Glasgow Laser device and method for its operation
JP6747910B2 (ja) 2016-08-10 2020-08-26 浜松ホトニクス株式会社 発光装置

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