JP7241694B2 - 発光装置およびその製造方法 - Google Patents
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Description
最初に本願発明の実施形態の内容をそれぞれ個別に列挙して説明する。
以下、本実施形態に係る発光装置およびその製造方法の具体的な構造を、添付図面を参照しながら詳細に説明する。なお、本発明はこれらの例示に限定されるものではなく、請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。また、図面の説明において同一の要素には同一符号を付して重複する説明を省略する。
図1は、本発明の第1実施形態に係る発光装置として、半導体発光素子1Aの構成を示す斜視図である。なお、半導体発光素子1Aの中心を通り半導体発光素子1Aの厚さ方向に延びる軸をZ軸とするXYZ直交座標系を定義する。半導体発光素子1Aは、X-Y平面に沿った定在波を形成し、位相制御された平面波をZ軸方向に出力するS-iPMレーザであって、後述するように、半導体基板10の主面10aに垂直な方向(すなわちZ軸方向)またはこれに対して傾斜する方向、或いはその両方に二次元的な任意形状の光像を出力する。
(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)
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15b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15b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。
(2)Kazuyoshi Hirose et al., “Watt-class high-power, high-beam-quality photonic-crystal lasers”, Nature Phoronics 8, pp. 406-411 (2014)
(3)K. Sakai et al., “Coupled-Wave Theory for Square-Lattice Photonic Crystal Lasers With TE Polarization”, IEEE J.Q. E. 46, 788-795 (2010)
(4)C. Peng, et al.,“Coupled-wave analysis for photonic-crystal surface-emitting lasers on air holes with arbitrary sidewalls,” Optics Express Vol. 19, No. 24, pp. 24672-24686 (2011).
図15は、第2実施形態に係る発光装置として、半導体発光素子1Bの断面構造を示す図である。この半導体発光素子1Bは、X-Y面に沿って定在波を形成し、位相制御された平面波をZ軸方向に出力するレーザ光源であって、第1実施形態と同様に、半導体基板10の主面10aに垂直な方向(法線方向)および該法線方向対して傾斜した傾斜方向をも含む方向に、2次元的な任意形状の光像を形成する光を出力する。ただし、第1実施形態の半導体発光素子1Aは半導体基板10を透過したビームパターン(光像)を裏面から出力するが、本実施形態の半導体発光素子1Bは、活性層12に対してクラッド層13側の表面からビームパターン(光像)を出力する。
図18(a)~図18(h)は、異屈折率領域15bのX-Y平面内の形状の例を示す平面図である。上述の第1実施形態において、異屈折率領域15bの平面形状は、或る方向の幅が、該方向と交差する方向に延びる軸AXに沿って徐々に狭くなる形状である。このような平面形状の例として、図18(a)、図18(d)、および図18(f)は、或る方向に沿った斜辺を有する直角二等辺三角形を示す。また、図18(b)および図18(g)は、或る方向に沿った上底および下底を有する台形を示す。図18(c)および図18(h)は、或る方向に沿った上底および下底を有し、上底と下底とを結ぶ線が湾曲している例を示す。図18(e)は、いずれの角も直角ではなく等辺ではない三角形を示す。これらの形状は、軸AXと直交または交差する方向に延びる辺Sを有する。
図24(a)~図24(c)は、異屈折率領域15bのZ軸に沿った断面形状の変形例を示す図である。異屈折率領域15bのZ軸に沿った断面形状は、その周囲の層との界面の少なくとも一部が主面10a(X-Y平面)に対して傾斜していればよく、図24(a)~図24(c)に例示された形状には限定されない。なお、図24(a)は、一辺がX-Y平面に対して傾斜した三角形状の断面を示す。図24(b)は、上底および下底がX-Y平面に対して傾斜した台形状の断面を示す。図24(c)は、斜辺がX-Y平面に対して傾斜した直角二等辺三角形状の断面を示す。これらの断面形状であっても、X-Y平面に対して傾斜した屈折率界面において各進行波AU,AD,AR,ALが散乱あるいは反射することにより、上述した各実施形態と同様の効果を奏することができる。
図25は、第1実施形態の一変形例(第3変形例)として、半導体発光素子1Cの断面構造を模式的に示す図である。本変形例と第1実施形態との相違点は、位相変調層における異屈折率領域15bの断面形状である。すなわち、本変形例の位相変調層15ACにおいては、異屈折率領域15bの深さ方向がZ軸に対して傾斜している。換言すれば、基本層15aとの屈折率界面である異屈折率領域15bの側面が、主面10aの法線方向に対して傾斜している。異屈折率領域15bの内径は、深さ方向に略一定である。このような構成であっても、主面10aまたは該主面10aの法線方向に対して傾斜した屈折率界面において各進行波AU,AD,AR,ALが散乱または反射することにより、上述した各実施形態と同様の効果を奏することができる。
(5)Shigeki Takahashi et al., “Direct creation of three-dimentional photonic crystals by a top-down approach”, Nature Materials 8, pp. 721-725 (2009)
(6)Masaya Nishimoto et al., “Design of photonic-crystal surface-emitting lasers with circularly-polarized beam”, OPTICS EXPRESS 25, pp.6104-6111 (2017)
(7)Katsuyoshi Suzuki et al., “Three-dimensional photonic crystals created by single-step multi-directional plasma etching”, OPTICS EXPRESS 22, pp.17099-17106 (2014)
図27は、第1実施形態の一変形例(第4変形例)として、半導体発光素子1Dの断面構造を模式的に示す図である。本変形例と第1実施形態との相違点は、位相変調層における異屈折率領域15bの断面形状である。すなわち、本変形例の位相変調層15ADにおいても、第5変形例と同様に、異屈折率領域15bの深さ方向がZ軸に対して傾斜している。換言すれば、基本層15aとの屈折率界面である異屈折率領域15bの側面が、主面10aまたは主面10aの法線方向に対して傾斜している。ただし、上述の第3変形例と異なり、異屈折率領域15bの内径は、深さ方向(Z軸方向)に変化している。このような構成であっても、主面10aに対して傾斜した屈折率界面において各進行波AU,AD,AR,ALが散乱あるいは反射することにより、上述した各実施形態と同様の効果を奏することができる。
(8)Masaya Nishimoto et al., “Fabrication of photonic crystal lasers by MBE air-hole retained growth”, Applied Physics Express 7, 092703 (2014)
図29は、第5変形例に係る発光装置1Eの構成を示す図である。この発光装置1Eは、支持基板6と、支持基板6上に一次元または二次元状に配列された複数の半導体発光素子1Aと、複数の半導体発光素子1Aを個別に駆動する駆動回路4とを備える。各半導体発光素子1Aの構成は、上記第1実施形態と同様である。ただし、複数の半導体発光素子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てもよい。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、およ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の裏面または内部に設けられ、各半導体発光素子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、個々の半導体発光素子1Aに駆動電流を供給する。
発明者らは、活性層を含む光導波路層の厚さと屈折率、コンタクト層の厚さと屈折率について、高次モードを生じない条件を検討した。その検討過程および結果を以下に説明する。
図43は、半導体発光素子1AがGaAs系化合物半導体からなる場合の5層スラブ構造の例を示す表である。この5層スラブ構造における光導波路層(層番号4)およびコンタクト層(層番号2)の膜厚の範囲は、以下の計算によって求められる。
図49は、半導体発光素子1AがInP系化合物半導体からなる場合の6層スラブ構造の例を示す表である。この6層スラブ構造における光導波路層(層番号5)およびコンタクト層(層番号2)の膜厚の範囲は、以下の計算によって求められる。
図55は、半導体発光素子1Aが窒化物系化合物半導体からなる場合の6層スラブ構造の例を示す表である。この6層スラブ構造における光導波路層(層番号4)およびコンタクト層(層番号2)の膜厚の範囲は、以下の計算によって求められる。
Claims (10)
- 主面の法線方向および前記法線方向に対して傾斜した傾斜方向の少なくとも何れかの方向に光像を形成する光を出力する発光装置であって、
前記主面を有する基板と、
前記基板上に設けられた発光部と、
前記発光部と光学的に結合された状態で前記基板上に設けられた位相変調層であって、基本層と、前記基本層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とを含む位相変調層と、
を備え、
前記法線方向に直交する前記位相変調層の設計面上において、前記複数の異屈折率領域は、前記光像を形成するための配置パターンに従って、前記基本層中における所定位置に配置され、
前記複数の異屈折率領域のぞれぞれは、前記主面に対面した第1面、前記第1面に対して前記主面とは反対側に位置する第2面、および、前記第1面と前記第2面とを連絡する側面により規定される立体形状を有し、
前記立体形状において、前記第1面、前記第2面、および前記側面の少なくとも何れかは、前記主面に対して傾斜した部分を含み、
前記複数の異屈折率領域それぞれは、前記基本層と、前記基本層に接触している1またはそれ以上の層と、により規定される密閉空間であり、
前記第1面の少なくとも一部は、前記第2面に対して傾斜していることを特徴とする発光装置。 - 主面の法線方向および前記法線方向に対して傾斜した傾斜方向の少なくとも何れかの方向に光像を形成する光を出力する発光装置であって、
前記主面を有する基板と、
前記基板上に設けられた発光部と、
前記発光部と光学的に結合された状態で前記基板上に設けられた位相変調層であって、基本層と、前記基本層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とを含む位相変調層と、
を備え、
前記法線方向に直交する前記位相変調層の設計面上において、前記複数の異屈折率領域は、前記光像を形成するための配置パターンに従って、前記基本層中における所定位置に配置され、
前記複数の異屈折率領域のぞれぞれは、前記主面に対面した第1面、前記第1面に対して前記主面とは反対側に位置する第2面、および、前記第1面と前記第2面とを連絡する側面により規定される立体形状を有し、
前記立体形状において、前記第1面、前記第2面、および前記側面の少なくとも何れかは、前記主面に対して傾斜した部分を含み、
前記位相変調層の前記設計面上において、前記複数の異屈折率領域それぞれは、仮想的な正方格子の何れかの格子点に1対1対応するよう、配置されており、
前記仮想的な正方格子を構成する格子点のうち前記複数の異屈折率領域が対応付けられている複数の有効格子点において、任意の特定格子点と前記特定格子点に対応付けられた特定異屈折率領域の重心とを結ぶ線分は、前記特定格子点に対して最短距離で隣接する複数の周辺格子点と前記複数の周辺格子点にそれぞれ対応付けられた複数の周辺異屈折率領域の重心とを結ぶ線分それぞれに対して平行であり、かつ、
前記特定格子点と前記複数の周辺格子点とを結ぶ線分のうち互いに直交する線分に対してそれぞれ平行な軸によって規定される、前記特定格子点を原点とする直交座標系上での距離表現として、前記原点から第1象限または第2象限に位置する前記特定異屈折率領域の重心までの距離が正の値で表現されるとともに前記原点から第3象限または第4象限に位置する前記特定異屈折率領域の重心までの距離が負の値で表現されるとき、前記光像が形成されるように前記複数の有効格子点それぞれについて、前記特定格子点と前記特定異屈折率領域の重心との距離は、正の値、0、および負の値のいずれかの値に設定されることを特徴とする発光装置。 - 主面の法線方向および前記法線方向に対して傾斜した傾斜方向の少なくとも何れかの方向に光像を形成する光を出力する発光装置であって、
前記主面を有する基板と、
前記基板上に設けられた発光部と、
前記発光部と光学的に結合された状態で前記基板上に設けられた位相変調層であって、基本層と、前記基本層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とを含む位相変調層と、
を備え、
前記法線方向に直交する前記位相変調層の設計面上において、前記複数の異屈折率領域は、前記光像を形成するための配置パターンに従って、前記基本層中における所定位置に配置され、
前記複数の異屈折率領域のぞれぞれは、前記主面に対面した第1面、前記第1面に対して前記主面とは反対側に位置する第2面、および、前記第1面と前記第2面とを連絡する側面により規定される立体形状を有し、
前記立体形状において、前記第1面、前記第2面、および前記側面の少なくとも何れかは、前記主面に対して傾斜した部分を含み、
前記位相変調層の前記設計面上において、前記複数の異屈折率領域それぞれは、仮想的な正方格子の何れかの格子点に1対1対応するよう、配置されており、
前記仮想的な正方格子を構成する格子点のうち前記複数の異屈折率領域が対応付けられている複数の有効格子点において、任意の特定格子点と前記特定格子点に対応付けられた特定異屈折率領域の重心とを結ぶ線分は、前記特定格子点を除く残りの有効格子点と前記残りの有効格子点にそれぞれ対応付けられた残りの異屈折率領域とを結ぶ線分それぞれに対して平行であり、かつ、
前記特定格子点と前記特定格子点に対して最短距離で隣接する複数の周辺格子点とを結ぶ線分のうち互いに直交する線分に対してそれぞれ平行な軸によって規定される、前記特定格子点を原点とする直交座標系上での距離表現として、前記原点から第1象限または第2象限に位置する前記特定異屈折率領域の重心までの距離が正の値で表現されるとともに前記原点から第3象限または第4象限に位置する前記特定異屈折率領域の重心までの距離が負の値で表現されるとき、前記光像が形成されるように前記複数の有効格子点それぞれについて、前記特定格子点と前記特定異屈折率領域の重心との距離は、正の値、0、および負の値のいずれかの値に設定されることを特徴とする発光装置。 - 前記複数の異屈折率領域それぞれは、前記基本層と、前記基本層に接触している1またはそれ以上の層と、により規定される密閉空間であり、
前記位相変調層の前記設計面上において、前記複数の異屈折率領域それぞれは、前記設計面上の第1方向に沿った幅が前記第1方向と交差する第2方向に沿って徐々に減少していく平面形状を有することを特徴とする請求項1~3の何れか一項に記載の発光装置。 - 前記位相変調層の前記設計面上において、前記複数の異屈折率領域それぞれは、仮想的な正方格子の何れかの格子点に1対1対応するよう、配置されており、かつ、
前記仮想的な正方格子を構成する格子点のうち前記複数の異屈折率領域が対応付けられている複数の有効格子点において、任意の特定格子点と前記特定格子点に対応付けられた特定異屈折率領域の重心とを結ぶ線分は、前記特定格子点に対して最短距離で隣接する複数の周辺格子点と前記複数の周辺格子点にそれぞれ対応付けられた複数の周辺異屈折率領域の重心とを結ぶ線分それぞれに対して平行であることを特徴とする請求項1に記載の発光装置。 - 前記位相変調層の前記設計面上において、前記複数の異屈折率領域それぞれは、仮想的な正方格子の何れかの格子点に1対1対応するよう、配置されており、かつ、
前記仮想的な正方格子を構成する格子点のうち前記複数の異屈折率領域が対応付けられている複数の有効格子点において、任意の特定格子点と前記特定格子点に対応付けられた特定異屈折率領域の重心とを結ぶ線分は、前記特定格子点を除く残りの有効格子点と前記残りの有効格子点にそれぞれ対応付けられた残りの異屈折率領域とを結ぶ線分それぞれに対して平行であることを特徴とする請求項1に記載の発光装置。 - 発光部は、前記基板上に設けられた活性層であることを特徴とする請求項1~3の何れか一項に記載の発光装置。
- 請求項1~7の何れか一項に記載の発光装置の製造方法であって、
前記基板上に前記基本層を設ける第1工程と、
ドライエッチングにより、前記複数の異屈折率領域となるべき複数の空孔または凹部を、前記基本層に形成する第2工程と、
を含み、
前記第2工程において、ドライエッチングは、前記法線方向に対して傾斜した方向から前記基本層にエッチング反応ガスを当てる、発光装置の製造方法。 - 請求項1~7の何れか一項に記載の発光装置の製造方法であって、
前記基板上に前記基本層を設ける第1工程と、
ドライエッチングにより、前記複数の異屈折率領域となるべき複数の空孔または凹部を、前記基本層に形成する第2工程と、
前記基本層に形成された前記複数の空孔または凹部の開口部分を塞ぐ蓋層を、前記基本層上に形成する第3工程と、
を含み、
前記第3工程において、前記蓋層を形成するための原料ガスは、前記法線方向に対して傾斜した方向から前記基本層に当てられる、発光装置の製造方法。 - 前記複数の空孔または凹部を形成するためのエッチング反応ガスが供給される方向は、前記原料ガスが供給される方向と異なっていることを特徴とする請求項9に記載の発光装置の製造方法。
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