DE102017212738A1

DE102017212738A1 - Lichtemittierende Halbleitervorrichtung und Verfahren zur Herstellung derselben

Info

Publication number: DE102017212738A1
Application number: DE102017212738.4A
Authority: DE
Inventors: Kazuyoshi Hirose; Yoshitaka Kurosaka; Takahiro Sugiyama; Yuu Takiguchi; Yoshiro Nomoto
Original assignee: Hamamatsu Photonics KK
Current assignee: Hamamatsu Photonics KK
Priority date: 2016-07-25
Filing date: 2017-07-25
Publication date: 2018-01-25
Also published as: US20180026419A1; JP6978868B2; JP2018198302A; US9991669B2

Abstract

Die Ausführungsform betrifft eine lichtemittierende Halbleitervorrichtung, die in der Lage ist, Rauschlicht zu reduzieren, das einen gitterförmigen dunklen Abschnitt aufweist, der ein Strahlenmuster überlagert. Die lichtemittierende Halbleitervorrichtung umfasst ein Halbleitersubstrat, eine erste Mantelschicht, eine aktive Schicht, eine zweite Mantelschicht und eine Kontaktschicht, die in dieser Reihenfolge auf dem Halbleitersubstrat vorgesehen sind, und eine Phasenmodulationsschicht, die zwischen der ersten Mantelschicht und der aktiven Schicht oder zwischen den aktiven Schicht und zweiten Mantelschicht vorgesehen ist. Die Phasenmodulationsschicht umfasst eine Basisschicht und mehrere erste modifizierte Brechungsindexbereiche, die einen anderen Brechungsindex als die Basisschicht aufweisen. In einem Fall, in dem ein virtuelles Quadratgitter innerhalb einer Ebene, die senkrecht zu einer Dickenrichtung der Phasenmodulationsschicht verläuft, angeordnet ist, ist die Phasenmodulationsschicht so konfiguriert, dass der modifizierte Brechungsindexbereich in jedem der Quadratgitter bildenden Einheitskomponentenbereiche vorgesehen ist, wobei der modifizierte Brechungsindexbereich so angeordnet ist, dass die Schwerpunktposition des modifizierten Brechungsindexbereichs von dem Gitterpunkt des entsprechenden Einheitskomponentenbereichs getrennt ist und einen Drehwinkel um den Gitterpunkt gemäß einem gewünschten optischen Bild aufweist.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft eine lichtemittierende Halbleitervorrichtung und ein Verfahren zur Herstellung der lichtemittierenden Halbleitervorrichtung.
STAND DER TECHNIK
Die in der internationalen Veröffentlichung Nr. WO 2014/136962 (Patentdokument 1) beschriebene lichtemittierende Halbleitervorrichtung umfasst eine aktive Schicht, ein Paar von Mantelschichten, die die aktive Schicht sandwichartig aufnehmen, und eine Phasenmodulationsschicht, die mit der aktiven Schicht optisch gekoppelt ist. Die Phasenmodulationsschicht umfasst eine Basisschicht und mehrere modifizierte Brechungsindexbereiche, die jeweils einen Brechungsindex aufweisen, der sich von dem Brechungsindex der Basisschicht unterscheidet. In dem Fall, in dem ein Quadratgitter auf der Phasenmodulationsschicht angeordnet ist, ist jeder der modifizierten Brechungsindexbereiche (Hauptlöcher) so angeordnet, dass er mit dem Mittelpunkt (Gitterpunkt) des entsprechenden Bereichs (mit einer quadratischen Form) in dem Quadratgitter übereinstimmt. Ein modifizierter Hilfsbrechungsindexbereich (Hilfsloch) ist um den modifizierten Brechungsindexbereich vorgesehen, der die Emission von Licht mit einem vorbestimmten Strahlenmuster ermöglicht.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die Erfinder haben die folgenden Probleme als Ergebnis von Untersuchungen an herkömmlichen lichtemittierenden Halbleitervorrichtungen festgestellt. Es gibt eine untersuchte lichtemittierende Halbleitervorrichtung, die ein beliebiges optisches Bild durch Steuern eines Phasenspektrums und eines Intensitätsspektrums des von mehreren zweidimensional angeordneten Lichtemissionspunkten emittierten Lichts ausgibt. Strukturen einer derartigen lichtemittierenden Halbleitervorrichtung umfassen eine Struktur mit einer unteren Mantelschicht, einer aktiven Schicht und einer oberen Mantelschicht, die auf einem Halbleitersubstrat vorgesehen sind, und mit einer Phasenmodulationsschicht zwischen der unteren Mantelschicht und der aktiven Schicht, oder zwischen der aktiven Schicht und der oberen Mantelschicht. Die Phasenmodulationsschicht ist aus einer Basisschicht und mehreren modifizierten Brechungsindexbereichen gebildet, die einen Brechungsindex aufweisen, der sich von dem Brechungsindex der Basisschicht unterscheidet. In einem Fall, in dem ein virtuelles Quadratgitter innerhalb einer Ebene senkrecht zu einer Dickenrichtung der Phasenmodulationsschicht festgelegt wird, weicht die Schwerpunktposition des modifizierten Brechungsindexbereichs, die jeweils den mehreren Quadratbereichen, die das Quadratgitter bilden, zugeordnet ist, von der Gitterpunktposition des quadratischen Bereichs, der entsprechend eines erzeugten optischen Bildes zugeordnet ist, ab. Eine solche lichtemittierende Halbleitervorrichtung wird als ein statisch integrierbarer phasenmodulierender (S-iPM) Laser bezeichnet und gibt einen Strahl zur Bildung eines optischen Bildes mit einer zweidimensionalen beliebigen Form in einer Richtung (Normalenrichtung) senkrecht zu der Hauptfläche des Halbleitersubstrats, oder in einer Richtung mit einem vorbestimmten Divergenzwinkel, bezogen auf die Normalenrichtung, aus.
Als die Erfinder jedoch die zuvor beschriebene herkömmliche lichtemittierende Halbleitervorrichtung herstellten, fanden sie jedoch heraus, dass Rauschlicht, das einen gitterförmigen dunklen Bereich aufweist, der ein Strahlenmuster überlagert, das dem von der Vorrichtung emittierten optischen Bild entspricht, die Qualität des optischen Bildes beeinträchtigt. 65A bis 66B zeigen Bilder, die diesen Zustand veranschaulichen. 65A und 66A veranschaulichen entworfene optische Bilder (ursprünglich Bilder), und 65B und 66B zeigen jeweils tatsächlich gemessene Strahlenmuster entsprechend den 65A und 66A. In diesen Bildern entspricht der Mittelpunkt jeder Figur einer Richtung senkrecht zu der Hauptfläche des Halbleitersubstrats. In 65B und 66B kennzeichnet jeder der hellen Punkte in der Mitte Licht nullter Ordnung, d. h. ein in Richtung senkrecht zu der Hauptfläche des Halbleitersubstrats emittiertes Licht, das nicht zur Bildung des optischen Bildes verwendet wird. Das oben rechts und unten links des hellen Punkts vorhandene Licht ist das zur Bildung des optischen Bildes verwendete Licht (Signallicht). Es sollte beachtet werden, dass zur Bildung einer stehenden Welle auf einer Schichtoberfläche der Phasenmodulationsschicht (eine Oberfläche parallel zu der Hauptfläche des Halbleitersubstrats) zur Oszillation eine Kombination der Lichtwellen, die sich um 180° zueinander in entgegengesetzte Richtungen bewegen, erforderlich ist. Als ein bestimmtes Beispiel werden im Falle eines Quadratgitters die Lichtwellen, die sich in vier Richtungen um 90° voneinander unterscheiden, kombiniert, um den Zustand einer zweidimensionalen stehenden Welle herzustellen. Dies führt zur Bildung von Lichtwellen, die sich in vier Richtungen, die sich um 90° voneinander unterscheiden, entlang der Schichtoberfläche in der Phasenmodulationsschicht bewegen, wobei die Lichtwellen, die sich in die vier Richtungen bewegen, in jedem der modifizierten Brechungsindexbereiche gestreut werden. Dies führt zusätzlich zu dem optischen Bild mit sehr hoher Wahrscheinlichkeit zur Bildung eines optischen Bildes, das um 180° gedreht ist. Das heißt, selbst in einem Fall, in dem ein gewünschtes optisches Bild (ursprüngliches Bild), wie in 65A und 66A gezeigt, gegeben ist, wird ein Strahlenmusterpaar, das um 180° rotationssymmetrisch zueinander ist, wie in den 65B und 66B gezeigt, beobachtet. Mit Bezug auf 65B und 66B ist ersichtlich, dass Rauschlicht mit einem gitterförmigen dunklen Bereich das Licht (Signallicht), das zur Bildung des optischen Bildes verwendet wird, überlagert. Insbesondere wird, wie in 65A gezeigt, in einem Fall, in dem das entworfene optische Bild insgesamt hell ist, wie in 66B gezeigt, die Überlagerung des Rauschlichts mit dem gitterförmigen, dunklen Bereich deutlich bemerkbar.
Die vorliegende Erfindung soll das zuvor beschriebene Problem lösen, und somit ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine lichtemittierende Halbleitervorrichtung mit einer Struktur, die das Rauschlicht mit einem gitterförmigen dunklen Bereich verringert, der ein Strahlenmuster entsprechend eines optischen Bildes überlagert, und ein Herstellungsverfahren derselben bereitzustellen.
Zur Lösung des zuvor beschriebenen Problems umfasst eine lichtemittierende Halbleitervorrichtung gemäß der vorliegenden Ausführungsform ein Halbleitersubstrat, und eine erste Mantelschicht, eine aktive Schicht, eine zweite Mantelschicht und eine Kontaktschicht, die der Reihe nach auf dem Halbleitersubstrat vorgesehen sind, und ferner eine Phasenmodulationsschicht, die zwischen der ersten Mantelschicht und der aktiven Schicht, oder zwischen der aktiven Schicht und der zweiten Mantelschicht angeordnet ist und aus einer Basisschicht und mehreren modifizierten Brechungsindexbereichen gebildet ist, die jeweils einen Brechungsindex aufweisen, der sich von dem Brechungsindex der Basisschicht unterscheidet, und wird ein Herstellungsverfahren gemäß der vorliegenden Ausführungsform zur Herstellung der lichtemittierenden Halbleitervorrichtung mit einer solchen Struktur bereitgestellt. Insbesondere ist in der lichtemittierenden Halbleitervorrichtung und dem Herstellungsverfahren derselben gemäß der vorliegenden Ausführungsform in einem Fall, in dem ein virtuelles Quadratgitter innerhalb einer Ebene senkrecht zu einer Dickenrichtung der Phasenmodulationsschicht angeordnet wird, die Phasenmodulationsschicht derart konfiguriert, dass der modifizierte Brechungsindexbereich, der in jedem der Einheitskomponentengebiete, die das Quadratgitter bilden (Bereiche mit quadratischen Formen), vorgesehen ist, der derart angeordnet ist, dass die Schwerpunktposition des modifizierten Brechungsindexbereichs von dem Gitterpunkt, der der Mitte des Einheitskomponentenbereichs entspricht, getrennt ist und einen Drehwinkel um den Gitterpunkt gemäß einem gewünschten optischen Bild aufweist.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 zeigt ein Diagramm, das eine Konfiguration einer Laservorrichtung als ein Beispiel einer lichtemittierenden Halbleitervorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform darstellt;
2 zeigt ein Diagramm, das eine Konfiguration mit einer Phasenmodulationsschicht, die zwischen einer unteren Mantelschicht und einer aktiven Schicht vorgesehen ist, als ein weiteres Beispiel der lichtemittierenden Halbleitervorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform darstellt;
3 zeigt eine Draufsicht der Phasenmodulationsschicht;
4 zeigt ein Diagramm, das eine Positionsbeziehung eines modifizierten Brechungsindexbereichs in der Phasenmodulationsschicht darstellt;
5 zeigt ein Diagramm zur Erläuterung einer Beziehung zwischen einem optischen Bild, das als ein Ausgangsstrahlenmuster der Laservorrichtung erhalten wird, und dem Drehwinkel in der Phasenmodulationsschicht;
6A und 6B zeigen Diagramme, die Punkte veranschaulichen, die zur Erzielung des Drehwinkels aus einem Fourier-Transformationsergebnis des optischen Bildes und zur Bestimmung der Anordnung des modifizierten Brechungsindexbereichs zu beachten sind;
7 zeigt eine grafische Darstellung der räumlichen Intensitätsverteilung einer Wellenlänge in der Nähe einer Oszillationswellenlänge;
8A und 8B zeigen grafische Darstellungen (Banddiagramm) der räumlichen Intensitätsverteilung mit der Wellenlänge auf der vertikalen Achse;
9 zeigt eine grafische Darstellung, die einen Zustand einer Modenerzeugung in einem Fall, in dem Brechungsindex der oberen Mantelschicht größer als der Brechungsindex der unteren Mantelschicht ist, darstellt;
10 zeigt eine grafische Darstellung, die einen Zustand einer Modenerzeugung darstellt;
11A und 11B zeigen Ergebnisse einer aktuellen Messung der Bandstruktur nach der Herstellung einer Halbleitervorrichtungsprobe gemäß der vorliegenden Ausführungsform;
12A bis 12D zeigen Messergebnisse der Strahlenmuster der hergestellten Halbleitervorrichtungsprobe (S-iPM-Laser);
13A bis 13G zeigen Beispiele von Formen, die unter den Formen der modifizierten Brechungsindexbereiche innerhalb der XY-Ebene spiegelsymmetrisch sind;
14a bis 14K zeigen Beispiele von Formen, die unter den Formen des modifizierten Brechungsindexbereichs innerhalb der XY-Ebene keine Rotationssymmetrie von 180° aufweisen;
15 zeigt eine Draufsicht einer Phasenmodulationsschicht gemäß einer Modifikation der vorliegenden Ausführungsform;
16 zeigt ein Diagramm, das eine Positionsbeziehung eines modifizierten Brechungsindexbereichs in der Phasenmodulationsschicht gemäß der Modifikation der vorliegenden Ausführungsform darstellt;
17A bis 17K zeigen Beispiele der Form des modifizierten Brechungsindexbereichs innerhalb der XY-Ebene gemäß der Modifikation der vorliegenden Ausführungsform;
18 zeigt ein Beispiel der Form des modifizierten Brechungsindexbereichs innerhalb der XY-Ebene;
19 zeigt eine Tabelle, die eine Schichtstruktur in einem Fall, in dem die Laservorrichtung aus einem Verbundhalbleiter auf GaAs-Basis (Emissionswellenlängenband 940 nm) gebildet ist, darstellt;
20 zeigt die Brechungsindexverteilung und die Modenverteilung einer Laservorrichtung mit der in 19 gezeigten Schichtstruktur;
21 zeigt eine Tabelle, die eine Schichtstruktur in einem Fall, in dem die Laservorrichtung aus einem Verbundhalbleiter auf InP-Basis (Emissionswellenlängenband 1300 nm) gebildet ist, darstellt;
22 zeigt die Brechungsindexverteilung und die Modenverteilung der Laservorrichtung mit der in 21 gezeigten Schichtstruktur;
23 zeigt eine Tabelle, die eine Schichtstruktur in einem Fall, in dem die Laservorrichtung aus einem Verbundhalbleiter auf Nitridbasis (Emissionswellenlängenband 405 nm) gebildet ist, darstellt;
24 zeigt die Brechungsindexverteilung und die Modenverteilung der Laservorrichtung mit der in 23 gezeigten Schichtstruktur;
25A und 25B zeigen eine Querschnittsansicht und die Brechungsindexverteilung zur Erläuterung eines Falles, bei dem die Wellenleiterstruktur durch Sechsschichtplatten-Wellenleiter approximiert wird;
26A und 26B zeigen eine Querschnittsansicht und die Brechungsindexverteilung zur Erläuterung eines Falles, bei dem die Wellenleiterstruktur durch Fünfschichtplatten-Wellenleiter approximiert wird;
27A und 27B zeigen eine Querschnittsansicht und die Brechungsindexverteilung, die eine Dreischichtplattenstruktur in Bezug auf eine optische Wellenleiterschicht in dem Sechsschichtplatten-Wellenleiter darstellen;
28A und 28B zeigen eine Querschnittsansicht und die Brechungsindexverteilung, die eine Dreischichtplattenstruktur in Bezug auf eine Kontaktschicht in einem Sechsschichtplatten-Wellenleiter darstellen;
29A und 29B zeigen eine Querschnittsansicht und die Brechungsindexverteilung, die eine Dreischichtplattenstruktur, bezogen auf eine optische Wellenleiterschicht, in dem Fünfschichtplatten-Wellenleiter darstellen;
30A und 30B zeigen eine Querschnittsansicht und die Brechungsindexverteilung, die eine Dreischichtplattenstruktur in Bezug auf eine Kontaktschicht in einem Fünfschichtplatten-Wellenleiter darstellen;
31A und 31B zeigen die Brechungsindexverteilung und eine Querschnittsansicht einer Dreischichtplattenstruktur, die eine untere Mantelschicht, eine optische Wellenleiterschicht und eine obere Mantelschicht aufweist;
32 zeigt eine Tabelle, die ein Beispiel einer Fünfschichtplattenstruktur in einem Fall, in dem die Laservorrichtung aus einem Verbundhalbleiter auf GaAs-Basis gebildet ist, darstellt;
33A zeigt eine Tabelle, die die Brechungsindizes n₁, n₂ und n₃, einen asymmetrischen Parameter a' und einen Brechungsindex n_clad der unteren Mantelschicht, die für die Berechnung verwendet werden, angibt, und 33B zeigt eine Tabelle, die ein Ergebnis der Berechnung eines unteren Grenzwertes und eines oberen Grenzwertes angibt;
34 zeigt ein Diagramm, das eine Beziehung zwischen einer normalisierten Wellenleiterbreite V₁ der optischen Wellenleiterschicht und einem normalisierten Ausbreitungskoeffizienten b, die in den Formeln (16) und (17) definiert sind, darstellt;
35A zeigt eine Tabelle, die die Brechungsindizes n₄, n₅ und n₆, die asymmetrischen Parameter a' und den Brechungsindex nclad der unteren Mantelschicht, die zur Berechnung verwendet werden, darstellt, und 35B ist eine Tabelle, die ein Ergebnis des Berechnungsergebnisses des oberen Grenzwerts darstellt;
36 zeigt ein Diagramm, das eine Beziehung zwischen einer normalisierten Wellenleiterbreite V₂ der Kontaktschicht und des normalisierten Ausbreitungskoeffizienten b, die in den Formeln (23) und (24) definiert sind, darstellt;
37 zeigt die Brechungsindexverteilung und die Modenverteilung der Laservorrichtung, die die in 32 dargestellte Schichtstruktur aufweist;
38 zeigt eine Tabelle, die ein Beispiel einer Sechsschichtplattenstruktur in einem Fall, in dem de Laservorrichtung aus einem Verbundhalbleiter auf InP-Basis gebildet ist, darstellt;
39A zeigt eine Tabelle, die die Brechungsindizes n₁, n₂ und n₃, einen asymmetrischen Parameter a' und einen Brechungsindex n_clad der unteren Mantelschicht, die für die Berechnung verwendet werden, darstellt, und 39B zeigt eine Tabelle, die ein Ergebnis der Berechnung eines unteren Grenzwerts und eines oberen Grenzwerts darstellt;
40 zeigt ein Diagramm, das eine Beziehung zwischen der normalisierten Wellenleiterbreite V₁ in der optischen Wellenleiterschicht und dem normalisierten Ausbreitungskoeffizienten b, die in den Formeln (16) und (17) definiert sind, darstellt;
41A zeigt eine Tabelle, die die Brechungsindizes n₄, n₅ und n₆, den asymmetrischen Parameter a' und den Brechungsindex n_clad der unteren Mantelschicht, die für die Berechnung verwendet werden, darstellt, und 41B zeigt eine Tabelle, die ein Ergebnis der Berechnung des oberen Grenzwertes darstellt;
42 zeigt ein Diagramm, das eine Beziehung zwischen der normalisierten Wellenleiterbreite V₂ der Kontaktschicht und dem normalisierten Ausbreitungskoeffizienten b, die in den Formeln (23) und (24) definiert sind, darstellt;
43 zeigt die Brechungsindexverteilung und die Modenverteilung der Laservorrichtung, die die in 38 dargestellte Schichtstruktur aufweist;
44 zeigt eine Tabelle, die ein Beispiel einer Sechsschichtplattenstruktur in einem Fall, in dem die Laservorrichtung aus einem Verbundhalbleiter auf Nitridbasis gebildet ist, darstellt;
45A zeigt eine Tabelle, die die Brechungsindizes n₁, n₂ und n₃, den asymmetrischen Parameter a' und den Brechungsindex nclad der unteren Mantelschicht, die für die Berechnung verwendet werden, darstellt, und 45B zeigt ein Ergebnis der Berechnung des unteren Grenzwertes und des oberen Grenzwertes;
46 zeigt ein Diagramm, das eine Beziehung zwischen der normalisierten Wellenleiterbreite V₁ der optischen Wellenleiterschicht und dem normalisierten Ausbreitungskoeffizienten b, die in den Formeln (16) und (17) definiert sind, darstellt;
47A zeigt eine Tabelle, die die Brechungsindizes n₄, n₅ und n₆, den asymmetrischen Parameter a' und den Brechungsindex n_clad der unteren Mantelschicht, die für die Berechnung verwendet werden, darstellt, und 47B zeigt eine Tabelle, die ein Ergebnis der Berechnung des oberen Grenzwertes darstellt;
48 zeigt ein Diagramm, das eine Beziehung zwischen der normalisierten Wellenleiterbreite V₂ der Kontaktschicht und dem normalisierten Ausbreitungskoeffizienten b, die in den Formeln (23) und (24) definiert sind, darstellt;
49 zeigt die Brechungsindexverteilung und die Modenverteilung der Laservorrichtung, die die in 44 dargestellte Schichtstruktur aufweist;
50 zeigt ein Diagramm, das eine Konfiguration einer Laservorrichtung als ein Beispiel einer lichtemittierenden Halbleitervorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform darstellt;
51 zeigt ein Diagramm, das einen Fall, bei dem eine Phasenmodulationsschicht zwischen der unteren Mantelschicht und einer aktiven Schicht vorgesehen ist, als ein weiteres Beispiel der lichtemittierenden Halbleitervorrichtung gemäß der zweiten Ausführungsform darstellt;
52A bis 52C zeigen Diagramme, die Konfigurationen eines weiteren Beispiels der lichtemittierenden Halbleitervorrichtung gemäß der zweiten Ausführungsform darstellen;
53 zeigt ein Draufsicht einer Laservorrichtung bei Betrachtung von der Elektrodenseite (Vorderflächenseite);
54A bis 54C zeigen Diagramme zur Erläuterung eines Herstellungsverfahrens für die Laservorrichtung gemäß der zweiten Ausführungsform (einen Fall, bei dem eine Strombegrenzungsschicht durch Oxidation gebildet wird);
55A und 55B zeigen Diagramme zur Erläuterung eines Herstellungsverfahrens für die Laservorrichtung gemäß der zweiten Ausführungsform (einen Fall, bei dem die Strombegrenzungsschicht durch Oxidation gebildet wird);
56A und 56B zeigen Diagramme zur Erläuterung eines Herstellungsverfahrens für die Laservorrichtung gemäß der zweiten Ausführungsform (einen Fall, bei dem die Strombegrenzungsschicht durch Protoneninjektion gebildet wird);
57 zeigt ein Diagramm zur Erläuterung eines Herstellungsverfahrens für die Laservorrichtung gemäß der zweiten Ausführungsform (einen Fall, bei dem die Strombegrenzungsschicht durch Protoneninjektion gebildet wird);
58A bis 58C zeigen Diagramme zur Erläuterung eines Herstellungsverfahrens für die Laservorrichtung gemäß der zweiten Ausführungsform (einen Fall, bei dem die Strombegrenzungsschicht durch eine inverse pn-Übergangsstruktur (erstes Herstellungsverfahren) gebildet wird);
59A und 59B zeigen Diagramme zur Erläuterung des Verfahrens zur Herstellung der Laservorrichtung gemäß der zweiten Ausführungsform (einen Fall, bei dem die Strombegrenzungsschicht durch eine inverse pn-Übergangsstruktur (erstes Herstellungsverfahren) gebildet wird);
60A bis 60C zeigen Diagramme zur Erläuterung des Verfahrens zur Herstellung der Laservorrichtung gemäß der zweiten Ausführungsform (einen Fall, bei dem die Strombegrenzungsschicht durch eine inverse pn-Übergangsstruktur (zweites Herstellungsverfahren) gebildet wird);
61A und 61B zeigen Diagramme zur Erläuterung des Verfahrens zur Herstellung der Laservorrichtung gemäß der zweiten Ausführungsform (einen Fall, bei dem Strombegrenzungsschicht durch eine inverse pn-Übergangsstruktur (zweites Herstellungsverfahren) gebildet wird);
62 zeigt eine Tabelle, die eine bestimmte Schichtstruktur der Laservorrichtung gemäß einem Beispiel darstellt;
63 zeigt ein Diagramm, das die Brechungsindexverteilung und die Modenverteilung der Laservorrichtung darstellt, die die in 62 gezeigte Schichtstruktur aufweist;
64 zeigt ein Diagramm, das eine Modifikation der Phasenmodulationsschicht darstellt;
65A zeigt ein entworfenes optisches Bild (ursprüngliches Bild), und 65B zeigt ein tatsächlich gemessenes Strahlenmuster, das der 65A entspricht;
66A zeigt ein entworfenes optisches Bild (ursprüngliches Bild), und 66B zeigt ein tatsächlich gemessenes Strahlenmuster, das der 66A entspricht; und
67 zeigt ein Diagramm zur Erläuterung einer Koordinatentransformation von sphärischen Koordinaten (r, θ_tilt, θ_rot) in Koordinaten (x, y, z) in dem orthogonalen XYZ-Koordinatensystem.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
[Beschreibung der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung]
Zunächst werden Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung einzeln aufgezählt und beschrieben.

(1) Eine lichtemittierende Halbleitervorrichtung gemäß der vorliegenden Ausführungsform ist eine Vorrichtung, die konfiguriert ist, um ein optisches Bild mit einer beliebigen Form in entweder einer Normalenrichtung einer Hauptfläche eines Halbleitersubstrats, einer geneigten Richtung mit einer vorbestimmten Neigung und einem Divergenzwinkel in Bezug auf die Normalenrichtung, oder sowohl in der Normalenrichtung als auch in der geneigten Richtung auszugeben, und es wird ein Herstellungsverfahren für die lichtemittierende Halbleitervorrichtung gemäß der vorliegenden Ausführungsform zur Herstellung der Vorrichtung verwendet. Gemäß einem Aspekt der lichtemittierenden Halbleitervorrichtung und dem Herstellungsverfahren derselben gemäß der vorliegenden Ausführungsform umfasst die lichtemittierende Halbleitervorrichtung ein Halbleitersubstrat, eine erste Mantelschicht, eine aktive Schicht, eine zweite Mantelschicht, eine Kontaktschicht und eine Phasenmodulationsschicht. Insbesondere ist die erste Mantelschicht auf dem Halbleitersubstrat vorgesehen, und die aktive Schicht ist auf der ersten Mantelschicht vorgesehen. Die zweite Mantelschicht ist auf der aktiven Schicht vorgesehen und hat einen Brechungsindex gleich oder kleiner als ein Brechungsindex der ersten Mantelschicht. Die Kontaktschicht ist auf der zweiten Mantelschicht vorgesehen. Die Phasenmodulationsschicht ist zwischen der ersten Mantelschicht und der aktiven Schicht oder zwischen der aktiven Schicht und der zweiten Mantelschicht vorgesehen. Die Phasenmodulationsschicht ist aus einer Basisschicht mit einem vorbestimmten Brechungsindex und mehreren ersten modifizierten Brechungsindexbereichen, die jeweils einen sich von der Basisschicht unterscheidenden Brechungsindex aufweisen, gebildet.

Insbesondere ist gemäß einem Aspekt der lichtemittierenden Halbleitervorrichtung und dem Herstellungsverfahren derselben gemäß der vorliegenden Ausführungsform als erste Vorbedingung ein virtuelles Quadratgitter mit einer quadratischen Form, das aus M1 (eine ganze Zahl von eins oder mehr) × N1 (eine ganze Zahl von eins oder mehr) Einheitskomponentenbereichen R gebildet ist, auf einer X-Y-Ebene, die eine X-Achse und eine Y-Achse, die orthogonal zueinander sind, aufweist und einer Oberfläche der Phasenmodulationsschicht mit mehreren ersten modifizierten Brechungsindexbereichen entspricht, in einem orthogonalen XYZ-Koordinatensystem, das durch eine Normalenrichtung entsprechenden Z-Achse und der X-Y-Ebene definiert ist, angeordnet.
Als zweite Vorbedingung erfüllen die Koordinaten (x, y, z) in dem XYZ-Koordinatensystem eine Beziehung, die in den folgenden Formeln (1) bis (3) in Bezug auf sphärische Koordinaten (r, θ_tilt, θ_rot), die durch die Radiusvektorlänge r, den Neigungswinkel θtilt von der Z-Achse und einen Drehwinkel θ_rot von der Y-Achse, die in der X-Y-Ebene liegen, wie in 67 gezeigt, definiert ist. Es sollte beachtet werden, dass 67 ein Diagramm zur Erläuterung der Koordinatentransformation von den sphärischen Koordinaten (r, θ_tilt, θ_rot) auf die Koordinaten (x, y, z) in dem orthogonalen XYZ-Koordinatensystem darstellt, wobei die Koordinaten (x, y, z) ein entworfenes optisches Bild in einer vorbestimmten Ebene darstellen, die in dem orthogonalen XYZ-Koordinatensystem als realer Raum festgelegt ist. Ist ein Strahlenmuster, das dem optischen Bild entspricht, das aus der lichtemittierenden Halbleitervorrichtung ausgegeben wird, eine Gruppe von hellen Punkten, die in eine durch die Winkel θ_tilt und θ_rot definierten Richtung angeordnet sind, werden die Winkel θ_tilt und θ_rot in einen Koordinatenwert k_x auf der Kx-Achse, die der X-Achse entspricht, d. h., eine durch die nachfolgende Formel (4) definierte normalisierte Wellenzahl, und in einen Koordinatenwert k_y auf einer Ky-Achse, die der Y-Achse entspricht und orthogonal zu der Kx-Achse ist, d. h. eine durch die nachfolgende Formel (5) definierte normalisierte Wellenzahl, umgewandelt. Die normalisierte Wellenzahl entspricht einer Wellenzahl, die auf der Grundlage der Wellenzahl entsprechend dem Gitterabstand des virtuellen Quadratgitters auf 1,0 normiert ist. Zu diesem Zeitpunkt ist ein bestimmter Wellenzahlbereich mit einem Strahlenmuster, das dem optischen Bild entspricht, aus quadratischen M2 (eine ganze Zahl von eins oder mehr) × N2 (eine ganze Zahl von eins oder mehr) Bildbereichen FR in einem Wellenzahlraum, der durch die Kx-Achse und die Ky-Achse definiert ist, gebildet. Es sollte beachtet werden, dass die ganze Zahl M2 nicht mit der ganzen Zahl M1 übereinstimmen muss. In ähnlicher Weise muss die ganze Zahl N2 nicht mit der ganzen Zahl N1 übereinstimmen. Darüber hinaus sind die Formeln (4) und (5) in 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) offenbart. x = rsinθ_tiltcosθ_rot (1) y = rsinθ_tiltsinθ_rot (2) z = rcosθ_tilt (3) k_x = a / λsinθ_tiltcosθ_rot (4) k_y = a / λsinθ_tiltsinθ_rot (5)

a:: Gitterkonstante des virtuellen Quadratgitters
λ:: Oszillationswellenlänge der lichtemittierenden Halbleitervorrichtung

Als dritte Vorbedingung ist eine komplexe Amplitude F (x, y) durch die folgende Formel (6) gegeben, wobei j eine imaginäre Einheit ist, wobei die komplexe Amplitude F (x, y) im Wellenzahlraum durch Durchführen einer zweidimensionalen inversen Fourier-Transformation in einem Bildbereich FR (k_x, k_y) erhalten wird, der einzeln durch eine Koordinatenkomponente k_x (eine ganze Zahl von eins oder mehr und M2 oder weniger) in der Kx-Achsenrichtung und eine Koordinatenkomponente k_y (eine ganze Zahl von eins oder mehr und N2 oder weniger) in der Ky-Achsenrichtung bestimmt wird, um in einen Einheitskomponentenbereich R (x, y) in der X-Y-Ebene umgewandelt zu werden, die durch eine Koordinatenkomponente x (eine ganze Zahl von eins oder mehr und M1 oder weniger) in der X-Achsenrichtung und eine Koordinatenkomponente y (eine ganze Zahl von eins oder mehr und N1 oder weniger) in der Y-Achsenrichtung definiert ist. Wird darüber hinaus eine Amplitude als A (x, y) und eine Phase als P (x, y) gekennzeichnet, wird die komplexe Amplitude F (x, y) entsprechend der nachfolgenden Formel (7) definiert. Darüber hinaus ist als eine vierte Vorbedingung der Einheitskomponentenbereich R (x, y) durch eine s-Achse und eine t-Achse definiert, die jeweils parallel zu der X-Achse und der Y-Achse verlaufen und auf einem Gitterpunkt O (x, y) als einen Mittelpunkt des Einheitskomponentenbereichs R (x, y) orthogonal zueinander sind.
F(x, y) = A(x, y) × exp[jP(x, y)] (7)
In der zuvor beschriebenen ersten bis vierten Vorbedingung ist die Phasenmodulationsschicht derart konfiguriert, dass sie die erste und zweite nachfolgende Bedingung erfüllt. Die erste Bedingung ist, dass jeder der mehreren ersten modifizierten Brechungsindexbereiche so angeordnet ist, dass ein Schwerpunkt G1 des ersten modifizierten Brechungsindexbereichs innerhalb eines Einheitskomponentenbereichs R (x, y) vom Gitterpunkt O (x, y) entfernt ist. Die zweite Bedingung ist, dass in einem Zustand, in dem eine Länge r (x, y) eines Liniensegments vom Gitterpunkt O (x, y) zum Schwerpunkt G1 des entsprechenden ersten modifizierten Brechungsindexbereichs in jedem der M1 × N1-Einheitskomponentenbereiche R auf einen gemeinsamen Wert festgelegt ist, der entsprechende erste modifizierte Brechungsindexbereich in dem Einheitskomponentenbereich R (x, y) so angeordnet ist, dass ein Winkel φ (x, y), der durch das Liniensegment, das den Gitterpunkt O (x, y) mit dem Schwerpunkt G1 des entsprechenden ersten modifizierten Brechungsindexbereichs verbindet, und die s-Achse gebildet wird, die folgende Beziehung erfüllt. φ(x, y) = C × P(x, y) + B

C:: Proportionalitätskonstante 180°/π
B:: beliebige Konstante, beispielsweise Null.

Als Ergebnis der Studien haben die Erfinder der vorliegenden Erfindung herausgefunden, dass Rauschlicht mit dem gitterförmigen dunklen Bereich durch eine Mode höherer Ordnung in einer Stapelrichtung innerhalb der lichtemittierenden Halbleitervorrichtung erzeugt wird. Die Grundmode in der Stapelrichtung ist eine Mode mit einer Intensitätsverteilung, bei der ein Peak über dem Bereich, der die aktive Schicht umfasst und zwischen der ersten Mantelschicht und der zweiten Mantelschicht sandwichartig angeordnet ist, vorhanden ist. Die Mode höherer Ordnung ist eine Mode mit einer Intensitätsverteilung, bei der zwei oder mehr Peaks vorhanden sind. Es sollte beachtet werden, dass der Peak der Intensitätsverteilung in der Grundmode in der Nähe der aktiven Schicht gebildet wird, während der Peak der Intensitätsverteilung in der Mode höherer Ordnung auch in der ersten Mantelschicht, der zweiten Mantelschicht, der Kontaktschicht oder dergleichen vorhanden sein kann. Während es eine geführte Mode und eine Leckmode als Moden in der Stapelrichtung gibt, wird der Fokus hierin lediglich auf die geführte Mode gelegt, da die Leckmode nicht stabil vorhanden ist. Während darüber hinaus die geführte Mode eine TE-Mode, in der ein elektrischer Feldvektor in einer Richtung in der Ebene der Schicht vorhanden ist, und eine TM-Mode, in der ein elektrischer Feldvektor in einer Richtung senkrecht zu der Schichtoberfläche vorhanden ist, umfasst, wird der Fokus hierin lediglich auf die TE-Mode gelegt. Die Erfinder haben herausgefunden, dass die Erzeugung einer solchen Mode höherer Ordnung in einem Fall, in dem der Brechungsindex der zweiten Mantelschicht (obere Mantelschicht) zwischen der aktiven Schicht und der Kontaktschicht höher als der Brechungsindex der ersten Mantelschicht (untere Mantelschicht) zwischen der aktiven Schicht und dem Halbleitersubstrat ist, deutlich bemerkbar wird. Üblicherweise ist der Brechungsindex von sowohl der aktiven Schicht als auch der Kontaktschicht erheblich höher als der Brechungsindex der Mantelschichten. Dementsprechend wird in einem Fall, in dem der Brechungsindex der zweiten Mantelschicht größer als der Brechungsindex der ersten Mantelschicht ist, das Licht auch in der zweiten Mantelschicht eingeschlossen, wodurch die geführte Mode gebildet wird. Dies führt zu der Erzeugung der Moden höherer Ordnung.
In der lichtemittierenden Halbleitervorrichtung mit der zuvor beschriebenen Struktur ist der Brechungsindex der zweiten Mantelschicht gleich oder kleiner als der Brechungsindex der ersten Mantelschicht. Mit diesem Aufbau ist es möglich, die Erzeugung der zuvor beschriebenen Mode höherer Ordnung zu unterdrücken und das Rauschlicht mit einem gitterförmigen dunklen Bereich, der das Strahlenmuster überlagert, zu verringern.
In der Phasenmodulationsschicht weist vorzugsweise ein Abstand r zwischen dem Mittelpunkt (Gitterpunkt) eines jeden der Einheitskomponentenbereiche, die das virtuelle Quadratgitter bilden, und dem Schwerpunkt G1 des entsprechenden modifizierten Brechungsindexbereichs über die gesamte Phasenmodulationsschicht einen konstanten Wert auf. In einem Fall, in dem die Phasenverteilung (die Verteilung des Phasenausdrucks P (x, y) in der komplexen Amplitude F (x, y), die dem Einheitskomponentenbereich R (x, y) zugeordnet ist) in der gesamten Phasenmodulationsschicht mit 0 bis 2π (rad) festgelegt ist, entspricht bei dieser Anordnung der Schwerpunkt des modifizierten Brechungsindexbereichs durchschnittlich dem Gitterpunkt des Einheitskomponentenbereichs R im Quadratgittern. Daher sind die Effekte der zweidimensional verteilten Bragg-Beugung in der zuvor beschriebenen Phasenmodulationsschicht annähernd so wie die Effekte der zweidimensional verteilten Bragg-Beugung in dem Fall, in dem der modifizierte Brechungsindexbereich auf jedem der Gitterpunkte des Quadratgitters angeordnet ist, wodurch die Bildung einer stehenden Welle erleichtert wird und eine Verringerung des Schwellenstroms für die Oszillation zu erwarten ist.

(2) Gemäß einem Aspekt einer lichtemittierenden Halbleitervorrichtung und einem Herstellungsverfahren derselben gemäß der vorliegenden Ausführungsform ist jeweils die erste Mantelschicht, die aktive Schicht und die zweite Mantelschicht vorzugsweise eine Verbindungshalbleiterschicht, die durch Elemente gebildet ist, die in einer Gruppe, die aus den Gruppe III-Elementen Ga, Al und In und dem Gruppe V-Element As besteht, enthalten sind. Darüber hinaus ist der Brechungsindex der zweiten Mantelschicht vorzugsweise kleiner als der Brechungsindex der ersten Mantelschicht. In diesem Fall ist es auch möglich, die Bildung der Mode hoher Ordnung, wie zuvor beschrieben, zu verhindern und das Rauschlicht mit einem gitterförmigen dunklen Bereich, der das Strahlenmuster überlagert, zu verringern.
(3) Gemäß einem Aspekt einer lichtemittierenden Halbleitervorrichtung und einem Herstellungsverfahren derselben gemäß der vorliegenden Ausführungsform erfüllt eine Dreischichtplatten-Wellenleiterstruktur, die eine optische Wellenleiterschicht und zwei an die optische Wellenleiterschicht angrenzende Schichten enthält, vorzugsweise die nachfolgende Bedingung. Insbesondere ist die optische Wellenleiterschicht in der Dreischicht-Wellenleiterstruktur in einem Fall, in dem der Brechungsindex der Phasenmodulationsschicht kleiner als der Brechungsindex der ersten Mantelschicht ist, aus der aktiven Schicht gebildet. Im Gegensatz dazu ist die optische Wellenleiterschicht in dem Fall, in dem der Brechungsindex der Phasenmodulationsschicht gleich oder höher als der Brechungsindex der ersten Mantelschicht ist, aus der Phasenmodulationsschicht und der aktiven Schicht gebildet. In jedem Fall enthält die optische Wellenleiterschicht weder die erste noch die zweite Mantelschicht. In einer solchen Dreischichtplatten-Wellenleiterstruktur, wenn eine normalisierte Wellenleiterbreite V₁ in der TE-Mode durch die nachfolgenden Formeln (8) und (9) definiert ist, und ein asymmetrischer Parameter a' und ein normalisierter Ausbreitungskoeffizient b reelle Zahlen sind, die jeweils die nachfolgenden Formeln (10) und (11) erfüllen, werden die normalisierte Wellenleiterbreite V₁ und der normalisierte Ausbreitungskoeffizient b so eingestellt, dass sie innerhalb eines Bereichs liegen, der nur eine Lösung für die normalisierte Wellenleiterbreite V₁ aufweist.

Dabei ist die TE-Mode eine Ausbreitungsmode in einer Schichtdickenrichtung, n₁ ein Brechungsindex der optischen Wellenleiterschicht mit der aktiven Schicht, n₂ ein Brechungsindex der Schicht, die unter den an die optische Wellenleiterschicht angrenzenden Schichten einen höheren Brechungsindex aufweist, N₁ eine Modenfolge, n_clad ein Brechungsindex der ersten Mantelschicht, n₃ ein Brechungsindex einer Schicht, die unter den an die optische Wellenleiterschicht angrenzenden Schichten einen niedrigeren Brechungsindex aufweist, und n_eff ein äquivalenter Brechungsindex der TE-Mode in der Dreischichtplatten-Wellenleiterstruktur.
Gemäß den Untersuchungen der Erfinder wurde herausgefunden, dass die Mode höherer Ordnung auch in der optischen Wellenleiterschicht (Schicht mit hohem Brechungsindex), die die aktive Schicht aufweist, erzeugt wird. Es wurde darüber hinaus herausgefunden, dass die Moden höherer Ordnung unterdrückt werden können, indem die Dicke und der Brechungsindex der optischen Wellenleiterschicht in geeigneter Weise gesteuert werden. Das heißt, wenn der Wert der normalisierten Wellenleiterbreite V₁ der optischen Wellenleiterschicht den zuvor beschriebenen Bedingungen genügt, ist es möglich, die Bildung der Mode höherer Ordnung zu verhindern und ferner das Rauschlicht mit dem gitterförmigen dunklen Bereich, das das Strahlenmuster überlagert, zu verringern.

(4) Gemäß einem weiteren Aspekt der lichtemittierenden Halbleitervorrichtung und dem Herstellungsverfahren gemäß der vorliegenden Ausführungsform erfüllt eine weitere Dreischichtplatten-Wellenleiterstruktur, die die Kontaktschicht und zwei an der Kontaktschicht angrenzende Schichten enthält, die nachfolgende Bedingung. Das heißt, in einer solchen weiteren Dreischichtplatten-Wellenleiterstruktur, wenn eine normalisierte Wellenleiterbreite V₂ der Kontaktschicht durch die nachfolgenden Formeln (12) und (13) definiert ist, und wenn der asymmetrische Parameter a' und der normalisierte Ausbreitungskoeffizient b reelle Zahlen sind, die jeweils die nachfolgenden Formeln (14) und (15) erfüllen, werden die normalisierte Wellenleiterbreite V₂ und der normalisierte Ausbreitungskoeffizient b derart eingestellt, dass sie innerhalb eines Bereichs liegen, der keine Lösung für die normalisierte Wellenleiterbreite V₂ aufweist.

Hierbei ist n₄ ein Brechungsindex der Kontaktschicht, n₅ ein Brechungsindex einer Schicht, die unter den an die Kontaktschicht angrenzenden Schichten einen höheren Brechungsindex aufweist, n₆ ein Brechungsindex einer Schicht, die unter den an die Kontaktschicht angrenzenden Schichten einen niedrigeren Brechungsindex aufweist, N₂ die Modenfolge, und n_eff ein äquivalenter Brechungsindex der TE-Mode in der weiteren Dreischichtplatten-Wellenleiterstruktur.
Auf diese Weise ist es durch geeignetes Steuern der Dicke der Kontaktschicht möglich, die Bildung der geführten Mode, die durch die Kontaktschicht erzeugt wird, zu verhindern und ferner die Bildung der Mode höherer Ordnung in der Laservorrichtung zu unterdrücken.

(5) Gemäß einem Aspekt der lichtemittierenden Halbleitervorrichtung und dem Herstellungsverfahren derselben gemäß der vorliegenden Ausführungsform sind vorzugsweise die Größen der mehreren ersten modifizierten Brechungsindexbereiche innerhalb der X-Y-Ebene gleich. Gemäß einem Aspekt der lichtemittierenden Halbleitervorrichtung und dem Herstellungsverfahren derselben gemäß der vorliegenden Ausführungsform sind die Längen der mehreren ersten modifizierten Brechungsindexbereiche, die in einer Z-Richtung orthogonal zu der X-Y-Ebene verlaufen und der Dickenrichtung der Phasenmodulationsschicht entsprechen, gleich. Als Ergebnis der Untersuchung durch die Erfinder im Falle der Bildung des modifizierten Brechungsindexbereichs durch beispielsweise einen Trockenätzschritt gibt es einen Fall, bei dem die Tiefen der Löcher (d. h. die Längen der einzelnen modifizierten Brechungsindexbereiche in der Z-Richtung) voneinander verschieden sind, wenn die Größen der Löcher (d. h. die Größen der einzelnen modifizierten Brechungsindexbereiche innerhalb der X-Y-Ebene) voneinander verschieden sind. Schwankungen in den Längen der modifizierten Brechungsindexbereiche in der Z-Richtung führen zu einer ungewollten Phasenverschiebung, wodurch es zu einer Verringerung der Reproduzierbarkeit des Ausgangsstrahlenmusters kommt. Dementsprechend weist die Größe eines jeden modifizierten Brechungsindexbereichs innerhalb der X-Y-Ebene über die gesamte Phasenmodulationsschicht vorzugsweise einen konstanten Wert auf. Aus dem gleichen Grund weist die Länge eines jeden modifizierten Brechungsindexbereichs in der Z-Achsenrichtung vorzugsweise über die gesamte Phasenmodulationsschicht einen konstanten Wert auf.
(6) Gemäß einem Aspekt der lichtemittierenden Halbleitervorrichtung und dem Herstellungsverfahren derselben gemäß der vorliegenden Ausführungsform weist die Form eines jeden der mehreren ersten modifizierten Brechungsindexbereiche vorzugsweise eine Spiegelsymmetrie in der X-Y-Ebene auf. Darüber hinaus weist gemäß einem Aspekt der lichtemittierenden Halbleitervorrichtung gemäß der vorliegenden Ausführungsform und dem Herstellungsverfahren derselben die Form eines jeden der mehreren ersten modifizierten Brechungsindexbereiche keine Rotationssymmetrie von 180° in der X-Y-Ebene auf. Ferner weisen gemäß einem Aspekt der lichtemittierenden Halbleitervorrichtung gemäß der vorliegenden Ausführungsform und dem Herstellungsverfahren derselben die mehreren ersten modifizierten Brechungsindexbereiche vorzugsweise in der X-Y-Ebene eine identische Form auf. Als ein Ergebnis der Untersuchungen durch die Erfinder wurde herausgefunden, dass eine Strukturierung mit hoher Genauigkeit in dem Fall, in dem die Form eines jeden der modifizierten Brechungsindexbereiche innerhalb der X-Y-Ebene eine Spiegelsymmetrie aufweist, mit hoher Genauigkeit durchgeführt werden kann. Darüber hinaus wurde herausgefunden, dass in dem Fall, in dem die Form eines jeden der modifizierten Brechungsindexbereiche innerhalb der X-Y-Ebene keine Rotationssymmetrie von 180° aufweist, die Lichtausgabe zunimmt. Darüber hinaus wurde herausgefunden, dass in dem Fall, in dem die Formen der mehreren modifizierten Brechungsindexbereiche innerhalb der X-Y-Ebene identisch zueinander sind, die Erzeugung des Rauschlichts und des Lichts nullter Ordnung als Rauschen innerhalb des Strahlenmusters zu unterdrücken.
(7) Gemäß einem Aspekt der lichtemittierenden Halbleitervorrichtung und dem Herstellungsverfahren desselben gemäß der vorliegenden Ausführungsform kann die Phasenmodulationsschicht mehrere zweite modifizierte Brechungsindexbereiche unfassen, die von den mehreren ersten modifizierten Brechungsindexbereiche verschieden sind, die in jedem der Einheitskomponentenbereiche, die ein Quadratgitter bilden, vorgesehen sind. Insbesondere umfasst die Phasenmodulationsschicht ferner mehrere zweite modifizierte Brechungsindexbereiche, die gemäß jedem der M1 × N1-Einheitkomponentenbereiche R vorgesehen sind. Zu diesem Zeitpunkt umfasst unter den mehreren zweiten modifizierten Brechungsindexbereichen der zweite modifizierte Brechungsindexbereich, der innerhalb des Einheitskomponentenbereichs R (x, y) vorgesehen ist, vorzugsweise den Gitterpunkt O (x, y) des Einheitskomponentenbereichs R (x, y) und ist vorzugsweise innerhalb eines Bereichs entfernt von dem entsprechenden ersten modifizierten Brechungsindexbereich in der X-Y-Ebene angeordnet. Ferner ist gemäß einem Aspekt der lichtemittierenden Halbleitervorrichtung gemäß der vorliegenden Ausführungsform und dem Herstellungsverfahren derselben jeder der mehreren zweiten modifizierten Brechungsindexbereiche derart angeordnet, dass ein Schwerpunkt G2 des zweiten modifizierten Brechungsindexbereichs mit dem Gitterpunkt O (x, y) in dem entsprechenden Einheitskomponentenbereich R (x, y) übereinstimmt. Als ein Ergebnis der Untersuchung durch die Erfinder wurde herausgefunden, dass in der in Ebenen-Richtung eine Lichtleckage unterdrückt und der Oszillationsschwellenstrom verringert wird, wenn ein Bereich mit einem weiteren zweiten modifizierten Brechungsindexbereich, der auf dem Gitterpunkt O (x, y) gebildet ist, in einem Außenumfangsabschnitt des Bereichs vorgesehen ist, der die Anordnung des ersten modifizierten Brechungsindexbereichs aufweist, der ausgebildet ist, um ein gewünschtes Strahlenmuster in der Phasenmodulationsschicht zu erhalten.
(8) Gemäß einem Aspekt der lichtemittierenden Halbleitervorrichtung und dem Herstellungsverfahren derselben gemäß der vorliegenden Ausführungsform kann ein Strahl zur Bildung des optischen Bildes von der Seite der zweiten Mantelschicht mit Bezug auf die aktive Schicht ausgegeben werden. Mit diesem Aufbau ist es möglich, die Lichtabsorption in dem Halbleitersubstrat zu verringern und einen Lichtausgabeeffekt der lichtemittierenden Halbleitervorrichtung zu erhöhen. Dieser Aufbau ist insbesondere im Falle der Ausgabe eines optischen Bildes in einem Infrarotbereich effektiv.

Wie zuvor beschrieben ist jeder Aspekt, der in dem Abschnitt [Beschreibung der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung] aufgezählt wurde, auf alle übrigen Aspekte oder jegliche Kombinationen der übrigen Aspekte anwendbar.
[Einzelheiten der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung]
Im Nachfolgenden werden bestimmte Beispiele der lichtemittierenden Halbleitervorrichtung und eines Herstellungsverfahrens derselben gemäß der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben. Es sollte verstanden werden, dass die vorliegende Erfindung nicht auf diese Beispiele beschränkt ist, sondern durch den Umfang der Ansprüche definiert ist, und äquivalente Bedeutungen zu den Ansprüchen und alle Modifikationen innerhalb des Schutzumfangs umfassen soll. Gleiche Komponenten sind mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet und es wird auf eine wiederholte Beschreibung verzichtet.
(Erste Ausführungsform)
1 zeigt ein Diagramm, das einen Aufbau einer Laservorrichtung 1A als ein Beispiel einer lichtemittierenden Halbleitervorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform darstellt. 2 zeigt ein weiteres Beispiel der lichtemittierenden Halbleitervorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform. 1 definiert ein orthogonales XYZ-Koordinatensystem, in dem die Dickenrichtung der Laservorrichtung 1A als die Z-Achse bestimmt ist. Die Laservorrichtung 1A ist eine Laserlichtquelle (eine Lichtquelle, die ein zweidimensionales beliebig geformtes optisches Bild ausgibt), die eine stehende Welle innerhalb der X-Y-Ebene bildet und eine phasengesteuerte ebene Welle in der Z-Richtung ausgibt. Wie im Nachfolgenden beschrieben gibt die Laservorrichtung A1 einen Strahl zur Bildung des optischen Bildes in einer Richtung (Normalenrichtung) senkrecht zu einer Hauptfläche 10a eines Halbleitersubstrats 10 und einer Richtung mit einem vorbestimmten Divergenzwinkel in Bezug auf die Normalenrichtung aus.
Die Laservorrichtung A1 umfasst eine untere Mantelschicht 11 (erste Mantelschicht), die auf dem Halbleitersubstrat 10 vorgesehen ist, eine aktive Schicht 12, die auf der unteren Mantelschicht 11 vorgesehen ist, eine obere Mantelschicht 13 (zweite Mantelschicht), die auf der aktiven Schicht 12 vorgesehen ist, und eine Kontaktschicht 14, die auf der oberen Mantelschicht 13 vorgesehen ist. Das Halbleitersubstrat 10 und jede der Schichten 11 bis 14 sind mit einem Verbundhalbleiter, wie beispielsweise einen Halbleiter auf GaAs-Basis, einen Halbleiter auf InP-Basis oder einen Halbleiter auf Nitrid-Basis, ausgebildet. Die Energiebandlücke der unteren Mantelschicht 11 und die Energiebandlücke der oberen Mantelschicht 13 sind größer als die Energiebandlücke der aktiven Schicht 12.
Die Laservorrichtung 1A umfasst ferner eine Phasenmodulationsschicht 15A, die zwischen der aktiven Schicht 12 und der oberen Mantelschicht 13 vorgesehen ist. Es sollte beachtet werden, dass es möglich ist, je nach Bedarf eine optische Leiterschicht in einem Abschnitt zwischen der aktiven Schicht 12 und der oberen Mantelschicht 13 und/oder in einem Abschnitt zwischen der aktiven Schicht 12 und der unteren Mantelschicht 11 vorzusehen. In dem Fall, in dem die optische Leiterschicht zwischen der aktiven Schicht 12 und der oberen Mantelschicht 13 vorgesehen ist, ist die Phasenmodulationsschicht 15A zwischen der oberen Mantelschicht 13 und der optischen Leiterschicht ausgebildet.
Wie in 2 gezeigt, kann die Phasenmodulationsschicht 15A zwischen der unteren Mantelschicht 11 und der aktiven Schicht 12 vorgesehen sein. In dem Fall, in dem ferner die optische Leiterschicht zwischen der aktiven Schicht 12 und der unteren Mantelschicht 11 ausgebildet ist, ist die Phasenmodulationsschicht 15A zwischen der unteren Mantelschicht 11 und der optischen Leiterschicht ausgebildet.
Die Beziehung zwischen dem Brechungsindex des Halbleitersubstrats 10 und der Brechungsindizes der Halbleiterschichten, die auf dem Halbleitersubstrat 10 vorgesehen sind, sind wie folgt. Die Brechungsindizes der unteren Mantelschicht 11 und der oberen Mantelschicht 13 sind kleiner als die Brechungsindizes des Halbleitersubstrats 10, der aktiven Schicht 12 und der Kontaktschicht 14. Ferner ist gemäß der vorliegenden Ausführungsform der Brechungsindex der oberen Mantelschicht 13 gleich oder kleiner als der Brechungsindex der unteren Mantelschicht 11. Der Brechungsindex der Phasenmodulationsschicht 15A kann größer oder kleiner als der Brechungsindex der unteren Mantelschicht 11 (oder der oberen Mantelschicht 13) sein.
Im Nachfolgenden wird eine bevorzugte Dicke der optischen Wellenleiterschicht mit der aktiven Schicht 12 beschrieben. Als eine Voraussetzung in dem Fall, in dem der Brechungsindex der Phasenmodulationsschicht 15A kleiner als der Brechungsindex der unteren Mantelschicht 11 ist, wird bestimmt, dass die optische Wellenleiterschicht lediglich die aktive Schicht 12 aufweist (die optische Wellenleiterschicht umfasst weder die untere Mantelschicht 11, noch die obere Mantelschicht 13 oder die Phasenmodulationsschicht 15A) und wird somit als eine Dreischichtplatten-Wellenleiterstruktur betrachtet, die eine solche optische Wellenleiterschicht und zwei Schichten, d. h. eine benachbart zur oberen Wellenleiterschicht angeordnete obere und untere Schicht, enthält. Im Gegensatz dazu wird in einem Fall, in dem der Brechungsindex der Phasenmodulationsschicht 15A gleich oder größer als der Brechungsindex der unteren Mantelschicht 11 ist, bestimmt, dass die optische Wellenleiterschicht die Phasenmodulationsschicht 15A und die aktive Schicht 12 aufweist (die untere Mantelschicht 11 und die obere Mantelschicht 13 sind nicht enthalten) und somit wird diese als eine Dreischichtplatten-Wellenleiterstruktur betrachtet, die eine optische Wellenleiterschicht und zwei Schichten, d. h. die neben der optischen Wellenleiterschicht angeordnete obere und untere Schicht, enthält. Es sollte beachtet werden, dass die geführte Mode in der Schichtdickenrichtung die TE-Mode ist. Dabei sind die normalisierte Wellenleiterbreite V₁ der optischen Wellenleiterschicht und der normalisierte Ausbreitungskoeffizient b der TE-Mode durch die nachfolgende Formel (16) definiert.
Es sollte beachtet werden, dass in einem Fall, in dem die geführte Mode in der optischen Wellenleiterschicht (die Modenfolge ist N₁) ausgebildet ist, muss der äquivalente Brechungsindex der TE-Mode höher als der Brechungsindex der unteren Mantelschicht 11 sein, um zu verhindern, dass die geführte Mode über die untere Mantelschicht 11 in das Halbleitersubstrat 10 entweicht, und somit muss der normalisierte Ausbreitungskoeffizient b die nachfolgende Formel (17) erfüllen.
Dabei wäre in einem Fall, in dem die Einstellung innerhalb eines Bereichs erfolgt, der lediglich eine Lösung für die normalisierte Wellenleiterbreite V₁, die die zuvor beschriebenen Formeln (16) und (17) erfüllt, aufweist, die Führungsmode der optischen Wellenleiterschicht einmodig. a' und b stellen jeweils einen asymmetrischen Parameter und einen normalisierten Ausbreitungskoeffizienten in dem Dreischichtplatten-Wellenleiter dar und sind reelle Zahlen, die die nachfolgenden Formeln (18) und (19) erfüllen. In den Formeln (17) bis (19) ist n_clad der Brechungsindex der unteren Mantelschicht 11, n₁ der Brechungsindex der optischen Wellenleiterschicht mit der aktiven Schicht 12, n₂ der Brechungsindex einer Schicht, die unter den neben der optischen Wellenleiterschicht angeordneten Schichten einen höheren Brechungsindex aufweist, n₃ ein Brechungsindex einer Schicht, die unter den neben der optischen Wellenleiterschicht angeordneten Schichten einen niedrigeren Brechungsindex aufweist, und n_eff ein äquivalenter Brechungsindex der TE-Mode mit Bezug auf die Dreischichtplatten-Wellenleiterstruktur, die die optische Wellenleiterschicht und zwei Schichten, d. h. die neben der optischen Wellenleiterschicht angeordnete obere und untere Schicht, aufweist.
Die normalisierte Wellenleiterbreite V₁ der optischen Wellenleiterschicht wird durch die nachfolgende Formel (20) ausgedrückt. V₁ = k₀n₁d√2K (20)
Es sollte beachtet werden, dass d die Dicke der optischen Wellenleiterschicht ist, die Wellenzahl k₀ und die relative Brechungsindexdifferenz Δ im Vakuum durch die nachfolgenden Formeln (21) und (22) gegeben sind, und λ die Emissionswellenlänge ist. k₀ = 2π/λ (21)
Eine bevorzugte Dicke der Kontaktschicht 14 ist wie folgt. In der Dreischichtplatten-Wellenleiterstruktur mit der Kontaktschicht 14 und den zwei Schichten, das heißt, die benachbart zu der Kontaktschicht 14 angeordnete obere und untere Schicht, sind die normalisierte Wellenleiterbreite V₂ und der normalisierte Ausbreitungskoeffizient b der TE-Mode in der nachfolgenden Formel (23) definiert.
Es sollte beachtet werden, dass in einem Fall, in dem eine geführte Mode in der Kontaktschicht (die Modenfolge ist N₂) gebildet wird, der äquivalente Brechungsindex der TE-Mode, um ein Entweichen der geführten Mode in das Halbleitersubstrat 10 über die untere Mantelschicht 11 zu verhindern, höher als der Brechungsindex der ersten Mantelschicht sein muss, und somit muss der normalisierte Ausbreitungskoeffizient b die nachfolgende Formel (24) erfüllen.
Dabei wäre in einem Fall, in dem die Einstellung innerhalb eines Bereichs liegt, der keine Lösung für die normalisierte Wellenleiterbreite V₂, die die zuvor beschriebenen Formeln (23) und (24) erfüllt, aufweist, keine Führungsmode, einschließlich der Grundmode, der Kontaktschicht 14 vorhanden.
a' und b kennzeichnet jeweils einen asymmetrischen Parameter und einen normalisierten Ausbreitungskoeffizienten in dem Dreischichtplatten-Wellenleiter und sind reelle Zahlen, die die nachfolgenden Formeln (25) und (26) erfüllen. In den Formeln (25) und (26) ist n₄ der Brechungsindex der Kontaktschicht 14, n₅ der Brechungsindex der Schicht, die unter den benachbart zu der Kontaktschicht 14 angeordneten Schichten einen höheren Brechungsindex aufweist, n₆ der Brechungsindex der Schicht, die unter den benachbart zu der Kontaktschicht 14 angeordneten Schichten einen niedrigeren Brechungsindex aufweist, und n_eff der äquivalente Brechungsindex der TE-Mode mit Bezug auf die Dreischichtplatten-Wellenleiterstruktur, die die Kontaktschicht 14 und zwei Schichten, d. h. die benachbart zur Kontaktschicht 14 angeordnete obere und untere Schicht, aufweist.
Die normalisierte Wellenleiterbreite V₂ der Kontaktschicht 14 ist durch die nachfolgende Formel (27) ausgedrückt. V₂ = k₀n₄d√2Δ (27)
Es sollte beachtet werden, dass d die Dicke der Kontaktschicht ist, die Wellenzahl k₀ und die relative Brechungsindexdifferenz Δ im Vakuum durch die nachfolgenden Formeln (28) und (29) gegeben sind und λ die Emissionswellenlänge ist. k₀ = 2π/λ (28)
Die Phasenmodulationsschicht 15A umfasst eine Basisschicht 15a, die mit einem ersten Brechungsindexmedium ausgebildet ist, und mehrere modifizierte Brechungsindexbereiche 15b (den ersten modifizierten Brechungsindexbereich), die mit einem zweiten Brechungsindexmedium ausgebildet sind, das einen Brechungsindex aufweist, der sich von dem Brechungsindex des ersten Brechungsindexmediums unterscheidet, und innerhalb der Basisschicht 15a vorgesehen sind. Die mehreren modifizierten Brechungsindexbereiche 15b umfassen eine im Wesentlichen periodische Struktur. Ist n der effektive Brechungsindex der Phasenmodulationsschicht 15A, dann ist die Wellenlänge λ₀ (= a × n, wobei a der Gitterabschnitt ist), die durch die Phasenmodulationsschicht 15A ausgewählt wird, in dem Emissionswellenlängenbereich der aktiven Schicht 12 enthalten. Die Phasenmodulationsschicht (die Beugungsgitterschicht) 15 kann eine Wellenlänge λ₀ der Emissionswellenlänge der aktiven Schicht 12 auswählen und das Licht der ausgewählten Wellenlänge nach außen abgeben.
Die Laservorrichtung 1A umfasst ferner eine Elektrode 16, die auf der Kontaktschicht 14 vorgesehen ist, und eine Elektrode 17, die auf einer Rückseitenfläche 10b des Halbleitersubstrats 10 vorgesehen ist. Die Elektrode 16 ist in Ohmschen Kontakt mit der Kontaktschicht 14, während die Elektrode 17 in Ohmschen Kontakt mit dem Halbleitersubstrat 10 ist. Ferner umfasst die Elektrode 17 eine Öffnung 17a. Andere Abschnitte als die Elektrode 16 auf der Kontaktschicht 14 sind mit einem Schutzfilm 18 bedeckt. Es sollte beachtet werden, dass die Kontaktschicht 14, die nicht in Kontakt mit der Elektrode 16 ist, entfernt werden kann. Andere Abschnitte (einschließlich der Innenseite der Öffnung 17a) der Rückseitenfläche 10b des Halbleitersubstrats 10 als die Elektrode 17 sind mit einer Antireflexschicht 19 bedeckt. Die Antireflexschicht 19 kann in einem anderen Bereich als der Öffnung 17a entfernt werden.
Wird zwischen der Elektrode 16 und der Elektrode 17 ein Treiberstrom eingespeist, treten in der aktiven Schicht 12 eine Rekombination von Elektronen und Löchern auf (Lichtemission). Die Elektronen und Löcher, die zu der Lichtemission und dem erzeugten Licht beitragen, werden wirksam zwischen der unteren Mantelschicht und der oberen Mantelschicht 13 eingeschlossen.
Das aus der aktiven Schicht 12 emittierte Laserlicht dringt in die Phasenmodulationsschicht 15A ein und bildet innerhalb der Phasenmodulationsschicht 15A eine vorbestimmte Mode in Übereinstimmung mit der Gitterstruktur. Das in der Phasenmodulationsschicht 15A gestreute und emittierte Laserlicht wird auf die Elektrode 16 reflektiert und anschließend von der Rückseitenfläche 10b durch die Öffnung 17a nach außen emittiert. Zu diesem Zeitpunkt wird das Licht nullter Ordnung des Laserlichts in eine Richtung senkrecht zur Hauptfläche 10a emittiert. Im Gegensatz dazu wird das Signallicht des Laserlichts in eine Richtung senkrecht zu der Hauptfläche 10a (Normalenrichtung) und in einer Richtung mit einem vorbestimmten Divergenzwinkel bezogen auf die Normalenrichtung emittiert. Das Licht, das das gewünschte optische Bild bildet, ist das Signallicht, wobei das Licht nullter Ordnung in der vorliegenden Ausführungsform nicht verwendet wird.
Beispielsweise ist das Halbleitersubstrat 10 ein GaAs-Substrat, während die untere Mantelschicht 11, die aktive Schicht 12, die Phasenmodulationsschicht 15A, die obere Mantelschicht 13 und die Kontaktschicht 14 jeweils eine Verbundhalbleiterschicht sind, die durch Elemente gebildet ist, die in einer Gruppe, die aus den Gruppe III-Elementen Ga, Al und In und dem Gruppe V-Element As besteht, enthalten sind. Beispielsweise ist die untere Mantelschicht 11 eine AlGaAs-Schicht, weist die aktive Schicht 12 eine Mehrfachquantentopfstruktur auf (Sperrschicht: AlGaAs/Quantentopfschicht: InGaAs), ist die Basisschicht 15a der Phasenmodulationsschicht 15A aus GaAs, der modifizierte Brechungsindexbereich 15b ein leerer Raum, die obere Mantelschicht 13 eine AlGaAs-Schicht und die Kontaktschicht 14 eine GaAs-Schicht.
In einem weiteren Beispiel ist das Halbleitersubstrat 10 ein InP-Substrat, während die untere Mantelschicht 11, die aktive Schicht 12, die Phasenmodulationsschicht 15A, die obere Mantelschicht 13 und die Kontaktschicht 14 jeweils mit einem Verbundhalbleiter ausgebildet ist, der nicht nur aus Elementen gebildet ist, die in einer Gruppe, die aus den Gruppe III-Elementen Ga, Al und In und dem Gruppe V-Element As besteht, enthalten sind, d. h. mit beispielsweise einem Verbundhalbleiter auf InP-Basis ausgebildet ist. Als bestimmtes Beispiel ist die untere Mantelschicht 11 eine InP-Schicht, weist die aktive Schicht 12 eine Mehrfachquantentopfstruktur (Sperrschicht: GaInAsP/Quantentopfschicht: GaInAsP), ist die Basisschicht 15a der Phasenmodulationsschicht 15A aus GaInAsP, der modifizierte Brechungsindexbereich 15b ein leerer Raum, die obere Mantelschicht 13 eine InP-Schicht und die Kontaktschicht 14 eine GaInAsP-Schicht.
Als weiteres Beispiel ist das Halbleitersubstrat 10 ein GaN-Substrat, während die untere Mantelschicht 11, die aktive Schicht 12, die Phasenmodulationsschicht 15A, die obere Mantelschicht 13 und die Kontaktschicht 14 jeweils mit einer Verbundhalbleiterschicht ausgebildet ist, die nicht nur aus Elementen gebildet ist, die in einer Gruppe, die aus den Gruppe III-Elementen Ga, Al und In und dem Gruppe V-Element As besteht, enthalten sind, d. h. der beispielsweise mit einem Verbundhalbleiter auf Nitridbasis ausgebildet ist. Als ein bestimmtes Beispiel ist die untere Mantelschicht 11 eine AlGaN-Schicht, weist die aktive Schicht 12 eine Mehrfachquantentopfstruktur auf (Sperrschicht: InGaN/Quantentopfschicht: InGaN), ist die Basisschicht 15a der Phasenmodulationsschicht 15A aus GaN, der modifizierte Brechungsindexbereich 15b ein leerer Raum, idie obere Mantelschicht 13 eine AlGaN-Schicht und die Kontaktschicht 14 eine GaN-Schicht.
Die untere Mantelschicht 11 weist den gleichen Leitfähigkeitstyp wie das Halbleitersubstrat 10 auf, und die obere Mantelschicht 13 und die Kontaktschicht 14 sind mit einem Leitfähigkeitstyp versehen, der entgegengesetzt zu dem des Halbleitersubstrats 10 ist. In einem Beispiel sind das Halbleitersubstrat 10 und die untere Mantelschicht 11 vom n-Typ und die obere Mantelschicht 13 und die Kontaktschicht 14 vom p-Typ. In einem Fall, in dem die Phasenmodulationsschicht 15A zwischen der aktiven Schicht 12 und der unteren Mantelschicht 11 vorgesehen ist, weist die Phasenmodulationsschicht 15A den gleichen Leitfähigkeitstyp wie das Halbleitersubstrat 10 auf. Im Gegensatz dazu weist in einem Fall, in dem die Phasenmodulationsschicht 15A zwischen der aktiven Schicht 12 und der oberen Mantelschicht 13 vorgesehen ist, die Phasenmodulationsschicht 15A einen Leitfähigkeitstyp auf, der entgegengesetzt zu dem des Halbleitersubstrats 10 ist. Die Verunreinigungskonzentration beträgt beispielsweise 1 × 10¹⁷/cm³ bis 1 × 10²¹/cm³.
Während in der zuvor beschriebenen Struktur der modifizierte Brechungsindexbereich 15b ein leerer Raum ist, kann der modifizierte Brechungsindexbereich 15b durch Einbetten eines Halbleiters mit einem Brechungsindex, der sich von jenem der Basisschicht 15a unterscheidet, in den leeren Raum gebildet werden. In diesem Fall kann der leere Raum der Basisschicht 15a durch Ätzen gebildet werden. Die Halbleiter können in dem leeren Raum unter Verwendung einer metallorganischen chemischen Dampfabscheidung, Sputtern oder Epitaxie eingebettet werden. Nach der Bildung des modifizierten Brechungsindexbereichs 15b durch Einbetten eines Halbleiters in einen leeren Raum der Basisschicht 15a kann darüber hinaus noch der Halbleiter, der identisch zu dem modifizierten Brechungsindexbereich 15b ist, darauf abgeschieden werden. In einem Fall, in dem der modifizierte Brechungsindexbereich 15b ein leerer Raum ist, kann ein inertes Gas, wie beispielsweise Argon, Stickstoff, Wasserstoff oder Luft, in den leeren Raum eingeschlossen werden.
Die Antireflexschicht 19 ist aus einem dielektrischen Monoschichtfilm, wie beispielsweise Siliziumnitrid (beispielsweise SiN), Siliziumoxid (beispielsweise SiO₂) oder aus einem dielektrischen Mehrschichtfilm gebildet. Als Beispiele kann für den dielektrischen Multischichtfilm ein Film aufgetragen werden, auf dem zwei oder mehr Arten von dielektrischen Schichten, ausgewählt aus der Gruppe der dielektrischen Schichten, wie beispielsweise Titanoxid (TiO₂), Siliziumdioxid (SiO₂), Siliziummonoxid (SiO), Nioboxid (Nb₂O₅), Tantalpentoxid (Ta₂O₅), Magnesiumfluorid (MgF₂), Titanoxid (TiO₂), Aluminiumoxid (Al₂O₃), Ceroxid (CeO₂), Indiumoxid (In₂O₃) und Zirkonoxid (ZrO₂), gestapelt sind. Beispielsweise wird ein Film mit einer Dicke von λ/4 mit einer optischen Filmdicke für Licht der Wellenlänge λ gestapelt. Der Schutzfilm 18 ist ein Isolierfilm, wie beispielsweise Siliziumnitrid (beispielsweise SiN) und Siliziumoxid (beispielsweise SiO₂).
3 zeigt eine Draufsicht der Phasenmodulationsschicht 15A. Die Phasenmodulationsschicht 15A umfasst die Basisschicht 15a, die mit einem ersten Brechungsindexmedium ausgebildet ist, und umfasst mehrere modifizierte Brechungsindexbereiche 15b, die mit einem zweiten Brechungsindexmedium ausgebildet sind, das einen Brechungsindex aufweist, der sich von dem Brechungsindex des ersten Brechungsindexmediums unterscheidet. Ein virtuelles Quadratgitter innerhalb der X-Y-Ebene wird in der Phasenmodulationsschicht 15A angeordnet. Eine Seite des Quadratgitters ist parallel zu der X-Achse, und die andere Seite ist parallel zu der Y-Achse. Dabei kann ein quadratischer Einheitskomponentenbereich R, der auf einem Gitterpunkt O des Quadratgitters zentriert angeordnet ist, zweidimensional über mehreren Reihen entlang der X-Achse und mehreren Reihen entlang der Y-Achse angeordnet werden. Jeweils einer der mehreren modifizierten Brechungsindexbereiche 15b wird für jeweils einen der Einheitskomponentenbereiche R bereitgestellt. Beispielsweise ist eine Ebenenform des modifizierten Brechungsindexbereichs 15b kreisförmig. In jedem der Einheitskomponentenbereiche R ist ein Schwerpunkt G1 des modifizierten Brechungsindexbereichs 15b von dem nächsten gelegenen Gitterpunkt O entfernt angeordnet. Insbesondere ist die X-Y-Ebene eine Ebene orthogonal zu der Dickenrichtung (Z-Achse) der Laservorrichtung 1A, die in 1 und 2 dargestellt ist, und entspricht einer Seite der Phasenmodulationsschicht 15A, die den modifizierten Brechungsindexbereich 15b aufweist. Jeder der Einheitskomponentenbereiche R, die das Quadratgitter bilden, ist durch eine Koordinatenkomponente x (eine ganze Zahl von eins oder mehr) in der X-Achsenrichtung und einer Koordinatenkomponente y (eine ganze Zahl von eins oder mehr) in der Y-Achsenrichtung festgelegt, um so den Einheitskomponentenbereich R (x, y) zu kennzeichnen. Dabei wird der Mittelpunkt des Einheitskomponentenbereichs R (x, y), d. h. der Gitterpunkt, durch O (x, y) angegeben.
Wie in 4 gezeigt, ist der Einheitskomponentenbereich R (x, y), der das Quadratgitter bildet, durch eine s-Achse und eine t-Achse, die orthogonal zueinander sind, am Gitterpunkt O (x, y) definiert. Es sollte beachtet werden, dass die s-Achse eine Achse parallel zu der X-Achse und die t-Achse eine Achse parallel zu der Y-Achse ist. In einer s-t-Ebene, die den Einheitskomponentenbereich R (x, y) auf diese Weise definiert, ist ein Winkel, der durch eine Richtung von dem Gitterpunkt O (x, y) zu dem Schwerpunkt G1 und der s-Achse gebildet wird, durch φ (x, y) gegeben. In einem Fall, in dem der Drehwinkel φ (x, y) 0° beträgt, stimmt die Richtung des Vektors, der den Gitterpunkt O (x, y) mit dem Schwerpunkt G1 verbindet, mit der positiven Richtung der s-Achse überein. Darüber hinaus ist die Länge des Vektors, der den Gitterpunkt O (x, y) mit dem Schwerpunkt G1 verbindet, durch r (x, y) gegeben. Beispielsweise ist r (x, y) in dem gesamten Einheitskomponentenbereich (über die gesamte Phasenmodulationsschicht 15A) konstant.
Wie in 3 gezeigt, wird in der Phasenmodulationsschicht 15A der Drehwinkel φ (x, y) des Schwerpunkts G1 des modifizierten Brechungsindexbereichs 15b um den Gitterpunkt O (x, y) für jeden der Einheitskomponentenbereiche R gemäß einem gewünschten optischen Bild unabhängig festgelegt. Der Drehwinkel φ (x, y) weist einen bestimmten Wert in dem Einheitskomponentenbereich R (x, y) auf, muss jedoch nicht notwendigerweise durch eine bestimmte Funktion ausgedrückt werden. Das heißt, der Drehwinkel φ (x, y) wird aus einem Phasenausdruck einer komplexen Amplitude bestimmt, die durch Umwandeln des gewünschten optischen Bildes in den Wellenzahlraum und durch Durchführen der zweidimensionalen inversen Fourier-Transformation in einem bestimmten Wellenzahlbereich des Wellenzahlraums erhalten. Wird die komplexe Amplitudenverteilung (die komplexe Amplitude eines jeden der Einheitskomponentenbereiche R) aus dem gewünschten optischen Bild berechnet, verbessert sich die Reproduzierbarkeit des Strahlenmusters durch Anwenden eines iterativen Algorithmus, wie beispielsweise dem Gerchberg-Saxton(GS)-Verfahren, das üblicherweise bei dem Hologramm-Generierungsberechnung verwendet wird.
5 zeigt ein Diagramm zur Erläuterung der Beziehung zwischen einem optischen Bild entsprechend dem Strahlenmuster, das aus der Laservorrichtung 1A ausgegeben wird, und der Verteilung des Drehwinkels φ (x, y) in der Phasenmodulationsschicht 15A. Ein bestimmtes zu untersuchendes Ziel ist eine Kx-Ky-Ebene, die durch Umwandeln einer Ebene (einer Bildungsfläche eines entworfenen optischen Bildes, das durch die Koordinaten (x, y, z) in dem orthogonal XYZ-Koordinatensystem ausgedrückt ist), auf der ein optisches Bild durch einen aus der Laservorrichtung 1A emittierten Strahl gebildet wird, in den Wellenzahlraum erhalten wird. Eine Kx-Achse und eine Ky-Achse, die die Kx-Ky-Ebene definieren, sind orthogonal zueinander, und sowohl die Kx-Achse als auch die Ky-Achse hängt durch die zuvor beschriebenen Formeln (1) bis (5) mit den Winkeln mit Bezug auf eine Normale zusammen, wenn die Strahlenemissionsrichtung von einer Normalenrichtung der Hauptfläche 10a des Halbleitersubstrats 10 in Richtung der Hauptfläche 10a verändert wird. Auf diese Kx-Ky-Ebene wird ein bestimmter Bereich, der das Strahlenmuster entsprechend dem optischen Bild aufweist, durch quadratische M2 (eine ganze Zahl von eins oder mehr) × N2 (eine ganze Zahl von eins oder mehr) Bildbereiche FR gebildet. Darüber hinaus wird das virtuelle Quadratgitter, das in der X-Y-Ebene auf der Phasenmodulationsschicht 15A angeordnet ist, aus M1 (eine ganze Zahl von eins oder mehr) × N1 (eine ganze Zahl von eins oder mehr) Einheitskomponentenbereichen R gebildet. Es sollte beachtet werden, dass die ganze Zahl M2 nicht mit der ganzen Zahl M1 übereinstimmen muss. In ähnlicher Weise muss die ganze Zahl N2 nicht mit der ganzen Zahl N1 übereinstimmen. Dabei ist eine komplexe Amplitude F (x, y) in dem Einheitskomponentenbereich R (x, y) durch die nachfolgende Formel (30) angegeben, wobei j eine imaginäre Einheit ist. Die komplexe Amplitude F (x, y) wird durch Durchführen der zweidimensionalen inversen Fourier-Transformation in jedem Bildbereich FR (k_x, k_y) in der Kx-Ky-Ebene erhalten, die einzeln durch eine Koordinatenkomponente k_x (eine ganze Zahl von eins oder mehr und M2 oder weniger) in der Kx-Achsenrichtung und eine Koordinatenkomponente k_y (eine ganze Zahl von eins oder mehr und N2 oder weniger) in der Ky-Achsenrichtung festgelegt werden, um auf einen Einheitskomponentenbereich R (x, y) übertragen zu werden, der durch eine Koordinatenkomponente × (eine ganze Zahl von eins oder mehr und M1 oder weniger) in der X-Achsenrichtung und eine Koordinatenkomponente y (eine ganze Zahl von eins oder mehr und N1 oder weniger) in der Y-Achsenrichtung festgelegt wird.
Wird in dem Einheitskomponentenbereich R (x, y) der Amplitudenausdruck mit A (x, y) und der Phasenausdruck mit P (x, y) gekennzeichnet, ist die komplexe Amplitude F (x, y) durch die nachfolgende Formel (31) definiert. F(x, y) = A(x, y) × exp[jP(x, y)] (31)
Wie in 5 gezeigt, entspricht in dem Bereich der Koordinatenkomponenten x = 1 bis M1 und y = 1 bis N1, die Verteilung des Amplitudenausdrucks A (x, y) in der komplexen Amplitude F (x, y) des Einheitskomponentenbereichs R (x, y) der Intensitätsverteilung in der X-Y-Ebene. Darüber hinaus entspricht in dem Bereich x = 1 bis M1 und y = 1 bis N1, die Verteilung des Phasenausdrucks P (x, y) in der komplexen Amplitude F (x, y) des Einheitskomponentenbereichs R (x, y) der Phasenverteilung in der X-Y-Ebene. Der Drehwinkel φ (x, y) in dem Einheitskomponentenbereich R (x, y) wird aus P (x, y) erhalten, wie im Nachfolgenden beschrieben, und in dem Bereich der Koordinatenkomponenten x = 1 bis M1 und y = 1 bis N1 entspricht die Verteilung des Drehwinkels φ (x, y) in dem Einheitskomponentenbereich R (x, y) der Drehwinkelverteilung in der X-Y-Ebene.
Es sollte beachtet werden, dass ein Mittelpunkt Q des Ausgangsstrahlenmusters auf der Kx-Ky-Ebene auf einer Achse senkrecht zu der Hauptfläche 10a des Halbleitersubstrats 10 angeordnet ist, und 5 vier Quadranten mit dem Mittelpunkt Q als Ursprung darstellt. Während 5 einen beispielhaften Fall darstellt, in dem optische Bilder in dem ersten Quadranten und dem dritten Quadranten erhalten werden, ist es auch möglich, Bilder in dem zweiten Quadranten und dem vierten Quadranten oder in allen Quadranten zu erhalten. In der vorliegenden Ausführungsform wird ein optisches Bild, das mit Bezug auf den Ursprung punktsymmetrisch ist, wie in 5 gezeigt, erhalten. 5 veranschaulicht einen beispielhaften Fall, bei dem sich ein Buchstabe ”A” in dem dritten Quadranten und eine Struktur des um 180° gedrehten Buchstabens ”A” in dem ersten Quadranten befindet. Es sollte beachtet werden, dass in dem Fall eines rotationssymmetrischen optischen Bildes (beispielsweise ein Kreuz, ein Kreis oder ein Doppelkreis) das Bild als einzelnes optisches Bild als Ergebnis einer Überlappung beobachtet wird.
Das Strahlenmuster (optisches Bild), das aus der Laservorrichtung 1A ausgegeben wird, ist ein optisches Bild, das einem entworfenen optischen Bild (ursprünglichen Bild) entspricht, das durch einen Punkt und/oder eine Linie und/oder ein Kreuz und/oder eine Strichzeichnung und/oder ein Gittermuster und/oder ein Foto und/oder ein Streifenmuster und/oder eine Computergrafik (CG) und/oder einen Text dargestellt ist. Um das gewünschte Bild zu erhalten, wird der Drehwinkel φ (x, y) des modifizierten Brechungsindexbereichs 15b in dem Einheitskomponentenbereich R (x, y) durch das nachfolgende Verfahren bestimmt.
Wie zuvor beschrieben, ist der Schwerpunkt G1 des modifizierten Brechungsindexbereichs 15b derart angeordnet, dass er um r (x, y) von dem Gitterpunkt O (x, y) in dem Einheitskomponentenbereich R (x, y) entfernt angeordnet ist. Zu diesem Zeitpunkt ist der modifizierte Brechungsindexbereich 15b derart in dem Einheitskomponentenbereich R (x, y) angeordnet, dass der Drehwinkel φ (x, y) die nachfolgende Beziehung erfüllt. φ(x, y) = C × P(x, y) + B

C:: Proportionalitätskonstante, z. B. 180°/π
B:: beliebige Konstante, beispielsweise Null

Es sollte beachtet werden, dass sowohl die Proportionalitätskonstante C als auch die beliebige Konstante B für alle Einheitskomponentenbereiche R einen identischen Wert aufweisen.
Das heißt, in einem Fall, in dem gewünscht wird, ein gewünschtes optisches Bild zu erhalten, genügt es, eine zweidimensionale inverse Fourier-Transformation an einem optischen Bild, das in der Kx-Ky-Ebene gebildet ist, die auf den Wellenzahlraum projiziert ist, durchzuführen, sodass es auf den Einheitskomponentenbereich R (x, y) in der X-Y-Ebene auf der Phasenmodulationsschicht 15A übertragen wird, und den Drehwinkel φ (x, y) entsprechend dem Phasenausdruck P (x, y) der komplexen Amplitude F (x, y) dem modifizierten Brechungsindexbereich 15b, der innerhalb des Einheitskomponentenbereichs R (x, y) angeordnet ist, hinzuzufügen. Es sollte beachtet werden, dass ein Fernfeldmuster nach der zweidimensionalen inversen Fourier-Transformation des Laserstrahls unterschiedliche Formen, wie beispielsweise eine einzelne oder mehrere Punktformen, ringförmige Formen, lineare Formen, Buchstabenformen, Doppelkreisringformen und Lagerre-Gaußsche Strahlenformen aufweisen kann. Da das Strahlenmuster durch die Wellenzahlinformation in dem Wellenzahlraum (auf der Kx-Ky-Ebene) dargestellt ist, ist es im Falle eines Bitmapbildes oder dergleichen, bei dem ein Zielstrahlenmuster durch eine zweidimensionale Positionsinformation dargestellt ist, ausreichend, die zweidimensionale inverse Fourier-Transformation nach der Umwandlung der Information in die Wellenzahlinformation durchzuführen.
Als ein Verfahren zur Erzielung der Intensitätsverteilung und der Phasenverteilung aus der komplexen Amplitudenverteilung in der X-Y-Ebene, die durch die zweidimensionale inverse Fourier-Transformation erhalten wird, kann beispielsweise eine abs-Funktion der numerischen Analysesoftware ”MATLAB” von MathWorks für die Berechnung der Intensitätsverteilung (die Verteilung des Amplitudenausdrucks A (x, y) in der X-Y-Ebene) und eine Winkelfunktion von ”MATLAB” zur Berechnung der Phasenverteilung (die Verteilung des Phasenausdrucks P (x, y) in der X-Y-Ebene) angewendet werden.
In der Ausführungsform gibt es in einem Fall, in dem die Drehwinkelverteilung (die Verteilung des Drehwinkels φ (x, y) in der X-Y-Ebene) aus dem Ergebnis der zweidimensionalen inversen Fourier-Transformation an dem optischen Bild erhalten wird, und in dem die Anordnung des modifizierten Brechungsindexbereichs 15b in jedem der Einheitskomponentenbereiche R bestimmt wird, Punkte die bei der Berechnung unter Verwendung der allgemeinen diskreten zweidimensionalen inversen Fourier-Transformation oder einer schnellen zweidimensionalen inversen Fourier-Transformation, wie im Nachfolgenden beschrieben, zu berücksichtigen sind. Wird ein optisches Bild vor der Durchführung der zweidimensionalen inversen Fourier-Transformation (das entworfene optische Bild in einer vorbestimmten Ebene, die durch die Koordinaten (x, y, z) in dem orthogonalen XYZ-Koordinatensystem dargestellt sind) wie das in 6A dargestellte ursprüngliche Bild in vier Quadranten A1, A2, A3 und A4 unterteilt, wird ein Strahlenmuster, das durch die vorliegende Ausführungsform erhalten wird, ein in 6B dargestelltes Strahlenmuster. Insbesondere erscheint in dem ersten Quadranten des Strahlenmusters der 6A ein Muster, bei dem das Muster, das durch Drehen des ersten Quadranten in 6A um 180° erhalten wird, und das Muster in dem dritten Quadranten in 6A einander überlagern. Ein Muster, bei dem das Muster, das durch Drehen des zweiten Quadranten in 6A um 180° erhalten wird, und das Muster in dem vierten Quadranten in 6A einander überlagern, erscheint in dem zweiten Quadranten des Strahlenmusters in 6B. Ein Muster, bei dem das Muster, das durch Drehen des dritten Quadranten in 6A um 180° erhalten wird, und das Muster in dem ersten Quadranten in 6A einander überlagern, erscheint in dem dritten Quadranten des Strahlenmusters in 6B. Ein Muster, bei dem das Muster, das durch Drehen des vierten Quadranten in 6A um 180° erhalten wird, und das Muster in dem zweiten Quadranten in 6A einander überlagern, erscheint in dem vierten Quadranten des Strahlenmusters in 6B.
Dementsprechend tritt in einem Fall, in dem ein Muster, das lediglich in dem ersten Quadranten einen Wert aufweist, als das optische Bild (das ursprüngliche optische Bild) vor der zweidimensionalen inversen Fourier-Transformation verwendet wird, ein erstes Quadrantenmuster des ursprünglichen optischen Bildes in dem dritten Quadranten des erhaltenen Strahlenmusters auf, während das um 180° gedrehte erste Quadrantenmuster des ursprünglichen optischen Bildes in dem ersten Quadranten des erhaltenen Strahlenmusters erscheint.
Im Nachfolgenden werden die Effekte, die durch die zuvor beschriebene Laservorrichtung 1A gemäß der vorliegenden Ausführungsform erhalten werden, beschrieben. Wie zuvor beschrieben, kann ein Fall eintreten, bei dem das Rauschlicht mit einem gitterförmigen dunklen Abschnitt ein Strahlenmuster, das aus einer Laservorrichtung mit einer Phasenmodulationsschicht emittiert wird, überlagert. Die Qualität des optischen Bildes verschlechtert sich durch das Rauschlicht, das den gitterförmigen dunklen Bereich aufweist.
Zur Untersuchung der Ursache für die Bildung des Rauschlichts mit einem solchen gitterförmigen dunklen Bereich untersuchten die Erfinder die spektralen Eigenschaften des Strahlenmusters durch spektroskopische Messungen in allen Umfangsrichtungen nach der Laseroszillation. Wird, wie in 7 gezeigt, die räumliche Intensitätsverteilung bei einer Wellenlänge in der Nähe der Oszillationswellenlänge mit entsprechender Farbschattierung dargestellt, wird die Intensitätsverteilung gemäß dem eigentlich gemessenen Strahlenmuster erhalten. Insbesondere ist die Intensitätsverteilung gemäß dem eigentlich gemessenen Strahlenmuster die Verteilung des Amplitudenausdrucks A der komplexen Amplitude, die durch Durchführen der zweidimensionalen inversen Fourier-Transformation in einem Bildbereich in der Kx-Ky-Ebene in dem Wellenzahlraum erhalten wird, der durch Winkelinformationen dargestellt ist, die auf jeden der Einheitskomponentenbereiche in der X-Y-Ebene auf der Phasenmodulationsschicht übertragen wird. In 7 sind auf der horizontalen Achse die X-Achsenkoordinaten und auf der vertikalen Achse die Y-Achsenkoordinaten aufgetragen. Der Mittelpunkt des Diagramms ist auf einer Achse senkrecht zu der Substrathauptfläche der Laservorrichtung angeordnet. Ferner wurde als ein Ergebnis eines Vergleichs mit der räumlichen Intensitätsverteilung unterschiedlicher Wellenlängen herausgefunden, dass das Rauschlicht mit dem gitterförmigen dunklen Bereich von den überlappenden Bändern stammten, die zur kürzeren Wellenlängenseite hin verschoben wurden.
Zum einfacheren Verständnis zeigen 8A und 8B Diagramme (Banddiagramme), die die räumliche Intensitätsverteilung durch Farbschattierung dargestellt ist, wobei die Wellenlänge auf der Vertikalachse aufgetragen ist, eine Γ-X-Richtung auf der Horizontalachse der X-Richtung entspricht und die Γ-M-Richtung der Richtung der Halbierenden zwischen der positiven Richtung von X und der positiven Richtung von Y entspricht. 8A zeigt die Bandstruktur vor der Laseroszillation, und 8B zeigt die Bandstruktur nach der Laseroszillation. Es sollte beachtet werden, dass, während das Licht nullter Ordnung in eine Richtung senkrecht zu der Substrathauptfläche (Normalenrichtung) nach der Laseroszillation vorhanden ist, die Normalenrichtung aufgrund der hohen Lichtintensität in der Nähe des Lichts nullter Ordnung von dem Messbereich ausgenommen ist.
Mit Bezug auf 8A und 8B ist ersichtlich, dass die Bandstrukturen mehrere Male auf der kurzen Wellenlängenseite sowohl vor als auch nach der Laseroszillation einander überlagern. Darüber hinaus weist aufgrund der Überlappung der Bandstrukturen das Band, das sich in der Horizontalrichtung erstreckt, an mehreren Positionen Unterbrechungen auf. Als ein Ergebnis der Untersuchung wurde herausgefunden, dass das Band, das auf der kurzen Wellenlängenseite überlappt, durch die Mode höherer Ordnung in der Stapelrichtung gebildet wird. Die Erfinder fanden heraus, dass eine solche Mode höherer Ordnung sich insbesondere dann bildet, wenn der Brechungsindex der oberen Mantelschicht zwischen der aktiven Schicht und der Kontaktschicht größer als der Brechungsindex der unteren Mantelschicht zwischen der aktiven Schicht und dem Halbleitersubstrat ist.
9 zeigt ein Diagramm, das einen Zustand der Modenerzeugung in einem Fall, in dem der Brechungsindex der oberen Mantelschicht größer als der Brechungsindex der unteren Mantelschicht ist, darstellt. In diesem Diagramm ist auf der Vertikalachse der Brechungsindex und auf der Horizontalachse die Positionen der Stapelrichtung (Bereich von 5,0 um) aufgetragen. Der Abschnitt D1 in der Stapelrichtung ist die untere Mantelschicht. Der Abschnitt D2 ist die optische Wellenleiterschicht mit der aktiven Schicht. Der Abschnitt D3 ist die obere Mantelschicht. Der Abschnitt D4 ist die Kontaktschicht. Der Abschnitt D5 ist Luft. Die Kurven G11 bis G14 stellen Moden höherer Ordnung dar, und eine Kurve G15 stellt die Grundmode dar.
Üblicherweise ist der Brechungsindex von sowohl der aktiven Schicht als auch der Kontaktschicht erheblich höher als der Brechungsindex einer jeden Mantelschicht. Wie in 9 gezeigt, schwingen somit in einem Fall, in dem der Brechungsindex der oberen Mantelschicht größer als der Brechungsindex der unteren Mantelschicht ist, die Moden höherer Ordnung (Kurven G11 bis G14 in 9) über eine Grenzfläche E1 zwischen der Kontaktschicht und der Außenseite (beispielsweise Luft) und der Grenzfläche E2 zwischen der aktiven Schicht und der unteren Mantelschicht.
Im Gegensatz dazu ist in der Laservorrichtung 1A gemäß der vorliegenden Ausführungsform der Brechungsindex der oberen Mantelschicht 13 gleich oder kleiner als der Brechungsindex der unteren Mantelschicht 11. 10 zeigt ein Diagramm, das einen Zustand der Modenerzeugung in diesem Fall darstellt. Die Vertikalachse gibt den Brechungsindex an, und die Horizontalachse gibt die Position in der Stapelrichtung an (Bereich von 3,6 μm). Wie in 10 gezeigt, werden in diesem Fall keine Moden höherer Ordnung der Kurven G11 bis G14, die in 9 gezeigt sind, erzeugt, und es wird lediglich die Grundmode der Kurve G15 deutlich gebildet. Bei diesem Aufbau ist es mit der Laservorrichtung 1A gemäß der vorliegenden Ausführungsform möglich, die Erzeugung der Mode hoher Ordnung, wie zuvor beschrieben, zu verhindern und das Rauschlicht mit dem gitterförmigen dunklen Abschnitt, das das Strahlenmuster überlagert, zu verringern.
Es ist zu beachten, dass bestätigt wurde, dass die auf der kurzen Wellenlängenseite überlappende Bandstruktur auch in einem gewöhnlichen oberflächenemittierenden Halbleiterlaser mit photonischen Kristall (PCSEL) auftrat. In dem gewöhnlichen PCSEL würde jedoch das Rauschlicht mit einem gitterförmigen dunklen Bereich, das in einer von der axialen Richtung geneigten Richtung erzeugt wird, kein Problem darstellen, da der Laser lediglich Licht (Licht nullter Ordnung) in der axialen Richtung senkrecht zu der Substrathauptfläche verwendet. Das heißt, das Verfahren der vorliegenden Ausführungsform erzielt einen großen Effekt in einer Laservorrichtung, die Licht verwendet, das zweidimensional auf der Substrathauptfläche verteilt wird, wie beispielsweise ein S-iPM-Laser oder ein Strahlenablenkungslaser.
11A und 11B zeigen die Ergebnisse einer tatsächlichen Messung der Bandstruktur nach der Herstellung der Laservorrichtung 1A gemäß der vorliegenden Ausführungsform. Die Γ-X-Richtung auf der Horizontalachse entspricht der X-Richtung, und die Γ-M-Richtung entspricht einer Richtung der Halbierenden zwischen der positiven X-Richtung und der positiven Y-Richtung. 11A zeigt die Bandstruktur vor der Laseroszillation, und 11B zeigt die Bandstruktur nach der Laseroszillation. Wie in 11A und 11B gezeigt, wird in der Laservorrichtung 1A der vorliegenden Ausführungsform, verglichen mit den Ergebnissen der 8A und 8B, kein Band auf der kurzen Wellenlängenseite beobachtet. Dies deutet darauf hin, dass die Mode in der Stapelrichtung einmodig ist (d. h., nur die Grundmode aufweist).
12A bis 12D zeigen Messergebnisse der Strahlenmuster der hergestellten Laservorrichtung 1A (S-iPM-Laser). Die Mittelpunkte in den 12A bis 12D entsprechen der Richtung senkrecht zu der Hauptfläche 10a des Halbleitersubstrats 10. Wie in diesen Figuren dargestellt, ist kein gitterförmiges dunkles Linienmuster in dem Strahlenmuster der Laservorrichtung 1A vorhanden, und es wird ein gutes Strahlenmuster entsprechend dem ursprünglichen Entwurf beobachtet. Auf diese Weise ist es mit der Laservorrichtung 1A gemäß der vorliegenden Ausführungsform möglich, die Bildung von gitterförmigem Rauschen aufgrund der Mode höherer Ordnung in der Stapelrichtung zu verhindern und ein gutes Strahlenmuster zu erhalten.
Ist darüber hinaus die normalisierte Wellenleiterbreite V₁ der optischen Wellenleiterschicht gemäß vorliegenden Ausführungsform durch die zuvor beschriebenen Formeln (16) und (17) definiert, wird der Brechungsindex einer jeden Schicht, die die Dreischichtplatten-Plattenstruktur mit der optischen Wellenleiterschicht bilden, derart eingestellt, dass er sich innerhalb eines Bereichs befindet, der eine Lösung für die normalisierte Wellenleiterbreite V₁ aufweist. Gemäß den Untersuchungen der Erfinder wurde herausgefunden, dass die Mode höherer Ordnung auch in der optischen Wellenleiterschicht (Schicht mit hohem Brechungsindex), die die aktive Schicht 12 aufweist, erzeugt wird. Die Erfinder fanden heraus, dass die Moden höherer Ordnung unterdrückt werden können, indem die Dicke und der Brechungsindex der optischen Wellenleiterschicht in geeigneter Weise gesteuert werden. Wie im Nachfolgenden in dem Beispiel beschrieben, kann die Mode höherer Ordnung innerhalb eines Bereichs, der eine Lösung für die normalisierte Wellenleiterbreite V₁ der optischen Wellenleiterschicht aufweist, weiter unterdrückt werden, wodurch das Rauschlicht mit einem gitterförmigen dunklen Bereich, das das Strahlenmuster überlagert, noch weiter verringert wird.
Ist darüber hinaus gemäß vorliegenden Ausführungsform die normalisierte Wellenleiterbreite V₂ der Kontaktschicht 14 durch die zuvor beschriebenen Formeln (23) und (24) definiert, wird der Brechungsindex einer jeden Schicht, die die Dreischicht-Plattenstruktur mit der Kontaktschicht 14 bilden, derart eingestellt, dass er sich innerhalb eines Bereichs befindet, der keine Lösung für die normalisierte Wellenleiterbreite V₂ aufweist. Auf diese Weise ist es durch geeignetes Steuern der Dicke und des Brechungsindex der Kontaktschicht 14 möglich, die Bildung der geführten Mode, die durch die Kontaktschicht 14 gebildet wird, zu unterdrücken und die Bildung der Mode höherer Ordnung in der Laservorrichtung 1A, wie im nachfolgenden Beispiel beschrieben, noch weiter zu verringern.
Als ein Ergebnis der Untersuchung durch die Erfinder wurde herausgefunden, dass in einem Fall, in dem die Größen der Löcher (d. h. die Größe eines jeden modifizierten Brechungsindexbereichs 15b innerhalb der X-Y-Ebene) voneinander verschieden sind, die Tiefen der Löcher (d. h. die Länge eines jeden modifizierten Brechungsindexbereichs 15b in der Z-Richtung) bei der Bildung des modifizierten Brechungsindexbereichs 15b durch einen Trockenätzschritt ebenfalls voneinander verschieden sind. Schwankungen in der Länge der einzelnen modifizierten Brechungsindexbereiche 15b in der Z-Richtung bewirken eine ungewollte Phasenverschiebung, wodurch es zu einer Abnahme in der Reproduzierbarkeit des Ausgangs Strahlenmusters kommt. Dementsprechend ist es wünschenswert, dass die Größe eines jeden modifizierten Brechungsindexbereichs 15b innerhalb der X-Y-Ebene über die gesamte Phasenmodulationsschicht 15A einen konstanten Wert aufweist. Aus dem gleichen Grund ist es wünschenswert, dass die Länge eines jeden modifizierten Brechungsindexbereichs 15b in der Z-Richtung über die gesamte Phasenmodulationsschicht 15A einen konstanten Wert aufweist.
In der Phasenmodulationsschicht 15A ist es wünschenswert, dass ein Abstand r zwischen jedem Gitterpunkt O des virtuellen Quadratgitters und dem Schwerpunkt G1 des entsprechend modifizierten Brechungsindexbereichs 15b über die gesamte Phasenmodulationsschicht 15A gesehen, einen konstanten Wert aufweist. Mit diesem Aufbau stimmt in einem Fall, in dem die Phasenverteilung in der gesamten Phasenmodulationsschicht 15A gleichmäßig von 0 bis 2π (rad) verteilt ist, der Schwerpunkt G1 des modifizierten Brechungsindexbereichs 15b durchschnittlich mit dem Gitterpunkt O des Quadratgitters überein. Dementsprechend nähern sich die Effekte der zweidimensional verteilten Bragg-Beugung in der Phasenmodulationsschicht 15A den Effekten der zweidimensional verteilten Bragg-Beugung in einem Fall, in dem der modifizierte Brechungsindexbereich auf jedem der Gitterpunkte O des Quadratgitters angeordnet ist, an. Dadurch wird die Bildung einer stehenden Welle erleichtert und es wird eine Verringerung des Schwellenstroms für die Oszillation erwartet.
3 und 4 zeigen ein Beispiel, bei dem die Form des modifizierten Brechungsindexbereichs 15b innerhalb der X-Y-Ebene kreisförmig ist. Alternativ kann der modifizierte Brechungsindexbereich 15b eine andere Form als eine Kreisform aufweisen. Beispielsweise kann die Form des modifizierten Brechungsindexbereichs 15b innerhalb der X-Y-Ebene eine Spiegelsymmetrie (Liniensymmetrie) aufweisen. Die Spiegelsymmetrie (Liniensymmetrie) ist ein Zustand, bei dem es möglich ist, eine Spiegelsymmetrie (Liniensymmetrie) zwischen der Ebenenform des modifizierten Brechungsindexbereichs 15b, die auf einer Seite einer beliebigen Linie entlang der X-Y-Ebene angeordnet ist, und der Ebenenform des modifizierten Brechungsindexbereichs 15b, die auf der anderen Seite der Linie angeordnet ist, zu bilden. Beispiele der Formen mit Spiegelsymmetrie (Liniensymmetrie) umfassen einen perfekten Kreis, wie in 13A gezeigt, ein Quadrat, wie in 13B gezeigt, ein regelmäßiges Rechteck, wie in 13C gezeigt, ein regelmäßiges Achteck, wie in 13D gezeigt, ein regelmäßiges Sechzehneck, wie in 13E gezeigt, ein Rechteck, wie in 13F gezeigt, und eine Ellipse, wie in 13G gezeigt. Auf diese Weise weist die Form des modifizierten Brechungsindexbereichs 15b innerhalb der X-Y-Ebene eine Spiegelsymmetrie (Liniensymmetrie) auf. In diesem Fall ist es in der Phasenmodulationsschicht 15A (in jedem der Einheitskomponentenbereiche des virtuellen Quadratgitters) möglich, den Winkel φ, der durch die Richtung von dem Gitterpunkt O zu dem Schwerpunkt G1 des entsprechend modifizierten Brechungsindexbereichs 15b und der s-Achse gebildet wird, mit hoher Genauigkeit zu bestimmen, wodurch ein Muster mit hoher Genauigkeit erzielt wird.
Darüber hinaus kann die Form des modifizierten Brechungsindexbereichs 15b innerhalb der X-Y-Ebene eine andere Form als eine Form mit einer Rotationssymmetrie von 180° aufweisen. Beispiele für eine solche Form umfassen ein gleichseitiges Dreieck, das in 14a gezeigt ist, ein rechtwinkliges gleichschenkliges Dreieck, das in 14B gezeigt ist, eine Form mit zwei Kreisen oder Ellipsen, die sich teilweise überlappen, wie in 14C gezeigt, eine Form, die durch Verformung einer Ellipse derart, dass die Abmessung in einer Kurzachsenrichtung in der Nähe eines Endabschnitts der langen Achse kleiner als die Abmessung in der Kurzachsenrichtung in der Nähe des anderen Endabschnitts ist, erhalten wird, wie in 14D (oval) gezeigt, eine Form, die durch Verformen einer Ellipse derart, dass ein Endabschnitt der langen Achse zu einer spitzen Form wird, die in der Langachsenrichten vorsteht, erhalten wird, wie in 14E (Tropfenform) gezeigt, ein gleichschenkliges Dreieck, wie in 14F gezeigt, eine Form, die durch Verformen eines Rechtecks derart, dass eine Seite dreiecksförmig ausgespart ist und die gegenüberliegende Seite dreiecksförmig spitz zuläuft, wie in 14G (Pfeilform) gezeigt, ein Trapezoid, das in 14H gezeigt ist, ein Fünfeck, das in 14I gezeigt ist, und eine Form, die zwei Rechtecksformen, die teilweise einander überlappen, aufweist, wie in 14J gezeigt, und eine Form mit zwei Rechtecksformen, die einander teilweise überlappen und keine Spiegelsymmetrie aufweisen, wie in 14K gezeigt. Da auf diese Weise die Form des modifizierten Brechungsindexbereichs 15b innerhalb der X-Y-Ebene keine Rotationssymmetrie von 180° aufweist, ist es möglich, eine hohe Lichtausgabe zu erzielen.
(Modifikation)
15 zeigt eine Draufsicht einer Phasenmodulationsschicht 15B gemäß einer Modifikation der zuvor beschriebenen Ausführungsform. Zusätzlich zu der Konfiguration (3) der Phasenmodulationsschicht 15A der zuvor beschriebenen Ausführungsform umfasst die Phasenmodulationsschicht 15B der Modifikation ferner andere modifizierte Brechungsindexbereiche 15c (zweite modifizierte Brechungsindexbereiche) als die mehreren modifizierten Brechungsindexbereiche 15b. Jeder der modifizierten Brechungsindexbereiche 15c umfasst eine periodische Struktur und ist aus einem zweiten Brechungsindexmedium gebildet, das einen Brechungsindex aufweist, der sich von dem Brechungsindex des ersten Brechungsindexmediums der Grundschicht 15a unterscheidet. Ähnlich wie der modifizierte Brechungsindexbereich 15b kann der modifizierte Brechungsindexbereich 15c ein leerer Raum sein und durch Einbetten eines Verbundhalbleiters in den leeren Raum gebildet werden. Wie in 16 gezeigt, ist auch bei der Modifikation ein Winkel, der durch die Richtung von dem Gitterpunkt O (x, y) zu dem Schwerpunkt G1 und der s-Achse (Achse parallel zur X-Achse) gebildet wird, als φ (x, y) in dem Einheitskomponentenbereich R (x, y) definiert. In einem Fall, in dem der Drehwinkel φ (x, y) 0° beträgt, stimmt die Richtung des Vektors, der den Gitterpunkt O (x, y) mit dem Schwerpunkt G1 verbindet, mit der positiven s-Achsenrichtung überein. Darüber hinaus ist die Länge des Vektors, der den Gitterpunkt O (x, y) mit dem Schwerpunkt G1 verbindet, als r (x, y) definiert. In einem Beispiel ist r (x, y) über die gesamte Phasenmodulationsschicht 15B hinweg konstant.
Der modifizierte Brechungsindexbereich 15c ist in eindeutiger Entsprechung in dem modifizierten Brechungsindexbereich 15b vorgesehen. Jeder der modifizierten Brechungsindexbereiche 15c ist auf dem Gitterpunkt O des Einheitskomponentenbereichs R, der das virtuelle Quadratgitter bildet, angeordnet. In einem Beispiel (Beispiele der 15 und 16) stimmt ein Schwerpunkt G2 eines jeden der modifizierten Brechungsindexbereiche 15c mit dem Gitterpunkt O in dem entsprechenden Einheitskomponentenbereich R überein. Während eine beispielhafte Ebenenform des modifizierten Brechungsindexbereichs 15c kreisförmig ist, kann diese auch andere Formen, so wie jene des modifizierten Brechungsindexbereichs 15b, aufweisen. 17A bis 17K zeigen Beispiele der Formen und der relativen Beziehungen innerhalb der X-Y-Ebene der modifizierten Brechungsindexbereiche 15b und 15c. 17A und 17B zeigen eine Form, bei der die modifizierten Brechungsindexbereiche 15b und 15c Figuren, die die gleiche Form aufweisen, und Schwerpunkte, die voneinander getrennt sind, aufweisen. 17C und 17D zeigen eine Form, bei der die modifizierten Brechungsindexbereiche 15b und 15c Figuren, die die gleiche Form aufweisen, und Schwerpunkte, die voneinander getrennt sind, sowie Abschnitte, die einander teilweise überlappen, aufweisen. 17E zeigt eine Form, bei der die modifizierte Brechungsindexbereiche 15b und 15c Figuren mit der gleichen Form und mit Schwerpunkten, die voneinander getrennt sind, aufweisen, wobei der relative Winkel der modifizierten Brechungsindexbereiche 15b und 15c für jeden der Gitterpunkte O willkürlich festgelegt ist (um einen beliebigen Winkel gedreht). 17F zeigt eine Form, bei der die modifizierten Brechungsindexbereiche 15b und 15c Figuren mit voneinander verschiedenen Formen und Schwerpunkten, die voneinander getrennt sind, aufweisen. 17G zeigt eine Form, bei der die modifizierten Brechungsindexbereiche 15b und 15c Figuren mit voneinander verschiedenen Formen aufweisen, wobei die Schwerpunkte voneinander getrennt sind und der relative Winkel der modifizierten Brechungsindexbereiche 15b und 15c für jeden der Gitterpunkte O willkürlich festgelegt ist (um einen beliebigen Winkel gedreht). Von diesen sind, in den Beispielen der 17E und 17G, die zwei modifizierten Brechungsindexbereiche 15b und 15c derart gedreht, dass sie einander nicht überlappen.
Darüber hinaus kann, wie in 17H bis 17K gezeigt, der modifizierte Brechungsindexbereich 15b zwei Bereiche 15b1 und 15b2, die voneinander getrennt sind, umfassen. Der Schwerpunkt (der dem Schwerpunkt des einzelnen modifizierten Brechungsindexbereichs 15b entspricht) einer Kombination der Bereiche 15b1 und 15b2 kann von dem Schwerpunkt des modifizierten Brechungsindexbereichs 15c getrennt sein, und der Winkel der die Bereiche 15b1 und 15b2 verbindenden Linie, mit Bezug auf die X-Achse kann für jeden der Gitterpunkte O beliebig eingestellt werden. In diesem Fall können, wie in 17H gezeigt, die Bereiche 15b1 und 15b2 sowie der modifizierte Brechungsindexbereich 15c Figuren mit der gleichen Form aufweisen. Alternativ können, wie in 17I gezeigt, zwei der Figuren der Bereiche 15b1, 15b2 und der modifizierte Brechungsindexbereich 15c sich voneinander unterscheiden. Darüber hinaus kann, wie in 17J gezeigt, zusätzlich zu dem Winkel der die Bereiche 15b1 und 15b2 verbindenden Linie, mit Bezug auf die X-Achse auch der Winkel des modifizierten Brechungsindexbereichs 15c mit Bezug auf die X-Achse für jeden der Gitterpunkte O beliebig festgelegt werden. Wie in 17K gezeigt, kann darüber hinaus der Winkel der die Bereiche 15b1 und 15b2 verbindenden Linie, mit Bezug auf die X-Achse für jeden der Gitterpunkte O beliebig festgelegt werden, während die Bereiche 15b1 und 15b2 des modifizierten Brechungsindexbereichs 15c den gleichen relativen Winkel zueinander beibehalten. Es sollte beachtet werden, dass unter diesen in dem Beispiel der 17J und 17K die Bereiche 15b1 und 15b2 gedreht sein können, sodass sie den modifizierten Brechungsindexbereich 15c nicht überlappen.
Die Form des modifizierten Brechungsindexbereichs innerhalb der X-Y-Ebene kann zwischen den Gitterpunkten O identisch sein. Das heißt, die modifizierten Brechungsindexbereiche können an allen Gitterpunkten die gleiche Form aufweisen und sie können zwischen Gitterpunkten O durch Translationsbewegung, oder Translationsbewegung und Drehbewegung einander überlappen. In diesem Fall ist es möglich, die Bildung des Lichts nullter Ordnung, das das Rauschlicht wird, und das Rauschen in dem Strahlenmuster zu unterdrücken. Alternativ muss die Form des modifizierten Brechungsindexbereichs innerhalb der X-Y-Ebene zwischen den Gitterpunkten nicht notwendigerweise gleich sein. Beispielsweise können, wie in 18 gezeigt, benachbarte Gitterpunkte O voneinander verschiedene Formen aufweisen.
Selbst mit der Konfiguration der Phasenmodulationsschicht gemäß dieser Modifikation können z. B. die Effekte der zuvor beschriebenen Ausführungsform in geeigneter Weise erzielt werden.
(Bestimmtes Beispiel der ersten Ausführungsform)
Die Erfinder untersuchten die Bedingungen, die keine Mode höherer Ordnung mit Bezug auf die Dicke und den Brechungsindexbereich der optischen Wellenleiterschicht mit der aktiven Schicht und mit Bezug auf die Dicke und den Brechungsindex der Kontaktschicht verursachen würden. Im Nachfolgenden werden der Untersuchungsschritt und die Ergebnisse beschrieben.
Zunächst wird eine bestimmte Struktur der Laservorrichtung 1A, die als ein Untersuchungsziel in diesem bestimmten Beispiel bestimmt ist, beschrieben. 19 zeigt eine Tabelle, die eine Schichtstruktur in einem Fall, in dem die Laservorrichtung 1A aus einem Verbundhalbleiter auf GaAs-Basis (Emissionswellenlängenband 940 nm) gebildet ist, darstellt. Die Tabelle der 19 zeigt den Leitfähigkeitstyp, die Zusammensetzung, die Schichtdicke und den Brechungsindex jeder Schicht. Die Schicht Nummer 1 bezeichnet die Kontaktschicht 14, die Schicht Nummer 2 bezeichnet die obere Mantelschicht 13, die Schicht Nummer 3 bezeichnet die Phasenmodulationsschicht 15A, die Schicht Nummer 4 bezeichnet die optische Leiterschicht und die aktive Schicht 12 und die Schicht Nummer 5 bezeichnet die untere Mantelschicht 11. 20 zeigt die Brechungsindexverteilung G21a und die Modenverteilung G21b der Laservorrichtung 1A mit einer in 19 gezeigten Schichtstruktur. Die Horizontalachse gibt die Position in der Stapelrichtung (Bereich ist 2,5 um) an. Dabei ist ersichtlich, dass lediglich die Grundmode erzeugt wird und die Mode höherer Ordnung unterdrückt wird.
21 zeigt eine Tabelle, die eine Schichtstruktur in einem Fall, in dem die Laservorrichtung 1A aus einem Verbundhalbleiter auf InP-Basis (Emissionswellenlängenband 1300 nm) gebildet ist, darstellt. Die Schicht Nummer 1 bezeichnet die Kontaktschicht 14, die Schicht Nummer 2 bezeichnet die obere Mantelschicht 13, die Schicht Nummer 3 bezeichnet die Phasenmodulationsschicht 15A, die Schicht Nummer 4 bezeichnet die optische Leiterschicht und die aktive Schicht 12 und die Schicht Nummer 5 bezeichnet die untere Mantelschicht 11. 22 zeigt die Brechungsindexverteilung G22a und die Modenverteilung G22b der Laservorrichtung 1A mit einer in 21 dargestellten Schichtstruktur. Die Horizontalachse gibt die Position in der Stapelrichtung an (der Bereich ist 2,5 μm). Dabei ist ersichtlich, dass lediglich die Grundmode erzeugt wird und die Mode höherer Ordnung unterdrückt wird.
23 zeigt eine Tabelle, die eine Schichtstruktur in einem Fall, in dem die Laservorrichtung 1A aus einem Verbundhalbleiter auf Nitridbasis (Emissionswellenlängenband 405 nm) gebildet ist, darstellt. Die Schicht Nummer 1 bezeichnet die Kontaktschicht 14, die Schicht Nummer 2 bezeichnet die obere Mantelschicht 13, die Schicht Nummer 3 bezeichnet die Trägersperrschicht, die Schicht Nummer 4 bezeichnet die aktive Schicht 12, die Schicht Nummer 5 bezeichnet die optische Leiterschicht, die Schicht Nummer 6 bezeichnet die Phasenmodulationsschicht 15A und die Schicht Nummer 7 bezeichnet die untere Mantelschicht 11. 24 zeigt die Brechungsindexverteilung G23a und die Modenverteilung G23b der Laservorrichtung 1A mit einer in 23 gezeigten Schichtstruktur. Die Horizontalachse gibt die Position in der Stapelrichtung an (der Bereich ist 2,5 μm). Dabei ist ersichtlich, dass lediglich die Grundmode erzeugt wird und die Mode höherer Ordnung unterdrückt wird.
In jeder der zuvor beschriebenen Strukturen beträgt der Füllfaktor (FF) der Phasenmodulationsschicht 15A 15%. Der Füllfaktor ist das Verhältnis der Fläche des modifizierten Brechungsindexbereichs 15b zu einem einzelnen Einheitskomponeritenbereich R.
Im Nachfolgenden werden die Vorbedingungen für die Untersuchung beschrieben. In der nachfolgenden Untersuchung wird die TE-Mode vorausgesetzt. Das heißt, die Leckmode und die TM-Mode werden nicht berücksichtigt. Darüber hinaus ist die untere Mantelschicht 11 hinreichend dick und der Einfluss des Halbleitersubstrats 10 vernachlässigbar. Der Brechungsindex der oberen Mantelschicht 13 ist gleich oder kleiner als der Brechungsindex der unteren Mantelschicht 11. Die aktive Schicht 12 (MQW-Schicht) und die optische Leiterschicht werden als eine einzelne optische Wellenleiterschicht (Kernschicht) mit einer durchschnittlichen dielektrischen Konstante und einer Gesamtfilmdicke, sofern nicht anders angegeben, angesehen. Ferner ist die dielektrische Konstante der Phasenmodulationsschicht 15A eine durchschnittliche dielektrische Konstante basierend auf einen Füllfaktor.
Die Berechnungsformel des durchschnittlichen Brechungsindex und der Filmdicke der optischen Wellenleiterschicht, die mit der aktiven Schicht 12 und der optischen Leiterschicht ausgebildet ist, ist wie folgt. Das heißt, ε_core ist die durchschnittliche dielektrische Konstante der optischen Wellenleiterschicht und durch die nachfolgende Formel (32) definiert. ε_i ist die dielektrische Konstante einer jeden Schicht, d_i ist die Dicke einer jeden Schicht und n_i ist der Brechungsindex einer jeden Schicht. n_core ist der durchschnittliche Brechungsindex der optischen Wellenleiterschicht und durch die folgende Formel (33) definiert. d_core ist die Filmdicke der optischen Wellenleiterschicht und durch die nachstehende Formel (34) definiert.
Die Berechnungsformel des durchschnittlichen Brechungsindex der Phasenmodulationsschicht 15A ist wie folgt. Das heißt, n_PM ist der durchschnittliche Brechungsindex der Phasenmodulationsschicht 15A und durch die nachfolgende Formel (35) definiert. ε_PM ist die dielektrische Konstante der Phasenmodulationsschicht 15A, n₁ ist der Brechungsindex des ersten Brechungsindexmediums, n₂ ist der Brechungsindex des zweiten Brechungsindexmediums und FF ist der Füllfaktor.
In der nachfolgenden Untersuchung wurde eine Annäherung der Wellenleiterstruktur mit dem Fünfschicht-Plattenwellenleiter oder dem Sechsschicht-Plattenwellenleiter durchgeführt. 25A und 25B zeigen jeweils eine Querschnittsansicht und eine Brechungsindexverteilung zur Erläuterung eines Falls der Näherung der Wellenleiterstruktur durch den Sechsschicht-Plattenwellenleiter. 26A und 26B zeigen jeweils eine Querschnittsansicht und eine Brechungsindexverteilung zur Erläuterung eines Falls der Näherung der Wellenleiterstruktur durch den Fünfschicht-Plattenwellenleiter. Wie in 25A und 25B gezeigt, weist die Phasenmodulationsschicht 15A keine Wellenleiterfunktion in dem Fall, in dem der Brechungsindex der Phasenmodulationsschicht 15A kleiner als der Brechungsindex der unteren Mantelschicht 11 ist, auf und somit wurde die Näherung an dem Sechsschicht-Plattenwellenleiter durchgeführt. Das heißt, die optische Wellenleiterschicht hat eine Struktur, die die aktive Schicht 12 und die optische Leiterschicht, jedoch keine untere Mantelschicht 11, keine obere Mantelschicht 13 und keine Phasenmodulationsschicht 15A enthält. Eine solche Näherung kann auf eine in 21 und 23 gezeigte Struktur angewendet werden (Verbundhalbleiter auf InP-Basis oder Verbundhalbleiter auf Nitridbasis in diesem bestimmten Beispiel).
Wie in 26A und 26B gezeigt, hat die Phasenmodulationsschicht 15A eine Wellenleiterfunktion in einem Fall, in dem der Brechungsindex der Phasenmodulationsschicht 15A gleich oder größer als der Brechungsindex der unteren Mantelschicht 11 ist, und somit wurde die Näherung an dem Fünfschicht-Plattenwellenleiter durchgeführt. Mit anderen Worten weist die optische Wellenleiterschicht eine Struktur auf, die die Phasenmodulationsschicht 15A und die aktive Schicht 12, jedoch keine untere Mantelschicht 11 und keine obere Mantelschicht 13 enthält. Eine solche Näherung kann auf eine in 19 dargestellte Struktur angewendet werden (Verbundhalbleiter auf GaAs-Basis in dem Beispiel).
Ferner wird zur weiteren Vereinfachung der Berechnung der Berechnungsbereich auf einen Randabschnitt von sowohl der optischen Wellenleiterschicht als auch der Kontaktschicht begrenzt, die jeweils einen Brechungsindex aufweisen, der höher als der äquivalente Brechungsindex der Laservorrichtung 1A ist. Das heißt, die Dreischicht-Plattenstruktur, die sich auf die optische Wellenleiterschicht bezieht, ist durch die optische Wellenleiterschicht und die obere und untere Schicht benachbart zu der optischen Wellenleiterschicht definiert, und die Dreischicht-Plattenstruktur, die sich auf die Kontaktschicht 14 bezieht, ist durch die Kontaktschicht 14 und die benachbarte obere und untere Schicht definiert.
27A und 27B zeigen jeweils eine Querschnittsansicht und eine Brechungsindexverteilung zur Erläuterung einer Dreischicht-Plattenstruktur, die sich auf die optische Wellenleiterschicht in dem Sechsschicht-Plattenwellenleiter bezieht (siehe 25A und 25B). In diesem Fall wird die geführte Mode in der optischen Wellenleiterschicht auf der Grundlage der Brechungsindexverteilung, die durch die durchgezogene Linie in der Brechungsindexverteilung der 27B dargestellt ist, berechnet. 28A und 28B zeigen jeweils eine Querschnittsansicht und eine Brechungsindexverteilung zur Erläuterung der Dreischicht-Plattenstruktur der Kontaktschicht 14 in dem Sechsschicht-Wellenleiter (siehe 25A und 25B). In diesem Fall wird die geführte Mode der Kontaktschicht 14 auf der Grundlage der Brechungsindexverteilung, die durch die durchgezogene Linie in 28B angegeben ist, berechnet.
29A und 29B zeigen jeweils eine Querschnittsansicht und eine Brechungsindexverteilung zur Erläuterung einer Dreischicht-Plattenstruktur, die sich auf eine optische Wellenleiterschicht in einem Fünfschicht-Plattenwellenleiter bezieht (siehe 26A und 26B). In diesem Fall wird die geführte Mode der optischen Wellenleiterschicht auf der Grundlage der Brechungsindexverteilung, die durch die durchgezogene Linie in 29B angegeben ist, berechnet. 30A und 30B zeigen jeweils eine Querschnittsansicht und eine Brechungsindexverteilung zur Erläuterung der Dreischicht-Plattenstruktur der Kontaktschicht 14 in dem Fünfschicht-Plattenwellenleiter (siehe 26A und 26B). In diesem Fall wird die geführte Mode der Kontaktschicht 14 auf der Grundlage der Brechungsindexverteilung, die durch die durchgezogene Linie in 30B angegeben ist, berechnet.
Um zu verhindern, dass die geführte Mode bei der Näherung durch die Dreischicht-Plattenstruktur, wie zuvor beschrieben, durch die untere Mantelschicht 11 in das Halbleitersubstrat 10 entweicht, sollte beachtet werden, dass der Brechungsindex der unteren Mantelschicht 11 so eingestellt werden muss, dass er gleich oder kleiner als der Brechungsindex der Laservorrichtung 1A ist.
Im Nachfolgenden wird der analytische Ausdruck der Dreischicht-Plattenstruktur beschrieben. 31A und 31B zeigen eine Dreischicht-Plattenstruktur 30, die die untere Mantelschicht 11, die optische Wellenleiterschicht 31 und die obere Mantelschicht 13 enthält, und zeigen die Brechungsindexverteilung der Dreischichtplattenstruktur 30. Hierbei ist n₂ der Brechungsindex der unteren Mantelschicht 11, n₁ der Brechungsindex der optischen Wellenleiterschicht 31 und n₃ der Brechungsindex der oberen Mantelschicht 13. Wird die normalisierte Wellenlängenbreite V₁ der optischen Wellenleiterschicht 31 durch die zuvor beschriebene Formel (16) definiert, wird die geführte Mode nur auf die Grundmode festgelegt, wenn sich die Einstellung innerhalb eines Bereichs mit lediglich einer Lösung für die normalisierte Wellenleiterbreite V₁ befindet. Wird jedoch die geführte Mode der zuvor beschriebenen Fünfschicht-Plattenstruktur und der Sechsschicht-Plattenstruktur durch den analytischen Ausdruck der Dreischicht-Plattenstruktur untersucht, muss das Entweichen der geführten Mode in die unteren Mantelschicht 11 unterdrückt werden, und somit müssen gleichzeitig die Bedingungen in der zuvor beschriebenen Formel (17) erfüllt sein.
Für die Kontaktschicht 14 kann die untere Mantelschicht 11 durch die obere Mantelschicht 13 ersetzt werden, kann die optische Wellenleiterschicht 31 durch die Kontaktschicht 14 ersetzt werden und kann die obere Mantelschicht 13 durch die Luftschicht in 31A und 31B ersetzt werden. Unter der Annahme, dass n₄ der Brechungsindex der Kontaktschicht 14 und n₅ der Brechungsindex der Luftschicht ist, wird die zuvor beschriebene Formel (23), die sich auf die normalisierte Wellenleiterbreite V₂ der Kontaktschicht 14 bezieht, erhalten. In einem Fall, in dem sich die Einstellung innerhalb eines Bereichs befindet, der keine Lösung für die normalisierte Wellenleiterbreite V₂ aufweist, befindet sich keine geführte Mode in der Kontaktschicht 14. Wird jedoch die geführte Mode der zuvor beschriebenen Fünfschicht-Plattenstruktur und der Sechsschicht-Plattenstruktur durch die analytischen Ausdruck der Dreischicht-Plattenstruktur untersucht, muss das Entweichen der geführten Mode in die untere Mantelschicht 11 unterdrückt werden, und somit müssen gleichzeitig die Bedingungen in der zuvor beschriebenen Formel (24) erfüllt sein.
Durch Analysieren der geführten Mode, die durch Variieren der Filmdicke der oberen Mantelschicht 13 erzeugt wird, wurde bestätigt, dass die Filmdicke der oberen Mantelschicht 13 die geführte Mode nicht beeinträchtigt.
(Fall, bei dem die Laservorrichtung 1A aus einem Verbundhalbleiter auf GaAs-Basis gebildet ist)
32 zeigt eine Tabelle, die ein Beispiel einer Fünfschicht-Plattenstruktur in einem Fall, in dem die Laservorrichtung 1A aus einem Verbundhalbleiter auf GaAs-Basis gebildet ist, darstellt. Der Bereich der Filmdicke der optischen Wellenleiterschicht (Schicht Nummer 4) und der Kontaktschicht (Schicht Nummer 2) in dieser Fünfschicht-Plattenstruktur kann durch die nachfolgende Berechnung erhalten werden.
33A zeigt eine Tabelle, die die Brechungsindizes n₁, n₂ und n₃, den asymmetrischen Parameter a' und den Brechungsindex n_clad der unteren Mantelschicht 11, die zur Berechnung verwendet werden, darstellt. In diesem Fall zeigt 34 eine Beziehung zwischen der normalisierten Wellenleiterbreite V₁ der optischen Wellenleiterschicht und dem normalisierten Ausbreitungskoeffizienten b, die durch die zuvor beschriebenen Formeln (16) und (17) ausgedrückt sind. In 34 zeigen die Diagramme G31a bis G31f jeweils Fälle der Modenfolge N = 0 bis 5. In diesem Diagramm entspricht der Bereich, in dem die geführte Mode nur die Grundmode ist (d. h. N = 0), dem Bereich, der eine Lösung für die normalisierte Wellenleiterbreite V₁ aufweist, die sich innerhalb des Bereichs H₁ befindet. Der Bereich H₁ entspricht dem Bereich, der einen oberen Grenzwert der normalisierten Wellenleiterbreite V₁ aufweist, der N = 0 entspricht, wenn der normalisierte Ausbreitungskoeffizient b Null ist, und der einen oberen Grenzwert der normalisierten Wellenleiterbreite V₁ aufweist, der N = 1 entspricht, wenn der normalisierte Ausbreitungskoeffizient b Null ist. 33B zeigt eine Tabelle, die ein Berechnungsergebnis des unteren Grenzwertes und des oberen Grenzwertes zeigt.
35A zeigt eine Tabelle, die die Brechungsindizes n₄, n₅ und n₆, den asymmetrischen Parameter a' und den Brechungsindex n_clad der unteren Mantelschicht 11, die zur Berechnung verwendet werden, darstellt. In diesem Fall zeigt 36 die Beziehung zwischen der normalisierten Wellenleiterbreite V₂ der Kontaktschicht 14 und dem normalisierten Ausbreitungskoeffizienten b, die in den zuvor beschriebenen Formeln (23) und (24) definiert sind. In 36 zeigen die Diagramme G32a bis G32f jeweils Fälle der Modenfolge N = 0 bis 5. In diesem Diagramm entspricht der Bereich, in dem es zu keiner Bildung der geführten Mode aufgrund der Kontaktschicht 14 kommt und in dem die geführte Mode der Laservorrichtung 1A die Grundmode der optischen Wellenleiterschicht alleine ist, einen Bereich, der keine Lösung für die normalisierte Wellenleiterbreite V₂ aufweist, die sich innerhalb des Bereichs H₂ befindet. Der Bereich H₂ entspricht dem Bereich, der einen unteren Grenzwert von Null und einen oberen Grenzwert der normalisierten Wellenleiterbreite V₂, der N = 0 entspricht, wenn der normalisierte Ausbreitungskoeffizient b einen Wert b₁ hat, der dem Brechungsindex der unteren Mantelschicht 11 entspricht, aufweist. 35B zeigt eine Tabelle, die ein Berechnungsergebnis des oberen Grenzwerts darstellt.
37 zeigt die Brechungsindexverteilung G24a und die Modenverteilung G24b der Laservorrichtung 1A mit einer in 32 gezeigten Schichtstruktur. Es ist ersichtlich, dass lediglich die Grundmode deutlich gebildet wird und die Mode höherer Ordnung unterdrückt wird.
(Fall, bei dem die Laservorrichtung 1A aus einem Verbundhalbleiter auf InP-Basis gebildet ist)
38 zeigt eine Tabelle, die ein Beispiel einer Sechsschicht-Plattenstruktur in einem Fall, in dem die Laservorrichtung 1A aus einem Verbundhalbleiter auf InP-Basis gebildet ist, darstellt. Der Bereich der Filmdicke der optischen Wellenleiterschicht (Schicht Nummer 5) und der Kontaktschicht (Schicht Nummer 2) in dieser Sechsschicht-Plattenstruktur kann durch die nachfolgende Berechnung erhalten werden.
39A zeigt eine Tabelle, die die Brechungsindizes n₁, n₂ und n₃, den asymmetrischen Parameter a' und en Brechungsindex n_clad der unteren Mantelschicht 11, die zur Berechnung verwendet werden, darstellt. In diesem Fall zeigt 40 die Beziehung zwischen der normalisierten Wellenleiterbreite V₁ der optischen Wellenleiterschicht und dem normalisierten Ausbreitungskoeffizienten b, die in den zuvor beschriebenen Formeln (16) und (17) definiert sind. In 40 zeigen die Diagramme G33a bis G33f jeweils Fälle der Modenfolge N = 0 bis 5. In diesem Diagramm entspricht der Bereich, in dem die geführte Mode nur die Grundmode ist (d. h. N = 0) dem Bereich, der eine Lösung für die normalisierte Wellenleiterbreite V₁ aufweist, die sich innerhalb des Bereichs H₁ befindet. Die Definition des Bereichs H₁ ist gleich wie die des zuvor beschriebenen Verbundhalbleiters auf GaAs-Basis. 39B zeigt eine Tabelle, die ein Berechnungsergebnis des unteren Grenzwertes und des oberen Grenzwertes darstellt.
41A zeigt eine Tabelle, die die Brechungsindizes n₄, n₅ und n₆, den asymmetrischen Parameter a' und den Brechungsindex n_clad der unteren Mantelschicht 11, die zur Berechnung verwendet werden, darstellt. In diesem Fall ist die Beziehung zwischen der normalisierten Wellenleiterbreite V₂ der Kontaktschicht 14 und dem normalisierten Ausbreitungskoeffizienten b, die in den zuvor beschriebenen Formeln (23) und (24) definiert sind, so wie in dem Diagramm der 42 dargestellt. In 42 zeigen die Diagramme G34a bis G34f jeweils die Modenfolge N = 0 bis 5. In diesem Diagramm entspricht der Bereich, in dem sich keine geführte Mode aufgrund der Kontaktschicht 14 bildet und in dem die geführte Mode der Laservorrichtung 1A nur die Grundmode der optischen Wellenleiterschicht ist, einen Bereich, der keine Lösung für die normalisierte Wellenleiterbreite V₂, die sich innerhalb des Bereichs H₂ befindet, aufweist. Die Definition des Bereichs H₂ entspricht dem des zuvor beschriebenen Verbundhalbleiters auf GaAs-Basis. 41B zeigt eine Tabelle, die das Berechnungsergebnis des oberen Grenzwertes darstellt.
43 zeigt die Brechungsindexverteilung G25a und eine Modenverteilung G25b der Laservorrichtung 1A mit einer in 38 dargestellten Schichtstruktur. Es zeigt sich, dass nur die Grundmode deutlich erzeugt wird und die Mode höherer Ordnung unterdrückt wird.
(Fall, in dem die Laservorrichtung 1A aus einem Verbundhalbleiter auf Nitridbasis gebildet ist.)
44 zeigt eine Tabelle, die ein Beispiel einer Sechsschicht-Plattenstruktur in einem Fall, in dem die Laservorrichtung 1A aus einem Verbundhalbleiter auf Nitridbasis gebildet ist, darstellt. Der Filmdickenbereich der optischen Wellenleiterschicht (Schicht Nummer 4) und der Kontaktschicht (Schicht Nummer 2) in der Sechsschicht-Plattenstruktur kann durch die nachfolgende Berechnung erhalten werden.
45A zeigt eine Tabelle, die die Brechungsindizes n₁, n₂ und n₃, den asymmetrischen Parameter a' und den Brechungsindex n_clad der unteren Mantelschicht 11, die zur Berechnung verwendet werden, darstellt. In diesem Fall zeigt 46 die Beziehung zwischen der normalisierten Wellenleiterbreite V₁ der optischen Wellenleiterschicht und dem normalisierten Ausbreitungskoeffizienten b, die in den zuvor beschriebenen Formeln (16) und (17) definiert sind. In 46 zeigen die Diagramme G35a bis G35f jeweils die Modenfolge N = 0 bis 5. In diesem Diagramm entspricht der Bereich, in dem die geführte Mode nur die Grundmode ist (d. h. N = 0) dem Bereich, der eine Lösung für die normalisierte Wellenleiterbreite V₁, die sich innerhalb des Bereichs H₁ befindet aufweist. Der Bereich H₁ entspricht dem Bereich, der einen unteren Grenzwert der normalisierten Wellenleiterbreite V₁ aufweist, der N = 0 entspricht, wenn der normalisierte Ausbreitungskoeffizient b einen Wert b₁ hat, und der einen oberen Grenzwert der normalisierten Wellenleiterbreite V₁ aufweist, der N = 1 entspricht, wenn der normalisierte Ausbreitungskoeffizient b den Wert b₁ hat. 45B zeigt eine Tabelle, die ein Berechnungsergebnis des unteren Grenzwertes und des oberen Grenzwertes darstellt.
47A zeigt eine Tabelle, die die Brechungsindizes n₄, n₅ und n₆, den asymmetrischen Parameter a' und den Brechungsindex n_clad der unteren Mantelschicht 11, die zur Berechnung verwendet werden, darstellt. In diesem Fall zeigt 48 die Beziehung zwischen der normalisierten Wellenleiterbreite V₂ der Kontaktschicht 14 und dem normalisierten Ausbreitungskoeffizienten b, die in den zuvor beschriebenen Formeln (23) und (24) definiert sind. In 48 zeigen die Diagramme G36a bis G36f jeweils Fälle der Modenfolge N = 0 bis 5. In diesem Diagramm entspricht der Bereich, in dem keine geführte Mode aufgrund der Kontaktschicht 14 gebildet wird und in dem die geführte Mode der Laservorrichtung 1A nur die Grundmode der optischen Wellenleiterschicht ist, einem Bereich, der keine Lösung für die normalisierte Wellenleiterbreite V₂, die sich innerhalb des Bereichs H₂ befindet, aufweist. Die Definition des Bereichs H₂ entspricht der des zuvor beschriebenen Verbundhalbleiters auf GaAs-Basis. 47B zeigt eine Tabelle, die ein Berechnungsergebnis des oberen Grenzwertes darstellt.
49 zeigt die Brechungsindexverteilung G26a und die Modenverteilung G26b der Laservorrichtung 1A mit einer in 44 dargestellten Schichtstruktur. Es zeigt sich, dass lediglich die Grundmode deutlich erzeugt wird und die Mode höherer Ordnung unterdrückt wird.
(Zweite Ausführungsform)
50 zeigt ein Diagramm, das eine Konfiguration einer Laservorrichtung 1B als ein Beispiel der lichtemittierenden Halbleitervorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform darstellt. 51 zeigt ein Diagramm, das ein weiteres Beispiel der lichtemittierenden Halbleitervorrichtung gemäß der zweiten Ausführungsform darstellt. Die Laservorrichtung 1B ist eine Laserlichtquelle, die eine stehende Welle innerhalb einer X-Y-Ebenenrichtung bildet und eine phasengesteuerte ebene Welle in der Z-Richtung ausgibt. Wie in der ersten Ausführungsform gibt die Laservorrichtung 1B ein optisches Bild mit einer zweidimensionalen beliebigen Form aus, die eine Richtung senkrecht zu der Hauptfläche 10a des Halbleitersubstrats 10 und eine Richtung, die mit Bezug auf diese Richtung geneigt ist, aufweist. Es sollte beachtet werden, dass, während die Laservorrichtung 1A gemäß der ersten Ausführungsform das optische Bild, das durch das Halbleitersubstrat 10 von der Rückseitenfläche der Vorrichtung übertragen wird, ausgibt, die Laservorrichtung 1B gemäß der vorliegenden Ausführungsform das optische Bild von der Seite der oberen Mantelschicht 13 in Richtung der aktiven Schicht 12 ausgibt.
Die Laservorrichtung 1B umfasst die untere Mantelschicht 11, die aktive Schicht 12, die obere Mantelschicht 13, die Kontaktschicht 14, die Phasenmodulationsschicht 15A, eine Lichtreflexionsschicht 20 und eine Strombegrenzungsschicht 21. Die untere Mantelschicht 11 ist auf dem Halbleitersubstrat 10 vorgesehen. Die aktive Schicht 12 ist auf der unteren Mantelschicht 11 vorgesehen. Die obere Mantelschicht 13 ist auf der aktiven Schicht 12 vorgesehen. Die Kontaktschicht 14 ist auf der oberen Mantelschicht 13 vorgesehen. Die Phasenmodulationsschicht 15A ist zwischen der aktiven Schicht 12 und der oberen Mantelschicht 13 vorgesehen. Die Lichtreflexionsschicht 20 ist zwischen der aktiven Schicht 12 und der unteren Mantelschicht 11 vorgesehen. Die Strombegrenzungsschicht 21 ist innerhalb der oberen Mantelschicht 13 vorgesehen. Die Konfigurationen (geeignete Materialien, Bandabstand, Brechungsindex oder dergleichen) der einzelnen Schichten 11 bis 14 und 15A sind gleich wie die in der ersten Ausführungsform. Es sollte beachtet werden, dass auf die Lichtreflexionsschicht 20 in einem Fall, in dem die Lichtabsorption in dem Halbleitersubstrat 10 kein Problem verursacht, verzichtet werden kann.
Die Struktur der Phasenmodulationsschicht 15A entspricht der Struktur der Phasenmodulationsschicht 15A, die in der ersten Ausführungsform beschrieben ist (siehe 3). Alternativ kann die Phasenmodulationsschicht 15A durch die Phasenmodulationsschicht 15B (siehe 15), die in der Modifikation dargestellt ist, ersetzt werden. Eine optische Leiterschicht kann zwischen der aktiven Schicht 12 und der oberen Wandschicht 13 und/oder zwischen Aktivschicht 12 und der unteren Mantelschicht 11 je nach Bedarf vorgesehen sein. Wie in 51 gezeigt, kann die Phasenmodulationsschicht 15A zwischen der unteren Mantelschicht 11 und aktiven Schicht 12 vorgesehen sein. Ferner kann die Laservorrichtung 1B eine der in 52A bis 52C gezeigten Strukturen aufweisen.
Die Laservorrichtung 1B umfasst ferner eine Elektrode 23, die auf der Kontaktschicht 14 vorgesehen ist, und eine Elektrode 22, die auf der Rückseitenfläche 10b des Halbleitersubstrats 10 vorgesehen ist. Die Elektrode 23 bildet einen ohmschen Kontakt mit der Kontaktschicht 14, während die Elektrode 22 einen ohmschen Kontakt mit dem Halbleitersubstrat 10 bildet. 53 zeigt eine Draufsicht der Laservorrichtung 1B, wenn diese von der Seite der Elektrode 23 betrachtet wird (Vorderflächenseite). Wie in 53 gezeigt, hat die Elektrode 23 eine ebene Form, wie beispielsweise eine rahmenförmige Form (Rahmenform) und umfasst eine Öffnung 23a. Während 53 einen Beispielsfall darstellt, bei dem die Elektrode 23 eine quadratische rahmenförmige Form aufweist, kann die Elektrode 23 unterschiedliche Ebenenformen, wie beispielsweise eine Kreisform, aufweisen. Darüber hinaus ist die Form der Elektrode 22, die durch die verdeckte Linie (Strichlinie) in 53 dargestellt ist, gleich wie die Form der Öffnung 23a der Elektrode 23 und beispielsweise quadratisch oder kreisförmig. Ein Innendurchmesser LA (Länge einer Seite in einem Fall, in dem die Form der Öffnung 23a ein Quadrat ist), der Öffnung 23a der Elektrode 23 beträgt beispielsweise 20 μm bis 50 μm.
Im Nachfolgenden wird erneut auf 50 Bezug genommen. Die Kontaktschicht 14 gemäß der vorliegenden Ausführungsform weist so wie die Elektrode 23 eine ebene Form auf. Das heißt, der mittlere Abschnitt der Kontaktschicht 14 wird durch Ätzen entfernt, um eine Öffnung 14a zu bilden, wodurch eine ebene Form, wie beispielsweise die rahmenartige Form (Rahmenform), der Kontaktschicht 14 entsteht. Das aus der Laservorrichtung 1B emittierte Licht durchläuft die Öffnung 14a der Kontaktschicht 14 und die Öffnung 23a der Elektrode 23. Indem zugelassen wird, dass das Licht die Öffnung 14a der Kontaktschicht 14 durchläuft, ist es möglich, eine Lichtabsorption in der Kontaktschicht 14 zu vermeiden und die Lichtemissioneffizienz zu verbessern. In einem Fall jedoch, in dem die Lichtabsorption in der Kontaktschicht 14 ausreichend ist, kann die Kontaktschicht 14 so gebildet sein, dass sie die gesamte Fläche der oberen Mantelschicht 13 bedeckt und keine Öffnung 14a aufweist. Indem zugelassen wird, dass das Licht die Öffnung 23a der Elektrode 23 durchläuft, ist es möglich, in geeigneter Weise Licht von der Vorderflächenseite der Laservorrichtung 1B zu emittieren, ohne dass es von der Elektrode 23 versperrt wird.
Die erforderliche der oberen Mantelschicht 13 (oder die Vorderfläche der Kontaktschicht 14 in einem Fall, in dem die Öffnung 14a nicht vorgesehen ist) die durch die Öffnung 14a der Kontaktschicht 14 freiliegt, ist mit einer Antireflexschicht 25 bedeckt. Eine Antireflexschicht 25 kann auch ausserhalb der Kontaktschicht 14 vorgesehen sein. Andere Abschnitte als die Elektrode 22 auf der Rückseitenfläche 10b des Halbleitersubstrats 10 sind mit einem Schutzfilm 24 bedeckt. Der Schutzfilm 24 ist aus einem Material gebildet, das dem Material des Schutzfilms 18 gemäß der ersten Ausführungsform entspricht. Die Antireflexschicht ist aus einem Material gebildet, das dem Material der Antireflexschicht 19 gemäß der ersten Ausführungsform entspricht.
Wie in 52A gezeigt, kann die Elektrode 22 auf der gesamten Rückseitenfläche 10b vorgesehen sein. In diesem Fall ist der Schutzfilm 24 entbehrlich. Um eine bei der Implementierung der Laservorrichtung 1A auftretende Lötmittelumhüllung zu vermindern, kann die Unebenheit 10c, wie in 52B gezeigt, an dem Umfangsabschnitt der Rückseitenfläche 10b des Halbleitersubstrats 10 vorgesehen sein. In diesem Fall wird die Breite der Unebenheit 10c auf beispielsweise 5 μm bis 50 μm, eine Länge davon auf beispielsweise 5 μm bis 50 μm, vorzugsweise etwa 30 μm und eine Tiefe davon auf etwa 10 μm festgelegt. Der Schutzfilm 24 ist auf der Unebenheit 10c vorgesehen. In dem Fall, in dem die Elektrode auf der gesamten Rückseitenfläche 10b vorgesehen ist, ist die Elektrode 22 in der Nähe der Grenzfläche zwischen Rückseitenfläche 10b und Unebenheit 10c, wie in 52C gezeigt, vorgesehen.
Die Lichtreflexionsschicht 20 reflektiert das Licht, das in der aktiven Schicht 12 erzeugt wird, in Richtung der Vorderflächenseite der Laservorrichtung 1B (die Seite der oberen Mantelschicht 13 mit Bezug auf die aktive Schicht 12). Die Lichtreflexionsschicht 20 wird mit einer verteilten Braggreflektorschicht (DBR Schicht) gebildet, bei der mehrere Schichten mit unterschiedlichen Brechnungsindizes abwechselnd gestapelt sind. Während die Lichtreflexionsschicht 20 der vorliegenden Ausführungsform zwischen der aktiven Schicht 12 und der unteren Mantelschicht 11 vorgesehen ist, kann die Lichtreflexionsschicht 20 auch zwischen der unteren Mantelschicht 11 und dem Halbleitersubstrat 10 vorgesehen sein.
In einem Beispiel ist das Halbleitersubstrat 10 ein GaAs Substrat, während die untere Mantelschicht 11, die aktive Schicht 12, die Phasenmodulationsschicht 15A, die obere Mantelschicht 13, die Kontaktschicht 14 und die Lichtreflexionsschicht 20 jeweils eine Verbundhalbleiterschicht sind, die durch Elemente gebildet ist, die in einer Gruppe, die aus den Gruppe III Elementen Ga, Al und In und dem Gruppe V Element As besteht, enthalten sind. Insbesondere ist die untere Mantelschicht 11 eine AlGaAs Schicht, weist die aktive Schicht 12 eine Mehrfachquantenkopfstruktur auf (Sperrschicht: AlGaAs/Quantentopfschicht: InGaAs) ist die Basisschicht 15A der Phasenmodulationsschicht 15A GaAs, der modifizierte Brechungsindexbereich 15B ein leerer Raum, die obere Mantelschicht 13 eine AlGaAs Schicht, die Kontaktschicht 14 eine GaAs und die Lichtreflexionsschicht 20 eine AlGaAs Schicht.
In einem weiteren Beispiel ist das Halbleitersubstrat 10 eine GaAs Schicht, während die untere Mantelschicht 11, die aktive Schicht 12, die Phasenmodulationsschicht 15A, die obere Mantelschicht 13, die Kontaktschicht 14 und die Lichtreflexionsschicht 20 jeweils eine Verbundhalbleiterschicht sind, die nicht ausschliesslich aus den Elementen gebildet ist, die in einer Gruppe, die aus den Gruppe III Elementen GaAl und In und dem Gruppe V Element As besteht, enthalten sind. Insbesondere ist die untere Mantelschicht 11 eine AlGaInP Schicht, weist die aktive Schicht 12 eine Mehrfachquantenkopfstruktur auf (Sperrschicht: AlGaInP oder GaInP/Quantenkopfschicht: GaInP), ist die Basisschicht 15A der Phasenmodulationsschicht 15A AlGaInP oder die GaInP, der modifizierte Brechungsindexbereich 15B ein leerer Raum, die obere Mantelschicht 13 eine AlGaInP Schicht, die Kontaktschicht 14 eine GaAs Schicht und die Lichtreflexionsschicht 20 eine AlGalnP Schicht oder eine AlGaAs Schicht.
In einem noch weiteren Beispiel ist das Halbleitersubstrat 10 ein InP Substrat, während die untere Mantelschicht 11, die aktive Schicht 12, die Phasenmodulationsschicht 15A, die obere Mantelschicht 13, die Kontaktschicht 14 und die Lichtreflexionsschicht 20 jeweils aus einem Verbundhalbleiter gebildet sind, der nicht ausschließlich aus den Elementen gebildet ist, die in einer Gruppe, die aus den Gruppe III Elementen GaAl und In und dem Gruppe V Element As besteht, enthalten sind, dass heißt, die beispielsweise aus einem Verbundhalbleiter auf InP-Basis gebildet sein können. Alternativ kann das Halbleitersubstrat 10 ein GaN Substrat sein, während die untere Mantelschicht 11, die aktive Schicht 12, die Phasenmodulationsschicht 15A, die obere Mantelschicht 13, die Kontaktschicht 14 und die Lichtreflexionsschicht 20 jeweils aus einer Verbundhalbleiterschicht gebildet sein können, die nicht ausschließlich aus den Elementen gebildet ist, die in einer Gruppe, die aus den Gruppe III Elementen Ga, Al und In und den Gruppe V Element As besteht, enthalten sind, dass heißt, die beispielsweise aus einem Verbundhalbleiter auf Nitritbasis gebildet sein können.
Die untere Mantelschicht 11 und Lichtreflexionsschicht 20 sind mit dem gleichen Leitfähigkeitstyp wie das Halbleitersubstrat 10 ausgebildet, und die obere Mantelschicht 13 und die Kontaktschicht 14 sind mit einem Leitfähigkeitstyp ausgebildet, der entgegengesetzt zu dem des Halbleitersubstrats 10 ist. In einem Beispiel weisen das Halbleitersubstrat 10, die untere Mantelschicht 11 und die Lichtreflexionsschicht 20 den n-Typ und die obere Mantelschicht 13 und die Kontaktschicht 14 den P-Typ auf. In dem Fall, in dem die Phasenmodulationsschicht 15A zwischen der aktiven Schicht 12 und der unteren Mantelschicht 11 vorgesehen ist, weist diese den gleichen Leitfähigkeitstyp wie das Halbleitersubstrat 10 auf, und in einem Fall, in dem die Phasenmodulationsschicht 15A zwischen der aktiven Schicht 12 und der oberen Mantelschicht 13 vorgesehen ist, weist diese einen Leitfähigkeitstyp auf, der entgegengesetzt zu dem des Halbleitersubstrats 10 ist. Die Verunreinigungskonzentration beträgt beispielsweise 1 × 10¹⁷/cm³ bis 1 × 10²¹ cm³.
Die Strombegrenzungsschicht 21 hat eine Struktur, die das Durchleiten von elektrischen Strom erschwert (oder die ein Durchlassen verhindert) und weist in der Öffnung 21a den mittleren Abschnitt auf. Wie in 53 gezeigt, ist die ebene Form der Öffnung 21a gleich der Form der Öffnung 23a der Elektrode 23 und ist beispielsweise quadratisch oder kreisförmig. Die Strombegrenzungsschicht 21 ist eine Al-Oxidschicht, die durch oxidieren einer Schicht, die eine hohe Al Konzentration aufweist, gebildet ist. Alternativ ist die Strombegrenzungsschicht 21 eine Schicht, die durch Injizieren von Protonen (H⁺) in die obere Mantelschicht 13 gebildet wird. Alternativ kann die Strombegrenzungsschicht 21 eine inverse pn-Übergangsstruktur aufweisen, bei der eine Halbleiterschicht mit einem Leitfähigkeitstyp entgegengesetzt zu jenem des Halbleitersubstrats 10 und eine Halbleiterschicht mit dem gleichen Leitfähigkeitstyp wie das Halbleitersubstrat 10 der Reihe nach gestapelt werden.
Ein Innendurchmesser Lc (Länge einer Seite in einem Fall, in dem die Form der Öffnung 21a ein Quadrat ist) der Öffnung 21a der Strombegrenzungsschicht 21 ist kleiner als der Innendurchmesser La (die Länge einer Seite in einem Fall, in dem die Form der Öffnung 23 ein Quadrat ist) der Öffnung 23a der Elektrode 23. Bei Betrachtung in der Normalenrichtung (Z-Richtung) der Hauptfläche 10A ist die Öffnung 21a der Strombegrenzungsschicht 21 in der Öffnung 23 der Elektrode 23 angeordnet.
Im Nachfolgenden werden beispielhafte Abmessungen der Laservorrichtung 1B der vorliegenden Ausführungsform beschrieben. Der Innendurchmesser La (die Länge einer Seite in einem Fall, in dem die Form der Öffnung 23 ein Quadrat ist) der Öffnung 23a der Elektrode 23 liegt in einem Bereich von 5 μm bis 100 μm, beispielsweise bei 50 μm. Eine Dicke ta der Phasenmodulationsschicht 15A liegt beispielsweise in einem Bereich von 100 nm bis 400 nm, zum Beispiel bei 200 nm. Ein Abstand tb zwischen der Strombegrenzungsschicht 21 und der Kontaktschicht 14 liegt in einem Bereich von 2 μm bis 50 μm. Mit anderen Worten liegt der Abstand tb innerhalb eines Bereiches von 0,02 La bis 10 La (beispielsweise bei 0,1 La) und innerhalb eines Bereiches von 5,0 ta bis 500 ta (beispielsweise bei 25 ta). Eine Dicke tc der oberen Mantelschicht 13 ist größer als der Abstand tb und liegt in einem Bereich von 2 μm bis 50 μm. Mit anderen Worten liegt die Dicke tc innerhalb eines Bereiches von 0,02 La bis 10 La (beispielsweise bei 0,1 La) und innerhalb eines Bereiches von 0,5 ta bis 500 ta (beispielsweise bei 25 ta). Eine Dicke td der unteren Mantelschicht 11 liegt in einem Bereich von 1,0 μm bis 3 μm (beispielsweise bei 2,0 μm).
Wird ein Treiberstrom zwischen der Elektrode 22 und der Elektrode 23 zugeführt, erreicht der Treiberstrom die aktive Schicht 12. Dabei diffundiert der Strom, der zwischen Elektrode und aktiver Schicht 12 fließt, ausreichend in die dicke obere Mantelschicht 13 und durchläuft die Öffnung 21a der Strombegrenzungsschicht 21, wodurch der Strom gleichmässig in die Nähe des mittleren Abschnitts der aktiven Schicht 12 diffundiert. Anschließend tritt eine Rekombination von Elektronen und Löchern in der aktiven Schicht 12 auf, und die aktive Schicht 12 emittiert Licht. Die Elektronen und Löcher, die zur Lichtemission und dem erzeugten Licht beitragen, werden effizient zwischen der unteren Mantelschicht 11 und der oberen Mantelschicht 13 einschlossen. Das von der aktiven Schicht 12 emittierte Laserlicht tritt in das Innere der Phasenmodulationsschicht 15A ein und bildet eine vorbestimmte Mode, die der Gitterstruktur innerhalb der Phasenmodulationsschicht 15A entspricht. Das von der Innenseite der Phasenmodulationsschicht 15A emittierte Licht wird durch die Lichtreflexionsschicht 20 reflektiert und von der oberen Mantelschicht 13 durch die Öffnung 14a und die Öffnung 23a nach außen emittiert. Dabei wird das Licht nullter Ordnung des Laserlichts in einer Richtung senkrecht zu der Hauptfläche 10A emittiert. Im Gegensatz dazu wird das Signallicht des Laserlichts in eine zweidimensionale beliebige Richtung emittiert, die eine Richtung senkrecht zu der Hauptfläche 10A und eine Richtung, die mit Bezug auf diese Richtung geneigt ist, aufweist. Das Licht, das das gewünschte optische Bild bildet ist das Signallicht, und das Licht nullter Ordnung wird in dieser Ausführungsform nicht verwendet.
Gemäß der in 50 und 51 gezeigten Ausführungsform kann, da der Außendurchmesser der Elektrode 22 kleiner als der Innendurchmesser der Öffnung 21a ist, die Elektrode 22 aus Sicht in einer Normalenrichtung der Hauptfläche 10A in die Öffnung 21a eingepasst werden. Dadurch kann selbst dann, wenn in der Strombegrenzungsschicht 21 ein Defekt aufgrund eines Herstellungsfehlers oder einer Leckage aufgrund von Löcher auftritt, die Stromleckage unterdrückt werden, da ein Widerstand des Stromflussweges von einem Leckageabschnitt zu der Elektrode 22 unter der Voraussetzung, dass die Elektrode 22 innerhalb der Öffnung 21a ausgebildet ist, hoch ist. Dementsprechend kann bei einer Stromeinspeisung in die aktive Schicht 12 knapp unterhalb der Öffnung 21a die Zuverlässigkeit der Laservorrichtung 1B verbessert werden. Dabei kann in dem Fall, in dem die Laservorrichtung 1B mit ausreichender Genauigkeit hergestellt wird, die Elektrode 22 auf der gesamten Rückseitenfläche 10b des Halbleitrsubstrats 10 gebildet werden.
Mit der Laservorrichtung 1B gemäß der zuvor beschriebenen vorliegenden Ausführungsform ist es, so wie im Falle der Laservorrichtung 1A der ersten Ausführungsform, möglich, die Bildung von Moden höherer Ordnung zu unterdrücken und das Rauschlicht mit einem gitterförmigen dunklen Abschnitt, das das Strahlenmuster überlagert, zu verringern. Darüber hinaus ist es durch Ausgabe eines optischen Bildes von der Vorderfläche der aktiven Schicht 12 auf der Seite der oberen Mantelschicht 13, wie in der vorliegenden Ausführungsform dargestellt, möglich, eine Lichtabsorption in dem Halbleitersubstrat 10 zu vermeiden und die Lichtemissionseffizenz der Laservorrichtung 1B zu erhöhen. Dieser Aufbau ist insbesondere in dem Fall wirksam, in dem ein optisches Bild in einem Infrarotbereich (beispielsweise bei einer Wellenlänge von 96 nm) ausgegeben wird. Wird für das Halbleitersubstrat 10 GaAs verwendet, ist es insbesondere effektiv, ein optisches Bild im sichtbaren Bereich bis Nahinfrarotbereich (beispielsweise bei einer Wellenlänge von 600 nm bis 920 nm) auszugeben.
54A bis 56B, 57 und 58A bis 61B zeigen Diagramme, die ein Herstellungsverfahren der Laservorrichtung 1B gemäß der vorliegenden Ausführungsform darstellen. 54A bis 54C und 55A bis 55B zeigen ein Herstellungsverfahren in einem Fall, in dem die Strombegrenzungsschicht 21 durch Oxidation gebildet wird. 56A bis 56B und 57 zeigen ein Herstellungsverfahren in einem Fall, in dem die Strombegrenzungsschicht 21 durch Protoneninjektion gebildet wird. 58A bis 58C und 59A bis 59B zeigen ein erstes Herstellungsverfahren in einem Fall, in dem die Strombegrenzungsschicht 21 durch eine inverse pn-Übergangsstruktur gebildet wird. 60A bis 60C und 61A bis 61B zeigen ein zweites Herstellungsverfahren in einem Fall, in dem die Strombegrenzungsschicht 21 durch eine inverse pn-Übergangsstruktur gebildet wird.
(Fall, bei dem die Strombegrenzungsschicht durch Oxidation gebildet wird)
Zunächst wird, wie in 54A gezeigt, ein erster Stapelabschnitt 41 epitaktisch auf dem Halbleitersubstrat 10 gewachsen (erster Wachsstumsschritt). Der erste Stapelabschnitt 41 umfasst die untere Mantelschicht 11, die Lichtreflexionsschicht 20, die aktive Schicht 12 und die Basisschicht 15a der Phasenmodulationsschicht 15A. Dass heißt, dieser Schritt umfasst einen ersten Schritt, einen zweiten Schritt und eine erste Hälfte eines fünften Schritts der vorliegenden Ausführungsform, bei denen der Reihe nach die Mantelschicht 11, die Lichtreflexionsschicht 20, die aktive Schicht 12 und die Basisschicht 15a der Phasenmodulationsschicht 15A gewachsen werden. Das Verfahren zum Aufwachsen des ersten Stapelabschnitts 41 umfasst ein metalloranisches chemisches Dampfabscheidungsverfahren (MOCVD). Es ist zulässig, eine dünne Antioxidationsschicht (beispielsweise eine undotierte GaInP Schicht in einem Fall, in dem das Halbleitersubstrat 10 ein GaAs Substrat ist) auf der Basisschicht 15a zu bilden. Anschließend wird unter Verwendung einer Mikrofabrikationstechnologie, wie beispielsweise der Elektronenstrahllithographie oder dergleichen, eine Ätzmaske auf der Basisschicht 15a der Phasenmodulationsschicht 15A gebildet, die die oberste Schicht des ersten Stapelabschnitts 41 bildet. Durch Ätzen der Basisschicht 15a durch die Öffnung der Ätzmaske werden mehrere modifizierte Brechungsindexbereiche 15b, wie in 54B gezeigt, gebildet (modifizierter Brechungsindexbereich-Bildungsschritt). Der modifizierte Brechungsindexbereich-Bildungsschritt entspricht einer zweiten Hälfte des fünften Schritts der ersten Ausführungsform. Diese Schritte führen zur Bildung der Phasenmodulationsschicht 15A, die mehrere modifizierte Brechungsindexbereiche 15b innerhalb der Basisschicht 15a aufweist.
Anschließend werden, wie in 54C gezeigt, der Reihe nach Halbleiterschichten 42 und 43 und ein zweiter Stapelabschnitt 44 epitaktisch auf der Phasenmodulationsschicht 15A gewachsen (zweiter Wachstumsschritt). Der zweite Wachstumsschritt umfasst einen dritten und einen vierten Schritt der vorliegenden Ausführungsform. Beispielhafte Verfahren zum Wachsen der Halbleiterschichten 42 und 43 und des zweiten Stapenabschnitts 44 umfassen ein MOCVD-Verfahren. Die Halbleiterschicht 42 ist eine Schicht, die ein Teil der oberen Mantelschicht 13 ist und die gleiche Zusammensetzung wie die obere Mantelschicht 13 enthält (erste Hälfte des dritten Schritts). Die Halbleiterschicht 43 ist eine Schicht zur Bildung der Strombegrenzungsschicht 21 und ist beispielsweise eine Al-haltige Schicht mit einer hohen Al Zusammensetzung. In einem Fall, in dem das Halbleitersubstrat ein GaAs Substrat ist, ist die Halbleiterschicht 43 eine AlGaAs oder eine AlAs Schicht mit einem Al Zusammensetzungsverhältnis von 95% oder mehr. Die Dicke der Halbleiterschicht 43 beträgt beispielsweise 5 nm bis 50 nm (typischerweise etwa 20 nm oder weniger). Der zweite Stapelabschnitt 44 umfasst einen verbleibenden Abschnitt der oberen Mantelschicht 13 (die zweite Hälfte des dritten Schritts) und die Kontaktschicht 14 (vierter Schritt). Die Halbleiterschichten 42 und 43 werden so dotiert, dass sie den gleichen Leitfähigkeitstyp wie die obere Mantelschicht 13 aufweisen, wodurch ein Anstieg der Treiberspannung verhindert werden kann.
Anschließend werden, wie in 55A gezeigt, die Halbleiterschichten 42 und 43 und der zweite Stapelabschnitt 44 durch Ätzen der Halbleiterschichten 42 und 43 und des zweiten Stapelabschnitts 44 zu einer Mesaform weiterverarbeitet. Anschließend werden, wie in 55B gezeigt, durch Durchführen einer Dampfoxidation vom Rand der Halbleiterschicht 43, die Randbereiche mit Ausnahme des mittleren Abschnitts der Halbleiterschicht 43 oxidiert. Dieser Vorgang führt zur Bildung der Strombegrenzungsschicht 21, die im Wesentlichen isolierendes AlO enthält. Der nichtoxidierte mittlere Abschnitt der Halbleiterschicht 43 wird der Öffnungsabschnitt der Strombegrenzungsschicht 21 und bildet einen Abschnitt der oberen Mantelschicht 13. Anschließend wird durch Ätzen eines Teils der Kontaktschicht 14 des zweiten Stapelabschnitts 44 eine Öffnung 14a der Kontaktschicht 14 gebildet, eine Elektrode 23 auf der Kontaktschicht 14 gebildet und eine Elektrode 22 auf der Rückseitenfläche des Halbleitersubstrats 10 gebildet. Die Laservorrichtung 1B wird durch die obigen Schritte hergestellt.
In einem Fall, in dem die Strombegrenzungsschicht 21, wie zuvor beschrieben, durch Oxidation gebildet wird, ist es verglichen mit dem Fall, bei dem die Strombegrenzungsschicht 21 durch Protoneninjektion gebildet wird, möglich, die Position der Strombegrenzungsschicht 21 in der Dickenrichtung der Laservorrichtung 1B (in der Z-Richtung) mit hoher Genauigkeit selbst dann zu steuern, wenn die obere Mantelschicht 13 dick ist. Ferner ist es möglich, die Strombegrenzungsschicht 21 ohne Beschädigung der oberen Mantelschicht 13 und der Kontaktschicht 14 zu bilden. Darüber hinaus ist es verglichen mit dem Fall, bei dem die Strombegrenzungsschicht 21 durch eine inverse pn-Übergangsstruktur gebildet wird, möglich, einen Anstieg des Dotierstoffverlustes aufgrund von Diffusion in die obere Mantelschicht 13 und eine Änderung der Dotierstoffkonzentration zu unterdrücken.
(Fall, bei dem die Strombegrenzungsschicht durch Protoneninjektion gebildet wird)
Gleich wie im Fall von dem ”Fall, bei dem die Strombegrenzungsschicht durch Oxidation gebildet wird”, wird der erste Stapelabschnitt 41 mit den mehreren modifizierten Brechungsindexbereichen 15b auf dem Halbleitersubstrat 10, wie in 56A gezeigt, gebildet (erster Wachstumsschritt und modifizierter Brechungsindexbereich-Bildungsschritt). Das heißt, der erste Wachstumsschritt und der Schritt zum Bilden des modifizierten Brechungsindexbereichs umfassen den ersten Schritt, den zweiten Schritt und den fünften Schritt der vorliegenden Ausführungsform. Anschließend wird der zweite Stapelabschnitt 44 epitaktisch auf dem ersten Stapelabschnitt 41 gewachsen (zweiter Wachstumsschritt). Der zweite Wachstumsschritt umfasst den dritten Schritt und den vierten Schritt der vorliegenden Ausführungsform. Anschließend wird, wie in 56B gezeigt, eine Resistmaske M1 auf dem zweiten Stapelabschnitt 44 gebildet. Die Resistmaske M1 weist entlang der Umrisslinie der Öffnung 21a der Strombegrenzungsschicht 21 eine Außenkante auf. Die Protonen (H⁺) werden in den Abschnitt des zweiten Stapelabschnitts 44, der durch die Resistmaske M1 freigelegt ist, injiziert. Dieser Vorgang bildet die Strombegrenzungsschicht 21, die einen Bereich mit hohem Widerstand ist, der eine hohe Protonenkonzentration aufweist. Dabei kann durch Einstellen der Beschleunigungsspannung für die Protoneninjektion eine Position eines Bereichs mit hohem Widerstand in eine Tiefenrichtung gesteuert werden. Nach dem Entfernen der Resistmaske M1 wird durch Ätzen, wie in 57 gezeigt, eines Teils der Kontaktschicht 14 des zweiten Stapelabschnitts 44 die Öffnung 14a der Kontaktschicht 14 gebildet, die Elektrode 23 auf der Kontaktschicht 14 gebildet und ferner eine Elektrode 22 auf der Rückseitenfläche des Halbleitersubstrats 10 gebildet. Die Laservorrichtung 1B wird durch die obigen Schritte hergestellt.
Wie zuvor beschrieben, ist es verglichen mit dem Fall, bei die Bildung durch Oxidation erfolgt, bei der bildung der Strombegrenzungsschicht 21 durch Protoneninjektion möglich, den Innendurchmesser der Öffnung 21a mit hoher Genauigkeit zu steuern. Darüber hinaus ist es verglichen mit dem Fall, bei dem die Strombegrenzungsschicht 21 durch eine inverse pn-Übergangsstruktur gebildet wird, möglich, einen Anstieg des Verlustes aufgrund der Diffusion des Dotierstoffes in die obere Mantelschicht 13 und eine Änderung der Dotierstoffkonzentration zu verhindern.
(Fall, bei dem die Strombegrenzungsschicht durch eine inverse pn-Übergangsstruktur gebildet wird: Erstes Herstellungsverfahren)
Zunächst wird, wie in 58A gezeigt, der Reihe nach der erste Stapelabschnitt 41, eine Halbleiterschicht 45 und eine Halbleiterschicht 46 epitaktisch auf dem Halbleitersubstrat 10 gewachsen (erster Wachstumsschritt). Der erste Wachstumsschritt umfasst den ersten Schritt, den zweiten Schritt und eine erste Hälfte des fünften Schritts der vorliegenden Ausführungsform. Die Halbleiterschicht 45 ist eine Schicht mit einem Leitfähigkeitstyp (beispielsweise den p-Typ), der entgegengesetzt zu dem des Halbleitersubstrats 10 ist und ist in dem Fall, in dem das Halbleitersubstrat 10 ein GaAs Substrat ist, eine p-AlGaInP-Schicht. Die Halbleiterschicht 46 ist eine Schicht mit einem Leitfähigkeitstyp (beispielsweise den p-Typ), der dem des Halbleitersubstrats 10 entspricht und ist beispielsweise in dem Fall, in dem das Halbleitersubstrat 10 ein GaAs Substrat ist, eine n-AlGaInP-Schicht. Die Dicke jeder Halbleiterschicht 45 und 46 beträgt beispielsweise 100 nm.
Anschließend wird, wie in 58B gezeigt, eine Ätzmaske auf der Halbleiterschicht 46 mittels gewöhnlichem Fotolithographieverfahren gebildet, und die Halbleiterschichten 45 und 46 werden durch die Öffnung in der Ätzmaske geätzt, bis der erste Stapelabschnitt 41 freigelegt ist. Dieses Verfahren bildet die Strombegrenzungsschicht 21 mit der inversen pn-Übergangsstruktur und der Öffnung 21a. Anschließend wird eine Ätzmaske auf der Basisschicht 15a des ersten Stapelabschnitts 41, der durch die Öffnung 21a freiliegt, durch Verwendung einer Mikrofabrikationstechnik, wie beispielsweise der Elektronenstrahlithographie, gebildet, und durch Ätzen der Basisschicht 15a durch die Öffnung der Ätzmaske in die mehreren modifizierten Brechungsindexbereiche 15b, die in 58C gezeigt sind, gebildet (die zweite Hälfte des fünften Schritts der vorliegenden Ausführungsform).
Anschließend wird, wie in 59A gezeigt, der zweite Stapelabschnitt 44 epitaktisch auf der Strombegrenzungsschicht 21 und auf dem ersten Stapenabschnitt 41, der durch die Öffnung 21a der Strombegrenzungsschicht 21 freiliegt, gewachsen (zweiter Wachstumsschritt). Der zweite Wachstumsschritt umfasst einen dritten Schritt und einen vierten Schritt der vorliegenden Ausführungsform. Anschließend wird, wie in 59B gezeigt, durch Ätzen eines Teils der Kontaktschicht 14 des zweiten Stapelabschnitts 44 die Öffnung 14a der Kontaktschicht 14 gebildet, die Elektrode 23 auf der Kontaktschicht 14 gebildet und die Elektrode 22 auf der Rückseitenfläche des Halbleitersubstrats 10 gebildet. Die Laservorrichtung 1B wird durch die obigen Schritte hergestellt.
In einem Fall, in dem die Strombegrenzungschicht 21 durch die inverse pn-Übergangsstruktur, wie zuvor beschrieben, gebildet wird, ist es verglichen mit dem Fall, bei dem die Bildung durch Oxidation erfolgt, möglich, den Innendurchmesser der Öffnung 21a mit hoher Genauigkeit zu steuern. Darüber hinaus ist es in einem Fall, in dem die Strombegrenzungsschicht 21 durch Protoneninjektion gebildet wird, möglich, die Position der Strombegrenzungsschicht 21 in der Dickenrichtung der Laservorrichtung 1B (in der Z-Richtung) selbst dann mit hoher Genauigkeit zu steuern, wenn die obere Mantelschicht 13 dick ist. Darüber hinaus ist es möglich, die Strombegrenzungsschicht 21 ohne Beschädigung der oberen Mantelschicht 13 und der Kontaktschicht 14 zu bilden. Da ferner die Strombegrenzungsschicht 21 lediglich durch einen gewöhnlichen Halbleiterschritt, wie beispielsweise durch Halbleiterwachstum und Ätzen, gebildet werden kann, kann die Strombegrenzungsschicht 21, verglichen mit dem Fall, bei dem die Strombegrenzungsschicht 21 durch Oxidation oder Protoneninjektion gebildet wird, einfacher gebildet werden.
(Fall, bei dem die Strombegrenzungsschicht durch eine inverse pn-Übergangsstruktur gebildet wird: Zweites Herstellungsverfahren)
Gleich wie im Fall von dem ”Fall, bei dem die Strombegrenzungsschicht durch Oxidation gebildet wird”, wird der erste Stapelabschnitt 41 mit den mehreren modifizierten Brechungsindexbereichen 15b auf dem Halbleitersubstrat 10, wie in 60A gezeigt, gebildet (erster Wachsstumsschritt und Schritt zum Bilden des modifizierten Brechnungsindexbereichs). Der erste Wachstumsschritt und der Schritt zum Bilden des modifizierten Brechungsindexbereichs umfasst den ersten Schritt, den zweiten Schritt und den fünften Schritt der vorliegenden Ausführungsform. Anschließend werden, wie in 60B gezeigt, die Halbleiterschichten 45 und 46 der Reihe nach epitaktisch auf dem ersten Stapelabschnitt 41 gebildet (zweiter Wachstumsschritt). Der zweite Wachstumsschritt umfasst einen dritten Schritt und einen vierten Schritt der vorliegenden Ausführungsform. Die Konfiguration (Material und Dicke) jeder Halbleiterschicht 45 und 46 entspricht jener des zuvor beschriebenen ersten Herstellungsverfahrens. Anschließend wird eine Ätzmaske auf der Halbleiterschicht 46 mittels gewöhnlichem Fotolitographieverfahren gebildet, und die Halbleiterschichten 45 und 46 werden durch die Öffnung in der Ätzmaske geätzt, bis der erste Stapelabschnitt 41 freigelegt ist. Dieses Verfahren bildet die Strombegrenzungsschicht 21 mit der inversen pn-Übergangsstruktur und der Öffnung 21a, wie in 60C gezeigt.
Anschließend wird der zweite Stapelabschnitt 44, wie in 61A gezeigt, epitaktisch auf der Strombegrenzungsschicht 21 und auf dem ersten Stapelabschnitt 41, der durch die Öffnung 21a der Strombegrenzungsschicht 21 freiliegt, gewachsen (dritter Wachstumsschritt). Anschließend wird, wie in 61B gezeigt, durch Ätzen eines Abschnitts der Kontaktschicht 14 des zweiten Stapelabschnitts 44 die Öffnung 14a der Kontaktschicht 14 gebildet, die Elektrode 23 auf der Kontaktschicht 14 gebildet und Elektrode 22 auf der Rückseitenfläche des Halbleitersubstrats 10 gebildet. Die Laservorrichtung 1B wird durch die obigen Schritte hergestellt. Die Vorteile des zweiten Herstellungsverfahrens sind die gleichen wie im zuvor beschriebenen ersten Herstellungsverfahren.
(Bestimmtes Beispiel der zweiten Ausführungsform)
Im Nachfolgenden wird ein bestimmtes Beispiel der Laservorrichtung 1B gemäß der zweiten Ausführungsform beschrieben. 62 zeigt eine Tabelle, die eine bestimmte Schichtstruktur der Laservorrichtung 1B, gemäß dem Beispiel darstellt. Wie in 62 gezeigt, wird in dem Beispiel n-GaAs als das Halbleitersubstrat 10 verwendet und eine n-GaAs Pufferschicht und die untere Mantelschicht 11, die aus n-(Al_0,6Ga_0,4)_0,5In_0,5P gebildet ist, auf dem Halbleitersubstrat 10 gebildet. Auf der unteren Mantelschicht 11 ist die aktive Schicht 12 mit einer Mehrfachquantentopfstruktur ausgebildet, bei der eine Sperrschicht, die aus undotiertem (Al_xGa_1-x)_0,5In_0,5P (beispielsweise beträgt x etwa 0,03) gebildet ist, und eine Quantentopfschicht, die aus undotiertem GaInP gebildet ist, abwechselnd gestapelt werden. Die Anzahl der Schichten der Quantentopfschicht ist 3 und die Anzahl der Schichten der Sperrschicht ist 4. Mit der aktiven Schicht 12 ist es möglich, Licht mit einer Wellenlänge von 96 nm zu erzeugen. Auf der Oberseite der aktiven Schicht 12 ist eine Trägersperrschicht aus undotiertem (Al_0,7Ga_0,3)_0,5In_0,5P, ein unterer Schichtabschnitt der Phasenmodulationsschicht 15A, der lediglich aus der Basisschicht 15A aus undotiertem (Al_xGa_1-x)_0,5In_0,5P (beispielsweise beträgt x etwa 0,03) gebildet ist, ein oberer Schichtabschnitt der Phasenmodulationsschicht 15A, der durch die Basisschicht 15A aus undotiertem (Al_xGa_1-x)_0,5In_0,5P (beispielsweise beträgt x etwa 0,03) gebildet ist, und der modifizierte Brechungsindexbereich 15b, der mit einem Spalt ausgebildet ist, vorgesehen. Darüber sind die obere Mantelschicht 13 aus p-(Al_0,7Ga_0,3)_0,5In_0,5P und die Kontaktschicht 14 aus p-GaAs vorgesehen. Die Brechungsindizes, die Dicken, die Dotierstoffe und Dotierstoffkonzentrationen dieser Schichten und die Werte des optischen Begrenzungsfaktors Γ sind in 62 dargestellt. Der Füllfaktor der Phasenmodulationsschicht 15A beträgt 15%. Darüber hinaus gibt x in der Tabelle das Zusammensetzungsverhältnis von Al an.
63 zeigt die Brechungsindexverteilung G27a und die Modenverteilung G27b der Laservorrichtung 1B mit einer in 62 gezeigten Schichtstruktur. Die Vertikalachse gibt den Brechungsindex an und die Horizontalachse gibt die Position in der Stapelrichtung an. Der Abschnitt D6 in der Stapelrichtung ist die untere Mantelschicht 11, der Abschnitt D7 ist die optische Wellenleiterschicht mit der aktiven Schicht 12, der Abschnitt D8 ist die Phasenmodulationsschicht 15A und Abschnitt D9 ist die obere Mantelschicht 13. Es ist ersichtlich, dass lediglich die Grundmode erzeugt wird und die Mode höherer Ordnung unterdrückt wird. Folglich ist es gemäß dem Beispiel möglich, die Bildung einer Mode hoher Ordnung zu unterdrücken und das Rauschlicht mit einem gitterförmigen dunklen Abschnitt, das das Strahlenmuster überlagert, zu verringern.
Die lichtemittierende Halbleitervorrichtung gemäß der folgenden Erfindung ist nicht auf die zuvor beschriebene Ausführungsform beschränkt, und es sind verschiedene weitere Modifikationen möglich. Während die zuvor beschriebenen Ausführungsformen und Beispiele beispielsweise eine Laservorrichtung zeigen, die aus einem Verbindungshalbleiter auf GaAs-Basis, In-Basis und Nitridbasis (insbesondere GaN Basis) gebildet ist, ist die vorliegende Erfindung auch auf eine Laservorrichtung anwendbar, die aus verschiedenen anderen Halbleitermaterialien als diese gebildet sein können.
Darüber hinaus weist die lichtemittierende Halbleitervorrichtung der vorliegenden Erfindung eine Flexibilität hinsichtlich des Materialsystems, der Filmdicke und der Schichtstruktur auf. Dabei gilt das Skalierungsgesetz für einen Laser mit photonischem Kristall, bei dem die Störung des modifizierten Brechungsindexbereichs von dem virtuellen Quadratgitter Null ist. Dass heißt, in einem Fall, in dem die Wellenlänge ein konstantes Vielfaches von a wird, kann der gleiche Zustand der stehenden Welle durch Multiplizieren der gesamten Quadratgitterstruktur mit α erhalten werden. In ähnlicher Weise kann auch gemäß der vorliegenden Erfindung die Struktur der Phasenmodulationsschicht durch das Skalierungsgesetz selbst bei anderen Wellenlängen als die im Beispiel offenbarten bestimmt werden. Dementsprechend ist es auch möglich, einen lichtemittierende Halbleitervorrichtung zu realisieren, die sichtbares Licht unter Verwendung einer aktiven Schicht, die Licht wie beispielsweise blaues, grünes und rotes Licht emittiert, verwendet und ein Skalierungsgesetz gemäß der Wellenlänge anwendet.
64 zeigt eine Ansicht, die eine Modfikation der Phasenmodulationsschicht darstellt, die eine Form aus Sicht der Schichtdickenrichtung zeigt. Die Phasenmodulationsschicht 15C gemäß dieser Modifikation umfasst einen Bereich 15e, in dem ein modifizierter Brechungsindexbereich auf jedem der Gitterpunkte O des Quadratgitters vorgesehen ist, der an einem Außenumfangsbereich eines Bereiches 15d angeordnet ist, der eine ähnliche Struktur wie die Phasenmodulationsschicht 15A, die in 3 gezeigt ist, aufweist (dass heißt, ein Bereich, der ein Array aus modifizierten Brechnungsindexbereichen umfasst, das ausgebildet ist, um ein gewünschtes Strahlenmuster zu erhalten). Die Form und die Größe des modifizierten Brechungsindexbereichs des Bereichs 15e entsprechen jenen des modifizierten Brechungsindexbereichs 15b der Phasenmodulationsschicht 15A. Die Gitterkonstante des Quadratgitters des Bereichs 15e ist gleich der Gitterkonstante des Quadratgitters der Phasenmodultationsschicht 15A. In dem der Bereich 15d von dem Bereich 15e umgeben ist, in dem der modifizierte Berechnungsindexbereich auf jedem der Gitterpunkte O des Quadratgitters auf diese Weise vorgesehen ist, ist es möglich, eine Lichtleckage in Richtung der Ebenenrichtung zu unterdrücken, wodurch eine Verringerung des Schwellenstroms zu erwarten ist.
Wie zuvor beschrieben, ist es gemäß der lichtemittierenden Halbleitervorrichtung und dem Herstellungsverfahren derselben gemäß der vorliegenden Ausführungsform möglich, das Rauschlicht mit dem gitterförmigen dunklen Abschnitt, der das Strahlenmuster überlagert, gemäß dem optischen Bild, das aus der lichtemittierenden Halbleitervorrichtung ausgegeben wird, zu verringern.
Bezugszeichenliste

1A ... Laservorrichtung; 10 ... Halbleitersubstrat; 10a ... Hauptfläche; 10b ... Rückseitenfläche; 11 ... untere Mantelschicht (erste Mantelschicht); 12 ... aktive Schicht; 13 ... obere Mantelschicht (zweite Mantelschicht); 14 ... Kontaktschicht; 15A, 15B ... Phasenmodulationsschicht; 15a ... Basisschicht; 15b, 15c ... Modifizierter Brechungsindexbereich; 16, 17 ... Elektrode; 17a ... Öffnung; 18 ... Schutzfilm; 19 ... Antireflexschicht; 30 ... Dreischichtplattenstruktur; 31 ... Lichtwellenleiterschicht; a ... Gitterabstand; a' ... Asymmetrischer Parameter; b ... Normalisierter Ausbreitungskoeffizient; G1, G2 ... Schwerpunkt; O ... Gitterpunkt; und R ... Einheitskomponentengebiet.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2014/136962 [0002]

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) [0076]

Claims

Lichtemittierende Halbleitervorrichtung, die konfiguriert ist, um ein optisches Bild mit einer beliebigen Form in entweder einer Normalenrichtung einer Hauptfläche eines Halbleitersubstrats, einer geneigten Richtung mit einer vorbestimmten Neigung und einem Divergenzwinkel in Bezug auf die Normalenrichtung, oder sowohl in der Normalenrichtung als auch in der geneigten Richtung auszugeben, wobei die lichtemittierende Halbleitervorrichtung umfasst: das Halbleitersubstrat; eine erste Mantelschicht, die auf dem Halbleitersubstrat vorgesehen ist; eine aktive Schicht, die auf der ersten Mantelschicht vorgesehen ist; eine zweite Mantelschicht, die auf der aktiven Schicht vorgesehen ist und einen Brechungsindex aufweist, der gleich oder kleiner als ein Brechungsindex der ersten Mantelschicht ist; eine Kontaktschicht, die auf der zweiten Mantelschicht vorgesehen ist; und eine Phasenmodulationsschicht, die aus einer Basisschicht, die entweder in einem Bereich zwischen der ersten Mantelschicht und der aktiven Schicht oder in einem Bereich zwischen der aktiven Schicht und der zweiten Mantelschicht angeordnet ist und einen vorbestimmten Brechungsindex aufweist, und mehreren ersten modifizierten Brechungsindexbereichen, die jeweils einen Brechungsindex aufweisen, der sich von jenem der Basisschicht unterscheidet, gebildet ist, wobei in einem Zustand der Erfüllung der folgenden ersten bis siebten Bedingungen, in dem: die erste Bedingung definiert, dass ein virtuelles Quadratgitter, das aus quadratischen M1 (eine ganze Zahl von eins oder mehr) × N1 (eine ganze Zahl von eins oder mehr) Einheitskomponentengebieten R gebildet ist, auf einer XY-Ebene, die eine X-Achse und eine Y-Achse, die orthogonal zueinander sind, aufweist und einer Oberfläche der Phasenmodulationsschicht, die die mehreren ersten modifizierten Brechungsindexbereiche enthält, entspricht, in einem orthogonalen XYZ-Koordinatensystem, das durch eine der Normalenrichtung entsprechenden Z-Achse und der XY-Ebene definiert ist, angeordnet ist; wobei die zweite Bedingung definiert, dass Koordinaten (x, y, z) in dem orthogonalen XYZ-Koordinatensystem eine Beziehung erfüllen, die durch die folgenden Formeln (1) bis (3) in Bezug auf sphärische Koordinaten (r, θ_tilt, θ_rot), die durch die Radiusvektorlänge r, den Neigungswinkel θ_tilt von der Z-Achse und einen Drehwinkel θ_rot von der X-Achse, die in der XY-Ebene spezifiziert sind, angegeben ist: x = rsinθ_tiltcosθ_rot (1) y = rsinθ_tiltsinθ_rot (2) z = rcosθ_tilt (3); wobei die dritte Bedingung definiert, dass unter der Annahme, dass ein Strahlenmuster, das dem von der lichtemittierenden Halbleitervorrichtung ausgegebenen optischen Bild entspricht, eine Gruppe von hellen Punkten ist, die in eine durch die Winkel θ_tilt und θ_rot definierte Richtung gerichtet sind, die Winkel θ_tilt und θ_rot in einen Koordinatenwert k_x auf einer K_x-Achse, die der X-Achse entspricht, d. h. eine normalisierte Wellenzahl, die durch die folgende Formel (4) definiert ist, und in einen Koordinatenwert k_y auf einer K_y-Achse, die der Y-Achse entspricht und orthogonal zu der K_x-Achse ist, d. h. eine normalisierte Wellenzahl, die durch die folgende Formel (5) definiert ist, umgewandelt werden: k_x = a / λsinθ_tiltcosθ_rot (4) k_y = a / λsinθ_tiltsinθ_rot(5) a: Gitterkonstante des virtuellen Quadratgitters λ: Oszillationswellenlänge der lichtemittierenden Halbleitervorrichtung; wobei die vierte Bedingung definiert, dass ein bestimmter Wellenzahlbereich, der das Strahlenmuster enthält, aus quadratischen M2 (eine ganze Zahl von eins oder mehr) × N2 (eine ganze Zahl von eins oder mehr) Bildbereichen FR in einem durch die K_x-Achse und die K_y-Achse definierten Wellenzahlraum gebildet ist; wobei die fünfte Bedingung definiert, dass eine komplexe Amplitude F (x, y) durch die folgende Formel (6) gegeben ist, wobei j eine imaginäre Einheit ist, wobei die komplexe Amplitude F (x, y) im Wellenzahlraum durch Durchführen einer zweidimensionalen inversen Fourier-Transformation in einem Bildbereich FR (k_x, k_y) erhalten wird, der einzeln durch eine Koordinatenkomponente k_x (ganze Zahl von eins oder mehr und M2 oder weniger) in der K_x-Achsenrichtung und eine Koordinatenkomponente k_y (ganze Zahl von eins oder mehr und N2 oder weniger) in der K_y-Achsenrichtung bestimmt wird, um in einen Einheitskomponentenbereich R (x, y) in der XY-Ebene, die durch eine Koordinatenkomponente x (eine ganze Zahl von eins oder mehr und M1 oder weniger) in der X-Achsenrichtung und eine Koordinatenkomponente y (eine ganze Zahl von eins oder mehr und N1 oder weniger) in der Y-Achsenrichtung festgelegt ist, umgewandelt zu werden:
wobei die sechste Bedingung definiert, dass unter der Annahme, dass in dem Einheitskomponentenbereich R (x, y) eine Amplitude als A (x, y) und eine Phase als P (x, y) gekennzeichnet sind, die komplexe Amplitude F (x, y) durch die folgende Formel (7) definiert ist: F(x, y) = A(x, y) × exp[jP(x, y)] (7); und wobei die siebte Bedingung definiert, dass der Einheitskomponentenbereich R (x, y) durch eine s-Achse und eine t-Achse definiert ist, die jeweils parallel zu der X-Achse und der Y-Achse verlaufen und auf einem Gitterpunkt O (x, y) als einen Mittelpunkt des Einheitskomponentenbereichs R (x, y) orthogonal zueinander sind, die Phasenmodulationsschicht ist so konfiguriert, dass: jeder der mehreren ersten modifizierten Brechungsindexbereiche so angeordnet ist, dass ein Schwerpunkt G1 des ersten modifizierten Brechungsindexbereichs innerhalb des Einheitskomponentenbereichs R (x, y) vom Gitterpunkt O (x, y) entfernt ist; und, in einem Zustand, in dem eine Länge r (x, y) eines Liniensegments vom Gitterpunkt O (x, y) zum Schwerpunkt G1 des entsprechenden ersten modifizierten Brechungsindexbereichs in jedem der M1 × N1 Einheitskomponentenbereiche R auf einen gemeinsamen Wert festgelegt ist, der entsprechende erste modifizierte Brechungsindexbereich in dem Einheitskomponentenbereich R (x, y) so angeordnet ist, dass ein Winkel φ (x, y), der durch das Liniensegment, das den Gitterpunkt O (x, y) mit dem Schwerpunkt G1 des entsprechenden ersten modifizierten Brechungsindexbereichs verbindet, und die s-Achse gebildet wird, die folgende Beziehung erfüllt: φ(x, y) = C × P(x, y) + B C: Proportionalitätskonstante B: beliebige Konstante.
Lichtemittierende Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, wobei jeweils die erste Mantelschicht, die aktive Schicht und die zweite Mantelschicht eine Verbindungshalbleiterschicht ist, die durch Elemente gebildet ist, die in einer Gruppe, die aus den Gruppe-III-Elementen Ga, Al und In und dem Gruppe-V-Element As besteht, enthalten sind, und wobei der Brechungsindex der zweiten Mantelschicht kleiner als der Brechungsindex der ersten Mantelschicht ist.
Lichtemittierende Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, wobei in einer Dreischichtplatten-Wellenleiterstruktur, die eine optische Wellenleiterschicht und zwei an die optische Wellenleiterschicht angrenzende Schichten enthält, wobei die optische Wellenleiterschicht in einem Fall, in dem der Brechungsindex der Phasenmodulationsschicht kleiner als der Brechungsindex der ersten Mantelschicht ist, mit der aktiven Schicht ausgebildet ist, während die optische Wellenleiterschicht in einem Fall, in dem der Brechungsindex der Phasenmodulationsschicht gleich oder größer als der Brechungsindex der ersten Mantelschicht ist, mit der Phasenmodulationsschicht und der aktiven Schicht ausgebildet ist, wobei eine Ausbreitungsmode in einer Schichtdickenrichtung eine TE-Mode ist, n₁ ein Brechungsindex der optischen Wellenleiterschicht mit der aktiven Schicht ist, n₂ ein Brechungsindex der Schicht ist, die unter den Schichten, die an den optischen Wellenleiterschicht angrenzen, einen höheren Brechungsindex aufweist, N₁ eine Modenfolge ist, n_clad ein Brechungsindex der ersten Mantelschicht ist, n₃ ein Brechungsindex einer Schicht ist, die unter den Schichten, die an den optischen Wellenleiterschicht angrenzen, einen niedrigeren Brechungsindex aufweist, und n_eff ein äquivalenter Brechungsindex der TE-Mode in der Dreischichtplatten-Wellenleiterstruktur ist, und wenn zusätzlich dazu die normalisierte Wellenleiterbreite V₁ in der TE-Mode durch die folgenden Formeln (8) und (9) definiert ist und ein asymmetrischer Parameter a' und ein normalisierter Ausbreitungskoeffizient b reelle Zahlen sind, die jeweils die folgenden Formeln (10) und (11) erfüllen,
die normalisierte Wellenleiterbreite V₁ und der normalisierte Ausbreitungskoeffizient b so eingestellt werden, dass sie innerhalb eines Bereichs liegen, der nur eine Lösung für die normalisierte Wellenleiterbreite V₁ aufweist.
Lichtemittierende Halbleitervorrichtung nach Anspruch 3, wobei in einer weiteren Dreischichtplatten-Wellenleiterstruktur, die die Kontaktschicht und zwei an die Kontaktschicht angrenzende Schichten enthält, wobei n₄ ein Brechungsindex der Kontaktschicht ist, n₅ ein Brechungsindex einer Schicht ist, die unter den an die Kontaktschicht angrenzenden Schichten einen höheren Brechungsindex aufweist, n₆ ein Brechungsindex einer Schicht ist, die unter den an die Kontaktschicht angrenzenden Schichten einen niedrigeren Brechungsindex aufweist, n_eff ein äquivalenter Brechungsindex der TE-Mode in der weiteren Dreischichtplatten-Wellenleiterstruktur ist, und N₂ die Modenfolge ist, und wenn zusätzlich dazu eine normalisierte Wellenleiterbreite V₂ der Kontaktschicht durch die die folgenden Formeln (12) und (13) definiert ist und der asymmetrische Parameter a' und der normalisierte Ausbreitungskoeffizient b reelle Zahlen sind, die jeweils die folgenden Formeln (14) und (15) erfüllen,

die normalisierte Wellenleiterbreite V₂ und der normalisierte Ausbreitungskoeffizient b so eingestellt werden, dass sie innerhalb eines Bereichs liegen, der keine Lösung für die normalisierte Wellenleiterbreite V₂ aufweist.
Lichtemittierende Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Größen der mehreren ersten modifizierten Brechungsindexbereiche innerhalb der XY-Ebene gleich sind.
Lichtemittierende Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Form jedes der mehreren ersten modifizierten Brechungsindexbereiche eine Spiegelsymmetrie in der XY-Ebene aufweist.
Lichtemittierende Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Form jedes der mehreren ersten modifizierten Brechungsindexbereiche keine Rotationssymmetrie von 180° in der XY-Ebene aufweist.
Lichtemittierende Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Längen der mehreren ersten modifizierten Brechungsindexbereiche, die in einer Z-Richtung orthogonal zu der XY-Ebene verlaufen und der Dickenrichtung der Phasenmodulationsschicht entsprechen, gleich sind.
Lichtemittierende Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die mehreren ersten modifizierten Brechungsindexbereiche in der XY-Ebene eine identische Form aufweisen.
Lichtemittierende Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Phasenmodulationsschicht ferner mehrere zweite modifizierte Brechungsindexbereiche umfasst, die jweils entsprechend der M1 × N1 Einheitskomponentenbereiche R vorgesehen sind, und wobei der zweite modifizierte Brechungsindexbereich unter den mehreren zweiten modifizierten Brechungsindexbereichen, der in dem Einheitskomponentenbereich R (x, y) vorgesehen ist, innerhalb der XY-Ebene den Gitterpunkt O (x, y) des Einheitskomponentenbereichs R (x, y) aufweist und innerhalb eines Bereichs, der von dem entsprechenden ersten modifizierten Brechungsindexbereich entfernt ist, angeordnet ist.
Lichtemittierende Halbleitervorrichtung nach Anspruch 10, wobei jeder der mehreren zweiten modifizierten Brechungsindexbereiche so angeordnet ist, dass ein Schwerpunkt G2 des zweiten modifizierten Brechungsindexbereichs mit dem Gitterpunkt O (x, y) in dem entsprechenden Einheitskomponentenbereich R (x, y) übereinstimmt.
Lichtemittierende Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei ein Strahl zur Bildung des optischen Bildes von der Seite der zweiten Mantelschicht in Bezug auf die aktive Schicht emittiert wird.
Herstellungsverfahren für eine lichtemittierende Halbleitervorrichtung, die konfiguriert ist, um ein optisches Bild mit einer beliebigen Form in entweder einer Normalenrichtung einer Hauptfläche eines Halbleitersubstrats, einer geneigten Richtung mit einer vorbestimmten Neigung und einem Divergenzwinkel in Bezug auf die Normalenrichtung, oder sowohl in der Normalenrichtung als auch in der geneigten Richtung auszugeben, wobei das Verfahren umfasst: einen ersten Schritt zum Bilden einer ersten Mantelschicht auf dem Halbleitersubstrat; einen zweiten Schritt zum Bilden einer aktiven Schicht auf der ersten Mantelschicht; einen dritten Schritt zum Bilden einer zweiten Mantelschicht auf der aktiven Schicht, wobei die zweite Mantelschicht einen Brechungsindex aufweist, der gleich oder kleiner als ein Brechungsindex der ersten Mantelschicht ist; einen vierten Schritt zum Ausbilden einer Kontaktschicht auf der zweiten Mantelschicht; und einen fünften Schritt, der zwischen dem ersten Schritt und dem zweiten Schritt oder zwischen dem zweiten Schritt und dem dritten Schritt ausgeführt wird und zum Bilden einer Phasenmodulationsschicht vorgesehen ist, die aus einer Basisschicht, die entweder in einem Bereich zwischen der ersten Mantelschicht und der aktiven Schicht oder in einem Bereich zwischen der aktiven Schicht und der zweiten Mantelschicht angeordnet ist und einen vorbestimmten Brechungsindex aufweist, und mehreren ersten modifizierten Brechungsindexbereichen, die jeweils einen Brechungsindex aufweisen, der sich von jenem der Basisschicht unterscheidet, gebildet ist, wobei in einem Zustand der Erfüllung der folgenden ersten bis siebten Bedingung, in dem: die erste Bedingung definiert, dass ein virtuelles Quadratgitter, das aus quadratischen M1 (eine ganze Zahl von eins oder mehr) × N1 (eine ganze Zahl von eins oder mehr) Einheitskomponentenbereichen R gebildet ist, auf einer XY-Ebene, die eine X-Achse und eine Y-Achse, die orthogonal zueinander sind, aufweist und einer Oberfläche der Phasenmodulationsschicht, die die mehreren ersten modifizierten Brechungsindexbereiche enthält, entspricht, in einem orthogonalen XYZ-Koordinatensystem, das durch eine der Normalenrichtung entsprechenden Z-Achse und der XY-Ebene definiert ist, angeordnet ist; wobei die zweite Bedingung definiert, dass Koordinaten (x, y, z) in dem orthogonalen XYZ-Koordinatensystem eine Beziehung erfüllen, die durch die folgenden Formeln (16) bis (18) in Bezug auf sphärische Koordinaten (r, θ_tilt, θ_rot), die durch die Radiusvektorlänge r, den Neigungswinkel θ_tilt von der Z-Achse und einen Drehwinkel θ_rot von der X-Achse, die in der XY-Ebene spezifiziert sind, angegeben ist: x = rsinθ_tiltcosθ_rot (16) y = rsinθ_tiltsin_rot (17) z = rcosθ_tilt (18); wobei die dritte Bedingung definiert, dass unter der Annahme, dass ein Strahlenmuster, das dem von der lichtemittierenden Halbleitervorrichtung ausgegebenen optischen Bild entspricht, eine Gruppe von hellen Punkten ist, die in eine durch die Winkel θ_tilt und θ_rot definierte Richtung gerichtet sind, die Winkel θ_tilt und θ_rot in einen Koordinatenwert k_x auf einer K_x-Achse, die der X-Achse entspricht, d. h. eine normalisierte Wellenzahl, die durch die folgende Formel (19) definiert ist, und in einen Koordinatenwert k_y auf einer K_y-Achse, die der Y-Achse entspricht und orthogonal zu der K_x-Achse ist, d. h. eine normalisierte Wellenzahl, die durch die folgende Formel (20) definiert ist, umgewandelt werden: k_x = a / λsinθ_tiltcosθ_rot(19) k_y = a / λsinθ_tiltsinθ_rot (20) a: Gitterkonstante des virtuellen Quadratgitters λ: Oszillationswellenlänge der lichtemittierenden Halbleitervorrichtung; wobei die vierte Bedingung definiert, dass ein bestimmter Wellenzahlbereich, der das Strahlenmuster enthält, aus quadratischen M2 (eine ganze Zahl von eins oder mehr) × N2 (eine ganze Zahl von eins oder mehr) Bildbereichen FR in einem durch die K_x-Achse und die K_y-Achse definierten Wellenzahlraum gebildet ist; wobei die fünfte Bedingung definiert, dass eine komplexe Amplitude F (x, y) durch die folgende Formel (21) gegeben ist, wobei j eine imaginäre Einheit ist, wobei die komplexe Amplitude F (x, y) im Wellenzahlraum durch Durchführen einer zweidimensionalen inversen Fourier-Transformation in einem Bildbereich FR (k_x, k_y) erhalten wird, der einzeln durch eine Koordinatenkomponente k_x (ganze Zahl von eins oder mehr und M2 oder weniger) in der K_x-Achsenrichtung und eine Koordinatenkomponente k_y (ganze Zahl von eins oder mehr und N2 oder weniger) in der K_y-Achsenrichtung bestimmt wird, um in einen Einheitskomponentenbereich R (x, y) auf der XY-Ebene, die durch eine Koordinatenkomponente x (eine ganze Zahl von eins oder mehr und M1 oder weniger) in der X-Achsenrichtung und eine Koordinatenkomponente y (eine ganze Zahl von eins oder mehr und N1 oder weniger) in der Y-Achsenrichtung festgelegt ist, umgewandelt zu werden:
wobei die sechste Bedingung definiert, dass unter der Annahme, dass in dem Einheitskomponentenbereich R (x, y) eine Amplitude als A (x, y) und eine Phase als P (x, y) gekennzeichnet sind, die komplexe Amplitude F (x, y) durch die folgende Formel (22) definiert ist: F(x, y) = A(x, y) × exp[jP(x, y)] (22); und wobei die siebte Bedingung definiert, dass der Einheitskomponentenbereich R (x, y) durch eine s-Achse und eine t-Achse definiert ist, die jeweils parallel zu der X-Achse und der Y-Achse und auf einem Gitterpunkt O (x, y) als einen Mittelpunkt des Einheitskomponentenbereichs R (x, y) orthogonal zueinander sind, die Phasenmodulationsschicht so konfiguriert ist, dass: jeder der mehreren ersten modifizierten Brechungsindexbereiche so angeordnet ist, dass ein Schwerpunkt G1 des ersten modifizierten Brechungsindexbereichs innerhalb des Einheitskomponentenbereichs R(x, y) vom Gitterpunkt O(x, y) entfernt ist; und, in einem Zustand, in dem eine Länge r(x, y) eines Liniensegments vom Gitterpunkt O (x, y) zum Schwerpunkt G1 des entsprechenden ersten modifizierten Brechungsindexbereichs in jedem der M1 × N1 Einheitskomponentenbereiche R auf einen gemeinsamen Wert festgelegt ist, der entsprechende erste modifizierte Brechungsindexbereich in dem Einheitskomponentenbereich R (x, y) so angeordnet ist, dass ein Winkel φ (x, y), der durch das Liniensegment, das den Gitterpunkt O (x, y) mit dem Schwerpunkt G1 des entsprechenden ersten modifizierten Brechungsindexbereichs verbindet, und die s-Achse gebildet wird, die folgende Beziehung erfüllt: φ(x, y) = C × P (x, y) + B C: Proportionalitätskonstante B: beliebige Konstante.
Herstellungsverfahren nach Anspruch 13, wobei jeweils die erste Mantelschicht, die aktive Schicht und die zweite Mantelschicht eine Verbindungshalbleiterschicht ist, die durch Elemente gebildet ist, die in einer Gruppe, die aus den Gruppe-III-Elementen Ga, Al und In und dem Gruppe-V-Element As besteht, enthalten sind, und wobei der Brechungsindex der zweiten Mantelschicht kleiner als der Brechungsindex der ersten Mantelschicht ist.
Herstellungsverfahren nach Anspruch 13, wobei in einer Dreischichtplatten-Wellenleiterstruktur, die eine optische Wellenleiterschicht und zwei an die optische Wellenleiterschicht angrenzende Schichten enthält, wobei die optische Wellenleiterschicht in einem Fall, in dem der Brechungsindex der Phasenmodulationsschicht kleiner als der Brechungsindex der ersten Mantelschicht ist, mit der aktiven Schicht ausgebildet ist, während die optische Wellenleiterschicht in einem Fall, in dem der Brechungsindex der Phasenmodulationsschicht gleich oder größer als der Brechungsindex der ersten Mantelschicht ist, mit der Phasenmodulationsschicht und der aktiven Schicht ausgebildet ist, wobei eine Ausbreitungsmode in einer Schichtdickenrichtung eine TE-Mode ist, n₁ ein Brechungsindex der optischen Wellenleiterschicht mit der aktiven Schicht ist, n₂ ein Brechungsindex der Schicht ist, die unter den Schichten, die an den optischen Wellenleiterschicht angrenzen, einen höheren Brechungsindex aufweist, N₁ eine Modenfolge ist, n_clad ein Brechungsindex der ersten Mantelschicht ist, n₃ ein Brechungsindex einer Schicht ist, die unter den Schichten, die an den optischen Wellenleiterschicht angrenzen, einen niedrigeren Brechungsindex aufweist, und n_eff ein äquivalenter Brechungsindex der TE-Mode in der Dreischichtplatten-Wellenleiterstruktur ist, und wenn zusätzlich dazu die normalisierte Wellenleiterbreite V₁ in der TE-Mode durch die folgenden Formeln (23) und (24) definiert ist und ein asymmetrischer Parameter a' und ein normalisierter Ausbreitungskoeffizient b reelle Zahlen sind, die jeweils die folgenden Formeln (25) und (26) erfüllen,
die normalisierte Wellenleiterbreite V₁ und der normalisierte Ausbreitungskoeffizient b so eingestellt werden, dass sie innerhalb eines Bereichs liegen, der nur eine Lösung für die normalisierte Wellenleiterbreite V₁ aufweist.
Herstellungsverfahren nach Anspruch 15, wobei in einer weiteren Dreischichtplatten-Wellenleiterstruktur, die die Kontaktschicht und zwei an die Kontaktschicht angrenzende Schichten enthält, wobei n₄ ein Brechungsindex der Kontaktschicht ist, n₅ ein Brechungsindex einer Schicht ist, die unter den an die Kontaktschicht angrenzenden Schichten einen höheren Brechungsindex aufweist, n₆ ein Brechungsindex einer Schicht ist, die unter den an die Kontaktschicht angrenzenden Schichten einen niedrigeren Brechungsindex aufweist, n_eff ein äquivalenter Brechungsindex der TE-Mode in der weiteren Dreischichtplatten-Wellenleiterstruktur ist, und N₂ die Modenfolge ist, und wenn zusätzlich dazu eine normalisierte Wellenleiterbreite V₂ der Kontaktschicht durch die die folgenden Formeln (27) und (28) definiert ist und der asymmetrische Parameter a' und der normalisierte Ausbreitungskoeffizient b reelle Zahlen sind, die jeweils die folgenden Formeln (29) und (30) erfüllen,
die normalisierte Wellenleiterbreite V₂ und der normalisierte Ausbreitungskoeffizient b so eingestellt werden, dass sie innerhalb eines Bereichs liegen, der keine Lösung für die normalisierte Wellenleiterbreite V₂ aufweist.
Herstellungsverfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 16, wobei die Größen der mehreren ersten modifizierten Brechungsindexbereiche innerhalb der X-Y-Ebene gleich sind.
Herstellungsverfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 17, wobei die Form jedes der mehreren ersten modifizierten Brechungsindexbereiche eine Spiegelsymmetrie in der X-Y-Ebene aufweist.
Herstellungsverfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 18, wobei die Form jedes der mehreren ersten modifizierten Brechungsindexbereiche keine Rotationssymmetrie von 180° in der X-Y-Ebene aufweist.
Herstellungsverfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 19, wobei die Längen der mehreren ersten modifizierten Brechungsindexbereiche, die in einer Z-Richtung orthogonal zu der XY-Ebene verlaufen und der Dickenrichtung der Phasenmodulationsschicht entsprechen, gleich sind.
Herstellungsverfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 20, wobei die mehreren ersten modifizierten Brechungsindexbereiche in der X-Y-Ebene eine identische Form aufweisen.
Herstellungsverfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 21, wobei die Phasenmodulationsschicht ferner mehrere zweite modifizierte Brechungsindexbereiche umfasst, die jeweils entsprechend der M1 × N1 Einheitskomponentenbereiche R vorgesehen sind, und wobei der zweite modifizierte Brechungsindexbereich, der unter den mehreren zweiten modifizierten Brechungsindexbereichen in dem Einheitskomponentenbereich R (x, y) vorgesehen ist, innerhalb der XY-Ebene den Gitterpunkt O (x, y) des Einheitskomponentenbereichs R (x, y) aufweist und innerhalb eines Bereichs, der von dem entsprechenden ersten modifizierten Brechungsindexbereich entfernt ist, angeordnet ist.
Herstellungsverfahren nach Anspruch 22, wobei jeder der mehreren zweiten modifizierten Brechungsindexbereiche so angeordnet ist, dass ein Schwerpunkt G2 des zweiten modifizierten Brechungsindexbereichs mit dem Gitterpunkt O (x, y) in dem entsprechenden Einheitskomponentenbereich R (x, y) übereinstimmt.
Herstellungsverfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 23, wobei ein Strahl zur Bildung des optischen Bildes von der Seite der zweiten Mantelschicht in Bezug auf die aktive Schicht emittiert wird.