半导体发光元件和相位调制层设计方法技术

本实施方式涉及半导体发光元件，其具有用于抑制因从相位调制层输出的光的一部分被电极遮挡而导致的光学像的质量降低。该半导体发光元件包括具有基层和多个异折射率区域的相位调制层，相位调制层包括沿层叠方向至少一部分与电极重叠的第一区域和除第一区域外的第二区域。以多个异折射率区域之中仅第二区域内的1个或其以上的异折射率区域对光学像的形成有贡献的方式进行配置。

Design method of semiconductor light-emitting element and phase modulation layer

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】半导体发光元件和相位调制层设计方法
本专利技术涉及半导体发光元件和构成该半导体发光元件的一部分的相位调制层的设计方法。
技术介绍
专利文献1中记载的半导体发光元件包括活性层、将该活性层夹在中间的一对包层、和与活性层光耦合的相位调制层。相位调制层包括具有规定折射率的基层，和具有与基层的折射率不同的折射率的多个异折射率区域。在与层叠方向垂直的相位调制层的设定面(可以是多个异折射率区域各自的一部分露出在外的表面)上设定了正方格子(正方晶格)的状态下，各个异折射率区域的重心位置配置成与正方格子的对应的格子点(晶格点)隔开间隔，并且，从对应的格子点去往重心的矢量在绕该格子点的方向上具有与规定的光束图案对应的旋转角度。专利文献2中记载的半导体发光元件也包括活性层、将该活性层夹在中间的一对包层、和与活性层光耦合的相位调制层。相位调制层包括具有规定折射率的基层，和具有与基层的折射率不同的折射率的多个异折射率区域。在与层叠方向垂直的相位调制层的设定面上设定了正方格子的状态下，异折射率区域(主空孔)各自的重心位置配置成与正方格子的对应的格子点一致。并且，在各异折射率区域的周围设置有辅助性的异折射率区域(副空孔)，能够输出规定光束图案的光。现有技术文献专利文献专利文献1：国际公开第2016/148075号公报专利文献2：国际公开第2014/136962号公报非专利文献非专利文献1：Y.Kurosakaetal.,"Effectsofnon-lasingbandintwo-dimensionalphotonic-crystallasersclarifiedusingomnidirectionalbandstructure,"Opt.Express20,21773-21783(2012)
技术实现思路
专利技术要解决的技术问题专利技术人针对现有的半导体发光元件进行研究，发现了下述问题。即，如上所述，一直以来研究的是通过控制从二维状排列的多个发光点输出的光的相位谱和强度谱来输出任意的光学像的半导体发光元件。作为这种半导体发光元件的结构之一，存在这样的结构，即，在半导体衬底上依次层叠下部包层、活性层和上部包层，进而在下部包层与活性层之间或活性层与上部包层之间设置有相位调制层。相位调制层包括具有规定折射率的基层和具有与基层的折射率不同的折射率的多个异折射率区域，在相位调制层的与厚度方向(层叠方向)垂直的设定面上设定了虚拟的正方格子的状态下，各异折射率区域的重心位置按照光学像而相应地偏离虚拟的正方格子的格子点位置。这种半导体发光元件被称作S-iPM(Static-integrablePhaseModulating，静态可积相位调制)激光器，能够在相对于与半导体衬底的主面垂直的方向(主面的法线方向)倾斜的方向上输出任意形状的光学像。在上述半导体发光元件中，各异折射率区域的重心位置是基于所要求的光学像使用迭代运算等计算出来的。不过，相位调制层的一部分区域与存在于光输出方向上的电极(在背面输出型的情况下是设置在半导体衬底的背面上的电极，在正面输出型的情况下是设置在上部包层上的电极)重叠。从这样的沿着光输出方向看时与电极重叠的区域输出的光成分会被该电极遮挡。被遮挡的光成分无法输出到半导体发光元件的外部，所以对光学像的形成不能作出贡献。因此，在得到的光学像中，该区域的信息缺失，光学像的质量会降低。本专利技术是为解决上述问题而作出的，其目的在于提供一种半导体发光元件和相位调制层设计方法，能够抑制因从相位调制层输出的光的一部分被电极遮挡而导致的光学像的质量降低。解决问题的技术方案本实施方式的半导体发光元件包括具有主面和与该主面相对的背面的半导体衬底，在相对于该主面的法线方向倾斜的方向上输出光学像，光学像是从半导体衬底的主面一侧或背面一侧输出的。进而，为了解决上述问题，该半导体发光元件包括设置在半导体衬底的主面上的活性层、设置在活性层上的包层、设置在包层上的接触层、相位调制层和电极。相位调制层设置在半导体衬底与活性层之间，或活性层与包层之间。在从半导体衬底的主面一侧输出光学像的结构下，电极被设置在接触层上，使得相对于活性层从接触层所处的一侧向该半导体发光元件的外部输出光学像。而在从半导体衬底的背面一侧输出光学像的结构下，电极被设置在半导体衬底的背面上，使得相对于活性层从半导体衬底的背面所处的一侧向该半导体发光元件的外部输出光学像。相位调制层包括具有规定折射率的基层，和具有与基层的折射率不同的折射率的多个异折射率区域。并且，相位调制层包括第一区域和与第一区域不同的第二区域，其中，在沿法线方向从电极一侧观察相位调制层时，第一区域的至少一部分与电极重叠。此外，有些情况下，第二区域由被第一区域分离的多个区域要素构成。此外，在与法线方向垂直的所述相位调制层的设计面上设定了虚拟的正方格子的状态下，多个异折射率区域中的第二区域内的1个或其以上的异折射率区域各自以下述方式配置在第二区域内：其重心与该虚拟的正方格子的对应的格子点隔开规定距离，并且从对应的格子点去往该重心的矢量在绕该对应的格子点的方向上具有与光学像对应的旋转角度。采用该结构，能够作为单个光束图案生成光学像，其中该光束图案仅由从第二区域通过电极的光成分构成。即，第二区域包括用于作为该单个光束图案生成光学像的1个或其以上的区域。专利技术效果采用本实施方式的半导体发光元件和相位调制层设计方法，能够抑制因从相位调制层输出的光的一部分被电极遮挡而导致的光学像的质量降低。附图说明图1是作为本专利技术的第一实施方式的半导体发光元件表示了激光元件的结构的图。图2是沿光输出方向观察激光元件时的平面图。图3是表示相位调制层设置在下部包层与活性层之间的情况的图。图4是相位调制层的平面图。图5是表示相位调制层的第二区域的一部分结构的平面图，是用于说明该第二区域中的异折射率区域的配置图案(旋转方式)之一例的图。图6是作为基于旋转方式决定的配置图案之一例，用于说明异折射率区域的重心与虚拟的正方格子的格子点之间的位置关系的图。图7是表示相位调制层的第一区域的一部分中的异折射率区域的配置图案之一例的平面图。图8是用于说明相位调制层的第一区域的一部分中的异折射率区域的配置图案的另外的例子的图。图9是用于说明激光元件的输出光束图案(光学像)与第二区域中的旋转角度分布之间的关系的图。图10是说明基于从光学像的傅立叶变换结果得到的旋转角度分布来决定异折射率区域的配置时的注意要点的图。图11是用于说明本实施方式的相位调制层设计方法中应用的迭代算法的概念图。图12是表示整个相位调制层中的旋转角度分布(即相位分布)的图。图13是表示相位调制层在整个第一区域和第二区域具有与光学像对应的相位分布的情况下的光学像的例子，和通过第一实施方式的相位调制层得到的光学像的例子的图。图14是表示在使异折射率区域的重心与格子点的距离发生变化的同时，调查峰值电本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种半导体发光元件，包括具有主面和与所述主面相对的背面的半导体衬底，并且在相对于所述主面的法线方向倾斜的方向上输出光学像，其特征在于，包括：/n设置在所述半导体衬底的所述主面上的活性层；/n设置在所述活性层上的包层；/n设置在所述包层上的接触层；/n设置在所述半导体衬底与所述活性层之间或所述活性层与所述包层之间的相位调制层；和/n设置在所述接触层上的电极，/n相对于所述活性层从所述接触层所处的一侧向该半导体发光元件的外部输出所述光学像，/n所述相位调制层包括具有规定折射率的基层，和具有与所述基层的折射率不同的折射率的多个异折射率区域，/n相位调制层包括第一区域和与所述第一区域不同的第二区域，其中，在沿所述法线方向从所述电极一侧观察所述相位调制层时，所述第一区域的至少一部分与所述电极重叠，/n在与所述法线方向垂直的所述相位调制层的设计面上设定了虚拟的正方格子的状态下，所述多个异折射率区域中的所述第二区域内的1个或其以上的异折射率区域各自以下述方式配置在所述第二区域内：其重心与所述虚拟的正方格子的对应的格子点隔开规定距离，并且从所述对应的格子点去往所述重心的矢量在绕所述对应的格子点的方向上具有与所述光学像对应的旋转角度，/n所述光学像作为仅由从所述第二区域通过所述电极的光成分构成的单个光束图案而生成，所述第二区域包括用于作为所述单个光束图案生成所述光学像的1个或其以上的区域。/n...

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20170602 JP 2017-1102031.一种半导体发光元件，包括具有主面和与所述主面相对的背面的半导体衬底，并且在相对于所述主面的法线方向倾斜的方向上输出光学像，其特征在于，包括：
设置在所述半导体衬底的所述主面上的活性层；
设置在所述活性层上的包层；
设置在所述包层上的接触层；
设置在所述半导体衬底与所述活性层之间或所述活性层与所述包层之间的相位调制层；和
设置在所述接触层上的电极，
相对于所述活性层从所述接触层所处的一侧向该半导体发光元件的外部输出所述光学像，
所述相位调制层包括具有规定折射率的基层，和具有与所述基层的折射率不同的折射率的多个异折射率区域，
相位调制层包括第一区域和与所述第一区域不同的第二区域，其中，在沿所述法线方向从所述电极一侧观察所述相位调制层时，所述第一区域的至少一部分与所述电极重叠，
在与所述法线方向垂直的所述相位调制层的设计面上设定了虚拟的正方格子的状态下，所述多个异折射率区域中的所述第二区域内的1个或其以上的异折射率区域各自以下述方式配置在所述第二区域内：其重心与所述虚拟的正方格子的对应的格子点隔开规定距离，并且从所述对应的格子点去往所述重心的矢量在绕所述对应的格子点的方向上具有与所述光学像对应的旋转角度，
所述光学像作为仅由从所述第二区域通过所述电极的光成分构成的单个光束图案而生成，所述第二区域包括用于作为所述单个光束图案生成所述光学像的1个或其以上的区域。


2.一种半导体发光元件，包括具有主面和与所述主面相对的背面的半导体衬底，并且在相对于所述主面的法线方向倾斜的方向上输出光学像，其特征在于，包括：
设置在所述半导体衬底的所述主面上的活性层；
设置在所述活性层上的包层；
设置在所述包层上的接触层；
设置在所述半导体衬底与所述活性层之间或所述活性层与所述包层之间的相位调制层；和
设置在所述半导体衬底的所述背面上的电极，
相对于所述活性层从所述半导体衬底的所述背面所处的一侧向该半导体发光元件的外部输出所述光学像，
所述相位调制层包括具有规定折射率的基层，和具有与所述基层的折射率不同的折射率的多个异折射率区域，
相位调制层包括第一区域和与所述第一区域不同的第二区域，其中，在沿所述法线方向从所述电极一侧观察所述相位调制层时，所述第一区域的至少一部分与所述电极重叠，
在与所述法线方向垂直的所述相位调制层的设计面上设定了虚拟的正方格子的状态下，所述多个异折射率区域中的所述第二区域内的1个或其以上的异折射率区域各自以下述方式配置在所述第二区域内：其重心与所述虚拟的正方格子的对应的格子点隔开规定距离，并且从所述对应的格子点去往所述重心的矢量在绕所述对应的格子点的方向上具有与所述光学像对应的旋...

【专利技术属性】
技术研发人员：泷口优，广瀬和义，黑坂刚孝，杉山贵浩，野本佳朗，上野山聪，
申请(专利权)人：浜松光子学株式会社，
类型：发明
国别省市：日本;JP