JP2021082730A - 半導体発光素子 - Google Patents
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Abstract
【課題】インコヒーレントな光を積層方向に出力することができる半導体発光素子を提供する。【解決手段】半導体発光素子１Ａは、活性層１２、下側クラッド層１１、上側クラッド層１４及び光回折層１３を有する積層体１０と、上側クラッド層１４上に設けられた第１電極４及び第２電極５と、対向電極６と、を備える。光回折層１３は、基本層２１と、基本層２１の屈折率とは異なる屈折率を有し、基本層２１において周期的に配列された複数の異屈折率領域２２と、を有する。第２電極５は、積層体１０の積層方向に垂直な一の方向において第１電極４の少なくとも一部の両側に位置するように配置されている。積層体１０には、第１電極４下の第１領域１０１と第２電極５下の第２領域１０２との間を電気的に分離する分離領域１８が設けられている。複数の異屈折率領域２２は、基本層２１において、積層方向から見た場合に第１領域１０１と重なる部分に設けられている。【選択図】図３
Description
本発明は、半導体発光素子に関する。
特許文献１に記載の半導体発光素子は、活性層と、活性層を挟む一対のクラッド層と、活性層と一方のクラッド層との間に設けられた位相変調層と、を備えている。位相変調層は、基本層と、基本層の屈折率とは異なる屈折率を有し、基本層において２次元状に周期的に配列された異屈折率領域と、を有している。活性層において発生した光は、位相変調層において２次元の定在波を形成し、面内方向に発振することでレーザ光となり、積層方向に出射する。
特許文献２には、ダブルヘテロ構造の積層体がイオン注入領域によって利得領域と損失領域とに電気的に分離された端面発光型の光半導体素子が記載されている。この光半導体素子は、時間的にインコヒーレントな光を出力するスーパールミネッセントダイオードとして機能し得る。
本発明は、インコヒーレントな光を積層方向に出力することができる半導体発光素子を提供することを目的とする。
本発明の半導体発光素子は、活性層、活性層を挟む第１クラッド層及び第２クラッド層、並びに、活性層と第１クラッド層との間、又は活性層と第２クラッド層との間に設けられた光回折層を有する積層体と、互いに離間するように第２クラッド層上に設けられた第１電極及び第２電極と、積層体に対して第１電極及び第２電極とは反対側に設けられた少なくとも１つの対向電極と、を備え、光回折層は、基本層と、基本層の屈折率とは異なる屈折率を有し、基本層において基本層の厚さ方向に垂直な平面に沿って周期的に配列された複数の異屈折率領域と、を有し、第２電極は、積層体の積層方向に垂直な一の方向において第１電極の少なくとも一部の両側に位置するように配置されており、積層体には、第１電極下の第１領域と第２電極下の第２領域との間を電気的に分離する分離領域が設けられており、複数の異屈折率領域は、基本層において、積層方向から見た場合に第１領域と重なる部分に設けられている。
この半導体発光素子では、第２クラッド層上に互いに離間するように第１電極及び第２電極が設けられており、第１電極下の第１領域と第２電極下の第２領域とが分離領域によって互いに電気的に分離されている。そして、第２電極が、積層体の積層方向に垂直な一の方向において第１電極の少なくとも一部の両側に位置するように配置されている。これにより、第１電極と対向電極との間に順バイアスをかけて第１領域を利得領域として機能させると共に、第２電極と対向電極との間に逆バイアスをかけて第２領域を損失領域として機能させることで、第１領域において発生した光の共振を第１領域の両側の第２領域によって抑制することができ、インコヒーレントな光を発生させることができる。更に、活性層と第１クラッド層又は第２クラッド層との間に光回折層が設けられており、光回折層には、積層方向から見た場合に第１領域と重なる部分に異屈折率領域が設けられている。これにより、活性層において発生したインコヒーレントな光を光回折層によって回折させて積層方向に出力することができる。よって、この半導体発光素子によれば、インコヒーレントな光を積層方向に出力することができる。
分離領域は、イオン注入領域、不純物拡散領域、第２クラッド層とは伝導型が異なる半導体領域、又は前記第２クラッド層とは不純物濃度が異なる半導体領域によって構成されていてもよい。この場合、分離領域での光の反射を抑制することができ、第１領域において発生した光の共振を一層効果的に抑制することができる。
光回折層は、活性層と第２クラッド層との間に設けられており、分離領域は、第２クラッド層から光回折層に至っていてもよい。この場合、第１領域と第２領域との間の電気的な分離を一層確実化することができる。
本発明の半導体発光素子は、半導体基板を更に備え、積層体は、第１クラッド層が第２クラッド層に対して半導体基板側に位置するように、半導体基板上に配置されており、光回折層は、活性層と第２クラッド層との間に設けられていてもよい。この場合、製造時に、半導体基板上に活性層を形成した後に光回折層を形成することができる。そのため、光回折層を形成した後に活性層が形成される場合と比べて、活性層の平坦性を確実に確保することができる。
複数の異屈折率領域は、基本層において、積層方向から見た場合に第１領域と重なる部分及び第２領域と重なる部分にわたって設けられていてもよい。この場合、異屈折率領域の配列端が第２領域に位置することとなり、当該配列端での反射に起因する光の共振を確実に抑制することができる。
第１電極は、直線状に延在する部分を有していてもよい。この場合、第１領域の幅を狭くすることができ、第１領域において発生した光の共振を一層確実に抑制することができる。
第１電極は、複数の第１直線状部を有し、第２電極は、複数の第１直線状部と互い違いに配置された複数の第２直線状部を有していてもよい。この場合、第１領域の幅を狭くすることができ、第１領域において発生した光の共振を一層確実に抑制することができる。更に、光の出射領域を大きく確保することができる。
第１電極は、積層方向から見た場合に、第２電極によって囲まれていてもよい。この場合、第１領域において発生した光の共振を、第１領域を囲む第２領域によって効果的に抑制することができる。
基本層の厚さ方向に垂直な平面に沿って基本層に仮想的な格子点の群が設定された場合に、複数の異屈折率領域の各々の重心の格子点に対する位置は、所定の変調パターンに従って設定されていてもよい。この場合、変調パターンに応じた形状の光を積層方向に出力することができる。
第１領域は、第１電極と少なくとも１つの対向電極との間に順バイアスがかけられることにより、利得領域として機能し、第２領域は、第２電極と少なくとも１つの対向電極との間に逆バイアスがかけられることにより、損失領域として機能してもよい。この場合、上述したとおり、第１領域において発生した光の共振を第１領域の両側の第２領域によって抑制することができ、インコヒーレントな光を積層方向に出力することができる。
本発明によれば、インコヒーレントな光を積層方向に出力することができる半導体発光素子を提供することが可能となる。
以下、本発明の一実施形態について、図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、以下の説明において、同一又は相当要素には同一符号を用い、重複する説明を省略する。
［半導体発光素子の構成］
［半導体発光素子の構成］
図１〜図３に示されるように、半導体発光素子１Ａは、半導体基板２と、積層体１０と、を備えている。積層体１０は、下側クラッド層１１（第１クラッド層）、活性層１２、光回折層１３、上側クラッド層１４（第２クラッド層）及びコンタクト層１５が、この順に半導体基板２の表面２ａ上に積層されることにより構成されている。すなわち、積層体１０は、下側クラッド層１１が上側クラッド層１４に対して半導体基板２側に位置するように、半導体基板２上に配置されている。活性層１２は、下側クラッド層１１と上側クラッド層１４との間に挟まれている。光回折層１３は、活性層１２と上側クラッド層１４との間に設けられている。以下、積層体１０の積層方向をＺ方向とし、Ｚ方向に垂直な一の方向をＸ方向とし、Ｚ方向及びＸ方向に垂直な方向をＹ方向として説明する。半導体基板２及び各層１１〜１５の厚さ方向は、積層体１０の積層方向に平行である。
光回折層（回折格子層）１３は、基本層２１と、基本層２１に設けられた複数の異屈折率領域２２と、を有している。異屈折率領域２２は、基本層２１の屈折率とは異なる屈折率を有する領域である。異屈折率領域２２は、基本層２１において、基本層２１の厚さ方向に垂直な平面（ＸＹ平面）に沿って、周期的に配列されている。光回折層１３の詳細については後述する。
半導体基板２及び各層１１〜１５は、例えばＧａＡｓ系半導体、ＩｎＰ系半導体、窒化物系半導体等の化合物半導体によって構成されている。一例として、半導体基板２はＧａＡｓ基板である。下側クラッド層１１、活性層１２、光回折層１３、上側クラッド層１４及びコンタクト層１５は、III族元素のＧａ，Ａｌ，Ｉｎ及びＶ族元素のＡｓからなる群に含まれる元素により構成される化合物半導体層である。具体例として、下側クラッド層１１はＡｌＧａＡｓ層であり、活性層１２は多重量子井戸構造（例えば、障壁層がＡｌＧａＡｓからなり、井戸層がＩｎＧａＡｓからなる）を有し、上側クラッド層１４はＡｌＧａＡｓ層であり、コンタクト層１５はＧａＡｓ層である。
下側クラッド層１１には半導体基板２と同じ導電型が付与されており、上側クラッド層１４及びコンタクト層１５には半導体基板２とは逆の導電型が付与されている。一例では、半導体基板２及び下側クラッド層１１はｎ型であり、上側クラッド層１４及びコンタクト層１５はｐ型である。光回折層１３は、半導体基板２とは逆の導電型を有する。不純物濃度は、例えば１×１０１７〜１×１０２１／ｃｍ３である。図３では各部が概略的に示されているが、実際には半導体基板２は積層体１０と比べて極めて厚い。
半導体発光素子１Ａは、第１電極（ゲイン電極）４と、第２電極（吸収電極）５と、対向電極６と、を更に備えている。第１電極４及び第２電極５は、互いに離間するように、コンタクト層１５を介して上側クラッド層１４上に設けられている。第１電極４及び第２電極５は、コンタクト層１５を介して上側クラッド層１４と電気的に接続されている。コンタクト層１５上には、第１電極４及び第２電極５を囲むように保護層１６が設けられている。対向電極６は、半導体基板２の裏面２ｂ上に設けられており、半導体基板２と電気的に接続されている。すなわち、対向電極６は、積層体１０に対して第１電極４及び第２電極５とは反対側に設けられている。対向電極６は、開口６ａを有している。例えば、対向電極６は、矩形状の外形を有し、開口６ａは、矩形状に形成されている（図２）。半導体基板２の裏面２ｂ上には、対向電極６を囲むように反射防止層１７が設けられている。
第１電極４、第２電極５及び対向電極６は、例えばＡｕ系の金属からなる。保護層１６は、例えば、シリコン窒化物（例えばＳｉＮ）、シリコン酸化物（例えばＳｉＯ２）等の絶縁膜からなる。反射防止層１７は、例えば、シリコン窒化物（例えばＳｉＮ）、シリコン酸化物（例えばＳｉＯ２）等の誘電体単層膜、又は誘電体多層膜からなる。誘電体多層膜には、例えば、酸化チタン（ＴｉＯ２）、二酸化シリコン（ＳｉＯ２）、一酸化シリコン（ＳｉＯ）、酸化ニオブ（Ｎｂ２Ｏ５）、五酸化タンタル（Ｔａ２Ｏ５）、フッ化マグネシウム（ＭｇＦ２）、酸化チタン（ＴｉＯ２）、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、酸化セリウム（ＣｅＯ２）、酸化インジウム（Ｉｎ２Ｏ３）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）等の誘電体層群から選択される２種類以上の誘電体層が積層された膜を用いることができる。例えば、波長λの光に対する光学膜厚で、λ／４の厚さの膜が積層される。
図１に示されるように、第１電極４は、複数（この例では６つ）の第１直線状部４ａと、それらの第１直線状部４ａの端部同士を接続する第１接続部４ｂと、を有している。各第１直線状部４ａは、矩形の層状に形成され、Ｘ方向に沿って直線状に延在している。複数の第１直線状部４ａは、互いに同一の形状を有しており、Ｙ方向に沿って並んでいる。第１接続部４ｂは、矩形の層状に形成され、Ｙ方向に沿って直線状に延在している。すなわち、第１接続部４ｂは、複数の第１直線状部４ａと直交するように延在している。
第２電極５は、複数（この例では６つ）の第２直線状部５ａと、それらの第２直線状部５ａの端部同士を接続する第２接続部５ｂと、を有している。各第２直線状部５ａは、矩形の層状に形成され、Ｘ方向に沿って直線状に延在している。複数の第２直線状部５ａは、互いに同一の形状を有しており、Ｙ方向に沿って並んでいる。
複数の第２直線状部５ａは、複数の第１直線状部４ａと互い違いに配置されている。すなわち、Ｙ方向において最も一方側（図１中の最も上側）に位置する第２直線状部５ａを除いて、各第２直線状部５ａは、隣り合う２つの第１直線状部４ａの間に位置している。換言すれば、隣り合う２つの第２直線状部５ａは、Ｙ方向において第１直線状部４ａの両側に位置している（Ｙ方向において第１直線状部４ａを挟むように配置されている）。
第２直線状部５ａは、第１直線状部４ａと平行に延在している。複数の第１直線状部４ａ及び複数の第２直線状部５ａは、Ｙ方向に沿って等間隔で並んでいる。第２直線状部５ａは、第１直線状部４ａと同一の形状を有している。第２接続部５ｂは、矩形の層状に形成され、Ｙ方向に沿って直線状に延在している。すなわち、第２接続部５ｂは、複数の第２直線状部５ａと直交するように延在している。第２接続部５ｂは、第１接続部４ｂと平行に延在している。第２接続部５ｂは、第１接続部４ｂと同一の形状を有している。
積層体１０には、分離領域（電流遮蔽領域）１８が設けられている。分離領域１８は、積層体１０において、第１電極４下の第１領域１０１と第２電極５下の第２領域１０２とを電気的に分離している。第１領域１０１は、第１電極４の直下の領域であり、Ｚ方向から見た場合に積層体１０において第１電極４と重なる領域である。第２領域１０２は、第２電極５の直下の領域であり、Ｚ方向から見た場合に積層体１０において第２電極５と重なる領域である。
分離領域１８は、Ｚ方向から見た場合に第１直線状部４ａと第２直線状部５ａとの間において延在する複数の第１部分１８ａと、Ｚ方向から見た場合に第１直線状部４ａと第２接続部５ｂとの間、又は第１接続部４ｂと第２直線状部５ａとの間において延在し、複数の第１部分１８ａの端部同士を接続する複数の第２部分と、を有している。各第１部分１８ａは、Ｙ方向に垂直なＸＺ平面に沿って延在している。各第２部分は、Ｘ方向に垂直なＹＺ平面に沿って延在している。分離領域１８は、Ｚ方向において、コンタクト層１５の表面１５ａから上側クラッド層１４に至っている。分離領域１８の端部は、Ｚ方向における上側クラッド層１４の中間点を超えて、光回折層１３の近傍に至っている。
分離領域１８は、例えば、イオン注入によってプロトン、ボロン等が積層体１０に添加されることにより形成されたイオン注入領域である。分離領域１８がイオン注入領域によって構成されていることにより、分離領域１８と第１領域１０１及び第２領域１０２との間の屈折率差を小さくすることができ、分離領域１８での光の反射を抑制することができる。
図４を参照しつつ、光回折層１３の詳細を説明する。上述したとおり、光回折層１３は、基本層２１と、基本層２１の屈折率とは異なる屈折率を有する複数の異屈折率領域２２と、を有している。ＸＹ平面に沿って光回折層１３に仮想的な格子点Ｏの群が設定された場合に、各異屈折率領域２２の重心Ｇは、格子点Ｏ上に位置している。この例では、各格子点Ｏは、正方格子を構成している。正方格子の一辺はＸ方向に平行であり、他辺はＹ方向に平行である。Ｚ方向から見た場合における各異屈折率領域２２の形状は、例えば円形状である。各異屈折率領域２２は、例えば、基本層２１における上側クラッド層１４側の表面２１ａからＺ方向に沿って延在している（図３）。半導体発光素子１Ａの駆動時に活性層１２において発生させられる光の波長をλとし、ｎを自然数とすると、Ｘ方向又はＹ方向に隣り合う異屈折率領域２２の重心Ｇ同士は、ｎλだけ離れている。
図３に示されるように、複数の異屈折率領域２２は、基本層２１において、Ｚ方向から見た場合に第１領域１０１（第１電極４）と重なる部分及び第２領域１０２（第２電極５）と重なる部分にわたって設けられている。この例では、複数の異屈折率領域２２は、第１領域１０１と重なる部分の全体に設けられている。また、複数の異屈折率領域２２は、第１領域１０１と重なる部分同士を接続するように、第２領域１０２と重なる部分にも設けられている。すなわち、複数の異屈折率領域２２は、隣り合う第１領域１０１によって挟まれた第２領域１０２と重なる部分にも設けられている。なお、図３及び図４では異屈折率領域２３が概略的に示されているが、実際には図示された間隔よりも短い間隔で、多数の異屈折率領域２２が配列されている。
一例として、基本層２１はＧａＡｓからなり、異屈折率領域２２は空孔である。異屈折率領域２２は、基本層２１とは屈折率が異なる半導体が空孔内に埋め込まれることにより構成されていてもよい。この場合、基本層２１の空孔はエッチングにより形成されてもよい。有機金属気相成長法、スパッタ法又はエピタキシャル法を用いて半導体が空孔内に埋め込まれてもよい。基本層２１の空孔内に半導体を埋め込むことにより異屈折率領域２２が形成された後、更に、その上に異屈折率領域２２と同一の半導体が堆積されてもよい。異屈折率領域２２が空孔である場合、該空孔にアルゴン、窒素、水素といった不活性ガス又は空気が封入されていてもよい。
［半導体発光素子の駆動方法］
［半導体発光素子の駆動方法］
半導体発光素子１Ａの駆動方法の一例を説明する。第１電極４と対向電極６との間に順バイアスがかけられる。例えば、対向電極６を接地電位として第１電極４に正電圧（例えば＋１．５〜＋２Ｖ）が印加される。これにより、第１領域１０１が利得領域（ゲイン領域）として機能し、当該利得領域がレーザダイオードとして光を発振させようとする。その一方で、第２電極５と対向電極６との間に逆バイアスがかけられる。例えば、対向電極６を接地電位として第２電極５に負電圧（例えば−５Ｖ）が印加される。これにより、第２領域１０２が損失領域（吸収領域）として機能し、当該損失領域がレーザダイオードとしての光発振を止めようとする。その結果、第１領域１０１及び第２領域１０２がスーパールミネッセントダイオードとして機能し、時間的にインコヒーレントな光が発生する。図３では、活性層１２のうち駆動時に利得領域として機能する領域が符号１２ａで示され、損失領域として機能する領域が符号１２ｂで示されている。
活性層１２において発生した光は、光回折層１３において回折され、光回折層１３の格子構造（異屈折率領域２２の配列パターン）に応じて２次元の定在波を形成する。これにより形成された平面状の光は、活性層１２、下側クラッド層１１及び半導体基板２を通り、半導体基板２の裏面２ｂからＺ方向に沿って出力される。図３中に矢印で示されるように、この例では、出力光は対向電極６の開口６ａから出力される。
［作用及び効果］
［作用及び効果］
半導体発光素子１Ａでは、上側クラッド層１４上に互いに離間するように第１電極４及び第２電極５が設けられており、第１電極４下の第１領域１０１と第２電極５下の第２領域１０２とが分離領域１８によって互いに電気的に分離されている。そして、第２電極５が、Ｙ方向において第１電極４の少なくとも一部の両側に位置するように配置されている。これにより、第１電極４と対向電極６との間に順バイアスをかけて第１領域１０１を利得領域として機能させると共に、第２電極５と対向電極６との間に逆バイアスをかけて第２領域１０２を損失領域として機能させることで、第１領域１０１において発生した光の共振を第１領域１０１の両側の第２領域１０２によって抑制することができ、インコヒーレントな光を発生させることができる。更に、活性層１２と上側クラッド層１４との間に光回折層１３が設けられており、光回折層１３には、Ｚ方向から見た場合に第１領域１０１と重なる部分に異屈折率領域２２が設けられている。これにより、活性層１２において発生したインコヒーレントな光を光回折層１３によって回折させてＺ方向に出力することができる。よって、半導体発光素子１Ａによれば、インコヒーレントな光を積層方向（Ｚ方向）に出力することができる。
分離領域１８が、イオン注入領域によって構成されている。これにより、分離領域１８での光の反射を抑制することができ、第１領域１０１において発生した光の共振を一層効果的に抑制することができる。
積層体１０が、下側クラッド層１１が上側クラッド層１４に対して半導体基板２側に位置するように、半導体基板２上に配置されており、光回折層１３が、活性層１２と上側クラッド層１４との間に設けられている。これにより、製造時に、半導体基板２上に活性層１２を形成した後に光回折層１３を形成することができる。そのため、光回折層１３を形成した後に活性層１２が形成される場合と比べて、活性層１２の平坦性を確実に確保することができる。
複数の異屈折率領域２２が、基本層２１において、Ｚ方向から見た場合に第１領域１０１と重なる部分及び第２領域１０２と重なる部分にわたって設けられている。これにより、異屈折率領域２２の配列端が第２領域１０２に位置することとなり、当該配列端での反射に起因する光の共振を確実に抑制することができる。
第１電極４が、直線状に延在する第１直線状部４ａを有している。これにより、第１領域１０１の幅を狭くすることができ、第１領域１０１において発生した光の共振を一層確実に抑制することができる。
第１電極４が、複数の第１直線状部４ａを有し、第２電極５が、複数の第１直線状部４ａと互い違いに配置された複数の第２直線状部５ａを有している。これにより、第１領域１０１の幅を狭くすることができ、第１領域１０１において発生した光の共振を一層確実に抑制することができる。更に、光の出射領域を大きく確保することができる。
［変形例］
［変形例］
図５〜図７に示される第１変形例の半導体発光素子１Ｂでは、Ｚ方向から見た場合に、第１電極４が円形状に形成され、第２電極５が円環状に形成されている。第１電極４は、第２電極５によって囲まれている。換言すれば、第２電極５は、Ｚ方向に垂直な任意の方向において、第１電極４の両側に位置している。すなわち、第２電極５は、Ｚ方向に垂直な第１の方向、並びにＺ方向及び第１の方向の双方に垂直な第２の方向の各々において、第１電極４の両側に位置している。分離領域１８は、Ｚ方向から見た場合に第１電極４と第２電極５との間において円環状に延在している。
第１変形例の半導体発光素子１Ｂによっても、上記実施形態の半導体発光素子１Ａと同様に、インコヒーレントな光を積層方向に出力することができる。また、第１電極４が、Ｚ方向から見た場合に第２電極５によって囲まれている。これにより、第１領域１０１において発生した光の共振を、第１領域１０１を囲む第２領域１０２によって効果的に抑制することができる。
図８〜図１０に示される第２変形例の半導体発光素子１Ｃでは、第１変形例の半導体発光素子１Ａと同様に、Ｚ方向から見た場合に、第１電極４が円形状に形成され、第２電極５が円環状に形成されている。第１電極４は、第２電極５によって囲まれている。半導体発光素子１Ｃでは、対向電極６が半導体基板２の裏面２ｂの全体に設けられている。対向電極６は、出力光の波長に対して透明な材料により形成されており、透明電極とされている。反射防止層１７は、対向電極６上に設けられている。
光回折層１３は、活性層１２と下側クラッド層１１との間に設けられている。半導体発光素子１Ｃは、メサ型に形成されている。すなわち、半導体基板２は、第１部分２ｃと、第１部分２ｃよりも幅広な第２部分２ｄと、を有している。積層体１０は、第１部分２ｃの表面２ａ上に配置されている。対向電極６は、第２部分２ｄの裏面２ｂ上に設けられている。出力光は、対向電極６を透過して半導体基板２の裏面２ｂ側から出力される。第２変形例の半導体発光素子１Ｃによっても、上記実施形態の半導体発光素子１Ａと同様に、インコヒーレントな光を積層方向に出力することができる。
図１１及び図１２に示される第３変形例、又は図１３及び図１４に示される第４変形例のように異屈折率領域２２が配置されてもよい。第３変形例及び第４変形例では、複数の異屈折率領域２２の各々の重心Ｇの格子点Ｏに対する位置が、所定の変調パターンに従って設定されている。換言すれば、複数の異屈折率領域２２の各々の重心Ｇの位置が、所定の変調パターンに従って格子点Ｏからずれている。これにより、変調パターンに応じて出力光の空間位相を変調することができ、変調パターンに応じた形状の光を積層方向に出力することができる。すなわち、第３変形例及び第４変形例では、光回折層１３は、位相変調層としても機能する。
図１１及び図１２に示されるように、第３変形例では、異屈折率領域２２の重心Ｇの位置が回転方式で格子点Ｏからずらされている。正方格子の格子点Ｏを中心とする正方形状の単位構成領域Ｒが、Ｘ方向に沿った複数列及びＹ方向に沿った複数行に配置され、２次元状に設定されている。複数の異屈折率領域２２は、各単位構成領域Ｒ内に１つずつ設けられている。各単位構成領域Ｒ内において、異屈折率領域２２の重心Ｇは、格子点Ｏから離れて配置されている。回転方式としては、例えば下記参考文献に記載されたものを用いることができる。
（参考文献）：国際公開２０１８−２３０６１２号
（参考文献）：国際公開２０１８−２３０６１２号
図１１において、ｘ１〜ｘ４で示された破線は単位構成領域ＲにおけるＸ方向の中心位置を示し、ｙ１〜ｙ３で示された破線は単位構成領域ＲにおけるＹ方向の中心位置を示す。破線ｘ１〜ｘ４と破線ｙ１〜ｙ３の各交点は、単位構成領域Ｒ（０，０）〜Ｒ（３，２）の中心である格子点Ｏ（０，０）〜Ｏ（３，２）を示す。この仮想的な正方格子の格子定数はａである。格子定数ａは、発光波長に応じて調整される。
異屈折率領域２２の配置は、所定の変調パターンに従って定められる。変調パターンは、例えば、出力光の目標形状（目標画像）をフーリエ変換して得られる位相分布である。各異屈折率領域２２の重心Ｇを格子点Ｏからずらす方向及び距離は、変調パターンに応じて決定される。格子点Ｏからずらす距離ｒ（図１２参照）は、正方格子の格子定数をａとしたときに０＜ｒ≦０．３ａの範囲であることが好ましい。距離ｒは、全ての異屈折率領域２２について同一であってもよいが、一部の異屈折率領域２２についての距離ｒが他の異屈折率領域２２についての距離ｒと異なっていてもよい。
図１２には、回転方式により決定された異屈折率領域２２の配置の一例が示されている。単位構成領域Ｒ（ｘ，ｙ）は、格子点Ｏ（ｘ，ｙ）において互いに直交するｓ軸及びｔ軸によって規定される。ｓ軸はＸ方向に平行な軸であり、図１１中の破線ｘ１〜ｘ４に対応する。ｔ軸はＹ方向に平行な軸であり、図１１中の破線ｙ１〜ｙ３に対応する。ｓｔ平面において、格子点Ｏ（ｘ，ｙ）及び重心Ｇを通る直線とｓ軸との成す角度がφ（ｘ，ｙ）で与えられる。回転角度φ（ｘ，ｙ）が０°である場合、格子点Ｏ（ｘ，ｙ）から重心Ｇへ向かうベクトルの方向はｓ軸の正方向と一致する。格子点Ｏ（ｘ，ｙ）から重心Ｇへ向かうベクトルの長さ（距離ｒに相当）は、ｒ（ｘ，ｙ）で与えられる。
図１１に示されるように、光回折層１３においては、異屈折率領域２２の重心Ｇの格子点Ｏ（ｘ，ｙ）周りの回転角度φ（ｘ，ｙ）が、出力光の目標形状に応じて単位構成領域Ｒごとに独立して設定される。回転角度φ（ｘ，ｙ）は、単位構成領域Ｒ（ｘ，ｙ）において特定の値を有するが、必ずしも特定の関数で表わされるとは限らない。例えば、回転角度φ（ｘ，ｙ）は、出力光の目標形状を波数空間上に変換し、この波数空間の一定の波数範囲を２次元逆離散フーリエ変換して得られる複素振幅の位相項から決定される。
図１３及び図１４に示されるように、第４変形例では、異屈折率領域２２の重心Ｇの位置が軸シフト方式で格子点Ｏからずらされている。軸シフト方式としては、例えば上記参考文献に記載されたものを用いることができる。
図１４に示されるように、各異屈折率領域２２の重心Ｇは、直線Ｌ上に配置されている。直線Ｌは、単位構成領域Ｒ（ｘ，ｙ）の格子点Ｏ（ｘ，ｙ）を通り、正方格子の各辺に対して傾斜する直線である。ｓ軸に対する直線Ｌの傾斜角はθである。傾斜角θは、光回折層１３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。或いは、傾斜角θは、１８０°＜θ＜２７０°を満たし、一例ではθ＝２２５°であってもよい。或いは、傾斜角θは、９０°＜θ＜１８０°を満たし、一例ではθ＝１３５°であってもよい。或いは、傾斜角θは、２７０°＜θ＜３６０°を満たし、一例ではθ＝３１５°であってもよい。このように、傾斜角θは、０°，９０°，１８０°及び２７０°以外の角度である。
図１３に示されるように、各異屈折率領域２２の重心Ｇと、単位構成領域Ｒ（ｘ，ｙ）の格子点Ｏ（ｘ，ｙ）との間の距離ｒ（ｘ，ｙ）は、出力光の目標形状に応じて異屈折率領域２２ごとに設定される。距離ｒ（ｘ，ｙ）の分布は、ｘ（図１３の例ではｘ１〜ｘ４）とｙ（図１３の例ではｙ１〜ｙ３）の値で決まる位置ごとに特定の値を有するが、必ずしも特定の関数で表わされるとは限らない。距離ｒ（ｘ，ｙ）の分布は、出力光の目標形状を逆フーリエ変換して得られる複素振幅分布のうち位相分布を抽出したものから決定される。
例えば、図１４に示されるように、単位構成領域Ｒ（ｘ，ｙ）における位相Ｐ（ｘ，ｙ）がＰ0である場合には距離ｒ（ｘ，ｙ）が０に設定され、位相Ｐ（ｘ，ｙ）がπ＋Ｐ0である場合には距離ｒ（ｘ，ｙ）が最大値Ｒ0に設定され、位相Ｐ（ｘ，ｙ）が−π＋Ｐ0である場合には距離ｒ（ｘ，ｙ）が最小値−Ｒ0に設定される。その中間の位相Ｐ（ｘ，ｙ）に対しては、ｒ（ｘ，ｙ）＝｛Ｐ（ｘ，ｙ）−Ｐ0｝×Ｒ0／πとなるように距離ｒ（ｘ，ｙ）が設定される。初期位相Ｐ0は、任意に設定される。
第３変形例及び第４変形例によっても、上記実施形態と同様に、インコヒーレントな光を積層方向に出力することができる。また、複数の異屈折率領域２２の各々の重心Ｇの格子点Ｏに対する位置が、所定の変調パターンに従って設定されている。これにより、変調パターンに応じた形状の光を積層方向に出力することができる。なお、第３変形例及び第４変形例のように、複数の異屈折率領域２２の各々の重心Ｇの格子点Ｏに対する位置が所定の変調パターンに従って設定されている構成についても、複数の異屈折率領域２２が基本層２１において基本層２１の厚さ方向に垂直な平面（ＸＹ平面）に沿って周期的に配列されている構成に含まれる。
図１５（ａ）に示される第５変形例、図１５（ｂ）に示される第６変形例、図１５（ｃ）に示される第７変形例、図１６（ａ）に示される第８変形例、図１６（ｂ）に示される第９変形例、図１７（ａ）に示される第１０変形例、図１７（ｂ）に示される第１１変形例、図１７（ｃ）に示される第１２変形例、図１８（ａ）に示される第１３変形例、又は図１８（ｂ）に示される第１４変形例のように第１電極４及び第２電極５が配置されてもよい。図１５（ａ）〜図１８（ｂ）では、理解の容易化のために第１電極４にハッチングが付されている。また、第１電極４と第２電極５とが隣接して示されているが、実際には第１電極４と第２電極５との間には隙間が空いており、当該隙間の下には分離領域１８が設けられている。
図１５（ａ）に示されるように、第５変形例では、第１電極４は、Ｚ方向から見た場合に渦巻き状に延在している。第２電極５は、Ｚ方向に垂直な任意の方向において、第１電極４の一部の両側に位置するように配置されている。すなわち、第２電極５は、Ｚ方向に垂直な第１の方向、並びにＺ方向及び第１の方向の双方に垂直な第２の方向の各々において、第１電極４の一部の両側に位置している。
図１５（ｂ）に示されるように、第６変形例では、第１電極４は、複数の第１直線状部４ａと、それらの第１直線状部４ａの端部同士を接続する第１接続部４ｂと、を有している。第２電極５は、Ｙ方向において各第１直線状部４ａの両側に位置している。また、第２電極５は、Ｘ方向において第１接続部４ｂの両側に位置している。
図１５（ｃ）に示されるように、第７変形例では、第１電極４は、複数の第１直線状部４ａと、複数の第１接続部４ｂと、を有している。複数の第１直線状部４ａは、Ｙ方向に沿って並んでいる。複数の第１接続部４ｂは、Ｙ方向に沿って直線状に延在し、Ｙ方向に隣り合う第１直線状部４ａの端部同士を互い違いに接続している。第２電極５は、Ｙ方向において各第１直線状部４ａの両側に位置している。また、第２電極５は、Ｘ方向において各第１接続部４ｂの両側に位置している。
図１６（ａ）に示されるように、第８変形例では、第２電極５は、２つの環状部５ｃと、２つの環状部５ｃに接続された直線状部５ｄと、外側部５ｅと、を有している。各環状部５ｃは、円環状に形成されており、一方の環状部５ｃが他方の環状部５ｃを囲んでいる。外側部５ｅは、直線状部５ｄに接続されており、２つの環状部５ｃ及び直線状部５ｄを囲んでいる。第１電極４は、第２電極５によって囲まれた領域内に配置されている。第２電極５は、Ｚ方向に垂直な任意の方向において第１電極４の両側に位置している。
図１６（ｂ）に示されるように、第９変形例では、第２電極５は、２つの環状部５ｃと、２つの環状部５ｃにそれぞれ接続された２つの直線状部５ｄと、外側部５ｅと、を有している。各環状部５ｃは、円環状に形成されており、一方の環状部５ｃが他方の環状部５ｃを囲んでいる。外側部５ｅは、各直線状部５ｄに接続されており、２つの環状部５ｃ及び２つの２つの直線状部５ｄを囲んでいる。第１電極４は、第２電極５によって囲まれた領域内に配置されている。第２電極５は、Ｚ方向に垂直な任意の方向において第１電極４の両側に位置している。
図１７（ａ）に示されるように、第１０変形例では、第２電極５は、六方格子状に延在している。第１電極４は、第２電極５によって囲まれた領域内に配置されている。第２電極５は、Ｚ方向に垂直な任意の方向において第１電極４の両側に位置している。
図１７（ｂ）に示されるように、第１１変形例では、第２電極５は、複数の第２直線状部５ａと、外側部５ｅと、を有している。外側部５ｅは、矩形環状に形成されている。各第２直線状部５ａは、Ｘ方向及びＹ方向に対して傾斜して延在している。複数の第２直線状部５ａは、外側部５ｅの対角線に沿ってそれぞれ延在する２つの第２直線状部５ａと、外側部５ｅの各辺の中点同士を結ぶように延在する４つの第２直線状部５ａと、を含んでいる。第１電極４は、第２電極５によって囲まれた領域内に配置されている。第２電極５は、Ｚ方向に垂直な任意の方向において第１電極４の両側に位置している。
図１７（ｃ）に示される第１２変形例では、第２電極５は、複数の第２直線状部５ａと、外側部５ｅと、を有している。外側部５ｅは、矩形環状に形成されている。各第２直線状部５ａは、Ｘ方向及びＹ方向に対して傾斜して延在している。複数の第２直線状部５ａは、Ｘ方向及びＹ方向に対して傾斜した方向に沿って等間隔で並んでいる。第１電極４は、第２電極５によって囲まれた領域内に配置されている。第２電極５は、Ｚ方向に垂直な任意の方向において第１電極４の両側に位置している。
図１８（ａ）に示されるように、第１３変形例では、第２電極５は、複数の第２直線状部５ａと、外側部５ｅと、内側部５ｆと、を有している。内側部５ｆは、円環状に形成されている。外側部５ｅは、円環状に形成されており、内側部５ｆを囲んでいる。複数の第２直線状部５ａは、内側部５ｆ及び外側部５ｅの中心を中心として放射状に延在し、内側部５ｆと外側部５ｅとを接続している。複数の第２直線状部５ａは、内側部５ｆ及び外側部５ｅの中心を中心とする円の周方向に沿って等間隔で並んでいる。第１電極４は、第２電極５によって囲まれた領域内に配置されている。第２電極５は、Ｚ方向に垂直な任意の方向において第１電極４の両側に位置している。
図１８（ｂ）に示されるように、第１４変形例では、第２電極５は、複数の第２直線状部５ａと、外側部５ｅと、を有している。外側部５ｅは、矩形環状に形成されている。各第２直線状部５ａは、Ｘ方向沿って延在している。複数の第２直線状部５ａは、Ｙ方向に沿って並んでいる。隣り合う第２直線状部５ａ間の間隔は、一定ではなく、隣り合う第２直線状部５ａごとに異なっている。第１電極４は、第２電極５によって囲まれた領域内に配置されている。第２電極５は、Ｚ方向に垂直な任意の方向において第１電極４の両側に位置している。
第６〜第１４変形例によっても、上記実施形態と同様に、インコヒーレントな光を積層方向に出力することができる。
本発明は、上述した実施形態及び変形例に限られない。例えば、各構成の材料及び形状には、上述した材料及び形状に限らず、様々な材料及び形状を採用することができる。上記実施形態及び変形例では、分離領域１８の端部が上側クラッド層１４内に位置していたが、分離領域１８は、上側クラッド層１４から光回折層１３に至っていてもよい。この場合、第１領域１０１と第２領域１０２との間の電気的な分離を一層確実化することができる。
分離領域１８は、不純物ドーピングによって深い準位が形成された不純物拡散領域によって構成されてもよい。不純物拡散領域は、例えば、熱拡散又はイオン注入により、鉄、酸素、クロム等が積層体１０にドープされることによって形成される。或いは、分離領域１８は、上側クラッド層１４とは伝導型が異なる半導体領域によって構成されてもよい。例えば、上側クラッド層１４がｐ型の半導体である場合、分離領域１８は、ｎ型又はｉ型の半導体領域によって構成されてもよい。或いは、分離領域１８は、上側クラッド層１４とは不純物濃度が異なる半導体領域によって構成されてもよい。例えば、分離領域１８は、上側クラッド層１４よりも不純物濃度が低く且つ上側クラッド層１４と伝導型が同一である半導体領域によって構成されてもよい。分離領域１８が不純物拡散領域、上側クラッド層１４とは伝導型が異なる半導体領域、又は上側クラッド層１４とは不純物濃度が異なる半導体領域によって構成されている場合でも、分離領域１８での光の反射を抑制することができ、第１領域１０１において発生した光の共振を効果的に抑制することができる。分離領域１８は、空隙によって構成されてもよい。
上記実施形態及び変形例では、１つの対向電極６が共通電極として半導体基板２の裏面２ｂ上に設けられていたが、複数の対向電極６が半導体基板２の裏面２ｂ上に設けられてもよい。複数の異屈折率領域２２は、Ｚ方向から見た場合に第１領域１０１と重なる部分のみに設けられていてもよい。この場合、複数の異屈折率領域２２は、Ｚ方向から見た場合に第１領域１０１と重なる部分の少なくとも一部に設けられていればよい。上記実施形態及び変形例では、格子点Ｏが正方格子を構成していたが、格子点Ｏは、三角格子又は六方格子を構成するものであってもよい。
上記実施形態では、第１電極４及び第２電極５に逆位相の交流電圧が印加されてもよい。この場合、第１領域１０１及び第２領域１０２が交互に利得領域及び損失領域として機能する。すなわち、第１領域１０１及び第２領域１０２の一方が利得領域として機能する間、他方が損失領域として機能する。図５〜図７に示される第１変形例において、第１電極４が透明電極として構成され、対向電極６に開口６ａが設けられなくてもよい。この場合、光回折層１３からの光は、上側クラッド層１４及びコンタクト層１５を通り、第１電極４を透過してＺ方向に出力される。或いは、第１変形例において、対向電極６に開口６ａが設けられず、対向電極６が透明電極として形成され、光が対向電極６を透過して半導体基板２の裏面２ｂ側から出力されてもよい。第２電極５は、必ずしもＺ方向に垂直な方向において第１電極４の少なくとも一部の両側に位置していなくてもよく、Ｚ方向に垂直な方向において第１電極４の少なくとも一部の一方側のみに位置していてもよい。すなわち、第２電極５は、第１電極４の片側に並ぶように配置されてもよい。この場合でも、インコヒーレントな光を積層方向に出力し得る。
１Ａ，１Ｂ，１Ｃ…半導体発光素子、２…半導体基板、４…第１電極、４ａ…第１直線状部、５…第２電極、６…対向電極、１０…積層体、１１…下側クラッド層（第１クラッド層）、１２…活性層、１３…光回折層、１４…上側クラッド層（第２クラッド層）、１８…分離領域、２１…基本層、２２…異屈折率領域、１０１…第１領域、１０２…第２領域、Ｇ…異屈折率領域の重心、Ｏ…格子点。
Claims (10)
- 活性層、前記活性層を挟む第１クラッド層及び第２クラッド層、並びに、前記活性層と前記第１クラッド層との間、又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光回折層を有する積層体と、
互いに離間するように前記第２クラッド層上に設けられた第１電極及び第２電極と、
前記積層体に対して前記第１電極及び前記第２電極とは反対側に設けられた少なくとも１つの対向電極と、を備え、
前記光回折層は、基本層と、前記基本層の屈折率とは異なる屈折率を有し、前記基本層において前記基本層の厚さ方向に垂直な平面に沿って周期的に配列された複数の異屈折率領域と、を有し、
前記第２電極は、前記積層体の積層方向に垂直な一の方向において前記第１電極の少なくとも一部の両側に位置するように配置されており、
前記積層体には、前記第１電極下の第１領域と前記第２電極下の第２領域との間を電気的に分離する分離領域が設けられており、
前記複数の異屈折率領域は、前記基本層において、前記積層方向から見た場合に前記第１領域と重なる部分に設けられている、半導体発光素子。 - 前記分離領域は、イオン注入領域、不純物拡散領域、前記第２クラッド層とは伝導型が異なる半導体領域、又は前記第２クラッド層とは不純物濃度が異なる半導体領域によって構成されている、請求項１に記載の半導体発光素子。
- 前記光回折層は、前記活性層と前記第２クラッド層との間に設けられており、
前記分離領域は、前記第２クラッド層から前記光回折層に至っている、請求項１又は２に記載の半導体発光素子。 - 半導体基板を更に備え、
前記積層体は、前記第１クラッド層が前記第２クラッド層に対して前記半導体基板側に位置するように、前記半導体基板上に配置されており、
前記光回折層は、前記活性層と前記第２クラッド層との間に設けられている、請求項１〜３のいずれか一項に記載の半導体発光素子。 - 前記複数の異屈折率領域は、前記基本層において、前記積層方向から見た場合に前記第１領域と重なる部分及び前記第２領域と重なる部分にわたって設けられている、請求項１〜４のいずれか一項に記載の半導体発光素子。
- 前記第１電極は、直線状に延在する部分を有する、請求項１〜５のいずれか一項に記載の半導体発光素子。
- 前記第１電極は、複数の第１直線状部を有し、
前記第２電極は、前記複数の第１直線状部と互い違いに配置された複数の第２直線状部を有している、請求項１〜６のいずれか一項に記載の半導体発光素子。 - 前記第１電極は、前記積層方向から見た場合に、前記第２電極によって囲まれている、請求項１〜５のいずれか一項に記載の半導体発光素子。
- 前記基本層の厚さ方向に垂直な平面に沿って前記基本層に仮想的な格子点の群が設定された場合に、前記複数の異屈折率領域の各々の重心の前記格子点に対する位置は、所定の変調パターンに従って設定されている、請求項１〜８のいずれか一項に記載の半導体発光素子。
- 前記第１領域は、前記第１電極と前記少なくとも１つの対向電極との間に順バイアスがかけられることにより、利得領域として機能し、
前記第２領域は、前記第２電極と前記少なくとも１つの対向電極との間に逆バイアスがかけられることにより、損失領域として機能する、請求項１〜９のいずれか一項に記載の半導体発光素子。
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