JP2020098815A - 発光素子、発光素子の作製方法、及び発光素子の位相変調層設計方法 - Google Patents
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Abstract
Description
下部コンタクト層11:p型GaAs、200nm
下部クラッド層12:p型(Al0.7Ga0.3)0.5In0.5P、800nm
位相変調層13(基本層13a):i型AlGaInP、220nm
キャリア障壁層17a:i型(Al0.7Ga0.3)0.5In0.5P、20nm
光ガイド層17:i型AlGaInP、50nm
活性層14:i型GaInPからなる井戸層とi型AlGaInPからなる障壁層とが交互に積層された多重量子井戸構造を有し、井戸層の厚さ10nm、障壁層の厚さ10nm、3周期
光ガイド層19:i型AlGaInP、60nm
上部クラッド層15:n型(Al0.6Ga0.4)0.5In0.5P、2000nm
上部コンタクト層16:n型GaInP、200nm
AlGaInPにおいては、Alの組成比を変更することで、容易にエネルギーバンドギャップと屈折率を変えることができる。AlGaInPにおいて、相対的に原子半径の小さなAlの組成比を減少(増加)させると、これと正の相関にあるエネルギーバンドギャップは小さく(大きく)なる。すなわち、下部クラッド層12及び上部クラッド層15のAl組成比は、光ガイド層17、光ガイド層19、及び活性層14の障壁層のAl組成比よりも大きい。クラッド層のAl組成比は例えば0.2〜1.0に設定され、光ガイド層17、光ガイド層19、及び活性層14の障壁層のAl組成比は例えば0〜0.3に設定される。
a:仮想的な正方格子の格子定数
λ:発光素子1Aの発振波長
第3の前提条件として、波数空間において、Kx軸方向の座標成分kx(0以上M2−1以下の整数)とKy軸方向の座標成分ky(0以上N2−1以下の整数)とで特定される画像領域FR(kx,ky)それぞれを、X軸方向の座標成分x(0以上M1−1以下の整数)とY軸方向の座標成分y(0以上N1−1以下の整数)とで特定されるX−Y平面上の単位構成領域R(x,y)に二次元逆離散フーリエ変換することで得られる複素振幅F(x,y)が、jを虚数単位として、以下の式(6)で与えられる。また、この複素振幅F(x,y)は、振幅項をA(x,y)とするとともに位相項をP(x,y)とするとき、以下の式(7)により規定される。更に、第4の前提条件として、単位構成領域R(x,y)が、X軸およびY軸にそれぞれ平行であって単位構成領域R(x,y)の中心となる格子点O(x,y)において直交するs軸およびt軸で規定される。
上記第1〜第4の前提条件の下、位相変調層13の第2領域132は、以下の第1および第2条件を満たすよう構成される。すなわち、第1条件は、単位構成領域R(x,y)内において、重心Gが、格子点O(x,y)から離れた状態で配置されていることである。また、第2条件は、格子点O(x,y)から対応する重心Gまでの線分長r(x,y)がM1個×N1個の単位構成領域Rそれぞれにおいて共通の値に設定された状態で、格子点O(x,y)と対応する重心Gとを結ぶ線分と、s軸と、の成す角度φ(x,y)が、
φ(x,y)=C×P(x,y)+B
C:比例定数であって例えば180°/π
B:任意の定数であって例えば0
なる関係を満たすように、対応する異屈折率領域13bが単位構成領域R(x,y)内に配置されることである。
図24は、上記実施形態の第1変形例に係る第2領域133の平面図である。また、図25は、第2領域133における異屈折率領域13bの位置関係を示す図である。上記実施形態の第2領域132は、本変形例の第2領域133に置き換えられてもよい。図24及び図25に示されるように、本変形例の第2領域133では、各異屈折率領域13bの重心Gは、直線D上に配置されている。直線Dは、各単位構成領域Rの対応する格子点Oを通り、正方格子の各辺に対して傾斜する直線である。言い換えると、直線Dは、X軸及びY軸の双方に対して傾斜する直線である。正方格子の一辺(X軸)に対する直線Dの傾斜角はθである。傾斜角θは、第2領域133内において一定である。傾斜角θは、0°<θ<90°を満たし、一例ではθ=45°である。または、傾斜角θは、180°<θ<270°を満たし、一例ではθ=225°である。傾斜角θが0°<θ<90°または180°<θ<270°を満たす場合、直線Dは、X軸及びY軸によって規定される座標平面の第1象限から第3象限にわたって延びる。或いは、傾斜角θは、90°<θ<180°を満たし、一例ではθ=135°である。或いは、傾斜角θは、270°<θ<360°を満たし、一例ではθ=315°である。傾斜角θが90°<θ<180°または270°<θ<360°を満たす場合、直線Dは、X軸及びY軸によって規定される座標平面の第2象限から第4象限にわたって延びる。このように、傾斜角θは、0°、90°、180°及び270°を除く角度である。ここで、格子点Oと重心Gとの距離をr(x,y)とする。xはX軸におけるx番目の格子点の位置、yはY軸におけるy番目の格子点の位置を示す。距離r(x,y)が正の値である場合、重心Gは第1象限(または第2象限)に位置する。距離r(x,y)が負の値である場合、重心Gは第3象限(または第4象限)に位置する。距離r(x,y)が0である場合、格子点Oと重心Gとは互いに一致する。
の範囲内である。なお、所望の光像から複素振幅分布を求める際には、ホログラム生成の計算時に一般的に用いられるGerchberg-Saxton(GS)法のような繰り返しアルゴリズムを適用することによって、ビームパターンの再現性が向上する。
r(x,y)=C×(P(x,y)−P0)
C:比例定数で例えばr0/π
P0:任意の定数であって例えば0
なる関係を満たすように、該対応する異屈折率領域13bが単位構成領域R(x,y)内に配置される。すなわち、距離r(x,y)は、或る座標(x,y)における位相P(x,y)がP0である場合には0に設定され、位相P(x,y)がπ+P0である場合には最大値r0に設定され、位相P(x,y)が−π+P0である場合には最小値−r0に設定される。所望の光像を得たい場合、該光像を逆フーリエ変換して、その複素振幅の位相P(x,y)に応じた距離r(x,y)の分布を、複数の異屈折率領域13bに与えるとよい。位相P(x,y)と距離r(x,y)とは、互いに比例してもよい。
図26及び図27は、異屈折率領域13bのXY平面内の形状の例を示す平面図である。上記実施形態及び第1変形例ではXY平面内における異屈折率領域13bの形状が円形である例が示されている。しかしながら、異屈折率領域13bは円形以外の形状を有してもよい。例えば、XY平面内における異屈折率領域13bの形状は、鏡像対称性(線対称性)を有してもよい。ここで、鏡像対称性(線対称性)とは、XY平面に沿った或る直線を挟んで、該直線の一方側に位置する異屈折率領域13bの平面形状と、該直線の他方側に位置する異屈折率領域13bの平面形状とが、互いに鏡像対称(線対称)となり得ることをいう。鏡像対称性(線対称性)を有する形状としては、例えば図26(a)に示された真円、図26(b)に示された正方形、図26(c)に示された正六角形、図26(d)に示された正八角形、図26(e)に示された正16角形、図26(f)に示された長方形、および図26(g)に示された楕円、などが挙げられる。このように、XY平面内における異屈折率領域13bの形状が鏡像対称性(線対称性)を有する場合、位相変調層13の仮想的な正方格子の単位構成領域Rそれぞれにおいて、異屈折率領域13bがシンプルな形状となるので、格子点Oからの異屈折率領域13bの重心Gの方向及び位置を高精度に定めることができ、高い精度でのパターニングが可能となる。
また、XY平面内における異屈折率領域13bの形状は、180°の回転対称性を有さない形状であってもよい。このような形状としては、例えば図27(a)に示された正三角形、図27(b)に示された直角二等辺三角形、図27(c)に示された2つの円または楕円の一部分が重なる形状、図27(d)に示された楕円の長軸に沿った一方の端部近傍の短軸方向の寸法が他方の端部近傍の短軸方向の寸法よりも小さくなるように変形した形状(卵形)、図27(e)に示された楕円の長軸に沿った一方の端部を長軸方向に沿って突き出る尖った端部に変形した形状(涙形)、図27(f)に示された二等辺三角形、図27(g)に示された矩形の一辺が三角形状に凹み、その対向する一辺が三角形状に尖った形状(矢印形)、図27(h)に示された台形、図27(i)に示された五角形、図27(j)に示された2つの矩形の一部分同士が重なる形状、および図27(k)に示された2つの矩形の一部分同士が重なり且つ鏡像対称性を有さない形状、等が挙げられる。このように、XY平面内における異屈折率領域13bの形状が180°の回転対称性を有さないことにより、より高い光出力を得ることができる。
図28及び図29は、XY平面内の異屈折率領域13bの形状の別の例を示す平面図である。この例では、複数の異屈折率領域13bとは別の複数の異屈折率領域13cが更に設けられる。各異屈折率領域13cは、基本層13a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。異屈折率領域13cは、異屈折率領域13b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。異屈折率領域13cは、異屈折率領域13bにそれぞれ一対一で対応して設けられる。そして、異屈折率領域13bおよび13cを合わせた重心Gは、上記実施形態と同様に、仮想的な正方格子を構成する単位構成領域Rの各格子点Oから離れており且つ各格子点O周りに光像に応じた位相分布に従う回転角度φ(x,y)を有するか、または、第1変形例と同様に、仮想的な正方格子を構成する単位構成領域Rの格子点Oを横切る直線D上に位置している。なお、いずれの異屈折率領域13cも、単位構成領域Rの範囲内に含まれる。
また、図28(h)〜図28(k)に示されるように、異屈折率領域13bは、互いに離間した2つの領域13b1,13b2を含んで構成されてもよい。このとき、領域13b1,13b2を合わせた重心が単一の異屈折率領域13bの重心に相当すると考えられる。また、この場合、図28(h)及び図28(k)に示されるように、領域13b1,13b2および異屈折率領域13cは、互いに同じ形状の図形を有してもよい。または、図28(i)及び図28(j)に示されるように、領域13b1,13b2および異屈折率領域13cのうち2つの図形が他と異なっていてもよい。
図30は、第3変形例に係る第2領域134の平面図である。上記実施形態の第2領域132は、本変形例の第2領域134に置き換えられてもよい。本変形例の第2領域134は、上記実施形態の第2領域132の構成に加えて、複数の異屈折率領域13bとは別の複数の異屈折率領域13dを更に有する。各異屈折率領域13dは、周期構造を含んでおり、基本層13a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。異屈折率領域13dは、異屈折率領域13b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。ここで、図31に示すように、本変形例においても、格子点Oから異屈折率領域13bの重心Gに向かう方向とX軸との成す角度をφ(x,y)とする。xはX軸におけるx番目の格子点の位置、yはY軸におけるy番目の格子点の位置を示す。回転角度φが0°である場合、格子点Oと重心Gとを結ぶベクトルの方向はX軸の正方向と一致する。また、格子点Oと重心Gとを結ぶベクトルの長さをr(x,y)とする。一例では、r(x,y)はx、yによらず(第2領域134全体にわたって)一定である。
図33及び図34は、第2電極32の平面形状の他の例を示す図である。図33(a)は、X方向(又はY方向)に延びる複数の線状の電極部分がY方向(又はX方向)に並んだストライプ形状(縞形状)を示す。これらの電極部分は、両端において、Y方向(又はX方向)に延びる別の一対の電極部分を介して互いに連結されている。図33(b)及び図33(c)は、互いに直径が異なる複数の円環状の電極部分が同心円として(共通の中心を有するように)配置された形状を示す。複数の電極部分同士は、径方向に延びる直線状の電極部分によって互いに連結されている。直線状の電極部分は、図33(b)に示されるように複数設けられてもよく、図33(c)に示されるように1本のみ設けられてもよい。
図37は、第5変形例による発光素子1Bの外観を示す斜視図である。この発光素子1Bは、複数(図では4つを例示)の第2電極32を備えている。これらの第2電極32は、例えば半導体積層10の矩形状の表面10a上の四隅にそれぞれ配置されている。各第2電極32は、上記実施形態と同様に電流供給部32bを有しており、各電流供給部32bは、複数の開口を有する正方格子状を呈している。従って、この発光素子1Bは、矩形状の表面10aの四隅から光像を出力する。図示しない発光素子1Bの内部において、位相変調層13の第2領域132は、各電流供給部32bの開口32aに対応して設けられている。これらの第2電極32はそれぞれ一つのボンディングパッド部32cを有しており、各ボンディングパッド部32cは、各電流供給部32bから、矩形状の表面10aの対応する角に向けて延在している。
図38は、第6変形例による発光装置1Cの構成を示す図である。この発光装置1C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発光素子1Aと、複数の発光素子1Aを個別に駆動する駆動回路4とを備えている。各発光素子1Aの構成は、上記実施形態またはいずれかの変形例と同様である。但し、複数の発光素子1Aには、赤色波長域の光像を出力する発光素子1Aと、青色波長域の光像を出力する発光素子1Aと、緑色波長域の光像を出力する発光素子1Aとが含まれても良い。赤色波長域の光像を出力する発光素子1A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発光素子1A、及び緑色波長域の光像を出力する発光素子1A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、各発光素子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、個々の発光素子1Aに駆動電流を供給する。
図39は、位相変調層の変形例を示す図であって、層厚方向から見た形態を示す。この変形例による位相変調層13Cは、図5に示された位相変調層13の中央部付近、すなわち第1領域131および第2領域132を包含する領域136の外周部に、領域137を更に有する。領域137では、図8に示された例と同様に、正方格子の各格子点O上に異屈折率領域13bが設けられている。領域137の異屈折率領域13bの形状および大きさは、領域136の異屈折率領域13bと同一である。また、領域137の正方格子の格子定数は、領域136の正方格子の格子定数と等しい。このように、正方格子の各格子点O上に異屈折率領域13bが設けられた領域137によって領域136を囲むことにより、面内方向への光漏れを抑制することができ、閾値電流の低減が期待できる。
Claims (13)
- 主面を有する基板と、
前記主面に垂直な方向または該方向に対して傾斜した方向、或いはその両方に光像を出力する発光部と、
前記主面と前記発光部とを相互に接合する接合層と、
を備え、
前記発光部は、
第1導電型の第1クラッド層、前記第1クラッド層上に設けられた活性層、前記活性層上に設けられた第2導電型の第2クラッド層、及び、前記第1クラッド層と前記活性層との間若しくは前記活性層と前記第2クラッド層との間に設けられた位相変調層を含む半導体積層と、
前記半導体積層の前記第1クラッド層側の裏面に接する第1電極と、
前記半導体積層の前記第2クラッド層側の表面に接する第2電極と、
を有し、
前記接合層及び前記基板は、前記半導体積層に対して前記裏面側に位置し、
前記位相変調層は、該位相変調層の厚さ方向から見て前記第2電極と重なる第1領域と、前記第1領域を除く第2領域とを含み、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、前記第2領域に含まれる各異屈折率領域の重心は、前記仮想的な正方格子の各格子点から離れており且つ各格子点周りに前記光像に応じた位相分布に従う回転角度を有するか、または、格子点を通り前記正方格子に対して傾斜する直線上に位置し且つ該重心と該格子点との距離が前記光像に応じた位相分布に従って個別に設定されており、
前記光像は、前記半導体積層の前記表面から出力されるとともに、前記第2領域から前記第2電極を通過した光成分のみによって構成される単一のビームパターンとして完成され、
前記半導体積層の前記表面は前記裏面よりも平坦である、発光素子。 - 前記活性層はGa、In及びPを組成として含む、請求項1に記載の発光素子。
- 前記接合層は樹脂を含む、請求項1または2に記載の発光素子。
- 前記第2電極の平面形状は複数の開口を含む、請求項1〜3のいずれか1項に記載の発光素子。
- 前記第2電極の平面形状は複数のスリットを含む、請求項1〜4のいずれか1項に記載の発光素子。
- 前記第2電極の平面形状は格子状、縞状、同心円状、放射状、又は櫛歯状である、請求項1〜5のいずれか1項に記載の発光素子。
- 前記表面から前記第1電極に至る凹部を有する、請求項1〜6のいずれか1項に記載の発光素子。
- 前記第1領域に含まれる前記複数の異屈折率領域の重心が、前記仮想的な正方格子の格子点上に配置されるか、若しくは、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周りに前記光像とは無関係な回転角度を有する、請求項1〜7のいずれか1項に記載の発光素子。
- 前記第1領域の幅が前記第2電極の幅よりも大きい、請求項1〜8のいずれか1項に記載の発光素子。
- 前記半導体積層は、前記第2クラッド層と前記第2電極との間に位置するコンタクト層を更に含み、
前記第2電極は前記コンタクト層と接する、請求項1〜9のいずれか1項に記載の発光素子。 - 請求項1〜9のいずれか1項に記載の発光素子を作製する方法であって、
前記半導体積層を前記第2クラッド層側から順に成長基板上に成長させる工程と、
前記第1電極を前記半導体積層上に形成する工程と、
前記接合層を介して前記基板の前記主面を前記第1電極に接合する工程と、
前記成長基板を除去する工程と、
前記半導体積層の前記表面上に前記第2電極を形成する工程と、
を含む、発光素子の作製方法。 - 請求項10に記載の発光素子を作製する方法であって、
前記半導体積層を前記コンタクト層側から順に成長基板上に成長させる工程と、
前記第1電極を前記半導体積層上に形成する工程と、
前記接合層を介して前記基板の前記主面を前記第1電極に接合する工程と、
前記コンタクト層をエッチング停止層として用い、前記成長基板をエッチングにより除去する工程と、
前記半導体積層の前記表面上に前記第2電極を形成する工程と、
を含む、発光素子の作製方法。 - 請求項1〜10のいずれか1項に記載の発光素子の前記位相変調層を設計する方法であって、
前記第1領域における前記複数の異屈折率領域の重心の位置を、前記仮想的な正方格子の格子点上か、若しくは、前記仮想的な正方格子の格子点から離れており該格子点周りに一定の回転角度を有するものとして拘束しながら、前記第2領域における前記複数の異屈折率領域の重心の位置を、所望の前記光像に基づく繰り返し演算により算出する、発光素子の位相変調層設計方法。
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