发光装置的制作方法

本发明涉及发光装置。

背景技术：

通过控制从呈二维状排列的多个发光点输出的光的相位分布和强度分布而形成任意的光学图像的半导体发光元件被研究。作为这样的半导体发光元件的结构之一，有具有与活性层光学耦合的相位调制层的结构。相位调制层具有基本层和分别具有与基本层的折射率不同的折射率的多个不同折射率区域。此外，在相位调制层的与厚度方向垂直的面上设定的假想的正方晶格中，各不同折射率区域的重心位置根据用于形成光学图像的相位分布，从对应的晶格点偏离。这样的半导体发光元件称为s-ipm(static-integrablephasemodulating(静态可积分相位调制))激光，通过向设置有相位调制层的基板的主面的法线方向和与该法线方向交叉的倾斜方向输出的光，形成2维的任意形状的光学图像。在非专利文献1中，记载有关于s-ipm激光的技术。

现有技术文献

非专利文献

非专利文献1：yoshitakakurosakaetal.，“phase-modulatinglaserstowardon-chipintegration”，scientificreports，6:30138(2016).

非专利文献2：y.kurosakaetal.，“effectsofnon-lasingbandintwo-dimensionalphotonic-crystallasersclarifiedusingomnidirectionalbandstructure，”opt.express20，21773-21783(2012).

非专利文献3：y.liangetal.，“three-dimensionalcoupled-waveanalysisforsquare-latticephotoniccrystalsurfaceemittinglaserswithtransverse-electricpolarization:finite-sizeeffects，”opticsexpress20，15945-15961(2012).

技术实现要素：

发明所要解决的问题

发明人们对上述的现有技术进行了研讨探讨，结果发现了以下那样的技术问题。即，通常，从上述的s-ipm激光，除作为所期望的输出光学图像的信号光以外，输出0次光。该0次光是未被相位调制的衍射波的成分，现有的γ点振荡(相位调制层的倒易晶格空间中的γ点上的振荡动作)的情况下，是向基板的主面的法线方向(即与发光面垂直的方向)输出的点状的光，在s-ipm激光中根据用途而不优选。特别是也存在在0次光与其它信号光之间产生强度不均的情况。此外，在得到所期望的输出光学图像时0次光成为噪声光的情况下，有时还优选从光学图像除去0次光。

本发明为了解决上述那样的技术问题而完成，其目的在于，提供能够除去包含于来自s-ipm激光的输出光的0次光的发光装置。

解决问题的技术手段

本实施方式的发光装置，作为一个例子，为沿着基板的主面的法线方向、与该法线方向交叉的倾斜方向、或该法线方向和该倾斜方向的双方输出形成光学图像的光的装置，作为其一个方式，包括发光部和设置在基板上且与该发光部光学耦合的相位调制层。相位调制层包括基本层和以在与法线方向垂直的面上呈二维状分布的方式设置在该基本层内且具有与该基本层的折射率不同的折射率的多个不同折射率区域。此处，在上述面上设定了假想的正方晶格的状态下，各不同折射率区域为，该各不同折射率区域的重心从对应的晶格点离开规定距离，且假想的正方晶格中的各晶格点周围的旋转角度(连结各不同折射率区域的重心与对应的晶格点的线段的、相对于假想的正方晶格的旋转角度)根据用于形成光学图像的相位分布而设定。假想的正方晶格的晶格间隔a和发光部的发光波长λ满足相当于相位调制层的波数空间的倒易晶格空间中的对称点中的m点上的振荡条件。再有，形成在相位调制层的倒易晶格空间的4个方向的第1面内波数矢量中的至少1个第1面内波数矢量的大小小于2π/λ。

发明的效果

根据本实施方式的发光装置，能够从光线内去除包含于s-ipm激光的输出的0次光，并将信号光向光线内输出。

附图说明

图1是作为本发明的一个实施方式的发光装置，表示半导体发光元件1a的结构的立体图。

图2是表示半导体发光元件1a的层叠结构的截面图。

图3是表示半导体发光元件1a的层叠结构的截面图。

图4是相位调制层15a的俯视图。

图5是表示相位调制层15a的单位结构区域r上的不同折射率区域15b的位置关系的图。

图6是表示仅在相位调制层的特定区域内应用图4的折射率大致周期结构的例子的俯视图。

图7是用于说明半导体发光元件1a的输出光束图案成像而得到的光学图像与相位调制层15a中的旋转角度分布φ(x，y)的关系的图。

图8是用于说明从球面坐标(r，θtilt，θrot)到xyz正交坐标系中的坐标(ξ，η，ζ)的坐标变换的图。

图9(a)和图9(b)是用于说明决定各不同折射率区域15b的配置时，使用广义的离散傅立叶变换(或者快速傅立叶变换)进行计算的情况下的留意点的图。

图10是表示与在γ点振荡的pcsel的光子晶体层相关的倒易晶格空间的俯视图。

图11是立体地观察图10所示的倒易晶格空间的立体图。

图12是表示与在m点振荡的pcsel的光子晶体层相关的倒易晶格空间的俯视图。

图13是表示与在γ点振荡的s-ipm激光的相位调制层相关的倒易晶格空间的俯视图。

图14是立体地观察图13所示的倒易晶格空间的立体图。

图15是表示与在m点振荡的s-ipm激光的相位调制层相关的倒易晶格空间的俯视图。

图16是用于说明相对于面内波数矢量k6～k9加上具有某一定的大小和朝向的衍射矢量v的操作的概念图。

图17是用于示意地说明光线ll的周边结构的图。

图18是概念性地表示旋转角度分布φ2(x，y)的一个例子的图。

图19是表示相位调制层15a的旋转角度分布φ(x，y)的例子的图。

图20是将图19所示的部分s放大表示的图。

图21表示从具有图19所示的旋转角度分布φ(x，y)的半导体发光元件1a输出的光束图案(光学图像)。

图22是图21所示的光束图案的示意图。

图23(a)是光束图案的示意图，图23(b)是表示光束图案的相位分布的图。

图24(a)是光束图案的示意图，图24(b)是表示光束图案的相位分布的图。

图25(a)是光束图案的示意图，图25(b)是表示光束图案的相位分布的图。

图26是用于说明对从4个方向的面内波数矢量k6～k9除去波数扩展δk后的结果加上衍射矢量v的操作的概念图。

图27是第2变形例的相位调制层15b的俯视图。

图28是表示相位调制层15b的单位结构区域r的不同折射率区域15b的位置关系的图。

图29(a)～图29(g)是表示不同折射率区域15b的x-y平面内的形状的例子的俯视图。

图30(a)～图30(k)是表示不同折射率区域15b的x-y平面内的形状的例子的俯视图。

图31(a)～图31(k)是表示不同折射率区域15b的x-y平面内的形状的別的例子的俯视图。

图32是表示不同折射率区域的x-y平面内的形状的其它例子的俯视图。

图33是表示第4变形例的发光装置1b的结构的图。

具体实施方式

[本申请发明的实施方式的说明]

首先，个别地列举本申请发明的实施方式的各个内容进行说明。

(1)本实施方式的发光装置为沿着基板的主面的法线方向、与该法线方向交叉的倾斜方向、或该法线方向和该倾斜方向的双方输出形成光学图像的光的装置，作为其一个方式，包括发光部和设置在基板上且与该发光部光学耦合的相位调制层。相位调制层包括基本层和以在与法线方向垂直的面上呈二维状分布的方式设置在该基本层内且具有与该基本层的折射率不同的折射率的多个不同折射率区域。此处，在上述面上设定了假想的正方晶格的状态下，各不同折射率区域为，该各不同折射率区域的重心从对应的晶格点离开规定距离，且假想的正方晶格中的各晶格点周围的旋转角度(连结各不同折射率区域的重心与对应的晶格点的线段的、相对于假想的正方晶格的旋转角度)根据用于形成光学图像的相位分布而设定。假想的正方晶格的晶格间隔a和发光部的发光波长λ满足相当于相位调制层的波数空间中的倒易晶格空间中的对称点(以使用以大小成为最小的方式选择的基本倒易晶格矢量的波数矢量表现的点)中的m点上的振荡条件。再有，形成在相位调制层的倒易晶格空间的4个方向的第1面内波数矢量中的至少1个第1面内波数矢量的大小小于2π/λ。

作为一个例子，相位分布是用于形成光学图像的第1相位分布和与该光学图像的形成无关的第2相位分布重叠而成的相位分布，第2相位分布是用于相对于形成在相位调制层的倒易晶格空间的第1相位分布的4个方向的第2面内波数矢量加上具有某一定的大小和朝向的衍射矢量(矢量和)的相位分布。此时，通过在4个方向的第2面内波数矢量加上衍射矢量而得到的4个方向的第3面内波数矢量(相当于上述4个方向的第1面内波数矢量的面内波数矢量)中的至少1个第3面内波数矢量的大小能够设定为小于2π/λ。

在上述的方式的发光装置中，多个不同折射率区域分别以各重心从假想的正方晶格的对应的晶格点离开并且具有根据形成光学图像的相位分布设定的该对应的晶格点周围的旋转角度的方式配置。根据这样的结构，作为s-ipm激光，能够沿着基板的主面的法线方向、或与该法线方向交叉的倾斜方向、或其双方输出形成任意形状的光学图像的光。此外，在该发光装置中，假想的正方晶格的晶格间隔a和发光部的发光波长λ满足m点振荡的条件。通常，在m点振荡的驻波状态下在相位调制层内传播的光会全反射，信号光和0次光双方的输出被抑制。但是，在本方式的发光装置中，在相位调制层的倒易晶格空间(相当于波数空间)上，驻波受到根据相位分布的相位调制，形成4个方向的面内波数矢量(也可以是第1面内波数矢量且分别包含与形成光学图像的输出光的角度扩展对应的波数扩展)。该面内波数矢量中至少1个的大小小于2π/λ(光线)。在s-ipm激光中，例如能够通过调整相位分布，实现这样的面内波数矢量的调整。于是，在至少1个面内波数矢量的大小小于2π/λ的情况下，其面内波数矢量具有基板的主面的法线方向的成分。再有，由于在与空气的界面不产生全反射，所以结果上信号光的一部分从相位调制层输出。但是，在满足m点振荡的条件的情况下，0次光在与空气的界面被全反射，不从相位调制层向光线内输出。即，根据本方式的发光装置，能够从光线内去除包含于s-ipm激光的输出的0次光，而仅输出信号光。

(2)作为本实施方式的一个方式，相位调制层与上述的方式相同，包含基本层和多个不同折射率区域。此外，在与法线方向垂直的面上设定有假想的正方晶格的状态下，各不同折射率区域以该各不同折射率区域的重心位于通过对应的晶格点并且与假想的正方晶格倾斜的直线上的方式配置，且各不同折射率区域的重心与对应的晶格点的沿着上述直线的距离根据用于形成光学图像的相位分布而设定。假想的正方晶格的晶格间隔a和发光部的发光波长λ以满足相当于相位调制层的波数空间的倒易晶格空间中的对称点(以使用以大小成为最小的方式选出的基本倒易晶格矢量的波数矢量表现的点)中的m点上的振荡条件的方式设定。再有，形成在相位调制层的倒易晶格空间的4个方向的面内波数矢量(第1面内波数矢量)、即分别包含与形成光学图像的输出光的角度扩展对应的波数扩展的4个方向的面内波数矢量中的至少1个面内波数矢量的大小按小于2π/λ来规定。

在上述的方式的发光装置中，各不同折射率区域的重心配置在通过假想的正方晶格的对应的晶格点且相对于该正方晶格倾斜的直线上。于是，各不同折射率区域的重心与对应的晶格点的距离(沿着上述直线的距离)根据用于形成光学图像的相位分布而设定。根据这样的结构，与各不同折射率区域的重心具有对应的晶格点周围的旋转角度的上述的方式(结构)相同，作为s-ipm激光，能够沿着基板的主面的法线方向和/或与该法线方向交叉的倾斜方向输出用于形成任意形状的光学图像的光。此外，在该方式的发光装置中，也是假想的正方晶格的晶格间隔a和发光部的发光波长λ满足m点振荡的条件，并且在相位调制层的倒易晶格空间中，驻波受到根据相位分布的相位调制，形成4个方向的面内波数矢量(也可以是第1面内波数矢量且分别包含与形成光学图像的输出光的角度扩展对应的波数扩展)。该4个方向的面内波数矢量中至少1个的大小小于2π/λ(光线)。因此，能够从光线内去除来自s-ipm激光的输出光中包含的0次光，而仅输出信号光。

(3)作为本实施方式的一个方式，也可以是上述的相位分布是用于形成光学图像的第1相位分布和与该光学图像的形成无关的第2相位分布重叠而成的相位分布，此外，第2相位分布是用于相对于形成在相位调制层的倒易晶格空间的第1相位分布的4个方向的第2面内波数矢量、即分别包含与形成光学图像的输出光的角度扩展对应的波数扩展的4个方向的面内波数矢量，加上具有某一定的大小和朝向的衍射矢量(矢量和)的相位分布。在这种情况下，通过在4个方向的第2面内波数矢量加上衍射矢量而得到的、相当于上述的4个方向的第1面内波数矢量的4个方向的第3面内波数矢量中的至少1个第3面内波数矢量的大小设定为小于2π/λ。根据该方式，能够容易地实现形成在倒易晶格空间的波数矢量、即分别包含上述波数扩展的4个方向的面内波数矢量中的至少1个的大小小于2π/λ(光线)的结构。

(4)作为本实施方式的一个方式，也可以是相位分布是用于形成光学图像的第1相位分布和与该光学图像的形成无关的第2相位分布重叠而成的相位分布，此外，第2相位分布是用于相对于不包含与形成光学图像的输出光的角度扩展对应的波数扩展且形成在相位调制层的倒易晶格空间的第1相位分布的4个方向的第2面内波数矢量，加上具有某一定的大小和朝向的衍射矢量(矢量和)的相位分布。在这种情况下，通过在4个方向的第2面内波数矢量加上衍射矢量而得到的、相当于上述的4个方向的第1面内波数矢量的4个方向的第3面内波数矢量中的至少1个第3面内波数矢量的大小设定为小于从2π/λ减去与形成光学图像的输出光的角度扩展对应的波数扩展而得到的值。根据该方式，能够容易地实现形成在倒易晶格空间的波数矢量、即不包含上述波数扩展的4个方向的面内波数矢量中至少1个的大小小于2π/λ(光线)的结构。

(5)作为本实施方式的一个方式，也可以是上述第2相位分布是第1相位值和与该第1相位值不同的第2相位值分别沿着相互正交的2个方向交替地排列的分布(呈两色相间方格图案排列的分布)。根据这样的相位分布，能够容易地实现上述的衍射矢量。再有，作为本实施方式的一个方式，第2相位分布也可以是第1相位值和与该第1相位值不同的第2相位值逐次变化π的分布。

以上，该[本申请发明的实施方式的说明]一栏中列举的各方式能够分别相对于剩余的所有方式或相对于这些剩余的方式的所有组合应用。

[本申请发明的实施方式的详细情况]

以下，参照附图，详细地说明本发明的实施方式的发光装置的具体的结构。另外，本发明并不限定于这些例示，而意图包含由权利要求的范围表示且与权利要求的范围等同的含义和范围内的所有变更。此外，在附图的说明中对相同的要素标注相同的符号，省略重复的说明。

图1是作为本发明的一个实施方式的发光装置，表示半导体发光元件1a的结构的立体图。图2是表示半导体发光元件1a的层叠结构的截面图。另外，定义以通过半导体发光元件1a的中心且沿着半导体发光元件1a的厚度方向延伸的轴为z轴的xyz正交坐标系。半导体发光元件1a是在xy面内方向形成驻波，并且向z轴方向输出被相位控制的平面波的s-ipm激光，并且如下述那样，沿着半导体基板10的主面10a的法线方向(即z轴方向)、与该法线方向交叉的倾斜方向、或法线方向和倾斜方向的双方输出形成二维的任意形状的光学图像的光。

如图1和图2所示，半导体发光元件1a包括设置在半导体基板10上的作为发光部的活性层12、夹着活性层12的一对包覆层11和13、以及设置在包覆层13上的接触层14。这些半导体基板10和各层11～14例如由gaas类半导体、inp类半导体、氮化物类半导体等化合物半导体构成。包覆层11和包覆层13的各能带间隙大于活性层12的能带间隙。半导体基板10和各层11～14的厚度方向与z轴方向一致。

半导体发光元件1a还包括与活性层12光学耦合的相位调制层15a。在本实施方式中，相位调制层15a在活性层12与包覆层13之间设置。根据需要，也可以在活性层12与包覆层13之间、和活性层12与包覆层11之间中的至少一方设置光导层。相位调制层15a的厚度方向与z轴方向一致。另外，光导层也可以包含用于将载流子有效地关入活性层12的载流子势垒层。

如图3所示，相位调制层15a也可以设置在包覆层11与活性层12之间。

相位调制层15a包含基本层15a和多个不同折射率区域15b。基本层15a由第1折射率介质构成。各不同折射率区域15b由具有与第1折射率介质的折射率不同的折射率的第2折射率介质构成，存在于基本层15a内。多个不同折射率区域15b的二维配置包含大致周期结构。在令模式的等效折射率为n的情况下，相位调制层15a选择的波长λ0(＝(√2)a×n，a为晶格间隔)包含在活性层12的发光波长范围内。相位调制层15a能够将活性层12的发光波长中的波长λ0附近的带端波长的光选择性地向外部输出。入射到相位调制层15a内的激光在相位调制层15a内形成与不同折射率区域15b的配置对应的规定的模式，作为具有所期望的图案的激光光束，从半导体发光元件1a的表面向外部出射。

半导体发光元件1a进一步包括设置在接触层14上的电极16和设置在半导体基板10的背面10b上的电极17。电极16与接触层14形成欧姆接触。电极17与半导体基板10形成欧姆接触。再有，电极17具有开口17a。电极16设置在接触层14的中央区域。接触层14上的电极16以外的部分由保护膜18(参照图2)覆盖。另外，未与电极16接触的接触层14也可以除去。半导体基板10的背面10b中电极17以外的部分(包含开口17a内)由反射防止膜19覆盖。处于开口17a以外的区域的反射防止膜19也可以除去。

当向电极16与电极17之间供给驱动电流时，在活性层12内产生电子与空穴的再结合，在活性层12内光被放出。有助于活性层12内的发光的电子和空穴、以及所产生的光有效地被关入到包覆层11和包覆层13之间。

从活性层12输出的光进入相位调制层15a的内部，形成与相位调制层15a的内部的晶格结构对应的规定的模式。从相位调制层15a输出的激光直接地从背面10b通过开口17a而向半导体发光元件1a的外部输出，或者，在电极16反射后，从背面10b通过开口17a向半导体发光元件1a的外部输出。此时，包含于激光的信号光沿着主面10a的法线方向、或与该法线方向交叉的倾斜方向、或其双方的双方输出。输出光中形成所期望的光学图像的是信号光。信号光主要是1次光和-1次光。如后面所述，从本实施方式的相位调制层15a不输出0次光。

在某个例子中，半导体基板10是gaas基板，包覆层11、活性层12、包覆层13、接触层14和相位调制层15a分别是由iii族元素和v族元素构成的化合物半导体层。具体而言，包覆层11是algaas层。活性层12具有多量子阱结构(势垒层：algaas/阱层：ingaas)。在相位调制层15a中，基本层15a为gaas，不同折射率区域15b为空穴。包覆层13是algaas层。接触层14是gaas层。

在上述的结构中，半导体基板10的厚度为50μm～300μm，在一个例子中为150μm。只要能够将元件分离，半导体基板也可以比上述范围厚。反之，在另外具有支承基板的结构中，并不一定需要半导体基板。包覆层11的厚度为500nm～10000nm，在一个例子中为2000nm。活性层12的厚度为100nm～300nm，在一个例子中为175nm。相位调制层15a的厚度为100nm～500nm，在一个例子中为280nm。包覆层13的厚度为500nm～10000nm，在一个例子中为2000nm。接触层14的厚度为50nm～500nm，在一个例子中为150nm。

在algaas中，能够通过变更al的组成比，容易地改变能带间隙和折射率。在alxga1-xas中，当使原子半径相对较小的al的组成比x减少(增加)时，与该al组成比处于正相关的能带间隙变小(大)。在使原子半径大的in混入到gaas而得到的ingaas的情况下，能带间隙变小。即，包覆层11、13中的al组成比大于活性层12中的势垒层(algaas)的al组成比。包覆层11、13的al组成比例如设定为0.2～1.0，在一个例子中为0.4。活性层12中的势垒层的al组成比例如设定为0～0.3，在一个例子中为0.15。

在另一个例子中，半导体基板10是inp基板。包覆层11、活性层12、相位调制层15a、包覆层13和接触层14例如由inp系化合物半导体构成。具体而言，包覆层11是inp层。活性层12具有多量子阱结构(势垒层：gainasp/阱层：gainasp)。在相位调制层15a中，基本层15a为gainasp或inp，不同折射率区域15b为空穴。包覆层13是inp层。接触层14为gainasp、gainas或inp。

在又一个例子中，半导体基板10是inp基板。包覆层11、活性层12、相位调制层15a、包覆层13和接触层14例如由inp系化合物半导体构成。具体而言，包覆层11是inp层。活性层12具有多量子阱结构(势垒层：algainas/阱层：algainas)。在相位调制层15a中，基本层15a为algainas或inp，不同折射率区域15b为空穴。包覆层13是inp层。接触层14是gainas或inp层。该材料类和上述的“另一个例子”中提到的使用gainasp/inp的材料类能够输出能够应用于1.3/1.55μm频带的光通信波长、并且比1.4μm长的波长的人眼安全波长的光。

此外，在又一个例子中，半导体基板10是gan基板。包覆层11、活性层12、相位调制层15a、包覆层13和接触层14例如由氮化物类化合物半导体构成。具体而言，包覆层11是algan层。活性层12具有多量子阱结构(势垒层：ingan/阱层：ingan)。在相位调制层15a中，基本层15a为gan，不同折射率区域15b为空穴。包覆层13是algan层，接触层14是gan层。

对包覆层11赋予与半导体基板10相同的导电类型。对包覆层13和接触层14赋予与半导体基板10相反的导电类型。在一个例子中，半导体基板10和包覆层11为n型，包覆层13和接触层14为p型。相位调制层15a在设置在活性层12与包覆层11之间的情况下，具有与半导体基板10相同的导电类型，在设置在活性层12与包覆层13之间的情况下具有与半导体基板10相反的导电类型。另外，杂质浓度为例如1×10¹⁶～1×10²¹/cm³。活性层12是任何杂质都不有意地添加的本征型(i型)，其杂质浓度为1×10¹⁶/cm³以下。另外，关于相位调制层15a的杂质浓度，在需要抑制借助杂质能级的光吸收所引起的损失的影响的情况下等，也可以为本征型(i型)。

在上述的例子中，不同折射率区域15b成为空穴，但不同折射率区域15b也可以通过在空穴内埋入具有与基本层15a的折射率不同的折射率的半导体而构成。在这种情况下，例如也可以在通过蚀刻形成基本层15a的空穴后，使用有机金属气相生长法、溅射法或外延法在空穴内埋入上述的半导体。例如，在基本层15a由gaas构成的情况下，不同折射率区域15b也可以由algaas构成。此外，也可以在通过在基本层15a的空穴内埋入半导体而形成不同折射率区域15b后，进一步在其上堆叠与不同折射率区域15b相同的半导体。另外，在不同折射率区域15b为空穴的情况下，也可以在该空穴封入氩、氮等不活泼气体或氢、空气等气体。

反射防止膜19例如由硅氮化物(例如sin)、硅氧化物(例如sio2)等的电介质单层膜或电介质多层膜构成。作为电介质多层膜，例如能够应用层叠有选自氧化钛(tio2)、二氧化硅(sio2)、一氧化硅(sio)、氧化铌(nb2o5)、五氧化钽(ta2o5)、氟化镁(mgf2)、氧化钛(tio2)、氧化铝(al2o3)、氧化铈(ceo2)、氧化铟(in2o3)、氧化锆(zro2)等的电介质层组的2种以上电介质层的膜。例如，膜厚为相对于波长λ的光的光学膜厚，为λ/4左右。此外，保护膜18例如为硅氮化物(例如sin)、硅氧化物(例如sio2)等的绝缘膜。在半导体基板10和接触层14由gaas类半导体构成的情况下，电极16能够由包含cr、ti和pt中的至少1者和au的材料构成，例如具有cr层和au层的层叠结构。电极17能够由包含au、ge和ni中的至少1者和au的材料构成，例如具有auge层和au层的层叠结构。另外，电极16、17的材料只要能够实现欧姆接合即可，并不限定于所列举的材料。

另外，还能够将电极形状变形，从接触层14的表面输出激光。即，不设置电极17的开口17a，而在接触层14的表面上电极16开口的情况下，激光光束从接触层14的表面向外部输出。在这种情况下，反射防止膜设置在电极16的开口内和周边。

图4是相位调制层15a的俯视图。相位调制层15a包含基本层15a和多个不同折射率区域15b。基本层15a由第1折射率介质构成。多个不同折射率区域15b由具有与第1折射率介质的折射率不同的折射率的第2折射率介质构成。此处，在与x-y平面一致的相位调制层15a的一个面上设定假想的正方晶格。正方晶格的一个边与x轴平行，另一个边与y轴平行。此时，以正方晶格的晶格点o为中心的正方形状的单位结构区域r(x，y)能够遍及沿着x轴的多个列(x＝0，1，2，3，……)和沿着y轴的多个行(y＝0，1，2，……)地呈二维状设定。当在各个单位结构区域r的重心位置赋予各个单位结构区域r的xy坐标时，该重心位置与假想的正方晶格的晶格点o一致。多个不同折射率区域15b在各单位结构区域r内例如逐一设置。不同折射率区域15b的平面形状例如为圆形。晶格点o既可以位于不同折射率区域15b的外部，也可以包含在不同折射率区域15b的内部。

不同折射率区域15b的面积s在1个单位结构区域r内所占的比率称为填充因子(ff)。当令正方晶格的晶格间隔为a时，不同折射率区域15b的填充因子ff作为s/a²赋予。s是x-y平面上的不同折射率区域15b的面积，例如在不同折射率区域15b的形状为正圆形的情况下，使用正圆的直径d，作为s＝π(d/2)²赋予。此外，在不同折射率区域15b的形状为正方形的情况下，使用正方形的一个边的长度la，作为s＝la²赋予。

图5是将相位调制层15a的一部分(单位结构区域r)放大表示的图。如图5所示，不同折射率区域15b分别具有重心g，单位结构区域r的重心g的位置通过在晶格点o正交的s轴和t轴赋予。此处，在由相互正交的s轴和t轴规定的单位结构区域r(x，y)中，设从晶格点o(x，y)向重心g的矢量与s轴所成的角度为φ(x，y)。另外，x表示沿着x轴的第x个晶格点的位置，y表示沿着y轴的第y个晶格点的位置。在旋转角度φ为0°的情况下，连结晶格点o(x，y)与重心g的矢量的朝向与x轴的正方向一致。此外，设连结晶格点o(x，y)与重心g的矢量的长度为r(x，y)。在一个例子中，r(x，y)不依赖于x，y(遍及相位调制层15a整体)而为一定。

如图4所示，连结晶格点o(x，y)与重心g(对应的不同折射率区域15b的重心)的矢量的朝向、即不同折射率区域15b的重心g的晶格点周围的旋转角度φ与所期望的光学图像对应且根据相位图案按每个晶格点o(x，y)个别地设定。相位图案即旋转角度分布φ(x，y)按由x，y的值决定的每个位置具有特定的值，但并不一定限于由特定的函数表示。即，旋转角度分布φ(x，y)由从对所期望的光学图像进行傅立叶逆变换得到的复振幅分布提取出的相位分布决定。另外，在从所期望的光学图像求取复振幅分布时，通过应用在全息图生成的计算时普遍使用的gerchberg-saxton(gs)法那样的重复算法，提高光束图案的再现性。

图6是表示仅在相位调制层的特定区域内应用图4的折射率大致周期结构的例子的俯视图。在图6所示的例子中，在正方形的内侧区域rin的内部，形成有用于输出作为目标的光束图案的大致周期结构(例：图4的结构)。另一方面，在包围内侧区域rin的外侧区域rout，在正方晶格的晶格点位置，配置有重心位置一致的正圆形的不同折射率区域。例如，外侧区域rout中的填充因子ff设定为12％。此外，内侧区域rin的内部和外侧区域rout内，假想地设定的正方晶格的晶格间隔均相同(＝a)。该结构的情况下，具有以下优点：通过使光也分布于外侧区域rout内，能够抑制在内侧区域rin的周边部因光强度急剧变化而产生的高频噪声(所谓的窗函数噪声)的产生。此外，能够抑制向面内方向的光泄漏，能够期待阈值电流的降低。

图7是用于说明作为半导体发光元件1a的输出光束图案的光学图像与相位调制层15a中的旋转角度分布φ(x，y)的关系的图。另外，输出光束图案的中心q并不限于位于相对于半导体基板10的主面10a垂直的轴线上，但也能够配置在垂直的轴线上。此处为了进行说明而使由正交的kx轴和ky轴赋予的波数空间的中心q处于相对于主面10a垂直的轴线上。在图7中，表示以中心q为原点的4个象限。在图7中作为例子表示在第1象限和第3象限得到光学图像的情况，但也能够在第2象限和第4象限或者所有象限得到图像。在本实施方式中，如图7所示，得到关于原点点对称的光学图像。图7作为例子表示在第3象限得到字符“a”，在第1象限得到将字符“a”旋转180度后的图案的情况。另外，在为旋转对称的光学图像(例如十字，圆圈，双重圆圈等)的情况下，重叠而作为一个光学图像被观察。

半导体发光元件1a的输出光束图案的光学图像包含光点(spot)、直线、十字架、线条画、晶格图案、照片、条形图案、cg(计算机图形)和字符中的至少1者。此处，为了得到所期望的光学图像，根据以下的顺序决定相位调制层15a的不同折射率区域15b的旋转角度分布φ(x，y)。

在本实施方式中，通过根据以下的顺序决定旋转角度分布φ(x，y)，能够得到所期望的光学图像。首先，作为第一前提条件，在由与法线方向一致的z轴和与包含多个不同折射率区域15b的相位调制层15a的一个面一致的包含相互正交的x轴和y轴的x-y平面规定的xyz正交坐标系中，在该x-y平面上，设定由分别具有正方形状的m1(1以上整数)×n1(1以上整数)个单位结构区域r构成的假想的正方晶格。

作为第二前提条件，如图8所示，xyz正交坐标系中的坐标(ξ，η，ζ)相对于由矢径的长度r、自z轴起的倾角θtilt和自在x-y平面上确定的x轴起的旋转角θrot规定的球面坐标(r，θrot，θtilt)，满足以以下的式(1)～式(3)表示的关系。另外，图8是用于说明从球面坐标(r，θrot，θtilt)到xyz正交坐标系中的坐标(ξ，η，ζ)的坐标变换的图，通过坐标(ξ，η，ζ)表现在作为实空间的xyz正交坐标系中设定的规定平面上的设计上的光学图像。在令相当于从半导体发光元件输出的光学图像的光束图案为朝向由角度θtilt和θrot规定的方向的亮点的集合时，角度θtilt和θrot换算为由以下的式(4)规定的标准化波数、即与x轴对应的kx轴上的坐标值kx、和由以下的式(5)规定的标准化波数、即与y轴对应并且与kx轴正交的ky轴上的坐标值ky。标准化波数是指将相当于假想的正方晶格的晶格间隔的波数2π/a作为1.0而标准化的波数。此时，在由kx轴和ky轴规定的波数空间中，包含相当于光学图像的光束图案的特定的波数范围由分别为正方形状的m2(1以上整数)×n2(1以上整数)个图像区域fr构成。另外，整数m2并不需要与整数m1一致。同样，整数n2也并不需要与整数n1一致。此外，式(4)和式(5)例如在上述非专利文献2中公开。

[数1]

ξ＝rsinθtiltcosθrot···(1)

[数2]

η＝rsinθtiltsinθrot···(2)

[数3]

ζ＝rcosθtilt···(3)

[数4]

[数5]

a：假想的正方晶格的晶格常数

λ：振荡波长

作为第三前提条件，在波数空间中，通过将由kx轴方向的坐标成分kx(0以上m2-1以下的整数)和ky轴方向的坐标成分ky(0以上n2-1以下的整数)确定的图像区域fr(kx，ky)分别二维离散傅立叶逆变换为由x轴方向的坐标成分x(0以上m1-1以下的整数)和y轴方向的坐标成分y(0以上n1-1以下的整数)确定的x-y平面上的单位结构区域r(x，y)而得到的复振幅f(x，y)，以j为虚数单位，由以下的式(6)赋予。此外，该复振幅f(x，y)在令振幅项为a(x，y)并且令相位项为p(x，y)时，由以下的式(7)规定。再有，作为第四前提条件，单位结构区域r(x，y)由分别与x轴和y轴平行且在成为单位结构区域r(x，y)的中心的晶格点o(x，y)正交的s轴和t轴规定。

[数6]

[数7]

f(x，y)＝a(x，y)×exp[jp(x，y)]···(7)

在上述第1～第四前提条件下，相位调制层15a以满足以下的第1和第2条件的方式构成。即，第1条件为，在单位结构区域r(x，y)内，在重心g离开晶格点o(x，y)的状态下配置。此外，第2条件为，以在从晶格点o(x，y)到对应的重心g的线段长度r2(x，y)在m1个×n1个单位结构区域r分别设定为共同的值的状态下，连结晶格点o(x，y)和对应的重心g的线段与s轴所成的角度φ(x，y)满足

φ(x,y)＝c×p(x,y)+b

c：比例常数，例如180°/π

b：任意的常数，例如0

的关系的方式，在单位结构区域r(x，y)内配置对应的不同折射率区域15b。

作为从通过傅立叶逆变换得到的复振幅分布得到强度(振幅)分布和相位分布的方法，例如对于强度分布i(x，y)，能够通过使用mathworks公司的数值分析软件“matlab”的abs函数计算，对于相位分布p(x，y)，能够通过使用matlab的angle函数计算。

此处，说明在从光学图像的傅立叶逆变换结果求取旋转角度分布φ(x，y)，决定各不同折射率区域15b的配置时，使用广义的离散傅立叶变换(或者快速傅立叶变换)进行计算的情况下的留意点。当将傅立叶逆变换前的光学图像如图9(a)那样分割为a1、a2、a3和a4这样4个象限时，得到的光束图案如图9(b)所示。即，在图9(b)所示的光束图案的第1象限，出现将图9(a)的第1象限的图案旋转180度后的图案与图9(a)的第3象限的图案重叠而成的图案。在图9(b)所示的光束图案的第2象限，出现将图9(a)的第2象限的图案旋转180度后的图案与图9(a)的第4象限的图案重叠而成的图案。在图9(b)所示的光束图案的第3象限，出现将图9(a)的第3象限的图案旋转180度后的图案与图9(a)的第1象限的图案重叠而成的图案。在图9(b)所示的光束图案的第4象限，出现将图9(a)的第4象限的图案旋转180度后的图案与图9(a)的第2象限的图案重叠而成的图案。

因此，在使用仅在第1象限具有值的光学图像作为傅立叶逆变换前的光学图像(原来的光学图像)的情况下，在得到的光束图案的第3象限出现原来的光学图像的第1象限的图案，在得到的光束图案的第1象限出现将原来的光学图像的第1象限的图案旋转180度后的图案。

这样，在半导体发光元件1a中，通过波面被相位调制而得到所期望的光束图案。该光束图案不仅是一对单峰光束(光点)，还能够如上所述为字符形状，2个以上相同形状光点组，或者相位、强度分布空间上不均匀的矢量光束等。

另外，优选基本层15a的折射率为3.0～3.5，各不同折射率区域15b的折射率为1.0～3.4。此外，基本层15a的孔内的各不同折射率区域15b的平均半径在940nm频段的情况下，例如为20nm～90nm。因各不同折射率区域15b的大小变化而衍射强度变化。该衍射效率与以对不同折射率区域15b的形状进行了傅立叶变换时的系数表示的光耦合系数成比例。关于光耦合系数，例如在上述非专利文献3中记载。

接着，详细地说明本实施方式的相位调制层15a的特征。在本实施方式中，假想的正方晶格的晶格间隔a和活性层12的发光波长λ满足m点振荡的条件。再有，在相位调制层15a中考虑倒易晶格空间(波数空间)时，受到基于旋转角度分布φ(x，y)的相位调制，形成表示分别包含与形成光学图像的光的角度扩展对应的波数扩展的驻波的4个方向的面内波数矢量。于是，该面内波数矢量中的至少1个的大小小于2π/λ(光线)。以下，对这些方面详细地进行说明。

首先，为了进行比较而说明倒易晶格空间中的在γ点振荡的光子晶体激光(pcsel)。pcsel具有活性层和呈二维状周期性地排列有多个不同折射率区域的光子晶体层。pcsel是在与光子晶体层的厚度方向垂直的面内形成与不同折射率区域的排列周期对应的振荡波长的驻波，并且沿着半导体基板的主面的法线方向输出激光的半导体元件。此外，为了进行γ点振荡，假想的正方晶格的晶格间隔a、活性层12的发光波长λ和模式的等效折射率n满足条件：λ＝na即可。

图10是表示关于在γ点振荡的pcsel的光子晶体层的倒易晶格空间(波数空间)的俯视图。该图表示多个不同折射率区域位于正方晶格的晶格点上的情况，图中的点p表示倒易晶格点。此外，图中的箭头b1表示基本倒易晶格矢量，箭头b2分别表示基本倒易晶格矢量b1的2倍的倒易晶格矢量。此外，箭头k1、k2、k3和k4表示4个面内波数矢量。4个面内波数矢量k1、k2、k3和k4经90°和180°的衍射而相互耦合，形成驻波状态。此处，在倒易晶格空间中定义相互正交的γ-x轴和γ-y轴。γ-x轴与正方晶格的一个边平行，γ-y轴与正方晶格的另一个边平行。面内波数矢量是将波数矢量投影于γ-x·γ-y平面内的矢量。即，面内波数矢量k1朝向γ-x轴正方向，面内波数矢量k2朝向γ-y轴正方向，面内波数矢量k3朝向γ-x轴负方向，面内波数矢量k4朝向γ-y轴负方向。由图10可知，在γ点振荡的pcsel中，面内波数矢量k1～k4的大小(即面内方向的驻波的大小)与基本倒易晶格矢量b1的大小相等。另外，面内波数矢量k1～k4的大小k按以下的式(8)赋予。

[数8]

图11是立体地观察图10所示的倒易晶格空间的立体图。在图11表示与γ-x轴和γ-y轴的方向正交的z轴。该z轴与图1所示的z轴相同。如图11所示，在γ点振荡的pcsel中，面内方向的波数因衍射而成为0，产生朝向面垂直方向(z轴方向)的衍射(图中的箭头k5)。因此，激光基本上向z轴方向输出。

接着，对于在m点振荡的pcsel进行说明。为了进行m点振荡，假想的正方晶格的晶格间隔a、活性层12的发光波长λ和模式的等效折射率n满足条件：λ＝(√2)n×a即可。图12是表示关于在m点振荡的pcsel的光子晶体层的倒易晶格空间(波数空间)的俯视图。该图12还表示多个不同折射率区域位于正方晶格的晶格点上的情况，图12中的点p表示倒易晶格点。此外，图12中的箭头b1表示与图10相同的基本倒易晶格矢量，箭头k6、k7、k8和k9表示4个面内波数矢量。此处，在倒易晶格空间中定义相互正交的γ-m1轴和γ-m2轴。γ-m1轴与正方晶格的一个对角方向平行，γ-m2轴与正方晶格的另一个对角方向平行。面内波数矢量是将波数矢量投影于γ-m1·γ-m2平面内的矢量。即，面内波数矢量k6朝向γ-m1轴正方向，面内波数矢量k7朝向γ-m2轴正方向，面内波数矢量k8朝向γ-m1轴负方向，面内波数矢量k9朝向γ-m2轴负方向。由图12可知，在m点振荡的pcsel中，面内波数矢量k6～k9的大小(即面内方向的驻波的大小)小于基本倒易晶格矢量b1的大小。另外，面内波数矢量k6～k9的大小k按以下的式(9)赋予。

[数9]

衍射在波数矢量k6～k9在倒易晶格矢量(大小2mπ/a，m：整数)的矢量和的方向上产生。但是，在m点振荡的pcsel中，面内方向的波数不能因衍射而成为0，不产生朝向面垂直方向(z轴方向)的衍射。因此，不向面垂直方向输出激光，因此，通常，在pcsel中不使用m点振荡。

接着，对于在γ点振荡的s-ipm激光进行说明。另外，γ点振荡的条件与上述的pcsel的情况相同。图13是表示关于在γ点振荡的s-ipm激光的相位调制层的倒易晶格空间的俯视图。基本倒易晶格矢量b1与γ点振荡的pcsel相同(参照图10)，但面内波数矢量k1～k4受到基于旋转角度分布φ(x，y)的相位调制，分别具有与光学图像的扩展角对应的波数扩展sp。波数扩展sp能够作为以γ点振荡的pcsel中的各面内波数矢量k1～k4的前端为中心，x轴方向和y轴方向的边的长度分别为2δkxmax、2δkymax的矩形区域表现。通过这样的波数扩展sp，各面内波数矢量k1～k4扩展至(kix+δkx，kiy+δky)的矩形状的范围(i＝1～4，kix为矢量ki的x方向成分，kiy为矢量ki的y方向成分)。此处，-δkxmax≤δkx≤δkxmax，-δkymax≤δky≤δkymax。另外，δkxmax和δkymax的大小根据光学图像的扩展角确定。换言之，δkxmax和δkymax的大小依赖于要在半导体发光元件1a显示的光学图像。

图14是立体地观察图13所示的倒易晶格空间的立体图。在图14表示与沿着γ-x轴的方向和沿着γ-y轴的方向分别正交的z轴。该z轴与图1所示的z轴相同。如图14所示，在γ点振荡的s-ipm激光的情况下，输出具有不仅包含朝向面垂直方向(z轴方向)的0次光，而且包含向相对于z轴方向倾斜的方向的1次光和-1次光的2维的扩展的光学图像(光束图案)lm。

接着，对于在m点振荡的s-ipm激光进行说明。另外，m点振荡的条件与上述的pcsel的情况相同。图15是表示关于在m点振荡的s-ipm激光的相位调制层的倒易晶格空间的俯视图。基本倒易晶格矢量b1与m点振荡的pcsel相同(参照图12)，但面内波数矢量k6～k9分别具有基于旋转角度分布φ(x，y)的波数扩展sp。另外，波数扩展sp的形状和大小与上述的γ点振荡的情况相同。在s-ipm激光中，在m点振荡的情况下面内波数矢量k6～k9的大小(即面内方向的驻波的大小)也小于基本倒易晶格矢量b1的大小(面内方向的波数不能因衍射而成为0，不产生朝向面垂直方向(z轴方向)的衍射)。因此，朝向面垂直方向(z轴方向)的0次光、以及朝向相对于z轴方向倾斜的方向的1次光和-1次光均不输出。

此处，在本实施方式中，通过在m点振荡的s-ipm激光中对相位调制层15a施以以下那样的功夫，在不输出0次光的状态下输出1次光和-1次光的一部分。具体而言，如图16所示，通过对面内波数矢量k6～k9加上具有某一定的大小和朝向的衍射矢量v，使面内波数矢量k6～k9中的至少1个(在图中为面内波数矢量k8)的大小小于2π/λ。换言之，加上衍射矢量v后的面内波数矢量k6～k9中的至少1个(面内波数矢量k8)收敛在半径2π/λ的圆状区域(光线)ll内。另外，在图16中以虚线表示的面内波数矢量k6～k9表示衍射矢量v的加法运算前，以实线表示的面内波数矢量k6～k9表示衍射矢量v的加法运算后。光线ll对应于全反射条件，收敛在光线ll内的大小的波数矢量具有面垂直方向(z轴方向)的成分。在一个例子中，衍射矢量v的方向沿着γ-m1轴或γ-m2轴，其大小为2π/(√2)a-π/λ至2π/(√2)a+π/λ的范围内(作为一个例子，为2π/(√2)a)。

对用于将面内波数矢量k6～k9中的至少1个面内波数矢量收敛在光线ll内的衍射矢量v的大小和朝向进行研究。以下的式(10)～(13)分别表示加上衍射矢量v之前的面内波数矢量k6～k9。

[数10]

[数11]

[数12]

[数13]

另外，波数矢量的扩展δkx和δky分别满足以下的式(14)和式(15)，面内波数矢量的x轴方向的扩展的最大值δkxmax和y轴方向的扩展的最大值δkymax由形成设计上的光学图像的光的角度扩展规定。

[数14]

-δkxmax≤δkx≤δkxmax···(14)

[数15]

-δkymax≤δky≤δkymax···(15)

此处，当如以下的式(16)那样表示衍射矢量v时，加上衍射矢量v后的面内波数矢量k6～k9成为以下的式(17)～(20)。

[数16]

v＝(vx，vy)···(16)

[数17]

[数18]

[数19]

[数20]

考虑到上述式(17)～(20)中波数矢量k6～k9的任意的波数矢量收敛在光线ll内，则以下的式(21)的关系成立。

[数21]

即，通过加上满足上述式(21)的衍射矢量v，波数矢量k6～k9的任意的波数矢量收敛在光线ll内，输出1次光和-1次光的一部分。

另外，令光线ll的大小(半径)为2π/λ是基于以下的理由。图17是用于示意地说明光线ll的周边结构的图，表示从与z轴方向垂直的方向看的器件与空气的边界。真空中的光的波数矢量的大小成为2π/λ，当光如图17所示在器件介质中传播时，折射率n的介质内的波数矢量ka的大小成为2πn/λ。此时，为了使光在器件与空气的边界传播，需要使与边界平行的波数成分连续(波数守恒定律)。在图17中波数矢量ka与z轴形成角度θ的情况下，投影于面内的波数矢量(即面内波数矢量)kb的长度成为(2πn/λ)sinθ。另一方面，根据一般情况下介质的折射率n＞1的关系，在介质内的面内波数矢量kb大于2π/λ角度下波数守恒定律不成立。此时，光全反射，不能在空气侧取出。与该全反射条件对应的波数矢量的大小成为光线ll的大小，为2π/λ。

作为在面内波数矢量k6～k9加上衍射矢量v的具体的方式的一个例子，考虑相对于作为用于形成所期望的光学图像的相位分布的旋转角度分布φ1(x，y)(第1相位分布)，重叠与光学图像无关的旋转角度分布φ2(x，y)(第2相位分布)的方式。在这种情况下，相位调制层15a的旋转角度分布φ(x，y)表示为

φ(x，y)＝φ1(x，y)+φ2(x，y)

φ1(x，y)相当于如上述那样对光学图像进行了傅立叶逆变换时的复振幅的相位。此外，φ2(x，y)是用于加上满足上述式(21)的衍射矢量v的旋转角度分布。图18是概念性地表示旋转角度分布φ2(x，y)的一个例子的图。如图18所示，在该例子中，第一相位值φa和与第1相位值φa不同的值的第2相位值φb呈两色相间方格图案排列。即，第1相位值φa和不同的值的第2相位值φb分别沿着正交的2个方向交替地排列。在一个例子中，相位值φa为0(rad)，相位值φb为π(rad)。即，第1相位值φa与第2相位值φb逐次变化π。通过这样的相位值的排列，能够适当地实现沿着γ-m1轴或γ-m2轴的衍射矢量v。在第1相位值φa与第2相位值φb如上述那样呈两色相间方格图案排列的情况下，如v＝(±π/a，±π/a)那样，该衍射矢量v与图15的波数矢量k6～k9正好相抵。此外，通过使相位值φa、φb的排列方向从45°起进行变化，能够将衍射矢量v的朝向向任意的朝向调整。

另外，在上述的结构中，只要是包含活性层12和相位调制层15a的结构，材料类、膜厚、层的结构就能够各种各样地变更。此处，关于自假想的正方晶格起的摄动为0的情况下的所谓的正方晶格光子晶体激光，标度律成立。即，在波长为常数α倍的情况下，能够通过令整个正方晶格结构成为α倍而得到同样的驻波状态。同样，在本实施方式中，也能够根据与波长相应的标度律决定相位调制层15a的结构。因此，还能够通过使用发出蓝色、绿色、红色等的光的活性层12，应用与波长相应的标度律，实现输出可见光的半导体发光元件1a。

制造半导体发光元件1a时，在各化合物半导体层的生长中，应用有机金属気相金属气相生长(mocvd)法或者分子束外延法(mbe)。在使用algaas的半导体发光元件1a的制造中，algaas的生长温度为500℃～850℃，在试验中采用550～700℃。作为生长时的al原料使用tma(三甲基铝)，作为镓原料使用tmg(三甲基镓)和teg(三乙基镓)，作为as原料使用ash3(砷化氢)，作为n型杂质用的原料使用si2h6(乙硅烷)，作为p型杂质用的原料使用dezn(二乙基锌)。在gaas的生长中，使用tmg和砷化氢，不使用tma。ingaas使用tmg、tmi(三甲基铟)和砷化氢制造。绝缘膜的形成通过将其结构物质作为原料对靶进行溅射，或利用pcvd(等离子体cvd)法形成即可。

即，上述的半导体发光元件1a，首先，在作为n型的半导体基板10的gaas基板上，使用mocvd(有机金属気相生长)法依次外延生长作为n型的包覆层11的algaas层、作为活性层12的ingaas/algaas多量子阱结构、作为相位调制层15a的基本层15a的gaas层。

接着，在基本层15a涂布另外的抗蚀剂。在抗蚀剂上利用电子光束描绘装置描绘2维精细图案后，通过对所描绘的抗蚀剂进行显影而抗蚀剂上形成2维精细图案。之后，以抗蚀剂为掩模，通过干蚀刻基本层15a上转印2维精细图案，在基本层15a形成孔(穴)。之后，除去抗蚀剂。另外，也可以在抗蚀剂形成前利用pcvd法在基本层15a上形成sin层或sio2层，在其上形成抗蚀剂掩模。接着，也可以使用反应性离子蚀刻(rie)在sin层或sio2层转印精细图案后，除去抗蚀剂，之后再进行干蚀刻。在这种情况下，能够提高干蚀刻的耐性。以这些孔为不同折射率区域15b，或者在这些孔中，使成为不同折射率区域15b的化合物半导体(algaas)再生长至孔的深度以上。在以孔为不同折射率区域15b的情况下，也可以在孔内封入空气、氮、氢或氩等气体。接着，依次利用mocvd形成作为包覆层13的algaas层、作为接触层14的gaas层，利用蒸镀法或溅射法形成电极16、17。此外，根据需要，利用溅射或pcvd法等形成保护膜18和反射防止膜19。

另外，在将相位调制层15a设置在活性层12与包覆层11之间的情况下，在活性层12的形成前，在包覆层11上形成相位调制层15a即可。

对由以上说明的、本实施方式的半导体发光元件1a得到的效果进行说明。在该半导体发光元件1a中，多个不同折射率区域15b的各重心g离开假想的正方晶格的对应的晶格点o而配置，并且在该晶格点o周围具有与光学图像对应的旋转角度。根据这样的结构，作为s-ipm激光，能够沿着半导体基板10的主面10a的法线方向(z轴方向)、或与该法线方向交叉的倾斜方向、或其双方输出用于形成任意形状的光学图像的光。此外，在该半导体发光元件1a中，假想的正方晶格的晶格间隔a和活性层12的发光波长λ满足m点振荡的条件。通常，在m点振荡的驻波状态下在相位调制层15a内传播的光会全反射，信号光(1次光和-1次光)与0次光双方的输出被抑制。但是，在本实施方式的半导体发光元件1a中，形成在相位调制层15a的倒易晶格空间的面内波数矢量、即分别包含基于旋转角度分布φ(x，y)的波数扩展δk的4个方向的面内波数矢量k6～k9中的至少1个的大小小于2π/λ(光线ll)。在s-ipm激光中，例如通过对旋转角度分布φ(x，y)下功夫，能够进行这样的面内波数矢量k6～k9的调整。于是，在至少1个面内波数矢量的大小小于2π/λ的情况下，因为其面内波数矢量具有z轴方向的成分，所以结果是信号光的一部分从相位调制层15a输出。但是，0次光依然在与形成m点的驻波的4个波数矢量(±π/a，±π/a)的任一个一致的方向上被关入到面内，因此不从相位调制层15a向光线内输出。即，根据本实施方式的半导体发光元件1a，能够从光线内消除s-ipm激光的输出中包含的0次光，仅向光线内输出信号光。

此外，也可以如本实施方式那样，旋转角度分布φ(x，y)为与光学图像相应的旋转角度分布φ1(x，y)和与光学图像无关的旋转角度分布φ2(x，y)重叠而成。在这种情况下，旋转角度分布φ2(x，y)也可以是用于在相位调制层15a的倒易晶格空间上，相对于基于旋转角度分布φ1(x，y)的4个方向的面内波数矢量k6～k9加上具有某一定的大小和朝向的衍射矢量v的旋转角度分布。于是，在4个方向的面内波数矢量k6～k9加上衍射矢量v的结果是4个方向的面内波数矢量k6～k9中至少1个的大小也可以小于2π/λ。由此，能够容易地实现在倒易晶格空间中分别包含基于旋转角度分布φ(x，y)的波数扩展δkx、δky的4个方向的面内波数矢量k6～k9中至少1个的大小小于2π/λ(光线)的结构。

此外，如本实施方式那样，旋转角度分布φ2(x，y)也可以是值相互不同的相位值φa、φb呈两色相间方格图案排列成的图案。通过这样的旋转角度分布φ2(x，y)，能够容易地实现上述的衍射矢量v。

图19是表示相位调制层15a的旋转角度分布φ(x，y)的例子的图。此外，图20是将图19所示的部分s放大表示的图。在图19和图20中，旋转角度的大小以颜色的深浅表示，颜色越深的区域表示旋转角度越大(即相位角越大)。参照图20可知，值相互不同的相位值呈两色相间方格图案排列成的图案重叠。图21表示从具有图19所示的旋转角度分布φ(x，y)的半导体发光元件1a输出的光束图案(光学图像)。此外，图22是图21所示的光束图案的示意图。图21和图22的中心与z轴对应。由图21和图22可知，半导体发光元件1a输出向相对于z轴倾斜的第1方向输出的包含第1光学图像部分lm1的1次光、和向关于z轴与第1方向对称的第2方向输出且包含关于z轴与第1光学图像部分lm1旋转对称的第2光学图像部分lm2的-1次光，但不输出在z轴上行进的0次光。

在本实施方式中，也能够输出包含z轴且相对于z轴对称的图案。由于此时没有0次光，所以在z轴上也不产生图案的强度不均。作为这样的光束图案的设计例，有5×5的多点、网格和1维图案。这些光束图案的示意图和相位分布在图23、图24和图25中表示。这样的光束图案例如能够应用于物体检测或3维测量等，通过使用人眼安全波长等，还能够提供对眼睛安全的光源。

(第1变形例)

在上述的实施方式中，基于光学图像的角度扩展的波数扩展包含于以波数空间的某个点为中心的半径δk的圆的情况下，也能够如以下那样考量。通过在4个方向的面内波数矢量k6～k9加上衍射矢量v，使4个方向的面内波数矢量k6～k9中至少1个的大小小于2π/λ(光线ll)。这也可以认为是通过对从4个方向的面内波数矢量k6～k9除去波数扩展δk后的面内波数矢量(即m点振荡的正方晶格pcsel中的4个方向的面内波数矢量，参照图12)加上衍射矢量v，使4个方向的面内波数矢量k6～k9中至少1个的大小小于从2π/λ减去波数扩展δk得到的值{(2π/λ)-δk}。

图26是概念性地表示上述的操作的图。如该图所示，通过对除去波数扩展δk后的面内波数矢量k6～k9加上衍射矢量v，使面内波数矢量k6～k9中至少1个的大小小于{(2π/λ)-δk}。在图中，区域ll2是半径为{(2π/λ)-δk}的圆状的区域。另外，在图26中以虚线表示的面内波数矢量k6～k9表示衍射矢量v的加法运算前，以实线表示的面内波数矢量k6～k9表示衍射矢量v的加法运算后。区域ll2对应于从全反射条件减去光束图案的波数扩展δk的效果后的区域，收敛在区域ll2内的大小的波数矢量向面垂直方向(z轴方向)也传播。

在本变形例中，说明用于将面内波数矢量k6～k9中至少1个收敛在区域ll2内的衍射矢量v的大小和朝向。以下的式(22)～(25)分别表示加上衍射矢量v之前的面内波数矢量k6～k9。

[数22]

[数23]

[数24]

[数25]

此处，如上述的式(16)那样表示衍射矢量v时，加上衍射矢量v后的面内波数矢量k6～k9成为以下的式(26)～(29)。

[数26]

[数27]

[数28]

[数29]

在上述式(26)～(29)中，如果考虑面内波数矢量k6～k9的任一个收敛在区域ll2内，则以下的式(30)的关系成立。

[数30]

即，通过加上满足上述式(30)的衍射矢量v，除去波数扩展δk后的面内波数矢量k6～k9的任一个收敛在区域ll2内。在这样的情况下，也能够在不输出0次光的状态下输出1次光和1次光的一部分。

(第2变形例)

图27是上述实施方式的第2变形例的相位调制层15b的俯视图。此外，图28是表示相位调制层15b的不同折射率区域15b的位置关系的图。如图27和图28所示，本变形例的各不同折射率区域15b的重心g配置在直线d上。直线d是通过单位结构区域r(x，y)的对应的晶格点o(x，y)且相对于正方晶格的各边倾斜的直线。另外，各单位结构区域r如图28所示是由与x轴平行的s轴和与y轴平行的t轴规定的区域。换言之，设定在各单位结构区域r的直线d是相对于x轴和y轴的双方倾斜的直线。直线d相对于正方晶格的一个边(x轴)的倾斜角是θ。倾斜角θ在相位调制层15b内为一定。倾斜角θ满足0°＜θ＜90°，在一个例子中θ＝45°。或者，倾斜角θ满足180°＜θ＜270°，在一个例子中θ＝225°。在倾斜角θ满足0°＜θ＜90°或180°＜θ＜270°的情况下，直线d遍及由x轴和y轴规定的坐标平面的第1象限至第3象限而延伸。或者，倾斜角θ满足90°＜θ＜180°，在一个例子中θ＝135°。或者，倾斜角θ满足270°＜θ＜360°，在一个例子中θ＝315°。在倾斜角θ满足90°＜θ＜180°或270°＜θ＜360°的情况下，直线d遍及由x轴和y轴规定的坐标平面的第2象限至第4象限而延伸。这样，倾斜角θ是除0°、90°、180°和270°以外的角度。此处，令晶格点o(x，y)与重心g的距离为r(x，y)。x表示x轴的第x个晶格点的位置，y表示y轴的第y个晶格点的位置。在距离r(x，y)为正的值的情况下，重心g位于第1象限(或第2象限)。在距离r(x，y)为负的值的情况下，重心g位于第3象限(或第4象限)。在距离r(x，y)为0的情况下，晶格点o与重心g相互一致。倾斜角度优选为45°、135°、225°、275°，在这些角度，仅对形成m点的驻波的4个波数矢量(例如，面内波数矢量(±π/a，±π/a))中的2波数矢量进行相位调制，对其它2个不进行相位调制，因此能够形成稳定的驻波。另外，倾斜角θ能够在各单位结构区域r(x，y)取相同角度。

图27所示的、各不同折射率区域15b的重心g与各单位结构区域r的对应的晶格点o的距离r(x，y)根据与所期望的光学图像相应的相位图案按每个不同折射率区域15b个别地设定。相位图案即距离r(x，y)的分布在由x，y的值决定的每个位置具有特定的值，但并不一定限于以特定的函数表示。距离r(x，y)的分布由对所期望的光学图像进行傅立叶逆变换而得到的复振幅分布中提取了相位分布的复振幅分布决定。即，在图28所示的单位结构区域r(x，y)，相位p(x，y)为p0的情况下距离r(x，y)设定为0。在相位p(x，y)为π+p0的情况下距离r(x，y)设定为最大值r0。在相位p(x，y)为-π+p0的情况下距离r(x，y)设定为最小值-r0。于是，以相对于其中间的相位p(x，y)成为r(x，y)＝{p(x，y)-p0}×r0/π的方式设定距离r(x，y)。另外，相位p(x，y)的范围以成为π+p0到-π+p0的中间的值的方式设定。此处，初始相位p0能够任意地设定。当令假想的正方晶格的晶格间隔为a时，r(x，y)的最大值r0例如在由以下的式(31)表示的范围内。

[数31]

另外，在从所期望的光学图像求取复振幅分布时，通过应用在全息图生成的计算时普遍使用的gerchberg-saxton(gs)法那样的重复算法，提高光束图案的再现性。

在本变形例中，能够通过决定相位调制层15b的不同折射率区域15b的距离r(x，y)的分布，得到所期望的光学图像。在与上述实施方式相同的第1～第四前提条件下，相位调制层15b以满足以下的条件的方式构成。即，以晶格点o(x，y)到对应的不同折射率区域15b的重心g的距离r(x，y)满足

r(x，y)＝c×(p(x，y)-p0)

c：为比例常数，例如r0/π

p0：为任意的常数，例如0

的关系的方式，在单位结构区域r(x，y)内配置该对应的不同折射率区域15b。即，距离r(x，y)在单位结构区域r(x，y)中，相位p(x，y)为p0的情况下设定为0，相位p(x，y)为π+p0的情况下设定为最大值r0，相位p(x，y)为-π+p0的情况下设定为最小值-r0。另外，相位p(x，y)的范围以成为π+p0到-π+p0的中间的值的方式设定。在想要得到所期望的光学图像的情况下，对该光学图像进行傅立叶逆变换，将与其复振幅的相位p(x，y)相应的距离r(x，y)的分布赋予多个不同折射率区域15b即可。相位p(x，y)与距离r(x，y)也可以相互成比例。

与上述实施方式相同，作为从通过傅立叶逆变换得到的复振幅分布得到强度分布和相位分布的方法，例如对于强度分布i(x，y)，能够通过使用mathworks公司的数值解析软件“matlab”的abs函数计算，对于相位分布p(x，y)，能够通过使用matlab的angle函数计算。另外，在从光学图像的傅立叶逆变换结果求取相位分布p(x，y)，决定各不同折射率区域15b的距离r(x，y)时，使用广义的离散傅立叶变换(或者快速傅立叶变换)进行计算的情况下的留意点与上述的实施方式相同。

在本变形例中，也与上述的实施方式相同，假想的正方晶格的晶格间隔a和活性层12的发光波长λ满足m点振荡的条件。再有，当在相位调制层15b考虑倒易晶格空间时，分别包含基于距离r(x，y)的分布的波数扩展的4个方向的面内波数矢量中至少1个的大小小于2π/λ(光线)。

详细而言，在本变形例中，通过在m点振荡的s-ipm激光中对相位调制层15b施以以下那样的功夫，在不向光线内输出0次光的状态下输出1次光和-1次光的一部分。具体而言，如图16所示，通过对面内波数矢量k6～k9加上具有某一定的大小和朝向的衍射矢量v，使面内波数矢量k6～k9中的至少1个的大小小于2π/λ。换言之，加上衍射矢量v后的面内波数矢量k6～k9中的至少1个收敛在半径2π/λ的圆状区域(光线)ll内。即，通过加上满足上述的式(21)的衍射矢量v，面内波数矢量k6～k9的任一个收敛在光线ll内，输出1次光和-1次光的一部分。

或者，也可以如上述的第1变形例的图26所示，通过对从4个方向的面内波数矢量k6～k9除去波数扩展ak后的面内波数矢量(即m点振荡的正方晶格pcsel的4个方向的面内波数矢量，参照图12)加上衍射矢量v，使4个方向的面内波数矢量k6～k9中至少1个的大小小于从2π/λ减去波数扩展δk得到的值{(2π/λ)-δk}。即，通过加上满足上述的式(30)的衍射矢量v，面内波数矢量k6～k9的任一个收敛在光线ll内，输出1次光和-1次光的一部分。

作为在面内波数矢量k6～k9加上衍射矢量v的具体的方式的一个例子，考虑相对于作为与光学图像相应的相位分布的距离分布r1(x，y)(第一相位分布)，重叠与光学图像无关的距离分布r2(x，y)(第二相位分布)的方式。在这种情况下，相位调制层15b的距离分布r(x，y)作为

r(x，y)＝r1(x，y)+r2(x，y)

表示。r1(x，y)如上述那样相当于对光学图像进行了傅立叶逆变换时的复振幅的相位。此外，r2(x，y)是用于加上满足上述式(30)的衍射矢量v的距离分布。另外，距离分布r2(x，y)的具体例与图18相同。另外，在距离分布r(x，y)超过-r0到r0的范围的情况下，以成为该范围内的值的方式加减2r0而换算即可。

在本变形例中，在通过假想的正方晶格的晶格点o并相对于该正方晶格倾斜的直线d上，配置各不同折射率区域15b的重心g。于是，各不同折射率区域15b的重心g与对应的晶格点o的距离r(x，y)根据光学图像个别地设定。根据这样的结构，与各不同折射率区域15b的重心g在各晶格点o周围具有与光学图像相应的旋转角度的上述实施方式相同，作为s-ipm激光，能够向z轴方向、或相对于z轴方向倾斜的方向、或其双方输出任意形状的光学图像。此外，在本变形例中也是假想的正方晶格的晶格间隔a和活性层12的发光波长λ满足m点振荡的条件，并且在相位调制层15b的倒易晶格空间上，根据距离r(x，y)的分布对形成驻波的平面波进行相位调制，分别包含基于光学图像的角度扩展的波数扩展δk的4个方向的面内波数矢量k6～k9中至少1个的大小小于2π/λ(光线)。或者，通过对从4个方向的面内波数矢量k6～k9除去波数扩展δk后的面内波数矢量加上衍射矢量v，至少1个面内波数矢量的大小小于从2π/λ减去波数扩展δk而得到的值{(2π/λ)-δk}。因此，能够从光线内去除s-ipm激光的输出中包含的0次光，仅输出信号光。

(第3变形例)

图29和图30是表示不同折射率区域15b的x-y平面内的形状的例的俯视图。在上述实施方式和各变形例中表示了x-y平面内的不同折射率区域15b的形状为圆形的例子。但是，不同折射率区域15b也可以具有圆形以外的形状。例如，x-y平面内的不同折射率区域15b的形状也可以具有镜像对称性(线对称性)。此处，镜像对称性(线对称性)是指，夹沿着x-y平面的某个直线，位于该直线的一侧的不同折射率区域15b的平面形状与位于该直线的另一侧的不同折射率区域15b的平面形状相互能够成为镜像对称(线对称)。作为具有镜像对称性(线对称性)的形状，例如能够列举图29(a)所示的正圆、图29(b)所示的正方形、图29(c)所示的正六角形、图29(d)所示的正八角形、图29(e)所示的正16角形、图29(f)所示的长方形和图29(g)所示的椭圆等。这样，x-y平面内的不同折射率区域15b的形状具有镜像对称性(线对称性)。在这种情况下，在相位调制层的假想的正方晶格的各个单位结构区域r，由于是简单的形状，所以能够从晶格点o高精度地确定对应的不同折射率区域15b的重心g的方向和位置，因此能够进行高的精度的图案形成。

此外，x-y平面内的不同折射率区域15b的形状也可以为不具有180°的旋转对称性的形状。作为这样的形状，例如能够列举图30(a)所示的正三角形，图30(b)所示的直角等腰三角形，图30(c)所示的2个圆或椭圆的一部分重叠的形状，图30(d)所示的以椭圆的沿着长轴的一个端部附近的短轴方向的尺寸比另一个端部附近的短轴方向的尺寸小的方式变形的形状(卵形)，图30(e)所示的将椭圆的沿着长轴的一个端部变形为沿着长轴方向突出的尖的端部的形状(泪滴形)，图30(f)所示的等腰三角形，图30(g)所示的矩形的一个边呈三角形状凹陷、其相对的一个边呈三角形状尖出的形状(箭头形)，图30(h)所示的梯形，图30(i)所示的5角形，图30(j)所示的2个矩形的一部分彼此重叠的形状和图30(k)所示的2个矩形的一部分彼此重叠且不具有镜像对称性的形状等。这样，通过x-y平面内的不同折射率区域15b的形状不具有180°的旋转对称性，由此能够得到更高的光输出。

图31和图32是表示x-y平面内的不同折射率区域的形状的另一个例子的俯视图。在该例子中，进一步设置与多个不同折射率区域15b不同的多个不同折射率区域15c。各不同折射率区域15c由折射率与基本层15a的第1折射率介质不同的第2折射率介质构成。不同折射率区域15c与不同折射率区域15b相同，既可以是空穴，也可以在空穴埋入化合物半导体而构成。不同折射率区域15c与不同折射率区域15b分别一对一对应地设置。于是，将不同折射率区域15b和15c合起来的重心g位于横截构成假想的正方晶格的单位结构区域r的晶格点o的直线d上。另外，任意的不同折射率区域15b、15c均包含在构成假想的正方晶格的单位结构区域r的范围内。单位结构区域r成为由将假想的正方晶格的晶格点间2等分的直线包围的区域。

不同折射率区域15c的平面形状例如为圆形，但与不同折射率区域15b相同，能够具有各种各样的形状。在图31(a)～图31(k)表示不同折射率区域15b、15c的x-y平面内的形状和相对关系的例子。图31(a)和图31(b)表示不同折射率区域15b、15c具有相同形状的图形的方式。图31(c)和图31(d)表示具有不同折射率区域15b、15c具有相同形状的图形，彼此的一部分彼此重叠的方式。图31(e)表示不同折射率区域15b、15c具有相同形状的图形，进行了旋转的方式。图31(f)表示不同折射率区域15b、15c具有相互不同的形状的图形的方式。图31(g)表示不同折射率区域15b、15c具有相互不同的形状的图形，不同折射率区域15b、15c相分离的方式。

此外，如图31(h)～图31(k)所示，不同折射率区域15b也可以包含相互分离的2个区域15b1、15b2地构成。此时，认为将区域15b1、15b2合起来的重心相当于单一的不同折射率区域15b的重心。此外，在这种情况下，也可以如图31(h)和图31(k)所示，区域15b1、15b2和不同折射率区域15c具有彼此相同的形状的图形。或者，也可以如图31(i)和图31(j)所示，区域15b1、15b2和不同折射率区域15c中2个图形与其它图形不同。

不同折射率区域的x-y平面内的形状也可以在各晶格点间彼此相同。即，也可以不同折射率区域在所有晶格点具有相同的图形，通过平移操作，或平移操作和旋转操作，在晶格点间相互重叠。在这种情况下，能够抑制起因于形状的参差不齐的相位角的参差不齐，能够高精度地出射光束图案。或者，不同折射率区域的x-y平面内的形状也可以在晶格点间不必相同，例如也可以如图32所示，在相邻的晶格点间形状彼此不同。

(第4变形例)

图33是表示第4变形例的发光装置1b的结构的图。该发光装置1b包括支承基板6、在支承基板6上呈一维或二维状排列的多个半导体发光元件1a和对多个半导体发光元件1a个别地驱动的驱动电路4。各半导体发光元件1a的结构与上述实施方式相同。但是，在多个半导体发光元件1a，也可以包括输出红色波长区域的光学图像的激光元件、输出蓝色波长区域的光学图像的激光元件和输出绿色波长区域的光学图像的激光元件。输出红色波长区域的光学图像的激光元件例如由gaas类半导体构成。输出蓝色波长区域的光学图像的激光元件和输出绿色波长区域的光学图像的激光元件例如由氮化物类半导体构成。驱动电路4设置在支承基板6的背面或内部，个别地驱动各半导体发光元件1a。驱动电路4根据来自控制电路7的指示，向各个半导体发光元件1a供给驱动电流。

如本变形例那样，通过设置被个别地驱动的多个半导体发光元件1a，从各半导体发光元件1a取出所期望的光学图像，能够对预先排列了与多个图案对应的半导体发光元件的模块，通过适当地驱动所需的元件恰当地实现平视显示器等。此外，通过在多个半导体发光元件1a包含输出红色波长区域的光学图像的激光元件、蓝输出色波长区域的光学图像的激光元件和输出绿色波长区域的光学图像的激光元件，能够恰当地实现彩色平视显示器等。

本发明的发光装置并不限定于上述的实施方式，能够进行其它各种各样的变形。例如，在上述实施方式中例示了由gaas类，inp类和氮化物类(特别是gan类)的化合物半导体构成的激光元件，本发明也能够应用于由它们以外的各种各样的半导体材料构成的激光元件。

此外，在上述实施方式中说明了以设置在与相位调制层共同的半导体基板上的活性层为发光部的例子，但在本发明中，发光部也可以与半导体基板分离地设置。只要是发光部与相位调制层光学耦合，向相位调制层供给光的结构，这样的结构也能够恰当地获得与上述实施方式相同的效果。

符号的说明

1a…半导体发光元件(发光装置)、1b…发光装置、4…驱动电路、6…支承基板、7…控制电路、10…半导体基板、10a…主面、10b…背面、11、13…包覆层、12…活性层、14…接触层、15a、15b…相位调制层、15a…基本层、15b、15c…不同折射率区域、16、17…电极、17a…开口、18…保护膜、19…反射防止膜、b1…基本倒易晶格矢量、fr…图像区域、g…重心、k1～k9…面内波数矢量、ka…波数矢量、kb…面内波数矢量、ll…光线、ll2…圆状区域、lm1、lm2…光学图像部分、o…晶格点、p…倒易晶格点、r…单位结构区域、rin…内侧区域、rout…外侧区域、v…衍射矢量、φa、φb…相位值。