DE112019006251T5

DE112019006251T5 - Lichtemittierendes Element, Herstellungsverfahren für ein lichtemittierendes Element und Verfahren zum Entwerfen einer Phasenmodulationsschicht

Info

Publication number: DE112019006251T5
Application number: DE112019006251.4T
Authority: DE
Inventors: Akio Ito; Yoshitaka Kurosaka; Masahiro HITAKA; Kazuyoshi Hirose; Tadataka Edamura
Original assignee: Hamamatsu Photonics KK
Current assignee: Hamamatsu Photonics KK
Priority date: 2018-12-17
Filing date: 2019-12-11
Publication date: 2021-09-09
Also published as: US20220037849A1; CN113196598A; CN113196598B; JP6718945B2; JP2020098815A; US12119612B2; WO2020129787A1

Abstract

Das lichtemittierende Element gemäß einer Ausführungsform gibt ein klares optisches Bild aus, während es eine Verringerung der Lichtausgangsleistung unterdrückt, und umfasst ein Substrat, eine Lichtemissionseinheit und eine Bondschicht. Die Lichtemissionseinheit hat einen Halbleiterstapel, einschließlich einer Phasenmodulationsschicht, zwischen ersten und zweiten Elektroden. Die Phasenmodulationsschicht hat eine Basisschicht und modifizierte Brechungsindexbereiche und enthält einen ersten Bereich mit einer Größe, die die zweite Elektrode aufweist, und einen zweiten Bereich. Jeder Schwerpunkt des modifizierten Brechungsindexbereichs des zweiten Bereichs ist durch eine Anordnungsbedingung angeordnet. Das Licht von dem Stapel ist ein einzelner Strahl, und bezüglich eines ersten Abstands von dem Substrat zu der Vorderfläche des Stapels und eines zweiten Abstands von dem Substrat zu der Rückfläche des Stapels ist ein Änderungsbetrag des ersten Abstands entlang einer Richtung auf dem Substrat kleiner als ein Änderungsbetrag des zweiten Abstands.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein lichtemittierendes Element, ein Herstellungsverfahren für ein lichtemittierendes Element und ein Verfahren zum Entwerfen einer Phasenmodulationsschicht.
Stand der Technik
Es wurde ein lichtemittierendes Halbleiterelement, das ein beliebiges optisches Bild ausgibt, indem es die Phasenverteilung und die Intensitätsverteilung von Licht steuert, das von einer Vielzahl von zweidimensional angeordneten lichtemittierenden Punkten ausgegeben wird, untersucht. Eine der Strukturen eines solchen lichtemittierenden Halbleiterelements ist eine Struktur mit einer Phasenmodulationsschicht, die optisch mit einer aktiven Schicht gekoppelt ist. Die Phasenmodulationsschicht hat eine Basisschicht und eine Vielzahl von modifizierten Brechungsindexbereichen, die sich im Brechungsindex von der Basisschicht unterscheiden. Wenn ein virtuelles Quadratgitter in eine Ebene senkrecht zur Dickenrichtung der Phasenmodulationsschicht gesetzt wird, wird die baryzentrische Position jedes modifizierten Brechungsindexbereichs von der Gitterpunktposition des virtuellen Quadratgitters entsprechend einem auszugebenden optischen Bild verschoben. Ein solches lichtemittierendes Halbleiterelement wird als statisch-integrierbarer Phasenmodulationslaser (S-iPM-Laser) bezeichnet und gibt Licht aus, um ein zweidimensionales optisches Bild mit beliebiger Form entlang einer Normalrichtung der Hauptfläche eines mit einer Phasenmodulationsschicht versehenen Substrats oder einer die Normalrichtung schneidenden Neigungsrichtung oder sowohl der Normalrichtung als auch der Neigungsrichtung zu erzeugen. Das Patentdokument 1 beschreibt ein Verfahren, das sich auf einen S-iPM-Laser bezieht.
Zitationsliste
Patentliteratur
Patentdokument 1: U.S. Patent Nr. 9991669
Nicht-Patentliteratur
Nicht-Patentdokument 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)
Nicht-Patentdokument 2: Y Liang et al., „Three-dimensional coupled-wave analysis for square-lattice photonic crystal surface emitting lasers with transverse-electric polarization: finite-size effects," Optics Express 20, 15945-15961 (2012)
Zusammenfassung der Erfindung
Technisches Problem
Als Ergebnis der Untersuchung eines herkömmlichen lichtemittierenden Elements haben die Erfinder die folgenden Probleme gefunden. Das heißt, wie zuvor beschrieben, wird beim S-iPM-Laser das zweidimensionale, ein beliebig geformtes optisches Bild in der Normalrichtung der Hauptfläche des Substrats oder in der Neigungsrichtung, die sich mit der Normalrichtung schneidet, oder sowohl in der Normalrichtung als auch in der Neigungsrichtung ausgegeben. Daher wird ein optisches Bild entweder von der Vorderfläche des Halbleiterstapels, der die auf dem Substrat gebildete Phasenmodulationsschicht enthält, oder von der Rückfläche des Substrats ausgegeben. Wenn z. B. die Rückseite des Substrats flacher (weniger uneben) ist als die Vorderseite des Halbleiterstapels, wird die Rückseite des Substrats als optische Bildausgabefläche ausgewählt. Denn je weniger uneben die optische Bildausgabefläche ist, desto klarer wird das optische Bild. In einem bestimmten Beispiel wird eine Phasenmodulationsschicht gebildet, indem zunächst eine Halbleiterschicht als Basisschicht gebildet wird, eine Vielzahl von Löchern in der Halbleiterschicht durch Ätzen oder ähnliches gebildet wird und dann eine weitere Halbleiterschicht (z. B. eine Mantelschicht) auf der Basisschicht (Halbleiterschicht) gebildet wird, um die Löcher zu bedecken. Zu diesem Zeitpunkt entstehen durch den Einfluss der Vielzahl von Löchern Unebenheiten auf der Oberfläche der anderen Halbleiterschicht. Die Unebenheiten beeinträchtigen die Ebenheit der Vorderfläche des Halbleiterstapels. In einem solchen Fall wird zum Beispiel die Rückfläche des Substrats als optische Bildausgabefläche gewählt.
Da das Substrat jedoch im Allgemeinen viel dicker ist als der Halbleiterstapel, kommt es je nach Verhältnis zwischen dem Material des Substrats und der Wellenlänge der Lichtemission manchmal zu einer deutlichen Lichtabsorption. Wenn die Lichtabsorption im Substrat hoch ist, verringert sich die Lichtausbeute in Bezug auf die zugeführte Leistung.
Die vorliegende Erfindung wurde konzipiert, um die zuvor beschriebenen Probleme zu lösen, und es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, ein lichtemittierendes Element, ein Herstellungsverfahren für das lichtemittierende Element und ein Verfahren zum Entwerfen einer Phasenmodulationsschicht bereitzustellen, die in der Lage sind, ein klares optisches Bild auszugeben, während eine Reduzierung der Lichtausgangsleistung unterdrückt wird.
Lösung des Problems
Um die zuvor beschriebenen Probleme zu lösen, umfasst ein lichtemittierendes Element gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gemäß einem Aspekt ein Substrat mit einer Hauptfläche, eine Lichtemissionseinheit und eine Bondschicht, die zwischen dem Substrat und der Lichtemissionseinheit vorgesehen ist. Die Bondschicht verbindet die Hauptfläche des Substrats und die Lichtemissionseinheit. Die Lichtemissionseinheit gibt Licht aus, um ein optisches Bild entlang einer Normalrichtung der Hauptfläche oder einer Neigungsrichtung, die die Normalrichtung schneidet, oder sowohl der Normalrichtung als auch der Neigungsrichtung zu erzeugen. Die Lichtemissionseinheit umfasst einen Halbleiterstapel mit einer Rückfläche und einer Vorderfläche, die auf der gegenüberliegenden Seite der Bondschicht in Bezug auf die Rückfläche positioniert ist, eine erste Elektrode in Kontakt mit der Rückfläche des Halbleiterstapels und eine zweite Elektrode in Kontakt mit der Vorderfläche des Halbleiterstapels. Der Halbleiterstapel enthält eine erste Mantelschicht mit einem ersten Leitfähigkeitstyp, eine zweite Mantelschicht mit einem zweiten Leitfähigkeitstyp, eine aktive Schicht und eine Phasenmodulationsschicht. Die erste Mantelschicht ist zwischen der Rückfläche und der Vorderfläche angeordnet. Die zweite Mantelschicht ist zwischen der ersten Mantelschicht und der Vorderfläche angeordnet. Die aktive Schicht und die Phasenmodulationsschicht sind jeweils zwischen der ersten Mantelschicht und der zweiten Mantelschicht angeordnet. Die Phasenmodulationsschicht befindet sich also zwischen der ersten Mantelschicht und der aktiven Schicht oder zwischen der aktiven Schicht und der zweiten Mantelschicht.
Die Phasenmodulationsschicht enthält eine Basisschicht und eine Vielzahl von modifizierten Brechungsindexbereichen, die jeweils einen Brechungsindex aufweisen, der sich vom Brechungsindex der Basisschicht unterscheidet. Die Phasenmodulationsschicht enthält einen ersten Bereich, der so eingestellt ist, dass er eine Größe hat, die mindestens eine zweite Elektrode einschließt, bei Betrachtung von der Dickenrichtung von der Vorderfläche zur Rückfläche des Halbleiterstapels, und einen zweiten Bereich, der von dem ersten Bereich verschieden ist, in einem effektiven Bereich, in dem Licht (Signallicht), das zur Bildung eines optischen Bildes beiträgt, ausgegeben wird. Auf einem virtuellen Quadratgitter, das auf der Bezugsebene der Phasenmodulationsschicht orthogonal zur Dickenrichtung angeordnet ist, ist jeder der Vielzahl von modifizierten Brechungsindexbereichen einem beliebigen der Gitterpunkte des virtuellen Quadratgitters zugeordnet. Insbesondere ist der Schwerpunkt jedes bestimmten modifizierten Brechungsindexbereichs, der in dem zweiten Bereich positioniert ist, auf der Bezugsebene gemäß einer ersten Anordnungsbedingung oder einer zweiten Anordnungsbedingung angeordnet. Dabei ist die erste Anordnungsbedingung so definiert, dass der Schwerpunkt jedes bestimmten modifizierten Brechungsindexbereichs von dem zugehörigen Gitterpunkt durch einen vorbestimmten Abstand getrennt ist, und ein Drehwinkel um den zugehörigen Gitterpunkt, der durch den Winkel definiert ist, der durch das Liniensegment, das sich von dem zugehörigen Gitterpunkt zu dem Schwerpunkt erstreckt, und das virtuelle Quadratgitter gebildet wird, wird individuell gemäß der Phasenverteilung zur Bildung des optischen Bildes eingestellt. Andererseits ist die zweite Anordnungsbedingung so definiert, dass der Schwerpunkt jedes bestimmten modifizierten Brechungsindexbereichs auf einer geraden Linie positioniert ist, die durch einen entsprechenden Gitterpunkt in einem Neigungszustand in Bezug auf das virtuelle Quadratgitter verläuft, und der Abstand von dem zugehörigen Gitterpunkt zu dem Schwerpunkt wird individuell gemäß der oben erwähnten Phasenverteilung eingestellt.
Zusätzlich wird das Licht, das das optische Bild bildet, von der Vorderfläche des Halbleiterstapels ausgegeben, und das optische Bild wird als ein einzelnes Strahlenmuster vervollständigt, das nur die Lichtkomponenten enthält, die durch die zweite Elektrode aus dem zweiten Bereich hindurchgegangen sind. In einem bestimmten Bereich auf der Hauptfläche des Substrats, der den effektiven Bereich bei Betrachtung entlang der Dickenrichtung überlappt, ist der Änderungsbetrag eines ersten Abstands von der Hauptfläche zu der Vorderfläche des Halbleiterstapels an einer Vielzahl von ersten Punkten, die entlang einer ersten geraden Linie auf der Hauptfläche ausgerichtet sind, kleiner als der Änderungsbetrag eines zweiten Abstands von der Hauptfläche zu der Rückfläche des Halbleiterstapels an der Vielzahl von ersten Punkten. Außerdem ist der Änderungsbetrag des ersten Abstands (Abstand von der Hauptfläche zur Vorderfläche) an einer Vielzahl von zweiten Punkten, die entlang einer zweiten geraden Linie auf der Hauptfläche ausgerichtet sind, die die erste gerade Linie schneidet, kleiner als der Änderungsbetrag des zweiten Abstands (Abstand von der Hauptfläche zur Rückfläche) an der Vielzahl von zweiten Punkten.
Vorteilhafte Auswirkungen der Erfindung
Gemäß dem lichtemittierenden Element, dem Herstellungsverfahren für das lichtemittierende Element und dem Entwurfsverfahren für die Phasenmodulationsschicht gemäß der vorliegenden Ausführungsform ist es möglich, ein klares optisches Bild auszugeben und gleichzeitig eine Verringerung der Lichtausgangsleistung zu unterdrücken.
Figurenliste

1 ist eine perspektivische Ansicht, die ein Aussehen eines lichtemittierenden Elements 1A gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
2 ist eine Ansicht, die schematisch einen Querschnitt entlang einer Linie II-II des in 1 dargestellten lichtemittierenden Elements 1A zeigt.
3 ist eine Ansicht, die schematisch einen Querschnitt entlang einer Linie III-III des in 1 dargestellten lichtemittierenden Elements 1A zeigt.
4 ist eine schematische Ansicht, die ein Beispiel für einen Querschnittsaufbau eines Halbleiterstapels 10 zeigt.
5 ist eine Draufsicht, die die Umgebung eines mittleren Abschnitts einer Phasenmodulationsschicht 13 zeigt (Abschnitt, der eine Stromversorgungseinheit 32b überlappt).
6 ist eine Draufsicht, die die Konfiguration eines zweiten Bereichs 132 der Phasenmodulationsschicht 13 zeigt.
7 ist eine vergrößerte Ansicht eines Teils (Einheitskomponentenbereich R) der Phasenmodulationsschicht 13.
8 ist eine Draufsicht, die ein Konfigurationsbeispiel eines ersten Bereichs 131 der Phasenmodulationsschicht 13 zeigt.
9 ist eine Draufsicht, die ein weiteres Konfigurationsbeispiel des ersten Bereichs 131 der Phasenmodulationsschicht 13 zeigt.
10 ist eine Ansicht zur Erläuterung der Beziehung zwischen einem optischen Bild, das durch Abbildung eines Ausgangsstrahlmusters des lichtemittierenden Elements 1A erhalten wird, und einer Drehwinkelverteilung φ im zweiten Bereich 132.
11 ist eine Ansicht zur Erläuterung der Koordinatentransformation von Kugelkoordinaten (r, θ_rot, θ_tilt) zu Koordinaten (ξ, η, ζ) in einem orthogonalen XYZ-Koordinatensystem.
12A und 12B sind Ansichten zur Erläuterung eines Punktes in einem Fall, in dem eine allgemeine diskrete Fourier-Transformation (oder schnelle Fourier-Transformation) zur Berechnung verwendet wird, wenn die Anordnung jedes modifizierten Brechungsindexbereichs 13b bestimmt wird.
13 ist eine konzeptionelle Ansicht eines iterativen Algorithmus, der in der vorliegenden Ausführungsform verwendet wird.
14A ist eine Ansicht, die eine Verteilung (d.h. Phasenverteilung) des Drehwinkels φ in der gesamten Phasenmodulationsschicht 13 zeigt, die durch 1000-malige Iteration der obigen Berechnung erzeugt wurde, und 14B ist eine vergrößerte Ansicht, die einen Teil E1 von 14A zeigt.
15A bis 15C sind Ansichten, die jeden Schritt im Herstellungsverfahren für das lichtemittierende Element 1A zeigen, und zeigen schematisch einen Querschnitt des lichtemittierenden Elements 1A während der Herstellung.
16A bis 16C sind Ansichten, die jeden Schritt im Herstellungsverfahren für das lichtemittierende Element 1A zeigen, und zeigen schematisch einen Querschnitt des lichtemittierenden Elements 1A während der Herstellung.
17A bis 17C sind Ansichten, die jeden Schritt im Herstellungsverfahren für das lichtemittierende Element 1A zeigen, und zeigen schematisch einen Querschnitt des lichtemittierenden Elements 1A während der Herstellung.
18A und 18B sind Ansichten, die jeden Schritt im Herstellungsverfahren für das lichtemittierende Element 1A zeigen, und zeigen schematisch einen Querschnitt des lichtemittierenden Elements 1A während der Herstellung.
19A zeigt als Vergleichsbeispiel ein Beispiel für ein optisches Bild in einem Fall, in dem die Phasenmodulationsschicht 13 eine Phasenverteilung aufweist, die dem optischen Bild auf dem gesamten ersten Bereich 131 und zweiten Bereich 132 entspricht, und 19B zeigt ein Beispiel für ein optisches Bild, das durch die Phasenmodulationsschicht 13 einer Ausführungsform erhalten wird.
20A bis 20C sind Diagramme, die das Ergebnis der Untersuchung der Beziehung zwischen dem Spitzenstrom und der Ausgangslichtintensität bei Änderung des Abstands zwischen einem Schwerpunkt G und einem Gitterpunkt O des modifizierten Brechungsindexbereichs 13b zeigen.
21 A bis 21C sind Diagramme, die das Ergebnis der Untersuchung der Beziehung zwischen dem Spitzenstrom und der Ausgangslichtintensität bei Änderung des Abstands zwischen dem Schwerpunkt G und dem Gitterpunkt O des modifizierten Brechungsindexbereichs 13b zeigen.
22A bis 22C sind Diagramme, die das Ergebnis der Untersuchung der Beziehung zwischen dem Spitzenstrom und der Ausgangslichtintensität bei Änderung des Abstands zwischen dem Schwerpunkt G und dem Gitterpunkt O des modifizierten Brechungsindexbereichs 13b zeigen.
23 zeigt ein optisches Bild, das zur Berechnung der Diagramme in 20A bis 22C verwendet wurde.
24 ist eine Draufsicht auf einen zweiten Bereich 133 gemäß einem ersten modifizierten Beispiel.
25 ist eine Ansicht, die die Lagebeziehung des modifizierten Brechungsindexbereichs 13b im zweiten Bereich 133 zeigt.
26A bis 26G sind Ansichten, die Beispiele für die planare Form in der X-Y-Ebene des modifizierten Brechungsindexbereichs 13b zeigen.
27A bis 27K sind Ansichten, die Beispiele für die planare Form in der X-Y-Ebene des modifizierten Brechungsindexbereichs 13b zeigen.
28A bis 28K sind Ansichten, die andere Beispiele für planare Formen des modifizierten Brechungsindexbereichs 13b in der X-Y-Ebene zeigen.
29 ist eine Ansicht, die ein weiteres Beispiel für eine planare Form des modifizierten Brechungsindexbereichs 13b in der X-Y-Ebene zeigt.
30 ist eine Draufsicht auf einen zweiten Bereich 134 gemäß einem dritten modifizierten Beispiel.
31 ist eine Ansicht, die die Lagebeziehung des modifizierten Brechungsindexbereichs 13b im zweiten Bereich 134 zeigt.
32 ist eine Draufsicht auf einen ersten Bereich 135 im dritten modifizierten Beispiel.
33A bis 33F sind Ansichten, die andere Beispiele für planare Formen einer zweiten Elektrode 32 zeigen.
34A bis 34G sind Ansichten, die andere Beispiele für planare Formen der zweiten Elektrode 32 zeigen.
35A ist eine Ansicht, die die Verteilung des Drehwinkels φ in der gesamten Stromversorgungseinheit 32b in einem Fall zeigt, in dem die zweite Elektrode 32 eine Streifenform hat, und 35B ist eine vergrößerte Ansicht, die einen Teil E2 von 35A zeigt.
36A ist eine Ansicht, die die Verteilung des Drehwinkels φ in der gesamten Stromversorgungseinheit 32b in einem Fall zeigt, in dem die zweite Elektrode 32 eine konzentrische Form hat, und 36B ist eine vergrößerte Ansicht, die einen Teil E3 von 36A zeigt.
37 ist eine perspektivische Ansicht, die ein Aussehen eines lichtemittierenden Elements 1B gemäß einem fünften modifizierten Beispiel zeigt.
38 ist eine Ansicht, die die Konfiguration einer lichtemittierenden Vorrichtung 1C gemäß einem sechsten modifizierten Beispiel zeigt.
39 ist eine Ansicht eines modifizierten Ausführungsbeispiels der Phasenmodulationsschicht und zeigt eine Form in Schichtdickenrichtung gesehen.

Beschreibung der Ausführungsformen
[Beschreibung der Ausführungsformen der Erfindung dieser Anmeldung]
Zunächst wird der Inhalt der Ausführungsformen der Erfindung dieser Anmeldung einzeln aufgeführt und beschrieben.
(1) Ein lichtemittierendes Element gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst, gemäß einem Aspekt, ein Substrat mit einer Hauptfläche, eine Lichtemissionseinheit und eine Bondschicht, die zwischen dem Substrat und der Lichtemissionseinheit vorgesehen ist. Die Bondschicht verbindet die Hauptfläche des Substrats und die Lichtemissionseinheit. Die Lichtemissionseinheit gibt Licht aus, um ein optisches Bild entlang einer Normalrichtung der Hauptfläche oder einer Neigungsrichtung, die die Normalrichtung schneidet, oder sowohl der Normalrichtung als auch der Neigungsrichtung zu erzeugen. Die Lichtemissionseinheit hat einen Halbleiterstapel mit einer Rückfläche und einer Vorderfläche, die auf der gegenüberliegenden Seite der Bondschicht in Bezug auf die Rückfläche positioniert ist, eine erste Elektrode in Kontakt mit der Rückfläche des Halbleiterstapels und eine zweite Elektrode in Kontakt mit der Vorderfläche des Halbleiterstapels.
Der Halbleiterstapel enthält eine erste Mantelschicht mit einem ersten Leitfähigkeitstyp, eine zweite Mantelschicht mit einem zweiten Leitfähigkeitstyp, eine aktive Schicht und eine Phasenmodulationsschicht. Die erste Mantelschicht ist zwischen der Rückfläche und der Vorderfläche angeordnet. Die zweite Mantelschicht ist zwischen der ersten Mantelschicht und der Vorderfläche angeordnet. Die aktive Schicht und die Phasenmodulationsschicht sind jeweils zwischen der ersten Mantelschicht und der zweiten Mantelschicht angeordnet. Die Phasenmodulationsschicht befindet sich also zwischen der ersten Mantelschicht und der aktiven Schicht oder zwischen der aktiven Schicht und der zweiten Mantelschicht.
Die Phasenmodulationsschicht enthält eine Basisschicht und eine Vielzahl von modifizierten Brechungsindexbereichen, die jeweils einen Brechungsindex aufweisen, der sich vom Brechungsindex der Basisschicht unterscheidet. Die Phasenmodulationsschicht enthält den ersten Bereich, der so eingestellt ist, dass er eine Größe hat, die den gesamten Teil einschließt, der in dem effektiven Bereich der zweiten Elektrode positioniert ist, bei Betrachtung von der Dickenrichtung von der Vorderfläche zur Rückfläche des Halbleiterstapels aus, und den zweiten Bereich, der sich von dem ersten Bereich unterscheidet, in einem effektiven Bereich, in dem Licht, das zur Bildung eines optischen Bildes beiträgt, ausgegeben wird. Es sollte beachtet werden, dass der Umriss des effektiven Bereichs durch eine Hüllkurve gegeben ist, die alle zweiten Bereiche umgibt. Daher fallen im effektiven Bereich der Teil der zweiten Elektrode und der erste Bereich vollständig zusammen oder der Teil derzweiten Elektrode scheint in den ersten Bereich eingeschlossen zu sein, bei Betrachtung aus der Dickenrichtung der Dicke. Auf einem virtuellen Quadratgitter, das auf der Bezugsebene der Phasenmodulationsschicht orthogonal zur Dickenrichtung angeordnet ist, ist jeder der mehreren Bereiche mit modifiziertem Brechungsindex einem beliebigen der Gitterpunkte des virtuellen Quadratgitters zugeordnet. Insbesondere ist der Schwerpunkt jedes bestimmten modifizierten Brechungsindexbereichs, der in dem zweiten Bereich positioniert ist, auf der Bezugsebene gemäß einer ersten Anordnungsbedingung oder einer zweiten Anordnungsbedingung angeordnet. Dabei ist die erste Anordnungsbedingung so definiert, dass der Schwerpunkt jedes bestimmten modifizierten Brechungsindexbereichs von dem zugehörigen Gitterpunkt durch einen vorbestimmten Abstand getrennt ist, und ein Drehwinkel um den zugehörigen Gitterpunkt, der durch den Winkel definiert ist, der durch das Liniensegment, das sich von dem zugehörigen Gitterpunkt zu dem Schwerpunkt erstreckt, und das virtuelle Quadratgitter gebildet wird, wird individuell gemäß der Phasenverteilung zur Bildung des optischen Bildes eingestellt. Andererseits ist die zweite Anordnungsbedingung so definiert, dass der Schwerpunkt jedes bestimmten modifizierten Brechungsindexbereichs auf einer geraden Linie positioniert ist, die durch einen entsprechenden Gitterpunkt in einem Neigungszustand in Bezug auf das virtuelle Quadratgitter verläuft, und der Abstand von dem zugehörigen Gitterpunkt zu dem Schwerpunkt wird individuell gemäß der oben erwähnten Phasenverteilung eingestellt.
Außerdem wird das Licht, das das optische Bild bildet, von der Vorderfläche des Halbleiterstapels ausgegeben, und das optische Bild wird als ein einziges Strahlenmuster vervollständigt, das nur die Lichtkomponenten enthält, die die zweite Elektrode aus dem zweiten Bereich durchlaufen haben. Hier ist die Ebenheit der Rückfläche des Halbleiterstapels geringer als die Ebenheit der Vorderfläche. Insbesondere ist in einem bestimmten Bereich auf der Hauptfläche des Substrats, der den effektiven Bereich bei Betrachtung entlang der Dickenrichtung überlappt, der Änderungsbetrag eines ersten Abstands von der Hauptfläche zu der Vorderfläche des Halbleiterstapels an einer Vielzahl von ersten Punkten, die entlang einer ersten geraden Linie auf der Hauptfläche ausgerichtet sind, kleiner als der Änderungsbetrag eines zweiten Abstands von der Hauptfläche zu der Rückfläche des Halbleiterstapels an der Vielzahl von ersten Punkten. Weiterhin ist der Änderungsbetrag des ersten Abstands (Abstand von der Hauptfläche zur Vorderfläche) an einer Vielzahl von zweiten Punkten, die entlang einer zweiten geraden Linie auf der Hauptfläche ausgerichtet sind, die die erste gerade Linie schneidet, kleiner als der Änderungsbetrag des zweiten Abstands (Abstand von der Hauptfläche zur Rückfläche) an der Vielzahl von zweiten Punkten. Es sollte beachtet werden, dass in der vorliegenden Beschreibung der „Änderungsbetrag des Abstands“ durch die Differenz (absoluter Wert) zwischen dem Höchstwert und dem Mindestwert der Abstandsdaten definiert ist, die an einer Vielzahl von Orten gemessen werden, die entlang einer bestimmten Richtung ausgerichtet sind.
In dem lichtemittierenden Element mit der zuvor beschriebenen Struktur ist jeder Schwerpunkt der Vielzahl von modifizierten Brechungsindexbereichen auf der Bezugsebene (X-Y-Ebene) gemäß der zuvor beschriebenen ersten Anordnungsbedingung oder zweiten Anordnungsbedingung angeordnet. Gemäß einer solchen Struktur kann als S-iPM-Laser Licht zum Bilden eines optischen Bildes einer beliebigen Form entlang einer Normalrichtung der Hauptfläche des Substrats oder einer Neigungsrichtung, die die Normalrichtung schneidet, oder sowohl der Normalrichtung als auch der Neigungsrichtung ausgegeben werden. In dem lichtemittierenden Element ist die Vorderfläche des Halbleiterstapels flacher als die Rückfläche, und das Substrat ist über die Bondschicht mit der Rückflächenseite des Halbleiterstapels verbunden. Daher wird Licht zur Bildung eines optischen Bildes von der Vorderfläche des relativ flachen Halbleiterstapels ausgegeben, wodurch ein klares optisches Bild erhalten wird. Außerdem wird das Licht zur Erzeugung eines optischen Bildes von der Vorderseite des Halbleiterstapels ausgegeben, wodurch die Lichtabsorption im Substrat verringert wird und somit eine Verringerung der Lichtausbeute unterdrückt werden kann.
In dem lichtemittierenden Element enthält die Phasenmodulationsschicht den ersten Bereich, der mit der zweiten Elektrode überlappt (mit der zweiten Elektrode zusammenfällt oder eine Größe hat, die die gesamte zweite Elektrode einschließt), aus Sicht der Dickenrichtung, und den zweiten Bereich, der von dem ersten Bereich verschieden ist. Dann wird das optische Bild als ein einziges Strahlenmuster vervollständigt, das nur die Lichtkomponenten enthält, die die zweite Elektrode aus dem zweiten Bereich durchlaufen haben. Somit ist es möglich, ein optisches Bild zu vervollständigen, indem nur Licht aus dem zweiten Bereich, der nicht durch die zweite Elektrode abgeschirmt ist, verwendet wird, ohne dass Licht aus dem ersten Bereich der Phasenmodulationsschicht verwendet wird, das durch die zweite Elektrode abgeschirmt ist. Das heißt, es ist möglich, eine Verschlechterung der Qualität des optischen Bildes aufgrund der zweiten Elektrode, die einen Teil des von der Phasenmodulationsschicht ausgegebenen Lichts blockiert, wirksam zu unterdrücken.
Es sollte beachtet werden, dass „das optische Bild als ein einzelnes Strahlenmuster vervollständigt wird, das nur die Lichtkomponenten enthält, die durch die zweite Elektrode aus dem zweiten Bereich der Phasenmodulationsschicht hindurchgegangen sind“ bedeutet, dass ein gewünschtes optisches Bild als ein einzelnes Strahlenmuster nur durch den modifizierten Brechungsindexbereich erhalten wird, der in dem zweiten Bereich enthalten ist, ohne den modifizierten Brechungsindexbereich zu verwenden, der in dem ersten Bereich enthalten ist. Mit anderen Worten, die Anordnung des modifizierten Brechungsindexbereichs, der im ersten Bereich enthalten ist, spiegelt sich nicht in dem optischen Bild wider, das von dem lichtemittierenden Element erhalten wird. Mit anderen Worten, das optische Bild, das in einem Zustand gebildet wird, in dem die zweite Elektrode vorgesehen ist, und das optische Bild, das in einem Zustand gebildet wird, in dem die zweite Elektrode nicht vorgesehen ist (Zustand, in dem der Strom durch ein anderes Mittel als die zweite Elektrode zugeführt wird), stimmen miteinander überein.
(2) Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Ausführungsform enthält die aktive Schicht vorzugsweise Ga, In und P als Zusammensetzungen. Als Substrat (Wachstumssubstrat), auf dem der Halbleiterstapel gebildet wird, wird vorzugsweise z. B. ein GaAs-Substrat verwendet. Das GaAs absorbiert in bemerkenswerter Weise Licht in einem Wellenlängenbereich von z. B. 650 bis 710 nm, das in dieser aktiven Schicht erzeugt wird. Daher ist in einem Fall, in dem das lichtemittierende Element fertiggestellt wird, ohne jede Schicht des Halbleiterstapels auf dem GaAs-Substrat zu entfernen, auf dem jede Schicht des Halbleiterstapels gebildet (epitaktisch gewachsen) ist, wenn das optische Bild von der Rückseite des GaAs-Substrats ausgegeben wird, die optische Ausgangseffizienz erheblich reduziert. Da die Ebenheit der Wachstumsoberfläche des Halbleiterstapels gering ist, wird die Klarheit des optischen Bildes beeinträchtigt, wenn das optische Bild von der Seite des Halbleiterstapels ausgegeben wird. Andererseits wird in dem lichtemittierenden Element gemäß der vorliegenden Ausführungsform Licht zur Bildung eines optischen Bildes von der flachen Vorderfläche (d.h. der Oberfläche gegenüber der Wachstumsoberfläche) des Halbleiterstapels ausgegeben, und ein klares optisches Bild kann effizient erhalten werden, selbst wenn die aktive Schicht Ga, In und P als Zusammensetzungen enthält.
(3) Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Ausführungsform enthält die Bondschicht vorzugsweise ein Harz. Diese Konfiguration ermöglicht es, die erste Elektrode, die auf der Rückseite des Halbleiterstapels mit einer geringen Ebenheit (viele Unebenheiten) ausgebildet ist, und die Hauptfläche des Substrats fest und ohne Spalt zu verbinden.
(4) Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Ausführungsform kann die planare Form der zweiten Elektrode, bei Betrachtung entlang der Dickenrichtung, eine Vielzahl von Öffnungen umfassen. Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Ausführungsform kann die planare Form der zweiten Elektrode, bei Betrachtung entlang der Dickenrichtung, eine Vielzahl von Schlitzen aufweisen. Wenn die zweite Elektrode mindestens eine dieser planaren Formen aufweist, kann das optische Bild aus der Vorderfläche des Halbleiterstapels herausgenommen werden, während die Stromdichte in der aktiven Schicht näher an die gleiche gebracht wird. Im lichtemittierenden Element wird das optische Bild als ein einziges Strahlenmuster vervollständigt, das nur die Lichtkomponenten enthält, die die zweite Elektrode aus dem zweiten Bereich durchlaufen haben. Daher ist es selbst dann, wenn die zweite Elektrode eine solche planare Form hat, möglich, eine Verschlechterung der Qualität des optischen Bildes aufgrund der Tatsache, dass die zweite Elektrode einen Teil des von der Phasenmodulationsschicht ausgegebenen Lichts blockiert, wirksam zu unterdrücken.
(5) Ein Aspekt der vorliegenden Ausführungsform ist, dass die planare Form der zweiten Elektrode entlang der Dickenrichtung gesehen eine Gitterform, eine Streifenform, eine konzentrische Form, eine radiale Form oder eine ineinander greifende Form sein kann. Wenn die zweite Elektrode eine beliebige dieser ebenen Formen aufweist, kann die zweite Elektrode gleichmäßig und gleichförmig auf der Vorderfläche (optische Bildausgabefläche) des Halbleiterstapels angeordnet sein. So kann das optische Bild von der Vorderfläche des Halbleiterstapels ausgegeben werden, während die Stromdichte in der aktiven Schicht gleichmäßiger wird. Im lichtemittierenden Element wird das optische Bild als ein einziges Strahlenmuster vervollständigt, das nur die Lichtkomponenten enthält, die die zweite Elektrode aus dem zweiten Bereich durchlaufen haben. Daher ist es selbst dann, wenn die zweite Elektrode eine solche planare Form hat, möglich, eine Verschlechterung der Qualität des optischen Bildes aufgrund der zweiten Elektrode, die einen Teil des von der Phasenmodulationsschicht ausgegebenen Lichts blockiert, wirksam zu unterdrücken.
(6) Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Ausführungsform kann das lichtemittierende Element einen Ausnehmungsabschnitt aufweisen, der sich von der Vorderfläche zur ersten Elektrode erstreckt. Diese Konfiguration kann die erste Elektrode auf der Bodenfläche des Ausnehmungsabschnitts freilegen, wodurch die elektrische Verbindung mit der ersten Elektrode, die zwischen dem Halbleiterstapel und dem Substrat liegt, erleichtert wird.
(7) Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Ausführungsform ist es bevorzugt, dass der Schwerpunkt jedes modifizierten Brechungsindexbereichs, der in dem ersten Bereich unter der Vielzahl von modifizierten Brechungsindexbereichen positioniert ist, auf dem zugehörigen Gitterpunkt angeordnet ist, oder dass der Drehwinkel um den zugehörigen Gitterpunkt individuell auf einen Winkel eingestellt ist, der für die Bildung des optischen Bildes in einem Zustand irrelevant ist, in dem er von dem zugehörigen Gitterpunkt durch einen vorbestimmten Abstand getrennt ist. Da das aus dem ersten Bereich austretende Licht durch die zweite Elektrode abgeschirmt wird, kann der Schwerpunkt jedes im ersten Bereich positionierten modifizierten Brechungsindexbereichs in beliebiger Weise angeordnet sein. Diese Anordnung erleichtert jedoch die Ausbildung der Phasenmodulationsschicht. Nach den Erkenntnissen der vorliegenden Erfindung kann der für die Laseroszillation erforderliche Strom (Oszillationsschwellenstrom) umso geringer sein, je näher der Schwerpunkt der mehreren modifizierten Brechungsindexbereiche am Gitterpunkt des virtuellen Quadratgitters liegt. Daher ist der Schwerpunkt jedes modifizierten Brechungsindexbereichs, der in dem ersten Bereich positioniert ist, auf dem Gitterpunkt des virtuellen Quadratgitters angeordnet, wodurch der Oszillationsschwellenstrom effektiv reduziert werden kann.
(8) Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Ausführungsform erfüllen der erste Bereich und der Teil der zweiten Elektrode, der in dem effektiven Bereich positioniert ist, von der Dickenrichtung aus gesehen, eine Beziehung, in der die Breite des ersten Bereichs, der entlang der Richtung orthogonal zur Dickenrichtung festgelegt ist, größer ist als die Breite des Teils der zweiten Elektrode. Mit dieser Konfiguration wird vermieden, dass die zweite Elektrode das Licht aus dem zweiten Bereich abschirmt, selbst wenn die Bildungsposition der zweiten Elektrode geringfügig von der Entwurfsposition abweicht, und als Ergebnis ist es möglich, eine Verschlechterung der Qualität des optischen Bildes zu unterdrücken.
(9) Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Ausführungsform ist es bevorzugt, dass der Halbleiterstapel ferner eine Kontaktschicht umfasst, die zwischen der zweiten Mantelschicht und der zweiten Elektrode in einem Zustand vorgesehen ist, in dem sie in Kontakt mit der zweiten Elektrode ist.
(10) Das Herstellungsverfahren gemäß der vorliegenden Ausführungsform stellt gemäß einem Aspekt ein lichtemittierendes Element mit der zuvor beschriebenen Struktur her. Insbesondere dann, wenn das herzustellende lichtemittierende Element einen Halbleiterstapel aufweist, der keine Kontaktschicht enthält, umfasst das Herstellungsverfahren gemäß der vorliegenden Ausführungsform einen ersten Schritt des Herstellens eines Wachstumssubstrats, einen zweiten Schritt des Aufwachsens des Halbleiterstapels, einen dritten Schritt des Bildens der ersten Elektrode, einen vierten Schritt des Anbringens des Substrats, einen fünften Schritt des Entfernens des Wachstumssubstrats und einen sechsten Schritt des Bildens der zweiten Elektrode. Es sollte beachtet werden, dass im zweiten Schritt die Schichten, die den Halbleiterstapel bilden, nacheinander auf dem Wachstumssubstrat aufgewachsen werden, so dass die zweite Mantelschicht in Kontakt mit dem Wachstumssubstrat kommt. Im dritten Schritt wird die erste Elektrode auf dem Halbleiterstapel gebildet, so dass der Halbleiterstapel zwischen dem Wachstumssubstrat und der ersten Elektrode eingebettet ist. Im vierten Schritt wird die Hauptfläche des Substrats über die Bondschicht mit der ersten Elektrode gebondet. Der fünfte Schritt wird nach dem vierten Schritt durchgeführt. Im sechsten Schritt wird die zweite Elektrode auf der Vorderfläche des Halbleiterstapels gebildet, so dass der Halbleiterstapel zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode eingebettet ist.
Wie zuvor beschrieben, werden bei der Bildung der Phasenmodulationsschicht Unebenheiten auf der Oberseite der Phasenmodulationsschicht erzeugt, und die Unebenheiten können die Ebenheit der Wachstumsfläche (entspricht in diesem Aspekt der Rückfläche) des Halbleiterstapels beeinträchtigen. Andererseits übernimmt die der Wachstumsfläche des Halbleiterstapels gegenüberliegende Fläche (entspricht in diesem Aspekt der Vorderfläche) die Ebenheit der Vorderfläche des Wachstumssubstrats. Bei diesem Herstellungsverfahren wird das Wachstumssubstrat entfernt, nachdem die erste Elektrode über die Bondschicht mit der Hauptfläche des Substrats verbunden wurde. Dadurch wird die ebene Oberfläche auf der der Wachstumsfläche des Halbleiterstapels gegenüberliegenden Seite freigelegt. Durch die Verwendung dieser flachen Oberfläche als optische Bildausgabefläche ist es möglich, ein klares optisches Bild auszugeben und gleichzeitig eine Verringerung der Lichtausgabeeffizienz zu unterdrücken.
(11) Wenn das herzustellende lichtemittierende Element einen Halbleiterstapel aufweist, der keine Kontaktschicht enthält, umfasst das Herstellungsverfahren gemäß einem Aspekt den ersten Schritt des Vorbereitens eines Wachstumssubstrats, den zweiten Schritt des Wachstums des Halbleiterstapels, den dritten Schritt des Bildens der ersten Elektrode, den vierten Schritt des Anbringens des Substrats, den fünften Schritt des Entfernens des Wachstumssubstrats und den sechsten Schritt des Bildens der zweiten Elektrode. Es sollte beachtet werden, dass im zweiten Schritt die Schichten, die den Halbleiterstapel bilden, nacheinander auf dem Wachstumssubstrat aufgewachsen werden, so dass die Kontaktschicht in Kontakt mit dem Wachstumssubstrat kommt. Im dritten Schritt wird die erste Elektrode auf dem Halbleiterstapel gebildet, so dass der Halbleiterstapel zwischen dem Wachstumssubstrat und der ersten Elektrode eingebettet ist. Im vierten Schritt wird die Hauptfläche des Substrats über die Bondschicht mit der ersten Elektrode gebondet. Im fünften Schritt wird das Wachstumssubstrat durch Ätzen entfernt, indem die Kontaktschicht als Ätzstoppschicht verwendet wird. Im sechsten Schritt wird die zweite Elektrode auf der Vorderfläche des Halbleiterstapels gebildet, so dass der Halbleiterstapel zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode eingebettet ist. Bei diesem Verfahren wird die Kontaktschicht als Ätzstoppschicht beim Entfernen des Wachstumssubstrats verwendet, das für das Wachstum des Halbleiterstapels verwendet wird. Daher ist es möglich, das Wachstumssubstrat genau zu entfernen, während die flache Vorderfläche des Halbleiterstapels erhalten bleibt.
(12) Als Verfahren zum Entwerfen der Phasenmodulationsschicht des lichtemittierenden Elements, das die zuvor beschriebene Struktur aufweist, wird gemäß einem Aspekt des Entwurfsverfahrens der vorliegenden Ausführungsform unter einer vorbestimmten Einschränkungsbedingung die Position des Schwerpunkts jedes modifizierten Brechungsindexbereichs, der in dem zweiten Bereich unter der Vielzahl von modifizierten Brechungsindexbereichen positioniert ist, durch iterative Berechnung auf der Grundlage des zu bildenden optischen Bildes berechnet. Die Einschränkungsbedingung ist so definiert, dass die Position des Schwerpunkts jedes modifizierten Brechungsindexbereichs, der in dem ersten Bereich unter der Vielzahl von modifizierten Brechungsindexbereichen positioniert ist, einen bestimmten Drehwinkel auf dem zugehörigen Gitterpunkt oder um den zugehörigen Gitterpunkt herum in einem Zustand aufweist, in dem er von dem zugehörigen Gitterpunkt um eine vorbestimmte Entfernung entfernt ist. Somit ist es möglich, durch Ausführen einer iterativen Berechnung, während die Position des Schwerpunkts jedes modifizierten Brechungsindexbereichs, der im ersten Bereich positioniert ist, eingeschränkt wird, die Anordnung des Schwerpunkts des modifizierten Brechungsindexbereichs einfach zu berechnen, so dass das optische Bild nur durch den zweiten Bereich vervollständigt werden kann.
Somit ist jeder im Abschnitt [Beschreibung der Ausführungsformen der Erfindung dieser Anmeldung] aufgeführte Aspekt auf jeden der übrigen Aspekte oder auf alle Kombinationen dieser übrigen Aspekte anwendbar.
[Details der Ausführungsformen der Erfindung dieser Anmeldung]
Im Nachfolgenden wird ein bestimmter Aufbau des lichtemittierenden Elements gemäß der vorliegenden Ausführungsform unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen detailliert beschrieben. Es sollte beachtet werden, dass die vorliegende Erfindung nicht auf diese Beispiele beschränkt ist, sondern durch die Ansprüche definiert wird, und alle modifizierten Beispiele innerhalb der Bedeutung und Umfang entsprechend den Ansprüchen umfassen soll. In der Beschreibung der Zeichnungen sind identische Elemente mit identischen Bezugszeichen versehen und redundante Beschreibungen werden weggelassen.
Ausführungsformen des lichtemittierenden Elements, das Herstellungsverfahren für das lichtemittierende Element und das Phasenmodulationsschicht-Entwurfsverfahren gemäß der vorliegenden Ausführungsform werden im Folgenden unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen detailliert beschrieben. In der Beschreibung der Zeichnungen werden identische Elemente mit identischen Bezugszeichen gekennzeichnet und es wird auf redundante Beschreibungen verzichtet.
1 ist eine perspektivische Ansicht, die ein Aussehen des lichtemittierenden Elements 1A gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. 2 ist eine Ansicht, die schematisch einen Querschnitt entlang der Linie II-II des in 1 dargestellten lichtemittierenden Elements 1A zeigt. 3 ist eine Ansicht, die schematisch einen Querschnitt entlang der Linie III-III des in 1 gezeigten lichtemittierenden Elements 1A zeigt. Man beachte, dass ein orthogonales XYZ-Koordinatensystem definiert ist, in dem eine Achse, die sich entlang der Dickenrichtung des lichtemittierenden Elements 1A erstreckt, eine Z-Achse ist. Das lichtemittierende Element 1A hat eine ebene Form, wie z.B. ein Rechteck oder ein Quadrat, und hat eine Seite entlang der X-Achsenrichtung und die andere Seite entlang der Y-Achsenrichtung. Das lichtemittierende Element 1Aumfasst ein Substrat 20 (Trägersubstrat) mit einer Hauptfläche 20a, eine Lichtemissionseinheit 9, die auf der Hauptfläche 20a des Substrats 20 vorgesehen ist, und eine Bondschicht 21, die die Hauptfläche 20a und die Lichtemissionseinheit 9 miteinander verbindet. Die Lichtemissionseinheit 9 umfasst einen Halbleiterstapel 10, eine erste Elektrode 31, die auf einer Rückfläche 10b des Halbleiterstapels 10 vorgesehen ist, und eine zweite Elektrode 32, die auf einer Vorderfläche 10a des Halbleiterstapels 10 vorgesehen ist. Die Lichtemissionseinheit 9 ist ein S-iPM-Laser, der eine stehende Welle entlang einer beliebigen Richtung bildet, die in einer Ebene parallel zur X-Y-Ebene definiert ist, und eine phasengesteuerte ebene Welle in Z-Achsenrichtung ausgibt. Wie später beschrieben wird, gibt die Lichtemissionseinheit 9 Licht aus, das ein zweidimensionales optisches Bild einer beliebigen Form entlang einer Normalrichtung (d.h. Z-Achsenrichtung) der Hauptfläche 20a des Substrats 20 oder einer Neigungsrichtung, die die Normalrichtung schneidet, oder sowohl der Normalrichtung als auch der Neigungsrichtung bildet. Nach dem Durchgang durch eine Vielzahl von Öffnungen 32a, die in der zweiten Elektrode 32 von der Vorderfläche 10a des Halbleiterstapels 10 ausgebildet sind, wird das Licht, das das optische Bild bildet, zur Außenseite des lichtemittierenden Elements 1A ausgegeben.
4 ist eine schematische Ansicht, die ein Beispiel für den Querschnittsaufbau des Halbleiterstapels 10 zeigt. Wie in 4 gezeigt, umfasst der Halbleiterstapel 10 eine untere Mantelschicht (erste Mantelschicht) 12 mit einem ersten Leitfähigkeitstyp (z. B. p-Typ), eine auf der unteren Mantelschicht 12 vorgesehene aktive Schicht 14 und eine auf der aktiven Schicht 14 vorgesehene obere Mantelschicht (zweite Mantelschicht) 15 mit einem zweiten Leitfähigkeitstyp (z. B. n-Typ). Das heißt, die aktive Schicht 14 ist auf der Hauptfläche 20a des Substrats 20 vorgesehen und befindet sich zwischen der unteren Mantelschicht 12 und der oberen Mantelschicht 15. Der Halbleiterstapel 10 enthält außerdem eine untere Kontaktschicht (erste Kontaktschicht) 11 und eine obere Kontaktschicht (zweite Kontaktschicht) 16. Die untere Kontaktschicht 11 ist auf der Seite vorgesehen, die der aktiven Schicht 14 in Bezug auf die untere Mantelschicht 12 gegenüberliegt, und bildet die Rückfläche 10b des Halbleiterstapels 10 auf der Seite der unteren Mantelschicht 12. Die untere Kontaktschicht 11 ist zwischen der unteren Mantelschicht 12 und der ersten Elektrode 31 angeordnet (siehe 2). In der vorliegenden Ausführungsform ist die untere Kontaktschicht 11 in Kontakt mit der unteren Mantelschicht 12. Die obere Kontaktschicht 16 ist auf der oberen Mantelschicht 15 vorgesehen, liegt zwischen der oberen Mantelschicht 15 und der zweiten Elektrode 32 (siehe 2) und bildet die Vorderfläche 10a des Halbleiterstapels 10 auf der Seite der oberen Mantelschicht 15. In der vorliegenden Ausführungsform ist die obere Kontaktschicht 16 in Kontakt mit der oberen Mantelschicht 15. Diese Schichten 11 bis 16 können z. B. aus einem Verbundhalbleiter wie einem GaAs-Halbleiter, einem InP-Halbleiter und einem Nitrid-Halbleiter bestehen. Die Energiebandlücke der unteren Mantelschicht 12 und die Energiebandlücke der oberen Mantelschicht 15 sind größer als die Energiebandlücke der aktiven Schicht 14.
Der Halbleiterstapel 10 enthält ferner die Phasenmodulationsschicht 13, die optisch mit der aktiven Schicht 14 gekoppelt ist. In der vorliegenden Ausführungsform ist die Phasenmodulationsschicht 13 zwischen der aktiven Schicht 14 und der unteren Mantelschicht 12 vorgesehen. Die Dickenrichtung der Phasenmodulationsschicht 13 fällt mit der Z-Achsenrichtung zusammen. Die Phasenmodulationsschicht 13 kann zwischen der oberen Mantelschicht 15 und der aktiven Schicht 14 vorgesehen sein. Falls erforderlich, kann eine Lichtleiterschicht zwischen der aktiven Schicht 14 und der unteren Mantelschicht 12 und/oder zwischen der aktiven Schicht 14 und der oberen Mantelschicht 15 vorgesehen werden. In der vorliegenden Ausführungsform ist zwischen der aktiven Schicht 14 und der unteren Mantelschicht 12 eine Lichtleiterschicht 17 vorgesehen, und zwischen der aktiven Schicht 14 und der oberen Mantelschicht 15 ist eine Lichtleiterschicht 19 vorgesehen. In diesem Fall ist die Phasenmodulationsschicht 13 zwischen der unteren Mantelschicht 12 und der Lichtleiterschicht 17 oder zwischen der oberen Mantelschicht 15 und der Lichtleiterschicht 19 vorgesehen. Die zwischen der aktiven Schicht 14 und der unteren Mantelschicht 12 angeordnete Lichtleiterschicht 17 kann eine Trägersperrschicht 17a zum effizienten Einschluss von Trägern in der aktiven Schicht 14 enthalten.
Die Phasenmodulationsschicht 13 umfasst eine Basisschicht 13a, die ein erstes Brechungsindexmedium enthält, und eine Vielzahl von modifizierten Brechungsindexbereichen 13b, die ein zweites Brechungsindexmedium mit einem Brechungsindex enthalten, der sich von dem des ersten Brechungsindexmediums unterscheidet. Die mehreren modifizierten Brechungsindexbereiche 13b sind in der Basisschicht 13a in einem Zustand vorhanden, in dem sie in der X-Y-Ebene, die eine Bezugsebene ist, angeordnet sind. Die Anordnung der Vielzahl von modifizierten Brechungsindexbereichen 13b umfasst eine im Wesentlichen periodische Struktur. Wenn der äquivalente Brechungsindex der Mode n ist, ist eine Wellenlänge λο (= (V2) a × n, wobei a der Gitterabstand ist), die von der Phasenmodulationsschicht 13 ausgewählt wird, in dem Lichtemissionswellenlängenbereich der aktiven Schicht 14 enthalten. Die Phasenmodulationsschicht 13 kann aus den Lichtemissionswellenlängen der aktiven Schicht 14 eine Bandende-Wellenlänge in der Nähe der Wellenlänge λ₀ auswählen und nach außen abgeben. Das in die Phasenmodulationsschicht 13 eintretende Laserlicht bildet entsprechend der Anordnung der modifizierten Brechungsindexbereiche 13b in der Phasenmodulationsschicht 13 eine vorbestimmte Mode und wird von der Vorderfläche 10a des Halbleiterstapels 10 als Laserstrahl mit einem gewünschten Muster nach außen abgegeben.
Wie später noch beschrieben wird, ist der modifizierte Brechungsindexbereich 13b beispielsweise ein in der Basisschicht 13a gebildetes Loch. Bei der Bildung der Phasenmodulationsschicht 13 wird zunächst die Basisschicht 13a aufgewachsen. Anschließend wird eine Vielzahl von Löchern in der Basisschicht 13a durch Ätzen oder ähnliches gebildet, und dann wird die Vielzahl der Löcher durch Aufwachsen der unteren Mantelschicht 12 auf der Basisschicht 13a abgedeckt. Daher wird eine Vielzahl von Vertiefungen 12a in der Wachstumsoberfläche der unteren Mantelschicht 12 aufgrund des Vorhandenseins der Vielzahl von Löchern gebildet. Genauer gesagt, es bilden sich glatte Unebenheiten im gesamten Bereich der mit der Vielzahl von Löchern versehenen Wachstumsoberfläche. Die Reihenfolge der Breite und Tiefe der Vielzahl von Vertiefungen 12a stimmt mit der Reihenfolge der Wellenlänge des auszugebenden optischen Bildes überein. Da die Vielzahl der Vertiefungen 12a beim Aufwachsen der unteren Kontaktschicht 11 übernommen werden, enthält die Rückseite 10b des Halbleiterstapels 10 eine Vielzahl von Vertiefungen 10d. Da andererseits die obere Kontaktschicht 16 wächst, bevor die Phasenmodulationsschicht 13 gebildet wird, übernimmt die Vorderfläche der oberen Kontaktschicht 16, d.h. die Vorderfläche 10a des Halbleiterstapels 10, die Ebenheit der Hauptfläche des Wachstumssubstrats. Daher ist die Vorderfläche 10a des Halbleiterstapels 10 flacher als die Rückfläche 10b (frei von Vertiefungen).
In einem bestimmten Beispiel ist der Halbleiterstapel 10 eine Verbundhalbleiterschicht, die aus einem Element der Gruppe III und einem Element der Gruppe V besteht. In einem Beispiel ist die untere Kontaktschicht 11 eine GaAs-Schicht. Die untere Mantelschicht 12 ist eine AlGalnP-Schicht. Die aktive Schicht 14 hat eine Mehrfach-Quantentopfstruktur (Sperrschicht: AIGalnP/Quantentopfschicht: GalnP). In der Phasenmodulationsschicht 13 ist die Basisschicht 13a eine AlGalnP-Schicht, und der modifizierte Brechungsindexbereich 13b ist ein Loch. Die obere Mantelschicht 15 ist eine AlGalnP-Schicht. Die obere Kontaktschicht 16 ist eine GalnP-Schicht. In diesem Fall wird z. B. ein GaAs-Substrat als Wachstumssubstrat verwendet.
In einem Beispiel hat jede Schicht, die den Halbleiterstapel 10 bildet, die folgende Zusammensetzung und Dicke (Schichtbreite in Z-Achsenrichtung). In diesem Beispiel liegt die Lichtemissionswellenlänge der aktiven Schicht 14 im Bereich von 600 bis 710 nm, zum Beispiel bei 675 nm.
Untere Kontaktschicht 11: p-Typ GaAs, 200 nm
Untere Mantelschicht 12: p-Typ (Al_0,7Ga_0,3) _0,5ln_0,5P, 800 nm
Phasenmodulationsschicht 13 (Basisschicht 13a): i-Typ AlGalnP, 220 nm
Trägersperrschicht 17a: i-Typ (Al₀,₇Ga_0,3) _0,5ln_0,5P, 20 nm
Lichtleiterschicht 17: i-Typ AlGalnP, 50 nm
Aktive Schicht 14: hat eine Mehrfach-Quantentopfstruktur, in der Quantentopfschichten, die GalnP vom i-Typ enthalten, und Sperrschichten, die AlGalnP vom i-Typ enthalten, abwechselnd gestapelt sind; Dicke der Quantentopfschicht 10 nm; Dicke der Sperrschicht 10 nm; und 3 Perioden Lichtleiterschicht 19: i-Typ AlGalnP, 60 nm
Obere Mantelschicht 15: n-Typ (Al_0,6Ga_0,4) _0,5ln_0,5P, 2000 nm
Obere Kontaktschicht 16: n-Typ GaInP, 200 nm
In AlGalnP können die Energiebandlücke und der Brechungsindex durch Änderung des Zusammensetzungsverhältnisses von Al leicht verändert werden. Wenn in AlGalnP das Zusammensetzungsverhältnis von Al mit einem relativ kleinen Atomradius verringert (erhöht) wird, wird die damit positiv korrelierende Energiebandlücke klein (groß). Das heißt, das Al-Zusammensetzungsverhältnis der unteren Mantelschicht 12 und der oberen Mantelschicht 15 ist größer als das Al-Zusammensetzungsverhältnis der Lichtleiterschicht 17, der Lichtleiterschicht 19 und der Sperrschicht der aktiven Schicht 14. Das Al-Zusammensetzungsverhältnis der Mantelschicht ist z.B. auf 0,2 bis 1,0 und das Al-Zusammensetzungsverhältnis der Lichtleiterschicht 17, der Lichtleiterschicht 19 und der Sperrschicht der aktiven Schicht 14 ist z.B. auf 0 bis 0,3 eingestellt.
In einem anderen Beispiel enthält der Halbleiterstapel 10 beispielsweise einen InP-Verbundhalbleiter. In einem Beispiel ist die untere Kontaktschicht 11 eine GalnAsP-Schicht, eine GalnAs-Schicht oder eine InP-Schicht. Die untere Mantelschicht 12 ist eine InP-Schicht. Die aktive Schicht 14 hat eine Mehrfach-Quantentopfstruktur (Sperrschicht: GalnAsP/Quantentopfschicht: GalnAsP). In der Phasenmodulationsschicht 13 ist die Basisschicht 13a GalnAsP oder InP, und der Bereich mit modifiziertem Brechungsindex 13b ist ein Loch. Die obere Mantelschicht 15 ist eine InP-Schicht. In einer weiteren Ausführungsform ist die untere Kontaktschicht 11 eine GalnAs- oder InP-Schicht. Die untere Mantelschicht 12 ist eine InP-Schicht. Die aktive Schicht 14 hat eine Mehrfach-Quantentopfstruktur (Sperrschicht: AlGalnAs/Well-Schicht: AlGalnAs). In der Phasenmodulationsschicht 13 ist die Basisschicht 13a eine AIGalnAs-Schicht oder eine InP-Schicht, und der modifizierte Brechungsindexbereich 13b ist ein Loch. Die obere Mantelschicht 15 ist eine InP-Schicht. In diesen Fällen wird z. B. ein InP-Substrat als Wachstumssubstrat verwendet. Diese Materialsysteme können für optische Kommunikationswellenlängen im Bereich von 1,3/1,55 µm eingesetzt werden und können auch Licht mit einer augensicheren Wellenlänge von mehr als 1,4 µm abgeben.
In einem weiteren Beispiel enthält der Halbleiterstapel 10 beispielsweise einen Nitrid-Verbundhalbleiter. In einem Beispiel ist die untere Kontaktschicht 11 eine GaN-Schicht. Die untere Mantelschicht 12 ist eine AlGaN-Schicht. Die aktive Schicht 14 hat eine Mehrfach-Quantentopfstruktur (Sperrschicht: InGaN/Quantentopfschicht: InGaN). In der Phasenmodulationsschicht 13 ist die Basisschicht 13a eine GaN-Schicht und der modifizierte Brechungsindexbereich 13b ist ein Loch. Die obere Mantelschicht 15 ist eine AlGaN-Schicht. In diesem Fall wird z. B. ein GaN-Substrat als Wachstumssubstrat verwendet.
Die Leitfähigkeitstypen der unteren Kontaktschicht 11 und der unteren Mantelschicht 12 und die Leitfähigkeitstypen der oberen Mantelschicht 15 und der oberen Kontaktschicht 16 sind einander entgegengesetzt. In einem Beispiel sind die untere Kontaktschicht 11 und die untere Mantelschicht 12 vom p-Typ, und die obere Kontaktschicht 16 und die obere Mantelschicht 15 sind vom n-Typ. Wenn sie zwischen der aktiven Schicht 14 und der unteren Mantelschicht 12 vorgesehen ist, kann die Phasenmodulationsschicht 13 den gleichen Leitfähigkeitstyp wie die untere Mantelschicht 12 haben. Andererseits kann die Phasenmodulationsschicht 13 den gleichen Leitfähigkeitstyp wie die obere Mantelschicht 15 haben, wenn sie zwischen der aktiven Schicht 14 und der oberen Mantelschicht 15 angeordnet ist. Die Störstellenkonzentration beträgt z. B. 1 × 10¹⁶ bis 1 × 10²¹/cm³. Die aktive Schicht 14 ist intrinsisch (i-Typ), der absichtlich keine Verunreinigung hinzugefügt wird, und ihre Verunreinigungskonzentration beträgt 1 × 10¹⁶/cm³ oder weniger. Es sollte beachtet werden, dass die Verunreinigungskonzentration der Phasenmodulationsschicht 13 wie im zuvor beschriebenen Beispiel intrinsisch (i-Typ) sein kann, wenn es notwendig ist, den Effekt des Verlustes durch Lichtabsorption über den Verunreinigungsgrad zu unterdrücken.
In der zuvor beschriebenen Struktur ist der modifizierte Brechungsindexbereich 13b ein Loch, aber der modifizierte Brechungsindexbereich 13b kann durch Einbetten eines Halbleiters mit einem Brechungsindex, der sich von dem Brechungsindex der Basisschicht 13a unterscheidet, in das Loch gebildet werden. In diesem Fall kann z. B. ein Loch in der Basisschicht 13a durch Ätzen gebildet werden, und ein Halbleiter kann in das Loch eingebettet werden, indem das metallorganische chemische Dampfabscheidungsverfahren, das Sputterverfahren oder das Epitaxieverfahren verwendet wird. Wenn die Basisschicht 13a beispielsweise AlGalnP enthält, kann der modifizierte Brechungsindexbereich 13b GalnP enthalten. Nachdem der modifizierte Brechungsindexbereich 13b durch Einbetten eines Halbleiters in das Loch der Basisschicht 13a gebildet wurde, kann ein Halbleiter, der mit dem im modifizierten Brechungsindexbereich 13b identisch ist, weiter darauf abgeschieden werden. Selbst in dem Fall, in dem der modifizierte Brechungsindexbereich 13b auf diese Weise gebildet wird, wird die Vorderfläche 10a flacher als die Rückfläche 10b, da auf der Rückfläche 10b des Halbleiterstapels 10 Unebenheiten auftreten. Wenn der modifizierte Brechungsindexbereich 13b ein Loch ist, kann ein Inertgas wie Argon oder Stickstoff oder ein Gas wie Wasserstoff oder Luft in das Loch eingeschlossen werden.
Es wird erneut auf die 1 bis 3 verwiesen. Die zweite Elektrode 32 ist auf der oberen Kontaktschicht 16 vorgesehen und steht in ohmschem Kontakt mit der oberen Kontaktschicht 16. Die zweite Elektrode 32 kann aus einem Material bestehen, das Chrom (Cr) und Titan (Ti) enthält, und weist eine Stapelstruktur aus beispielsweise einer Ti-Schicht und einer Au-Schicht auf. Das Material der zweiten Elektrode 32 ist nur zur Realisierung der ohmschen Kopplung erforderlich und nicht darauf beschränkt.
Die zweite Elektrode 32 der vorliegenden Ausführungsform umfasst die Stromversorgungseinheit 32b (siehe 1), die in einem Bereich vorgesehen ist, der die Mitte der Vorderfläche 10a des Halbleiterstapels 10 einschließt, und eine oder mehrere Bondierungspunkt-Einheiten bzw. Bond-Pad-Einheiten 32c, die sich vom Rand der Stromversorgungseinheit 32b in Richtung des Umfangrandbereichs der Vorderfläche 10a des Halbleiterstapels 10 erstrecken. In dem in 1 gezeigten Beispiel umfasst die zweite Elektrode 32 ein Paar von Bond-Pad-Einheiten 32c, die die Stromversorgungseinheit 32b entlang der X-Achsenrichtung einschließen, und ein Paar von Bond-Pad-Einheiten 32c, die die Stromversorgungseinheit 32b entlang der Y-Achsenrichtung einschließen, und hat eine im Wesentlichen planare Kreuzform. Jede Bond-Pad-Einheit 32c hat eine rechteckige ebene Form. Jede Bond-Pad-Einheit 32c ist elektrisch über einen Bonddraht mit einem Verdrahtungsmuster des Verdrahtungssubstrats verbunden, auf dem das lichtemittierende Element 1A montiert ist. Es sollte beachtet werden, dass die Anzahl, die Form und die Bildungsposition der Bond-Pad-Einheiten 32c frei wählbar und nicht auf das in 1 gezeigte Beispiel beschränkt sind.
Die Stromversorgungseinheit 32b hat eine planare Quadratgitterform und weist die Vielzahl von Öffnungen 32a auf, die zweidimensional auf einer Ebene parallel zur X-Y-Ebene angeordnet sind. Obwohl in 1 neun Öffnungen 32a dargestellt sind, sind die Anzahl und die Anordnung der Öffnungen 32a frei wählbar. Die planare Form jeder Öffnung 32a der zweiten Elektrode 32 ist ein Viereck, z. B. ein Quadrat. Die Fläche jeder Öffnung 32a liegt im Bereich von z. B. 100 µm² bis 10000 µm². Ein Teil der zweiten Elektrode 32 ist in der Nähe eines mittleren Abschnitts der Lichtemissionseinheit 9, von der Lichtausgangsrichtung aus gesehen, vorgesehen. Die zweite Elektrode 32 kann eine andere planare Form, wie z. B. eine Streifenform, haben, und in diesem Fall hat die zweite Elektrode 32 die Vielzahl von Öffnungen 32a, die eindimensional in einer Ebene parallel zur X-Y-Ebene angeordnet sind. Das von der Phasenmodulationsschicht 13 ausgegebene Licht tritt durch die Vielzahl von Öffnungen 32a der zweiten Elektrode 32 hindurch. Da das Licht durch die Vielzahl von Öffnungen 32a der zweiten Elektrode 32 hindurchgeht, wird das Licht von der Phasenmodulationsschicht 13 in geeigneter Weise von der Seite der Vorderfläche 10a des Halbleiterstapels 10 ausgegeben, ohne von der zweiten Elektrode 32 blockiert zu werden.
Die obere Kontaktschicht 16 kann eine planare Form ähnlich der der zweiten Elektrode 32 aufweisen. Das heißt, die planare Form der oberen Kontaktschicht 16, von der Lichtausgangsrichtung aus gesehen, kann die gleiche Quadratgitterform wie die der zweiten Elektrode 32 sein, und die obere Kontaktschicht 16 kann eine Vielzahl von Öffnungen aufweisen, die mit der Vielzahl von Öffnungen 32a der zweiten Elektrode 32 in Verbindung stehen. Da Licht durch die Öffnung der oberen Kontaktschicht 16 hindurchtritt, wird eine Lichtabsorption in der oberen Kontaktschicht 16 vermieden und die Lichtausbeute erhöht. In diesem Fall umfasst die Vorderfläche 10a des Halbleiterstapels 10 die obere Mantelschicht 15, die durch die Öffnung der oberen Kontaktschicht 16 freigelegt ist. Wenn die Lichtabsorption in der oberen Kontaktschicht 16 akzeptabel ist, kann die obere Kontaktschicht 16 die gesamte Oberfläche der oberen Mantelschicht 15 abdecken, ohne eine Öffnung zu haben, wie in 4 gezeigt.
Die Vorderfläche 10a (Vorderfläche der oberen Kontaktschicht 16 oder die Vorderfläche der oberen Mantelschicht 15, wenn die obere Kontaktschicht 16 mit einer Öffnung versehen ist) des Halbleiterstapels 10, die von der Öffnung 32a der zweiten Elektrode 32 freigelegt wird, ist mit einer Antireflexionsschicht 23 bedeckt. Dadurch wird die Reflexion von Licht an der Vorderfläche 10a des Halbleiterstapels 10 reduziert und die Lichtausbeute erhöht. Die Antireflexionsschicht 23 besteht z. B. aus einer dielektrischen Einschichtfolie wie Siliziumnitrid (z. B. SiN) oder Siliziumoxid (z. B. SiO₂) oder einer dielektrischen Mehrschichtfolie. Als dielektrischer Mehrschichtfilm kann beispielsweise ein Film verwendet werden, in dem zwei oder mehr Arten von dielektrischen Schichten, ausgewählt aus einer Gruppe von dielektrischen Schichten wie Titanoxid (TiO₂), Siliziumdioxid (SiO₂), Siliziummonoxid (SiO), Nioboxid (Nb₂O₅), Tantalpentoxid (Ta₂O₅), Magnesiumfluorid (MgF₂), Titanoxid (TiO₂), Aluminiumoxid (Al₂O₃), Ceroxid (CeO₂), Indiumoxid (In₂O₃) und Zirkoniumoxid (ZrO₂) gestapelt sind, verwendet werden können. Zum Beispiel wird eine Folie mit einer Dicke von λ/4 mit einer optischen Folie für Licht mit einer Wellenlänge λ gestapelt.
Die erste Elektrode 31 ist schichtförmig zwischen dem Substrat 20 und dem Halbleiterstapel 10 vorgesehen und steht in Kontakt mit der Rückfläche 10b des Halbleiterstapels 10. Die erste Elektrode 31 steht in ohmschem Kontakt mit der unteren Kontaktschicht 11 des Halbleiterstapels 10. Die erste Elektrode 31 besteht aus einem Material, das Ti, Cr und Au enthält, und hat eine Stapelstruktur aus z. B. einer Ti-Schicht und einer Au-Schicht. Zwischen der ersten Elektrode 31 und dem Halbleiterstapel 10 ist eine Isolierschicht 22 vorgesehen. Eine Öffnung 22a ist im mittleren Teil der Isolierschicht 22 auf einer Ebene parallel zurX-Y-Ebene ausgebildet, und die erste Elektrode 31 und der Halbleiterstapel 10 kommen über die Öffnung 22a miteinander in Kontakt. Mit anderen Worten, der Kontakt zwischen dem Bereich der ersten Elektrode 31, mit Ausnahme des mittleren Abschnitts und des Halbleiterstapels 10, wird durch die Isolierschicht 22 verhindert. Dadurch kann sich der Treiberstrom in der Nähe des mittleren Abschnitts des Halbleiterstapels 10 konzentrieren. Die Isolierschicht 22 kann z. B. aus Siliziumnitrid (z. B. SiN), Siliziumoxid (z. B. SiO₂) oder ähnlichem bestehen.
Wie in den 1 und 3 gezeigt, weisen der Halbleiterstapel 10 und die Isolierschicht 22 einen oder mehrere Ausnehmungsabschnitte 10c auf, die sich von der Vorderfläche 10a bis zur ersten Elektrode 31 erstrecken. Die planare Form des Ausnehmungsabschnitts 10c ist beispielsweise eine rechteckige Form. In den in 1 und 3 gezeigten Beispielen hat der Halbleiterstapel 10 vier Ausnehmungsabschnitte 10c, die an den vier Ecken einer quadratischen (oder rechteckigen) Fläche 10a ausgebildet sind. Die Bodenflächen dieser Ausnehmungsabschnitte 10c werden von der ersten Elektrode 31 gebildet, und die erste Elektrode 31 ist durch diese Ausnehmungsabschnitte 10c teilweise vom Halbleiterstapel 10 freigelegt. Der freiliegende Teil der ersten Elektrode 31 ist über einen Bonddraht elektrisch mit dem Verdrahtungsmuster des Verdrahtungssubstrats verbunden, auf dem das lichtemittierende Element 1A montiert ist. Es sollte beachtet werden, dass die Anzahl, die Form und die Ausformungsposition der Aussparungsabschnitte 10c frei wählbar und nicht auf die in den 1 und 3 dargestellten Beispiele beschränkt sind.
Die Bondschicht 21 und das Substrat 20 sind auf der Rückfläche 10b des Halbleiterstapels 10 angeordnet. Das Material und die Dicke des Substrats 20 sind nicht besonders begrenzt, solange das Material und die Dicke eine ausreichende mechanische Festigkeit aufweisen. Beispielhaft beträgt die Dicke des Substrats 20 50 µm bis 500 µm , in einem Beispiel 200 µm. Als Material des Substrats 20 kann jedes feste Material, wie z. B. ein Halbleiter, ein Dielektrikum und ein Metall, verwendet werden. In einem Beispiel ist das Material des Substrats 20 InP. Die Bondschicht 21 ist ein Klebstoff, der z. B. ein Harz enthält. In einem Beispiel enthält die Bondschicht 21 ein Harz. Als Harz, aus dem die Bondschicht 21 besteht, kann z. B. Cycloten (eingetragenes Warenzeichen) verwendet werden. Die Dicke der Bondschicht 21 beträgt z.B. 10 µm bis 100 µm , in einem Beispiel 15 µm. Da in der vorliegenden Ausführungsform die erste Elektrode 31 schichtförmig auf der gesamten Rückfläche 10b ausgebildet ist, steht die Haftschicht 21 nur mit der ersten Elektrode 31 in Kontakt. Wenn die erste Elektrode 31 jedoch teilweise auf der Rückfläche 10b vorgesehen ist, kann die Bondschicht 21 in Kontakt mit der ersten Elektrode 31 und dem Halbleiterstapel 10 sein.
Wenn das lichtemittierende Element 1A in Betrieb ist, wird ein Antriebsstrom von der Außenseite des lichtemittierenden Elements 1A über den Bonddraht zwischen dem freiliegenden Abschnitt der ersten Elektrode 31 im Ausnehmungsabschnitt 10c und der Bond-Pad-Einheit 32c der zweiten Elektrode 32 zugeführt. Der Antriebsstrom fließt zwischen dem mittleren Abschnitt der ersten Elektrode 31 und der Stromversorgungseinheit 32b der zweiten Elektrode 32. Zu diesem Zeitpunkt wird in der aktiven Schicht 14 durch Rekombination von Elektronen und Löchern in der aktiven Schicht 14 Licht erzeugt. Die Elektronen und Löcher, die zu dieser Lichtemission beitragen, und das erzeugte Licht werden effizient zwischen der unteren Mantelschicht 12 und der oberen Mantelschicht 15 eingeschlossen. Ein Teil des in der aktiven Schicht 14 erzeugten Lichts tritt in die Phasenmodulationsschicht 13 ein und bildet eine vorbestimmte Mode, die der Gitterstruktur innerhalb der Phasenmodulationsschicht 13 entspricht. Das aus der Phasenmodulationsschicht 13 austretende Laserlicht wird von der oberen Mantelschicht 15 durch die Vielzahl von Öffnungen 32a der zweiten Elektrode 32 nach außen abgegeben. Zu diesem Zeitpunkt wird das Licht nullter Ordnung des Laserlichts in einer Richtung (Z-Achsenrichtung) senkrecht zur Hauptfläche 20a ausgegeben. Andererseits wird das Signallicht des Laserlichts in eine beliebige Richtung ausgegeben, die eine Richtung (Normalrichtung) senkrecht zur Hauptfläche 20a und eine die Normalrichtung schneidende Neigungsrichtung umfasst. Es ist hauptsächlich Signallicht, das ein gewünschtes optisches Bild bildet. Bei dem Signallicht handelt es sich hauptsächlich um Licht der +1. Ordnung und der -1. Ordnung.
5 ist eine Draufsicht, die die Umgebung des mittleren Abschnitts der Phasenmodulationsschicht 13 zeigt (Abschnitt, der die Stromversorgungseinheit 32b überlappt, die ein effektiver Bereich ist, in dem Signallicht, das ein optisches Bild bildet, ausgegeben wird). Der effektive Bereich der Phasenmodulationsschicht 13 umfasst den ersten Bereich 131 und eine Vielzahl von zweiten Bereichen 132. Der erste Bereich 131 ist ein Bereich (der eine Größe haben kann, die die gesamte zweite Elektrode 32 einschließt), der die zweite Elektrode 32 in Dickenrichtung (d. h. in Z-Achsenrichtung) der Phasenmodulationsschicht 13 gesehen überlappt. Der zweite Bereich 132 ist ein Bereich, der den ersten Bereich 131 ausschließt. Der Existenzbereich des zweiten Bereichs 132 ist jedoch auf die Umgebung des mittleren Abschnitts der Phasenmodulationsschicht 13 beschränkt und schließt keinen Abschnitt der Phasenmodulationsschicht 13 ein, der außerhalb der zweiten Elektrode 32 (um die Bond-Pad-Einheit 32c) positioniert ist. Der Teil der Phasenmodulationsschicht 13, der sich außerhalb der zweiten Elektrode 32 befindet, kann in den ersten Bereich 131 einbezogen werden, da dieser Teil nicht zur Lichtemission beiträgt.
Wenn beispielsweise die zweite Elektrode 32 eine planare Quadratgitterform aufweist, hat der erste Bereich 131 in der Nähe des mittleren Abschnitts (effektive Fläche) der Phasenmodulationsschicht 13 ebenfalls eine planare Quadratgitterform. In diesem Fall überlappt der zweite Bereich 132 die Öffnung 32a der zweiten Elektrode 32 (von der Öffnung 32a freigelegt). Die planare Form des ersten Bereichs 131 und die angegebene Position auf der X-Y-Ebene können mit der planaren Form der zweiten Elektrode 32 und der Position auf der X-Y-Ebene übereinstimmen oder nicht vollständig übereinstimmen. Zum Beispiel kann eine Breite W1 in der Richtung senkrecht zur Längsrichtung jedes Abschnitts des ersten Bereichs 131 größer oder kleiner sein als eine Breite W2 in der Richtung senkrecht zur Längsrichtung jedes Abschnitts der zweiten Elektrode 32 (siehe 2).
6 ist eine Draufsicht, die die Konfiguration des zweiten Bereichs 132 der Phasenmodulationsschicht 13 zeigt. Der zweite Bereich 132 umfasst die Basisschicht 13a mit dem ersten Brechungsindexmedium und den modifizierten Brechungsindexbereich 13b mit dem zweiten Brechungsindexmedium, das einen Brechungsindex aufweist, der sich von dem des ersten Brechungsindexmediums unterscheidet. Hier wird ein virtuelles Quadratgitter auf die Bezugsebene (X-Y-Ebene) der Phasenmodulationsschicht 13 gesetzt. Eine Seite des Quadratgitters ist parallel zur X-Achse und die andere Seite ist parallel zur Y-Achse. Zu diesem Zeitpunkt wird jeder Schnittpunkt einer Vielzahl von Spalten (x0 bis x3) entlang der X-Achse und einer Vielzahl von Zeilen (y0 bis y2) entlang der Y-Achse zu einem Gitterpunkt O des Quadratgitters. Der quadratische Einheitskomponentenbereich R, der auf den Gitterpunkt O zentriert ist, kann zweidimensional auf der X-Y-Ebene festgelegt werden. Unter der Annahme, dass die XY-Koordinaten jedes Einheitskomponentenbereichs R durch die baryzentrische Position jedes Einheitskomponentenbereichs R gegeben sind, fällt die baryzentrische Position jedes Einheitskomponentenbereichs R mit dem Gitterpunkt O des virtuellen Quadratgitters zusammen. Die mehreren modifizierten Brechungsindexbereiche 13b sind beispielsweise einzeln in jedem Einheitskomponentenbereich R vorgesehen. Die planare Form des modifizierten Brechungsindexbereichs 13b ist beispielsweise kreisförmig. Der Gitterpunkt O kann außerhalb des modifizierten Brechungsindexbereichs 13b liegen oder innerhalb des modifizierten Brechungsindexbereichs 13b enthalten sein. In jedem Einheitskomponentenbereich R ist der Schwerpunkt G des modifizierten Brechzahlbereichs 13b entfernt von dem diesem am nächsten liegenden Gitterpunkt O angeordnet.
7 ist eine vergrößerte Ansicht eines Teils (Einheitskomponentenbereich R (x, y)) der Phasenmodulationsschicht 13, und die Position im Einheitskomponentenbereich R (x, y) wird durch eine s-Achse parallel zur X-Achse und eine t-Achse parallel zur Y-Achse angegeben. Wie in 7 gezeigt, hat jeder modifizierte Brechungsindexbereich 13b den Schwerpunkt G. Dabei ist der Winkel, der durch den Vektor vom Gitterpunkt O (x, y) zum Schwerpunkt G und der X-Achse gebildet wird, als φ (x, y) definiert. Wenn der Drehwinkel φ (x, y) 0° ist, fällt die Orientierung des Vektors, der den Gitterpunkt O (x, y) und den Schwerpunkt G verbindet, mit der positiven Richtung der X-Achse zusammen. Die Länge des Vektors, der den Gitterpunkt O (x, y) und den Schwerpunkt G verbindet, sei r (x, y). In einem Beispiel ist r (x, y) konstant (über die gesamte Phasenmodulationsschicht 13), unabhängig von den Werten der x-Komponente und y-Komponente.
Wie in 7 gezeigt, wird im zweiten Bereich 132 die Orientierung des Vektors, der den Gitterpunkt O (x, y) und den Schwerpunkt G verbindet, d.h. der Drehwinkel φ (x, y) um den Gitterpunkt O (x, y) des Schwerpunkts G im modifizierten Brechungsindexbereich 13b individuell gemäß einem Phasenmuster eingestellt, das einem gewünschten optischen Bild entspricht. Die durch das Phasenmuster gebildete Drehwinkelverteilung φ, d.h. der Drehwinkel φ (x, y) hat einen bestimmten Wert für jeden Einheitskomponentenbereich R, der durch die Werte der x-Komponente und der y-Komponente bestimmt ist, aber nicht unbedingt durch eine bestimmte Funktion ausgedrückt wird. Das heißt, die Drehwinkelverteilung φ wird durch Extrahieren einer Phasenverteilung aus einer komplexen Amplitudenverteilung bestimmt, die durch Ausführen einer inversen Fourier-Transformation eines gewünschten optischen Bildes erhalten wird. Wenn die komplexe Amplitudenverteilung aus einem gewünschten optischen Bild erhalten wird, wird die Reproduzierbarkeit des Sollausgangsstrahlmusters durch Anwendung eines Wiederholungsalgorithmus wie der Gerchberg-Saxton (GS)-Methode verbessert, die üblicherweise zum Zeitpunkt der Berechnung der Hologramm-Erzeugung verwendet wird.
8 ist eine Draufsicht, die das Konfigurationsbeispiel des ersten Bereichs 131 der Phasenmodulationsschicht 13 zeigt. Ähnlich wie der zweite Bereich 132 umfasst der erste Bereich 131 die Basisschicht 13a, die das erste Brechungsindexmedium enthält, und den modifizierten Brechungsindexbereich 13b, der das zweite Brechungsindexmedium mit einem Brechungsindex enthält, der sich von dem des ersten Brechungsindexmediums unterscheidet. Einer aus der Vielzahl der modifizierten Brechungsindexbereiche 13b ist in dem Einheitskomponentenbereich R (x, y) vorgesehen (ein modifizierter Brechungsindexbereich 13b ist dem Gitterpunkt O (x, y) zugeordnet). Die planare Form des modifizierten Brechungsindexbereichs 13b ist z.B. kreisförmig. Im ersten Bereich 131 ist im Gegensatz zum zweiten Bereich 132 der Schwerpunkt G des modifizierten Brechungsindexbereichs 13b auf dem Gitterpunkt O (x, y) im Einheitskomponentenbereich R (x, y) angeordnet. Mit anderen Worten, die Position des Schwerpunkts G jedes modifizierten Brechungsindexbereichs 13b fällt mit dem zugehörigen Gitterpunkt O (x, y) zusammen. Da der erste Bereich 131 also eine Struktur wie ein normaler photonischer Kristalllaser hat, trägt sie nur zum Licht nullter Ordnung und nicht zum Signallicht bei, das ein optisches Bild bildet. In der vorliegenden Ausführungsform vervollständigen nur die Lichtkomponenten, die aus dem zweiten Bereich 132 der Phasenmodulationsschicht 13 ausgegeben und durch die zweite Elektrode 32 geleitet wurden, ein gewünschtes optisches Bild ohne Auslassung von Informationen als Einzelstrahlmuster.
9 ist eine Draufsicht, die ein weiteres Konfigurationsbeispiel des ersten Bereichs 131 der Phasenmodulationsschicht 13 zeigt. Wie in 9 gezeigt, kann im ersten Bereich 131 der Schwerpunkt G des modifizierten Brechungsindexbereichs 13b entfernt vom nächstgelegenen Gitterpunkt O (x, y) im zugehörigen Einheitskomponentenbereich R (x, y) angeordnet sein. In diesem Fall werden r (x, y) und der Drehwinkel φ (x, y) um den in 7 gezeigten Gitterpunkt O (x, y) unabhängig von den Werten der x-Komponente und der y-Komponente oder irrelevant für das optische Bild als konstant (über den gesamten ersten Bereich 131) eingestellt. Auch in einem solchen Fall wird ein gewünschtes optisches Bild ohne Auslassung von Informationen erst durch den zweiten Bereich 132 vervollständigt.
Im zweiten Bereich 132 der Phasenmodulationsschicht 13 ist der Drehwinkel an den Koordinaten (x, y), die die Drehwinkelverteilung φ bilden, so gestaltet, dass alle Phasen von 0 bis 2 π (Rad) in gleichem Maße enthalten sind. Mit anderen Worten: Für jeden modifizierten Brechungsindexbereich 13b wird ein Vektor OG vom Gitterpunkt O (x, y) des Quadratgitters zum Schwerpunkt G des zugehörigen modifizierten Brechungsindexbereichs 13b ermittelt, und die Vektoren OG werden über die gesamte Phasenmodulationsschicht 13 addiert, wobei der Vektor OG gegen Null geht. Dies bedeutet, dass der modifizierte Brechungsindexbereich 13b im Mittel auf dem Gitterpunkt O jedes zugehörigen Quadratgitters liegt. Das heißt, insgesamt wird ein zweidimensionaler Verteilungs-Bragg-Beugungseffekt erzielt, der demjenigen ähnlich ist, wenn jeder modifizierte Brechungsindexbereich 13b auf dem zugehörigen Gitterpunkt O angeordnet ist, und daher wird die Bildung der stehenden Welle einfach und eine Schwellenstromreduzierung für die Oszillation kann erwartet werden. Hier, in dem Fall, in dem der Schwerpunkt G jedes modifizierten Brechungsindexbereichs 13b so angeordnet ist, dass er mit dem zugehörigen Gitterpunkt O zusammenfällt, wie in 8 in jedem Einheitskomponentenbereich R gezeigt, der in dem ersten Bereich 131 der Phasenmodulationsschicht 13 positioniert ist, wird der zweidimensionale Bragg-Beugungseffekt, ähnlich dem, wenn der modifizierte Brechungsindexbereich 13b auf dem Gitterpunkt O in der gesamten Phasenmodulationsschicht 13 angeordnet ist, durch Kombination mit dem zuvor beschriebenen zweiten Bereich 132 erhalten. Infolgedessen wird die Bildung der stehenden Welle einfach, und es kann erwartet werden, dass der Schwellenstrom für die Oszillation weiter reduziert werden kann.
10 ist eine Ansicht zur Erläuterung der Beziehung zwischen einem optischen Bild, das durch Abbildung eines Ausgangsstrahlmusters des lichtemittierenden Elements 1A erhalten wird, und der Drehwinkelverteilung φ im zweiten Bereich 132. Ein Mittelpunkt Q des Ausgangsstrahlmusters ist nicht notwendigerweise auf einer Achse senkrecht zur Hauptfläche 20a des Substrats 20 positioniert, sondern kann auf einer senkrechten Achse angeordnet sein. Zur Erläuterung wird angenommen, dass der Mittelpunkt Q auf einer Achse senkrecht zur Hauptfläche 20a liegt. 10 zeigt vier Quadranten mit dem Mittelpunkt Q als Ursprung. 10 zeigt einen Fall, in dem optische Bilder im ersten Quadranten und im dritten Quadranten als Beispiel erhalten werden, aber Bilder können auch im zweiten Quadranten und im vierten Quadranten oder in allen Quadranten erhalten werden. In der vorliegenden Ausführungsform wird, wie in 10 gezeigt, ein optisches Bild erhalten, das punktsymmetrisch in Bezug auf den Ursprung ist. 10 zeigt als Beispiel einen Fall, in dem das Zeichen „A“ im dritten Quadranten erhalten wird und ein Muster mit dem Zeichen „A“ um 180 Grad gedreht im ersten Quadranten. Es sollte beachtet werden, dass im Falle eines rotationssymmetrischen optischen Bildes (z. B. Kreuz, Kreis, Doppelkreis usw.) beide als ein optisches Bild betrachtet werden, in dem sie sich überschneiden.
Das optische Bild des Ausgangsstrahlmusters des lichtemittierenden Elements 1A umfasst mindestens eines von einem Punkt, einer geraden Linie, einem Kreuz, einer Linienzeichnung, einem Gittermuster, einer Fotografie, einem Streifenmuster, einer Computergrafik (CG) und einem Zeichen. Hier wird, um ein gewünschtes optisches Bild zu erhalten, der Drehwinkel φ (x, y) des modifizierten Brechungsindexbereichs 13b des zweiten Bereichs 132 durch das folgende Verfahren bestimmt.
In der vorliegenden Ausführungsform kann ein gewünschtes optisches Bild durch die Bestimmung der Drehwinkelverteilung φ durch das folgende Verfahren erhalten werden. Zunächst wird als erste Vorbedingung in einem orthogonalen XYZ-Koordinatensystem, das durch die mit der Normalrichtung zusammenfallende Z-Achse und die X-Y-Ebene einschließlich der X-Achse und der Y-Achse, die orthogonal zueinander stehen, definiert ist und mit einer Oberfläche der Phasenmodulationsschicht 13, die die Vielzahl der modifizierten Brechungsindexbereiche 13b enthält, zusammenfällt ein virtuelles Quadratgitter, das aus M1 (ganze Zahl gleich oder größer als 1) × N1 (ganze Zahl gleich oder größer als 1) Einheitskomponentenbereichen R besteht, die jeweils eine quadratische Form haben, auf die X-Y-Ebene gesetzt wird.
Als zweite Vorbedingung wird angenommen, dass die Koordinaten (ξ, η, ζ) im orthogonalen XYZ-Koordinatensystem die Beziehung erfüllen, die durch die folgenden Ausdrücke (1) bis (3) in Bezug auf sphärische Koordinaten (r, θ_rot, θ_tilt) gezeigt wird, die durch eine Länge r eines Bewegungsradius, einen Neigungswinkel θ_tilt von der Z-Achse und einen Drehwinkel θ_rot von der X-Achse definiert sind, die in der X-Y-Ebene angegeben sind, wie in 11 gezeigt. Es sollte beachtet werden, dass 11 eine Ansicht zur Erläuterung der Koordinatentransformation von den sphärischen Koordinaten (r, θ_rot, θ_tilt) zu den Koordinaten (ξ, η, ζ) im orthogonalen XYZ-Koordinatensystem ist, in der die Koordinaten (ξ, η, Q ein optisches Entwurfsbild auf einer vorbestimmten Ebene ausdrücken, die im orthogonalen XYZ-Koordinatensystem festgelegt ist, das ein reeller Raum ist. Wenn das Strahlenmuster, das dem optischen Bild entspricht, das von dem lichtemittierenden Halbleiterelement 1A ausgegeben wird, ein Satz von hellen Flecken ist, die in die Richtung gerichtet sind, die durch die Winkel θ_tilt und θ_rot definiert ist, wird angenommen, dass die Winkel θ_tilt und θ_rot in einen Koordinatenwert k_x auf einer Kx-Achse, der eine normierte Wellenzahl ist, die durch den folgenden Ausdruck (4) definiert ist und der X-Achse entspricht, und einen Koordinatenwert k_y auf einer Ky-Achse, der eine normierte Wellenzahl ist, die durch den folgenden Ausdruck (5) definiert ist, der Y-Achse entspricht und orthogonal zur Kx-Achse ist, umgerechnet werden. Die normierte Wellenzahl bedeutet eine Wellenzahl, die mit der Wellenzahl 2 π/a normiert ist, die dem Gitterabstand eines virtuellen Quadratgitters von 1,0 entspricht. Zu diesem Zeitpunkt wird in dem durch die Kx-Achse und die Ky-Achse definierten Wellenzahlraum ein bestimmter Wellenzahlbereich, der das einem optischen Bild entsprechende Strahlenmuster enthält, aus M2 (ganze Zahl gleich oder größer als 1) x N2 (ganze Zahl gleich oder größer als 1) Bildbereichen FR gebildet, die jeweils eine quadratische Form haben. Es sollte beachtet werden, dass die ganze Zahl M2 nicht unbedingt mit der ganzen Zahl M1 übereinstimmt. Ebenso muss die ganze Zahl N2 nicht unbedingt mit der ganzen Zahl N1 übereinstimmen. Die Gleichungen (4) und (5) sind z. B. in dem oben erwähnten Nicht-Patentdokument 1 offenbart. $ξ = r sin θ_{t i l t} cos θ_{r o t}$
$η = r sin θ_{t i l t} cos θ_{r o t}$
$ς = r cos θ_{t i l t}$
$k_{x} = \frac{a}{λ} sin θ_{t i l t} cos θ_{r o t}$
$k_{y} = \frac{a}{λ} sin θ_{t i l t} cos θ_{r o t}$

a: Eine Gitterkonstante des virtuellen Quadratgitters
λ: Eine Oszillationswellenlänge des lichtemittierenden Elements 1A
Als dritte Vorbedingung wird im Wellenzahlenraum eine komplexe Amplitude F (x, y), die durch Durchführung einer zweidimensionalen inversen diskreten Fourier-Transformation jedes Bildbereichs FR (kx, ky), der durch die Koordinatenkomponente k_x (ganze Zahl gleich oder größer als 0 und gleich oder kleiner als M2-1) in Richtung der Kx-Achse und die Koordinatenkomponente k_y (ganze Zahl gleich oder größer als 0 und gleich oder kleiner als N2-1) in Richtung der Ky-Achse spezifiziert ist, in den Einheitskomponentenbereich R (x, y) in der X-Y-Ebene, die durch die Koordinatenkomponente x (ganze Zahl gleich oder größer als 0 und gleich oder kleiner als M1-1) in Richtung derX-Achse und die Koordinatenkomponente y (ganze Zahl gleich oder größer als 0 und gleich oder kleiner als N1-1) in Richtung der Y-Achse spezifiziert ist, durch den folgenden Ausdruck (6) definiert, wobei j eine imaginäre Einheit ist. Wenn der Amplitudenterm A (x, y) ist und der Phasenterm P (x, y) ist, wird diese komplexe Amplitude F (x, y) durch den folgenden Ausdruck (7) definiert. Als vierte Vorbedingung wird der Einheitskomponentenbereich R (x, y) durch die s-Achse und die t-Achse definiert, die parallel zur X-Achse bzw. zur Y-Achse verlaufen und im Gitterpunkt O (x, y), der als Mittelpunkt des Einheitskomponentenbereichs R (x, y) dient, zueinander orthogonal sind. $F (x, y) = \sum_{k_{x} = 0}^{M 2 - 1} \sum_{k_{y} = 0}^{N 2 - 1} F R (k_{x}, k_{y}) exp [j 2 π (\frac{k_{x}}{M 2} x + \frac{k_{y}}{N 2} y)]$
$F (x, y) = A (x, y) \times exp [j P (x, y)]$
Unter den zuvor beschriebenen ersten bis vierten Vorbedingungen ist der zweite Bereich 132 der Phasenmodulationsschicht 13 so konfiguriert, dass er die folgenden ersten und zweiten Bedingungen erfüllt. Das heißt, die erste Bedingung ist, dass der Schwerpunkt G von dem Gitterpunkt O (x, y) in dem Einheitskomponentenbereich R (x, y) entfernt angeordnet ist. Die zweite Bedingung ist, dass in einem Zustand, in dem die Liniensegmentlänge r (x, y) von dem Gitterpunkt O (x, y) zu dem zugehörigen Schwerpunkt G in jedem der M1 × N1-Einheitskomponentenbereiche R auf einen gemeinsamen Wert gesetzt ist, der zugehörige modifizierte Brechungsindexbereich 13b in dem Einheitskomponentenbereich R (x, y) so angeordnet ist, dass der Winkel φ (x, y), der durch das Liniensegment, das den Gitterpunkt O (x, y) und den zugehörigen Schwerpunkt G verbindet, und die s-Achse gebildet wird, die folgende Beziehung erfüllt: $φ (x, y) = C \times P (x, y) + B$

C: Proportionalitätskonstante, z. B. 180°/π
B: Beliebige Konstante, z. B. 0.
Um die Intensitätsverteilung und die Phasenverteilung aus der komplexen Amplitudenverteilung, die durch inverse Fourier-Transformation erhalten wurde, zu erhalten, kann beispielsweise eine Intensitätsverteilung I (x, y) unter Verwendung der abs-Funktion von „MATLAB“, einer numerischen Analysesoftware von MathWorks, Inc. berechnet werden, und eine Phasenverteilung P (x, y) kann unter Verwendung der Winkelfunktion von MATLAB berechnet werden.
Hier wird auf einen Fall hingewiesen, in dem eine allgemeine diskrete Fourier-Transformation (oder schnelle Fourier-Transformation) zur Berechnung verwendet wird, wenn der Drehwinkel φ (x, y) aus dem Ergebnis der inversen Fourier-Transformation des optischen Bildes erhalten wird und die Anordnung jedes modifizierten Brechungsindexbereichs 13b bestimmt wird. Wenn das optische Bild vor der inversen Fourier-Transformation in vier Quadranten A1, A2, A3 und A4 unterteilt wird, wie in 12A gezeigt, ergibt sich das in 12B gezeigte Strahlenmuster. Das heißt, im ersten Quadranten des Strahlenmusters erscheint ein Muster, in dem das Muster, das durch Drehen des Musters im ersten Quadranten in 12A um 180 Grad erhalten wird, und das Muster im dritten Quadranten in 12A überlagert sind. Im zweiten Quadranten des Strahlenmusters erscheint ein Muster, in dem das Muster, das durch Drehen des Musters im zweiten Quadranten in 12A um 180 Grad erhalten wird, und das Muster im vierten Quadranten in 12A überlagert sind. Im dritten Quadranten des Strahlenmusters erscheint ein Muster, in dem das Muster, das durch Drehen des Musters im dritten Quadranten in 12A um 180 Grad erhalten wird, und das Muster im ersten Quadranten in 12A überlagert sind. Im vierten Quadranten des Strahlenmusters erscheint ein Muster, in dem das Muster, das durch Drehen des Musters im vierten Quadranten in 12A um 180 Grad erhalten wird, und das Muster im zweiten Quadranten in 12A überlagert sind.
Wenn daher ein optisches Bild mit einem Wert (Muster) nur im ersten Quadranten als optisches Bild (optisches Originalbild) vor der inversen Fourier-Transformation verwendet wird, erscheint der erste Quadrant des optischen Originalbildes im dritten Quadranten im resultierenden Strahlenmuster, und ein Muster, bei dem der erste Quadrant des optischen Originalbildes um 180 Grad gedreht ist, erscheint im ersten Quadranten im resultierenden Strahlenmuster.
So wird im lichtemittierenden Element 1A ein gewünschtes Strahlmuster durch Phasenmodulation der Wellenfront erzielt. Es ist möglich, dieses Strahlmuster nicht nur als ein Paar unimodaler Strahlen (Flecken bzw. Punkte) bereitzustellen, sondern auch als eine Charakterform, zwei oder mehr Punktegruppen mit identischer Form oder einen Vektorstrahl mit einer räumlich ungleichmäßigen Phasen- und Intensitätsverteilung.
13 ist eine konzeptionelle Ansicht des iterativen Algorithmus, der in der vorliegenden Ausführungsform verwendet wird. Dieser iterative Algorithmus basiert auf dem GS-Verfahren. Zunächst wird eine Sollamplitudenverteilung aus der Quadratwurzel einer Sollintensitätsverteilung (Strahlmuster) auf einem Bildschirm mit unendlichem Abstand (Schritt F1) gewonnen. Zu diesem Zeitpunkt wird die Phasenverteilung zufällig gemacht, und eine komplexe Amplitudenverteilung, die sich aus einer Sollamplitudenverteilung und einer zufälligen Phasenverteilung zusammensetzt, wird als Anfangsbedingung festgelegt. Anschließend wird eine inverse Fourier-Transformation dieser komplexen Amplitudenverteilung durchgeführt (Schritt F2). So erhält man die komplexe Amplitudenverteilung in der Phasenmodulationsschicht 13 (Schritt F3).
Anschließend werden die Amplitudenverteilung (d.h. r (x, y)) und die Phasenverteilung (d.h. φ (x, y)) der komplexen Amplitudenverteilung in der Phasenmodulationsschicht 13 jeweils durch die Sollverteilung ersetzt. Beispielsweise wird die Amplitudenverteilung durch eine Sollverteilung mit einem konstanten Wert im ersten Bereich 131 und im zweiten Bereich 132 ersetzt, und die Phasenverteilung wird durch eine Sollverteilung mit einem konstanten Wert im ersten Bereich 131 und einem beibehaltenen Originalwert im zweiten Bereich 132 ersetzt (Schritt F4).
Anschließend wird eine Fourier-Transformation der komplexen Amplitudenverteilung einschließlich der Amplitudenverteilung und der Phasenverteilung nach der Ersetzung durchgeführt (Schritt F5). So erhält man die komplexe Amplitudenverteilung auf dem unendlichen Abstandsschirm (Prozess F6). Von der komplexen Amplitudenverteilung wird die Amplitudenverteilung durch die Sollamplitudenverteilung (Strahlenmuster) ersetzt, und die Phasenverteilung bleibt unverändert (Schritt F7). Durch Durchführung der inversen Fourier-Transformation der komplexen Amplitudenverteilung einschließlich der Amplitudenverteilung und der Phasenverteilung (Schritt F2) erhält man wieder die komplexe Amplitudenverteilung in der Phasenmodulationsschicht 13 (Schritt F3). Die obigen Schritte F2 bis F7 werden mit ausreichender Häufigkeit wiederholt. Nachdem schließlich die komplexe Amplitudenverteilung in der Phasenmodulationsschicht 13 erhalten wurde, wird die Phasenverteilung zur Anordnung des modifizierten Brechungsindexbereichs 13b in der Phasenmodulationsschicht 13 verwendet. Dieses Verfahren ermöglicht es, das optische Bild nur aus der Verteilung des modifizierten Brechungsindexbereichs 13b des zweiten Bereichs 132 zu vervollständigen. Zu diesem Zeitpunkt hat die Phasenverteilung, die dem ersten Bereich 131 entspricht, einen konstanten Wert, aber der modifizierte Brechungsindexbereich 13b, der sich dem im ersten Bereich 131 die Position des Schwerpunkts G jedes modifizierten Brechungsindexbereichs 13b, der in dem ersten Bereich 131 positioniert ist, auf dem zugehörigen Gitterpunkt O angeordnet sein, oder er kann von dem zugehörigen Gitterpunkt O entfernt angeordnet sein, so dass er einen bestimmten Drehwinkel φ um den Gitterpunkt O hat.
14A ist eine Ansicht, die die Verteilung (d. h. die Phasenverteilung) des Drehwinkels φ in der gesamten Phasenmodulationsschicht 13 zeigt, die durch 1000-malige Iteration der obigen Berechnung erzeugt wurde. 14B ist eine vergrößerte Ansicht, die den Teil E1 von 14A zeigt. In den 14A und 14B ist die Größe des Drehwinkels φ durch die Tönung der Farbe angegeben. Der Drehwinkel φ variiert im Bereich von 0 bis 2 π. Die 14A und 14B zeigen, dass im ersten Bereich 131 der Farbton konstant ist und der Drehwinkel φ konstant ist. Im zweiten Bereich 132 stellt der Farbton eine Phasenverteilung dar, die der inversen Fourier-Transformation des gewünschten Strahlenmusters entspricht, und wird unabhängig für jeden Einheitskomponentenbereich R entsprechend dem gewünschten optischen Bild eingestellt.
Der Brechungsindex der Basisschicht 13a beträgt vorzugsweise 3,0 bis 3,5, und der Brechungsindex des modifizierten Brechungsindexbereichs 13b beträgt vorzugsweise 1,0 bis 3,4. Der mittlere Radius jedes modifizierten Brechungsindexbereichs 13b im Loch der Basisschicht 13a beträgt beispielsweise 20 nm bis 90 nm im Fall einer optischen Ausgabe des 940-nm-Bands. Die Beugungsintensität ändert sich durch Änderung der Größe jedes modifizierten Brechungsindexbereichs 13b. Diese Beugungsintensität ist proportional zu einem optischen Kopplungskoeffizienten, der durch einen Koeffizienten ausgedrückt wird, wenn die inverse Fourier-Transformation der Form des modifizierten Brechungsindexbereichs 13b durchgeführt wird. Der optische Kopplungskoeffizient ist z. B. im Nicht-Patentdokument 2 beschrieben.
In der obigen Struktur können das Materialsystem, die Schichtdicke und die Struktur der Schicht vielfältig verändert werden, solange die Struktur die aktive Schicht 14 und die Phasenmodulationsschicht 13 enthält. Hier gilt das Skalierungsgesetz für den sogenannten photonischen Quadratgitter-Kristalllaser, wenn die Störung aus dem virtuellen Quadratgitter 0 ist. Das heißt, wenn die Wellenlänge eine Konstante α-mal wird, kann ein ähnlicher stehender Wellenzustand durch Multiplikation der gesamten Quadratgitterstruktur mit α-mal erhalten werden. In ähnlicher Weise kann auch in der vorliegenden Ausführungsform die Struktur der Phasenmodulationsschicht 13 durch das Skalierungsgesetz in Abhängigkeit von der Wellenlänge bestimmt werden. Daher ist es auch möglich, das lichtemittierende Element 1A zu realisieren, das sichtbares Licht ausgibt, indem die aktive Schicht 14 verwendet wird, die Licht wie Blau, Grün und Rot emittiert, und das Skalierungsgesetz entsprechend der Wellenlänge angewendet wird.
Als nächstes wird ein Herstellungsverfahren für das lichtemittierende Element 1A der vorliegenden Ausführungsform beschrieben. 15A bis 18B sind Ansichten, die jeden Schritt im Herstellungsverfahren für das lichtemittierende Element 1A zeigen, und zeigen schematisch einen Querschnitt des lichtemittierenden Elements 1A während der Herstellung. 15A bis 15C, 16A bis 16C, 17A, 18A und 18B zeigen schematisch Querschnitte, die den Querschnitten (siehe 2) entlang der Linie II-II in 1 entsprechen, und 17B und 17C zeigen schematisch Querschnitte, die den Querschnitten (siehe 3) entlang der Linie III-III in 1 entsprechen. In der folgenden Beschreibung wird für das epitaktische Wachstum jeder Halbleiterschicht das Verfahren der metallorganischen chemischen Gasphasenabscheidung (MOCVD) oder das Molekularstrahl-Epitaxieverfahren (MBE) verwendet. Als AI-Rohmaterial wird Trimethylaluminium (TMA) verwendet. Trimethylgallium (TMG) und Triethylgallium (TEG) werden als Gallium-Rohmaterial verwendet. Trimethylindium (TMI) wird als In-Rohmaterial verwendet. Phosphin (PH₃) wird als P-Rohmaterial verwendet. Arsin (AsH₃) wird als As-Rohmaterial verwendet. Monosilan (SiH₄) oder Disilan (Si₂H₆) wird als Rohmaterial für n-Verunreinigungen verwendet. Diethylzink (DEZn) wird als Rohmaterial für p-Verunreinigungen verwendet.
Zunächst wird im ersten Schritt ein in 15A gezeigtes Wachstumssubstrat 40 hergestellt. Das Wachstumssubstrat 40 ist ein Substrat, das eine flache Hauptfläche 40a hat und eine Gitterkonstante aufweist, die für das epitaktische Wachstum des Halbleiterstapels 10 geeignet ist. Wenn die aktive Schicht 14 zum Beispiel AlGaInP/GaInP enthält, wird ein GaAs-Substrat als Wachstumssubstrat 40 verwendet. In diesem Fall beträgt der Abweichungswinkel der Hauptfläche40a z. B. 10°. Wenn der Hableiterstapel 10 einem InP-Verbundhanlbleiter enthält, wird ein InP-Substrat als Wachstumssubstrat 40 verwendet. Wenn der Halbleiterstapel 10 einen Nitrid-Verbundhalbleiter enthält, wird ein GaN-Substrat als Wachstumssubstrat 40 verwendet.
Im nächsten Schritt werden auf der Hauptfläche 40a des Wachstumssubstrats 40 die Schichten von der Vorderfläche 10a des Halbleiterstapels 10 bis zur Basisschicht 13a der Phasenmodulationsschicht 13 in der Reihenfolge von der Seite der oberen Kontaktschicht 16 (Seite der oberen Mantelschicht 15) gebildet (epitaktisches Wachstum). Insbesondere wächst, wie in 15A gezeigt, zuerst die obere Kontaktschicht 16 auf der Hauptfläche 40a des Wachstumssubstrats 40. Als nächstes wächst die obere Mantelschicht 15 auf der Hauptfläche 40a (auf der oberen Kontaktschicht 16) des Wachstumssubstrats 40. Die Lichtleiterschicht 19 wächst auf der oberen Mantelschicht 15 auf. Die aktive Schicht 14 wächst auf der oberen Mantelschicht 15 (auf der Lichtleiterschicht 19) auf. Die Lichtleiterschicht 17 einschließlich der Trägersperrschicht 17a wächst auf der aktiven Schicht 14 auf. Die Basisschicht 13a der Phasenmodulationsschicht 13 wächst auf der aktiven Schicht 14 (auf der Lichtleiterschicht 17) auf. In dem Fall, in dem die Phasenmodulationsschicht 13 zwischen der aktiven Schicht 14 und der unteren Mantelschicht 12 vorgesehen ist, muss die Basisschicht 13a nur auf der oberen Mantelschicht 15 aufgewachsen werden, ohne dass die Lichtleiterschicht 19, die aktive Schicht 14 und die Lichtleiterschicht 17 in diesem Stadium gebildet werden.
Als nächstes wird, wie in 15B gezeigt, eine Vielzahl von Löchern als modifizierter Brechungsindexbereich 13b in der Basisschicht 13a gebildet. Die Vielzahl von Löchern kann z. B. durch Ätzen der Basisschicht 13a gebildet werden. Insbesondere wird, nachdem ein zweidimensionales Feinmuster durch ein Elektronenstrahl-Belichtungssystem auf den auf der Basisschicht 13a aufgebrachten Resist gezeichnet wurde, dieser Resist entwickelt, um das zweidimensionale Feinmuster zu bilden. Danach wird unter Verwendung des Resists als Maske das zweidimensionale Feinmuster durch Trockenätzen auf die Basisschicht 13a übertragen (nachdem eine Vielzahl von Löchern gebildet wurde), und dann wird das Resist entfernt. Es sollte beachtet werden, dass das Trockenätzen nach der Bildung einer SiN-Schicht oder einer SiO₂-Schicht auf der Basisschicht 13a durch die Plasma-CVD vor der Resistbildung, der Bildung einer Resistmaske auf der gebildeten Schicht, der Übertrung des Feinmusters auf die SiN-Schicht oder die SiO₂-Schicht unter Verwendungdes reaktiven Ionenätzens (RIE) und der Entfernung des Resists durchgeführt werden kann. In diesem Fall kann die Beständigkeit gegen Trockenätzung erhöht werden. Auf diese Weise wird die Phasenmodulationsschicht 13 mit der Vielzahl der modifizierten Brechungsindexbereiche 13b gebildet.
Anschließend wird, wie in 15C gezeigt, die verbleibende Halbleiterschicht des Halbleiterstapels 10 auf der Phasenmodulationsschicht 13 gebildet (epitaktisches Wachstum). Das heißt, nachdem die untere Mantelschicht 12 auf der Phasenmodulationsschicht 13 gewachsen ist, wächst die untere Kontaktschicht 11 auf der unteren Mantelschicht 12. Damit ist der Halbleiterstapel 10 fertiggestellt. Zum Zeitpunkt des epitaktischen Wachstums der unteren Mantelschicht 12 bedeckt die untere Mantelschicht 12 die Vielzahl von Löchern, aber eine Vielzahl von Vertiefungen (glatte Unebenheiten) werden auf der Wachstumsoberfläche der unteren Mantelschicht 12 aufgrund der Existenz der Vielzahl von Löchern erzeugt. Da die Vielzahl von Vertiefungen auch zum Zeitpunkt des epitaktischen Wachstums der unteren Kontaktschicht 11 übernommen werden, enthält die Rückfläche 10b des Halbleiterstapels 10 die Vielzahl von Vertiefungen. Da andererseits die obere Kontaktschicht 16 wächst, bevor die Phasenmodulationsschicht 13 gebildet wird, übernimmt die Vorderfläche der oberen Kontaktschicht 16, d.h. die Vorderfläche 10a des Halbleiterstapels 10 die Ebenheit der Hauptfläche 40a des Wachstumssubstrats 40. Daher ist die Vorderfläche 10a des Halbleiterstapels 10 flacher als die Rückfläche 10b. In dem Fall, in dem die Phasenmodulationsschicht 13 zwischen der aktiven Schicht 14 und der unteren Mantelschicht 12 vorgesehen ist, müssen die untere Mantelschicht 12 und die untere Kontaktschicht 11 nur auf der aktiven Schicht 14 (auf der Lichtleiterschicht 17) vorgesehen werden, nachdem die Lichtleiterschicht 19, die aktive Schicht 14 und die Lichtleiterschicht 17 auf der Phasenmodulationsschicht 13 gebildet (epitaktisch gewachsen) sind. Auch in diesem Fall wird die Vorderfläche 10a des Halbleiterstapels 10 flacher als die Rückfläche 10b.
Anschließend wird, wie in 16A gezeigt, die Isolierschicht 22 mit der Öffnung 22a auf der Wachstumsfläche (Rückfläche 10b) des Halbleiterstapels 10 gebildet. Insbesondere wird zunächst ein Isolationsfilm auf der gesamten Oberfläche des Halbleiterstapels 10 gebildet. Als Verfahren zur Bildung des Isolationsfilms kann z. B. Sputtern, das auf das Ausgangsmaterial abzielt, Plasma-CVD oder ähnliches verwendet werden Als nächstes wird eine Ätzmaske mit einer Öffnung im mittleren Bereich auf der Vorderfläche der Isolierfolie gebildet. Durch die Öffnung dieser Ätzmaske wird der Mittelteil der Isolierfolie geätzt, wodurch der Halbleiterstapel 10 freigelegt wird. Dieses Ätzen kann entweder als Trockenätzen oder als Nassätzen erfolgen. Danach wird die Ätzmaske von der Isolierfolie entfernt. Dadurch wird die Isolierschicht 22 mit der Öffnung 22a gebildet.
Anschließend wird, wie in 16B gezeigt, die erste Elektrode 31 auf dem Halbleiterstapel 10 so ausgebildet, dass sie die Öffnung 22a der Isolierschicht 22 abdeckt. Insbesondere wird zunächst ein darunterliegender Metallfilm auf der Isolierschicht 22 und dem Halbleiterstapel 10 in der Öffnung 22a der Isolierschicht 22 ausgebildet. Die darunterliegende Metallschicht enthält z. B. Ti. Als nächstes wird die verbleibende Schicht (z. B. die Au-Schicht) der ersten Elektrode 31 auf der darunterliegenden Metallschicht gebildet, z. B. durch Aufdampfen oder Plattieren. Auf diese Weise wird die erste Elektrode 31 gebildet, die über die Öffnung der Isolierschicht 22 mit dem Halbleiterstapel 10 in Kontakt steht. Danach werden, wie in 16C gezeigt, die Hauptfläche 20a des Substrats 20 und die erste Elektrode 31 über die Bondschicht 21 aneinandergeklebt (gebondet). Genauer gesagt, wird die Hauptfläche 20a des Substrats 20 mit Cyclotene schleuderbeschichtet, um die Bondschicht 21 zu bilden. Nachdem die Bondschicht 21 und die erste Elektrode 31 in engen Kontakt miteinander gebracht worden sind, werden die Bondschicht 21 und die erste Elektrode 31 erhitzt (z.B. bei 250°C für 30 Minuten), während sie mit einem Druck von z.B. 2 MPa beaufschlagt werden, wodurch die Bondschicht 21 ausgehärtet wird.
Anschließend wird, wie in 17A gezeigt, das Wachstumssubstrat 40 entfernt. In diesem Schritt wird das Wachstumssubstrat 40 z. B. durch Ätzen entfernt. Insbesondere wird die obere Kontaktschicht 16 des Halbleiterstapels 10 als Ätzstoppschicht verwendet, und das Wachstumssubstrat 40 wird durch Nassätzen entfernt. Vor dem Ätzen kann das Wachstumssubstrat 40 durch ein anderes Verfahren, wie z. B. Polieren, ausgedünnt werden (kann entweder ein mechanisches Verfahren oder ein chemisches Verfahren sein). Durch diesen Schritt entsteht die ebene Vorderfläche 10a des Halbleiterstapels 10. In diesem Schritt wird, nachdem das Wachstumssubstrat 40 beispielsweise durch Polieren auf 20 µm ausgedünnt wurde, ein Nassätzen mit einer gemischten Lösung aus Schwefelsäure, Wasserstoffperoxidwasser und Wasser durchgeführt.
Anschließend wird, wie in den 17B und 17C gezeigt, der Ausnehmungsabschnitt 10c in dem Halbleiterstapel 10 und der Isolierschicht 22 gebildet, wodurch die erste Elektrode 31 freigelegt wird. In diesem Schritt wird zunächst, wie in 17B gezeigt, eine Öffnung in dem Halbleiterstapel 10 gebildet. Insbesondere wird auf der Vorderfläche 10a des Halbleiterstapels 10 eine Ätzmaske mit einer Öffnung im Bildungsbereich (z. B. vier Ecken der rechteckigen Vorderfläche 10a) des Ausnehmungsabschnitts 10c gebildet. Die Isolierschicht 22 wird durch Ätzen des Halbleiterstapels 10 über die Öffnung der Ätzmaske freigelegt. Es sollte beachtet werden, dass dieses Ätzen entweder trocken oder nass erfolgen kann, aber wenn der Wärmewiderstand der Bondschicht 21 gering ist, ist das Nassätzen wünschenswert. Als nächstes wird, wie in 17C gezeigt, eine Öffnung in der Isolierschicht 22 gebildet. Das heißt, die Isolierschicht 22 wird geätzt, indem das Ätzgas oder das Ätzmittel gewechselt und erneut die Ätzmaske verwendet wird, die zum Ätzen des Halbleiterstapels 10 verwendet wurde. Das Ätzverfahren (Trockenätzen oder Nassätzen) des Halbleiterstapels 10 und der Isolierschicht 22 kann unterschiedlich sein. So wird im Halbleiterstapel 10 und in der Isolierschicht 22 der Ausnehmungsabschnitt 10c gebildet und die erste Elektrode 31 freigelegt. Danach wird die Ätzmaske von dem Halbleiterstapel 10 entfernt.
Anschließend wird, wie in 18A gezeigt, die zweite Elektrode 32 auf der Vorderfläche 10a des Halbleiterstapels 10 ausgebildet. Insbesondere wird eine Maske mit einer Öffnung, die der planaren Form der zweiten Elektrode 32 entspricht, auf der Vorderfläche 10a des Halbleiterstapels 10 gebildet, und ein Metall, das ein Material der zweiten Elektrode 32 sein soll, wird durch Aufdampfen oder Sputtern auf der gesamten Oberfläche der Maske und der Vorderfläche 10a einschließlich der Innenseite der Öffnung der Maske gebildet. Insbesondere werden Ti und Au in dieser Reihenfolge gebildet. Anschließend kann die zweite Elektrode 32 durch Entfernen der Maske zusammen mit dem auf der Maske abgeschiedenen Metall gebildet werden.
Anschließend wird, wie in 18B gezeigt, die Antireflexionsschicht 23 auf der Vorderfläche 10a des Halbleiterstapels 10 gebildet, die von der Öffnung 32a der zweiten Elektrode 32 freigelegt wird. Die Antireflexionsschicht 23 wird z. B. durch Sputtern, Plasma-CVD oder ähnliches gebildet, ähnlich wie die zuvor beschriebene Isolierschicht 22. Durch die obigen Schritte wird das lichtemittierende Element 1A der vorlienenden Ausführungsform hergestellt.
Der Effekt, der durch das lichtemittierende Element 1A der vorliegenden Ausführungsform erzielt wird, wird zuvor beschrieben. In dem lichtemittierenden Element 1A der vorliegenden Ausführungsform ist der Schwerpunktabschnitt jedes modifizierten Brechungsindexbereichs 13b von dem mit dem virtuellen Quadratgitter assoziierten Gitterpunkt O entfernt, und der Drehwinkel φ (x, y) um den assoziierten Gitterpunkt O wird entsprechend der dem optischen Bild entsprechenden Phasenverteilung eingestellt. Gemäß einer solchen Struktur kann Licht zur Bildung eines optischen Bildes einer beliebigen Form als der S-iPM-Laser entlang einer Richtung (Normalrichtung) senkrecht zur Hauptfläche 20a des Substrats 20 oder der Neigungsrichtung, die die Normalrichtung schneidet, oder sowohl der Normalrichtung als auch der Neigungsrichtung ausgegeben werden. In diesem lichtemittierenden Element 1A ist die Vorderfläche 10a des Halbleiterstapels 10 flacher als die Rückfläche 10b, und das Substrat 20 ist mit der Seite der Rückfläche 10b des Halbleiterstapels 10 über die Bondschicht 21 verbunden. Da Licht zur Bildung eines optischen Bildes von der Vorderfläche 10a des relativ flachen Halbleiterstapels 10 ausgegeben werden kann, kann daher ein klares optisches Bild erhalten werden. Darüber hinaus kann durch die Ausgabe von Licht zur Erzeugung eines optischen Bildes von der Vorderfläche 10a des Halbleiterstapels 10 die Lichtabsorption im Substrat 20 verringert werden, und eine Verringerung der Lichtausgangsleistung kann effektiv unterdrückt werden.
Die Phasenmodulationsschicht 13 umfasst den ersten Bereich 131, der die zweite Elektrode 32 in Dickenrichtung gesehen überlappt, und den zweiten Bereich 132, der vom ersten Bereich 131 verschieden ist. Dann wird das optische Bild als ein einziges Strahlenmuster vervollständigt, das nur die Lichtkomponenten enthält, die aus dem zweiten Bereich 132 durch die zweite Elektrode 32 hindurchgegangen sind. Auf diese Weise ist es möglich, ein optisches Bild zu vervollständigen, ohne Licht aus dem ersten Bereich 131 der Phasenmodulationsschicht 13 zu verwenden, der durch die zweite Elektrode 32 abgeschirmt ist, und nur Licht aus dem zweiten Bereich 132 zu verwenden, der nicht abgeschirmt ist. Infolgedessen ist es möglich, eine Verschlechterung der Qualität des optischen Bildes aufgrund der zweiten Elektrode 32, die einen Teil des von der Phasenmodulationsschicht 13 ausgegebenen Lichts blockiert, wirksam zu unterdrücken.
Insbesondere, wenn optisches Bilderzeugungslicht von der Vorderfläche 10a auf der Seite der oberen Mantelschicht 15 ausgegeben wird, wie in der vorliegenden Ausführungsform, ist der Abstand zwischen der zweiten Elektrode 32 auf der Seite der Vorderfläche 10a und der aktiven Schicht 14 manchmal nicht ausreichend gewährleistet. In einem solchen Fall, in dem nur eine Öffnung der zweiten Elektrode 32 vorgesehen ist, konzentriert sich der Strom im Umfangsbereich der aktiven Schicht 14 unmittelbar unterhalb der zweiten Elektrode 32, und es wird schwierig, den Strom in die Nähe des mittleren Bereichs der aktiven Schicht 14 zu verteilen. In einer solchen Situation muss der Öffnungsbereich der zweiten Elektrode 32 verengt werden (die Anzahl der modifizierten Brechungsindexbereiche 13b in der Öffnung, d. h. in der optischen Ausgangsebene, wird reduziert), und die Auflösung des optischen Bildes wird verringert. Für ein solches Problem ist es gemäß dem lichtemittierenden Element 1A der vorliegenden Ausführungsform möglich, eine Vielzahl von Öffnungen (z.B. in einer Gitterform) in der zweiten Elektrode 32 bereitzustellen, während eine Verschlechterung der Qualität des optischen Bildes unterdrückt wird, und daher ist es möglich, den Strom leicht in die Nähe des mittleren Abschnitts der aktiven Schicht 14 zu leiten. Daher kann die Auflösung des optischen Bildes verbessert werden, indem die Anzahl der modifizierten Brechungsindexbereiche 13b in der optischen Ausgangsfläche erhöht wird, indem die optische Ausgangsfläche groß ausgebildet wird.
19A zeigt als Vergleichsbeispiel ein Beispiel für ein optisches Bild in dem Fall, in dem die Phasenmodulationsschicht 13 die dem optischen Bild entsprechende Phasenverteilung auf dem gesamten ersten Bereich 131 und zweiten Bereich 132 aufweist. Dieses Beispiel ist ein optisches Bild auf einem unendlich weit entfernten Bildschirm, das durch Ausführen einer Fourier-Transformation der komplexen Amplitudenverteilung erhalten wird, die unter Beibehaltung der Phasenverteilung in dem SchrittA4 von 13 berechnet wird, wie sie ist, unter der Bedingung, dass die Intensität des Abschnitts, der die zweite Elektrode 32 überlappt, 0 ist und die Intensität des anderen Abschnitts 1 ist. 19B zeigt ein Beispiel eines optischen Bildes, das durch die Phasenmodulationsschicht 13 der vorliegenden Ausführungsform erhalten wird. Dieses Beispiel ist ein optisches Bild auf einem unendlich weit entfernten Bildschirm, das durch Fourier-Transformation der komplexen Amplitudenverteilung erhalten wird, die in dem in 13 gezeigten Schritt A4 unter der Bedingung erhalten wird, dass die Intensität des die zweite Elektrode 32 überlappenden Abschnitts 0 und die Intensität des anderen Abschnitts 1 ist. Bezugnehmend auf 19A wird angedeutet, dass die Qualität des optischen Bildes aufgrund des Mangels an Informationen, der durch die Abschirmung durch die zweite Elektrode 32 verursacht wird, erheblich verschlechtert ist. Andererseits ist in 19B zu sehen, dass ein hochwertiges optisches Bild ohne Informationsverluste erhalten wird.
Wie in der vorliegenden Ausführungsform kann die aktive Schicht 14 Ga, In und P als Zusammensetzungen enthalten. In diesem Fall wird zum Beispiel ein GaAs-Substrat vorzugsweise als Wachstumssubstrat 40 verwendet. Das GaAs absorbiert jedoch in bemerkenswerter Weise Licht in einem Wellenlängenbereich von z. B. 650 bis 710 nm, das in der aktiven Schicht 14 erzeugt wird. Daher ist, wenn das lichtemittierende Element fertiggestellt wird, ohne das GaAs-Substrat zu entfernen, auf dem der Halbleiterstapel 10 gebildet wird, die optische Ausgangseffizienz erheblich reduziert, wenn optisches Bilderzeugungslicht von der Rückflächenseite des GaAs-Substrats ausgegeben wird. Da außerdem die Ebenheit der Wachstumsoberfläche des Halbleiterstapels 10 wie zuvor beschrieben gering ist, wird die Klarheit des optischen Bildes beeinträchtigt, wenn optisches Bilderzeugungslicht von der Seite des Halbleiterstapels 10 ausgegeben wird. Andererseits kann in dem lichtemittierenden Element 1A der vorliegenden Ausführungsform, da das Licht zur optischen Bilderzeugung von der flachen Vorderfläche 10a (d.h. der der Wachstumsoberfläche gegenüberliegenden Seite) des Halbleiterstapels 10 ausgegeben wird, ein klares optisches Bild effizient erhalten werden, selbst wenn die aktive Schicht 14 Ga, In und P als Zusammensetzungen enthält.
Wie in der vorliegenden Ausführungsform kann die Bondschicht 21 ein Harz enthalten. Auf der Vorderseite der ersten Elektrode 31, die auf der Rückseite 10b des Halbleiterstapels 10 mit geringer Ebenheit (viel Unebenheit) ausgebildet ist, werden leicht Unebenheiten erzeugt, die von der Rückseite 10b übernommen werden. Wenn die Bondschicht 21 ein Harz enthält, dringt das Harz vor dem Aushärten in die Unebenheiten ein, und daher können die erste Elektrode 31, die die Unebenheiten auf der Vorderfläche aufweist, und die ebene Hauptfläche 20a des Substrats 20 fest und ohne Spalt miteinander verbunden werden.
Wie in der vorliegenden Ausführungsform kann die planare Form der zweiten Elektrode 32 die Vielzahl von Öffnungen 32a umfassen. So kann das optische Bild von der Vorderfläche 10a des Halbleiterstapels 10 herausgenommen werden, während die Stromdichte in der aktiven Schicht 14 gleichmäßiger wird. In diesem lichtemittierenden Element 1A wird das optische Bild als ein einzelnes Strahlenmuster vervollständigt, das nur aus den Lichtkomponenten besteht, die durch die zweite Elektrode 32 aus dem zweiten Bereich 132 hindurchgegangen sind, und daher kann, selbst wenn die zweite Elektrode 32 eine solche Form hat, eine Verschlechterung der Qualität des optischen Bildes aufgrund eines Teils des von der Phasenmodulationsschicht 13 ausgegebenen Lichts, das durch die zweite Elektrode 32 blockiert wird, unterdrückt werden.
Wie in der vorliegenden Ausführungsform kann die planare Form der zweiten Elektrode 32 eine Gitterform sein. Wenn die zweite Elektrode 32 eine solche planare Form hat, kann die zweite Elektrode 32 gleichmäßig und gleichförmig auf der Vorderfläche 10a (optische Bildausgabeoberfläche) des Halbleiterstapels 10 angeordnet sein. Auf diese Weise kann das optische Bilderzeugungslicht von der Vorderfläche 10a des Halbleiterstapels 10 abgenommen werden, während die Stromdichte in der aktiven Schicht 14 gleichmäßiger wird. Da in der Nähe des mittleren Abschnitts der aktiven Schicht 14 ausreichend Strom zugeführt werden kann, kann der Bereich der Lichtaustrittsfläche weiter vergrößert werden. In der Nähe des mittleren Bereichs der aktiven Schicht 14 kann auch ohne Verdickung der oberen Mantelschicht 15 ein ausreichender Strom fließen. Außerdem wird in diesem lichtemittierenden Element 1A das optische Bild als ein einzelnes Strahlenmuster vervollständigt, das nur aus den Lichtkomponenten besteht, die durch die zweite Elektrode 32 aus dem zweiten Bereich 132 hindurchgegangen sind, und daher kann, selbst wenn die zweite Elektrode 32 eine solche Form hat, eine Verschlechterung der Qualität des optischen Bildes aufgrund eines Teils des von der Phasenmodulationsschicht 13 ausgegebenen Lichts, das durch die zweite Elektrode 32 blockiert wird, unterdrückt werden.
Wie in der vorliegenden Ausführungsform kann das lichtemittierende Element 1A den Ausnehmungsabschnitt 10c aufweisen, der sich von der Vorderfläche 10a des Halbleiterstapels 10 zur ersten Elektrode 31 erstreckt. Dies ermöglicht es, dass die erste Elektrode 31 auf der unteren Oberfläche des Ausnehmungsabschnitts 10c freiliegt, und daher ist es möglich, auf einfache Weise eine elektrische Verbindung (z. B. Drahtbonden) mit der ersten Elektrode 31 durchzuführen, die zwischen dem Hableiterstapel 10 und Substrat 20 liegt.
Wie in der vorliegenden Ausführungsform kann der Schwerpunkt G jedes modifizierten Brechungsindexbereichs 13b, der in dem ersten Bereich 131 positioniert ist, auf dem zugehörigen Gitterpunkt O angeordnet sein, oder er kann von dem zugehörigen Gitterpunkt O entfernt angeordnet sein, und der Drehwinkel um den Gitterpunkt O kann auf einen für das optische Bild irrelevanten Winkel eingestellt sein. Da das aus dem ersten Bereich 131 austretende Licht durch die zweite Elektrode 32 abgeschirmt wird, kann der Schwerpunkt G der mehreren modifizierten Brechungsindexbereiche 13b im ersten Bereich 131 in beliebiger Weise angeordnet sein, aber diese Anordnung erleichtert die Ausbildung der Phasenmodulationsschicht 13. Da der Schwerpunkt G jedes modifizierten Brechungsindexbereichs 13b, der in dem ersten Bereich 131 positioniert ist, nicht zur Bildung des optischen Bildes beiträgt, kann der Schwerpunkt G jedes modifizierten Brechungsindexbereichs 13b einen zufälligen Drehwinkel φ (x, y) haben, während der Abstand r (x, y) von beispielsweise dem zugehörigen Gitterpunkt O konstant gehalten wird, oder der Schwerpunkt G jedes modifizierten Brechungsindexbereichs 13b kann mit dem zugehörigen Gitterpunkt O zusammenfallen, indem r (x, y) auf 0 gesetzt wird. Wie später beschrieben wird, kann nach den Erkenntnissen der vorliegenden Erfindung der für die Laseroszillation erforderliche Strom (Oszillationsschwellenstrom) umso geringer sein, je näher der Schwerpunkt G der mehreren modifizierten Brechungsindexbereiche 13b am zugehörigen Gitterpunkt O liegt. Daher ist der Schwerpunkt G jedes modifizierten Brechungsindexbereichs 13b, der in dem ersten Bereich 131 positioniert ist, auf dem zugehörigen Gitterpunkt O angeordnet, wodurch der Oszillationsschwellenstrom effektiv reduziert werden kann.
Wie in der vorliegenden Ausführungsform kann die Breite W1 des ersten Bereichs 131 im wirksamen Bereich (Abschnitt, der die Stromversorgungseinheit 32b überlappt) größer sein als die Breite W2 der zweiten Elektrode 32 (siehe 2 und 5). Da die Breite W1 größer ist als die Breite W2, kann vermieden werden, dass die zweite Elektrode 32 den zweiten Bereich 132 abschirmt, selbst wenn die Bildungsposition der zweiten Elektrode 32 geringfügig von der Entwurfsposition abweicht. Daher ist es möglich, eine Verschlechterung der Qualität des optischen Bildes aufgrund der zweiten Elektrode 32, die den zweiten Bereich 132 abschirmt, wirksam zu unterdrücken.
Das Herstellungsverfahren für das lichtemittierende Element 1A gemäß der vorliegenden Ausführungsform umfasst: einen Schritt des Aufwachsens des Halbleiterstapels 10 auf dem Wachstumssubstrat 40 in der Reihenfolge von der Seite der oberen Kontaktschicht 16 (Seite der oberen Mantelschicht 15); einen Schritt des Ausbildens der ersten Elektrode 31 auf dem Halbleiterstapel 10; einen Schritt des Verbindens der Hauptfläche 20a des Substrats 20 mit der ersten Elektrode 31 über die Bondschicht 21; einen Schritt des Entfernens des Wachstumssubstrats 40; und einen Schritt des Ausbildens der zweiten Elektrode 32 auf der Vorderfläche 10a des Halbleiterstapels 10. Wie zuvor beschrieben, wird bei der Bildung der Phasenmodulationsschicht 13 eine Unebenheit auf der oberen Oberfläche der Phasenmodulationsschicht 13 erzeugt, und die Unebenheit beeinträchtigt manchmal die Ebenheit der Wachstumsoberfläche (die in der vorliegenden Ausführungsform der Rückfläche 10b entspricht) des Halbleiterstapels 10. Andererseits übernimmt die der Wachstumsfläche gegenüberliegende Fläche des Halbleiterstapels 10 (die in der vorliegenden Ausführungsform der vorderen Fläche 10a entspricht) die Ebenheit der Hauptfläche 40a des Wachstumssubstrats 40. Bei diesem Herstellungsverfahren wird das Wachstumssubstrat 40 entfernt, nachdem die Hauptfläche 20a des Substrats 20 über die Bondschicht 21 mit der ersten Elektrode 31 verbunden wurde. Dadurch wird die flache Vorderfläche 10a des Halbleiterstapels 10, die der Wachstumsfläche gegenüberliegt, freigelegt. Durch die Verwendung dieser Vorderfläche 10a als optische Bildausgabefläche ist es möglich, ein klares optisches Bild zu erhalten und gleichzeitig eine Verringerung der Lichtausgabeeffizienz zu unterdrücken.
Wenn das Wachstumssubstrat 40 wie in der vorliegenden Ausführungsform durch Ätzen entfernt wird, kann die obere Kontaktschicht 16 als Ätzstoppschicht verwendet werden. Auf diese Weise kann das Wachstumssubstrat 40 präzise entfernt werden, während die flache Vorderfläche 10a des Halbleiterstapels 10 erhalten bleibt.
Nach dem Entwurfsverfahren für die Phasenmodulationsschicht 13 gemäß der vorliegenden Ausführungsform kann die Anordnung des Schwerpunkts G des modifizierten Brechungsindexbereichs 13b, so dass das optische Bild nur durch die Lichtkomponente aus dem zweiten Bereich 132 vervollständigt werden kann, einfach durch iterative Berechnung berechnet werden. In der vorliegenden Ausführungsform werden bei dem Schritt A4 die Amplitudenverteilung (d.h. r (x, y)) und die Phasenverteilung (d.h. φ (x, y)) der komplexen Amplitudenverteilung in der Phasenmodulationsschicht 13 jeweils durch die Sollverteilung ersetzt. Durch eine solche Verarbeitung ist es beispielsweise möglich, eine Zwangsbedingung derart zu geben, dass der Drehwinkel φ um den Gitterpunkt O auf einen Wert gesetzt wird, der für die Bildung des optischen Bildes in einem Zustand irrelevant ist, in dem die Position des Schwerpunkts G jedes modifizierten Brechungsindexbereichs 13b, der in dem ersten Bereich 131 positioniert ist, auf dem zugehörigen Gitterpunkt O oder weg von dem zugehörigen Gitterpunkt O liegt.
Nach den Erkenntnissen des vorliegenden Erfinders kann der für die Laseroszillation erforderliche Strom (Oszillationsschwellenstrom) umso geringer sein, je näher der Schwerpunkt jedes modifizierten Brechungsindexbereichs 13b am zugehörigen Gitterpunkt O liegt. 20A bis 22C sind Diagramme, die das Ergebnis der Untersuchung des Verhältnisses zwischen dem Spitzenstrom und der Ausgangslichtintensität bei Veränderung des Abstands zwischen dem Schwerpunkt G und dem Gitterpunkt O des modifizierten Brechungsindexbereichs 13b zeigen. In diesen Abbildungen zeigt die vertikale Achse die Lichtintensität (Einheit: mW) und die horizontale Achse den Spitzenstrom (Einheit: mA). Die rautenförmige Darstellung zeigt die Lichtintensität des Lichts nullter Ordnung, die dreieckige Darstellung zeigt die Lichtintensität des Signallichts (jeweils) und die quadratische Darstellung zeigt die Gesamtlichtintensität. 20A bis 20C zeigen den Fall, in dem der Abstand r (x, y) zwischen dem Schwerpunkt G und dem Gitterpunkt O 0 ist (d.h., der Schwerpunkt G und der Gitterpunkt O fallen zusammen), den Fall, in dem der Abstand r (x, y) 0,01a ist, und den Fall, in dem der Abstand r (x, y) 0,02a ist. 21A bis 21C zeigen den Fall, in dem der Abstand r (x, y) 0,03a beträgt, den Fall, in dem derAbstand r (x, y) 0,04a beträgt, und den Fall, in dem der Abstand r (x, y) 0,05a beträgt. 22A bis 22C zeigen den Fall, in dem der Abstand r (x, y) 0,06a beträgt, den Fall, in dem der Abstand r (x, y) 0,07a beträgt, und den Fall, in dem der Abstand r (x, y) 0,08a beträgt. Es sollte beachtet werden, dass a eine Gitterkonstante eines virtuellen Quadratgitters ist. 23 zeigt ein optisches Bild, das zur Berechnung der Diagramme der 20A bis 22C verwendet wurde.
20A bis 22C zeigen, dass ein Verhältnis(ln₁/ln₀) zwischen der Lichtintensität In₀ des Lichts nullter Ordnung und der Lichtintensität In₁ des Signallichts umso mehr zunimmt, je größer der Abstand r (x, y) ist. Das heißt, je größer der Abstand r (x, y) ist, desto mehr kann die Lichtintensität des Signallichts in Bezug auf das Licht nullter Ordnung erhöht werden. Andererseits, je kürzer der Abstand r (x, y) ist, desto größer ist die Lichtintensität bei einem kleineren Strom. Das heißt, je kürzer der Abstand r (x, y) ist, desto höher ist der optische Wirkungsgrad und desto geringer kann der für die Laseroszillation erforderliche Strom (Oszillationsschwellenstrom) sein. Wenn der Abstand r (x, y) 0 ist, wird der Oszillationsschwellenstrom am niedrigsten. Im zweiten Bereich 132 ist ein bestimmter Abstand r (x, y) notwendig, um ein optisches Bild zu erzeugen. Da der erste Bereich 131 jedoch nicht zur Bildung eines optischen Bildes beiträgt, kann der Abstand r (x, y) nach eigenem Ermessen gewählt werden. Wenn also der Schwerpunkt G jedes modifizierten Brechungsindexbereichs 13b, der im ersten Bereich 131 positioniert ist, auf dem zugehörigen Gitterpunkt O angeordnet ist, kann der Schwingungsschwellenstrom effektiv reduziert werden.
Im zweiten Bereich 132 ist der Abstand r (x, y) zwischen jedem Gitterpunkt O des virtuellen Quadratgitters und dem Schwerpunkt G des zugehörigen modifizierten Brechungsindexbereichs 13b wünschenswerterweise ein konstanter Wert über den gesamten zweiten Bereich 132. Wenn also die Phasenverteilung im gesamten zweiten Bereich 132 gleichmäßig bis 0 bis 2 π (Rad) verteilt ist, fällt der Schwerpunkt G des modifizierten Brechungsindexbereichs 13b im Mittel mit dem Gitterpunkt O des Quadratgitters zusammen. Daher nähert sich der zweidimensionale Verteilungs-Bragg-Beugungseffekt im zweiten Bereich 132 dem zweidimensionalen Verteilungs-Bragg-Beugungseffekt in dem Fall, in dem der modifizierte Brechungsindexbereich 13b auf jedem Gitterpunkt O des Quadratgitters angeordnet ist, und daher wird die Bildung der stehenden Welle einfach und eine Schwellenstromreduzierung für die Oszillation kann erwartet werden.
(Erstes modifiziertes Beispiel)
24 ist eine Draufsicht auf den zweiten Bereich 133 gemäß dem ersten modifizierten Ausführungsbeispiel. 25 ist eine Ansicht, die die Lagebeziehung des modifizierten Brechungsindexbereichs 13b im zweiten Bereich 133 zeigt. Der zweite Bereich 132 des obigen Ausführungsbeispiels kann durch den zweiten Bereich 133 des vorliegenden modifizierten Beispiels ersetzt werden. Wie in den 24 und 25 gezeigt, ist in dem zweiten Bereich 133 des vorliegenden modifizierten Beispiels der Schwerpunkt G jedes modifizierten Brechungsindexbereichs 13b auf einer geraden Linie D angeordnet. In dem Einheitskomponentenbereich R (x, y) ist die gerade Linie D eine gerade Linie, die durch den Gitterpunkt O (x, y) verläuft und in Bezug auf jede Seite des Quadratgitters geneigt ist. Mit anderen Worten, die Gerade D ist eine Gerade, die sowohl in Bezug auf die X-Achse als auch in Bezug auf die Y-Achse geneigt ist. Die Lage im Einheitsbereich R (x, y) wird durch die zur X-Achse parallele s-Achse und die zur Y-Achse parallele t-Achse bestimmt. Der Neigungswinkel der Geraden D in Bezug auf eine Seite (s-Achse) des Quadratgitters ist θ. Der Neigungswinkel θ ist im zweiten Bereich 133 konstant. Der Neigungswinkel θ erfüllt 0° < θ < 90°, und θ = 45° in einem Beispiel. Alternativ erfüllt der Neigungswinkel θ den Wert 180° < θ < 270°, und θ = 225° in einem Beispiel. Wenn der Neigungswinkel θ 0° < θ < 90° oder 180° < θ < 270° erfüllt, erstreckt sich die Gerade D vom ersten Quadranten zum dritten Quadranten der durch die s-Achse und die t-Achse definierten Koordinatenebene (Einheitskomponentenbereich R (x, y)). Alternativ erfüllt der Neigungswinkel θ die Bedingung 90° < θ < 180°, wobei in einem Beispiel θ = 135° ist. Alternativ erfüllt der Neigungswinkel θ 270° < θ < 360°, und θ = 315° in einem Beispiel. Wenn der Neigungswinkel θ 90° < θ < 180° oder 270° < θ < 360° erfüllt, erstreckt sich die Gerade D vom zweiten Quadranten zum vierten Quadranten des Einheitskomponentenbereichs R (x, y). Der Neigungswinkel θ ist also ein Winkel, der 0°, 90°, 180° und 270° ausschließt. Dabei sei der Abstand zwischen dem Gitterpunkt O (x, y) und dem Schwerpunkt G r (x, y). Wenn der Abstand r (x, y) ein positiver Wert ist, befindet sich der Schwerpunkt G im ersten Quadranten (oder im zweiten Quadranten). Wenn der Abstand r (x, y) ein negativer Wert ist, befindet sich der Schwerpunkt G im dritten Quadranten (oder im vierten Quadranten). Wenn der Abstand r (x, y) 0 ist, fallen der Gitterpunkt O und der Schwerpunkt G zusammen.
In dem in 24 gezeigten Einheitskomponentenbereich R (x, y) wird der Abstand r (x, y) zwischen dem Schwerpunkt G des zugehörigen modifizierten Brechungsindexbereichs 13b und dem Gitterpunkt O (x, y) entsprechend dem Phasenmuster, das dem gewünschten optischen Bild entspricht, individuell eingestellt (die Vielzahl der modifizierten Brechungsindexbereiche 13b wird individuell eingestellt). Das Phasenmuster, d. h. die Verteilung des Abstands r (x, y) hat für jede Position einen bestimmten Wert, der durch die Werte der x-Komponente und der y-Komponente bestimmt wird, aber nicht unbedingt durch eine bestimmte Funktion ausgedrückt wird. Die Verteilung des Abstands r (x, y) wird aus der Phasenverteilung bestimmt, die aus der komplexen Amplitudenverteilung extrahiert wird, die durch die Durchführung der inversen Fourier-Transformation des gewünschten optischen Bildes erhalten wird. Das heißt, wenn die Phase P (x, y) an einer bestimmten Koordinate (x, y) in 25 P₀ ist, wird der Abstand r (x, y) auf 0 gesetzt. Wenn die Phase P (x, y) π + P₀ ist, wird der Abstand r (x, y) auf einen Höchstwert r0 gesetzt. Wenn die Phase P (x, y) -π + P₀ ist, wird der Abstand r (x, y) auf einen Höchstwert -ro gesetzt. Für die Zwischenphase P (x, y) wird der Abstand r (x, y) so eingestellt, dass r (x, y) = {P (x, y) - Po} x r_0/π gilt. Dabei kann die Anfangsphase P₀ beliebig gesetzt werden. Sei der Gitterabstand des virtuellen Quadratgitters a, so liege der Höchstwert r₀ von r (x, y) z. B. im Bereich von, $0 \leq r_{0} \leq \frac{a}{\sqrt{2}}$
Wenn die komplexe Amplitudenverteilung aus einem gewünschten optischen Bild gewonnen wird, wird die Reproduzierbarkeit des Sollausgangsstrahlmusters durch die Anwendung eines Wiederholungsalgorithmus wie der Gerchberg-Saxton (GS)-Methode verbessert, die üblicherweise bei der Berechnung der Hologramm-Erzeugung verwendet wird.
In dem vorliegenden modifizierten Beispiel kann ein gewünschtes optisches Bild durch Bestimmen der Verteilung der Abstände r (x, y) der Vielzahl von modifizierten Brechungsindexbereichen 13b, die in dem zweiten Bereich 133 positioniert sind, erhalten werden. Unter den ersten bis vierten Voraussetzungen, die denen der obigen Ausführungsform ähnlich sind, ist der zweite Bereich 133 so konfiguriert, dass er die folgenden Bedingungen erfüllt. Das heißt, der zugehörige modifizierte Brechungsindexbereich 13b ist in dem Einheitskomponentenbereich R (x, y) so angeordnet, dass der Abstand r (x, y) von dem Gitterpunkt O (x, y) zu dem Schwerpunkt G des zugehörigen modifizierten Brechungsindexbereichs 13b die folgende Beziehung erfüllt: $r (x, y) = C \times (P (x, y) - P_{0})$

C: Proportionalitätskonstante, z. B. r_0/π
Po: Beliebige Konstante, z. B. 0.
Das heißt, der Abstand r (x, y) wird auf 0 gesetzt, wenn die Phase P (x, y) an einer bestimmten Koordinate (x, y) P₀ ist, auf den maximalen Wert r₀ gesetzt, wenn die Phase P (x, y) π + P₀ ist, und auf den minimalen Wert -r₀ gesetzt, wenn die Phase P (x, y) -π + P₀ ist. Wenn es gewünscht ist, ein gewünschtes optisches Bild zu erhalten, ist es bevorzugt, eine inverse Fourier-Transformation des optischen Bildes durchzuführen und die Verteilung des Abstands r (x, y) entsprechend der Phase P (x, y) ihrer komplexen Amplitude an die Vielzahl der modifizierten Brechungsindexbereiche 13b zu geben. Die Phase P (x, y) und der Abstand r (x, y) können proportional zueinander sein.
Ähnlich wie bei der obigen Ausführungsform kann als Verfahren zum Erhalten der Intensitätsverteilung und der Phasenverteilung aus der komplexen Amplitudenverteilung, die durch die inverse Fourier-Transformation erhalten wurde, beispielsweise eine Intensitätsverteilung I(x, y) unter Verwendung der abs-Funktion von „MATLAB“, einer numerischen Analysesoftware von MathWorks, Inc. berechnet werden, und eine Phasenverteilung P (x, y) kann unter Verwendung der Winkelfunktion von MATLAB berechnet werden. Es sollte beachtet werden, dass die Punkte, die in Bezug auf einen Fall zu beachten sind, in dem eine allgemeine diskrete Fourier-Transformation (oder schnelle Fourier-Transformation) für die Berechnung verwendet wird, wenn die Phasenverteilung P (x, y) aus dem Ergebnis der inversen Fourier-Transformation des optischen Bildes erhalten wird und der Abstand r (x, y) jedes modifizierten Brechungsindexbereichs 13b bestimmt wird, die gleichen sind wie bei der zuvor beschriebenen Ausführungsform.
Im vorliegenden modifizierten Beispiel ist der Schwerpunkt G jedes modifizierten Brechungsindexbereichs 13b auf der Geraden D angeordnet, die durch den Gitterpunkt O des virtuellen Quadratgitters verläuft und in Bezug auf das Quadratgitter geneigt ist. Der Abstand r (x, y) zwischen dem Schwerpunkt G jedes modifizierten Brechungsindexbereichs 13b und dem zugehörigen Gitterpunkt O wird individuell gemäß der optischen Abbildung eingestellt. Gemäß einer solchen Struktur, ähnlich der obigen Ausführungsform mit einem Drehwinkel, der dem optischen Bild um den Gitterpunkt O entspricht, dem der Schwerpunkt G jedes modifizierten Brechungsindexbereichs 13b zugeordnet ist, ist es als S-iPM-Laser möglich, Licht auszugeben, das ein optisches Bild einer beliebigen Form sowohl entlang der Z-Achsenrichtung als auch der die Z-Achsenrichtung schneidenden Neigungsrichtung bildet.
(Zweites modifiziertes Beispiel)
26A bis 26G und 27A bis 27K sind Ansichten, die Beispiele für die planare Form des modifizierten Brechungsindexbereichs 13b in der X-Y-Ebene zeigen. In der obigen Ausführungsform und dem ersten modifizierten Beispiel ist die planare Form des modifizierten Brechungsindexbereichs 13b in der X-Y-Ebene kreisförmig. Der modifizierte Brechungsindexbereich 13b kann jedoch auch eine andere planare Form als eine kreisförmige Form haben. Zum Beispiel kann die planare Form des modifizierten Brechungsindexbereichs 13b in der X-Y-Ebene spiegelbildlich (liniensymmetrisch) sein. Hier bedeutet Spiegelbildsymmetrie (Liniensymmetrie), dass entlang einer bestimmten geraden Linie auf der X-Y-Ebene die ebene Form des modifizierten Brechungsindexbereichs 13b, die sich auf einer Seite der geraden Linie befindet, und die ebene Form des modifizierten Brechungsindexbereichs 13b, die sich auf der anderen Seite der geraden Linie befindet, spiegelbildlich (liniensymmetrisch) zueinander sein können. Beispiele für Formen mit spiegelbildlicher Symmetrie (Liniensymmetrie) sind ein in 26A gezeigter perfekter Kreis, ein in 26B gezeigtes Quadrat, ein in 26C gezeigtes regelmäßiges Sechseck, ein in 26D gezeigtes regelmäßiges Achteck, ein in 26E gezeigtes regelmäßiges Sechseck, ein in 26F gezeigtes Rechteck und eine in 26G gezeigte Ellipse. Wenn also die planare Form des modifizierten Brechungsindexbereichs 13b auf der X-Y-Ebene spiegelbildliche Symmetrie (Liniensymmetrie) aufweist, hat der modifizierte Brechungsindexbereich 13b eine einfache planare Form in jedem Einheitskomponentenbereich R des virtuellen Quadratgitters der Phasenmodulationsschicht 13, und daher können die Richtung und die Position des Schwerpunkts G des modifizierten Brechungsindexbereichs 13b vom Gitterpunkt O aus mit hoher Genauigkeit bestimmt werden, wodurch eine Strukturierung mit hoher Genauigkeit möglich ist.
Die planare Form des modifizierten Brechungsindexbereichs 13b in der X-Y-Ebene kann eine Form sein, die keine Rotationssymmetrie von 180° aufweist. Beispiele für solche Formen sind ein in 27A gezeigtes gleichseitiges Dreieck, ein in 27B gezeigtes gleichschenkliges rechtwinkliges Dreieck, eine in 27C gezeigte Form, bei der sich zwei Kreise oder Ellipsen teilweise überlappen, eine in 27D gezeigte Form (ovale Form), die so verformt ist, dass die Abmessung in der Nebenachsenrichtung in der Nähe eines Endes entlang der Hauptachse einer Ellipse kleiner ist als die Abmessung in der Nebenachsenrichtung in der Nähe des anderen Endes, eine in 27E gezeigte Form (Tränenform), bei der ein Ende entlang der Hauptachse einer Ellipse in ein spitzes Ende verformt ist, das entlang der Hauptachsenrichtung vorsteht, ein in 27F gezeigtes gleichschenkliges Dreieck, eine in 27G gezeigte Form (Pfeilspitzenform), bei der eine Seite eines Rechtecks dreieckig vertieft ist und die gegenüberliegende Seite dreieckig spitz ist, ein in 27H gezeigtes Trapez 27H, ein in 27I gezeigtes Fünfeck, eine in 27J gezeigte Form, bei der sich zwei Rechtecke teilweise überlappen, und eine in 27K gezeigte Form, bei der sich zwei Rechtecke teilweise überlappen und keine Spiegelbildsymmetrie aufweisen. Da die planare Form des modifizierten Brechungsindexbereichs 13b auf der X-Y-Ebene also nicht die Rotationssymmetrie von 180° aufweist, kann eine höhere optische Leistung erzielt werden.
28A bis 28K und 29 sind Ansichten, die andere Beispiele von planaren Formen des modifizierten Brechungsindexbereichs 13b in der X-Y-Ebene zeigen. In diesem Beispiel ist ferner eine Vielzahl von modifizierten Brechungsindexbereichen 13c vorgesehen, die sich von der Vielzahl der modifizierten Brechungsindexbereiche 13b unterscheiden. Jeder modifizierte Brechungsindexbereich 13c enthält ein zweites Brechungsindexmedium mit einem Brechungsindex, der sich von dem des ersten Brechungsindexmediums der Basisschicht 13a unterscheidet. Der modifizierte Brechungsindexbereich 13c kann, ähnlich wie der modifizierte Brechungsindexbereich 13b, ein Loch sein oder durch Einbetten eines Verbundhalbleiters in das Loch konfiguriert werden. Die modifizierten Brechungsindexbereiche 13c sind entsprechend eins-zu-eins zu den modifizierten Brechungsindexbereichen 13b vorgesehen. In jedem Einheitsbereich R, der das virtuelle Quadratgitter bildet, wird der Schwerpunkt G, der durch Kombination der modifizierten Brechungsindexbereiche 13b und 13c erhalten wird, ähnlich wie bei der obigen Ausführungsform von dem zugehörigen Gitterpunkt O getrennt, und der Drehwinkel φ (x, y) um den Gitterpunkt O wird auf einen Wert gemäß der Phasenverteilung entsprechend dem optischen Bild (erste Anordnungsbedingung) gesetzt. Alternativ wird der Schwerpunkt G, der sich aus der Kombination der modifizierten Brechungsindexbereiche 13b und 13c ergibt, auf der Geraden D positioniert, die den zugehörigen Gitterpunkt O schneidet, ähnlich wie im ersten modifizierten Beispiel. Ein beliebiger modifizierter Brechungsindexbereich 13c ist im Bereich des Einheitskomponentenbereichs R enthalten.
Die planare Form des modifizierten Brechungsindexbereichs 13c ist z. B. kreisförmig, kann aber, ähnlich wie der modifizierte Brechungsindexbereich 13b, verschiedene Formen haben. 28A bis 28K zeigen Beispiele für die planare Form und die relative Beziehung des modifizierten Brechungsindexbereichs 13c in der X-Y-Ebene. 28A und 28B zeigen Formen, in denen die modifizierten Brechungsindexbereiche 13c figurativ gleich geformt sind. 28C und 28D zeigen Formen, bei denen die modifizierten Brechungsindexbereiche 13c Figuren gleicher Form aufweisen, die sich teilweise überlappen. 28E zeigt eine Form, in der der modifizierte Brechungsindexbereich 13c Figuren gleicher Form aufweist, die gedreht sind. 28F zeigt eine Form, in der der modifizierte Brechungsindexbereich 13c Figuren mit unterschiedlicher Form aufweist. 28G zeigt eine Form, in der der modifizierte Brechungsindexbereich 13c Figuren mit voneinander verschiedenen Formen aufweist und der modifizierte Brechungsindexbereich 13c beabstandet ist.
Wie in den 28H bis 28K gezeigt, kann der modifizierte Brechungsindexbereich 13b so konfiguriert sein, dass er zwei voneinander beabstandete Bereiche 13b1 und 13b2 umfasst. Zu diesem Zeitpunkt wird davon ausgegangen, dass der Schwerpunkt, der sich aus der Kombination der Bereiche 13b1 und 13b2 ergibt, dem Schwerpunkt des einzelnen modifizierten Brechungsindexbereichs 13b entspricht. In diesem Fall können, wie in den 28H und 28K gezeigt, die Bereiche 13b1 und 13b2 und der modifizierte Brechungsindexbereich 13c die gleichen Formen aufweisen. Alternativ können, wie in den 28I und 28J gezeigt, zwei der Bereiche 13b1 und 13b2 und der modifizierte Brechungsindexbereich 13c voneinander verschieden sein.
Die planaren Formen auf der X-Y-Ebene des modifizierten Brechungsindexbereichs 13b können zwischen Gitterpunkten des virtuellen Quadratgitters identisch sein. Das heißt, die modifizierten Brechungsindexbereiche 13b haben an allen Gitterpunkten die gleiche Gestalt und können sich zwischen den Gitterpunkten durch eine Translationsoperation oder eine Translationsoperation und eine Rotationsoperation überlappen. In diesem Fall ist es möglich, das modifizierte Beispiel im Phasenwinkel zu unterdrücken, das durch das modifizierte Beispiel in der planaren Form verursacht wird, und das Strahlmuster kann mit hoher Genauigkeit ausgegeben werden. Alternativ sind die planaren Formen der modifizierten Brechungsindexbereiche 13b in der X-Y-Ebene nicht unbedingt identisch zwischen den Gitterpunkten, und wie in 29 gezeigt, können die Formen zwischen benachbarten Gitterpunkten unterschiedlich sein.
(Drittes modifiziertes Beispiel)
30 ist eine Draufsicht auf den zweiten Bereich 134 gemäß dem dritten modifizierten Beispiel. Der zweite Bereich 132 der obigen Ausführungsform kann durch den zweiten Bereich 134 des vorliegenden modifizierten Beispiels ersetzt werden. Der zweite Bereich 134 des vorliegenden modifizierten Beispiels ist zusätzlich zu der Konfiguration des zweiten Bereichs 132 der obigen Ausführungsform mit einer Vielzahl von modifizierten Brechungsindexbereichen 13d versehen, die sich von der Vielzahl der modifizierten Brechungsindexbereiche 13b unterscheiden. Die Anordnung jedes modifizierten Brechungsindexbereichs 13d umfasst eine periodische Struktur und enthält ein zweites Brechungsindexmedium mit einem Brechungsindex, der sich von dem des ersten Brechungsindexmediums der Basisschicht 13a unterscheidet. Der modifizierte Brechungsindexbereich 13d kann, ähnlich wie der modifizierte Brechungsindexbereich 13b, ein Loch sein oder durch Einbetten eines Verbundhalbleiters in das Loch konfiguriert werden. Wie in 31 gezeigt, sei auch im vorliegenden modifizierten Beispiel im Einheitsbereich R (x, y) der Winkel, der durch die Richtung vom Gitterpunkt O (x, y) zum Schwerpunkt G des modifizierten Brechungsindexbereichs 13b und der s-Achse (Achse, die die Position im Einheitskomponentenbereich R angibt und parallel zur X-Achse verläuft) gebildet wird, φ (x, y). Wenn der Drehwinkel φ 0° ist, fällt die Richtung des Vektors, der den Gitterpunkt O und den Schwerpunkt G verbindet, mit der positiven Richtung der s-Achse zusammen. Die Länge des Vektors, der den Gitterpunkt O und den Schwerpunkt G verbindet, sei r (x, y). In einem Beispiel ist r (x, y) konstant (über den gesamten zweiten Bereich 134), unabhängig von den Werten der x-Komponente und y-Komponente.
Jeder modifizierte Brechungsindexbereich 13d ist jeweils eins-zu-eins zu jedem modifizierten Brechungsindexbereich 13b vorgesehen (jedem Einheitskomponentenbereich R ist einer zugeordnet). In dem Einheitskomponentenbereich R (x, y) ist der modifizierte Brechungsindexbereich 13d auf dem zugehörigen Gitterpunkt O (x, y) positioniert, und in einem Beispiel fällt der Schwerpunkt jedes modifizierten Brechungsindexbereichs 13d mit dem Gitterpunkt O (x, y) zusammen. Die planare Form des modifizierten Brechungsindexbereichs 13d ist z. B. kreisförmig, kann aber ähnlich wie der modifizierte Brechungsindexbereich 13b verschiedene Formen haben.
32 ist eine Draufsicht auf den ersten Bereich 135 des vorliegenden modifizierten Beispiels. Der erste Bereich 131 der obigen Ausführungsform kann durch den ersten Bereich 135 des vorliegenden modifizierten Beispiels ersetzt werden. Der erste Bereich 135 des vorliegenden modifizierten Beispiels ist zusätzlich zu der Konfiguration (siehe 8) des ersten Bereichs 131 der obigen Ausführungsform mit einer Vielzahl von modifizierten Brechungsindexbereichen 13e versehen, die sich von der Vielzahl von modifizierten Brechungsindexbereichen 13b unterscheiden. Im Einheitskomponentenbereich R (x, y) ist der Schwerpunkt des modifizierten Brechungsindexbereichs 13e vom Gitterpunkt O (x, y) entfernt und der Drehwinkel um den Gitterpunkt O (x, y) ist auf einen Wert eingestellt, der nicht zur optischen Bildbildung beiträgt. Die modifizierten Brechungsindexbereiche 13b und 13e können sich teilweise überlappen oder voneinander getrennt sein. 31 zeigt den Fall, dass die planaren Formen der modifizierten Brechungsindexbereiche 13b und 13e kreisförmig sind. Die planaren Formen der modifizierten Brechungsindexbereiche 13b und 13e können jedoch verschiedene Formen aufweisen, wie sie beispielsweise in den 28A bis 28K dargestellt sind.
(Viertes modifiziertes Beispiel)
33A bis 33F und 34A bis 34G sind Ansichten, die andere Beispiele von planaren Formen der zweiten Elektrode 32 zeigen. 33A zeigt eine Streifenform, bei der eine Vielzahl von linearen Elektrodenabschnitten, die sich in Richtung der X-Achse (oder Y-Achse) erstrecken, entlang der Y-Achse (oder X-Achse) ausgerichtet sind. Diese Elektrodenabschnitte sind an beiden Enden über ein weiteres Paar von Elektrodenabschnitten, die sich in Y-Achsenrichtung (oder X-Achsenrichtung) erstrecken, miteinander gekoppelt. 33B und 33C zeigen Formen, in denen eine Vielzahl von ringförmigen Elektrodenabschnitten mit voneinander verschiedenen Durchmessern konzentrisch angeordnet ist (so, dass sie einen gemeinsamen Mittelpunkt aufweisen). Die Vielzahl der Elektrodenabschnitte sind durch einen sich radial erstreckenden linearen Elektrodenabschnitt miteinander gekoppelt. Die Vielzahl der linearen Elektrodenabschnitte kann wie in 33B gezeigt vorgesehen sein, und nur ein linearer Elektrodenabschnitt kann wie in 33C gezeigt vorgesehen sein.
33D zeigt eine Form, in der eine Vielzahl von linearen Elektrodenabschnitten von einem bestimmten zentralen Punkt ausstrahlen. Diese Elektrodenabschnitte sind an beiden Enden über ein Paar ringförmiger Elektrodenabschnitte, die auf den Mittelpunkt zentriert sind, miteinander gekoppelt. 33E zeigt einen Fall, in dem die mehreren linearen Elektrodenabschnitte von 33A in Bezug auf die X-Achsenrichtung (oder die Y-Achsenrichtung) geneigt sind. 33F zeigt einen Fall, in dem der Abstand zwischen der Vielzahl der linearen Elektrodenabschnitte von 33A nicht konstant (nicht periodisch) ist.
34A zeigt eine Ausführungsform, bei der zwei ineinander greifende Elektroden, bei denen eine Vielzahl von linearen Elektrodenabschnitten, die sich in der X-Achsenrichtung (oder der X-Achsenrichtung) erstrecken, entlang der Y-Achsenrichtung (oder der X-Achsenrichtung) ausgerichtet sind, wobei ein Ende davon über einen anderen Elektrodenabschnitt, der sich in der Y-Achsenrichtung (oder der X-Achsenrichtung) erstreckt, miteinander gekoppelt ist, einander gegenüberliegen. Die mehreren linearen Elektrodenabschnitte der einen ineinander greifenden Elektrode und die mehreren linearen Elektrodenabschnitte der anderen ineinander greifenden Elektrode sind abwechselnd entlang der Y-Achsenrichtung (oder der X-Achsenrichtung) angeordnet. 34B zeigt eine Form mit nur einer in 34A gezeigten ineinander greifenden Elektrode.
34C zeigt eine Fischgrätenform, in der eine Vielzahl von linearen Elektrodenabschnitten, die sich in der X-Achsenrichtung (oder Y-Achsenrichtung) erstrecken, entlang der Y-Achsenrichtung (oder X-Achsenrichtung) ausgerichtet sind, wobei ein mittlerer Abschnitt davon über einen anderen Elektrodenabschnitt, der sich in der Y-Achsenrichtung (oder X-Achsenrichtung) erstreckt, miteinander gekoppelt ist und einander gegenüberliegt. 34D zeigt eine rechteckige Wellenform, bei der mehrere lineare Elektrodenabschnitte, die sich in X-Achsenrichtung (oder Y-Achsen richtung) erstrecken, abwechselnd an einem Ende und am anderen Ende gekoppelt sind. 34E zeigt eine Wabenform, in der eine Vielzahl von hexagonalen Einheitsstrukturen zweidimensional ausgerichtet sind. 34F zeigt eine Spiralform. 34G zeigt eine schräge Gitterform, bei der ein quadratischer Gitterrahmen in Bezug auf die X-Achsenrichtung und die Y-Achsenrichtung geneigt ist.
35A ist eine Ansicht, die eine Verteilung (d.h. eine Phasenverteilung) des Drehwinkels φ in der gesamten Stromversorgungseinheit 32b zeigt, wenn die zweite Elektrode 32 die in 34A gezeigte Streifenform hat. 35B ist eine vergrößerte Ansicht, die den Teil E2 von 35A zeigt. 36A ist eine Ansicht, die die Verteilung des Drehwinkels φ in der gesamten Stromversorgungseinheit 32b in dem Fall zeigt, in dem die zweite Elektrode 32 die in 34B gezeigte konzentrische Form hat. 36B ist eine vergrößerte Ansicht, die den Teil E3 von 36A zeigt. In den 35A, 35B, 36A und 36B ist die Größe des Drehwinkels φ durch den Farbton angedeutet.
Die planare Form der zweiten Elektrode 32 ist nicht auf die Gitterform wie in der zuvor beschriebenen Ausführungsform beschränkt, sondern kann verschiedene Formen aufweisen, wie sie beispielsweise in dem vorliegenden modifizierten Beispiel gezeigt sind. 33A bis 33F, 34E und 34G haben jeweils eine Form, die eine Vielzahl von Öffnungen enthält. Die 33A, 33E, 33F und 34A bis 34D haben jeweils eine Form, die eine Vielzahl von Schlitzen enthält. Gemäß jeder der in den 33A bis 33F und 34A bis 34G gezeigten Konfigurationen kann das optische Bild von der Vorderfläche 10a des Halbleiterstapels 10 abgenommen werden, während die Stromdichte in der aktiven Schicht 14 gleichmäßiger wird. Jede Form umfasst einen Abschnitt, der oberhalb der Nähe des mittleren Abschnitts der aktiven Schicht 14 positioniert ist, und kann den Strom im mittleren Abschnitt der aktiven Schicht 14 effizient verteilen. In der obigen Ausführungsform wird das optische Bild als ein einzelnes Strahlenmuster vervollständigt,das nur aus den Lichtkomponenten besteht, kann, selbst wenn die zweite Elektrode 32 diese Formen aufweist, eine Verschlechterung der Qualität des optischen Bildes aufgrund eines Teils des von der Phasenmodulationsschicht 13 ausgegebenen Lichts, das durch die zweite Elektrode 32 blockiert wird, unterdrückt werden.
Darüber hinaus kann im Fall der in den 33A, 33E oder 33F gezeigten Streifenform, selbst wenn die Positionsabweichung zwischen der zweiten Elektrode 32 und der Phasenmodulationsschicht 13 in der Richtung entlang der Längsrichtung des linearen Elektrodenabschnitts groß wird, die Überlappung zwischen der zweiten Elektrode 32 und dem zweiten Bereich 132 unterdrückt werden, und daher kann die Positionsgenauigkeit der zweiten Elektrode 32 einen Spielraum haben. Darüber hinaus kann, was die Stromzufuhr zum mittleren Abschnitt der aktiven Schicht 14 betrifft, ein Effekt, der dem der Gitterform entspricht, mit einer Bedeckung erreicht werden, die kleiner ist als die der Gitterform (d. h., das Öffnungsverhältnis ist größer als das der Gitterform), und daher kann die Lichtauskopplungseffizienz erhöht und die Auflösung des optischen Bildes verbessert werden. Das Gleiche gilt für die in 34A oder 34B gezeigte interdigitale Elektrode oder die in 34C gezeigte Fischgrätenform. Im Falle der in 33B und 33C gezeigten konzentrischen Form ist es möglich, ein Fensterfunktionsrauschen zu reduzieren. Hier ist das Fensterfunktionsrauschen ein Beugungsmuster, das durch die periodische Anordnung der Öffnungen erzeugt wird. Dieses Beugungsmuster wird entlang der periodischen Struktur erzeugt, wenn die periodische Struktur eindimensional oder zweidimensional ausgerichtet ist. Wenn die periodischen Strukturen hingegen konzentrisch ausgerichtet sind, wird das Beugungsmuster in alle Richtungen senkrecht zum Umfang gestreut, und somit kann der Spitzenwert des Fensterfunktionsrauschens reduziert werden.
(Fünftes modifiziertes Beispiel)
37 ist eine perspektivische Ansicht, die ein Aussehen des lichtemittierenden Elements 1B gemäß dem fünften modifizierten Beispiel zeigt. Dieses lichtemittierende Element 1B umfasst eine Vielzahl von (in 37 sind vier lichtemittierende Elemente dargestellt) zweiten Elektroden 32. Diese zweiten Elektroden 32 sind z.B. an vier Ecken auf der rechteckigen Vorderfläche 10a des Halbleiterstapels 10 angeordnet. Jede zweite Elektrode 32 hat die Stromversorgungseinheit 32b ähnlich wie in der obigen Ausführungsform, und jede Stromversorgungseinheit 32b hat eine Quadratgitterform mit einer Vielzahl von Öffnungen. Daher gibt dieses lichtemittierende Element 1B ein optisches Bild von den vier Ecken der rechteckigen Vorderfläche 10a aus. Im Inneren des lichtemittierenden Elements 1B, das nicht dargestellt ist, ist der zweite Bereich 132 der Phasenmodulationsschicht 13 entsprechend der Öffnung 32a jeder Stromversorgungseinheit 32b vorgesehen. Jede dieser zweiten Elektroden 32 hat eine Bond-Pad-Einheit 32c, und jede Bond-Pad-Einheit 32c erstreckt sich von jeder Stromversorgungseinheit 32b in Richtung einer entsprechenden Ecke der rechteckigen Vorderfläche 10a.
Nur ein Ausnehmungsabschnitt 10c des vorliegenden modifizierten Beispiels ist im mittleren Bereich der Vorderfläche 10a ausgebildet. Das heißt, ein gemeinsamer Ausnehmungsabschnitt 10c ist für die Vielzahl der zweiten Elektroden 32 vorgesehen. Dann wird ein Strom zur Erzeugung einer Vielzahl von optischen Bildern, die jeweils durch die Vielzahl von Stromversorgungseinheiten 32b ausgegeben werden, durch einen Abschnitt der ersten Elektrode 31 zugeführt, der in diesem gemeinsamen Ausnehmungsabschnitt 10c freiliegt. Auch der Aufbau des lichtemittierenden Elements 1B des vorliegenden modifizierten Beispiels kann den gleichen Effekt erzielen wie der der zuvor beschriebenen Ausführungsform.
(Sechstes modifiziertes Beispiel)
38 ist eine Ansicht, die die Konfiguration der lichtemittierenden Vorrichtung 1C gemäß dem sechsten modifizierten Beispiel zeigt. Diese lichtemittierende Vorrichtung 1C umfasst ein Trägersubstrat 6, eine Vielzahl von lichtemittierenden Elementen 1A, die eindimensional oder zweidimensional auf dem Trägersubstrat 6 angeordnet sind, und eine Treiberschaltung 4, die die Vielzahl von lichtemittierenden Elementen 1A einzeln ansteuert. Die Konfiguration jedes lichtemittierenden Elements 1A ist die gleiche wie bei der obigen Ausführungsform oder einem modifizierten Beispiel. Jedoch kann die Vielzahl von lichtemittierenden Elementen 1A ein lichtemittierendes Element 1A umfassen, das ein optisches Bild in einem roten Wellenlängenbereich ausgibt, ein lichtemittierendes Element 1A, das ein optisches Bild in einem blauen Wellenlängenbereich ausgibt, und ein lichtemittierendes Element 1A, das ein optisches Bild in einem grünen Wellenlängenbereich ausgibt. Das lichtemittierende Element 1A, das ein optisches Bild im roten Wellenlängenbereich ausgibt, besteht z.B. aus einem GaAs-Halbleiter. Das lichtemittierende Element 1A, das ein optisches Bild im blauen Wellenlängenbereich ausgibt, und das lichtemittierende Element 1A, das ein optisches Bild im grünen Wellenlängenbereich ausgibt, bestehen z. B. aus einem Nitrid-Halbleiter. Die Treiberschaltung 4 ist auf der Rückseite oder im Inneren des Trägersubstrats 6 vorgesehen und steuert die lichtemittierenden Elemente 1A einzeln an. Als Reaktion auf einen Befehl von einer Steuerschaltung 7 liefert die Treiberschaltung 4 einen Treiberstrom an die einzelnen lichtemittierenden Elemente 1A.
Wie in dem vorliegenden modifizierten Beispiel ist es durch Bereitstellen der Vielzahl von einzeln angesteuerten lichtemittierenden Elementen 1A und Herausnehmen eines gewünschten optischen Bildes aus jedem lichtemittierenden Element 1A möglich, vorzugsweise ein Head-up-Display oder dergleichen zu realisieren, indem notwendige Elemente für ein Modul, in dem die lichtemittierenden Elemente 1A entsprechend einer Vielzahl von Mustern im Voraus ausgerichtet sind, angemessen angesteuert werden. Die mehreren lichtemittierenden Elemente 1A umfassen das lichtemittierende Element 1A, das ein optisches Bild im roten Wellenlängenbereich ausgibt, das lichtemittierende Element 1A, das ein optisches Bild im blauen Wellenlängenbereich ausgibt, und das lichtemittierende Element 1A, das ein optisches Bild im grünen Wellenlängenbereich ausgibt, wodurch vorzugsweise ein Farb-Head-up-Display oder dergleichen realisiert werden kann. Das lichtemittierende Element 1A kann durch das lichtemittierende Element 1B des fünften modifizierten Beispiels ersetzt werden.
(Siebentes modifiziertes Beispiel)
39 ist eine Ansicht eines modifizierten Ausführungsbeispiels der Phasenmodulationsschicht und zeigt die Form in Richtung der Schichtdicke gesehen. Eine Phasenmodulationsschicht 13C gemäß dem vorliegenden modifizierten Beispiel weist ferner einen Bereich 137 in der Nähe des in 5 gezeigten mittleren Abschnitts der Phasenmodulationsschicht 13 auf, d.h. den Außenumfangsabschnitt eines Bereichs (effektiver Bereich) 136 einschließlich des ersten Bereichs 131 und des zweiten Bereichs 132. In dem Bereich 137 ist, ähnlich wie in dem in 8 gezeigten Beispiel, der modifizierte Brechungsindexbereich 13b auf jedem Gitterpunkt O des Quadratgitters vorgesehen. Die Form und Größe des modifizierten Brechungsindexbereichs 13b des Bereichs 137 sind identisch mit denen des modifizierten Brechungsindexbereichs 13b des Bereichs 136. Die Gitterkonstante des Quadratgitters des Bereichs 137 ist gleich der Gitterkonstante des Quadratgitters des Bereichs 136. Indem der Bereich 136 von dem Bereich 137 umgeben wird, in dem der modifizierte Brechungsindexbereich 13b an jedem Gitterpunkt O des Quadratgitters vorgesehen ist, kann somit der Lichtverlust in der Richtung der Ebene unterdrückt werden, und es ist eine Reduzierung des Schwellenstroms zu erwarten.
Das lichtemittierende Element, das Herstellungsverfahren für ein lichtemittierendes Element und das Phasenmodulationsschicht-Entwurfverfahren gemäß der vorliegenden Erfindung sind nicht auf die zuvor beschriebene Ausführungsform und die modifizierten Beispiele beschränkt, und verschiedene andere modifizierte Beispiele sind möglich. Zum Beispiel ist ein Laserelement mit einem Verbundhalbleiter aus GaAs, InP und Nitrid (insbesondere GaN) in der zuvor beschriebenen Ausführungsform und den Beispielen dargestellt. Die vorliegende Erfindung kann jedoch auch auf ein lichtemittierendes Element angewendet werden, das verschiedene andere Halbleitermaterialien enthält.
Das Wachstumssubstrat wird bei der obigen Ausführungsform vollständig entfernt. Ein Teil des Wachstumssubstrats kann jedoch verbleiben und das verbleibende Wachstumssubstrat kann als zweite Kontaktschicht verwendet werden. In diesem Fall enthält der Halbleiterstapel einen Teil des Wachstumssubstrats, und die Vorderfläche des flachen Halbleiterstapels wird aus dem Wachstumssubstrat gebildet.
Wenn an der Grenzfläche zwischen der ersten Elektrode und dem Halbleiterstapel Unebenheiten entstehen, kann eine Lichtabsorptionsschicht zwischen der ersten Elektrode und dem Halbleiterstapel vorgesehen werden. Dadurch wird verhindert, dass Licht mit gestörter Phase, das von der ersten Elektrode reflektiert wird, in das optische Bild gemischt wird, wodurch ein klareres optisches Bild erhalten wird.
Wenn beim Ätzen des Wachstumssubstrats keine Ätzstoppschicht erforderlich ist, kann die zweite Kontaktschicht auf dem Halbleiterstapel weggelassen werden.
Der Ausnehmungsabschnitt ist in der obigen Ausführungsform auf der Vorderflächenseite des Halbleiterstapels ausgebildet. Der Ausnehmungsabschnitt kann jedoch auch auf der Rückflächenseite des Halbleiterstapels (d. h. auf der Rückseite des Trägersubstrats) ausgebildet sein, und die erste Elektrode kann auf der Unterseite des Ausnehmungsabschnitts freigelegt sein. In diesem Fall durchdringt der Ausnehmungsabschnitt die Bondschicht. Die Ausbildung des Ausnehmungsabschnitts kann entfallen, wenn das Trägersubstrat leitfähig ist und das Trägersubstrat mit der ersten Elektrode elektrisch verbunden werden kann.
Bezugszeichenliste

1A, 1B: Lichtemittierendes Element;
1C: Lichtemittierende Vorrichtung;
4: Treiberschaltung;
6: Trägersubstrat;
7: Steuerschaltung;
9: Lichtemissionseinheit;
10: Halbleiterstapel;
10a: Vorderfläche;
10b: Rückfläche;
10c: Aussparung;
11: Untere Kontaktschicht;
12: Untere Mantelschicht;
13, 13C: Phasenmodulationsschicht;
13a: Basisschicht;
13b, 13c, 13d, 13e: Modifizierter Brechungsindexbereich;
13b1, 13b2: Bereich;
14: Aktive Schicht;
15: Obere Mantelschicht;
16: Obere Kontaktschicht;
17: Lichtleiterschicht;
17a: Trägersperrschicht;
19: Lichtleiterschicht;
20: Substrat;
20a: Hauptfläche;
21: Bondschicht;
22: Isolierschicht;
22a: Öffnung;
23: Antireflexionsschicht;
31: Erste Elektrode;
32: Zweite Elektrode;
32a: Öffnung;
32b: Stromversorgungseinheit;
32c: Bond-Pad-Einheit;
40: Wachstumssubstrat;
40a: Hauptfläche;
131, 135: Erster Bereich
132, 133, 134: Zweiter Bereich;
136, 137: Bereich
D: Gerade;
FR: Bildbereich;
G: Schwerpunkt;
O: Gitterpunkt; und
R: Einheitskom-ponentenbereich.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 9991669 [0003]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

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) [0004]
Y Liang et al., „Three-dimensional coupled-wave analysis for square-lattice photonic crystal surface emitting lasers with transverse-electric polarization: finite-size effects,“ Optics Express 20, 15945-15961 (2012) [0005]

Claims

Lichtemittierendes Element, umfassend: ein Substrat mit einer Hauptfläche; eine Lichtemissionseinheit, die so konfiguriert ist, dass sie Licht zum Erzeugen eines optischen Bildes entlang einer Normalrichtung der Hauptfläche oder einer die Normalrichtung schneidenden Neigungsrichtung oder sowohl der Normalrichtung als auch der Neigungsrichtung ausgibt; und eine Bondschicht, die zwischen dem Substrat und der Lichtemissionseinheit vorgesehen ist, und die die Hauptfläche des Substrats und die Lichtemissionseinheit verbindet, wobei die Lichtemissionseinheit aufweist: einen Halbleiterstapel mit einer Rückfläche und einer Vorderfläche, die auf einer in Bezug auf die Rückfläche gegenüberliegenden Seite der Bondschicht angeordnet ist, wobei der Halbleiterstapel eine erste Mantelschicht mit einem ersten Leitfähigkeitstyp, die zwischen der Rückfläche und der Vorderfläche vorgesehen ist, eine zweite Mantelschicht mit einem zweiten Leitfähigkeitstyp, die zwischen der ersten Mantelschicht und der Vorderfläche vorgesehen ist, eine aktive Schicht, die zwischen der ersten Mantelschicht und der zweiten Mantelschicht vorgesehen ist, und eine Phasenmodulationsschicht, die zwischen der ersten Mantelschicht und der zweiten Mantelschicht vorgesehen ist, enthält; eine erste Elektrode in Kontakt mit der Rückfläche des Halbleiterstapels; und eine zweite Elektrode in Kontakt mit der Vorderfläche des Halbleiterstapels, und wobei die Phasenmodulationsschicht eine Basisschicht und eine Vielzahl von modifizierten Brechungsindexbereichen enthält, die jeweils einen Brechungsindex aufweisen, der sich von einem Brechungsindex der Basisschicht unterscheidet, und einen ersten Bereich enthält, der so eingestellt wurde, dass er eine Größe aufweist, die einen gesamten Teil einschließt, der in einem effektiven Bereich der zweiten Elektrode positioniert ist, wenn er von einer Dickenrichtung von der Vorderfläche in Richtung der Rückfläche des Halbleiterstapels betrachtet wird, und einen zweiten Bereich, der von dem ersten Bereich verschieden ist, in dem effektiven Bereich, in dem Licht, das zur Bildung eines optischen Bildes beiträgt, ausgegeben wird, auf einem virtuellen Quadratgitter, das auf einer Bezugsebene der Phasenmodulationsschicht orthogonal zur Dickenrichtung angeordnet ist, jeder der mehreren modifizierten Brechungsindexbereiche einem beliebigen Gitterpunkt des virtuellen Quadratgitters zugeordnet ist, und ein Schwerpunkt jedes bestimmten modifizierten Brechungsindexbereichs, der in dem zweiten Bereich positioniert ist, auf der Bezugsebene gemäß einer ersten Anordnungsbedingung oder einer zweiten Anordnungsbedingung angeordnet ist, die erste Anordnungsbedingung so definiert ist, dass der Schwerpunkt jedes bestimmten modifizierten Brechungsindexbereichs von dem zugehörigen Gitterpunkt durch einen vorbestimmten Abstand getrennt ist, und ein Drehwinkel um den zugehörigen Gitterpunkt, der durch einen Winkel definiert ist, der durch ein Liniensegment gebildet wird, das sich von dem zugehörigen Gitterpunkt zu dem Schwerpunkt und dem virtuellen Quadratgitter erstreckt, individuell gemäß einer Phasenverteilung zum Erzeugen des optischen Bildes eingestellt wird, die zweite Anordnungsbedingung so definiert ist, dass der Schwerpunkt jedes bestimmten modifizierten Brechungsindexbereichs auf einer Geraden positioniert ist, die durch den zugehörigen Gitterpunkt in einem Neigungszustand bezüglich des virtuellen Quadratgitters verläuft, und ein Abstand von dem zugehörigen Gitterpunkt zu dem Schwerpunkt individuell gemäß der Phasenverteilung eingestellt ist, Licht, das das optische Bild bildet, von der Vorderfläche des Halbleiterstapels ausgegeben wird, und das optische Bild als ein einziges Strahlenmuster vervollständigt wird, das nur Lichtkomponenten enthält, die die zweite Elektrode aus dem zweiten Bereich durchlaufen haben, und in einem bestimmten Bereich auf der Hauptfläche des Substrats, der die effektive Fläche bei Betrachtung entlang der Dickenrichtung überlappt, ein Änderungsbetrag eines ersten Abstands von der Hauptfläche zu der Vorderfläche des Halbleiterstapels an einer Vielzahl von ersten Punkten, die entlang einer ersten geraden Linie auf der Hauptfläche ausgerichtet sind, kleiner ist als ein Änderungsbetrag eines zweiten Abstands von der Hauptfläche zu der Rückfläche des Halbleiterstapels an der Vielzahl von ersten Punkten, und ein Änderungsbetrag des ersten Abstands an einer Vielzahl von zweiten Punkten, die entlang einer zweiten geraden Linie auf der Hauptfläche ausgerichtet sind, die die erste gerade Linie schneidet, kleiner ist als ein Änderungsbetrag des zweiten Abstands an der Vielzahl von zweiten Punkten.
Lichtemittierendes Element nach Anspruch 1, wobei die aktive Schicht Ga, In und P als Zusammensetzungen enthält.
Lichtemittierendes Element nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Bondschicht ein Harz enthält.
Lichtemittierendes Element nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei eine planare Form der zweiten Elektrode in Dickenrichtung gesehen eine Vielzahl von Öffnungen aufweist.
Lichtemittierendes Element nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei eine planare Form der zweiten Elektrode in Dickenrichtung gesehen eine Vielzahl von Schlitzen aufweist.
Lichtemittierendes Element nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei eine planare Form der zweiten Elektrode, entlang der Dickenrichtung gesehen, eine Gitterform, eine Streifenform, eine konzentrische Form, eine radiale Form oder eine ineinandergreifende Form ist.
Lichtemittierendes Element nach einem der Ansprüche 1 bis 6, ferner umfassend einen Ausnehmungsabschnitt, der sich von der Vorderfläche zur ersten Elektrode erstreckt.
Lichtemittierendes Element nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei ein Schwerpunkt jedes modifizierten Brechungsindexbereichs, der in dem ersten Bereich unter der Vielzahl von modifizierten Brechungsindexbereichen positioniert ist, auf dem zugehörigen Gitterpunkt angeordnet ist, oder ein Drehwinkel um den zugehörigen Gitterpunkt individuell auf einen Winkel eingestellt ist, der für die Bildung des optischen Bildes in einem Zustand, in dem er von dem zugehörigen Gitterpunkt um eine vorbestimmte Entfernung getrennt ist, nicht relevant ist.
Lichtemittierendes Element nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei der erste Bereich und der Teil der zweiten Elektrode, der in der wirksamen Fläche positioniert ist, von der Dickenrichtung aus gesehen, eine Beziehung erfüllen, in der eine Breite des ersten Bereichs, die entlang einer Richtung orthogonal zur Dickenrichtung definiert ist, größer ist als eine Breite des Teils der zweiten Elektrode.
Lichtemittierendes Element nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei der Halbleiterstapel ferner eine Kontaktschicht enthält, die zwischen der zweiten Mantelschicht und der zweiten Elektrode in einem Zustand vorgesehen ist, in dem sie in Kontakt mit der zweiten Elektrode steht.
Verfahren zur Herstellung des lichtemittierenden Elements nach einem der Ansprüche 1 bis 9, umfassend: einen Schritt des Vorbereitens eines Wachstumssubstrats; einen Schritt des sequentiellen Aufwachsens von Schichten, die den Halbleiterstapel bilden, auf dem Wachstumssubstrat, so dass die zweite Mantelschicht in Kontakt mit dem Wachstumssubstrat kommt; einen Schritt des Ausbildens der ersten Elektrode auf dem Halbleiterstapel, so dass der Halbleiterstapel zwischen dem Wachstumssubstrat und der ersten Elektrode eingebettet ist; einen Schritt des Verbindens der Hauptfläche des Substrats mit der ersten Elektrode über die Bondschicht; einen Schritt des Entfernens des Wachstumssubstrats; und einen Schritt des Ausbildens der zweiten Elektrode auf der Vorderfläche des Halbleiterstapels, so dass der Halbleiterstapel zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode eingebettet ist.
Verfahren zur Herstellung des lichtemittierenden Elements nach Anspruch 10, umfassend: einen Schritt des Vorbereitens eines Wachstumssubstrats; einen Schritt des sequentiellen Aufwachsens von Schichten, die den Halbleiterstapel bilden, auf dem Wachstumssubstrat, so dass die Kontaktschicht in Kontakt mit dem Wachstumssubstrat kommt; einen Schritt des Ausbildens der ersten Elektrode auf dem Halbleiterstapel, so dass der Halbleiterstapel zwischen dem Wachstumssubstrat und der ersten Elektrode eingebettet ist; einen Schritt des Verbindens der Hauptfläche des Substrats mit der ersten Elektrode über die Bondschicht; einen Schritt des Entfernens des Wachstumssubstrats durch Ätzen unter Verwendung der Kontaktschicht als Ätzstoppschicht; und einen Schritt des Ausbildens der zweiten Elektrode auf der Vorderfläche des Halbleiterstapels, so dass der Halbleiterstapel zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode eingebettet ist.
Verfahren zum Entwerfen der Phasenmodulationsschicht des lichtemittierenden Elements nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei unter einer Einschränkungsbedingung, die derart definiert ist, dass eine Position des Schwerpunkts jedes modifizierten Brechungsindexbereichs, der in dem ersten Bereich unter der Vielzahl von modifizierten Brechungsindexbereichen positioniert ist, einen bestimmten Rotationswinkel auf dem zugehörigen Gitterpunkt oder um den zugehörigen Gitterpunkt herum in einem Zustand hat, in dem er von dem zugehörigen Gitterpunkt um einen vorbestimmten Abstand entfernt ist, eine Position des Schwerpunkts jedes modifizierten Brechungsindexbereichs, der in dem zweiten Bereich unter der Vielzahl von modifizierten Brechungsindexbereichen positioniert ist, durch iterative Berechnung basierend auf dem zu bildenden optischen Bild berechnet wird.