JPWO2019111787A1 - 発光装置およびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
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例を、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平面に沿って定在波を形成し、位相制御された平面波をZ軸方向に出力するS−iPMレーザであって、後述するように、半導体基板(基板)10の主面10aの法線方向(すなわちZ軸方向)および該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、二次元的な任意形状の光像を形成するための光を出力する。
(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)K. Sakai et al., “Coupled-Wave Theory for Square-Lattice Photonic Crystal Lasers With TE Polarization”, IEEE J.Q. E. 46, 788-795 (2010)
(3)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19(a)〜図19(g)および図20(a)〜図20(k)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。上記実施形態ではX−Y平面内における異屈折率領域15bの形状が円形である例が示されている。しかしながら、異屈折率領域15bは円形以外の形状を有してもよい。例えば、X−Y平面内における異屈折率領域15b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15bの平面形状と、該直線の他方側に位置する異屈折率領域15b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19(a)に示された真円、図19(b)に示された正方形、図19(c)に示された正六角形、図19(d)に示された正八角形、図19(e)に示された正16角形、図19(f)に示された長方形、および図19(g)に示された楕円、などが挙げられる。このように、X−Y平面内における異屈折率領域15bの形状が鏡像対称性(線対称性)を有する。この場合、位相変調層15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15bの重心Gの方向と位置を高精度に定めることができるので、高い精度でのパターニングが可能となる。
図23は、第2変形例による発光装置1Bの構成を示す図である。この発光装置1B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とを備えている。各半導体発光素子1Aの構成は、上記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。
図24は、第2実施形態に係る発光装置として、半導体発光素子1Cの断面構造を示す図である。この半導体発光素子1Cは、X−Y平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、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1Cは、活性層12に対してクラッド層13側の表面から光像を出力する。
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40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46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52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 (15)
- 主面を有する基板を含み、前記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一方の方向に光像を形成する光を出力する発光装置の製造方法であって、
前記基板を用意する準備工程と、
発光部と、前記発光部と光学的に結合された位相変調層とを前記基板上に設ける積層工程と、
を備え、
前記積層工程は、
所定の屈折率を有するとともに前記位相変調層の一部を構成する基本層を、前記基板上に設ける第1工程と、
前記第1工程により設けられた前記基本層内に、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を設ける第2工程と、を含み、
前記第2工程は、
前記法線方向に直交する、前記基本層の設計面上において、それぞれが互いに平行に配置された複数の第1基準線と、それぞれが前記複数の第1基準線と直交した状態で互いに平行に配置された複数の第2基準線と、により規定される仮想的な正方格子を設定する第1設定工程と、
前記正方格子の格子点のうち、前記複数の異屈折率領域から選択された異屈折率領域の配置基準となる基準格子点として、前記複数の第1基準線の何れかと前記複数の第2基準線の何れかとの交点を特定する第2設定工程と、
前記基本層の前記設計面上において、前記基準格子点を通過するとともに、前記基準格子点で直交している第1基準線または第2基準線に対して所定の傾斜角度を有する仮想直線であって、前記選択された異屈折率領域の重心が配置される仮想直線を設定する第3設定工程と、
前記基本層の前記設計面上において、前記光像を形成する光の少なくとも一部が出力されるよう、前記基準格子点から前記選択された異屈折率領域の重心までの、前記仮想直線上の距離を設定する第4設定工程と、
前記複数の異屈折率領域のそれぞれに対して前記第2〜第4設定工程が行われ、前記基本層内に前記複数の異屈折率領域を形成する領域形成工程と、を含む、
発光装置の製造方法。 - 前記複数の異屈折率領域のうち、少なくとも、前記基準格子点を配置基準とする前記選択された異屈折率領域、および、前記基準格子点と最短距離で隣接する格子点を配置基準とする周辺異屈折率領域のそれぞれについて、前記傾斜角度を固定した状態で、前記第2工程に含まれる前記第2〜第4設定工程が行われることを特徴とする請求項1に記載の発光装置の製造方法。
- 前記複数の異屈折率領域それぞれについて、前記傾斜角度を固定した状態で、前記第2工程に含まれる前記第2〜第4設定工程が行われることを特徴とする請求項1に記載の発光装置の製造方法。
- 前記基準格子点で直交する前記第1基準線または前記第2基準線に含まれる線分であって、前記基準格子点と前記基準格子点に隣接する格子点とを結ぶ線分を基準とした前記傾斜角度は、0°、90°、180°および270°を除く角度であることを特徴とする請求項2または3に記載の発光装置の製造方法。
- 前記基準格子点において直交する前記第1基準線または前記第2基準線に含まれる線分であって、前記基準格子点と前記基準格子点に隣接する格子点とを結ぶ線分を基準とした前記傾斜角度は、45°、135°、225°または315°であることを特徴とする請求項2または3に記載の発光装置の製造方法。
- 前記発光部は、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1〜5の何れか一項に記載の発光装置の製造方法。
- 請求項1〜6の何れか一項に記載の発光装置の製造方法により製造された発光装置。
- 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一方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、所定の屈折率を有する基本層と、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、発光装置。 - 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いた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8に記載の発光装置。
- 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一方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、所定の屈折率を有する基本層と、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、
前記位相変調層において、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、
前記配置パターンは、
前記主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G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Gへのベクトルが特定方向に向くよう、規定され、
前記XYZ直交座標系における座標(ξ,η,ζ)が、動径の長さd1と、前記Z軸からの傾き角θtiltと、前記X−Y平面上で特定される前記X軸からの回転角θrotと、で規定される球面座標(d1,θtilt,θrot)に対して以下の式(1)〜式(3)で示された関係を満たし、
前記波数空間において、Kx軸方向の座標成分kx(0以上M2−1以下の整数)とKy軸方向の座標成分ky(0以上N2−1以下の整数)とで特定される画像領域FR(kx,ky)それぞれを、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、
前記位相変調層は、
前記格子点O(x,y)を通り、前記s軸に対して所定の傾斜角度を有する直線上に前記対応する異屈折率領域の重心G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Gまでの線分長r(x,y)が、
r(x,y)=C×(P(x,y)−P0)
C:比例定数
P0: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
発光装置。 - 前記M1×N1個の単位構成領域Rのうち前記複数の異屈折率領域がそれぞれ配置される複数の有効単位構成領域において、
前記複数の有効単位構成領域に含まれる特定単位構成領域内で設定される前記直線の前記傾斜角度は、前記特定単位構成領域と1つの辺を共有する隣接単位構成領域のそれぞれで設定される前記直線の前記傾斜角度と一致していることを特徴とする請求項10に記載の発光装置。 - 前記M1×N1個の単位構成領域Rのうち前記複数の異屈折率領域がそれぞれ配置される複数の有効単位構成領域において、
前記複数の有効単位構成領域に含まれる特定単位構成領域内で設定される前記直線の前記傾斜角度は、前記特定単位構成領域を除いた残りの有効単位構成領域のそれぞれで設定される前記直線の前記傾斜角度と一致していることを特徴とする請求項10に記載の発光装置。 - 前記格子点O(x,y)を始点とする前記s軸の一部を基準とした前記傾斜角度は、0°、90°、180°および270°を除く角度であることを特徴とする請求項11または12に記載の発光装置。
- 前記格子点O(x,y)を始点とする前記s軸の一部を基準とした前記傾斜角度は、45°、135°、225°または315°であることを特徴とする請求項11または12に記載の発光装置。
- 前記発光部は、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10〜14の何れか一項に記載の発光装置。
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