JP2018041832A - 半導体発光素子及び発光装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】レーザ素子1Aは、活性層12と、一対のクラッド層11,13と、クラッド層13と活性層12との間に設けられた位相変調層15Aと、を備える。クラッド層13は、傾斜した方向に出力される所望の光像に対して透過特性を有するとともに垂直な方向に出力される0次光に対して反射特性を有するDBR層18を含む。位相変調層15Aは、基本層15aと、基本層15aとは屈折率が異なる複数の異屈折率領域15bとを有し、位相変調層15Aの厚さ方向に垂直な面内において仮想的な正方格子を設定した場合に、各異屈折率領域15bの重心が仮想的な正方格子の格子点から離れて配置されるとともに、該格子点から重心へのベクトルの向きが各異屈折率領域15b毎に個別に設定されている。
【選択図】図1
Description
φ(x,y)=C×P(X,Y)
により得ることができる。ここで、Cは定数であり、全ての位置(x,y)に対して同一の値を持つ。
(図10においてS/Nが0.9以上)
FF>0.03、且つ、
r>0.06、且つ、
r<−FF+0.23、且つ
r>−FF+0.13
(図10においてS/Nが0.6以上)
FF>0.03、且つ、
r>0.03、且つ、
r<−FF+0.25、且つ、
r>−FF+0.12
(図10においてS/Nが0.3以上)
FF>0.03、且つ、
r>0.02、且つ、
r<−(2/3)FF+0.30、且つ
r>−(2/3)FF+0.083
(図13においてS/Nが0.9以上)
r>−2FF+0.25、且つ、
r<−FF+0.25、且つ、
r>FF−0.05
(図13においてS/Nが0.6以上)
FF>0.03、且つ、
r>0.04、且つ、
r<−(3/4)FF+0.2375、且つ、
r>−FF+0.15
(図13においてS/Nが0.3以上)
FF>0.03、且つ、
r>0.01、且つ、
r<−(2/3)FF+1/3、且つ
r>−(2/3)FF+0.10
(図16においてS/Nが0.9以上)
r>0.025、且つ、
r>−(4/3)FF+0.20、且つ
r<−(20/27)FF+0.20
(図16においてS/Nが0.6以上)
FF>0.03、且つ、
r>0.02、且つ、
r>−(5/4)FF+0.1625、且つ、
r<−(13/18)FF+0.222
(図16においてS/Nが0.3以上)
FF>0.03、且つ、
r>0.01、且つ、
r<−(2/3)FF+0.30、且つ、
r>−(10/7)FF+1/7
図23は、上記実施形態の第1変形例に係るレーザ素子1Bの構成を示す斜視図である。レーザ素子1Bは、XY面内方向において定在波を形成し、位相制御された平面波をZ軸方向に出力するS−iPMレーザである。上記実施形態と同様に、レーザ素子1Bは、光出射面2bに垂直な方向(すなわちZ軸方向)に対して傾斜した方向を含む2次元的な任意形状の光像を出力する。
図26は、上記実施形態の第2変形例に係る位相変調層15Bの平面図である。本変形例の位相変調層15Bは、上記実施形態の位相変調層15Aの構成に加えて、複数の異屈折率領域15cを更に有する。各異屈折率領域15cは、周期構造を含んでおり、基本層15aの第1屈折率媒質とは屈折率の異なる第2屈折率媒質からなる。各異屈折率領域15cは、各異屈折率領域15bにそれぞれ一対一で対応して設けられている。そして、各異屈折率領域15cの重心は、仮想的な正方格子の格子点Oと一致する。異屈折率領域15cの平面形状は例えば円形である。異屈折率領域15cは、異屈折率領域15bと同様に、空孔であってもよく、空孔に化合物半導体が埋め込まれて構成されてもよい。例えば本変形例のような位相変調層の構成であっても、上記実施形態の効果を好適に奏することができる。
図27及び図28は、異屈折率領域15bのXY平面内の形状の例を示す平面図である。図27(a)に示す例では、異屈折率領域15bのXY平面内の形状は、回転対称性を有している。すなわち、それぞれの異屈折率領域のXY平面内の形状は、真円、正方形、正六角形、正八角形又は正16角形である。これらの図形は、回転非対称図形と比較して、パターンが回転方向にずれても、影響が少ないため、高い精度でパターニングすることが可能である。
図29は、第4変形例による発光装置2Aの構成を示す図である。この発光装置2Aは、支持基板6と、支持基板6上に一次元又は二次元状に配列された複数のレーザ素子1Aと、複数のレーザ素子1Aを個別に駆動する駆動回路4とを備えている。各レーザ素子1Aの構成は、上記実施形態と同様である。但し、複数のレーザ素子1Aには、赤色波長域の光像を出力するレーザ素子と、青色波長域の光像を出力するレーザ素子と、緑色波長域の光像を出力するレーザ素子とが含まれる。赤色波長域の光像を出力するレーザ素子は、例えばGaAs系半導体によって構成される。青色波長域の光像を出力するレーザ素子、及び緑色波長域の光像を出力するレーザ素子は、例えば窒化物系半導体によって構成される。駆動回路4は、支持基板6の裏面又は内部に設けられ、各レーザ素子1Aを個別に駆動する。駆動回路4は、制御回路7からの指示により、個々のレーザ素子1Aに駆動電流を供給する。
図30は、上記実施形態の一実施例によるレーザ素子の積層構造を示す図である。このレーザ素子はGaAs系化合物半導体からなり、半導体基板10としてのn型GaAs基板と、クラッド層11としてのn型AlGaAs層(Al組成40%、厚さ2.0μm)と、活性層12としてのi型InGaAs/AlGaAs層(厚さ225nm)と、位相変調層15Aとしてのi型GaAs層(異屈折率領域15bは空洞、厚さ250nm、FF=15%)と、クラッド層13の部分13aとしてのp型AlGaAs層(Al組成70%、厚さ200nm)と、DBR層18としてのp型GaAs/AlGaAs層と、クラッド層13の部分13bとしてのp型AlGaAs層(Al組成70%、厚さ200nm)と、コンタクト層14としてのp型GaAs層(厚さ100nm)とを備える。
実施例において作製されたレーザ素子では、平均誘電率NActive=3.46、合計膜厚DActive=225nmであった。
実施例において作製されたレーザ素子では、フィリングファクタFF=15%、NGaAs=3.55、NAir=1であり、平均誘電率NPM=3.30であった。
図33は、上記第1変形例の一実施例によるレーザ素子の積層構造を示す図である。このレーザ素子はGaAs系化合物半導体からなり、半導体基板10としてのn型GaAs基板と、クラッド層21の部分21aとしてのn型AlGaAs層(Al組成40%、厚さ200nm)と、DBR層28としてのn型GaAs/AlGaAs層と、クラッド層21の部分21bとしてのn型AlGaAs層(Al組成40%、厚さ200nm)と、活性層12としてのi型InGaAs/AlGaAs層(厚さ225nm)と、位相変調層15Aとしてのi型GaAs層(異屈折率領域15bは空洞、厚さ250nm、FF=15%)と、クラッド層23としてのp型AlGaAs層(Al組成70%、厚さ2.0μm)と、コンタクト層14としてのp型GaAs層(厚さ100nm)とを備える。なお、DBR層28としてのn型GaAs/AlGaAs層の構成は、前述した第1実施例と同様である。
Claims (6)
- 積層方向において互いに対向する光出射面及び光反射面を有し、前記光出射面に垂直な方向に対して傾斜した方向を含む二次元的な任意形状の光像を出力する半導体発光素子であって、
活性層と、
前記活性層を挟む一対のクラッド層と、
前記一対のクラッド層の何れかと前記活性層との間に設けられた位相変調層と、を備え、
前記一対のクラッド層のうち前記活性層及び前記位相変調層と前記光出射面との間に設けられた前記クラッド層は、前記光像のうち前記傾斜した方向に出力される所望の光像に対して透過特性を有するとともに前記垂直な方向に出力される0次光に対して反射特性を有する分布ブラッグ反射層を含み、
前記位相変調層は、基本層と、前記基本層とは屈折率が異なる複数の異屈折率領域とを有し、
前記位相変調層の厚さ方向に垂直な面内において仮想的な正方格子を設定した場合に、各異屈折率領域の重心が前記仮想的な正方格子の格子点から離れて配置されるとともに、該格子点から前記重心へのベクトルの向きが各異屈折率領域毎に個別に設定されている、ことを特徴とする半導体発光素子。 - 積層方向において互いに対向する光出射面及び光反射面を有し、前記光出射面に垂直な方向に対して傾斜した方向を含む二次元的な任意形状の光像を出力する半導体発光素子であって、
活性層と、
前記活性層を挟む一対のクラッド層と、
前記一対のクラッド層の何れかと前記活性層との間に設けられた位相変調層と、を備え、
前記一対のクラッド層のうち前記活性層及び前記位相変調層と前記光反射面との間に設けられた前記クラッド層は、前記光像のうち前記傾斜した方向に出力される所望の光像に対して透過特性を有するとともに前記垂直な方向に出力される0次光に対して反射特性を有する分布ブラッグ反射層を含み、
前記位相変調層は、基本層と、前記基本層とは屈折率が異なる複数の異屈折率領域とを有し、
前記位相変調層の厚さ方向に垂直な面内において仮想的な正方格子を設定した場合に、各異屈折率領域の重心が前記仮想的な正方格子の格子点から離れて配置されるとともに、該格子点から前記重心へのベクトルの向きが各異屈折率領域毎に個別に設定されており、
前記分布ブラッグ反射層にて反射したのち前記光出射面に向かう前記0次光と、前記位相変調層から前記光出射面に直接向かう前記0次光とが互いに弱め合うように、前記分布ブラッグ反射層と前記位相変調層との間隔が定められている、ことを特徴とする半導体発光素子。 - 前記正方格子の格子間隔をaとしたとき、各異屈折率領域の重心と、対応する格子点との距離rが0<r≦0.3aを満たす、ことを特徴とする請求項1または2に記載の半導体発光素子。
- 当該半導体発光素子から出射されるビームパターンは、スポット、直線、十字架、線画、格子パターン、写真、縞状パターン、コンピュータグラフィクス、及び文字のうち少なくとも1つを含み、
前記位相変調層の厚み方向をZ軸方向とするXYZ直交座標系を設定したとき、XY平面内における前記ビームパターンの特定の領域を2次元フーリエ変換した複素振幅F(X,Y)は、jを虚数単位として、XY平面内の強度分布I(X,Y)と、XY平面内の位相分布P(X,Y)を用いてF(X,Y)=I(X,Y)×exp{P(X,Y)j}で与えられ、
前記位相変調層において、
前記仮想的な正方格子のそれぞれの格子点から、対応するそれぞれの前記異屈折率領域の重心へ向かう方向と、X軸との成す角度をφとし、定数をCとし、X軸方向におけるx番目、Y軸方向におけるy番目の前記格子点の位置を(x,y)とし、位置(x,y)における角度φをφ(x,y)とすると、φ(x,y)=C×P(X,Y)を満たす、ことを特徴とする請求項1〜3のいずれか一項に記載の半導体発光素子。 - 請求項1〜4のいずれか一項に記載された複数の半導体発光素子と、
前記複数の半導体発光素子を個別に駆動する駆動回路と、
を備える、ことを特徴とする発光装置。 - 前記複数の半導体発光素子には、赤色波長域の前記光像を出力する前記半導体発光素子と、青色波長域の前記光像を出力する前記半導体発光素子と、緑色波長域の前記光像を出力する前記半導体発光素子とが含まれる、ことを特徴とする請求項5に記載の発光装置。
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