JPWO2018181202A1 - 半導体発光素子およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

本実施形態は、所望のビーム投射パターンの光をそれぞれが生成可能な複数の発光部を有する単一の半導体発光素子およびその製造方法に関する。当該半導体発光素子は、共通基板層上に活性層と位相変調層が形成され、少なくとも位相変調層は、共通基板層に沿って配置された複数の位相変調領域を含む。複数の位相変調領域は、位相変調層の製造後に該位相変調層内の複数個所に分離することにより得られ、これにより、従来技術と比較して簡単な製造工程を経て正確に位置決めされた複数の発光部を備えた半導体発光素子が得られる。

Description

本発明は、半導体発光素子およびその製造方法に関するものである。

特許文献１に記載の半導体発光素子は、活性層と、活性層に光学的に結合した位相変調層と、を備えている。位相変調層は、基本層と、基本層内に配置されている複数の異屈折率領域と、を有している。特許文献１に記載の半導体発光素子は、複数の異屈折率領域の配置パターンに対応したビームパターン（ビーム投射パターン）の光を出射する。すなわち、複数の異屈折率領域の配置パターンは、目標ビームパターンに応じて設定される。特許文献１には、そのような半導体発光素子の応用例についても記載されている。上記応用例は、それぞれが出射するレーザビームの方向が異なる複数の半導体発光素子を支持基板上に一次元または二次元に配列したものである。そして、上記応用例は、配列した複数の半導体発光素子を順次点灯することで、レーザビームを対象物に対して走査するように構成されている。上記応用例は、レーザビームを対象物に対して走査することで、対象物までの距離測定、対象物のレーザ加工等に適用される。

国際公開ＷＯ２０１６／１４８０７５号

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) K. Sakai et al., "Coupled-Wave Theory for Square-Lattice Photonic Crystal Lasers With TE Polarization," IEEE J.Q. E. 46, 788-795 (2010) 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).

発明者らは、従来の半導体発光素子について検討した結果、以下のような課題を発見した。すなわち、特許文献１に記載された応用例では、複数の半導体発光素子を支持基板上に高精度に配置しなければならない。することは容易ではないため、所望のビーム投射領域への所望のビーム投射パターンの光の照射を高精度に実現することが容易ではなかった。また、複数の半導体発光素子を支持基板上に配置する工程が必要であるため、製造工程が複雑化するおそれもあった。

本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであり、複数の半導体発光素子を支持基板上に配置する工程が不要で、目標ビーム投射領域への目標ビーム投射パターンの光の照射が容易かつ高精度に実現された半導体発光素子およびその製造方法を提供することを目的としている。

本実施形態に係る半導体発光素子は、隣接する発光部間のクロストークが軽減された複数の発光部を有する単一の半導体発光素子であって、第１面と該第１面に対向する第２面とを有し、第１面および第２面の一方が光を出力する光出射面として機能するとともに他方がサポート面（反射面を含む）として機能する半導体発光素子であって、活性層と、複数の位相変調領域を含む位相変調層と、第１クラッド層と、第２クラッド層と、第１面側電極と、複数の第２面側電極と、共通基板層と、を備える。活性層は、第１面と第２面との間に位置する。位相変調層に含まれる複数の位相変調層は、活性層とそれぞれが光学的に結合される。複数の位相変調領域それぞれは、隣接する位相変調領域の間でのクロストークの発生が低減されるよう配置され、それぞれが独立した発光部の一部を構成する。また、複数の位相変調領域それぞれは、第１屈折率を有する基本領域と、それぞれが基本領域内に設けられるとともに第１屈折率とは異なる第２屈折率を有する複数の異屈折率領域とを含む。第１クラッド層は、少なくとも活性層および位相変調層を含む積層構造体に対して第１面が配置された側に位置する。第２クラッド層は、積層構造体に対して第２面が位置する側に配置される。第１面側電極は、第１クラッド層に対して第１面が位置する側に配置される。複数の第２面側電極は、複数の位相変調領域にそれぞれが対応しており、第２クラッド層に対して第２面が位置する側に配置される。これら複数の第２面側電極は、積層構造体の積層方向に沿って見たときに複数の位相変調領域と重なる複数の領域内にそれぞれ配置される。共通基板層は、第１クラッド層と第１面側電極との間に配置され、複数の位相変調領域を保持する連続した面を有する。

特に、複数の位相変調領域それぞれにおける複数の異屈折率領域は、それぞれの重心が基本領域中の仮想的な正方格子における各格子点から所定の距離だけずれた場所に位置するような配置パターンに従って基本領域中に配置される。なお、複数の位相変調領域それぞれにおける配置パターン（複数の異屈折率領域の配置パターン）は、サポート面側に配置された、当該位相変調領域に対応する第２面側電極から駆動電流が供給されたときに光出射面から出力される光のビーム投射パターンと該ビーム投射パターンの投射範囲であるビーム投射領域が、目標ビーム投射パターンおよび目標ビーム投射領域に一致するよう定められている。

本実施形態に係る半導体発光素子の製造方法は、上述のような構造を備えた半導体発光素子を製造する。具体的に、当該製造方法は、共通基板層を形成する第１工程と、素子本体を共通基板層上に形成する第２工程と、素子本体内に分離領域を形成する第３工程と、を少なくとも備える。第２工程において、共通基板層上に形成される素子本体は、第３面と該第３面に対向するとともに共通基板層に対面する第４面を有する。また、素子本体は、第３面と第４面との間に配置された、活性層、位相変調層、第１クラッド層、および第２クラッド層を少なくとも含む。第２工程の終了時点において、位相変調層における基本領域は、複数の位相変調領域となるべき複数の部分（それぞれが複数の異屈折率領域を含む部分）が互いに所定距離だけ離間した状態で配置された単一層で構成される。第３工程において、素子本体内に形成される分離領域は、少なくとも複数の位相変調領域となるべき複数の部分を電気的に分離する。また、分離領域は、第３面から第４面に向かって、共通基板層に到達するまで形成される。

本発明によれば、複数の半導体発光素子を支持基板上に配置する工程が不要で、目標ビーム投射領域への目標ビーム投射パターンの光の照射が容易かつ高精度に実現された半導体発光素子およびその製造方法を提供することができる。

は、第１実施形態に係る半導体発光素子を第１面側から見た図である。 は、第１実施形態に係る半導体発光素子を第２面側から見た図である。 は、図１、図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿っての断面図である。 は、位相変調領域における異屈折率領域の配置パターン（回転方式）を説明するための模式図である。 は、回転方式により決定される配置パターンの一例として、異屈折率領域の重心と仮想的な正方格子における格子点との位置関係を説明するための図である。 は、半導体発光素子から出力される光の目標ビーム投射パターン（光像）と、位相変調層における回転角度分布との関係を説明するための図である。 は、第１実施形態に係る半導体発光素子において目標ビーム投射パターンの一例と、それに対応する元パターンを逆フーリエ変換して得られた複素振幅分布のうちの位相分布を示す図である。 は、第１実施形態に係る半導体発光素子を備える発光装置の構成を示すブロック図である。 は、第２実施形態に係る半導体発光素子を第１面側から見た図である。 は、第２実施形態に係る半導体発光素子を第２面側から見た図である。 は、図９および図１０のＸ−Ｘ線に沿っての断面図である。 は、第２、第３実施形態に係る半導体発光素子において目標ビーム投射パターンの一例と、それに対応する元パターンを逆フーリエ変換して得られた複素振幅分布のうちの位相分布を示す図である。 は、第２および第３実施形態に係る半導体発光素子において目標ビーム投射パターンの図１２とは異なる一例と、それに対応する元パターンを逆フーリエ変換して得られた複素振幅分布のうちの位相分布を示す図である。 は、第２実施形態に係る半導体発光素子を備える発光装置の構成を示すブロック図である。 は、第３実施形態に係る半導体発光素子を第１面側から見た図である。 は、第３実施形態に係る半導体発光素子を第２面側から見た図である。 図１５および図１６のＸＶＩ−ＸＶＩ線に沿っての断面図である。 第３実施形態に係る半導体発光素子を備える発光装置の構成を示すブロック図である。 は、第４実施形態に係る半導体発光素子を第１面側から見た図である。 は、第４実施形態に係る半導体発光素子を第２面側から見た図である。 は、図１９および図２０のＸＸ−ＸＸ線に沿っての断面図である。 は、異屈折率領域のＸ−Ｙ面内形状のうち、１８０°の回転対称性を備えないものの例（回転方式）を示す図である。 は、図４に示された位相変調領域の第１変形例を示す図である。 は、回転方式により決定される配置パターンの他の例として、異屈折率領域（変位異屈折率領域）に加えて格子点異屈折率領域を設ける場合の、異屈折率領域（変位異屈折率領域）の重心と格子点異屈折率領域との位置関係を説明するための図である。 は、異屈折率領域（変位異屈折率領域）に加えて格子点異屈折率領域を設ける場合の、異屈折率領域（変位異屈折率領域）と格子点屈折率領域の組合せの例（回転方式）を示す図である。 は、異屈折率領域（変位異屈折率領域）に加えて格子点異屈折率領域を設ける場合の変形例（回転方式）を示す図である。 は、図４に示された位相変調領域の第２変形例を示す図である。 は、位相変調層における異屈折率領域の配置パターン（軸上シフト方式）を説明するための模式図である。 は、軸シフト方式により決定される配置パターンの一例として、異屈折率領域の重心Ｇ１と仮想的な正方格子における格子点Ｏとの位置関係を説明するための図である。 は、図２８の位相変調層の第１変形例として、位相変調層の特定領域内にのみ屈折率略周期構造を適用した例を示す平面図である。 は、目標ビーム投射パターン（光像）の逆フーリエ変換結果から位相角分布を求め、異屈折率領域の配置を決める際の留意点を説明する図である。 は、半導体発光素子から出力されるビーム投射パターンの例と、半導体発光素子の発光面と交差し発光面に垂直な軸線を含む断面における光強度分布（グラフ）を示す図である。 は、図３２（ａ）に示されたビーム投射パターンに対応する位相分布とその部分拡大図である。 は、各方向の進行波のビーム投射パターンの例を概念的に示す図である。この例では、Ｘ軸およびＹ軸に対する直線Ｌの傾斜角を４５°としている。 は、異屈折率領域の配置パターンの決定方法として、異屈折率領域を格子点の周りで回転させる回転方式と、進行波ＡＵ，ＡＤ，ＡＲ，ＡＬを示す図である。 は、異屈折率領域の配置パターンの決定方法として、格子点を通り正方格子に対して傾斜した軸線上で異屈折率領域を移動させる軸上シフト方式と、進行波ＡＵ，ＡＤ，ＡＲ，ＡＬを示す図である。 は、異屈折率領域の平面形状の一例（軸上シフト方式）を示す図である。 は、異屈折率領域の平面形状の他の例（軸上シフト方式）を示す図である。 は、異屈折率領域の平面形状の更に他の例（軸上シフト方式）を示す図である。 は、図２８の位相変調層の第２変形例を示す図である。 は、球面座標（ｄ１，θ_tilt，θ_rot）からＸＹＺ直交座標系における座標（ｘ，ｙ，ｚ）への座標変換を説明するための図である。

[本願発明の実施形態の説明]
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。

（１） 本実施形態に係る半導体発光素子は、その一態様として、隣接する発光部間のクロストークが軽減された複数の発光部を有する単一の半導体発光素子であって、第１面と該第１面に対向する第２面とを有し、第１面および第２面の一方が光を出力する光出射面として機能するとともに他方がサポート面（反射面を含む）として機能する半導体発光素子であって、活性層と、複数の位相変調領域を含む位相変調層と、第１クラッド層と、第２クラッド層と、第１面側電極と、複数の第２面側電極と、共通基板層と、を備える。活性層は、第１面と第２面との間に位置する。位相変調層に含まれる複数の位相変調層は、活性層とそれぞれが光学的に結合される。複数の位相変調領域それぞれは、隣接する位相変調領域の間でのクロストークの発生が低減されるよう配置され、それぞれが独立した発光部の一部を構成する。また、複数の位相変調領域それぞれは、第１屈折率を有する基本領域と、それぞれが基本領域内に設けられるとともに第１屈折率とは異なる第２屈折率を有する複数の異屈折率領域とを含む。第１クラッド層は、少なくとも活性層および位相変調層を含む積層構造体に対して第１面が配置された側に位置する。第２クラッド層は、積層構造体に対して第２面が位置する側に配置される。第１面側電極は、第１クラッド層に対して第１面が位置する側に配置される。複数の第２面側電極は、複数の位相変調領域にそれぞれが対応しており、第２クラッド層に対して第２面が位置する側に配置される。これら複数の第２面側電極は、積層構造体の積層方向に沿って見たときに複数の位相変調領域と重なる複数の領域内にそれぞれ配置される。共通基板層は、第１クラッド層と第１面側電極との間に配置され、複数の位相変調領域を保持する連続した面を有する。

さらに、複数の位相変調領域それぞれは、複数の異屈折率領域は、複数の第２面側電極のうち対応する第２面側電極から駆動電流が供給されたときに光出射面から出力される光のビーム投射パターンおよび該ビーム投射パターンの投射範囲であるビーム投射領域を、目標ビーム投射パターンおよび目標ビーム投射領域にそれぞれ一致させるための配置パターンに従って、基本領域中における所定位置に配置されている。

なお、第１前提条件として、光出射面の法線方向に一致するＺ軸と、複数の異屈折率領域を含む位相変調層の一方の面に一致した、互いに直交するＸ軸およびＹ軸を含むＸ−Ｙ平面と、により規定されるＸＹＺ直交座標系において、Ｘ−Ｙ平面上に、それぞれが正方形状を有するＭ１（１以上の整数）×Ｎ１（１以上の整数）個の単位構成領域Ｒにより構成される仮想的な正方格子が設定される。このとき、配置パターンは、Ｘ軸方向の座標成分ｘ（１以上Ｍ１以下の整数）とＹ軸方向の座標成分ｙ（１以上Ｎ１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）において、単位構成領域Ｒ（ｘ，ｙ）内に位置する異屈折率領域の重心Ｇ１が単位構成領域Ｒ（ｘ，ｙ）の中心となる格子点Ｏ（ｘ，ｙ）から距離ｒだけ離れ、かつ、格子点Ｏ（ｘ，ｙ）から前記重心Ｇ１へのベクトルが特定方向に向くよう、規定される。

（２）本実施形態に係る半導体発光素子の製造方法は、その一態様として、上述のような構造を備えた半導体発光素子を製造する。具体的に、当該製造方法は、共通基板層を形成する第１工程と、素子本体を共通基板層上に形成する第２工程と、素子本体内に分離領域を形成する第３工程と、を少なくとも備える。第２工程において、共通基板層上に形成される素子本体は、第３面と該第３面に対向するとともに共通基板層に対面する第４面を有する。また、素子本体は、第３面と第４面との間に配置された、活性層、位相変調層、第１クラッド層、および第２クラッド層を少なくとも含む。第２工程の終了時点において、位相変調層における基本領域は、複数の位相変調領域となるべき複数の部分（それぞれが複数の異屈折率領域を含む部分）が互いに所定距離だけ離間した状態で配置された単一層で構成される。第３工程において、素子本体内に形成される分離領域は、少なくとも複数の位相変調領域となるべき複数の部分を電気的に分離する。また、分離領域は、３面から第４面に向かって、共通基板層に到達するまで形成される。

本実施形態に係る半導体発光素子では、複数の位相変調領域それぞれにおける配置パターン（複数の異屈折率領域の配置パターン）は、当該位相変調領域に対応する第２面側電極から駆動電流が供給されたときに光出射面（第１面または第２面）から出力される光のビーム投射パターンおよび該ビーム投射パターンの投射範囲であるビーム投射領域が、目標ビーム投射パターンおよび目標ビーム投射領域に一致するとなるように定められている。したがって、複数の位相変調領域それぞれにおいて設定された配置パターンが、当該半導体発光素子の光出射面から出力される光のビーム投射領域とビーム投射パターンとを決定する。本実施形態では、１つの半導体発光素子が、光のビーム投射領域とビーム投射パターンとを決定する複数の位相変調領域を有する位相変調層を備えている。この構成により、本実施形態に係る製造方法では、それぞれ一つの位相変調領域（位相変調層）を備える複数の半導体発光素子が支持基板上に配置されている構成とは異なり、複数の半導体発光素子が支持基板上に配置される工程が不要になる。その結果、目標ビーム投射領域への目標ビーム投射パターンの光の照射が容易かつ高精度に実現され得る。

（３）本実施形態の一態様として、当該半導体発光素子は、複数の位相変調領域それぞれを電気的に分離するとともに、Ｚ軸に沿った方向（以下、「Ｚ軸方向」という）から見たときに複数の位相変調領域と重なる、活性層、第１クラッド層、および第２クラッド層それぞれにおける複数の対応領域を電気的に分離する分離領域を更に備えてもよい。また、本実施形態の一態様として、分離領域は、複数の位相変調領域とともに、活性層、位相変調層、第１クラッド層、および第２クラッド層それぞれにおける複数の対応領域を光学的に分離してもよい。このように隣接する位相変調領域が分離領域によって電気的に分離されるので、隣接する位相変調領域間でのクロストークの発生が抑制される。また、隣接する位相変調領域が分離領域によって光学的にも分離されることにより、隣接する位相変調領域間でのクロストークの発生が更に抑制される。この結果、所望のビーム投射領域（目標ビーム投射領域）への所望のビーム投射パターン（目標ビーム投射パターン）の光の照射が、より一層高精度で実現される。

（４）本実施形態の一態様として、分離領域は、複数の位相変調領域のうち隣接する位相変調領域の間の領域において、第２面から共通基板層面に向かって、該共通基板層に到達するまで伸びている。また、分離領域の先端と第１面側電極との距離（最短距離）は、共通基板層の、Ｚ軸方向に沿った厚みの半分以下であるのが好ましい。典型的には、該分離領域の先端と第１面側電極との距離は７０μｍ以下であるのが好ましい。この場合、隣接する位相変調領域間でのクロストークの発生が十分に抑制される。

（５）本実施形態の一態様として、分離領域は、高強度光照射に起因した電場により改質された半導体層であってもよい。この場合、隣接する位相変調領域間が電気的に分離され、隣接する位相変調領域間でのクロストークの発生が十分に抑制された半導体発光素子が、効率的に製造され得る。また、分離領域は、不純物拡散またはイオン打ち込み法により絶縁化された半導体層、および、ドライエッチングまたはウェットエッチングにより形成された空気間隙（スリット）のうち何れかであってもよい。この場合、隣接する位相変調領域間が電気的にも光学的にも分離され、隣接する位相変調領域間でのクロストークの発生が十分に抑制された半導体発光素子が、効率的に製造され得る。

（６）本実施形態の一態様として、第２面側電極の何れかから駆動電流が供給された場合にもビーム投射領域が等しくなるように、位相変調領域それぞれにおける配置パターンが定められてもよい。この場合、特許文献１に示された半導体発光素子の応用例（レーザビームを対象物に対して走査するようにした応用例）以外への各種の応用が可能になる。例えば、スクリーンの同じ領域に複数のパターンを切替表示するタイプの各種表示装置への応用、一箇所に同じパターンの光を継続的あるいは断続的に照射するタイプの各種照明への応用、一箇所に同じパターンのパルス光を連続的に照射することで対象物に目標パターンの孔を穿設するタイプのレーザ加工への応用等が可能になる。

（７）本実施形態の一態様として、複数の第２面側電極の何れかから駆動電流が供給された場合にもビーム投射パターンが等しくなるように、位相変調領域それぞれにおける配置パターンが定められてもよい。この場合、特許文献１に示された半導体発光素子の応用例（レーザビームを対象物に対して走査するようにした応用例）と同様の応用が可能になる他、それとは異なる各種の応用も可能になる。特許文献１に示された応用例とは異なる応用としては、一箇所に同じパターンの光を継続的あるいは断続的に照射するタイプの各種照明への応用、一箇所に同じパターンのパルス光を連続的に照射することで対象物に目標パターンの孔を穿設するタイプのレーザ加工への応用等、上述の応用の他、任意の個所を適宜のタイミングで照射するタイプの照明等への応用も可能になる。

上述のような構造を有する半導体発光素子においては、活性層に光学的に結合した位相変調層が、基本層と、それぞれが基本層内に埋め込まれるとともに、該基本層の屈折率とは異なる屈折率をそれぞれが有する複数の異屈折率領域とを有する。また、仮想的な正方格子を構成する単位構成領域Ｒ（ｘ，ｙ）において、対応する異屈折率領域の重心Ｇ１が格子点Ｏ（ｘ，ｙ）から離れて配置される。更に、格子点Ｏから重心Ｇ１へのベクトルの向きが単位構成領域Ｒごとに個別に設定されている。このような構成において、格子点Ｏから対応する異屈折率領域の重心Ｇ１へのベクトルの向き、すなわち該異屈折率領域の重心Ｇ１の格子点周りの角度位置に応じて、ビームの位相が変化する。このように、本実施形態によれば、異屈折率領域の重心位置を変更するのみで、異屈折率領域それぞれから出力されるビームの位相を制御することができ、全体として形成されるビーム投射パターン（光像を形成するビーム群）を所望の形状に制御することができる。このとき、仮想的な正方格子における格子点は異屈折率領域の外部に位置していてもよく、また、該格子点が異屈折率領域の内部に位置していてもよい。

（８）本実施形態の一態様として、仮想的な正方格子の格子定数（実質的に格子間隔に相当）をａとするとき、単位構成領域Ｒ（ｘ，ｙ）内に位置する異屈折率領域の重心Ｇ１と、格子点Ｏ（ｘ，ｙ）との距離ｒは、０≦ｒ≦０．３ａを満たすのが好ましい。また、複数の位相変調領域それぞれに対応して半導体発光素子から出射される光のビーム投射パターンとなる元の画像（二次元逆フーリエ変換前の光像）としては、例えば、スポット、３点以上からなるスポット群、直線、十字架、線画、格子パターン、縞状パターン、図形、写真、コンピュータグラフィクス、および文字のうち少なくとも１つを含むのが好ましい。

（９） 本実施形態の一態様では、第１前提条件の他、第２前提条件として、ＸＹＺ直交座標系における座標（ｘ,ｙ,ｚ）は、図４１に示されたように、動径の長さｄ１と、Ｚ軸からの傾き角θ_tiltと、Ｘ−Ｙ平面上で特定されるＸ軸からの回転角θ_rotと、で規定される球面座標（ｄ１,θ_tilt,θ_rot）に対して、以下の式（１）〜式（３）で示された関係を満たしているものとする。なお、図４１は、球面座標（ｄ１，θ_tilt，θ_rot）からＸＹＺ直交座標系における座標（ｘ，ｙ，ｚ）への座標変換を説明するための図であり、座標（ｘ，ｙ，ｚ）により、実空間であるＸＹＺ直交座標系において設定される所定平面（目標ビーム投射領域）上の設計上の光像が表現される。半導体発光素子から出力される光像に相当する目標ビーム投射パターンを角度θ_tiltおよびθ_rotで規定される方向に向かう輝点の集合とするとき、角度θ_tiltおよびθ_rotは、以下の式（４）で規定される規格化波数であってＸ軸に対応したＫｘ軸上の座標値ｋ_ｘと、以下の式（５）で規定される規格化波数であってＹ軸に対応するとともにＫｘ軸に直交するＫｙ軸上の座標値ｋ_ｙに換算されるものとする。規格化波数は、仮想的な正方格子の格子間隔に相当する波数を１．０として規格化された波数を意味する。このとき、Ｋｘ軸およびＫｙ軸により規定される波数空間において、光像に相当するビーム投射パターンを含む特定の波数範囲が、それぞれが正方形状のＭ２（１以上の整数）×Ｎ２（１以上の整数）個の画像領域ＦＲで構成される。なお、整数Ｍ２は、整数Ｍ１と一致する必要はない。同様に、整数Ｎ２は、整数Ｎ１と一致する必要もない。また、式（４）および式（５）は、例えば、上記非特許文献１に開示されている。

第３前提条件として、波数空間において、Ｋｘ軸方向の座標成分ｋ_ｘ（１以上Ｍ２以下の整数）とＫｙ軸方向の座標成分ｋ_ｙ（１以上Ｎ２以下の整数）とで特定される画像領域ＦＲ（ｋ_ｘ，ｋ_ｙ）それぞれを、Ｘ軸方向の座標成分ｘ（１以上Ｍ１以下の整数）とＹ軸方向の座標成分ｙ（１以上Ｎ１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前提条件の下、位相変調層における異屈折率領域の配置パターンは、回転方式または軸上シフト方式により決定される。具体的に、回転方式による配置パターンの決定では、単位構成領域Ｒ（ｘ，ｙ）内において、格子点Ｏ（ｘ，ｙ）と対応する異屈折率領域の重心Ｇ１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、該対応する異屈折率領域が配置される。

上述のような構造を有する半導体発光素子では、位相変調層において、仮想的な正方格子を構成する各単位構成領域の中心（格子点）と、対応する異屈折率領域の重心Ｇ１との距離ｒは、位相変調層全体に亘って一定値であることが好ましい（なお、部分的に距離ｒが異なっていることは排除されない）。これにより、位相変調層全体における位相分布（単位構成領域Ｒ（ｘ，ｙ）に割り当てられた複素振幅Ｆ（ｘ，ｙ）における位相項Ｐ（ｘ，ｙ）の分布）が０〜２π（ｒａｄ）まで等しく分布している場合、平均すると、異屈折率領域の重心は正方格子における単位構成領域Ｒの格子点に一致することとなる。したがって、上記の位相変調層における二次元分布ブラッグ回折効果は、正方格子の各格子点上に異屈折率領域が配置された場合の二次元分布ブラッグ回折効果に近づくこととなるので、定在波の形成が容易となり、発振のための閾値電流低減を期待できる。

（１０）一方、軸上シフト方式による配置パターンの決定では、上記第１〜第４前提条件の下、単位構成領域Ｒ（ｘ，ｙ）において、格子点Ｏ（ｘ，ｙ）を通る、ｓ軸から傾斜した直線上に対応する異屈折率領域の重心Ｇ１が配置される。その際、格子点Ｏ（ｘ，ｙ）と該対応する異屈折率領域の重心Ｇ１までの線分長ｒ（ｘ，ｙ）が、
ｒ（ｘ，ｙ）＝Ｃ×（Ｐ（ｘ，ｙ）−Ｐ_０）
Ｃ：比例定数
Ｐ_０：任意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が単位構成領域Ｒ（ｘ，ｙ）内に配置される。なお、位相変調層における異屈折率領域の配置パターンが軸上シフト方式により決定された場合でも、上述の回転方式と同様の効果を奏する。

（１１）本実施形態の一態様として、複数の位相変調領域のうち少なくとも１つの位相変調領域において、複数の異屈折率領域の全ては、Ｘ−Ｙ平面上で規定される形状、Ｘ−Ｙ平面上で規定される面積、およびＸ−Ｙ平面上で規定される距離ｒのうち少なくとも何れかが一致しているのが好ましい。ここで、上述の「Ｘ−Ｙ平面上で規定される形状」には、１つの異屈折率領域を構成する複数要素の組合せ形状も含む（図２５（ｈ）〜図２５（ｋ）参照）。これによれば、ビーム投射領域内におけるノイズ光およびノイズとなる０次光の発生を抑制することができる。なお、０次光とは、Ｚ軸方向に平行に出力される光であり、位相変調層において位相変調されない光を意味する。

（１２）本実施形態の一態様として、複数の異屈折率領域の、Ｘ−Ｙ平面上における形状は、真円、正方形、正六角形、正八角形、正１６角形、正三角形、直角二等辺三角形、長方形、楕円、２つの円または楕円の一部分が重なる形状、卵型形状、涙型形状、二等辺三角形、矢印型形状、台形、５角形、および、２つの矩形の一部分が重なる形状のうち何れかであるのが好ましい。なお、卵型形状は、図２２（ｈ）および図３８（ｄ）に示されたように、その長軸に沿った一方の端部近傍の短軸方向の寸法が、他方の端部近傍の該短軸方向の寸法よりも小さくなるように楕円を変形することにより得られる形状である。涙型形状は、図２２（ｄ）および図３８（ｅ）に示されたように、その長軸に沿った楕円の一方の端部を、長軸方向に沿って突き出る尖った端部に変形することにより得られる形状である。矢印型形状は、図２２（ｅ）および図３８（ｇ）に示されたように、矩形の一辺が三角形の切欠き部を構成する一方、該一辺に対向する辺が三角形の突起部を構成したな形状である。

複数の異屈折率領域の、Ｘ−Ｙ平面上における形状が、真円、正方形、正六角形、正八角形、正１６角形、長方形、および楕円の何れかの場合、すなわち、各異屈折率領域の形状が鏡像対称（線対称）となる場合、位相変調層において、仮想的な正方格子を構成する複数の単位構成領域Ｒそれぞれの格子点Ｏから、対応するそれぞれの異屈折率領域の重心Ｇ１へ向かう方向と、Ｘ軸に平行なｓ軸との成す角度φを高精度に設定することが可能になる。また、複数の異屈折率領域の、Ｘ−Ｙ平面上における形状が、正三角形、直角二等辺三角形、二等辺三角形、２つの円または楕円の一部分が重なる形状、卵型形状、涙型形状、矢印型形状、台形、５角形、２つの矩形の一部分が重なる形状の何れかの場合、すなわち、１８０°の回転対称性を備えない場合、より高い光出力を得ることが可能になる。

（１３）本実施形態の一態様として、複数の位相変調領域のうち少なくとも１つの位相変調領域は、Ｍ１×Ｎ１個の単位構成領域Ｒで構成された内側領域と、該内側領域の外周を取り囲むように設けられた外側領域と、を有してもよい。なお、外側領域は、仮想的な正方格子と同一の格子構造を該仮想的な正方格子の外周に設定することにより規定される拡張正方格子における格子点とそれぞれが重なるよう配置された複数の周辺格子点異屈折率領域を含む。この場合、Ｘ−Ｙ平面に沿った光漏れが抑制され、発振閾値電流を低減することが可能になる。

（１４）本実施形態の一態様として、複数の位相変調領域のうち少なくとも１つの位相変調領域は、複数の異屈折率領域とは異なる複数の別の異屈折率領域、すなわち、複数の格子点異屈折率領域を備えてもよい。複数の異屈折率領域は、Ｍ１×Ｎ１個の単位構成領域Ｒにそれぞれ配置されており、それぞれの重心Ｇ２が対応する単位構成領域Ｒの格子点Ｏに一致するよう配置されている。この場合、異屈折率領域と格子点異屈折率領域とで構成される組み合わせ形状が全体として１８０°の回転対称性を備えなくなる。そのため、より高い光出力が得られる。

以上、この[本願発明の実施形態の説明]の欄に列挙された各態様は、残りの全ての態様のそれぞれに対して、または、これら残りの態様の全ての組み合わせに対して適用可能である。

［本願発明の実施形態の詳細］
以下、本実施形態に係る半導体発光素子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。

（第１実施形態）
図１〜図３を参照して、第１実施形態に係る半導体発光素子１００の構成を説明する。図１は、第１実施形態に係る半導体発光素子１００を第１面側から見た図である。図２は、半導体発光素子１００を第２面側から見た図、図３は、図１、図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿っての断面図である。

図１〜図３に示されたように、半導体発光素子１００は、第１面１００ａと第２面１００ｂとを有し、光出射面として第１面１００ａから光を出力する。なお、本実施形態では、第２面１００ｂはサポート面として機能する。半導体発光素子１００は、共通基板層１０１と、活性層１０３と、位相変調層１０４と、第１クラッド層１０２と、第２クラッド層１０６と、一対の第２面側電極１０８−１、１０８−２と、第１面側電極１１０と、を備える。位相変調層１０４は、活性層１０３と光学的に結合される一対の位相変調領域１０４−１、１０４−２を有する。なお、少なくとも、活性層１０３と一対の位相変調領域１０４−１、１０４−２を含む位相変調層１０４により積層構造体が構成されている。後述の実施形態においても積層構造体の構成は同様である。第１クラッド層１０２は、積層構造体（少なくとも、活性層１０３と位相変調層１０４を含む）に対して第１面１００ａ側に位置する。第２クラッド層１０６は、積層構造体（少なくとも、活性層１０３と位相変調層１０４を含む）に対して第２面１００ｂ側に位置する。第２面側電極１０８−１、１０８−２は、第２クラッド層１０６に対して第２面１００ｂが配置された側であって、位相変調領域１０４−１、１０４−２それぞれに対応する位置に配置されている。第１面側電極１１０は、第１クラッド層１０２に対して第１面１００ａが配置された側に位置する。

位相変調領域１０４−１、１０４−２は、それぞれ、第１屈折率を有する基本領域１０４−１ａ、１０４−２ａと、第１屈折率とは異なる第２屈折率を有する複数の異屈折率領域１０４−１ｂ、１０４−２ｂを含む。複数の異屈折率領域１０４−１ｂ、１０４−２ｂは、それぞれの重心Ｇ１が基本領域１０４−１ａ、１０４−２ａ中の仮想的な正方格子における各格子点から所定の距離ｒだけずれた場所に位置するような配置パターンに従って、基本領域１０４−１ａ、１０４−２ａ中に配置される。位相変調領域１０４−１、１０４−２それぞれにおいて、複数の異屈折率領域１０４−１ｂの配置パターンは、当該位相変調領域１０４−１または１０４−２に対応する第２面側電極１０８−１または１０８−２から駆動電流が供給されたときに第１面１００ａから出力される光で表現されるビーム投射パターンと該ビーム投射パターンの投射範囲であるビーム投射領域が、目標ビーム投射パターンと目標ビーム投射領域に一致するよう設定されている。

第２面側電極１０８−１から駆動電流が供給されたときに出力される光のビーム投射領域と、第２面側電極１０８−２から駆動電流が供給されたときに出力される光のビーム投射領域とは、同じであってもよいし異なっていてもよい。また、第２面側電極１０８−１から駆動電流が供給されたときに出力される光のビーム投射パターンと、第２面側電極１０８−２から駆動電流が供給されたときに出力されるビーム投射パターンも、同じであってもよいし異なっていてもよい。

なお、本明細書でいう「ビーム投射領域」は１つの第２面側電極から駆動電流が供給されたときに半導体発光素子の第１面または第２面から出力される光の投射範囲を指し、「ビーム投射パターン」は、上記投射範囲内における光の投射パターン（光の強弱のパターン）を指す。

活性層１０３、位相変調層１０４、第１クラッド層１０２、第２クラッド層１０６、および共通基板層１０１には、第２面１００ｂから共通基板層１０１に向かって、該共通基板層１０１に到達するまで延びた分離領域１１２が設けられている。分離領域１１２は、Ｚ軸方向（積層方向）から見たときに位相変調領域１０４−１、１０４−２と重なる、活性層１０３、第１クラッド層１０２、第２クラッド層１０６、第１クラッド層１０２、および第２クラッド層１０６それぞれにおける対応領域間を電気的および光学的に分離するよう、第２面１００ｂから共通基板層１０１に向かって伸びている。共通基板層１０１のうち、分離領域１１２の下側に位置する部分の厚さ（分離領域１１２の第１面側電極１１０側の端面１１２ａと第１面側電極１１０の間の最短距離）は、共通基板層１０１の厚さの半分以下であり、典型的には７０μｍ以下である。図３に示されたように、分離領域１１２の位置で区切られる半導体発光素子１００の各部分は、それぞれ独立した発光部（第１発光部、第２発光部）と看做すことができる。

第１面側電極１１０は、図１および図３に示されたように、位相変調領域１０４−１、１０４−２と第２面側電極１０８−１、１０８−２に対応する位置に開口部１１０−１、１１０−２を有している。第１面側電極１１０は、開口部を有する電極の代わりに、透明電極であってもよい。

活性層１０３と位相変調層１０４の上下関係は、図３に示された上下関係と逆であってもよい。また、図３には、共通基板層１０１、上部光ガイド層１０５ｂ、下部光ガイド層１０５ａ、コンタクト層１０７、絶縁層１０９、反射防止層１１１も記載されているが、半導体発光素子１００は、必ずしもこれらを備えている必要はない。

これまでに説明した各層、各領域の構成材料、形状、寸法、分離領域の製造工程を除く主要工程を含む製造方法等は、特許文献１の記載内容に基づいて当業者が適宜選択可能であるが、以下にその一部の例を示す。すなわち、図３に示された各層の材料ないし構造の一例は、次のとおりである。共通基板層１０１はＧａＡｓからなる。第１クラッド層１０２はＡｌＧａＡｓからなる。活性層１０３は多重量子井戸構造ＭＱＷ（障壁層：ＡｌＧａＡｓ／井戸層：ＩｎＧａＡｓ）を有する。位相変調層１０４は、基本領域１０４−１ａ、１０４−２ａと、基本領域１０４−１ａ、１０４−２ａ内に埋め込まれた複数の異屈折率領域１０４−１ｂ、１０４−２ｂを含む。基本領域１０４−１ａ、１０４−２ａはＧａＡｓからなる。複数の異屈折率領域１０４−１ｂ、１０４−２ｂがＡｌＧａＡｓからなる。上部光ガイド層１０５ｂおよび下部光ガイド層１０５ａはＡｌＧａＡｓからなる。第２クラッド層１０６はＡｌＧａＡｓからなる。コンタクト層１０７はＧａＡｓからなる。絶縁層１０９はＳｉＯ_２またはシリコン窒化物からなる。反射防止層１１１は、窒化シリコン（ＳｉＮ）、二酸化シリコン（ＳｉＯ_２）などの誘電体単層膜或いは誘電体多層膜からなる。

本実施形態に係る製造方法では、共通基板の形成（第１工程）の後、上述のように共通基板層１０１上に素子本体（少なくとも、活性層１０３、位相変調層１０４、第１クラッド層１０２、第２クラッド層１０６を含む）が形成される（第２工程）。以上のように形成された素子本体に対し、第２面１００ｂから共通基板層１０１に向かって、該共通基板層１０１に到達するまで伸びる分離領域１１２が形成される（第３工程）。分離領域１１２は、高強度光（電場）により改質された半導体層、不純物拡散およびイオン打ち込み法の何れかにより絶縁化された半導体層、または、ドライエッチングおよびウェットエッチングの何れかにより形成されたスリット（空隙）である。ここで、高強度光（電場）による改質の具体的手法としては、例えば、ナノ秒レーザによる加工や超短パルスレーザによる加工がある。複数の異屈折率領域１０４−１ｂ、１０４−２ｂは、アルゴン、窒素または空気等が封入された空孔であってもよい。第２面１００ｂから共通基板層１０１に向かって伸びる分離領域１１２は、共通基板層１０１を貫通する必要はない。ただし、Ｚ軸方向に沿った共通基板層１０１の厚みのうち分離領域１１２が形成された部分の厚み（分離領域１１２の第１面側電極１１０側の端面１１２ａと第１面側電極１１０の間の最短距離）は、発光部間のクロストークを低減するため、共通基板層１０１の厚みの半分以下であるのが好ましい。典型的には、分離領域１１２の未形成部分の厚みは７０μｍ以下である。なお、本実施形態に係る製造方法は、後述の第２〜第４実施形態に係る半導体発光素子の製造にも適用可能である。

一例では、共通基板層１０１と第１クラッド層１０２には、Ｎ型の不純物が添加されている。第２クラッド層１０６とコンタクト層１０７には、Ｐ型の不純物が添加されている。また、第１クラッド層１０２と第２クラッド層１０６のエネルギーバンドギャップは、上部光ガイド層１０５ｂと下部光ガイド層１０５ａのエネルギーバンドギャップよりも大きい。上部光ガイド層１０５ｂと下部光ガイド層１０５ａのエネルギーバンドギャップは、活性層１０３の多重量子井戸構造ＭＱＷのエネルギーバンドギャップよりも大きく設定されている。

次に、図４および図５を参照して、各位相変調領域における複数の異屈折率領域の配置パターンについて説明する。図４は、位相変調領域における異屈折率領域の配置パターンを説明するための模式図である。図５は、異屈折率領域の重心Ｇ１と仮想的な正方格子における格子点Ｏとの位置関係を説明するための図である。図４には、異屈折率領域は１２個しか示されていないが、実際には、多数の異屈折率領域が設けられる。一例では７０４×７０４の異屈折率領域が設けられる。なお、ここで説明する配置パターンは、第１実施形態に特有の配置パターンではなく、後述の第２〜第４実施形態の配置パターンも同様ある。そのため、図４では、位相変調領域、基本領域、複数の異屈折率領域それぞれを表す符号を一般化し、位相変調領域をｎ０４−ｍ、基本領域をｎ０４−ｍａ、複数の異屈折率領域をｎ０４−ｍｂで表している。なお、「ｎ」は実施形態を区別するための番号（第１実施形態は「１」、第２実施形態は「２」、…）、ｍは１つの半導体発光モジュールを構成する半導体発光素子を区別するための番号であり、「ｎ」および「ｍ」とも、１以上の整数で表される。

図４に示されたように、位相変調層ｎ０４−ｍは、第１屈折率の基本領域ｎ０４−ｍａと、第１屈折率とは異なる第２屈折率の異屈折率領域ｎ０４−ｍｂとを含み、位相変調層ｎ０４−ｍに、Ｘ―Ｙ平面上で規定される仮想的な正方格子が設定される。図４は、位相変調層における異屈折率領域の配置パターン（回転方式）を説明するための模式図である。正方格子の一辺はＸ軸と平行であり、他辺はＹ軸と平行である。このとき、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軸に沿った複数列およびＹ軸に沿った複数行にわたって二次元的に設定され得る。複数の異屈折率領域ｎ０４−ｍｂは、各単位構成領域Ｒ内に１つずつ設けられる。異屈折率領域ｎ０４−ｍｂの平面形状は、例えば円形状である。各単位構成領域Ｒ内において、異屈折率領域ｎ０４−ｍｂの重心Ｇ１は、これに最も近い格子点Ｏから離れて配置される。具体的には、Ｘ−Ｙ平面は、図３に示された半導体発光素子１００−１、１００−２それぞれの厚さ方向（Ｚ軸）に直交する平面であって、異屈折率領域ｎ０４−ｍｂを含む位相変調層ｎ０４−ｍの一方の面に一致している。正方格子を構成する単位構成領域Ｒそれぞれは、Ｘ軸方向の座標成分ｘ（１以上の整数）とＹ軸方向の座標成分ｙ（１以上の整数）とで特定され、単位構成領域Ｒ（ｘ，ｙ）として表される。このとき、単位構成領域Ｒ（ｘ，ｙ）の中心、すなわち格子点はＯ（ｘ，ｙ）で表される。なお、格子点Ｏは、異屈折率領域ｎ０４−ｍｂの外部に位置しても良いし、異屈折率領域ｎ０４−ｍｂの内部に含まれていても良い。なお、１つの単位構成領域Ｒ内に占める異屈折率領域ｎ０４−ｍｂの面積Ｓの比率は、フィリングファクタ（ＦＦ）と称される。正方格子の格子間隔をａとすると、異屈折率領域ｎ０４−ｍｂのフィリングファクタＦＦはＳ／ａ²として与えられる。ＳはＸ−Ｙ平面における異屈折率領域ｎ０４−ｍｂの面積であり、異屈折率領域ｎ０４−ｍの形状が例えば真円の場合、真円の直径Ｄを用いてＳ＝π（Ｄ／２）²として与えられる。また、異屈折率領域ｎ０４−ｍｂの形状が正方形の場合、正方形の一辺の長さＬＡを用いてＳ＝ＬＡ²として与えられる。

図４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軸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軸方向の中心位置を示す。したがって、破線ｘ１〜ｘ４と破線ｙ１〜ｙ３の各交点は、単位構成領域Ｒ（１，１）〜Ｒ（３，４）それぞれの中心Ｏ（１，１）〜Ｏ（３，４）、すなわち、格子点を示す。この仮想的な正方格子は格子定数はａである。なお、格子定数ａは、発光波長に応じて調整される。

上記異屈折率領域ｎ０４−ｍｂの配置パターンは、目標ビーム投射領域と目標ビーム投射パターンに応じて、特許文献１に説明されている方法によって定められる。すなわち、各異屈折率領域ｎ０４−ｍｂの重心Ｇ１を基本領域ｎ０４−ｍａ中の仮想的な正方格子における各格子点（破線ｘ１〜ｘ４と破線ｙ１〜ｙ３の交点）からずらす方向を、目標ビーム投射領域と目標ビーム投射パターンに対応する元パターンを逆フーリエ変換して得られた位相に応じて決定することで、上記配置パターンが決定される。各格子点からずらす距離ｒ（図５参照）は、特許文献１に記載されるように、正方格子の格子定数をａとしたときに０＜ｒ≦０．３ａの範囲とすることが望ましい。各格子点からずらす距離ｒは、全ての位相変調領域、全ての異屈折率領域に渡って同一とされるのが通常であるが、一部の位相変調領域における距離ｒを他の位相変調領域における距離ｒと異なる値としてもよいし、一部の異屈折率領域の距離ｒを他の異屈折率領域の距離ｒと異なる値としてもよい。なお、図５は、回転方式により決定される配置パターン（回転方式）の一例を説明するための図であり、図５中には、単位構成領域Ｒ（ｘ，ｙ）の構成が示されており、格子点から異屈折率領域ｎ０４−ｍｂまでの距離ｒは、ｒ（ｘ，ｙ）で示されている。

図５に示されたように、正方格子を構成する単位構成領域Ｒ（ｘ，ｙ）は、格子点Ｏ（ｘ，ｙ）において互いに直交するｓ軸およびｔ軸によって規定される。なお、ｓ軸はＸ軸に平行な軸であり、図４中に示された破線ｘ１〜ｘ４に対応する。ｔ軸はＹ軸に平行な軸であり、図４中に示された破線ｙ１〜ｙ３に対応している。このように単位構成領域Ｒ（ｘ，ｙ）を規定するｓ−ｔ平面において、格子点Ｏ（ｘ，ｙ）から重心Ｇ１に向かう方向と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）と重心Ｇ１とを結ぶベクトルの方向はｓ軸の正方向と一致する。また、格子点Ｏ（ｘ，ｙ）と重心Ｇ１とを結ぶベクトルの長さ（距離ｒに相当）がｒ（ｘ，ｙ）で与えられる。

図４に示されたように、位相変調層ｎ０４−ｍにおいては、異屈折率領域ｎ０４−ｍｂの重心Ｇ１の格子点Ｏ（ｘ，ｙ）周りの回転角度φ（ｘ，ｙ）が、目標ビーム投射パターン（光像）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。すなわち、回転角度φ（ｘ，ｙ）は、目標ビーム投射パターン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二次元逆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。なお、目標ビーム投射パターンから複素振幅分布（単位構成領域Ｒそれぞれの複素振幅）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、目標ビーム投射パターンの再現性が向上する。

図６は、半導体発光素子１００から出力される目標ビーム投射パターン（光像）と、位相変調層ｎ０４−ｍにおける回転角度φ（ｘ，ｙ）の分布との関係を説明するための図である。具体的には、目標ビーム投射パターンの投射範囲である目標ビーム投射領域（ＸＹＺ直交座標系における座標（ｘ,ｙ,ｚ）で表現される設計上の光像の設置面）を波数空間上に変換して得られるＫｘ−Ｋｙ平面について考える。このＫｘ−Ｋｙ平面を規定するＫｘ軸およびＫｙ軸は、互いに直交するとともに、それぞれが、目標ビーム投射パターンの投射方向を第１面１００ａの法線方向（Ｚ軸方向）から該第１面１００ａまで振った時の該法線方向に対する角度に、上記式（１）〜式（５）によって対応付けられている。このＫｘ−Ｋｙ平面上において、目標ビーム投射パターンを含む特定領域が、それぞれが正方形状のＭ２（１以上の整数）×Ｎ２（１以上の整数）個の画像領域ＦＲで構成されるものとする。また、位相変調層ｎ０４−ｍ上のＸ−Ｙ平面上において設定された仮想的な正方格子が、Ｍ１（１以上の整数）×Ｎ１（１以上の整数）個の単位構成領域Ｒにより構成されるものとする。なお、整数Ｍ２は、整数Ｍ１と一致する必要はない。同様に、整数Ｎ２は、整数Ｎ１と一致する必要もない。このとき、Ｋｘ軸方向の座標成分ｋ_ｘ（１以上Ｍ２以下の整数）とＫｙ軸方向の座標成分ｋ_ｙ（１以上Ｎ２以下の整数）とで特定される、Ｋｘ−Ｋｙ平面における画像領域ＦＲ（ｋ_ｘ，ｋ_ｙ）それぞれを、Ｘ軸方向の座標成分ｘ（１以上Ｍ１以下の整数）とＹ軸方向の座標成分ｙ（１以上Ｎ１以下の整数）とで特定される単位構成領域Ｒ（ｘ，ｙ）に二次元逆フーリエ変換した、単位構成領域Ｒ（ｘ，ｙ）における複素振幅Ｆ（ｘ，ｙ）が、ｊを虚数単位として、以下の式（８）で与えられる。

また、単位構成領域Ｒ（ｘ，ｙ）において、振幅項をＡ（ｘ，ｙ）および位相項をＰ（ｘ，ｙ）とするとき、該複素振幅Ｆ（ｘ，ｙ）が、以下の式（９）により規定される。

図６に示されたように、座標成分ｘ＝１〜Ｍ１およびｙ＝１〜Ｎ１の範囲において、単位構成領域Ｒ（ｘ，ｙ）の複素振幅Ｆ（ｘ，ｙ）における振幅項をＡ（ｘ，ｙ）の分布が、Ｘ−Ｙ平面上における強度分布に相当する。また、ｘ＝１〜Ｍ１，ｙ＝１〜Ｎ１の範囲において、単位構成領域Ｒ（ｘ，ｙ）の複素振幅Ｆ（ｘ，ｙ）における位相項をＰ（ｘ，ｙ）の分布が、Ｘ−Ｙ平面上における位相分布に相当する。単位構成領域Ｒ（ｘ，ｙ）における回転角度φ（ｘ，ｙ）は、後述するように、Ｐ（ｘ，ｙ）から得られ、座標成分ｘ＝１〜Ｍ１およびｙ＝１〜Ｎ１の範囲において、単位構成領域Ｒ（ｘ，ｙ）の回転角度φ（ｘ，ｙ）の分布が、Ｘ−Ｙ平面上における回転角度分布に相当する。

なお、Ｋｘ−Ｋｙ平面上におけるビーム投射パターンの中心Ｑは第１面１００ａに対して垂直な軸線上に位置しており、図６には、中心Ｑを原点とする４つの象限が示されている。図６では、一例として第１象限および第３象限に光像が得られる場合が示されたが、第２象限および第４象限、あるいは、全ての象限で像を得ることも可能である。本実施形態では、図６に示されたように、原点に関して点対称なパターンが得られる。図６は、一例として、第３象限に文字「Ａ」が、第１象限に文字「Ａ」を１８０°回転したパターンが、それぞれ得られる場合について示されている。なお、回転対称な光像（例えば、十字、丸、二重丸など）である場合には、重なって一つの光像として観察される。

半導体発光素子１００から出力されたビーム投射パターン（光像）は、スポット、３点以上からなるスポット群、直線、十字架、線画、格子パターン、写真、縞状パターン、ＣＧ（コンピュータグラフィクス）、および文字のうち少なくとも１つで表現される設計上の光像（元画像）に対応した光像となる。ここで、目標ビーム投射パターンを得るためには、以下の手順によって単位構成領域Ｒ（ｘ，ｙ）における異屈折率領域ｎ０４−ｍｂの回転角度φ（ｘ、ｙ）を決定する。

単位構成領域Ｒ（ｘ，ｙ）内では、上述のように、異屈折率領域ｎ０４−ｍｂの重心Ｇ１が格子点Ｏ（ｘ，ｙ）から距離ｒ（ｒ（ｘ，ｙ）の値）だけ離れた状態で配置されている。このとき、単位構成領域Ｒ（ｘ，ｙ）内には、回転角度φ（ｘ，ｙ）が、以下の関係を満たすように異屈折率領域ｎ０４−ｍｂは配置される。
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
なお、比例定数Ｃおよび任意の定数Ｂは、全ての単位構成領域Ｒに対して同一の値である。

すなわち、目標ビーム投射パターンを得たい場合、波数空間上に射影されたＫｘ−Ｋｙ平面上に形成されるパターンを位相変調層ｎ０４−ｍ上のＸ−Ｙ平面上の単位構成領域Ｒ（ｘ，ｙ）に二次元逆フーリエ変換し、その複素振幅Ｆ（ｘ，ｙ）の位相項Ｐ（ｘ，ｙ）に対応した回転角度φ（ｘ，ｙ）を、該単位構成領域Ｒ（ｘ，ｙ）内に配置される異屈折率領域ｎ０４−ｍｂに与えればよい。なお、レーザビームの二次元逆フーリエ変換後の遠視野像は、単一若しくは複数のスポット形状、円環形状、直線形状、文字形状、二重円環形状、または、ラゲールガウスビーム形状などの各種の形状をとることができる。なお、目標ビーム投射パターンは波数空間上における波数情報で表わされるものであるので（Ｋｘ−Ｋｙ平面上）、該目標ビーム投射パターンが二次元的な位置情報で表わされているビットマップ画像などの場合には、一旦波数情報に変換した後に二次元逆フーリエ変換を行うとよい。

二次元逆フーリエ変換で得られた、Ｘ−Ｙ平面上における複素振幅分布から強度分布と位相分布を得る方法としては、例えば強度分布（Ｘ−Ｙ平面上における振幅項Ａ（ｘ，ｙ）の分布）については、ＭａｔｈＷｏｒｋｓ社の数値解析ソフトウェア「ＭＡＴＬＡＢ」のａｂｓ関数を用いることにより計算することができ、位相分布（Ｘ−Ｙ平面上における位相項Ｐ（ｘ，ｙ）の分布）については、ＭＡＴＬＡＢのａｎｇｌｅ関数を用いることにより計算することができる。

上述のように、異屈折率領域ｎ０４−ｍｂの配置パターンを定めれば、半導体発光素子１００の第１面１００ａから目標ビーム投射領域と目標ビーム投射パターンの光がビーム投射領域へと出力され得る。目標ビーム投射パターンは、設計者が任意に定めることが可能で、スポット、３点以上からなるスポット群、直線、線画、十字架、図形、写真、ＣＧ（コンピュータグラフィックス）、文字、等であり得る。各位相変調領域のＸ―Ｙ平面内において、全ての異屈折率領域ｎ０４−ｍｂは、同一の図形、同一の面積、および／または、同一の距離ｒ、を有する。また、複数の異屈折率領域ｎ０４−ｂは、並進操作、または、並進操作と回転操作の組み合わせにより、重ね合わせることができるように形成されていてもよい。この場合、ビーム投射領域内におけるノイズ光およびノイズとなる０次光の発生を抑制することができる。ここで０次光とは、Ｚ軸方向に平行に出力する光であり、位相変調層ｎ０４−ｍにおいて位相変調されない光のことである。

ここで、図７に、目標ビーム投射パターンと、それに対応する元パターンを逆フーリエ変換して得られた複素振幅分布のうちの位相分布の一例を示す。図７（ａ）は第２面側電極１０８−１から駆動電流が供給されたときに得られる目標ビーム投射パターンの一例、図７（ｂ）は第２面側電極１０８−２から駆動電流が供給されたときに得られる目標ビーム投射パターンの一例を示している。図７（ｃ）および図７（ｄ）は、それぞれ、図７（ａ）および図７（ｂ）の各ビーム投射パターンに対応する元パターンを逆フーリエ変換して得られた複素振幅分布のうちの位相分布を示している。図７（ｃ）および図７（ｄ）は、何れも７０４×７０４の要素で構成されており、色の濃淡によって０〜２πの角度の分布を表している。色が黒い部分が角度０を表している。

次に図８を参照して、半導体発光素子１００を備える発光装置について説明する。図８は半導体発光素子１００を備える発光装置の構成を示すブロック図である。図８に示されたように、発光装置１４０は、半導体発光素子１００と、電源回路１４１と、制御信号入力回路１４２と、駆動回路１４３と、を備える。電源回路１４１は、駆動回路１４３と半導体発光素子１００に電源を供給する。制御信号入力回路１４２は、発光装置１４０の外部から供給される制御信号を駆動回路１４３へ伝達する。駆動回路１４３は、半導体発光素子１００に駆動電流を供給する。駆動回路１４３と半導体発光素子１００とは、駆動電流を供給する２本の駆動ライン１４４−１、１４４−２と１本の共通電位ライン１４５により接続されている。駆動ライン１４４−１、１４４−２は、第２面側電極１０８−１、１０８−２にそれぞれ接続されている。共通電位ライン１４５は、第１面側電極１１０に接続されている。なお、図８において、駆動回路１４３の上に示された半導体発光素子１００と駆動回路１４３の下に示された半導体発光素子１００は、それぞれ、１つの半導体発光素子１００の第１面と第２面を表している。

駆動ライン１４４−１、１４４−２は、用途に応じて、択一的に駆動されてもよいし、同時に駆動されてもよい。また、駆動回路１４３は、半導体発光素子１００とは別体で構成されてもよいし、半導体発光素子１００の共通基板層１０１上に一体的に形成されてもよい。

以上のように構成された半導体発光素子１００を備える発光装置１４０は、次のように動作する。すなわち、駆動回路１４３から駆動ライン１４４−１、１４４−２の何れかと共通電位ライン１４５の間に駆動電流が供給される。駆動電流が供給された駆動ラインに接続された第２面側電極に対応する発光部では、活性層１０３において電子と正孔の再結合が生じ、その発光部における活性層１０３が発光する。その発光により得られた光は、第１クラッド層１０２と第２クラッド層１０６によって効率的に閉じ込められる。活性層１０３から出射された光は、対応する位相変調領域の内部に入射し、位相変調領域による二次元的なフィードバックによる閉じ込め効果によって所定のモードが形成される。活性層に十分な電子と正孔を注入することによって、位相変調領域に入射した光は所定のモードで発振する。所定の発振モードを形成した光は、異屈折率領域の配置パターンに応じた位相変調を受け、位相変調を受けた光が、配置パターンに応じたビーム投射パターンを表現する光として第１面側電極側から外部（ビーム投射領域）に出射される。

本実施形態では、半導体発光素子１００が一対の位相変調領域１０４−１、１０４−２を有する位相変調層１０４を備えた単一の素子である。そのため、それぞれ一つの位相変調領域（位相変調層）を備える複数の半導体発光素子が支持基板上に配置されている構成とは違い、複数の半導体発光素子が支持基板上に配置される過程が必要とされない。したがって、本実施形態によれば、目標ビーム投射領域への目標ビーム投射パターンの光の照射が容易かつ高精度に実現される。

また、本実施形態では、活性層１０３、位相変調層１０４、第１クラッド層１０２、第２クラッド層１０６、および共通基板層１０１には、Ｚ軸方向から見たときに位相変調領域１０４−１、１０４−２と重なる対応領域間を電気的および光学的に分離する分離領域１１２が設けられている。隣接する位相変調領域１０４−１、１０４−２は、分離領域１１２によって電気的および光学的に分離されるので、隣接する位相変調領域１０４−１、１０４−２間でのクロストークの発生が抑制される。この結果、所望のビーム投射領域への所望のビーム投射パターンの光の照射が、より一層高精度で実現される。

本実施形態では、第２面側電極１０８−１、１０８−２の何れから駆動電流が供給された場合にもビーム投射領域が等しくなるように、位相変調領域１０４−１、１０４−２それぞれにおける配置パターンが設定されていてもよい（ただし、ビーム投射パターンは任意）。このような構成では、特許文献１に示された半導体発光素子の応用例（レーザビームを対象物に対して走査するようにした応用例）以外への各種の応用が可能となる。例えば、本字氏形態によれば、（ア）スクリーンの同じ領域に２つのパターンを切替表示するタイプの各種表示装置への応用、（イ）一箇所に同じパターンの光を継続的あるいは断続的に照射するタイプの各種照明への応用、（ウ）一箇所に同じパターンのパルス光を連続的に照射することで対象物に目標パターンの穴を穿設するタイプのレーザ加工への応用が可能である。

第１実施形態における応用（ア）の例としては、図７（ａ）に示されたような×のパターンと図７（ｂ）に示されたような○のパターンを、ユーザの指示または適宜のタイミングでスクリーンの同じ位置に切替表示するような応用がある。

第１実施形態における応用（イ）の例としては、第１位相変調領域１０４−１における配置パターンと第２位相変調領域１０４−２における配置パターンの両方が、同じビーム投射領域、同じビーム投射パターンが得られるように設定される。なお、ビーム投射パターンは例えばビーム投射領域の全体あるいは一部にわたって均一な明るさを有するようなビーム投射パターンとする。明るい照明が必要な場合には第２面側電極１０８−１、１０８−２の両方から駆動電流を供給し、暗い照明で足りる場合には第２面側電極１０８−１、１０８−２の何れか一方のみから駆動電流を供給する、といった応用がある。

第１実施形態における応用（ウ）の例としては、第１位相変調領域１０４−１における配置パターンと第２位相変調領域１０４−２における配置パターンの両方が、同じビーム投射領域同じビーム投射パターンが得られるように設定される。なお、ビーム投射領域は被加工物の穴を穿設したい位置に合わせ、ビーム投射パターンは穿設したい穴の形状のパターンとする。第２面側電極１０８−１、１０８−２の双方から交互にパルス電流を供給する、といった応用がある。この場合、それぞれの発光部のパルス間隔を長くできる。そのため、それぞれの発光部からより高いピーク出力を得ることが可能となり、より大出力を得ることが可能となる。

また、本実施形態においては、第２面側電極１０８−１、１０８−２の何れから駆動電流が供給された場合にもビーム投射パターンが等しくなるように、位相変調領域１０４−１、１０４−２それぞれにおける配置パターンが定められていてもよい（ただし、ビーム投射領域は任意）。このような構成の場合にも、特許文献１に示された半導体発光素子の応用例（レーザビームを対象物に対して走査するようにした応用例）以外への各種の応用が可能となる。例えば、上述の応用（ア）〜応用（ウ）の他、２つの個所を適宜のタイミングで照射するタイプの照明等への応用も可能となる。

（第２実施形態）
第２実施形態は、第１実施形態において２つ（一対）であった位相変調領域と第２面側電極の組を３つ以上に有し、それらを一次元に配置した実施形態である。換言すれば、この第２実施形態は、第1実施形態では２つであった発光部を３つ以上に増加させて、更に発光部を一次元に配置した実施形態であり、そのように変更した点以外は第１実施形態と同様である。

図９〜図１１を参照して、第２実施形態に係る半導体発光素子２００の構成を説明する。図９は、第２実施形態に係る半導体発光素子２００を第１面側から見た図である。図１０は、半導体発光素子２００を第２面側から見た図である。図１１は、図９および図１０のＸ−Ｘ線に沿っての断面図である。図９〜図１１には５つの発光部（第１発光部〜第５発光部）が直線上に並んでいる例が示されているが、発光部の数は５つ以外であってもよく、また、一次元の配置は曲線上であってもよい。

図９〜図１１に示されたように、半導体発光素子２００は、第１面２００ａと第２面２００ｂとを有し、光出射面として第１面２００ａから光を出力する。なお、本実施形態において、第２面２００ｂはサポート面として機能する。半導体発光素子２００は、共通基板層２０１と、活性層２０３と、位相変調層２０４と、第１クラッド層２０２と、第２クラッド層２０６と、複数の第２面側電極２０８−１〜２０８−５と、第１面側電極２１０と、を備える。位相変調層２０４は、活性層２０３と光学的に結合される複数の位相変調領域２０４−１〜２０４−５を有する。なお、少なくとも、活性層２０３と複数の位相変調領域２０４−１〜２０４−５を含む位相変調層２０４により積層構造体が構成されている。第１クラッド層２０２は、積層構造体（少なくとも、活性層２０３と位相変調層２０４を含む）に対して第１面２００ａが配置された側に位置する。第２クラッド層２０６は、積層構造体（少なくとも、活性層２０３と位相変調層２０４を含む）に対して第２面２００ｂが配置された側に位置する。第２面側電極２０８−１〜２０８−５は、第２クラッド層２０６に対して第２面２００ｂが配置された側であって、位相変調領域２０４−１〜２０４−５それぞれに対応する位置に配置されている。第１面側電極２１０は、第１クラッド層２０２に対して第１面２００ａが配置された側に位置する。

位相変調領域２０４−１〜２０４−５は、それぞれ、第１屈折率を有する基本領域２０４−１ａ〜２０４−５ａと、第１屈折率とは異なる第２屈折率を有する複数の異屈折率領域２０４−１ｂ〜２０４−５ｂを含む。複数の異屈折率領域２０４−１ｂ〜２０４−５ｂは、それぞれの重心Ｇ１が基本領域２０４−１ａ〜２０４−５ａ中の仮想的な正方格子における各格子点Ｏから所定の距離ｒだけずれた場所に位置するような配置パターンに従って、基本領域２０４−１ａ〜２０４−５ａ中に配置される。位相変調領域２０４−１〜２０４−５それぞれにおける異屈折率領域２０４−１ｂ〜２０４−５ｂの配置パターンは、当該位相変調領域２０４−１〜２０４−５に対応する第２面側電極２０８−１〜２０８−５から駆動電流が供給されたときに第１面２００ａから出力される光で表現されるビーム投射パターンと該ビーム投射パターンの投射範囲であるビーム投射が、目標ビーム投射パターンと目標ビーム投射領域となるように設定されている。

第２面側電極２０８−１〜２０８−５から駆動電流が供給されたときに出力される光のビーム投射領域は、全てが同じであってもよいし、少なくとも一部が他と異なっていてもよい。また、第２面側電極２０８−１〜２０８−５から駆動電流が供給されたときに出力される光のビーム投射パターンも、全てが同じであってもよいし、少なくとも一部が他と異なっていてもよい。

活性層２０３、位相変調層２０４、第１クラッド層２０２、第２クラッド層２０６、および共通基板層２０１には、第２面２００ｂから共通基板層２０１に向かって、該共通基板層２０１に到達するまで伸びた分離領域２１２が設けられている。分離領域２１２は、Ｚ軸方向（積層方向）から見たときに位相変調領域２０４−１〜２０４−５と重なる、活性層２０３、第１クラッド層２０２、第２クラッド層２０６、第１クラッド層２０２、および第２クラッド層２０６それぞれにおける対応領域間を電気的および光学的に分離するよう、第２面２００ｂから共通基板層２０１に向かって伸びている。共通基板層２０１のうち、分離領域２１２の下部に位置する部分の厚さ（分離領域２１２の第１面側電極２１０側の端面２１２ａと第１面側電極２１０の間の最短距離）は、Ｚ軸方向に沿った共通基板層２０１の厚さの半分以下であり、典型的には７０μｍ以下である。図１１に示されたように、分離領域２１２の位置で区切られる半導体発光素子１００の各部分は、それぞれ独立した発光部（第１発光部〜第５発光部）と看做すことができる。また、分離領域２１２の製造工程は、第１実施形態と同様である。

第１面側電極２１０は、図９および図１１に示されたように、位相変調領域２０４−１〜２０４−５と第２面側電極２０８−１〜２０８−５に対応する位置に開口部２１０−１〜２１０−５を有している。第１面側電極２１０は、開口部を有する電極の代わりに、透明電極であってもよい。

活性層２０３と位相変調層２０４の上下関係は、図１１に示された上下関係と逆であってもよい。また、図１１には、共通基板層２０１、上部光ガイド層２０５ｂ、下部光ガイド層２０５ａ、コンタクト層２０７、絶縁層２０９、反射防止層２１１も記載されているが、半導体発光素子２００は、必ずしもこれらを備えている必要はない。

これまでに説明した各層、各領域の構成材料、形状、寸法、分離領域の製造工程を除く主要工程を含む製造方法等は、第１実施形態と同様に、特許文献１の記載内容に基づいて当業者が適宜選択可能であるが、以下にその一部の例を示す。すなわち、図１１に示された各層の材料ないし構造の一例は、次のとおりである。共通基板層２０１はＧａＡｓからなる。第１クラッド層２０２はＡｌＧａＡｓからなる。活性層２０３は多重量子井戸構造ＭＱＷ（障壁層：ＡｌＧａＡｓ／井戸層：ＩｎＧａＡｓ）を有する。位相変調層２０４は、基本領域２０４−１ａ〜２０４−５ａと、該基本領域２０４−１ａ〜２０４−５ａ内に埋め込まれた複数の異屈折率領域２０４−１ｂ〜２０４−５ｂを含む。基本領域２０４−１ａ〜２０４−５ａはＧａＡｓからなる。複数の異屈折率領域２０４−１ｂ〜２０４−５ｂがＡｌＧａＡｓからなる。上部光ガイド層２０５ｂおよび下部光ガイド層２０５ａはＡｌＧａＡｓからなる。第２クラッド層２０６はＡｌＧａＡｓからなる。コンタクト層２０７はＧａＡｓからなる。絶縁層２０９はＳｉＯ_２またはシリコン窒化物からなる。反射防止層２１１は、窒化シリコン（ＳｉＮ）、二酸化シリコン（ＳｉＯ_２）などの誘電体単層膜或いは誘電体多層膜からなる。分離領域２１２は、高強度光（電場）により改質された半導体層、不純物拡散およびイオン打ち込み法の何れかにより絶縁化された半導体層、または、ドライエッチングおよびウェットエッチングの何れかにより形成されたスリット（空隙）である。ここで、高強度光（電場）による改質の具体的手法としては、例えば、ナノ秒レーザによる加工や超短パルスレーザによる加工がある。複数の異屈折率領域２０４−１ｂ〜２０４−５ｂは、アルゴン、窒素または空気等が封入された空孔であってもよい。

一例では、共通基板層２０１と第１クラッド層２０２には、Ｎ型の不純物が添加されている。第２クラッド層２０６とコンタクト層２０７には、Ｐ型の不純物が添加されている。また、第１クラッド層２０２と第２クラッド層２０６のエネルギーバンドギャップは、上部光ガイド層２０５ｂと下部光ガイド層２０５ａのエネルギーバンドギャップよりも大きい。上部光ガイド層２０５ｂと下部光ガイド層２０５ａのエネルギーバンドギャップは、活性層２０３の多重量子井戸構造ＭＱＷのエネルギーバンドギャップよりも大きく設定されている。

ここで、図１２および図１３に、本実施形態および後述の第３実施形態において目標ビーム投射パターンと、それに対応する元パターンを逆フーリエ変換して得られた複素振幅分布のうちの位相分布の例を示す。図１２（ａ）〜図１２（ｃ）は、それぞれ、第１発光部、第３発光部、第５発光部の第２面側電極から駆動電流を供給したときに得られる目標ビーム投射パターンの一例を示している。図１２（ｄ）〜図１２（ｆ）は、それぞれ、図１２（ａ）〜図１２（ｃ）の各ビーム投射パターンに対応する元パターンを逆フーリエ変換して得られた複素振幅分布のうちの位相分布を示している。図１３（ａ）〜図１３（ｃ）は、それぞれ、第１発光部、第３発光部、第５発光部の第２面側電極から駆動電流を供給したときに得られる目標ビーム投射パターンの別の一例を示している。図１３（ｄ）〜図１３（ｆ）は、それぞれ、図１３（ａ）〜図１３（ｃ）の各ビーム投射パターンに対応する元パターンを逆フーリエ変換して得られた複素振幅分布のうちの位相分布を示している。図１２（ｄ）〜図１２（ｆ）と図１３（ｄ）〜図１３（ｆ）は、何れも７０４×７０４の要素で構成されており、色の濃淡によって０〜２πの角度の分布を表している。色が黒い部分が角度０を表している。

次に、図１４を参照して、半導体発光素子２００を備える発光装置の構成を説明する。図１４は半導体発光素子２００を備える発光装置の構成を示すブロック図である。図１４に示されたように、発光装置２４０は、半導体発光素子２００と、電源回路２４１と、制御信号入力回路２４２と、駆動回路２４３と、を備える。電源回路２４１は、駆動回路２４３と半導体発光素子２００に電源を供給する。制御信号入力回路２４２は、発光装置２４０の外部から供給される制御信号を駆動回路２４３へ伝達する。駆動回路２４３は、半導体発光素子２００に駆動電流を供給する。駆動回路２４３と半導体発光素子２００とは、駆動電流を供給する複数の駆動ライン２４４−１〜２４４−５と１本の共通電位ライン２４５により接続されている。駆動ライン２４４−１〜２４４−５は、第２面側電極２０８−１〜２０８−５にそれぞれ接続されている。共通電位ライン２４５は第１面側電極２１０に接続されている。なお、図１４において、駆動回路２４３の上に示された半導体発光素子２００と駆動回路２４３の下に示された半導体発光素子２００は、それぞれ、１つの半導体発光素子２００の第１面と第２面を表している。

駆動ライン２４４−１〜２４４−５は、用途に応じて、択一的に駆動されてもよいし、少なくとも２本が同時に駆動されてもよい。また、駆動回路２４３は、半導体発光素子２００とは別体で構成されてもよいし、半導体発光素子２００の共通基板層２０１上に一体的に形成されてもよい。

以上のように構成された半導体発光素子２００を備える発光装置２４０は、次のように動作する。すなわち、駆動回路２４３から駆動ライン２４４−１〜２４４−５の何れかと共通電位ライン２４５の間に駆動電流が供給される。駆動電流が供給された駆動ラインに接続された第２面側電極に対応する発光部では、活性層２０３において電子と正孔の再結合が生じ、その発光部における活性層２０３が発光する。その発光により得られた光は、第１クラッド層２０２と第２クラッド層２０６によって効率的に閉じ込められる。活性層２０３から出射された光は、対応する位相変調領域の内部に入射し、位相変調領域による２次元的なフィードバックによる閉じ込め効果によって所定のモードを形成する。活性層に十分な電子と正孔を注入することによって、位相変調領域に入射した光は所定のモードで発振する。所定の発振モードを形成した光は、異屈折率領域の配置パターンに応じた位相変調を受け、位相変調を受けた光が、配置パターンに応じたビーム投射パターンを表現する光として第１面側電極側から外部（ビーム投射領域）に出射される。

本実施形態においても、半導体発光素子２００が複数の位相変調領域２０４−１〜２０４−５を有する位相変調層２０４を備えた単一の素子である。そのため、それぞれ一つの位相変調領域（位相変調層）を備える複数の半導体発光素子が支持基板上に配置されている構成とは違い、複数の半導体発光素子が支持基板上に配置される過程が必要とされない。そのため、目標ビーム投射領域への目標ビーム投射パターンの光の照射が容易かつ高精度に実現される。

また、本実施形態においても、活性層２０３、位相変調層２０４、第１クラッド層２０２、第２クラッド層２０６、および共通基板層２０１に、第２面２００ｂから共通基板層２０１に向かって、該共通基板層２０１に到達するまで伸びた分離領域２１２が設けられている。隣接する位相変調領域２０４−１〜２０４−５は、分離領域２１２によって電気的および光学的に分離されるので、隣接する位相変調領域２０４−１〜２０４−５間でのクロストークの発生が抑制される。この結果、所望のビーム投射領域への所望のビーム投射パターンの光の照射が、より一層高精度で実現される。

また、本実施形態においても、第２面側電極２０８−１〜２０８−５の何れから駆動電流が供給された場合にもビーム投射領域が等しくなるように、位相変調領域２０４−１〜２０４−５それぞれにおける配置パターンが設定されてもよい（ただし、ビーム投射パターンは任意）。このような構成の場合には、特許文献１に示された半導体発光素子の応用例（レーザビームを対象物に対して走査するようにした応用例）以外への各種の応用が可能となる。例えば、本実施形態によれば、（ア）スクリーンの同じ領域に３つ以上の複数のパターンを切替表示するタイプの各種表示装置への応用、（イ）一箇所に同じパターンの光を継続的あるいは断続的に照射するタイプの各種照明への応用、（ウ）一箇所に同じパターンのパルス光を連続的に照射することで対象物に目標パターンの穴を穿設するタイプのレーザ加工への応用が可能である。

第２実施形態における応用（ア）の例としては、図７（ａ）に示されたような×のパターンと図７（ｂ）に示されたような○のパターンに加えて、△、□等のそれ以外のパターンを、ユーザの指示または適宜のタイミングでスクリーンの同じ位置に切替表示するような応用、図１２および図１３に示されたような少しずつ異なるパターンを連続的に切替表示することで1つの領域にアニメーションを表示するような応用、等がある。

第２実施形態における応用（イ）の例としては、第1実施形態における応用（イ）として示された照明を、多段階に切替え可能に変更したような応用がある。

第３実施形態に置ける応用（ウ）の例としては、第1実施形態における応用（ウ）として示されたレーザ加工を、複数の第２面側電極を順次パルス駆動するように変更したような応用がある。この場合、それぞれの発光部のパルス間隔を長く出来るため、それぞれの発光部からより高いピーク出力を得ることが可能となり、より大出力を得ることが可能となる。

また、本実施形態においても、第２面側電極２０８−１〜２０８−５の何れから駆動電流が供給された場合にもビーム投射パターンが等しくなるように、位相変調領域２０４−１〜２０４−５それぞれにおける配置パターンが設定されていてもよい（ただし、ビーム投射領域は任意）。このような構成の場合、特許文献１に示された半導体発光素子の応用例（レーザビームを対象物に対して走査するようにした応用例）と同様の応用が可能となる他、それとは異なる各種の応用も可能となる。特許文献１に示された応用例とは異なる応用としては、上述の応用（ア）〜応用（ウ）の他、任意の個所を所望のタイミングで照射するタイプの照明への応用等も可能となる。

（第３実施形態）
第３実施形態は、第２実施形態における位相変調領域と第２面側電極の一次元配置を、二次元配置に変更した実施形態である。換言すれば、この第２実施形態は、第１実施形態のような複数の発光部の一次元配置を二次元配置に変更した実施形態であり、そのように変更した点以外は第２実施形態と同様である。

図１５〜図１７を参照して、第３実施形態に係る半導体発光素子３００の構成を説明する。図１５は、第３実施形態に係る半導体発光素子３００を第１面側から見た図、図１６は、半導体発光素子３００を第２面側から見た図、図１７は、図１５および図１６のＸＶＩ−ＸＶＩ線に沿っての断面図である。図１５〜図１７には１５個の発光部（第１発光部〜第１５発光部）が３行５列に並んでいる例が示されているが、発光部の数は１５以外であってもよく、また、二次元の配置は任意でよい。

図１５〜図１７に示されたように、半導体発光素子３００は、第１面３００ａと第２面３００ｂとを有し、光出射面として第１面３００ａから光を出力する。なお、本実施形態において、第２面３００ｂはサポート面として機能する。半導体発光素子３００は、共通基板層３０１と、活性層３０３と、位相変調層３０４と、第１クラッド層３０２と、第２クラッド層３０６と、複数の第２面側電極３０８−１〜３０８−１５と、第１面側電極３１０と、を備える。位相変調層３０４は、活性層３０３と光学的に結合される複数の位相変調領域３０４−１〜３０４−１５を有する。なお、少なくとも、活性層３０３と複数の位相変調領域３０４−１〜３０４−１５を含む位相変調層３０４により積層構造体が構成されている。第１クラッド層３０２は、積層構造体（少なくとも、活性層３０３と位相変調層３０４を含む）に対して第１面３００ａが配置された側に位置する。第２クラッド層３０６は、積層構造体（少なくとも、活性層３０３と位相変調層３０４を含む）の第２面３００ｂが配置された側に位置する。第２面側電極３０８−１〜３０８−１５は、第２クラッド層３０６に対して第２面３００ｂが配置された側であって、位相変調領域３０４−１〜３０４−１５それぞれに対応する位置に配置されている。第１面側電極３１０は、第１クラッド層３０２に対して第１面３００ａが配置された側に位置する。

位相変調領域３０４−１〜３０４−１５は、それぞれ、第１屈折率を有する基本領域３０４−１ａ〜３０４−１５ａと第１屈折率とは異なる第２屈折率を有する複数の異屈折率領域３０４−１ｂ〜３０４−１５ｂを含む。複数の異屈折率領域３０４−１ｂ〜３０４−１５ｂは、それぞれの重心Ｇ１が基本領域３０４−１ａ〜３０４−１５ａ中の仮想的な正方格子における各格子点Ｏから所定の距離ｒだけずれた場所に位置するような配置パターンに従って基本領域３０４−１ａ〜３０４−１５ａ中に配置される。位相変調領域３０４−１〜３０４−１５のそれぞれにおける異屈折率領域３０４−１ｂ〜３０４−１５ｂの配置パターンは、当該位相変調領域３０４−１〜３０４−１５に対応する第２面側電極３０８−１〜３０８−１５から駆動電流が供給されたときに第１面３００ａから出力される光で表現されるビーム投射パターンと該ビーム投射パターンの投射範囲であるビーム投射領域が、目標ビーム投射パターンと目標ビーム投射領域に一致するよう設定されている。

第２面側電極３０８−１〜３０８−１５から駆動電流が供給されたときに出力される光のビーム投射領域は、全てが同じであってもよいし、少なくとも一部が他と異なっていてもよい。また、第２面側電極３０８−１〜３０８−１５から駆動電流が供給されたときに出力される光のビーム投射パターンも、全てが同じであってもよいし、少なくとも一部が他と異なっていてもよい。

活性層３０３、位相変調層３０４、第１クラッド層３０２、第２クラッド層３０６、および共通基板層３０１には、第２面３００ｂから共通基板層３０１に向かって、該共通基板層３０１に到達するまで伸びた分離領域３１２が設けられている。分離領域３１２は、Ｚ軸方向（積層方向）から見たときに位相変調領域３０４−１〜２０４−５と重なる、活性層３０３、第１クラッド層３０２、第２クラッド層３０６、第１クラッド層３０２、および第２クラッド層３０６それぞれにおける対応領域間を電気的および光学的に分離するよう、第２面３００ｂから共通基板層３０１に向かって伸びている。共通基板層３０１のうち、分離領域３１２の下部に位置する部分の厚さ（分離領域３１２の第１面側電極３１０側の端面３１２ａと第１面側電極３１０の間の最短距離）は、Ｚ軸方向に沿った共通基板層２０１の厚さの半分以下であり、典型的には７０μｍ以下である。図１７に示されたように、分離領域３１２の位置で区切られる半導体発光素子３００の各部分は、それぞれ独立した発光部（第１発光部〜第１５発光部）と看做すことができる。また、分離領域３１２の製造工程は、第１実施形態と同様である。

第１面側電極３１０は、図１５および図１７に示されたように、位相変調領域３０４−１〜３０４−１５と第２面側電極３０８−１〜３０８−１５に対応する位置に開口部３１０−１〜３１０−１５を有している。第１面側電極３１０は、開口部を有する電極の代わりに、透明電極であってもよい。

活性層３０３と位相変調層３０４の上下関係は、図１７に示された上下関係と逆であってもよい。また、図１７には、共通基板層３０１、上部光ガイド層３０５ｂ、下部光ガイド層３０５ａ、コンタクト層３０７、絶縁層３０９、反射防止層３１１も記載されているが、半導体発光素子２００は、必ずしもこれらを備えている必要はない。

これまでに説明した各層、各領域の構成材料、形状、寸法、分離領域の製造工程を除く主要工程を含む製造方法等は、第１実施形態、第２実施形態と同様に、特許文献１の記載内容に基づいて当業者が適宜選択可能であるが、以下にその一部の例を示す。すなわち、図１７に示された各層の材料ないし構造の一例は、次のとおりである。共通基板層３０１はＧａＡｓからなる。第１クラッド層３０２はＡｌＧａＡｓからなる。活性層３０３は多重量子井戸構造ＭＱＷ（障壁層：ＡｌＧａＡｓ／井戸層：ＩｎＧａＡｓ）を有する。位相変調層３０４は、基本領域３０４−１ａ〜３０４−１５ａと、該基本領域３０４−１ａ〜３０４−１５ａ内に埋め込まれた複数の異屈折率領域３０４−１ｂ〜３０４−１５を含む。基本領域３０４−１ａ〜３０４−１５ａはＧａＡｓからなる。複数の異屈折率領域３０４−１ｂ〜３０４−１５ｂがＡｌＧａＡｓからなる。上部光ガイド層３０５ｂと下部光ガイド層３０５ａはＡｌＧａＡｓからなる。第２クラッド層３０６はＡｌＧａＡｓからなる。コンタクト層３０７はＧａＡｓからなる。絶縁層３０９はＳｉＯ_２またはシリコン窒化物からなる。反射防止層３１１は、窒化シリコン（ＳｉＮ）、二酸化シリコン（ＳｉＯ_２）などの誘電体単層膜或いは誘電体多層膜からなる。分離領域３１２は高強度光（電場）により改質された半導体層、不純物拡散およびイオン打ち込み法の何れかにより絶縁化された半導体層、または、ドライエッチングまたはウェットエッチングにより形成されたスリット（空隙）である。ここで、高強度光（電場）による改質の具体的手法としては、例えば、ナノ秒レーザによる加工や超短パルスレーザによる加工がある。複数の異屈折率領域３０４−１ｂ〜３０４−１５ｂは、アルゴン、窒素または空気等が封入された空孔であってもよい。

一例では、共通基板層３０１と第１クラッド層３０２には、Ｎ型の不純物が添加されている。第２クラッド層３０６とコンタクト層３０７には、Ｐ型の不純物が添加されている。また、第１クラッド層３０２と第２クラッド層３０６のエネルギーバンドギャップは、上部光ガイド層３０５ｂと下部光ガイド層３０５ａのエネルギーバンドギャップよりも大きい。上部光ガイド層３０５ｂと下部光ガイド層３０５ａのエネルギーバンドギャップは、活性層３０３の多重量子井戸構造ＭＱＷのエネルギーバンドギャップよりも大きく設定されている。

次に、図１８を参照して、半導体発光素子３００を備える発光装置の構成を説明する。図１８は半導体発光素子３００を備える発光装置の構成を示すブロック図である。

図１８に示されたように、発光装置３４０は、半導体発光素子３００と、電源回路３４１と、制御信号入力回路３４２と、駆動回路３４３と、を備える。電源回路３４１は、駆動回路３４３と半導体発光素子３００に電源を供給する。制御信号入力回路３４２は、発光装置３４０の外部から供給される制御信号を駆動回路３４３へ伝達する。駆動回路３４３は、半導体発光素子３００に駆動電流を供給する。駆動回路３４３と半導体発光素子３００とは、駆動電流を供給する複数の駆動ライン３４４−１〜３４４−１５と１本の共通電位ライン３４５により接続されている。駆動ライン３４４−１〜３４４−１５は、第２面側電極３０８−１〜３０８−１５のそれぞれに接続され、共通電位ライン３４５は第１面側電極３１０に接続されている。なお、図１８において、駆動回路３４３の上に示された半導体発光素子３００と駆動回路３４３の下に示された半導体発光素子３００は、それぞれ、１つの半導体発光素子３００の第１面と第２面を表している。

駆動ライン３４４−１〜３４４−１５は、用途に応じて、択一的に駆動されてもよいし、少なくとも２本が同時に駆動されてもよい。また、駆動回路３４３は、半導体発光素子３００とは別体で構成されてもよいし、半導体発光素子３００の共通基板層３０１上に一体的に形成されてもよい。

以上のように構成された半導体発光素子３００を備える発光装置３４０は、次のように動作する。すなわち、駆動回路３４３から駆動ライン３４４−１〜３４４−１５の何れかと共通電位ライン３４５の間に駆動電流が供給される。駆動電流が供給された駆動ラインに接続された第２面側電極に対応する発光部では、活性層３０３において電子と正孔の再結合が生じ、その発光部における活性層３０３が発光する。その発光により得られた光は、第１クラッド層３０２と第２クラッド層３０６によって効率的に閉じ込められる。活性層３０３から出射された光は、対応する位相変調領域の内部に入射し、位相変調領域による２次元的なフィードバックによる閉じ込め効果によって所定のモードを形成する。活性層に十分な電子と正孔を注入することによって、位相変調領域に入射した光は所定のモードで発振する。所定の発振モードを形成した光は、異屈折率領域の配置パターンに応じた位相変調を受け、位相変調を受けた光が、配置パターン応じたビーム投射領域とビーム投射パターンを有する光として第１面側電極側から外部に出射される。

本実施形態においても、半導体発光素子３００が複数の位相変調領域３０４−１〜３０４−１５を有する位相変調層３０４を備えた単一の素子である。そのため、それぞれ一つの位相変調領域（位相変調層）を備える複数の半導体発光素子が支持基板上に配置されている構成とは違い、複数の半導体発光素子が支持基板上に配置される過程が必要とされない。そのため、目標ビーム投射領域への目標ビーム投射パターンの光の照射が容易かつ高精度に実現される。

本実施形態においても、活性層３０３、位相変調層３０４、第１クラッド層３０２、第２クラッド層３０６、および共通基板層３０１に、第２面３００ｂから共通基板層３０１に向かって、該共通基板層３０１に到達するまで伸びた分離領域３１２が設けられている。隣接する位相変調領域３０４−１〜３０４−１５は、このような分離領域３１２によって電気的および光学的に分離されるので、隣接する位相変調領域３０４−１〜３０４−１５間でのクロストークの発生が抑制される。この結果、所望のビーム投射領域への所望のビーム投射パターンの光の照射が、より一層高精度で実現される。

本実施形態においても、第２面側電極３０８−１〜３０８−１５の何れから駆動電流が供給された場合にもビーム投射領域が等しくなるように、位相変調領域３０４−１〜３０４−１５のそれぞれにおける配置パターンが定められていてもよい。このような構成の場合、特許文献１に示された半導体発光素子の応用例（レーザビームを対象物に対して走査するようにした応用例）以外への各種の応用が可能となる。可能な応用は、第２実施形態と同様である。

また、本実施形態においても、第２面側電極３０８−１〜３０８−１５の何れから駆動電流が供給された場合にもビーム投射パターンが等しくなるように、位相変調領域３０４−１〜３０４−１５のそれぞれにおける配置パターンが設定されてもよい。このような構成の場合、特許文献１に示された半導体発光素子の応用例（レーザビームを対象物に対して走査するようにした応用例）と同様の応用が可能となる他、それとは異なる各種の応用も可能となる。この場合に可能な応用も、第２実施形態と同様である。

（第４実施形態）
第４実施形態は、第１実施形態では第１面側から取り出していた光出力を第２面側から取り出すように変更したものである。これによれば、光出力が共通基板層を通過しないため共通基板層による出力光の吸収をなくすことが出来、出力光の減衰や共通基板層の発熱を防止することが出来る。そのように変更した点以外は第１実施形態と同様である。

図１９〜図２１を参照して、第４実施形態に係る半導体発光素子１００Ｂの構成を説明する。図１９は、第４実施形態に係る半導体発光素子１００Ｂを第１面側から見た図である。図２０は、半導体発光素子１００Ｂを第２面側から見た図である。図２１は、図１９および図２０のＸＸ−ＸＸ線に沿っての断面図である。

図１９〜図２１に示されたように、半導体発光素子１００Ｂは、第１面１００Ｂａと第２面１００Ｂｂとを有し、第１〜第３実施形態とは異なり、光出射面として第２面１００Ｂｂから光を出力する。なお、本実施形態において、第１面１００Ｂａはサポート面として機能する。半導体発光素子１００Ｂは、共通基板層１０１Ｂと、活性層１０３Ｂと、位相変調層１０４Ｂと、第１クラッド層１０２Ｂと、第２クラッド層１０６Ｂと、一対の第２面側電極１０８Ｂ−１、１０８Ｂ−２と、一対の第１面側電極１１０Ｂ−１、１１０Ｂ−２と、を備える。位相変調層１０４Ｂは、活性層１０３Ｂと光学的に結合される一対の位相変調領域１０４Ｂ−１、１０４Ｂ−２を有する。なお、少なくとも、活性層１０３Ｂと一対の位相変調領域１０４Ｂ−１、１０４Ｂ−２を含む位相変調層１０４Ｂにより積層構造体が構成されている。第１クラッド層１０２Ｂは、積層構造体（少なくとも、活性層１０３Ｂと位相変調層１０４Ｂを含む）に対して第１面１００Ｂａが配置された側に位置する。第２クラッド層１０６Ｂは、積層構造（少なくとも、活性層１０３Ｂと位相変調層１０４Ｂを含む）に対して第２面１００Ｂｂが配置された側に位置する。第２面側電極１０８Ｂ−１、１０８Ｂ−２は、第２クラッド層１０６Ｂに対して第２面１００Ｂｂが配置された側であって、位相変調領域１０４Ｂ−１、１０４Ｂ−２それぞれに対応する位置に配置されている。第１面側電極１１０Ｂ−１、１１０Ｂ−２は、第１クラッド層１０２に対して第１面１００Ｂａが配置された側に位置する。

位相変調領域１０４Ｂ−１、１０４Ｂ−２それぞれは、第１屈折率を有する基本領域１０４Ｂ−１ａ、１０４Ｂ−１ｂと第１屈折率とは異なる第２屈折率を有する複数の異屈折率領域１０４Ｂ−２ａ、１０４Ｂ−２ｂとを有する。複数の異屈折率領域１０４Ｂ−１ｂ、１０４Ｂ−２ｂは、それぞれの重心Ｇ１が基本領域１０４Ｂ−１ａ、１０４−２ａ中の仮想的な正方格子における各格子点Ｏから所定の距離ｒだけずれた場所に位置するような配置パターンに従って基本領域１０４Ｂ−１ａ，１０４Ｂ−２ａ中に配置される。位相変調領域１０４Ｂ−１、１０４Ｂ−２それぞれにおける複数の異屈折率領域１０４Ｂ−１ｂ、１０４Ｂ−２ｂの配置パターンは、当該位相変調領域１０４Ｂ−１または１０４Ｂ−２に対応する第２面側電極１０８Ｂ−１または１０８Ｂ−２から駆動電流が供給されたときに第２面１００Ｂｂから出力される光で表現されるビーム投射パターンと該ビーム投射パターンの投射範囲であるビーム投射領域が、目標ビーム投射パターンと目標ビーム投射領域に一致するように設定されている。

第２面側電極１０８Ｂ−１から駆動電流が供給されたときに出力される光ビーム投射領域と第２面側電極１０８Ｂ−２から駆動電流が供給されたときに出力される光のビーム投射領域とは、同じであってもよいし異なっていてもよい。また、第２面側電極１０８Ｂ−１から駆動電流が供給されたときに出力される光のビーム投射パターンと第２面側電極１０８Ｂ−２から駆動電流が供給されたときに出力されるビーム投射パターンも、同じであってもよいし異なっていてもよい。

活性層１０３Ｂ、位相変調層１０４Ｂ、第１クラッド層１０２Ｂ、第２クラッド層１０６Ｂ、および共通基板層１０１Ｂには、第２面１００Ｂｂから共通基板層１０１Ｂに向かって、該共通基板層１０１Ｂに到達するまで伸びた分離領域１１２Ｂが設けられている。分離領域１１２Ｂは、Ｚ軸方向（積層方向）から見たときに位相変調領域１０４Ｂ−１、１０４Ｂ−２と重なる、活性層１０３Ｂ、第１クラッド層１０２Ｂ、第２クラッド層１０６Ｂ、第１クラッド層１０２Ｂ、および第２クラッド層１０６Ｂそれぞれにおける対応領域間を電気的および光学的に分離するよう、第２面１００Ｂｂから共通基板層１０１Ｂに向かって伸びている。共通基板層１０１Ｂのうち、分離領域１１２Ｂの下部に位置する部分の厚さ（分離領域１１２Ｂの第１面側電極１１０Ｂ−１、１１０Ｂ−２側の端面１１２Ｂａと第１面側電極１１０Ｂ−１、１１０Ｂ−２の間の距離）は、Ｚ軸方向（積層方向）に沿った共通基板層１０１Ｂの厚さの半分以下であり、典型的には７０μｍ以下である。なお、この第４実施形態では、第１面側電極が２つに分かれているが、これら２つの第１面側電極１１０Ｂ−１、１１０Ｂ−２を併せて「第１面側電極」と指す。したがって、「分離領域１１２Ｂの第１面側電極１１０Ｂ−１、１１０Ｂ−２側の端面１１２Ｂａと第１面側電極１１０Ｂ−１、１１０Ｂ−２の間の距離」（共通基板層１０１Ｂにおける分離領域の未形成部分の厚さ）は、第１面側電極１１０Ｂ−１と第１面側電極、１１０Ｂ−２の双方の、共通基板層１０１Ｂが配置された側の面を含む１つの平面と、端面１１２Ｂａとの間の距離を指す。このように規定される分離領域１１２Ｂの端面１１２Ｂａから第１面側電極１１０Ｂ−１、１１０Ｂ−２までの距離（最小間隔）、共通基板層１０１Ｂの、Ｚ軸方向（積層方向）に沿った厚みの半分以下である。また、このような分離領域の未形成部分の厚さは、典型的には、７０μｍ以下である。図２１に示されたように、分離領域１１２Ｂの位置で区切られる半導体発光素子１００Ｂの各部分は、それぞれ独立した発光部（第１発光部、第２発光部）と看做すことができる。また、分離領域１１２Ｂの製造工程は、第１実施形態と同様である。

第２面側電極１０８Ｂ−１、１０８Ｂ−２は、図２０および図２１に示されたように、位相変調領域１０４Ｂ−１、１０４Ｂ−２と第１面側電極１１０Ｂ−１、１１０Ｂ−２に対応する位置に開口部１０８Ｂ−１ａ、１０８Ｂ−２ａを有している。第２面側電極１０８Ｂ−１、１０８Ｂ−２は、開口部を有する電極の代わりに、透明電極であってもよい。

活性層１０３Ｂと位相変調層１０４Ｂの上下関係は、図２１に示された上下関係と逆であってもよい。また、共通基板層１０１Ｂでの光の吸収を低減する目的で共通基板層１０１Ｂと第１クラッド層１０２Ｂの間にＤＢＲ層１２０Ｂがあっても良い。ＤＢＲ層１２０Ｂは位相変調層１０４Ｂと共通基板層１０１Ｂの間であればこれ以外の場所にあっても良い。また、図２１には、共通基板層１０１Ｂ、上部光ガイド層１０５Ｂｂ、下部光ガイド層１０５Ｂａ、コンタクト層１０７Ｂ、絶縁層１０９、反射防止層１１１Ｂも記載されているが、半導体発光素子１００Ｂは、必ずしもこれらを備えている必要はない。

これまでに説明した各層、各領域の構成材料、形状、寸法、分離領域の製造工程を除く主要工程を含む製造方法等は、特許文献１の記載内容に基づいて当業者が適宜選択可能であるが、以下にその一部の例を示す。すなわち、図２１に示された各層の材料ないし構造の一例は、次のとおりである。共通基板層１０１ＢはＧａＡｓからなる。第１クラッド層１０２ＢはＡｌＧａＡｓからなる。活性層１０３Ｂは多重量子井戸構造ＭＱＷ（障壁層：ＡｌＧａＡｓ／井戸層：ＩｎＧａＡｓ）を有する。位相変調層１０４Ｂは、基本領域１０４Ｂ−１ａ、１０４Ｂ−２ａと、該基本領域１０４Ｂ−１ａ、１０４Ｂ−２ａ内に埋め込まれた複数の異屈折率領域１０４Ｂ−１ｂ、１０４Ｂ−２ｂを含む。基本領域１０４Ｂ−１ａ、１０４Ｂ−２ａはＧａＡｓからなる。複数の異屈折率領域１０４Ｂ−１ｂ、１０４Ｂ−２ｂがＡｌＧａＡｓからなる。上部光ガイド層１０５Ｂｂと下部光ガイド層１０５ＢａはＡｌＧａＡｓからなる。第２クラッド層１０６ＢはＡｌＧａＡｓからなる。コンタクト層１０７ＢはＧａＡｓからなる。絶縁層１０９ＢはＳｉＯ_２またはシリコン窒化物からなる。反射防止層１１１Ｂは、窒化シリコン（ＳｉＮ）、二酸化シリコン（ＳｉＯ_２）などの誘電体単層膜或いは誘電体多層膜からなる。分離領域１１２Ｂは、高強度光（電場）により改質された半導体層、不純物拡散およびイオン打ち込み法の何れかにより絶縁化された半導体層、または、ドライエッチングおよびウェットエッチングの何れかにより形成されたスリット（空隙）である。ここで、高強度光（電場）による改質の具体的手法としては、例えば、ナノ秒レーザによる加工や超短パルスレーザによる加工がある。複数の異屈折率領域１０４Ｂ−１ｂ，１０４Ｂ−２ｂは、アルゴン、窒素または空気等が封入された空孔であってもよい。

一例では、共通基板層１０１Ｂと第１クラッド層１０２Ｂには、Ｎ型の不純物が添加されている。第２クラッド層１０６Ｂとコンタクト層１０７Ｂには、Ｐ型の不純物が添加されている。また、第１クラッド層１０２Ｂと第２クラッド層１０６Ｂのエネルギーバンドギャップは、上部光ガイド層１０５Ｂｂと下部光ガイド層１０５Ｂａのエネルギーバンドギャップよりも大きい。上部光ガイド層１０５Ｂｂと下部光ガイド層１０５Ｂａのエネルギーバンドギャップは、活性層１０３Ｂの多重量子井戸構造ＭＱＷのエネルギーバンドギャップよりも大きく設定されている。

以上、本発明の第１〜第４実施形態について説明したが、本発明は、上述した第１〜第４実施形態に限定されるものではない。

例えば、第１〜第４実施形態では、分離領域１１２、２１２、３１２、１１２Ｂが設けられていたが、隣接する位相変調領域の間隔を広くとることができる場合等、クロストークが問題にならない場合には、分離領域は無くても良い。

例えば、図４および図５には、異屈折率領域が円形（真円）の例が示されていたが、異屈折率領域は円形以外の形状であってもよい。例えば、複数の異屈折率領域の、Ｘ−Ｙ平面上における形状が、真円、正方形、正六角形、正八角形、正１６角形、長方形、および楕円の何れかの場合、すなわち、各異屈折率領域の形状が鏡像対称（線対称）となる場合、位相変調層において、仮想的な正方格子を構成する複数の単位構成領域Ｒそれぞれの格子点Ｏから、対応するそれぞれの異屈折率領域の重心Ｇ１へ向かう方向と、Ｘ軸に平行なｓ軸との成す角度φを高精度に設定することが可能になる。また、複数の異屈折率領域の、Ｘ−Ｙ平面上における形状は、図２２（ａ）〜図２２（ｊ）に示されたように、１８０°の回転対称性を備えない形状であってもよい。１８０°の回転対称性を備えない形状には、例えば、図２２（ｂ）に示された正三角形、図２２（ａ）に示された直角二等辺三角形、図２２（ｃ）に示された二等辺三角形、２つの円または楕円の一部分が重なる、図２２（ｉ）に示された形状、図２２（ｈ）に示された卵型形状、図２２（ｄ）に示された涙型形状、図２２（ｅ）に示された矢印型形状、図２２（ｆ）に示された台形、図２２（ｇ）に示された５角形、２つの矩形の一部分が重なる、図２２（ｊ）に示された形状が含まれる。この場合、より高い光出力を得ることが可能になる。なお、卵型形状は、図２２（ｈ）に示されたように、その長軸に沿った一方の端部近傍の短軸方向の寸法が、他方の端部近傍の該短軸方向の寸法よりも小さくなるように楕円を変形することにより得られる形状である。涙型形状は、図２２（ｄ）に示されたように、その長軸に沿った楕円の一方の端部を、長軸方向に沿って突き出る尖った端部に変形することにより得られる形状である。矢印型形状は、図２２（ｅ）に示されたように、矩形の一辺が三角形の切欠き部を構成する一方、該一辺に対向する辺が三角形の突起部を構成したな形状である。

また、第１〜第３実施形態は、何れも第１面から光が出力される半導体発光素子であったが、第４実施形態のように第２面側電極を、開口を有する電極または透明電極とすることで、第２面側から光が出力される半導体発光素子としてもよい。第４実施形態においては、位相変調領域、第２面側電極、第１面側電極の数がそれぞれ２つ（一対）であったが、第２、第３実施形態と同様に、それらを３つ以上、一次元または２次元に配置するようにしてもよい。第２面側から光が出力される半導体発光素子とした場合には、光出力が共通基板層を通過しないため共通基板層による出力光の吸収をなくすことが出来、出力光の減衰や共通基板層の発熱を防止することが出来る。

位相変調層には、図２３に示された第１変形例のように、ビーム投射領域とビーム投射パターンを生成するための複数の異屈折率領域を含む内側領域Ａと、該内側領域Ａの外周を取り囲む外側領域Ｂが設けられてもよい。内側領域Ａは、実質的には、それぞれ対応する異屈折率領域が配置された単位構成領域Ｒで構成された領域である。外側領域Ｂは、複数の周辺格子点異屈折率領域が設けられており、これら複数の周辺格子点異屈折率領域の重心は、一例として、仮想的な正方格子の外周に該仮想的な正方格子と同一の格子構造を設定することにより規定される拡張正方格子における格子点に一致していればよい。なお、図２３は、位相変調層の変形例を層厚方向（Ｚ軸方向）に沿って見た形態を示している。図２３において、外側の輪郭（外側領域Ｂ）は、位相変調領域の一部を表している。外側領域Ｂで取り囲まれた内側領域Ａは、第１〜第４実施形態と同様の、ビーム投射領域とビーム投射パターンを生成するための複数の異屈折率領域を含む位相変調領域（実質的に複数の単位構成領域Ｒで構成された領域）である。したがって、図２３の例において、位相変調層の位相変調領域は、内側領域Ａと外側領域Ｂにより構成されている。上述のように、外側領域Ｂは、仮想的な正方格子における格子点位置に重心を有する複数の周辺格子点異屈折率領域を含む領域であるが、以下にその一例を示す。すなわち、外側領域Ｂにおける仮想的な正方格子の格子定数は内側領域Ａにおける仮想的な正方格子の格子定数と等しく、外側領域Ｂにおける各周辺格子点異屈折率領域の形状および大きさは、内側領域Ａにおける異屈折率領域の形状および大きさと等しくてもよい。この変形例によれば、面内方向への光漏れが抑制され、発振閾値電流の低減が可能になる。

また、図４および図５には、基本領域中の仮想的な正方格子における各格子点から所定の距離だけずれた場所に重心Ｇ１を有する異屈折率領域（以下、「変位異屈折率領域」という）が、各単位構成領域内に１つずつ設けられる例が示されていた。しかしながら、変位異屈折率領域は、全体の重心が上記各格子点から所定の距離だけずれた場所に位置するように、複数個に分割して設けられてもよい。また、変位異屈折率領域に加えて、各格子点上に格子点異屈折率領域が設けられてもよい。格子点異屈折率領域は、変位異屈折率領域と同様に基本領域の屈折率（第１屈折率）とは異なる屈折率を有する領域であるが、変位異屈折率領域と同じ材料（同じ屈折率の材料）で構成されてもよいし、その一部が変位異屈折率領域の一部と重なっていてもよい。

ここで、図２４〜図２６を参照して、変位異屈折率領域に加えて格子点異屈折率領域を設ける場合の例について説明する。図２４は、変位異屈折率領域に加えて格子点異屈折率領域を設ける場合の、変位異屈折率領域の重心と格子点異屈折率領域との位置関係を説明するための図である。図２５は、変位異屈折率領域に加えて格子点異屈折率領域が設けられる場合の、変位異屈折率領域と格子点屈折率領域の組合せの例（回転方式）を示す図である。図２６は、変位異屈折率領域に加えて格子点異屈折率領域を設ける場合の変形例（回転方式）を示す図である。

これらの図において、Ｏは格子点、Ｇ１は変位屈折率領域の重心、Ｇ２は格子点異屈折率領域の重心をそれぞれ表している。図２４に示されたように、変位異屈折率領域ｎ０４−ｍｂの重心Ｇ１と格子点Ｏとの位置関係は図５と同じであるが、図２４では、それに加えて格子点異屈折率領域ｎ０４−ｍｃが設けられている。図２４では、格子点異屈折率領域ｎ０４−ｍｃの重心Ｇ２は格子点Ｏと重なっているが、図２６に示されたように、その重心Ｇ２は必ずしも格子点Ｏの上になくても良い。図２４では、変位異屈折率領域ｎ０４−ｍｂと格子点異屈折率領域ｎ０４−ｍｃは何れも円形で両者は相互に重なっていないが、両者の組合せはこれに限られない。

図２５に示されたように、変位異屈折率領域ｎ０４−ｍｂと格子点異屈折率領域ｎ０４−ｍｃの組合せとしては種々の組合せが考えられる。図２５（ａ）は図２４の組合せである。図２５（ｂ）は変位異屈折率領域ｎ０４−ｍｂと格子点異屈折率領域ｎ０４−ｍｃが共に正方形の組合せである。図２５（ｃ）は、変位異屈折率領域ｎ０４−ｍｂと格子点異屈折率領域ｎ０４−ｍｃが共に円形であるが、両者の一部どうしが重なっている組合せである。図２５（ｄ）は、変位異屈折率領域ｎ０４−ｍｂと格子点異屈折率領域ｎ０４−ｍｃが共に正方形で、両者の一部どうしが重なっている組合せである。図２５（ｅ）は、図２５（ｄ）の変位異屈折率領域ｎ０４−ｍｂと格子点異屈折率領域ｎ０４−ｍｃを、それぞれの重心Ｇ１、Ｇ２（格子点Ｏ）を中心に任意に回転させ、両者が相互に重ならないようにした組合せである。図２５（ｆ）は、変位異屈折率領域ｎ０４−ｍｂが三角形で、格子点異屈折率領域ｎ０４−ｍｃが正方形の組合せである。図２５（ｇ）は、図２５（ｆ）の変位異屈折率領域ｎ０４−ｍｂと格子点異屈折率領域ｎ０４−ｍｃを、それぞれの重心Ｇ１、Ｇ２（格子点Ｏ）を中心に任意に回転させ、両者が相互に重ならないようにした組合せである。図２５（ｈ）は、図２５（ａ）の変位異屈折率領域ｎ０４−ｍｂが二つの円形の領域に分割された組合せである。図２５（ｉ）は、変位異屈折率領域ｎ０４−ｍｂが正方形と三角形に分割され、格子点異屈折率領域ｎ０４−ｍｃが三角形とされた組合せである。図２５（ｊ）は、図２５（ｉ）の変位異屈折率領域ｎ０４−ｍｂと格子点異屈折率領域ｎ０４−ｍｃを、それぞれの重心Ｇ１、Ｇ２（格子点Ｏ）を中心に任意に回転させた組合せである。図２５（ｋ）は、変位異屈折率領域ｎ０４−ｍｂと格子点異屈折率領域ｎ０４−ｍｃが共に正方形で、変位異屈折率領域ｎ０４−ｍｂは２つの正方形に分割されており、各正方形の辺の方向が同一方向を向いている組み合せである。変位異屈折率領域に加えて格子点異屈折率領域が設けられる場合には、その両者を合わせた異屈折率領域全体が１８０°の回転対称性を備えなくなるので、より高い光出力を得ることができる。

異屈折率領域（周辺格子点異屈折率領域、格子点異屈折率領域を含む。）の形状が直線状の辺を有する形状とされる場合には、その辺の方向を、共通基板層を構成する結晶の特定の面方位に揃える事が望ましい。そうすれば、異屈折率領域をアルゴン、窒素または空気等が封入された空孔とする場合に、空孔の形状の制御が容易になり、空孔の上に成長させる結晶層の欠陥を抑制することができる。

なお、各格子点に対応して設けられる異屈折率領域（周辺格子点異屈折率領域、格子点異屈折率領域を含む）の形状や数は、１つの位相変調領域内で必ずしも同一である必要はない。図２７（図４に示された位相変調層ｎ０４−ｍの第２変形例）に示されたように、格子点ごとに異屈折率領域の形状や数が異なっていてもよい。

次に、位相変調層ｎ０４−ｍにおける異屈折率領域ｎ０４−ｍｂの配置パターンを軸上シフト方式により決定する場合について説明する。なお、位相変調層ｎ０４−ｍにおける異屈折率領域ｎ０４−ｍｂの配置パターン決定方法として、上述の回転方式に替えて軸上シフト方式が適用された場合でも、得られた位相変調層は上述の種々の実施形態に係る当該半導体発光モジュールに適用される。

図２８は、位相変調層ｎ０４−ｍにおける異屈折率領域ｎ０４−ｍｂの配置パターン（軸上シフト方式）を説明するための模式図である。位相変調層ｎ０４−ｍは、第１屈折率の基本領域ｎ０４−ｍａと、第１屈折率とは異なる第２屈折率からなる異屈折率領域ｎ０４−ｍｂとを含む。ここで、位相変調層ｎ０４−ｍには、図４の例と同様に、Ｘ−Ｙ平面上で規定される仮想的な正方格子が設定される。正方格子の一辺はＸ軸と平行であり、他辺はＹ軸と平行である。このとき、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軸に沿った複数列（ｘ１〜ｘ４）およびＹ軸に沿った複数行（ｙ１〜ｙ３）に亘って二次元状に設定される。それぞれの単位構成領域Ｒの座標をぞれぞれの単位構成領域Ｒの重心位置で与えられることとすると、この重心位置は仮想的な正方格子の格子点Ｏに一致する。複数の異屈折率領域ｎ０４−ｍｂは、各単位構成領域Ｒ内に１つずつ設けられる。異屈折率領域ｎ０４−ｍｂの平面形状は、例えば円形状である。格子点Ｏは、異屈折率領域ｎ０４−ｍｂの外部に位置しても良いし、異屈折率領域ｎ０４−ｍｂの内部に含まれていてもよい。

なお、１つの単位構成領域Ｒ内に占める異屈折率領域ｎ０４−ｍｂの面積Ｓの比率は、フィリングファクタ（ＦＦ）と称される。正方格子の格子間隔をａとすると、異屈折率領域ｎ０４−ｍｂのフィリングファクタＦＦはＳ／ａ²として与えられる。ＳはＸ−Ｙ平面における異屈折率領域ｎ０４−ｍｂの面積であり、異屈折率領域ｎ０４−ｍｂの形状が例えば真円の場合、真円の直径Ｄを用いてＳ＝π（Ｄ／２）²として与えられる。また、異屈折率領域ｎ０４−ｍｂの形状が正方形の場合、正方形の一辺の長さＬＡを用いてＳ＝ＬＡ²として与えられる。

図２９は、軸シフト方式により決定される配置パターンの一例として、異屈折率領域ｎ０４−ｍｂの重心Ｇ１と仮想的な正方格子における格子点Ｏ（ｘ，ｙ）との位置関係を説明するための図である。図２９に示されたように、各異屈折率領域ｎ０４−ｍｂの重心Ｇ１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）の対応する格子点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。言い換えると、直線Ｌは、単位構成領域Ｒ（ｘ，ｙ）を規定するｓ軸およびｔ軸の双方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、位相変調層ｎ０４−ｍ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Ｌは、ｓ軸およびｔ軸によって規定される座標平面の第１象限から第３象限に亘って延びる。或いは、傾斜角θは、９０°＜θ＜１８０°を満たし、一例ではθ＝１３５°である。あるいは、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Ｌは、ｓ軸およびｔ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°および２７０°を除く角度である。ここで、格子点Ｏ（ｘ，ｙ）と重心Ｇ１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Ｇ１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Ｇ１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Ｇ１とは互いに一致する。

図２８に示された、各異屈折率領域ｎ０４−ｍｂの重心Ｇ１と、単位構成領域Ｒ（ｘ，ｙ）の対応する格子点Ｏ（ｘ，ｙ）との距離ｒ（ｘ，ｙ）は、目標ビーム投射パターン（光像）に応じて各異屈折率領域ｎ０４−ｍｂごとに個別に設定される。距離ｒ（ｘ，ｙ）の分布は、ｘ（図２８の例ではｘ１〜ｘ４）とｙ（図２８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、目標ビーム投射パターン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。すなわち、図２９に示された、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。そして、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。ここで、初期位相Ｐ₀は任意に設定することができる。正方格子の格子間隔をａとすると、ｒ（ｘ，ｙ）の最大値Ｒ₀は、例えば、以下の式（１０）の範囲である。
なお、目標ビーム投射パターン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、ビーム投射パターンの再現性が向上する。

図３０は、図２８の位相変調層の第１変形例として、位相変調層の特定領域内にのみ屈折率略周期構造を適用した例を示す平面図である。図３０に示された例では、図２３に示された例と同様に、正方形の内側領域ＲＩＮの内部に、目的となるビーム投射パターンを出射するための略周期構造（例：図２８の構造）が形成されている。一方、内側領域ＲＩＮを囲む外側領域ＲＯＵＴには、正方格子の格子点位置に、重心位置が一致する真円形の異屈折率領域が配置されている。内側領域ＲＩＮおよび外側領域ＲＯＵＴにおいて、仮想的に設定される正方格子の格子間隔は互いに同一（＝ａ）である。この構造の場合、外側領域ＲＯＵＴ内にも光が分布することにより、内側領域ＲＩＮの周辺部において光強度が急激に変化することで生じる高周波ノイズ（いわゆる窓関数ノイズ）の発生を抑制することができる。また、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。

なお、上述の種々の実施形態に係る半導体発光モジュールにおける複数の半導体発光素子それぞれから出力されるビーム投射パターンとして得られる光像と、位相変調層ｎ０４−ｍにおける位相分布Ｐ（ｘ，ｙ）との関係は、上述の回転方式の場合（図５）と同様である。したがって、正方格子を規定する上記第１の前提条件、上記式（１）〜式（３）で規定される上記第２の前提条件、上記式（４）および（５）で規定される上記第３の前提条件、および上記式（６）および式（７）で既定される上記第４の前提条件の下、位相変調層ｎ０４−ｍは、以下の条件を満たすよう構成される。すなわち、格子点Ｏ（ｘ，ｙ）から対応する異屈折率領域ｎ０４−ｍｂの重心Ｇまでの距離ｒ（ｘ，ｙ）が、
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ｎ０４−ｍｂ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、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。目標ビーム投射パターンを得たい場合、該目標ビーム投射パターン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ｎ０４−ｍｂ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。

なお、レーザビームのフーリエ変換後の遠視野像は、単一若しくは複数のスポット形状、円環形状、直線形状、文字形状、二重円環形状、または、ラゲールガウスビーム形状などの各種の形状をとることができる。ビーム方向を制御することもできるので、上述の種々の実施形態に係る半導体発光モジュールにおける複数の半導体発光素子それぞれを一次元または二次元にアレイ化することによって、例えば高速走査を電気的に行うレーザ加工機を実現できる。なお、ビーム投射パターンは遠方界における角度情報で表わされるものであるので、目標ビーム投射パターンが二次元的な位置情報で表わされているビットマップ画像などの場合には、一旦角度情報に変換し、その後波数空間に変換した後に逆フーリエ変換を行うとよい。

逆フーリエ変換で得られた複素振幅分布から強度分布と位相分布を得る方法として、例えば強度分布Ｉ（ｘ，ｙ）については、ＭａｔｈＷｏｒｋｓ社の数値解析ソフトウェア「ＭＡＴＬＡＢ」のａｂｓ関数を用いることにより計算することができ、位相分布Ｐ（ｘ，ｙ）については、ＭＡＴＬＡＢのａｎｇｌｅ関数を用いることにより計算することができる。

ここで、目標ビーム投射パターンの逆フーリエ変換結果から位相分布Ｐ（ｘ，ｙ）を求め、各異屈折率領域ｎ０４−ｍｂの距離ｒ（ｘ，ｙ）を決める際に、一般的な離散フーリエ変換（或いは高速フーリエ変換）を用いて計算する場合の留意点を述べる。なお、図３１は、目標ビーム投射パターンの逆フーリエ変換結果から位相角分布（回転方式における回転角度分布に相当）を求め、異屈折率領域の配置を決める際の留意点を説明する図である。目標ビーム投射パターンである図３１（ａ）の逆フーリエ変換で得られた複素振幅分布より計算されるビーム投射パターンは、図３１（ｂ）に示された状態になる。図３１（ａ）と図３１（ｂ）のように、それぞれＡ１，Ａ２，Ａ３，およびＡ４といった４つの象限に分割すると、図３１（ｂ）のビーム投射パターンの第１象限には、図３１（ａ）の第１象限の、１８０度回転したパターンと図３１（ａ）の第３象限のパターンとが重畳した重畳パターンが現れる。図３１（ｂ）の第２象限には、図３１（ａ）の第２象限の、１８０度回転したパターンと図３１（ａ）の第４象限のパターンが重畳した重畳パターンが現れる。図３１（ｂ）の第３象限には、図３１（ａ）の第３象限の、１８０度回転したパターンと図３１（ａ）の第１象限のパターンが重畳した重畳パターンが現れる。図３１（ｂ）の第４象限には、図３１（ａ）の第４象限の、１８０度回転したパターンと図３１（ａ）の第２象限のパターンが重畳した重畳パターンが現れる。このとき、１８０度回転したパターンは−１次光成分によるパターンである。

したがって、逆フーリエ変換前の光像（元の光像）として第１象限のみに値を有するパターンを用いた場合には、得られるビーム投射パターンの第３象限に元の光像の第１象限が現れ、得られるビーム投射パターンの第１象限に元の光像の第１象限を１８０度回転したパターンが現れる。

なお、上述の構造において、活性層および位相変調層を含む構成であれば、材料系、膜厚、層の構成は様々に変更され得る。ここで、仮想的な正方格子からの摂動が０の場合のいわゆる正方格子フォトニック結晶レーザに関してはスケーリング則が成り立つ。すなわち、波長が定数α倍となった場合には、正方格子構造全体をα倍することによって同様の定在波状態を得ることが出来る。同様に、本実施形態においても、波長に応じたスケーリング則によって位相変調層ｎ０４−ｍの構造を決定することが可能である。したがって、青色、緑色、赤色などの光を発光する活性層１２を用い、波長に応じたスケーリング則を適用することで、可視光を出力する半導体発光素子を実現することも可能である。

なお、格子間隔ａの正方格子の場合、直交座標の単位ベクトルをｘ、ｙとすると、基本並進ベクトルａ_１＝ａｘ、ａ_２＝ａｙであり、並進ベクトルａ_１、ａ_２に対する基本逆格子ベクトルｂ_１＝（２π／ａ）ｘ、ｂ_２＝（２π／ａ）ｙである。格子の中に存在する波の波数ベクトルがｋ＝ｎｂ_１＋ｍｂ_２（ｎ、ｍは任意の整数）の場合に、波数ｋはΓ点に存在するが、なかでも波数ベクトルの大きさが基本逆格子ベクトルの大きさに等しい場合には、格子間隔ａが波長λに等しい共振モード（Ｘ−Ｙ平面内における定在波）が得られる。上述の種々の実施形態では、このような共振モード（定在波状態）における発振が得られる。このとき、正方格子と平行な面内に電界が存在するようなＴＥモードを考えると、このように格子間隔と波長が等しい定在波状態は正方格子の対称性から４つのモードが存在する。上述の種々の実施形態では、この４つの定在波状態のいずれのモードで発振した場合においても同様に所望のビーム投射パターンが得られる。

なお、上述の位相変調層ｎ０４−ｍ内の定在波が孔形状によって散乱され、面垂直方向に得られる波面が位相変調されていることによって所望のビーム投射パターンが得られる。このため偏光板がなくとも所望のビーム投射パターンが得られる。このビーム投射パターンは、一対の単峰ビーム（スポット）であるばかりでなく、前述したように、文字形状、２以上の同一形状スポット群、或いは、位相、強度分布が空間的に不均一であるベクトルビームなどとすることも可能である。

なお、一例として、基本領域ｎ０４−ｍａの屈折率は３．０〜３．５、異屈折率領域ｎ０４−ｍｂの屈折率は１．０〜３．４であることが好ましい。また、基本領域ｎ０４−ｍａの孔内の各異屈折率領域ｎ０４−ｍｂの平均半径は、９４０ｎｍ帯の場合、例えば２０ｎｍ〜１２０ｎｍである。各異屈折率領域ｎ０４−ｍｂの大きさが変化することによってＺ軸方向への回折強度が変化する。この回折効率は、異屈折率領域ｎ０４−ｍｂの形状をフーリエ変換した際の一次の係数で表される光結合係数κ1に比例する。光結合係数については、例えば、上記非特許文献２に記載されている。

以上のように軸上シフト方式に異屈折率領域ｎ０４−ｍｂの配置パターンが決定された位相変調層ｎ０４−ｍを備えた半導体発光素子によって得られる効果について説明する。従来、半導体発光素子としては、各異屈折率領域ｎ０４−ｍｂの重心Ｇ１が、仮想的な正方格子の対応する格子点Ｏから離れて配置されるとともに、各格子点Ｏ周りに光像に応じた回転角度を有するものが知られている（例えば特許文献１を参照）。しかしながら、各異屈折率領域ｎ０４−ｍｂの重心Ｇ１と各格子点Ｏとの位置関係が従来とは異なる新しい発光装置を実現できれば、位相変調層ｎ０４−ｍの設計の幅が拡がり、極めて有用である。

活性層に光学的に結合した位相変調層ｎ０４−ｍが、基本領域ｎ０４−ｍａと、基本領域ｎ０４−ｍａとは屈折率が異なる複数の異屈折率領域ｎ０４−ｍｂとを有し、それぞれｓ軸およびｔ軸の直交座標系で規定される単位構成領域Ｒにおいて、仮想的な正方格子の格子点Ｏを通り該ｓ軸および該ｔ軸の双方に対して傾斜する直線Ｌ上に、各異屈折率領域ｎ０４−ｍｂの重心Ｇ１が配置されている。そして、各異屈折率領域ｎ０４−ｍｂの重心Ｇ１と、対応する格子点Ｏとの距離ｒ（ｘ，ｙ）は、目標ビーム投射パターンに応じて個別に設定されている。このような場合、格子点Ｏと重心Ｇ１との距離に応じて、ビームの位相が変化する。すなわち、重心Ｇ１の位置を変更するのみで、各異屈折率領域ｎ０４−ｍｂから出射されるビームの位相を制御することができ、全体として形成されるビーム投射パターンを所望の形状（目標ビーム投射パターン）とすることができる。すなわち、上述の半導体発光素子それぞれはＳ−ｉＰＭレーザであり、このような構造によれば、各異屈折率領域ｎ０４−ｍｂの重心Ｇ１が各格子点Ｏ周りに目標ビーム投射パターンに応じた回転角度を有する従来の構造と同様に、怒りが出力される第１面に垂直な方向に対して傾斜した方向に任意形状のビーム投射パターンを出力することができる。このように、軸上シフト方式では、各異屈折率領域ｎ０４−ｍｂの重心Ｇ１と各格子点Ｏとの位置関係が従来とは全く異なる半導体発光素子および半導体発光モジュールを提供することができる。

ここで、図３２（ａ）は、半導体発光素子から出力されるビーム投射パターン（光像）の例を示す図である。図３２（ａ）の中心は、半導体発光素子の発光面と交差し発光面に垂直な軸線に対応する。また、図３２（ｂ）は、半導体発光素子の発光面と交差し発光面に垂直な軸線を含む断面における光強度分布を示すグラフである。図３２（ｂ）は、ＦＦＰ光学系（浜松ホトニクス製Ａ３２６７−１２）、カメラ（浜松ホトニクス製ＯＲＣＡ−０５Ｇ）、ビームプロファイラ（浜松ホトニクス製Ｌｅｐａｓ−１２）を用いて取得した遠視野像で、１３４４ドット×１０２４ドットの画像データの縦方向のカウントを積算し、プロットしたものである。なお、図３２（ａ）の最大カウント数を２５５で規格化しており、また、±１次光の強度比を明示するために、中央の０次光Ｂ０を飽和させている。図３２（ｂ）から、１次光および−１次光の強度差が容易に理解される。また、図３３（ａ）は、図３２（ａ）に示されたビーム投射パターンに対応する位相分布を示す図である。図３３（ｂ）は、図３３（ａ）の部分拡大図である。図３３（ａ）および図３３（ｂ）においては、位相変調層ｎ０４−ｍ内の各箇所における位相が濃淡によって示されており、暗部ほど位相角０°に、明部ほど位相角３６０°に近づく。ただし、位相角の中心値は任意に設定することができるので、必ずしも位相角を０°〜３６０°の範囲内に設定しなくてもよい。図３２（ａ）および図３２（ｂ）に示されたように、半導体発光素子は、該軸線に対して傾斜した第１方向に出力される第１光像部分Ｂ１を含む１次光と、該軸線に関して第１方向と対称である第２方向に出力され、該軸線に関して第１光像部分Ｂ１と回転対称である第２光像部分Ｂ２を含む−１次光とを出力する。典型的には、第１光像部分Ｂ１はＸ−Ｙ平面内の第１象限に現れ、第２光像部分Ｂ２はＸ−Ｙ平面内の第３象限に現れる。しかしながら、用途によっては、１次光のみを用い、−１次光を用いない場合がある。そのような場合、−１次光の光量が１次光と比較して小さく抑えられることが望ましい。

図３４は、各方向の進行波のビーム投射パターンの例を概念的に示す図である。この例では、単位構成領域Ｒにおいて、ｓ軸およびｔ軸に対する直線Ｌの傾斜角を４５°としている。正方格子型のＳ−ｉＰＭレーザの位相変調層では、Ｘ−Ｙ平面に沿った基本的な進行波ＡＵ，ＡＤ，ＡＲ，およびＡＬが生じる。進行波ＡＵおよびＡＤは、正方格子の各辺のうちＹ軸方向に延びる辺に沿って進む光である。進行波ＡＵはＹ軸正方向に進み、進行波ＡＤはＹ軸負方向に進む。また、進行波ＡＲおよびＡＬは、正方格子の各辺のうちＸ軸方向に延びる辺に沿って進む光である。進行波ＡＲはＸ軸正方向に進み、進行波ＡＬはＸ軸負方向に進む。この場合、互いに逆向きに進む進行波からは、それぞれ逆向きのビーム投射パターンが得られる。例えば、進行波ＡＵからは第２光像部分Ｂ２のみを含むビーム投射パターンＢＵが得られ、進行波ＡＤからは第１光像部分Ｂ１のみを含むビーム投射パターンＢＤが得られる。同様に、進行波ＡＲからは第２光像部分Ｂ２のみを含むビーム投射パターンＢＲが得られ、進行波ＡＬからは第１光像部分Ｂ１のみを含むビーム投射パターンＢＬが得られる。言い換えると、互いに逆向きに進む進行波同士では、一方が１次光となり他方が−１次光となる。半導体発光素子から出力されるビーム投射パターンは、これらのビーム投射パターンＢＵ，ＢＤ，ＢＲ，およびＢＬが重なり合ったものである。

本発明者らの検討によれば、異屈折率領域を格子点の周りで回転させる従来の半導体発光素子においては、異屈折率領域の配置の性質上、互いに逆向きに進む進行波の双方が必ず含まれる。すなわち、従来の方式では、定在波を形成する４つの進行波ＡＵ，ＡＤ，ＡＲ，およびＡＬのいずれにおいても、１次光と−１次光とが同量現れ、更に回転円の半径（異屈折率領域の重心と格子点との距離）によっては０次光が生じてしまう。そのため、１次光および−１次光の各光量に差を与えることは原理的に困難で、これらのうち一方を選択的に低減することは難しい。従って、１次光の光量に対して−１次光の光量を相対的に低下させることは困難である。

ここで、図３５は、上述の異屈折率領域ｎ０４−ｍｂの配置パターンの決定方法として、異屈折率領域を格子点の周りで回転させる回転方式と、進行波ＡＵ，ＡＤ，ＡＲ，ＡＬを示す図である。異屈折率領域ｎ０４−ｍｂを格子点Ｏの周りで回転させる回転方式において、１次光および−１次光のいずれかを選択的に低減することが難しい理由を説明する。或る位置における設計位相φ（ｘ，ｙ）に対して、４つの進行波の１例として図３５（ｂ）に示されるｔ軸の正の向きの進行波ＡＵを考える。このとき、幾何学的な関係から、進行波ＡＵに対しては、格子点Ｏからのずれがｒ・ｓｉｎφ（ｘ，ｙ）となるので、位相差は（２π／ａ）ｒ・ｓｉｎφ（ｘ，ｙ）なる関係となる。この結果、進行波ＡＵに関する位相分布Φ（ｘ，ｙ）は、異屈折率領域ｎ０４−ｍｂの大きさの影響が小さいためその影響を無視できる場合には、Φ（ｘ，ｙ）＝ｅｘｐ｛ｊ（２π／ａ）ｒ・ｓｉｎφ（ｘ，ｙ）｝で与えられる。この位相分布Φ（ｘ，ｙ）の０次光および±１次光への寄与は、ｅｘｐ｛ｊｎΦ（ｘ，ｙ）｝（ｎ：整数）で展開した場合の、ｎ＝０およびｎ＝±１の成分で与えられる。ところで、次数ｎの第１種ベッセル関数Ｊｎ（ｚ）に関する以下の式（１１）で規定される数学公式を用いると、位相分布Φ（ｘ，ｙ）を級数展開することができ、０次光および±１次光の各光量を説明することができる。
このとき、位相分布Φ（ｘ，ｙ）の０次光成分はＪ₀（２πｒ／ａ）、１次光成分はＪ₁（２πｒ／ａ）、−１次光成分はＪ_-1（２πｒ／ａ）と表される。ところで、±１次のベッセル関数に関しては、Ｊ₁（ｘ）＝−Ｊ_-1（ｘ）の関係があるため、±１次光成分の大きさは等しくなる。ここでは、４つの進行波の１例としてＹ軸正方向の進行波ＡＵについて考えたが、他の３波（進行波ＡＤ，ＡＲ，ＡＬ）についても同様の関係が成立し、±１次光成分の大きさが等しくなる。以上の議論から、異屈折率領域ｎ０４−ｍｂを格子点Ｏの周りで回転させる従来の方式では、±１次光成分の光量に差を与えることが原理的に困難となる。

これに対し、軸上シフト方式により異屈折率領域ｎ０４−ｍｂの配置パターンが決定された位相変調層ｎ０４−ｍによれば、単一の進行波に対しては、１次光および−１次光の各光量に差が生じ、例えば傾斜角θが４５°、１３５°、２２５°または３１５°である場合には、シフト量Ｒ₀が上述した数式（９）の上限値に近づくほど、理想的な位相分布が得られる。この結果、０次光が低減され、進行波ＡＵ，ＡＤ，ＡＲ，およびＡＬのそれぞれにおいては、１次光および−１次光の一方が選択的に低減される。そのため、互いに逆向きに進む進行波のいずれか一方を選択的に低減することで、１次光および−１次光の光量に差を与えることが原理的に可能である。

図３６は、異屈折率領域ｎ０４−ｍｂの配置パターンの決定方法として、格子点を通り正方格子に対して傾斜した軸線上で異屈折率領域を移動させる軸上シフト方式と、進行波ＡＵ，ＡＤ，ＡＲ，ＡＬを示す図である。格子点Ｏを通る、単位構成領域Ｒを規定するｓ軸およびｔ軸の双方に対して傾斜した直線Ｌ上を異屈折率領域ｎ０４−ｍｂの重心Ｇ１が移動する、図３６（ａ）に示された、軸上シフト方式において、１次光および−１次光のいずれかを選択的に低減することが可能である理由を説明する。単位構成領域Ｒ（ｘ，ｙ）における設計位相φ（ｘ，ｙ）（回転方式における図５の回転角に相当）に対して、４つの進行波の１例として図３６（ｂ）に示されるｙ軸の正の向きの進行波ＡＵを考える。このとき、幾何学的な関係から、進行波ＡＵに対しては、格子点Ｏからのずれがｒ・ｓｉｎθ・｛φ（ｘ，ｙ）−φ₀｝／πとなるため、位相差は（２π／ａ）ｒ・ｓｉｎθ・｛φ（ｘ，ｙ）−φ₀｝／πなる関係となる。ここでは簡単のため傾斜角θ＝４５°、位相角φ₀＝０°とする。このとき、進行波ＡＵに関する位相分布Φ（ｘ，ｙ）（上述の位相分布Ｐ（ｘ，ｙ）に相当）は、異屈折率領域ｎ０４−ｍｂの大きさの影響が小さいためその影響を無視できる場合には、以下の式（１２）で与えられる。
この位相分布Φ（ｘ，ｙ）の０次光および±１次光への寄与は、ｅｘｐ｛ｎΦ（ｘ，ｙ）｝（ｎ：整数）で展開した場合の、ｎ＝０およびｎ＝±１の成分で与えられる。ところで、下記の式（１３）によって表される関数ｆ（ｚ）をＬａｕｒｅｎｔ級数展開すると、以下の式（１４）で規定される数学公式が成り立つ。
ここで、ｓｉｎｃ（ｘ）＝ｘ／ｓｉｎ（ｘ）である。上記式（１４）で規定される数学公式を用いると、位相分布Φ（ｘ，ｙ）を級数展開することができ、０次光および±１次光の各光量を説明することができる。このとき、上記式（１４）の指数項ｅｘｐ｛ｊπ（ｃ−ｎ）｝の絶対値が１である点に注意すると、位相分布Φ（ｘ，ｙ）の０次光成分の大きさは、以下の式（１５）で表される。
また、位相分布Φ（ｘ，ｙ）の１次光成分の大きさは、以下の式（１６）で表される。
位相分布Φ（ｘ，ｙ）の−１次光成分の大きさは、以下の式（１７）で表される。
そして、上記式（１５）〜（１７）においては、以下の式（１８）で規定される条件を満たす場合を除いて、１次光成分以外に０次光および−１次光成分が現れる。しかしながら、±１次光成分の大きさは互いに等しくならない。

以上の説明では、４つの進行波の１例としてＹ軸正方向の進行波ＡＵについて考えたが、他の３波（進行波ＡＤ，ＡＲ，ＡＬ）についても同様の関係が成立し、±１次光成分の大きさに差が生じる。以上の議論から、格子点Ｏを通り正方格子から傾斜した直線Ｌ上を異屈折率領域ｎ０４−ｍｂが移動する軸上シフト方式によれば、±１次光成分の光量に差を与えることが原理的に可能となる。したがって、−１次光または１次光を低減して所望の光像（第１光像部分Ｂ１または第２光像部分Ｂ２）のみを選択的に取り出すことが原理的に可能になる。上述の図３２（ｂ）においても、１次光と−１次光との間に強度の差が生じていることが解る。

また、軸上シフト方式では、単位構成領域Ｒにおける直線Ｌの傾斜角θ（ｓ軸と直線Ｌとのなす角度）は位相変調層ｎ０４−ｍ内において一定であってもよい。これにより、異屈折率領域ｎ０４−ｍｂの重心Ｇ１の配置の設計を容易に行うことができる。また、この場合、傾斜角は４５°、１３５°、２２５°または３１５°であってもよい。これにより、正方格子に沿って進む４つの基本波（正方格子に沿ったＸ軸およびＹ軸を設定した場合、Ｘ軸正方向に進む光、Ｘ軸負方向に進む光、Ｙ軸正方向に進む光、およびＹ軸負方向に進む光）が、光像に均等に寄与することができる。さらに、傾斜角θが４５°、１３５°、２２５°または３１５°である場合、適切なバンド端モードを選択することによって、直線Ｌ上における電磁界の方向が一方向に揃うため、直線偏光を得ることができる。このようなモードの一例として上記非特許文献３のFig.３に示されているモードＡ、Ｂがある。なお、傾斜角θが０°、９０°、１８０°または２７０°である場合には、４つの進行波ＡＵ，ＡＤ，ＡＲ，およびＡＬのうち、Ｙ軸方向またはＸ軸方向に進む一対の進行波が１次光（信号光）に寄与しなくなるので、信号光を高効率化することは難しい。

なお、活性層と位相変調層ｎ０４−ｍとの位置関係は、上述の回転方式と同様に、Ｚ軸方向に沿って逆になっても、容易に光結合させることができる。

図３７および図３８は、異屈折率領域の平面形状の種々の例（軸上シフト方式）を示す図である。上述の例では、Ｘ−Ｙ平面上における異屈折率領域ｎ０４−ｍｂの形状が円形である。しかしながら、異屈折率領域ｎ０４−ｍｂは円形以外の形状を有してもよい。例えば、異屈折率領域ｎ０４−ｍｂ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、Ｘ−Ｙ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ｎ０４−ｍｂの平面形状と、該直線の他方側に位置する異屈折率領域ｎ０４−ｍｂ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３７（ａ）に示された真円、図３７（ｂ）に示された正方形、図３７（ｃ）に示された正六角形、図３７（ｄ）に示された正八角形、図３７（ｅ）に示された正１６角形、図３７（ｆ）に示された長方形、および図３７（ｇ）に示された楕円、などが挙げられる。このように、Ｘ−Ｙ平面上における異屈折率領域ｎ０４−ｍｂの形状が鏡像対称性（線対称性）を有する場合、位相変調層ｎ０４−ｍ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、シンプルな形状であるため、格子点Ｏから対応する異屈折率領域ｎ０４−ｍｂの重心Ｇ１の方向と位置を高精度に定めることができる。すなわち、高い精度でのパターニングが可能となる。

また、Ｘ―Ｙ平面上における異屈折率領域ｎ０４−ｍｂ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３８（ａ）に示された正三角形、図３８（ｂ）に示された直角二等辺三角形、図３８（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３８（ｄ）に示された卵型形状、図３８（ｅ）に示された涙型形状、図３８（ｆ）に示された二等辺三角形、図３８（ｇ）に示された矢印型形状、図３８（ｈ）に示された台形、図３８（ｉ）に示された５角形、図３８（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３８（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。なお、卵型形状は、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である。涙型形状は、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である。矢印型形状は、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である。このように、Ｘ―Ｙ平面上における異屈折率領域ｎ０４−ｍｂ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。なお、異屈折率領域ｎ０４−ｍｂは、図３８（ｊ）および図３８（ｋ）に示されたように、複数要素で構成されてもよく、この場合、異屈折率領域ｎ０４−ｍの重心Ｇ１は、複数の構成要素の合成重心である。

図３９は、異屈折率領域の平面形状の更に他の例（軸上シフト方式）を示す図である。また、図４０は、図２８の位相変調層の第２変形例を示す図である。

これら図３９および図４０に示された例では、各異屈折率領域ｎ０４−ｍｂが複数の構成要素１５ｂ、１５ｃで構成される。重心Ｇ１は全ての構成要素の合成重心であり、直線Ｌ上に位置する。構成要素１５ｂ、１５ｃの双方は、基本領域ｎ０４−ｍａの第１屈折率とは異なる第２屈折率を有する。構成要素１５ｂ、１５ｃの双方は、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。単位構成領域Ｒそれぞれにおいて、構成要素１５ｃは、構成要素１５ｂにそれぞれ一対一で対応して設けられる。そして、構成要素１５ｂ、１５ｃを合わせた重心Ｇ１は、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Ｌ上に位置している。なお、何れの構成要素１５ｂ、１５ｃも仮想的な正方格子を構成する単位構成領域Ｒの範囲内に含まれる。単位構成領域Ｒは、仮想的な正方格子の格子点間を２等分する直線で囲まれる領域となる。

構成要素１５ｃの平面形状は例えば円形であるが、図３７および図３８に示された種々の例のように、様々な形状を有し得る。図３９（ａ）〜図３９（ｋ）には、Ｘ−Ｙ平面上における構成要素１５ｂ、１５ｃの形状および相対関係の例が示されている。図３９（ａ）および図３９（ｂ）は、構成要素１５ｂ、１５ｃの双方が同じ形状の図形を有する形態を示す。図３９（ｃ）および図３９（ｄ）は、構成要素１５ｂ、１５ｃの双方が同じ形状の図形を有し、互いの一部分同士が重なる形態を示す。図３９（ｅ）は、構成要素１５ｂ、１５ｃの双方が同じ形状の図形を有し、格子点ごとに構成要素１５ｂ、１５ｃの重心間の距離が任意に設定された形態を示す。図３９（ｆ）は、構成要素１５ｂ、１５ｃが互いに異なる形状の図形を有する形態を示す。図３９（ｇ）は、構成要素１５ｂ、１５ｃが互いに異なる形状の図形を有し、格子点ごとに構成要素１５ｂ、１５ｃの重心間の距離が任意に設定された形態を示す。

また、図３９（ｈ）〜図３９（ｋ）に示されたように、異屈折率用域ｎ０４−ｍｂの一部を構成する構成要素１５ｂは、互いに離間した２つの領域１５ｂ１、１５ｂ２により構成されてもよい。そして、領域１５ｂ１、１５ｂ２を合わせた重心（単一の構成要素１５ｂの重心に相当）と、構成要素１５ｃの重心との距離が格子点ごとに任意に設定されてもよい。また、この場合、図３９（ｈ）に示されたように、領域１５ｂ１、１５ｂ２および構成要素１５ｃは、互いに同じ形状の図形を有してもよい。または、図３９（ｉ）に示されたように、領域１５ｂ１、１５ｂ２および構成要素１５ｃのうち２つの図形が他と異なっていてもよい。また、図３９（ｊ）に示されたように、領域１５ｂ１、１５ｂ２を結ぶ直線のｓ軸に対する角度に加えて、構成要素１５ｃのｓ軸に対する角度が各格子点ごとに任意に設定されてもよい。また、図３９（ｋ）に示されたように、領域１５ｂ１、１５ｂ２および構成要素１５ｃが互いに同じ相対角度を維持したまま、領域１５ｂ１、１５ｂ２を結ぶ直線のｓ軸に対する角度が格子点ごとに任意に設定されてもよい。

なお、異屈折率領域ｎ０４−ｍｂの平面形状は、単位構成領域Ｒ間で互いに同一であってもよい。すなわち、異屈折率領域ｎ０４−ｍｂが全ての単位構成領域Ｒにおいて同一図形を有しており、並進操作、または並進操作および回転操作により、格子点間で互いに重ね合わせることが可能であってもよい。その場合、ビーム投射パターン内におけるノイズ光およびノイズとなる０次光の発生を抑制できる。または、異屈折率領域ｎ０４−ｍｂの平面形状は、単位構成領域Ｒ間で必ずしも同一でなくともよく、例えば図４０に示されたように、隣り合う単位構成領域Ｒ間で形状が互いに異なっていてもよい。なお、図３６（ａ）および図３６（ｂ）の例に示されたように、図３７〜図４０の何れの場合も各格子点Ｏを通る直線Ｌの中心は格子点Ｏに一致するように設定されるのが好ましい。

上述のように、軸上シフト方式により異屈折率領域の配置パターンが決定された位相変調層の構成であっても、回転方式により異屈折率領域の配置パターンが決定された位相変調層が適用された実施形態と同様の効果を好適に奏することができる。

１００，２００，３００，１００Ｂ…半導体発光素子、１０２，２０２，３０２，１０２Ｂ…第１クラッド層、１０３，２０３，３０３，１０３Ｂ…活性層、１０４，２０４，３０４，１０４Ｂ…位相変調層、１０４−ｍ（ｍは正の整数），２０４−ｍ，３０４−ｍ，１０４Ｂ−ｍ…位相変調領域、１０４−ｍａ，２０４−ｍａ，３０４−ｍａ，１０４Ｂ−ｍａ…基本領域、１０４−ｍｂ，２０４−ｍｂ，３０４−ｍｂ，１０４Ｂ−ｍｂ…複数の異屈折率領域、１０６，２０６，３０６，１０６Ｂ…第２クラッド層、１０８−ｍ，２０８−ｍ，３０８−ｍ，１０８Ｂ−ｍ…第２面側電極、１１０，２１０，３１０，１１０Ｂ−ｍ…第１面側電極、１１２，２１２，３１２，１１２Ｂ…分離領域。

Claims (16)

1. 第１面と前記第１面に対向する第２面とを有し、前記第１面および前記第２面の一方が光を出力する光出射面として機能するとともに他方がサポート面として機能する半導体発光素子であって、
   前記第１面と前記第２面との間に位置する活性層と、
   前記第１面と前記第２面との間に位置し、前記活性層とそれぞれが光学的に結合される複数の位相変調領域を含む位相変調層であって、前記複数の位相変調領域それぞれが、第１屈折率を有する基本領域と、それぞれが前記基本領域内に設けられるとともに前記第１屈折率とは異なる第２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、
   少なくとも前記活性層および前記位相変調層を含む積層構造体に対して前記第１面が配置された側に位置する第１クラッド層と、
   前記積層構造体に対して前記第２面が位置する側に配置された第２クラッド層と、
   前記第１クラッド層に対して前記第１面が位置する側に配置された第１面側電極と、
   前記第２クラッド層に対して前記第２面が位置する側に配置された、前記複数の位相変調領域にそれぞれが対応する複数の第２面側電極であって、前記積層構造体の積層方向に沿って見たときに前記複数の位相変調領域と重なる複数の領域内にそれぞれ配置された複数の第２面側電極と、
   前記第１クラッド層と前記第１面側電極との間に配置された共通基板層であって、前記複数の位相変調領域を保持する連続した面を有する共通基板層と、
   を備え、
   前記位相変調層に含まれる前記複数の位相変調領域それぞれにおいて、前記複数の異屈折率領域は、前記複数の第２面側電極のうち対応する第２面側電極から駆動電流が供給されたときに前記光出射面から出力される光の投射パターンであるビーム投射パターンおよび前記ビーム投射パターンが形成されるビーム投射領域を、目標ビーム投射パターンおよび目標ビーム投射領域にそれぞれ一致させるための配置パターンに従って、前記基本領域中における所定位置に配置され、
   前記配置パターンは、
   前記光出射面の法線方向に一致するＺ軸と、前記複数の異屈折率領域を含む前記位相変調層の一方の面に一致した、互いに直交するＸ軸およびＹ軸を含むＸ−Ｙ平面と、により規定されるＸＹＺ直交座標系において、前記Ｘ−Ｙ平面上に、それぞれが正方形状を有するＭ１（１以上の整数）×Ｎ１（１以上の整数）個の単位構成領域Ｒにより構成される仮想的な正方格子が設定されるとき、
   Ｘ軸方向の座標成分ｘ（１以上Ｍ１以下の整数）とＹ軸方向の座標成分ｙ（１以上Ｎ１以下の整数）とで特定される前記Ｘ−Ｙ平面上の単位構成領域Ｒ（ｘ，ｙ）において、前記単位構成領域Ｒ（ｘ，ｙ）内に位置する異屈折率領域の重心Ｇ１が前記単位構成領域Ｒ（ｘ，ｙ）の中心となる格子点Ｏ（ｘ，ｙ）から距離ｒだけ離れ、かつ、前記格子点Ｏ（ｘ，ｙ）から前記重心Ｇ１へのベクトルが特定方向に向くよう、規定される、
   半導体発光素子。
2. 前記複数の位相変調領域それぞれを電気的に分離するとともに、前記Ｚ軸に沿った方向から見たときに前記複数の位相変調領域と重なる、前記活性層、前記第１クラッド層、および前記第２クラッド層それぞれにおける複数の対応領域を電気的に分離する分離領域を更に備える請求項１に記載の半導体発光素子。
3. 前記分離領域は、前記複数の位相変調領域とともに、前記活性層、前記位相変調層、前記第１クラッド層、および前記第２クラッド層それぞれにおける前記複数の対応領域を光学的に分離することを特徴とする請求項２に記載の半導体発光素子。
4. 前記分離領域は、前記複数の位相変調領域のうち隣接する位相変調領域の間の領域において、前記第２面から前記共通基板層に向かって、前記共通基板層に到達するまで伸びており、
   前記分離領域の先端と前記第１面側電極との距離は、前記共通基板層の、前記Ｚ軸に沿った方向の厚みの半分以下であることを特徴とする請求項２または３に記載の半導体発光素子。
5. 前記分離領域は、高強度光照射に起因した電場により改質された半導体層、不純物拡散またはイオン打ち込み法により絶縁化された半導体層、および、ドライエッチングまたはウェットエッチングにより形成された空気間隙のうち何れかであることを特徴とする請求項２〜４の何れか一項に記載の半導体発光素子。
6. 前記第２面側電極の何れから駆動電流が供給された場合にも前記ビーム投射領域が等しくなるように、前記位相変調領域それぞれにおける前記配置パターンが定められている、請求項１〜５の何れか一項に記載の半導体発光素子。
7. 前記複数の第２面側電極の何れから駆動電流が供給された場合にも前記ビーム投射パターンが等しくなるように、前記位相変調領域それぞれにおける前記配置パターンが定められている、請求項１〜６の何れか一項に記載の半導体発光素子。
8. 前記仮想的な正方格子の格子定数をａとするとき、前記距離ｒは、０≦ｒ≦０．３ａを満たし、
   前記ＸＹＺ直交座標系における座標（ｘ,ｙ,ｚ）が、動径の長さｄ１と、前記Ｚ軸からの傾き角θ_tiltと、前記Ｘ−Ｙ平面上で特定される前記Ｘ軸からの回転角θ_rotと、で規定される球面座標（ｄ１,θ_tilt,θ_rot）に対して以下の式（１）〜式（３）で示された関係を満たし、
   前記目標ビーム投射パターンを角度θ_tiltおよびθ_rotで規定される方向に向かう輝点の集合とするとき、前記角度θ_tiltおよびθ_rotは、以下の式（４）で規定される規格化波数であって前記Ｘ軸に対応したＫｘ軸上の座標値ｋ_ｘと、以下の式（５）で規定される規格化波数であって前記Ｙ軸に対応するとともに前記Ｋｘ軸に直交するＫｙ軸上の座標値ｋ_ｙに換算され、
   前記Ｋｘ軸および前記Ｋｙ軸により規定される波数空間において、前記ビーム投射パターンを含む特定の波数範囲が、それぞれが正方形状のＭ２（１以上の整数）×Ｎ２（１以上の整数）個の画像領域ＦＲで構成され、
   前記波数空間において、Ｋｘ軸方向の座標成分ｋ_ｘ（１以上Ｍ２以下の整数）とＫｙ軸方向の座標成分ｋ_ｙ（１以上Ｎ２以下の整数）とで特定される画像領域ＦＲ（ｋ_ｘ，ｋ_ｙ）それぞれを、前記Ｘ−Ｙ平面上の前記単位構成領域Ｒ（ｘ，ｙ）に二次元逆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、
   前記単位構成領域Ｒ（ｘ，ｙ）において、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、前記複素振幅Ｆ（ｘ，ｙ）が、以下の式（７）により規定され、かつ、
   前記単位構成領域Ｒ（ｘ，ｙ）が、前記Ｘ軸および前記Ｙ軸にそれぞれ平行であって前記格子点Ｏ（ｘ，ｙ）において直交するｓ軸およびｔ軸で規定されるとき、
   前記位相変調層は、
   前記格子点Ｏ（ｘ，ｙ）と前記対応する異屈折率領域の重心Ｇ１とを結ぶ線分と、前記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
   Ｂ：任意定数
   なる関係を満たす前記対応する異屈折率領域が前記単位構成領域Ｒ（ｘ，ｙ）内に配置されるよう、構成されることを特徴とする請求項１〜７の何れか一項に記載の半導体発光素子。
9. 前記ＸＹＺ直交座標系における座標（ｘ,ｙ,ｚ）が、動径の長さｄ１と、前記Ｚ軸からの傾き角θ_tiltと、前記Ｘ−Ｙ平面上で特定される前記Ｘ軸からの回転角θ_rotと、で規定される球面座標（ｄ１,θ_tilt,θ_rot）に対して以下の式（８）〜式（１０）で示された関係を満たし、
   前記目標ビーム投射パターンを角度θ_tiltおよびθ_rotで規定される方向に向かう輝点の集合とするとき、前記角度θ_tiltおよびθ_rotは、以下の式（１１）で規定される規格化波数であって前記Ｘ軸に対応したＫｘ軸上の座標値ｋ_ｘと、以下の式（１２）で規定される規格化波数であって前記Ｙ軸に対応するとともに前記Ｋｘ軸に直交するＫｙ軸上の座標値ｋ_ｙに換算され、
   前記Ｋｘ軸および前記Ｋｙ軸により規定される波数空間において、前記ビーム投射パターンを含む特定の波数範囲が、それぞれが正方形状のＭ２（１以上の整数）×Ｎ２（１以上の整数）個の画像領域ＦＲで構成され、
   前記波数空間において、Ｋｘ軸方向の座標成分ｋ_ｘ（１以上Ｍ２以下の整数）とＫｙ軸方向の座標成分ｋ_ｙ（１以上Ｎ２以下の整数）とで特定される画像領域ＦＲ（ｋ_ｘ，ｋ_ｙ）それぞれを、前記Ｘ−Ｙ平面上の前記単位構成領域Ｒ（ｘ，ｙ）に二次元逆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（１３）で与えられ、
   前記単位構成領域Ｒ（ｘ，ｙ）において、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、前記複素振幅Ｆ（ｘ，ｙ）が、以下の式（１４）により規定され、かつ、
   前記単位構成領域Ｒ（ｘ，ｙ）が、前記Ｘ軸および前記Ｙ軸にそれぞれ平行であって前記格子点Ｏ（ｘ，ｙ）において直交するｓ軸およびｔ軸で規定されるとき、
   前記位相変調層は、
   前記格子点Ｏ（ｘ，ｙ）を通る、前記ｓ軸から傾斜した直線上に前記対応する異屈折率領域の重心Ｇ１が位置し、かつ、前記格子点Ｏ（ｘ，ｙ）と前記対応する異屈折率領域の重心Ｇ１までの線分長ｒ（ｘ，ｙ）が、
   ｒ（ｘ，ｙ）＝Ｃ×（Ｐ（ｘ，ｙ）−Ｐ_０）
   Ｃ：比例定数
   Ｐ_０：任意定数
   なる関係を満たす前記対応する異屈折率領域が前記単位構成領域Ｒ（ｘ，ｙ）内に配置されるよう、構成されることを特徴とする請求項１〜７の何れか一項に記載の半導体発光素子。
10. 前記複数の位相変調領域のうち少なくとも１つの位相変調領域において、
    前記複数の異屈折率領域の全ては、前記Ｘ−Ｙ平面上で規定される形状、前記Ｘ−Ｙ平面上で規定される面積、および前記Ｘ−Ｙ平面上で規定される前記距離ｒのうち少なくとも何れかが一致していることを特徴とする請求項１〜９の何れか一項に記載の半導体発光素子。
11. 前記複数の異屈折率領域の、前記Ｘ−Ｙ平面上における形状は、真円、正方形、正六角形、正八角形、正１６角形、正三角形、直角二等辺三角形、長方形、楕円、２つの円または楕円の一部分が重なる形状、その長軸に沿った一方の端部近傍の短軸方向の寸法が、他方の端部近傍の前記短軸方向の寸法よりも小さくなるように楕円を変形することにより得られる卵型形状、その長軸に沿った楕円の一方の端部を、長軸方向に沿って突き出る尖った端部に変形することにより得られる涙型形状、二等辺三角形、矩形の一辺が三角形の切欠き部を構成する一方、前記一辺に対向する辺が三角形の突起部を構成したな矢印型形状、台形、５角形、および、２つの矩形の一部分が重なる形状のうち何れかであることを特徴とする請求項１〜１０の何れか一項記載の半導体発光素子。
12. 前記複数の位相変調領域のうち少なくとも１つの位相変調領域は、
    前記Ｍ１×Ｎ１個の単位構成領域Ｒで構成された内側領域と、
    前記内側領域の外周を取り囲むように設けられた外側領域であって、前記仮想的な正方格子と同一の格子構造を前記仮想的な正方格子の外周に設定することにより規定される拡張正方格子における格子点とそれぞれが重なるよう配置された複数の周辺格子点異屈折率領域を含む外側領域と、
    を有することを特徴とする請求項１〜１１の何れか一項に記載の半導体発光素子。
13. 前記複数の位相変調領域のうち少なくとも１つの位相変調領域は、
    前記Ｍ１×Ｎ１個の単位構成領域Ｒにそれぞれ配置された複数の複数の格子点異屈折率領域であって、それぞれの重心Ｇ２が対応する単位構成領域Ｒの前記格子点Ｏに一致している複数の格子点異屈折率領域を含むことを特徴とする請求項１〜１２の何れか一項に記載の半導体発光素子。
14. 請求項１〜１３の何れか一項に記載の半導体発光素子を製造するための製造方法であって、
    前記共通基板層を形成する第１工程と、
    第３面と前記第３面に対向するとともに前記共通基板層に対面する第４面を有する素子本体を、前記共通基板層上に形成する第２工程であって、前記素子本体が、前記第３面と前記第４面との間に配置された、前記活性層、前記位相変調層、前記第１クラッド層、および前記第２クラッド層を少なくとも含み、前記位相変調層における前記基本領域が、前記複数の位相変調領域となるべき複数の部分であって、それぞれが前記複数の異屈折率領域を含む複数の部分が互いに所定距離だけ離間した状態で配置された単一層で構成される第２工程と、
    少なくとも前記複数の位相変調領域となるべき複数の部分を電気的に分離する分離領域を、前記素子本体内に形成する第３工程であって、前記分離領域が、前記３面から前記第４面に向かって、前記共通基板層に到達するまで形成される第３工程と、
    を備えた製造方法。
15. 前記分離領域の先端と前記第１面側電極との距離は、前記共通基板層の、前記３面から前記第４面に向かう方向に沿った厚みの半分以下であることを特徴とする請求項１４に記載の製造方法。
16. 前記分離領域は、高強度光照射に起因した電場により改質された半導体層、不純物拡散またはイオン打ち込み法により絶縁化された半導体層、および、ドライエッチングまたはウェットエッチングにより形成された空気間隙のうち何れかであることを特徴とする請求項１４または１５に記載の製造方法。