量子级联激光器

(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号CN112787219A(43)申请公布日2021.05.11(21)申请号202011209595.3(22)申请日2020.11.03(30)优先权数据2019-2006332019.11.05JP(71)申请人住友电气工业株式会社地址日本大阪府大阪市(72)发明人吉永弘幸　桥本顺一　古川将人　(74)专利代理机构中原信达知识产权代理有限责任公司11219代理人季莹　方应星(51)Int.Cl.H01S5/34(2006.01)H01S5/20(2006.01)H01S5/02253(2021.01)权利要求书1页说明书11页附图13页(54)发明名称量子级联激光器(57)摘要本发明提供一种量子级联激光器，其具备：激光器结构体，具有在第1方向上射出激光的出射面；以及透镜，具有接受来自所述出射面的所述激光的入射面以及射出会聚后的所述激光的凸状面，所述激光器结构体具备半导体基板以及台面型波导，所述台面型波导设置于所述半导体基板的主面的第1区域上，并在所述第1方向上延伸，所述透镜包括半导体，并设置于所述半导体基板的所述主面的第2区域上，所述第1区域和所述第2区域在所述第1方向上排列。CN112787219ACN112787219A权　利　要　求　书1/1页1.一种量子级联激光器，其中，具备：激光器结构体，具有在第1方向上射出激光的出射面；以及透镜，具有接受来自所述出射面的所述激光的入射面以及射出会聚后的所述激光的凸状面，所述激光器结构体具备半导体基板以及台面型波导，所述台面型波导设置于所述半导体基板的主面的第1区域上，并在所述第1方向上延伸，所述透镜包括半导体，并设置于所述半导体基板的所述主面的第2区域上，所述第1区域和所述第2区域在所述第1方向上排列。2.根据权利要求1所述的量子级联激光器，其中，所述透镜是平凸透镜，从与所述半导体基板的所述主面交叉的第2方向观察时，所述凸状面呈凸状地弯曲。3.根据权利要求1或2所述的量子级联激光器，其中，所述量子级联激光器还具备设置于所述出射面上的反射膜，所述反射膜具有使所述激光透过的狭缝。4.根据权利要求3所述的量子级联激光器，其中，所述狭缝的宽度是1μm以上且5μm以下。5.根据权利要求1至4中的任一项所述的量子级联激光器，其中，所述激光器结构体还具备将所述台面型波导的侧面埋入的电流块区域，所述电流块区域包括无掺杂或者半绝缘性的半导体，所述透镜具备在所述第1方向上延伸的半导体台面以及将所述半导体台面的侧面埋入的半导体埋入区域，所述半导体埋入区域包括无掺杂或者半绝缘性的半导体。6.根据权利要求1至5中的任一项所述的量子级联激光器，其中，所述台面型波导的宽度是2μm以上且5μm以下。7.根据权利要求1至6中的任一项所述的量子级联激光器，其中，在所述入射面与所述出射面之间设置有空间。8.根据权利要求7所述的量子级联激光器，其中，所述入射面与所述出射面之间的距离是5μm以上。2CN112787219A说　明　书1/11页量子级联激光器技术领域[0001]本公开涉及量子级联激光器。背景技术[0002]非专利文献1公开了一种量子级联激光器。[0003]非专利文献1：Qi Jie Wang et al.,"Highperformance quantum cascade lasers based on three‑phononresonance design",APPLIED PHYSICS LETTERS,vol.94,011103(2009)[0004]从量子级联激光器的出射面射出的激光具有一定程度的发散角，所以，有时发生扩散。在该情况下，例如接受激光的受光装置与量子级联激光器之间的光学耦合有可能变得不充分。发明[0005]本公开提供一种能够抑制所射出的激光的扩散的量子级联激光器。[0006]本公开的一个方面的量子级联激光器具备：激光器结构体，具有在第1方向上射出激光的出射面；以及透镜，具有接受来自所述出射面的所述激光的入射面以及射出会聚后的所述激光的凸状面，所述激光器结构体具备半导体基板以及台面型波导，所述台面型波导设置于所述半导体基板的主面的第1区域上，并在所述第1方向上延伸，所述透镜包括半导体，并设置于所述半导体基板的所述主面的第2区域上，所述第1区域和所述第2区域在所述第1方向上排列。[0007]发明效果[0008]根据本公开，能够提供一种能够抑制所射出的激光的扩散的量子级联激光器。附图说明[0009]图1是示意性地示出一个实施方式的量子级联激光器的立体图。[0010]图2是示意性地示出一个实施方式的量子级联激光器的俯视图。[0011]图3是沿着图2的III‑III线的剖视图。[0012]图4的(a)是沿着图2的IVa‑IVa线的剖视图，图4的(b)是沿着图2的IVb‑IVb线的剖视图。[0013]图5是示意性地示出一个实施方式的量子级联激光器的出射面的主视图。[0014]图6的(a)和(b)是示出平凸透镜的曲率与由平凸透镜会聚后的激光的远场图像中的半极大处全宽度之间的关系的例子的图。[0015]图7是示出出射面处的狭缝的宽度与有效反射率之间的关系的例子的图表。[0016]图8是示出狭缝的宽度与阈值电流之间的关系的例子的图表。[0017]图9是示出使狭缝的宽度变化的情况下的电流与光输出之间的关系的例子的图表。3CN112787219A说　明　书2/11页[0018]图10是示出使狭缝的宽度和氧化铝膜厚度变化的情况下的电流与光输出之间的关系的例子的图表。[0019]图11的(a)至(e)是示出一个实施方式的量子级联激光器的制造方法中的各工序的图。[0020]图12是示出图11的(e)的工序的俯视图。[0021]图13是示出一个实施方式的量子级联激光器的制造方法中的一个工序的俯视图。[0022]图14是示出一个实施方式的量子级联激光器的制造方法中的一个工序的俯视图。具体实施方式[0023][本公开的实施方式的说明][0024]一个实施方式的量子级联激光器具备：激光器结构体，具有在第1方向上射出激光的出射面；以及透镜，具有接受来自所述出射面的所述激光的入射面以及射出会聚后的所述激光的凸状面，所述激光器结构体具备半导体基板以及台面型波导，所述台面型波导设置于所述半导体基板的主面的第1区域上，并在所述第1方向上延伸，所述透镜包括半导体，并设置于所述半导体基板的所述主面的第2区域上，所述第1区域和所述第2区域在所述第1方向上排列。[0025]根据上述量子级联激光器，从激光器结构体的出射面射出的激光入射到透镜的入射面，从透镜的凸状面射出会聚后的激光。由此，即使从激光器结构体的出射面射出的激光发生扩散，也能够由透镜会聚激光。因此，能够抑制从量子级联激光器射出的激光的扩散。另外，台面型波导和透镜均设置于半导体基板的主面上。因此，在半导体基板的主面上，能够通过例如光刻和蚀刻等而一起形成台面型波导与透镜。因此，能够使透镜相对于台面型波导高精度地定位。[0026]也可以是，所述透镜是平凸透镜，从与所述半导体基板的所述主面交叉的第2方向观察时，所述凸状面呈凸状地弯曲。在该情况下，能够会聚在沿着半导体基板的主面的面处发生了扩展的激光。[0027]也可以是，所述量子级联激光器还具备设置于所述出射面上的反射膜，所述反射膜具有使所述激光透过的狭缝。在该情况下，由于狭缝，激光容易扩散。即使在这样的情况下，也能够由透镜会聚激光。[0028]也可以是，所述激光器结构体还具备将所述台面型波导的侧面埋入的电流块区域，所述电流块区域包括无掺杂或者半绝缘性的半导体，所述透镜具备在所述第1方向上延伸的半导体台面以及将所述半导体台面的侧面埋入的半导体埋入区域，所述半导体埋入区域包括无掺杂或者半绝缘性的半导体。在该情况下，通过例如光刻和蚀刻等，能够一起形成台面型波导与半导体台面，能够一起形成电流块区域与半导体埋入区域。因此，能够使半导体台面相对于台面型波导高精度地定位，能够使半导体埋入区域相对于电流块区域高精度地定位。[0029][本公开的实施方式的详细内容][0030]下面，参照附图，详细说明本公开的实施方式。在附图的说明中，对相同或者等同的要素使用相同标号，省略重复的说明。[0031]图1是示意性地示出一个实施方式的量子级联激光器的立体图。图2是示意性地示4CN112787219A说　明　书3/11页出一个实施方式的量子级联激光器的俯视图。图3是沿着图2的III‑III线的剖视图。图4的(a)是沿着图2的IVa‑IVa线的剖视图，图4的(b)是沿着图2的IVb‑IVb线的剖视图。图5是示意性地示出一个实施方式的量子级联激光器的出射面的主视图。在图1至图5中，示出相互交叉的X轴方向、Y轴方向(第1方向)和Z轴方向(第2方向)。X轴方向、Y轴方向和Z轴方向例如相互正交。[0032]图1至图5所示的量子级联激光器1例如用于工业用激光器加工装置或者环境分析、工业气体分析、医疗诊断等中的光计测装置。量子级联激光器1具备激光器结构体10和透镜60。激光器结构体10是能够使激光L在Y轴方向上振荡的谐振器。激光器结构体10具有在Y轴方向上射出激光L的出射面10a以及在Y轴方向上与出射面10a相反的一侧的反射面10b。出射面10a是前端面。反射面10b是后端面。出射面10a和反射面10b分别也可以与Y轴方向正交。出射面10a和反射面10b分别具有例如矩形形状。[0033]激光器结构体10具有拥有出射面10a和反射面10b的主体10c、从出射面10a的下端在Y轴方向上突出的第1突出部10d以及从反射面10b的下端在Y轴方向上突出的第2突出部10e。在Y轴方向上，主体10c配置于第1突出部10d与第2突出部10e之间。主体10c例如是长方体。第1突出部10d和第2突出部10e分别是在X轴方向和Y轴方向上延伸的板状。激光器结构体10的主体10c在Y轴方向上具有例如1mm以上且3mm以下的长度L1，在X轴方向上具有例如400μm以上且800μm以下的宽度W1，在Z轴方向上具有例如100μm以上且200μm以下的厚度H1。[0034]激光器结构体10具备半导体基板12。半导体基板12的主面12s在X轴方向和Y轴方向上扩展。半导体基板12的主面12s具备第1区域12s1、第2区域12s2和第3区域12s3。第1区域12s1、第2区域12s2和第3区域12s3在Y轴方向上排列。第1区域12s1配置于第2区域12s2与第3区域12s3之间。[0035]激光器结构体10具备设置于半导体基板12的主面12s的第1区域12s1上的台面型波导14以及将台面型波导14的侧面14s埋入的电流块区域16。台面型波导14在Y轴方向上延伸。在X轴方向上，台面型波导14配置于一对电流块区域16之间。在该情况下，激光器结构体10具有掩埋异质结(BH)结构。电流块区域16包括例如掺杂有Fe的InP等无掺杂或者半绝缘性的半导体。半导体例如是III‑V族化合物半导体。半导体基板12中的位于第1区域12s1的部分、台面型波导14和电流块区域16构成主体10c。半导体基板12中的位于第2区域12s2的部分构成第1突出部10d。半导体基板12中的位于第3区域12s3的部分构成第2突出部10e。[0036]半导体基板12例如是n型InP基板等n型III‑V族化合物半导体基板。半导体基板12具有在Y轴方向上延伸的凸部12a。台面型波导14设置于凸部12a上。[0037]台面型波导14在Y轴方向上延伸，并且在Z轴方向上突出。Y轴方向是台面型波导14的波导方向。台面型波导14具有从主面12s起的高度HM。台面型波导14的高度HM例如是10μm。台面型波导14是包括在Z轴方向上层叠的多个半导体层的层叠体。台面型波导14具备设置于半导体基板12的凸部12a上的下部包层14a、设置于下部包层14a上的芯层14b、设置于芯层14b上的衍射光栅层14c、设置于衍射光栅层14c上的上部包层14d以及设置于上部包层14d上的接触层14e。在Z轴方向上，凸部12a、下部包层14a、芯层14b、衍射光栅层14c、上部包层14d和接触层14e依次排列。[0038]上部电极40设置于接触层14e和电流块区域16上。下部电极50设置于半导体基板12的背面(与主面12s相反的一侧的面)。在量子级联激光器1进行动作时，上部电极40和下5CN112787219A说　明　书4/11页部电极50中的一方作为阴极电极而发挥作用，另一方作为阳极电极而发挥作用。通过对上部电极40与下部电极50之间施加的电压，从而对芯层14b注入电流。其结果是，使激光L振荡。上部电极40和下部电极50例如是Ti/Au膜、Ti/Pt/Au膜或者Ge/Au膜等。[0039]下部包层14a和上部包层14d例如是n型InP层等n型III‑V族化合物半导体层。InP对于中红外线透明。[0040]芯层14b具有多个活性层和多个注入层交替地层叠而成的结构。活性层和注入层分别具有多个阱层与多个阻挡层交替地层叠而成的超光栅列。阱层和阻挡层分别具有几nm的厚度。作为超光栅列，例如能够使用GaInAs/AlInAs等。作为载流子，仅使用电子。通过导带次能带间跃迁，使中红外区域(例如，波长7μm)的激光L振荡。[0041]衍射光栅层14c具有在Y轴方向上以间距Λ周期性地排列的多个凹部14c1。间距Λ规定激光L的振荡波长λ。各凹部14c1是在X轴方向上延伸的槽。由此，量子级联激光器1作为分布反馈型(DFB：Distributed Feedback)的激光器而发挥功能。衍射光栅层14c的凹部14c1被上部包层14d埋入。衍射光栅层14c例如是无掺杂或者n型的GaInAs层等III‑V族化合物半导体层。[0042]接触层14e例如是n型GaInAs层等n型III‑V族化合物半导体层。[0043]也可以将光束缚层设置于下部包层14a与芯层14b之间。也可以将光束缚层设置于衍射光栅层14c与芯层14b之间。光束缚层例如是无掺杂或者n型的GaInAs层等n型III‑V族化合物半导体层。[0044]作为n型的掺杂物，例如能够使用Si、S、Sn、Se等。[0045]量子级联激光器1具备反射膜20和反射膜30。反射膜20隔着保护膜22设置于出射面10a上。保护膜22例如覆盖出射面10a的整个面。Y轴方向上的保护膜22的第1端部也可以在激光器结构体10的主体10c的上表面处在Y轴方向上延伸。保护膜22的第1端部也可以到达上部电极40。Y轴方向上的保护膜22的第2端部也可以在激光器结构体10的第1突出部10d的上表面处在Y轴方向上延伸。Y轴方向上的反射膜20的第1端部也可以在保护膜22的第1端部上在Y轴方向上延伸。在反射膜20的第1端部与上部电极40之间形成空隙SP1。空隙SP1使上部电极40与反射膜20电分离。通过空隙SP1，在将高的电压(例如10V以上)施加到上部电极40时，能够避免在上部电极40与反射膜20之间发生电短路。Y轴方向上的反射膜20的第2端部也可以在激光器结构体10的第1突出部10d的上表面处在Y轴方向上延伸。[0046]反射膜30隔着保护膜32设置于反射面10b上。保护膜32和反射膜30例如覆盖反射面10b的整个面。Y轴方向上的保护膜32的第1端部也可以在激光器结构体10的主体10c的上表面处在Y轴方向上延伸。保护膜32的第1端部也可以到达上部电极40。Y轴方向上的保护膜32的第2端部也可以在激光器结构体10的第2突出部10e的上表面处在Y轴方向上延伸。Y轴方向上的反射膜30的第1端部也可以在保护膜32的第1端部上在Y轴方向上延伸。在反射膜30的第1端部与上部电极40之间形成空隙SP2。空隙SP2使上部电极40与反射膜30电分离。通过空隙SP2，在将高的电压(例如，10V以上)施加到上部电极40时，能够避免在上部电极40与反射膜30之间发生电短路。Y轴方向上的反射膜30的第2端部也可以在激光器结构体10的第2突出部10e的上表面处在Y轴方向上延伸。[0047]保护膜22和保护膜32例如是氧化铝膜、SiO2膜、SiON膜、SiN膜等电介体膜或者绝缘膜。6CN112787219A说　明　书5/11页[0048]反射膜20和反射膜30例如包括金。反射膜20和反射膜30分别是例如Ti/Au膜、Ti/Pt/Au膜或者Ge/Au膜。反射膜20和反射膜30的厚度既可以是10nm以上，也可以是50nm以上，也可以是100nm以上。反射膜30的厚度也可以是200nm以下。如果将膜厚设为50nm以上，则反射膜的制造的再现性优良。膜厚越厚，则越能够提升反射率，但如果反射膜比200nm厚，则反射率的增加变少。反射膜20和反射膜30针对波长7μm的光的反射率既可以是80％以上，也可以是90％以上。反射率越高，则越能够使阈值电流(激光振荡所需的电流)下降。[0049]如图5所示，出射面10a包括主体10c中的半导体基板12的端面、台面型波导14的端面和电流块区域16的端面。更具体来说，出射面10a包括芯层14b的端面14be。端面14be包括第1区域14be1和与第1区域14be1不同的第2区域14be2。反射膜20覆盖第1区域14be1，且未覆盖第2区域14be2。即，反射膜20局部地覆盖芯层14b的端面14be。在本实施方式中，在X轴方向上，第2区域14be2配置于一对第1区域14be1之间。[0050]反射膜20具有使激光L透过的狭缝20a。狭缝20a设置于第2区域14be2。狭缝20a在Z轴方向上延伸。狭缝20a的宽度WS小于台面型波导14的宽度WM。在该情况下，反射膜20覆盖半导体基板12的端面的一部分、台面型波导14的端面的一部分和电流块区域16的端面。在本实施方式中，保护膜22设置于狭缝20a处的出射面10a上。由此，能够抑制例如由于氧化等而出射面10a的半导体晶体劣化。另外，保护膜22也可以具有与狭缝20a对应的狭缝。在该情况下，在狭缝20a处，半导体基板12的端面的一部分和台面型波导14的端面的一部分向空间露出。由此，出射面10a处的散热性提高，所以，能够改善量子级联激光器1的温度特性。狭缝20a的宽度WS例如是1μm以上且5μm以下。台面型波导14的宽度WM例如是2μm以上且5μm以下。宽度WM是2μm以上的台面型波导14能够具有小的阈值电流。宽度WM是5μm以下的台面型波导14适于单一水平模式振荡。在Z轴方向上，狭缝20a的长度HS大于出射面10a处的激光L的光斑尺寸SP的大小HSP。[0051]在出射面10a中的被反射膜20覆盖的区域(第1区域14be1等)中，针对波长7μm的光的反射率例如是90％以上。另一方面，在出射面10a中的未被反射膜20覆盖的区域(第2区域14be2等)中，针对波长7μm的光的反射率例如是30％以下。出射面10a针对波长7μm的光的有效反射率例如是20％以上且80％以下。通过宽度WS是1μm以上且5μm以下的狭缝20a，能够得到该范围的有效反射率。[0052]出射面10a针对振荡波长的有效反射率Reff(％)如下式(1)表示。[0053]Reff＝100‑Γ×(1‑R/100)…(1)[0054]Γ表示在出射面10a中的未被反射膜20覆盖的区域(狭缝20a的区域)中分布的光强度的百分率(％)。Γ通过光束传播法(BPM：Beam Propagation Method)来计算。R表示在未设置反射膜20的状态下出射面10a针对振荡波长的反射率(％)。例如在Γ是46％、R是24％的情况下，Reff是65％。[0055]透镜60具有接受来自出射面10a的激光L的入射面60a以及射出会聚后的激光L的凸状面60b。透镜60包括半导体，并设置于半导体基板12的主面12s的第2区域12s2上。在透镜60的入射面60a与出射面10a之间设置有空间，但也可以不设置该空间。入射面60a与出射面10a之间的距离例如也可以是5μm以上。在该情况下，能够高精度地形成狭缝20a。透镜60例如是平凸透镜。平凸透镜具有半圆柱形状。入射面60a与Y轴方向例如正交。从与半导体基板12的主面12s交叉的Z轴方向观察时，凸状面60b呈凸状地弯曲。7CN112787219A说　明　书6/11页[0056]透镜60具备设置于第2区域12s2上并在Y轴方向上延伸的半导体台面64以及将半导体台面64的侧面64s埋入的半导体埋入区域66。在X轴方向上，半导体台面64配置于一对半导体埋入区域66之间。半导体台面64和半导体埋入区域66设置于位于第2区域12s2的底座62上。底座62构成透镜60的一部分。底座62包括例如与半导体基板12相同的半导体。在本实施方式中，底座62与半导体基板12一体化。底座62具有凸部62a。半导体台面64设置于凸部62a上。半导体埋入区域66包括例如与电流块区域16相同的无掺杂或者半绝缘性的半导体。从Y轴方向观察时，半导体台面64与台面型波导14重叠，半导体埋入区域66与电流块区域16重叠，底座62的凸部62a与半导体基板12的凸部12a重叠。[0057]半导体台面64具备依次设置于底座62的凸部62a上的半导体层64a、64b、64c、64d、64e。半导体层64a至64e也可以包括与下部包层14a、芯层14b、衍射光栅层14c、上部包层14d和接触层14e分别相同的半导体。从Y轴方向观察时，半导体层64a至64e与下部包层14a、芯层14b、衍射光栅层14c、上部包层14d和接触层14e分别重叠。[0058]根据本实施方式的量子级联激光器1，如图2所示，从激光器结构体10的出射面10a射出的激光L入射到透镜60的入射面60a，从透镜60的凸状面60b射出会聚后的激光L。由此，即使从激光器结构体10的出射面10a射出的激光L扩散，也能够由透镜60会聚激光L。因此，能够抑制从量子级联激光器1射出的激光L的扩散。另外，台面型波导14和透镜60均设置于半导体基板12的主面12s上。因此，在半导体基板12的主面12s上，能够通过例如光刻和蚀刻等而一起形成台面型波导14与透镜60。因此，能够使透镜60相对于台面型波导14高精度地定位。具体来说，能够使台面型波导14的光轴与透镜60的光轴实质上(在制造偏差的范围内)一致。[0059]如果从与半导体基板12的主面12s交叉的Z轴方向观察时，透镜60的凸状面60b呈凸状地弯曲，则能够会聚在沿着半导体基板12的主面12s的面(例如XY平面)处发生了扩展的激光L。[0060]如果设置于出射面10a上的反射膜20具有使激光L透过的狭缝20a，则由于狭缝20a，激光L容易扩散。即使在这样的情况下，也能够由透镜60会聚激光L。例如在狭缝20a在Z轴方向上延伸的情况下，由于狭缝20a，激光L在沿着半导体基板12的主面12s的面(例如XY平面)上容易扩散。即使在这样的情况下，也能够由透镜60会聚发生了扩展的激光L。[0061]另外，在芯层14b的端面14be的第1区域14be1中，激光L的大部分被反射膜20反射。另一方面，在芯层14b的端面14be的第2区域14be2中，激光L的大部分从出射面10a射出。因此，通过调整第1区域14be1与第2区域14be2的面积比，能够控制出射面10a处的激光L的有效反射率Reff。随着第1区域14be1相对于第2区域14be2变小，出射面10a处的激光L的有效反射率变小。相反，随着第1区域14be1相对于第2区域14be2变大，出射面10a处的激光L的有效反射率变大。有效反射率针对波长7μm的光，能够在例如20％以上且80％以下的范围内调整。因此，不需要高精度地控制反射膜20的膜厚。进一步地，还能够将激光L的光输出设为例如10mW以上。[0062]在透镜60具备半导体台面64与半导体埋入区域66的情况下，通过例如光刻和蚀刻等，能够一起形成台面型波导14与半导体台面64，能够一起形成电流块区域16与半导体埋入区域66。因此，能够使半导体台面64相对于台面型波导14高精度地定位，能够使半导体埋入区域66相对于电流块区域16高精度地定位。具体来说，能够使台面型波导14的光轴与透8CN112787219A说　明　书7/11页镜60的光轴实质上(在制造偏差的范围内)一致。[0063]下面，参照图6，说明以具有与量子级联激光器1相同的结构的量子级联激光器为例进行的仿真。将设置于出射面上的反射膜的狭缝的宽度设为2μm，将透镜60的入射面60a与出射面10a之间的距离设为1μm，将激光的波长设为7.365μm。首先，关于第1个量子级联激光器，将平凸透镜的厚度(Y轴方向上的长度)固定于10μm，使XY平面上的平凸透镜的曲率变化，计算出由平凸透镜会聚后的激光的远场图像。接下来，关于第2个量子级联激光器，将平凸透镜的厚度(Y轴方向上的长度)固定于100μm，使XY平面上的平凸透镜的曲率变化，计算出由平凸透镜会聚后的激光的远场图像。在图6的(a)中示出第1个量子级联激光器的结果。在图6的(b)中示出第2个量子级联激光器的结果。横轴表示XY平面上的平凸透镜的曲率(单位：1/mm)。纵轴表示由平凸透镜会聚后的激光的远场图像(FFP)中的半极大处全宽度(FWHM)(单位：度)。[0064]在图6的(a)中，实线C1表示X轴方向上的半极大处全宽度。实线C2表示Z轴方向上的半极大处全宽度。关于实线C1，由于在XY平面上存在平凸透镜的X轴方向的会聚效果，所以，随着曲率从0变大，半极大处全宽度变小，在曲率在110[1/mm]附近到达极小值之后，随着曲率变大，半极大处全宽度变大。另一方面，关于实线C2，由于Z轴方向上的曲率是0，所以，即使曲率变化，半极大处全宽度也不变化。[0065]在图6的(b)中，实线C3表示X轴方向上的半极大处全宽度。实线C4表示Z轴方向上的半极大处全宽度。关于实线C3，由于在XY平面上存在平凸透镜的X轴方向的会聚效果，所以，随着曲率从0变大，半极大处全宽度变小，在曲率在14[1/mm]附近到达极小值之后，随着曲率变大，半极大处全宽度变大。另一方面，关于实线C4，由于Z轴方向上的曲率是0，所以，即使曲率变化，半极大处全宽度也不变化。[0066]在图6的(a)中，在A和B所示的点处，实线C1与实线C2交叉。在图6的(b)中，在C和D所示的点处，实线C3与实线C4交叉。因此，在A、B、C和D所示的点处，Z轴方向上的半极大处全宽度与X轴方向上的半极大处全宽度一致。即，在A、B、C和D所示的点处，会聚后的激光的光束截面形状变成大致正圆形。如果射出具有大致正圆形的光束截面形状的激光，则量子级联激光器与外部的光学元件(例如，光纤或者球面透镜)之间的光耦合效率提高。[0067]如上所述，Z轴方向上的半极大处全宽度与X轴方向上的半极大处全宽度一致的点通常有2个。一般来说，曲率越小，则越容易制造，所以，选择图6的(a)中A所示的点、图6的(b)中C所示的点。在选择A所示的点的情况下，X轴方向上的平凸透镜的长度是30.6μm。在选择C所示的点的情况下，X轴方向上的平凸透镜的长度是245μm。X轴方向上的量子级联激光器的长度通常是300μm以上且400μm以下，所以，能够形成上述尺寸的平凸透镜。通过调整激光器结构体的出射面与平凸透镜的入射面之间的Y轴方向上的距离、Y轴方向上的平凸透镜的厚度(Y轴方向上的长度)以及平凸透镜的X轴方向上的曲率，能够得到具有大致正圆形的光束截面形状的激光。[0068]另外，在图6的(a)和(b)中，X轴方向上的半极大处全宽度的极小值均小到20度以下。因此，从平凸透镜射出的激光在X轴方向上不扩展。因此，能够得到与平行光接近的激光。[0069]接下来，参照图7至图10，说明以具有与量子级联激光器1相同的结构的量子级联激光器为例进行的仿真。其中，本例的量子级联激光器是不具有衍射光栅层的法布里‑珀罗9CN112787219A说　明　书8/11页(FP)型的量子级联激光器。该量子级联激光器在n型InP基板上具有依次形成n型InP下部包层、芯层、n‑GaInAs上部光束缚层、n‑InP上部包层、n‑GaInAs接触层而成的台面型波导。芯层具有将通过由GaInAs/AlInAs的超光栅列构成的活性层和注入层而构成的单位结构层叠而成的结构。台面型波导的宽度是WM。台面型波导的侧面被Fe‑InP电流块区域埋入。将Au上部电极设置于n‑GaInAs接触层上。将Au下部电极设置于n型InP基板的背面。在激光器结构体的后端面的整个面处，隔着氧化铝绝缘膜设置Au高反射膜(反射率大致100％)。在激光器结构体的前端面(出射面)的整个面处，隔着氧化铝绝缘膜设置具有狭缝的Au高反射膜(反射率大致100％)。狭缝设置于与台面型波导对应的位置。狭缝的宽度是WS。激光的振荡波长是7.365μm。氧化铝针对本波长的吸收微小到能够忽略的程度，所以，使氧化铝的吸收近似为零来进行计算。Au高反射膜的厚度设为能够得到全反射的程度的足够的厚度(例如，100nm以上且200nm以下)。[0070]出射面处的激光的反射率不仅依赖于Au高反射膜，还依赖于氧化铝绝缘膜的膜厚。氧化铝绝缘膜的膜厚以λ(＝λ0/n)为单位来表示。λ0表示真空中的振荡波长(即7.365μm)。n表示氧化铝针对波长λ0的折射率(即，约1.3783)。出射面处的激光的反射率相对于氧化铝绝缘膜的膜厚，以描绘正弦波的方式，按0.5λ的周期变动。在这里，将氧化铝膜厚度固定于λ/4，使台面型波导的宽度WM在1μm以上且5μm以下的范围内变化，使狭缝的宽度WS在1μm以上且5μm以下的范围内变化而进行计算。在图7中示出计算结果。[0071]图7是示出出射面处的狭缝的宽度与有效反射率之间的关系的例子的图表。在图7中，R0表示在出射面处没有进行涂覆的情况下的结果。R11表示台面型波导的宽度WM是1μm时的结果。R12表示台面型波导的宽度WM是2μm时的结果。R13表示台面型波导的宽度WM是3μm时的结果。R14表示台面型波导的宽度WM是4μm时的结果。R15表示台面型波导的宽度WM是5μm时的结果。如图7所示，通过调整狭缝的宽度WS，能够在约20％以上且80％以下的范围内调整有效反射率。另外，与台面型波导的宽度WM是2μm以上且5μm以下的情况下的有效反射率相比，台面型波导的宽度WM是1μm的情况下的有效反射率显著变大。如果台面型波导的宽度WM变小为1μm，则难以将光束缚到台面型波导内。其结果是，扩散到台面型波导的外侧的光增加，由Au高反射膜对该光进行全反射，所以，台面型波导的宽度WM是1μm的情况下的有效反射率变大。[0072]根据图7可知，通过调整台面型波导的宽度WM、狭缝的宽度WS和氧化铝膜厚度，能够在约20％以上且80％以下的范围内调整出射面处的有效反射率。另外，在狭缝的位置处，在出射面处不形成Au高反射膜，仅形成有氧化铝绝缘膜，所以，能够避免由Au高反射膜实施的激光的吸收。其结果是，能够得到高的光输出(例如，10mW以上)的激光。进一步地，通过调整台面型波导的宽度WM、狭缝的宽度WS和氧化铝膜厚度，从而还能够得到比在出射面处没有进行涂覆的情况(图7的R0)低的有效反射率。[0073]另外，进行与图7对应的阈值电流的计算。在图8中示出计算结果。图8是示出狭缝的宽度与阈值电流之间的关系的例子的图表。在图8中，I1表示台面型波导的宽度WM是1μm的情况下的结果。I2表示台面型波导的宽度WM是2μm的情况下的结果。I3表示台面型波导的宽度WM是3μm的情况下的结果。I4表示台面型波导的宽度WM是4μm的情况下的结果。I5表示台面型波导的宽度WM是5μm的情况下的结果。根据图7和图8可知，在台面型波导的宽度WM的各值下，如果狭缝的宽度WS减少，则有效反射率升高，所以，阈值电流减少。在台面型波导的宽10CN112787219A说　明　书9/11页度WM是2μm以上且5μm以下的范围内，如果狭缝的宽度WS相同，则台面型波导的宽度WM越小，则阈值电流也越小。这是由于，如果台面型波导的宽度WM变小，则被注入电流的芯层的宽度也变小。但是，在台面型波导的宽度WM是1μm的情况下，尽管有效反射率变成最大，阈值电流仍变成最大。如上所述，如果台面型波导的宽度WM小到1μm，则难以将光束缚到台面型波导内，所以，由芯层中的感应发射导致的光的放大变得困难。其结果是，阈值电流增加。与由有效反射率的增加带来的阈值电流的降低效果相比，由于光的放大变难带来的阈值电流的增加效果更大，所以，阈值电流变大。[0074]另外，进行将台面型波导的宽度WM固定于5μm、将氧化铝膜厚度固定于λ/4而使狭缝的宽度WS变化的情况下的电流‑光输出特性的计算。在图9中示出计算结果。图9是示出使狭缝的宽度变化的情况下的电流与光输出之间的关系的例子的图表。在图9中，L0表示在出射面处没有进行涂覆的情况下的结果。L1表示狭缝的宽度WS是1μm的情况下的结果。L2表示狭缝的宽度WS是2μm的情况下的结果。L3表示狭缝的宽度WS是3μm的情况下的结果。L4表示狭缝的宽度WS是4μm的情况下的结果。L5表示狭缝的宽度WS是5μm的情况下的结果。如图9所示，如果狭缝的宽度WS变小，则有效反射率增加，所以，能够降低阈值电流。但是，来自狭缝的出射光的取出变难，所以，出射光的斜度效率(对应于图9的L1至L5的各直线的斜率)减少。因此，如果狭缝变窄，则难以得到高输出。另一方面，如果狭缝的宽度WS变大，则出射面处的有效反射率减少，所以，阈值电流增加。但是，如果狭缝的宽度WS变大，则来自狭缝的出射光的取出变得容易，所以，出射光的斜度效率增加。因此，容易得到高输出。另外，在狭缝的宽度WS是4μm的情况下，得到与在出射面处没有进行涂覆的情况大致相同的结果。这是由于，如图7所示，在狭缝的宽度WS是4μm的情况下，得到与在出射面处没有进行涂覆的情况大致相同的有效反射率。[0075]另外，进行将台面型波导的宽度WM固定于5μm、将氧化铝膜厚度设为λ/4或者λ/16而使狭缝的宽度WS变化的情况下的电流‑光输出特性的计算。在图10中示出计算结果。图10是示出使狭缝的宽度和氧化铝膜厚度变化的情况下的电流与光输出之间的关系的例子的图表。在图10中，L1表示氧化铝膜厚度是λ/4、狭缝的宽度WS是1μm的情况下的结果。L11表示氧化铝膜厚度是λ/16、狭缝的宽度WS是1μm的情况下的结果。L3表示氧化铝膜厚度是λ/4、狭缝的宽度WS是3μm的情况下的结果。L13表示氧化铝膜厚度是λ/16、狭缝的宽度WS是3μm的情况下的结果。L5表示氧化铝膜厚度是λ/4、狭缝的宽度WS是5μm的情况下的结果。L15表示氧化铝膜厚度是λ/16、狭缝的宽度WS是5μm的情况下的结果。在狭缝的宽度WS相同的情况下，氧化铝膜厚度较大，则有效反射率降低。因此，如图10所示，如果氧化铝膜厚度变大，则阈值电流增加，另一方面，能够得到高输出。这与图9中的倾向相同。[0076]接下来，参照图11至图14，说明本实施方式的量子级联激光器1的制造方法的例子。图11的(a)至(e)是示出一个实施方式的量子级联激光器的制造方法中的各工序的图。图12至图14是示出一个实施方式的量子级联激光器的制造方法中的一个工序的俯视图。量子级联激光器1例如以如下方式制造。[0077]首先，如图11的(a)所示，在依次设置于半导体基板112上的半导体层114a、114b、114c、114d、114e上，形成用于形成激光器结构体10的主体10c的掩模M1以及用于形成透镜60的掩模M2。半导体基板112成为图1至图5所示的量子级联激光器1的半导体基板12和底座62。半导体层114a、114b、114c、114d、114e分别成为下部包层14a、芯层14b、衍射光栅层14c、11CN112787219A说　明　书10/11页上部包层14d和接触层14e。半导体层114a、114b、114c、114d、114e例如通过有机金属生长法(OMVPE法)或者分子束外延(MBE法)而形成。在作为衍射光栅层14c的半导体层114c处，通过光刻和蚀刻而形成凹部14c1。[0078]半导体层114a、114b、114c、114d、114e构成在Y轴方向上延伸的半导体台面。半导体台面成为台面型波导14和半导体台面64。在X轴方向上，多个半导体台面排列。多个半导体台面通过光刻和蚀刻而形成。半导体台面的侧面被包括无掺杂或者半绝缘性的半导体的半导体埋入区域埋入。半导体埋入区域成为电流块区域16和半导体埋入区域66。半导体埋入区域例如通过有机金属生长法或者分子束外延而形成。[0079]掩模M1与掩模M2在Y轴方向上交替地排列。在掩模M1与一方的相邻的掩模M2之间，形成在X轴方向上延伸的狭缝Ma。在掩模M1与另一方的相邻的掩模M2之间，形成在X轴方向上延伸的狭缝Mb。相邻的掩模M1之间的间隔对应于激光器结构体10的第1突出部10d和第2突出部10e的Y轴方向上的合计长度。[0080]接下来，如图11的(b)所示，使用掩模M1和M2，对半导体层114a、114b、114c、114d、114e和半导体基板112的一部分进行干法蚀刻。由此，在狭缝Ma和Mb处分别形成沟槽T1和T2。其结果是，在掩模M1之下，形成台面型波导14和电流块区域16。在掩模M2之下，形成透镜60。即，形成激光器结构体10的主体10c、第1突出部10d和第2突出部10e。在沟槽T1处，出射面10a与入射面60a露出。在沟槽T2处，反射面10b与凸状面60b露出。出射面10a和反射面10b与Y轴方向正交，其结果是，形成谐振器。入射面60a也有激光L入射，所以，与Y轴方向正交。凸状面60b构成透镜面，所以，与XY平面正交。因此，通过垂直蚀刻性优良的反应性离子蚀刻(RIE)来进行干法蚀刻。[0081]接下来，在去除掩模M1和M2之后，如图11的(c)所示，例如通过CVD法、光刻和干法蚀刻，形成覆盖出射面10a的保护膜22以及覆盖反射面10b的保护膜32。保护膜22还覆盖沟槽T1的底以及激光器结构体10的主体10c的上表面的一部分。保护膜32还覆盖沟槽T2的底以及激光器结构体10的主体10c的上表面的一部分。[0082]接下来，如图11的(d)所示，将用于形成反射膜20的第1端部与上部电极40之间的空隙SP1的抗蚀剂掩模M3以及用于形成反射膜30的第1端部与上部电极40之间的空隙SP2的抗蚀剂掩模M4分别形成于保护膜22和保护膜32上。接下来，例如通过蒸镀或者溅射，将金属膜140形成于抗蚀剂掩模M3和抗蚀剂掩模M4上。金属膜140在半导体基板112的整个面上形成。[0083]接下来，如图11的(e)和图12所示，通过提离而剥离抗蚀剂掩模M3和M4，从而分别形成空隙SP1和SP2。其结果是，在激光器结构体10的主体10c上形成上部电极40。另一方面，在激光器结构体10的第1突出部10d和第2突出部10e处形成金属膜120。金属膜120覆盖沟槽T1和T2、透镜60。如图12所示，在X轴方向和Y轴方向上阵列配置包括激光器结构体10的主体10c、第1突出部10d和第2突出部10e的单位结构U。[0084]接下来，如图13所示，通过光刻和蚀刻，将具有用于形成反射膜20和反射膜30的开口M5a的抗蚀剂掩模M5形成于金属膜120上。开口M5a位于透镜60上。[0085]接下来，如图14所示，蚀刻金属膜120。蚀刻的例子是反应性离子蚀刻或者离子铣削等干法蚀刻、使用碘/碘化钾混合液的湿法蚀刻。其后，剥离抗蚀剂掩模M5。由此，由金属膜120形成反射膜20和反射膜30。12CN112787219A说　明　书11/11页[0086]其后，通过研磨半导体基板112的背面，从而使半导体基板112的厚度变薄至例如100μm以上且200μm以下。接下来，在半导体基板112的背面，例如通过蒸镀而形成下部电极50。[0087]接下来，通过沿着例如光栅状的切断线CT而切断半导体基板112、保护膜(保护膜22与保护膜32的边界)和下部电极50，从而得到与单位结构U对应的量子级联激光器1。切断的例子是劈开、切割等。[0088]以上，详细说明了本公开的适当的实施方式，但本公开不限定于上述实施方式。[0089]例如，透镜60也可以是双凸透镜。在该情况下，从Z轴方向观察时，入射面60a也呈凸状地弯曲。13CN112787219A说　明　书　附　图1/13页图114CN112787219A说　明　书　附　图2/13页图215CN112787219A说　明　书　附　图3/13页图316CN112787219A说　明　书　附　图4/13页图417CN112787219A说　明　书　附　图5/13页图518CN112787219A说　明　书　附　图6/13页图619CN112787219A说　明　书　附　图7/13页图7图820CN112787219A说　明　书　附　图8/13页图921CN112787219A说　明　书　附　图9/13页图1022CN112787219A说　明　书　附　图10/13页图1123CN112787219A说　明　书　附　图11/13页图1224CN112787219A说　明　书　附　图12/13页图1325CN112787219A说　明　书　附　图13/13页图1426