紅外波段超輻射發光二極管研究進展

楊靜航， 晏長嶺， 劉云， 李奕霏， 馮源， 郝永芹， 李輝， 逄超

（長春理工大學 高功率半導體激光國家重點實驗室， 吉林 長春 130022）

1 引 言

超輻射發光二極管（SLD）是一種光學性質介于激光二極管（LD）和發光二極管（LED）之間的半導體光源，具有比 LD 更寬的發光光譜和更短的相干長度、比 LED 更高的輸出功率和更高的調制帶寬。SLD發光原理與LD類似，都是利用其內部放大的自發輻射。與LD不同的是，SLD器件會采取一定的抑制光學反饋的措施（如“J”形波導、斜波導、無源吸收區與腔面膜工藝技術等），抑制光在器件腔面之間傳播時的激光振蕩與選模，實現寬光譜高功率發光。在Kurbotov 等提出自發單程放大現象的理論基礎上[1]，1973年，美國貝爾實驗室Lee等首次成功研制了AlGaAs/GaAs雙異質結 SLD 器件[2]，SLD進入了一個迅速發展的新階段。隨著理論研究[3-4]與制備工藝的不斷改進，SLD有源結構經歷了三維體材料、二維量子阱[5]、零維量子點[6]、一維量子線[7]以及混合結構的演進，SLD外延結構先后發展了AlGaAs/GaAs、In-GaAlAs/InP、InGaSb/GaSb和InGaN/GaN[8]等典型材料體系，SLD發光波長從~850 nm近紅外波段拓展到~7 μm中紅外波段與~420 nm藍紫光波段[9-10]。

高功率和寬光譜是SLD器件的關鍵性特征。然而，同時實現高功率和寬光譜是相對困難的。在半導體器件的發射機制中，半導體增益介質中隨機產生的自發輻射通過受激增益過程放大。受激增益過程中產生的光子具有相同的相位、頻率以及偏振特性，故受激增益的光譜寬度比自發輻射的光譜寬度小得多。隨著器件中注入電流的增大，SLD受激增益變大導致輸出功率增加，同時降低了光譜寬度。這意味著SLD在高功率和寬光譜之間存在權衡關系。

本文聚焦于SLD的輸出功率與光譜寬度特性，分別闡述了量子阱、量子點近紅外SLD與量子級聯中紅外SLD的材料體系、外延結構、器件結構、工藝技術、研究成果及現存問題。其中，量子阱SLD分別從GaAs襯底、InP襯底與GaSb襯底三個角度展開論述，并特別介紹了InP基量子短線有源結構；量子點SLD分別從阱中點、啁啾多層量子點、量子點量子阱混合和異維量子點-量子阱四種有源結構展開論述，并單獨介紹了量子點摻雜技術與選擇區域混雜技術。最后，概述了紅外波段SLD的應用前景，并展望了SLD今后可能的發展趨勢與方向。

2 量子阱超輻射發光二極管研究進展

進入20世紀80年代以來，隨著分子束外延（MBE）和金屬有機化學氣相沉積（MOCVD）等晶體外延技術的迅速發展，量子阱（QW）有源結構SLD 開始成為寬光譜領域的研究熱點，常采用的幾種量子阱能帶結構如圖1所示。

圖1 量子阱能帶結構示意圖。 （a）單量子阱；（b）多量子阱；（c）不同阱寬的多量子阱；（d）非對稱雙量子阱。Fig.1 Schematic diagram of quantum well band structure.（a）Single quantum well. （b）Multi-quantum well. （c）Multi-quantum wells with different well width. （d）Asymmetric double quantum well.

圖1（a）為單量子阱（SQW）能帶結構示意圖，由于單量子阱材料高增益特性，單量子阱SLD極易得到較高的功率輸出。但是，由于單量子阱對非平衡載流子的收集能力較弱，SQW SLD器件溫度穩定性不理想。當較大電流注入時，單量子阱子能級躍遷導致輸出光譜中出現多個峰包凸起，使SLD器件光譜波紋與光譜穩定性急劇下降。圖1（b）為多量子阱（MQW）能帶結構示意圖，多量子阱能夠緩解子能級躍遷對光譜穩定性的影響。同時，MQW SLD在遠場分布[11]與器件壽命[12]等方面表現出巨大潛力。在MQW SLD的基礎上，利用不同阱寬或不同增益波長的SQW連接形成的MQW有源結構，在拓展器件譜寬方面具有顯著效果，圖1（c）為不同阱寬dw的多量子阱能帶結構示意圖，圖1（d）為不同增益波長的非對稱雙量子阱（DQW）能帶結構示意圖。另外，利用量子阱和壘材料晶格常數失配形成的應變量子阱有源結構也得到了廣泛的應用，如張應變QW SLD易于獲得低偏振性光束、壓應變QW SLD易于獲得較大的光學增益與量子效率[13-14]。

量子阱SLD研究熱點主要集中在實現高功率和寬光譜輸出。在提高QW SLD 輸出功率方面，增大SLD有源區域的體積[15]是提高SLD 輸出功率最為簡單直接的方法。這種方法常采用的手段有多模干涉有源（Active-MMI）器件結構[16]與錐形腔器件結構等，但這種方法會在有源區內產生多種空間模式，導致發射光譜形狀對注入電流具有強烈依賴性。其次，優化量子阱外延材料體系與利用應變量子阱結構等手段提高電流的注入效率[17]，進而提高QW SLD的輸出功率，但這種方法對外延工藝要求較高。另外，陣列集成技術[18]也能夠有效提高SLD輸出功率，但這種方法需要考慮光束整形與器件散熱問題。

在拓寬SLD 光譜寬度方面，不同阱寬或不同增益波長的多量子阱有源結構是最為普遍且有效的方法[19]，但這種方法拓寬光譜的能力有限。其次，量子阱混雜技術產生帶隙漸變QW結構[20]能夠拓展SLD光譜寬度，但實現量子阱混雜技術的離子注入工藝或激光加熱工藝等工藝難度大、穩定性低。第三，降低量子阱內多種模式間的競爭，充分發揮量子阱子能級躍遷對SLD光譜寬度的貢獻，常用的手段有多量子阱有源結構[21]、非對稱波導包層結構[22]以及多段緊湊器件結構[23]，但這種方法會導致光譜波紋增大、光譜穩定性降低。另外，利用寬帶光纖耦合器的空間合束技術也能夠有效拓展SLD光譜寬度，但這種方法外部設備過多且系統復雜。

目前，量子阱SLD能夠實現0.6~2.6 μm近紅外波段的輸出。量子阱SLD的有源區材料大多由Ⅲ~Ⅴ族半導體化合物材料組成，材料組成體系與發光波長如圖2所示，不同的材料體系與不同組分導致發光中心波長不同。以下將分別詳細介紹GaAs基量子阱SLD、InP基量子阱SLD以及GaSb基量子阱SLD的研究進展。

圖2 量子阱SLD發光波長與材料體系關系圖Fig.2 Relationship between luminescence wavelength and material system of quantum well SLD

2.1 GaAs基量子阱超輻射發光二極管

自Paoli等成功研制了高功率AlGaAs量子阱SLD器件[24]開始，GaAs基量子阱SLD器件得到了迅速發展與廣泛應用。早期GaAs基QW SLD主要采用AlGaAs/GaAs材料體系，~850 nm波段Al-GaAs/GaAs材料體系QW SLD相關工藝技術發展相對比較成熟[25]，并在檢測領域得到了廣泛的應用。近年來，InGaAs/GaAs材料體系QW SLD得到了廣泛研究，已經實現在~1.0 μm波段高性能輸出[26]；Ohgoh等優化非對稱InGaAs雙量子阱（DQW）之間的發射波長差，能帶結構示意圖如圖1（d）所示，獲得了光譜半高全寬（FWHM）77.5 nm的SLD器件[19]，為當前該波段QW SLD最大光譜FWHM；Duan等利用該材料體系研制了調制帶寬高達1.7 GHz的SLD器件[27]；Kiethe等利用該材料體系研制了二階相干特性低至g（2）（0）≈1.2的SLD器件[28]。

GaAsP/GaAs材料體系在QW SLD偏振特性研究方面表現出巨大優勢，Liu等研制了0.8 μm張應變GaAs0.92P0.08/Al0.25Ga0.75As 雙量子阱有源結構SLD器件，器件測試結果表明偏振度降低為4%[29]。GaInNAs/GaAs材料體系在QW SLD 高功率輸出方面表現出巨大潛力，Aho等研制了GaIn-NAs/GaAs單量子阱SLD，室溫連續波條件下允許2 000 mA高電流注入，在1.2 μm波段連續輸出功率高達418 mW，為該波段當前最高功率輸出水平[17]。同時，長春理工大學高功率半導體激光實驗室自2006年開始GaAs基 QW SLD相關工藝技術研究[30-31]，并取得了~850 nm波段非均勻MQW SLD室溫連續輸出功率14.36 mW[32]、~970 nm波段非均勻MQW SLD室溫連續輸出功率74 mW[33]的成果。目前，AlGaInP/GaAs、AlGaAs/GaAs、In-GaAs/GaAs、GaAsP/GaAs、GaInNAs/GaAs等材料體系QW SLD能夠實現0.6~1.3 μm波段高性能輸出，表1歸納了GaAs基量子阱SLD的輸出性能。

表1 GaAs基量子阱SLD研究進展Tab.1 Research progress on GaAs-based quantum well SLD

2.2 InP基量子阱超輻射發光二極管

InP基QW SLD通常采用AlGaInAs/InP材料體系與GaInAsP/InP材料體系，實現在1.3~1.6 μm波段發光。由于InP基量子阱結構中電子、空穴波函數重疊較少以及自發輻射效率低的問題，InP基QW SLD發射波長被限制在小于1.9 μm，但InGaAsSb/InP材料體系成功地將InP基QW SLD輸出中心波長拓展為2.1 μm[34]。

2.2.1 InP基量子阱有源結構

InGaAsP/InP材料體系SLD發展相對比較成熟[35-36]，能夠實現室溫連續波輸出功率高達115 mW[37]，輸出光譜FWHM達130 nm[38]。并且，Beal等采用GaInAsP/InP材料體系進行紅外激光快速熱退火（IR Laser-RTA）工藝，促進點缺陷在結構中的擴散，獲得漸變帶隙量子阱混雜（QWI）SLD的光譜FWHM比退火工藝前增加33%[20]。AlGaInAs/InP材料體系具有比GaInAsP/InP材料體系更大的導帶偏移[39]，增強了量子阱中的電子局部化，降低了非輻射俄歇復合的負面影響，提高了器件在高溫下的工作能力[40]。Sabitov等采用該材料體系，研制了壓應變（晶格失配度1.4%）MQW SLD，在中心波長1.5 μm處獲得大于5 mW單模光纖輸出功率與大于60 nm的譜寬[41]；Kostin等利用空間合束技術將三個組分不同AlxGayIn1-x-yAs的SLD耦合，在中心波長1.3 μm處FWHM高達180 nm[42]。同時，長春理工大學研制的AlGaInAs材料體系SLD，實現了~1.3 μm波段室溫連續輸出功率42.2 mW[43]、~1.5 μm波段室溫連續輸出功率26.1 mW[44]。

值得關注的是，應用于高靈敏度光纖陀螺儀與光纖光柵傳感領域的寬帶光源應具有較低的偏振靈敏度[45]。然而，SLD中橫向電場（TE）和橫向磁場（TM）模式之間的光輸出功率差異很大，即存在較高的偏振靈敏度。實現低偏振靈敏度SLD的有效手段是采用較大的張應變MQW有源結構[46]，使輕空穴帶的能級低于重空穴帶，增加TM模式的材料增益[47]。Ma等在InGaAsP/InP材料體系中，通過三個壓應變量子阱（晶格失配度1.1%）和兩個張應變量子阱（晶格失配度-1.0%）相結合的有源結構，獲得了1.3 μm波段的偏振不敏感多量子阱SLD器件[48]。與之相反，Hsiao等利用較高壓應變（晶格失配度1.2%）InGaAsP MQW有源結構，開展了增大SLD偏振靈敏度的研究[49]。

2.2.2 InP基量子短線有源結構

自組裝技術在InP襯底上的嘗試導致了量子短線的發現，量子短線（Qdash）是一種高度和寬度與量子點（QD）相似、但長度更長的有限長的線狀納米結構，具有顯著的面內延伸率。QDash的應用潛力已通過多種方式得到證明，如基于InAs/InP量子短線（QDash）材料的激光二極管具有低聲、低閾值電流密度[50]、高模態增益波長寬帶放大[51]以及良好的溫度穩定性[52]，能夠實現1.3~2.0 μm波段上基態躍遷。為了精確控制QDash結構的波長及能級結構，通常將QDash結構嵌入三元四元化合物的QW中形成阱中短線（Dash-inwell）有源結構。隨著注入能級的增加，Qdash具有獨特的準一維行為，在縱向上具有不同的量化效應和帶填充效應，這使得Qdash有源增益結構在實現SLD寬光譜輸出方面表現出巨大潛力[53]。Khan等采用壘層厚度不同的InAs/InGaAlAs Qdash壓應變四量子阱結構，使QW與QDash同時進行放大自發輻射過程，實現SLD器件發射帶寬大于700 nm，覆蓋了整個O-E-S-C-L-U通信頻帶[54]。次年，該研究小組通過改進器件結構實現了SLD器件室溫連續波輸出功率大于22 mW[55]。這種新型InP基InAs QDash有源結構SLD在產生超寬連續激光光譜方面表現出獨特優勢。

表2歸納了上述InGaAsP/InP、AlGaInAs/InP材料體系與InAs量子短線（Qdash）結構的InP基QW SLD的輸出性能。

表2 InP基量子阱SLD研究進展Tab.2 Research progress on InP-based quantum well SLD

2.3 GaSb基量子阱超輻射發光二極管

隨GaSb高質量增益材料的發展，GaInAsSb/GaSb材料體系[56]與GaInSb/GaSb材料體系[57]SLD均實現了2~3 μm波段高性能輸出。GaInSb/GaSb材料體系QW SLD已經在~2 μm波段實現室溫連續波輸出功率120 mW[58]。隨著波長增加而增加的俄歇復合過程，導致長波GaSb基SLD輸出特性發生嚴重退化，研究人員通過對GaInAsSb/GaSb材料體系有源組分、應變以及富In團簇的探索，打破了GaSb基QW SLD輸出波長低于2.5 μm的限制。Vizbaras等通過控制有源結構中GaxIn1-xAsySb1-y壓應變量子阱的組分，分別調制SLD器件輸出波長為2.05，2.25，2.4 μm[59]；Nouman等采用2%較高壓應變Ga0.54In0.46As0.13Sb0.83/GaSb量子阱有源結構，將GaSb基SLD中心輸出波長拓展為2.55 μm，但器件只能在脈沖條件下工作[60]。2019年，Kurka等提出了一種增加量子阱中銦含量并形成銦團簇的方法，引起晶格缺陷導致發射峰紅移到3.5 μm[61]，有望應用于SLD中進一步拓展其輸出波長范圍。表3歸納了GaSb基量子阱SLD的輸出性能。

表3 GaSb基量子阱SLD研究進展Tab.3 Research progress on GaSb-based quantum well SLD

綜上所述，量子阱有源結構 SLD在獲得高功率輸出方面具有獨特優勢，GaAs基QW SLD室溫連續波輸出功率大于400 mW，InP基與GaSb基QW SLD均能夠實現室溫連續波輸出功率大于100 mW。GaAs基與InP基量子阱SLD發展相對比較成熟，GaAs基與InP基QW SLD的其他輸出特性也引起了研究人員的廣泛關注，如偏振靈敏度、二階相干特性以及光譜調制特性。但GaSb基QW SLD發展相對緩慢，主要集中在Ⅰ類量子阱SLD的研究，并且國內關于GaSb基SLD的研究比較欠缺。在QW SLD有源結構方面，MQW SLD發展相對成熟并得到了廣泛應用，Qdash SLD在拓寬光譜寬度上表現出巨大潛力，但Qdash外延生長工藝相對復雜、自發輻射增益等相關研究較少以及載流子熱效應問題加劇。同時，由于QW SLD存在較高的電流密度帶來的散熱問題、光譜形狀不規則問題、載流子分布不均勻問題以及光子重吸收問題等，實現高功率寬帶寬QW SLD器件仍然具有挑戰性。

3 量子點超輻射發光二極管研究進展

基于Stranski-Krastanov（S-K）外延生長模式構建的自組裝量子點（QD）結構在制備高性能SLD方面表現出巨大潛力。首先，由于QD結構的熱分布遠小于體結構和QW結構，極易獲得高波長穩定性和高溫度穩定性的光電器件[62]。其次，由于QD結構天然的大尺寸不均勻性，能夠導致幾十毫電子伏特的光譜展寬，有利于SLD的寬光譜輸出。此外，由于量子點基態（GS）發光能夠在低電流下達到飽和增益，QD易于產生激發態（ES1、ES2）發光。不同尺寸量子點的基態（GS）與激發態（ES1、ES2）能級重疊，使得量子點的能級近似連續分布，可以進一步拓寬SLD光譜寬度，并獲得近似高斯分布光譜[63]。由于QD材料的獨特優勢，國內外眾多研究機構陸續開展了QD SLD的研究工作。

3.1 量子點SLD有源結構

QD SLD有源結構主要分為阱中點結構（DWELL）、啁啾多層量子點結構（Chirped multiple QD, CM QD）、量子點量子阱混合結構（QW/DWELL）以及異維量子點-量子阱結構（QWD）。DWELL即在量子阱中生長量子點，其主要研究方向是使用原子力顯微鏡與光致發光等表征方法優化DWELL結構外延生長參數，如生長速率、生長溫度[64]等。簡單多層InAs/InGaAs DWELL SLD已經實現3 dB帶寬高達292 nm[65]。另外，Lu等直接在Si襯底上生長InAs DWELL有源結構，該結構SLD輸出功率3.8 mW、3 dB帶寬103 nm[66]，促進了SLD在硅光子集成領域的應用。

對于啁啾多層量子點（CM QD）SLD，通常采用控制外延結構中InAs量子點尺寸大小[67]、In-GaAs應力緩沖覆蓋層的In組分或厚度[68]等手段，實現啁啾多層量子點結構中各層發射能量不同，達到進一步拓寬光譜寬度的目的。Tsuda等通過三層InAs/In0.1Ga0.9As CM QD有源結構，實現了QD SLD器件240 nm超寬帶寬輸出[69]。在提高啁啾多層量子點SLD輸出功率方面，主要手段是增加CM QD的層數、密度以及結合錐形腔波導結構[70]。Zhang等研制了五層InAs/In0.2Ga0.8As CM QD-SLD，實現了200 mW高功率輸出[71]。

量子點量子阱混合（QW/DWELL）結構是指有源區是由先后生長的單量子阱與多層阱中量子點組合形成。理論上設計QW發射波長與量子點第二激發態（QD ES2）發射波長一致，增強了短波長QD ES2對輸出譜寬的貢獻[72]。QW/DWELL有源結構打破了SLD高功率與寬光譜的制約關系，實現了SLD輸出功率與光譜寬度均隨注入電流的增加而增大。Chen等外延生長了In0.34Ga0.66As SQW與六層InAs DWELL混合有源結構，并觀察到了QD GS、QD ES1與QWe1-hh1,2,3多態共同發射，器件在室溫10%占空比脈沖條件下3 dB帶寬高達290 nm[73]。通過提高QW/QWELL混合結構中量子點層的密度與層數[74]，有望在保持QD SLD較寬光譜輸出的同時獲得較高的輸出功率。

異維量子點-量子阱結構（QWD）是指In組分在30%~50%范圍內的InGaAs/GaAs異質結構形成的新型納米結構，該納米結構結合了量子阱和量子點的一些優點。Mintairov等在GaAs襯底上觀察到In0.4Ga0.6As薄膜的結構轉變，出現了二維量子阱結構、富In島（QD1）以及InGaAs島（QD2）[75]，并表現出較高的模式增益特性。該研究小組研制了單層QWD結構SLD器件，輸出功率為17 mW，光譜FWHM為36 nm[76]。QWD有源結構在實現QD SLD高功率輸出方面表現出極大的優勢。

3.2 量子點SLD工藝技術

在QD SLD工藝技術方面，量子點摻雜技術和量子點選擇性區域混雜技術被證明能夠提高SLD輸出特性。量子點摻雜技術是指在QD結構中進行n型（Si）[77]或p型[78]（C、Be）摻雜，提高光電器件的輸出特性與熱穩定特性。Hou等通過對InAs DWELL結構中的GaAs壘層進行Be摻雜工藝，發現Be摻雜帶來的大量空穴顯著增強了QD中載流子的輻射復合，提高了QD SLD器件的熱穩定性[79]。Lv等通過在CM QD中直接摻雜Si，有效鈍化QD附近或內部的非輻射復合中心，Sidoped QD SLD室溫連續波輸出功率為20.5 mW，比未摻雜器件輸出功率提高12%[80]。量子摻雜技術為生產制造高性能自組裝InAs/GaAs QD SLD器件開辟了可能性。

量子點選擇性區域混雜技術通常是指利用外延生長后退火工藝，在單片上實現量子點材料帶隙能量的空間變化。研究人員已經證明，在QD材料中引入p型摻雜可以提高QD在退火過程中的熱穩定性，進而實現高性能的QD混雜SLD器件[81]。但量子點區域混雜技術工藝難度依然很大，退火過程中覆蓋層材料、退火溫度與退火時間等工藝條件對QD區域混合的效果影響較大[82]。Zhang等報道了熱退火工藝形成的選擇性區域混雜QD SLD，由長度4 mm的SiO2覆蓋層與長度2 mm的GaAs覆蓋層在700 ℃下退火5 min形成，實現了QD SLD中心波長1 145 nm處光譜寬度310 nm[83]。量子點選擇性區域混雜技術在進一步拓寬QD SLD光譜寬度方面表現出巨大潛力。

綜上所述，QD SLD因其獨特的優勢備受研究人員的關注，國內外眾多研究小組分別在QD有源結構、外延生長、能級躍遷、摻雜技術以及區域混雜技術等方面取得了顯著的成果。表4歸納了GaAs基QD SLD的輸出特性，QD SLD能夠實現室溫連續輸出功率大于100 mW、輸出帶寬大于200 nm。QD SLD通常表現出更寬的增益，對應于較低的功率譜密度與較低的輸出功率，獲得高功率寬光譜QD SLD器件還具有一定的挑戰性。量子點量子阱混合與異維量子點-量子阱新型有源結構在實現高功率寬光譜SLD方面表現出巨大潛力，但是新型有源結構中QD與QW之間的模式增益特性以及空間調制特性等理論研究匱乏，新型有源結構QD SLD器件工作穩定性較低。QD SLD相關工藝技術能夠有效地提高器件輸出性能，但仍然存在工藝難度較大和技術推廣困難的問題。另外，QD SLD的輸出波長被限制在1~1.3 μm范圍內，QD SLD的優勢不能得到進一步發揮，使其不能應用于其他長波寬光譜光源系統。

4 量子級聯超輻射發光二極管研究進展

量子級聯（QC）是指由多層半導體材料形成的周期性量子阱超晶格結構，是量子工程和精細材料生長技術相結合的產物。基于能帶工程理論的量子級聯結構突破了帶間躍遷的模式限制，實現了半導體發光器件3~300 μm波長的輸出[84]。2002年，美國貝爾實驗室Gmachl等首次提出了中紅外量子級聯“超連續光譜”的制造與潛在應用[85]，奠定了量子級聯寬帶光源的發展基礎。2006年，英國Sheffield大學Zibik等首次研制了包含11個不同量子級聯有源結構SLD[86]，QC SLD開始進入廣大研究人員的視線。

QC SLD不同于傳統的p-i-n型半導體發光器件，是基于導帶中電子的子帶間躍遷的單極性半導體中紅外光源。由于量子級聯材料中自發輻射效率低的問題，QC SLD的研究熱點主要集中在提高功率方面。研究人員發現，在室溫下更薄更長的腔有助于實現最大的自發輻射，因此提高QC SLD輸出功率的常用手段是提高器件腔長[87]，但過長的腔長大大加劇了器件制備工藝難度。Aung等設計了緊湊型螺旋腔結構QC SLD，室溫下12 mm腔長器件獲得了高達57 mW的輸出功率，為該波段當前最高功率水平[88]。中國科學院蘇州納米所Hou研究小組報道了基于雙聲子共振設計的應變補償In0.678Ga0.322As/In0.365Al0.635As QC SLD，室溫準連續條件下輸出中心波長5 μm、FWHM大于200 cm-1、峰值功率0.5 mW[89]。另外，國內外眾多研究小組陸續開展了QC SLD模式增益[90]、多段緊湊器件結構[91]以及長波腔面減反膜[92]等方面的研究。

目前，QC SLD 的研究發展還處于起步階段，相關工藝技術發展相對緩慢。表5歸納對比了國內外量子級聯SLD的特性參數，QC SLD相關研究主要基于InP基InGaAs/InAlAs材料體系，輸出波長集中在5~7 μm波段，器件只能在低占空比脈沖條件下工作。并且，現有QC SLD輻射躍遷模式大多采用垂直躍遷（即電子的輻射躍遷發生在同一個量子阱中），有源區設計局限為高微分增益有源區與雙聲子共振有源區兩種結構。另外，由于量子級聯材料中子帶間躍遷過程非輻射載流子壽命非常短，導致其自發輻射效率非常低，因此實現高性能的超輻射輸出具有挑戰性。

表5 量子級聯SLD研究進展Tab.5 Research progress on quantum cascade SLD

5 超輻射發光二極管的應用

近年來，SLD器件得到了迅速的發展，QW SLD實現了0.6~2.6 μm波段高性能輸出，QD SLD實現了1~1.2 μm波段高性能輸出，QC SLD實現了4~7 μm波段輸出。量子點與量子阱等不同有源結構SLD的輸出功率與光譜寬度分別如圖3和圖4所示。高輸出性能SLD在光纖陀螺儀（FOG）[93-94]、光學相干斷層成像技術（OCT）、波分復用技術（WDM）、光時域反射儀（OTDR）、可調諧外腔激光器、光纖傳感器和光纖測試等領域中被廣泛應用。下面主要介紹SLD器件近年來的新應用方向及潛在應用。

圖3 不同有源結構SLD輸出功率Fig.3 SLD output power of different active structures

圖4 不同有源結構SLD光譜寬度Fig.4 SLD spectral bandwidths of different active structures

光學相干層析技術（OCT）是基于光學低相干干涉測量原理，對生物組織實現非接觸、無損傷和高分辨實層成像的一種新型光學測量技術[95]。具有高功率和寬帶發射的SLD光源能夠提高OCT系統的軸向分辨率，是OCT系統最為理想的光源。現階段，850 nm~1 μm波段SLD被應用于眼科OCT檢查[96]，~1.2 μm波段SLD用于皮膚組織成像[97]。與此同時，Israelsen等證明了~4 μm超連續光譜中紅外OCT成像深度遠大于近紅外OCT，能夠對嵌入介質中的微觀結構進行詳細成像[98]。中紅外OCT在檢測較短波長下具有強烈散射特性的樣品時表現出巨大潛力，如6~8 μm波段能夠檢測膠原蛋白酰胺、氟化鈣[99]、磷酸鹽和碳酸鹽等組織結構和生化成分[100]。中紅外QC SLD能夠滿足OCT對長波光源的需求，有望取代超連續譜與量子級聯激光器成為中紅外OCT的理想光源。

太赫茲互相關光譜系統（Thz CCS）是指依賴于光混合裝置中激光光源光譜成分疊加產生的拍頻，調制并加速太赫茲頻率范圍內電荷載流子產生太赫茲光譜進行互相關檢測。該系統常用的驅動光源為多模激光二極管，由于驅動光源腔內的多種模式，產生的太赫茲光譜不具有連續特性。為此，Molter等提出使用1.55 μm SLD取代LD成為該檢測系統的驅動光源，產生了連續太赫茲光譜，并在對α-乳糖一水合物、對氨基苯甲酸（PABA）以及空氣中水蒸氣等樣品檢測中表現出普適性[101]。2022年，Tybussek等進一步分析了SLD光源與生成的太赫茲光譜之間的關系[102]。進一步拓展1.3 μm、1.5 μm 光纖低損耗窗口SLD的光譜寬度，能夠增加太赫茲互相關光譜系統信號的動態范圍。

痕量氣體檢測在許多領域都有著重要作用，如工業過程檢測、人體呼吸氣體檢測以及大氣環境監測。SLD在單獨檢測和量化混合物中的多種氣體過程中，能夠消除多氣體交叉干擾效應與散射效應。Divya等基于1.5 μm SLD的吸收光譜技術檢測了NH3與水蒸汽混合氣體中NH3含量[103]，充分證明了SLD在痕量氣體檢測方面的應用前景。進一步地，工作在2~3 μm與8~12 μm大氣窗口的寬帶SLD有望被應用于檢測空氣中CO2[104]和N2O[105]等微量氣體，以應對環境氣候變化、空氣變化與工業過程監測。

另外，低相干特性836 nm SLD被應用于光學多普勒測速儀檢測混合流體速度[106]，在工業與醫療行業具有廣闊應用前景，對SLD光源低相干特性提出了新需求；835 nm SLD與數字微鏡裝置結合使用產生具有顯著降低像差的光學電勢，獲得了比激光光源更逼真、對比度更高的圖像[107]；1.2 μm SLD經典光源實現了波長域的“鬼”成像，對經典“鬼”成像模態中空間域和光譜域之間進行了類比[108]，對SLD光源二階相干特性提出新需求；1.5 μm SLD與光子晶體納米腔結合應用于定量測定空氣中離子的密度，有效解決了靜電放電導致電子設備故障的問題[109]，對SLD光譜寬度與溫度穩定性提出了新需求；SLD替代堿性放電燈成為原子磁強計的探測光源，為原子光學旋轉檢測提供了一種更實用的方法，有望應用于心磁圖、腦磁圖系統[110]。

6 總結與展望

本文分別從量子阱、量子點以及量子級聯有源結構出發，綜合評述了紅外超輻射二極管近年來的研究進展。近十年來，SLD器件向著更長波長、更高功率與更寬光譜寬度發展。QW SLD在獲得高功率輸出方面表現出巨大優勢，GaAs基、InP基與GaSb基QW SLD均能夠在室溫連續波條件下實現輸出功率大于100 mW；QD SLD充分發揮了QD材料在光譜展寬方面的獨特優勢，室溫連續波條件下FWHM大于100 nm；QWD SLD與QW/DWELL SLD能夠在較高注入電流條件下同時放大 QW與QD基態以及激發態自發輻射，在同時獲得高功率與寬光譜輸出方面表現出巨大潛力；Qdash SLD基于同時放大QW與Qdash的自發發射，能夠獲得高達700 nm的光譜寬度。另外，InP基QC SLD在5~7 μm中紅外波段已經實現毫瓦級輸出功率與約200 cm-1光譜帶寬。

雖然紅外波段SLD研究已經取得了顯著的成果，但仍存在一定的工藝技術問題，如QW SLD光譜寬度比較窄，QD SLD輸出功率比較低；QWD 、QW/DWELL以及Qdash 混合結構中QD與QW或Qdash與QW間的空間調制特性、載流子復合特性以及模式競爭特性等理論研究匱乏；QWD 、QW/DWELL以及Qdash 混合結構SLD器件載流子熱效應問題加劇，器件工作穩定性較差；量子點摻雜與區域混雜技術工藝難度大，技術效果不穩定；QC SLD寬光譜能帶工程理論研究匱乏，有源結構、躍遷機制以及材料體系較為單一，只能在脈沖條件下工作，輸出功率較低。進一步擴展紅外SLD的商業化應用，仍然需要在以下三個方面進行深入探討: （1）SLD輸出特性研究。通過QWD與QW/DWELL等新型有源結構的理論研究與外延工藝研究，充分結合量子阱高增益與量子點寬光譜的特性，打破SLD高功率與寬光譜的制約關系；在有源結構方面，完善多量子阱外延結構設計與Qdash帶隙工程理論，發展寬光譜QC不同能量能級躍遷以及斜躍遷機制等能帶理論；在工藝技術方面，優化MQW、Qdash以及QC等精細外延生長工藝，優化量子點摻雜以及區域混雜等工藝技術；在器件結構方面，設計新型微腔結構或電注入結構實現抑制光反饋目的，發展過渡熱沉等散熱封裝結構；充分結合并發揮有源結構、工藝技術以及器件結構三者的優勢，進一步提高SLD輸出功率、光譜帶寬、工作壽命與穩定性；同時開展應變量子阱SLD其他輸出特性的研究，如調制特性、光譜波紋、二階相干特性與和偏振特性等。 （2）波長拓展研究。發展InP襯底自組裝量子點技術，進一步發揮QD材料拓寬光譜的優勢，將QD SLD輸出波長拓展到1.4~1.5 μm波段；發展InP/In-GaAsSb材料體系SLD的外延結構與器件結構，使QW SLD輸出波長覆蓋1.6~1.9 μm波段；發展GaSb基SLD光子帶隙工程及富銦團簇等相關技術，將QW SLD輸出波長拓展到3~4 μm波段；發展InP基、GaAs基以及GaSb基QC SLD能帶工程、外延生長工藝以及長波腔面膜技術，將QC SLD輸出波長拓展到長波紅外波段乃至太赫茲波段輸出。 （3）光電集成研究。通過SLD過渡熱沉散熱封裝工藝以及空間合束技術等的研究，促進SLD陣列以及迭陣集成發展；通過對硅基鍵合集成技術、硅基外延生長工藝以及硅光波導等技術的研究，促進SLD硅光電子集成發展。

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