紅外波段超輻射發(fā)光二極管研究進(jìn)展綜述

超輻射發(fā)光二極管（SLD）具有高功率、寬光譜和低相干性等光學(xué)特性，在光纖通信、工業(yè)國防、生物影像和痕量氣體檢測等領(lǐng)域具有極高的應(yīng)用價值。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，近期，長春理工大學(xué)高功率半導(dǎo)體激光國家重點實驗室的科研團(tuán)隊在《發(fā)光學(xué)報》期刊上發(fā)表了以“紅外波段超輻射發(fā)光二極管研究進(jìn)展”為主題的文章。該文章第一作者為楊靜航，通訊作者為楊靜航和晏長嶺。

本文聚焦于SLD的輸出功率與光譜寬度特性，綜合評述了量子阱、量子點近紅外SLD與量子級聯(lián)中紅外SLD的研究進(jìn)展。詳細(xì)介紹了InP基量子短線、混合量子點量子阱與異維量子點量子阱等新型有源結(jié)構(gòu)，以及量子點摻雜與區(qū)域混雜等相關(guān)工藝技術(shù)。最后，概述了SLD的應(yīng)用前景，并對SLD的潛在研究方向和技術(shù)發(fā)展應(yīng)用趨勢進(jìn)行了展望。

量子阱超輻射發(fā)光二極管研究進(jìn)展

進(jìn)入20世紀(jì)80年代以來，隨著分子束外延（MBE）和金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積（MOCVD）等晶體外延技術(shù)的迅速發(fā)展，量子阱（QW）有源結(jié)構(gòu)SLD開始成為寬光譜領(lǐng)域的研究熱點，常采用的幾種量子阱能帶結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1（a）為單量子阱（SQW）能帶結(jié)構(gòu)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(wěn)定性不理想。當(dāng)較大電流注入時，單量子阱子能級躍遷導(dǎo)致輸出光譜中出現(xiàn)多個峰包凸起，使SLD器件光譜波紋與光譜穩(wěn)定性急劇下降。圖1（b）為多量子阱（MQW）能帶結(jié)構(gòu)示意圖，多量子阱能夠緩解子能級躍遷對光譜穩(wěn)定性的影響。同時，MQW SLD在遠(yuǎn)場分布與器件壽命等方面表現(xiàn)出巨大潛力。

在MQW SLD的基礎(chǔ)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(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)示意圖。另外，利用量子阱和壘材料晶格常數(shù)失配形成的應(yīng)變量子阱有源結(jié)構(gòu)也得到了廣泛的應(yīng)用，如張應(yīng)變QW SLD易于獲得低偏振性光束、壓應(yīng)變QW SLD易于獲得較大的光學(xué)增益與量子效率。

圖1 量子阱能帶結(jié)構(gòu)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。

量子阱SLD研究熱點主要集中在實現(xiàn)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(qū)域的體積是提高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(jié)構(gòu)與錐形腔器件結(jié)構(gòu)等，但這種方法會在有源區(qū)內(nèi)產(chǎn)生多種空間模式，導(dǎo)致發(fā)射光譜形狀對注入電流具有強(qiáng)烈依賴性。其次，優(yōu)化量子阱外延材料體系與利用應(yīng)變量子阱結(jié)構(gòu)等手段提高電流的注入效率，進(jìn)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(shù)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(jié)構(gòu)是最為普遍且有效的方法，但這種方法拓寬光譜的能力有限。其次，量子阱混雜技術(shù)產(chǎn)生帶隙漸變QW結(jié)構(gòu)能夠拓展SLD光譜寬度，但實現(xiàn)量子阱混雜技術(shù)的離子注入工藝或激光加熱工藝等工藝難度大、穩(wěn)定性低。第三，降低量子阱內(nèi)多種模式間的競爭，充分發(fā)揮量子阱子能級躍遷對SLD光譜寬度的貢獻(xiàn)，常用的手段有多量子阱有源結(jié)構(gòu)、非對稱波導(dǎo)包層結(jié)構(gòu)以及多段緊湊器件結(jié)構(gòu)，但這種方法會導(dǎo)致光譜波紋增大、光譜穩(wěn)定性降低。另外，利用寬帶光纖耦合器的空間合束技術(shù)也能夠有效拓展SLD光譜寬度，但這種方法外部設(shè)備過多且系統(tǒng)復(fù)雜。

目前，量子阱SLD能夠?qū)崿F(xiàn)0.6~2.6 μm近紅外波段的輸出。量子阱SLD的有源區(qū)材料大多由Ⅲ~Ⅴ族半導(dǎo)體化合物材料組成，材料組成體系與發(fā)光波長如圖2所示，不同的材料體系與不同組分導(dǎo)致發(fā)光中心波長不同。以下將分別詳細(xì)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(jìn)展。

圖2 量子阱SLD發(fā)光波長與材料體系關(guān)系圖

GaAs基量子阱超輻射發(fā)光二極管

自Paoli等成功研制了高功率AlGaAs量子阱SLD器件開始，GaAs基量子阱SLD器件得到了迅速發(fā)展與廣泛應(yīng)用。早期GaAs基QW SLD主要采用AlGaAs/GaAs材料體系，~850 nm波段AlGaAs/GaAs材料體系QW SLD相關(guān)工藝技術(shù)發(fā)展相對比較成熟，并在檢測領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。近年來，InGaAs/GaAs材料體系QW SLD得到了廣泛研究，已經(jīng)實現(xiàn)在~1.0 μm波段高性能輸出；Ohgoh等優(yōu)化非對稱InGaAs雙量子阱（DQW）之間的發(fā)射波長差，能帶結(jié)構(gòu)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，為當(dāng)前該波段QW SLD最大光譜FWHM；Duan等利用該材料體系研制了調(diào)制帶寬高達(dá)1.7 GHz的SLD器件；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。

GaAsP/GaAs材料體系在QW SLD偏振特性研究方面表現(xiàn)出巨大優(yōu)勢，Liu等研制了0.8 μm張應(yīng)變GaAs0.92P0.08/Al0.25Ga0.75As雙量子阱有源結(jié)構(gòu)SLD器件，器件測試結(jié)果表明偏振度降低為4%。GaInNAs/GaAs材料體系在QW SLD高功率輸出方面表現(xiàn)出巨大潛力，Aho等研制了GaInNAs/GaAs單量子阱SLD，室溫連續(xù)波條件下允許2000 mA高電流注入，在1.2 μm波段連續(xù)輸出功率高達(dá)418 mW，為該波段當(dāng)前最高功率輸出水平。同時，長春理工大學(xué)高功率半導(dǎo)體激光實驗室自2006年開始GaAs基QW SLD相關(guān)工藝技術(shù)研究，并取得了~850 nm波段非均勻MQW SLD室溫連續(xù)輸出功率14.36 mW、~970 nm波段非均勻MQW SLD室溫連續(xù)輸出功率74 mW的成果。目前，AlGaInP/GaAs、AlGaAs/GaAs、InGaAs/GaAs、GaAsP/GaAs、GaInNAs/GaAs等材料體系QW SLD能夠?qū)崿F(xiàn)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(jìn)展

InP基量子阱超輻射發(fā)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(xiàn)在1.3~1.6 μm波段發(fā)光。由于InP基量子阱結(jié)構(gòu)中電子、空穴波函數(shù)重疊較少以及自發(fā)輻射效率低的問題，InP基QW SLD發(fā)射波長被限制在小于1.9 μm，但I(xiàn)nGaAsSb/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。

InP基量子阱有源結(jié)構(gòu)

InGaAsP/InP材料體系SLD發(fā)展相對比較成熟，能夠?qū)崿F(xiàn)室溫連續(xù)波輸出功率高達(dá)115 mW，輸出光譜FWHM達(dá)130 nm。并且，Beal等采用GaInAsP/InP材料體系進(jìn)行紅外激光快速熱退火（IR Laser-RTA）工藝，促進(jìn)點缺陷在結(jié)構(gòu)中的擴(kuò)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%。AlGaInAs/InP材料體系具有比GaInAsP/InP材料體系更大的導(dǎo)帶偏移，增強(qiáng)了量子阱中的電子局部化，降低了非輻射俄歇復(fù)合的負(fù)面影響，提高了器件在高溫下的工作能力。Sabitov等采用該材料體系，研制了壓應(yīng)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；Kostin等利用空間合束技術(shù)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(dá)180 nm。同時，長春理工大學(xué)研制的AlGaInAs材料體系SLD，實現(xiàn)了~1.3 μm波段室溫連續(xù)輸出功率42.2 mW、~1.5 μm波段室溫連續(xù)輸出功率26.1 mW。

值得關(guān)注的是，應(yīng)用于高靈敏度光纖陀螺儀與光纖光柵傳感領(lǐng)域的寬帶光源應(yīng)具有較低的偏振靈敏度。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(xiàn)低偏振靈敏度SLD的有效手段是采用較大的張應(yīng)變MQW有源結(jié)構(gòu)，使輕空穴帶的能級低于重空穴帶，增加TM模式的材料增益。Ma等在InGaAsP/InP材料體系中，通過三個壓應(yīng)變量子阱（晶格失配度1.1%）和兩個張應(yīng)變量子阱（晶格失配度-1.0%）相結(jié)合的有源結(jié)構(gòu)，獲得了1.3 μm波段的偏振不敏感多量子阱SLD器件。與之相反，Hsiao等利用較高壓應(yīng)變（晶格失配度1.2%）InGaAsP MQW有源結(jié)構(gòu)，開展了增大SLD偏振靈敏度的研究。

InP基量子短線有源結(jié)構(gòu)

自組裝技術(shù)在InP襯底上的嘗試導(dǎo)致了量子短線的發(fā)現(xiàn)，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(jié)構(gòu)，具有顯著的面內(nèi)延伸率。QDash的應(yīng)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、高模態(tài)增益波長寬帶放大以及良好的溫度穩(wěn)定性，能夠?qū)崿F(xiàn)1.3~2.0 μm波段上基態(tài)躍遷。為了精確控制QDash結(jié)構(gòu)的波長及能級結(jié)構(gòu)，通常將QDash結(jié)構(gòu)嵌入三元四元化合物的QW中形成阱中短線（Dash-in-well）有源結(jié)構(gòu)。隨著注入能級的增加，Qdash具有獨(dú)特的準(zhǔn)一維行為，在縱向上具有不同的量化效應(yīng)和帶填充效應(yīng)，這使得Qdash有源增益結(jié)構(gòu)在實現(xiàn)SLD寬光譜輸出方面表現(xiàn)出巨大潛力。Khan等采用壘層厚度不同的InAs/InGaAlAs Qdash壓應(yīng)變四量子阱結(jié)構(gòu)，使QW與QDash同時進(jìn)行放大自發(fā)輻射過程，實現(xiàn)SLD器件發(fā)射帶寬大于700 nm，覆蓋了整個O-E-S-C-L-U通信頻帶。次年，該研究小組通過改進(jìn)器件結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了SLD器件室溫連續(xù)波輸出功率大于22 mW。這種新型InP基InAs QDash有源結(jié)構(gòu)SLD在產(chǎn)生超寬連續(xù)激光光譜方面表現(xiàn)出獨(dú)特優(yōu)勢。

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

表2 InP基量子阱SLD研究進(jìn)展

GaSb基量子阱超輻射發(fā)光二極管

隨GaSb高質(zhì)量增益材料的發(fā)展，GaInAsSb/GaSb材料體系與GaInSb/GaSb材料體系SLD均實現(xiàn)了2~3 μm波段高性能輸出。GaInSb/GaSb材料體系QW SLD已經(jīng)在~2 μm波段實現(xiàn)室溫連續(xù)波輸出功率120 mW。隨著波長增加而增加的俄歇復(fù)合過程，導(dǎo)致長波GaSb基SLD輸出特性發(fā)生嚴(yán)重退化，研究人員通過對GaInAsSb/GaSb材料體系有源組分、應(yīng)變以及富In團(tuán)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(jié)構(gòu)中GaxIn1-xAsySb1-y壓應(yīng)變量子阱的組分，分別調(diào)制SLD器件輸出波長為2.05、2.25、2.4 μm；Nouman等采用2%較高壓應(yīng)變Ga0.54In0.46As0.13Sb0.83/GaSb量子阱有源結(jié)構(gòu)，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。2019年，Kurka等提出了一種增加量子阱中銦含量并形成銦團(tuán)簇的方法，引起晶格缺陷導(dǎo)致發(fā)射峰紅移到3.5 μm，有望應(yīng)用于SLD中進(jìn)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(jìn)展

綜上所述，量子阱有源結(jié)構(gòu) SLD在獲得高功率輸出方面具有獨(dú)特優(yōu)勢，GaAs基QW SLD室溫連續(xù)波輸出功率大于400 mW，InP基與GaSb基QW SLD均能夠?qū)崿F(xiàn)室溫連續(xù)波輸出功率大于100 mW。GaAs基與InP基量子阱SLD發(fā)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(guān)注，如偏振靈敏度、二階相干特性以及光譜調(diào)制特性。但GaSb基QW SLD發(fā)展相對緩慢，主要集中在Ⅰ類量子阱SLD的研究，并且國內(nèi)關(guān)于GaSb基SLD的研究比較欠缺。在QW SLD有源結(jié)構(gòu)方面，MQW SLD發(fā)展相對成熟并得到了廣泛應(yīng)用，Qdash SLD在拓寬光譜寬度上表現(xiàn)出巨大潛力，但Qdash外延生長工藝相對復(fù)雜、自發(fā)輻射增益等相關(guān)研究較少以及載流子熱效應(yīng)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(guī)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(xiàn)高功率寬帶寬QW SLD器件仍然具有挑戰(zhàn)性。

量子點超輻射發(fā)光二極管研究進(jìn)展

基于Stranski-Krastanov（S-K）外延生長模式構(gòu)建的自組裝量子點（QD）結(jié)構(gòu)在制備高性能SLD方面表現(xiàn)出巨大潛力。首先，由于QD結(jié)構(gòu)的熱分布遠(yuǎn)小于體結(jié)構(gòu)和QW結(jié)構(gòu)，極易獲得高波長穩(wěn)定性和高溫度穩(wěn)定性的光電器件。其次，由于QD結(jié)構(gòu)天然的大尺寸不均勻性，能夠?qū)е聨资岭娮臃氐墓庾V展寬，有利于SLD的寬光譜輸出。此外，由于量子點基態(tài)（GS）發(fā)光能夠在低電流下達(dá)到飽和增益，QD易于產(chǎn)生激發(fā)態(tài)（ES1、ES2）發(fā)光。不同尺寸量子點的基態(tài)（GS）與激發(fā)態(tài)（ES1、ES2）能級重疊，使得量子點的能級近似連續(xù)分布，可以進(jìn)一步拓寬SLD光譜寬度，并獲得近似高斯分布光譜。由于QD材料的獨(dú)特優(yōu)勢，國內(nèi)外眾多研究機(jī)構(gòu)陸續(xù)開展了QD SLD的研究工作。

量子點SLD有源結(jié)構(gòu)

QD SLD有源結(jié)構(gòu)主要分為阱中點結(jié)構(gòu)（DWELL）、啁啾多層量子點結(jié)構(gòu), CM QD）、量子點量子阱混合結(jié)構(gòu)（QW/DWELL）以及異維量子點-量子阱結(jié)構(gòu)（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(fā)光等表征方法優(yōu)化DWELL結(jié)構(gòu)外延生長參數(shù)，如生長速率、生長溫度等。簡單多層InAs/InGaAs DWELL SLD已經(jīng)實現(xiàn)3 dB帶寬高達(dá)292 nm。另外，Lu等直接在Si襯底上生長InAs DWELL有源結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)SLD輸出功率3.8 mW、3 dB帶寬103 nm，促進(jìn)了SLD在硅光子集成領(lǐng)域的應(yīng)用。

對于啁啾多層量子點（CM QD）SLD，通常采用控制外延結(jié)構(gòu)中InAs量子點尺寸大小、InGaAs應(yīng)力緩沖覆蓋層的In組分或厚度等手段，實現(xiàn)啁啾多層量子點結(jié)構(gòu)中各層發(fā)射能量不同，達(dá)到進(jìn)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(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了QD SLD器件240 nm超寬帶寬輸出。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(shù)、密度以及結(jié)合錐形腔波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。Zhang等研制了五層InAs/In0.2Ga0.8As CM QD-SLD，實現(xiàn)了200 mW高功率輸出。

量子點量子阱混合（QW/DWELL）結(jié)構(gòu)是指有源區(qū)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(shè)計QW發(fā)射波長與量子點第二激發(fā)態(tài)（QD ES2）發(fā)射波長一致，增強(qiáng)了短波長QD ES2對輸出譜寬的貢獻(xiàn)。QW/DWELL有源結(jié)構(gòu)打破了SLD高功率與寬光譜的制約關(guān)系，實現(xiàn)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(jié)構(gòu)，并觀察到了QD GS、QD ES1與QWe1-hh1,2,3多態(tài)共同發(fā)射，器件在室溫10%占空比脈沖條件下3 dB帶寬高達(dá)290 nm。通過提高QW/QWELL混合結(jié)構(gòu)中量子點層的密度與層數(shù)，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(jié)構(gòu)（QWD）是指In組分在30%~50%范圍內(nèi)的InGaAs/GaAs異質(zhì)結(jié)構(gòu)形成的新型納米結(jié)構(gòu)，該納米結(jié)構(gòu)結(jié)合了量子阱和量子點的一些優(yōu)點。Mintairov等在GaAs襯底上觀察到In0.4Ga0.6As薄膜的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，出現(xiàn)了二 維量子阱結(jié)構(gòu)、富In島（QD1）以及InGaAs島（QD2），并表現(xiàn)出較高的模式增益特性。該研究小組研制了單層QWD結(jié)構(gòu)SLD器件，輸出功率為17 mW，光譜FWHM為36 nm。QWD有源結(jié)構(gòu)在實現(xiàn)QD SLD高功率輸出方面表現(xiàn)出極大的優(yōu)勢。

量子點SLD工藝技術(shù)

在QD SLD工藝技術(shù)方面，量子點摻雜技術(shù)和量子點選擇性區(qū)域混雜技術(shù)被證明能夠提高SLD輸出特性。量子點摻雜技術(shù)是指在QD結(jié)構(gòu)中進(jìn)行n型（Si）或p型（C、Be）摻雜，提高光電器件的輸出特性與熱穩(wěn)定特性。Hou等通過對InAs DWELL結(jié)構(gòu)中的GaAs壘層進(jìn)行Be摻雜工藝，發(fā)現(xiàn)Be摻雜帶來的大量空穴顯著增強(qiáng)了QD中載流子的輻射復(fù)合，提高了QD SLD器件的熱穩(wěn)定性。Lv等通過在CM QD中直接摻雜Si，有效鈍化QD附近或內(nèi)部的非輻射復(fù)合中心，Si-doped QD SLD室溫連續(xù)波輸出功率為20.5 mW，比未摻雜器件輸出功率提高12%。量子摻雜技術(shù)為生產(chǎn)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(qū)域混雜技術(shù)通常是指利用外延生長后退火工藝，在單片上實現(xiàn)量子點材料帶隙能量的空間變化。研究人員已經(jīng)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(wěn)定性，進(jìn)而實現(xiàn)高性能的QD混雜SLD器件。但量子點區(qū)域混雜技術(shù)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(qū)域混合的效果影響較大。Zhang等報道了熱退火工藝形成的選擇性區(qū)域混雜QD SLD，由長度4 mm的SiO?覆蓋層與長度2 mm的GaAs覆蓋層在700 ℃下退火5 min形成，實現(xiàn)了QD SLD中心波長1145 nm處光譜寬度310 nm。量子點選擇性區(qū)域混雜技術(shù)在進(jìn)一步拓寬QD SLD光譜寬度方面表現(xiàn)出巨大潛力。

綜上所述，QD SLD因其獨(dú)特的優(yōu)勢備受研究人員的關(guān)注，國內(nèi)外眾多研究小組分別在QD有源結(jié)構(gòu)、外延生長、能級躍遷、摻雜技術(shù)以及區(qū)域混雜技術(shù)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?qū)崿F(xiàn)室溫連續(xù)輸出功率大于100 mW、輸出帶寬大于200 nm。QD SLD通常表現(xiàn)出更寬的增益，對應(yīng)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(zhàn)性。量子點量子阱混合與異維量子點-量子阱新型有源結(jié)構(gòu)在實現(xiàn)高功率寬光譜SLD方面表現(xiàn)出巨大潛力，但是新型有源結(jié)構(gòu)中QD與QW之間的模式增益特性以及空間調(diào)制特性等理論研究匱乏，新型有源結(jié)構(gòu)QD SLD器件工作穩(wěn)定性較低。QD SLD相關(guān)工藝技術(shù)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(shù)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(nèi)，QD SLD的優(yōu)勢不能得到進(jìn)一步發(fā)揮，使其不能應(yīng)用于其他長波寬光譜光源系統(tǒng)。

表4 GaAs基量子點SLD研究進(jìn)展

量子級聯(lián)超輻射發(fā)光二極管研究進(jìn)展

量子級聯(lián)（QC）是指由多層半導(dǎo)體材料形成的周期性量子阱超晶格結(jié)構(gòu)，是量子工程和精細(xì)材料生長技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物?；谀軒Чこ汤碚摰牧孔蛹壜?lián)結(jié)構(gòu)突破了帶間躍遷的模式限制，實現(xiàn)了半導(dǎo)體發(fā)光器件3~300 μm波長的輸出。2002年，美國貝爾實驗室Gmachl等首次提出了中紅外量子級聯(lián)“超連續(xù)光譜”的制造與潛在應(yīng)用，奠定了量子級聯(lián)寬帶光源的發(fā)展基礎(chǔ)。2006年，英國Sheffield大學(xué)Zibik等首次研制了包含11個不同量子級聯(lián)有源結(jié)構(gòu)SLD，QC SLD開始進(jìn)入廣大研究人員的視線。

QC SLD不同于傳統(tǒng)的p-i-n型半導(dǎo)體發(fā)光器件，是基于導(dǎo)帶中電子的子帶間躍遷的單極性半導(dǎo)體中紅外光源。由于量子級聯(lián)材料中自發(fā)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(fā)現(xiàn)，在室溫下更薄更長的腔有助于實現(xiàn)最大的自發(fā)輻射，因此提高QC SLD輸出功率的常用手段是提高器件腔長，但過長的腔長大大加劇了器件制備工藝難度。Aung等設(shè)計了緊湊型螺旋腔結(jié)構(gòu)QC SLD，室溫下12 mm腔長器件獲得了高達(dá)57 mW的輸出功率，為該波段當(dāng)前最高功率水平。中國科學(xué)院蘇州納米所Hou研究小組報道了基于雙聲子共振設(shè)計的應(yīng)變補(bǔ)償In0.678Ga0.322As/In0.365Al0.635AsQC SLD，室溫準(zhǔn)連續(xù)條件下輸出中心波長5 μm、FWHM大于200 cm?1、峰值功率0.5 mW。另外，國內(nèi)外眾多研究小組陸續(xù)開展了QC SLD模式增益、多段緊湊器件結(jié)構(gòu)以及長波腔面減反膜等方面的研究。

目前，QC SLD的研究發(fā)展還處于起步階段，相關(guān)工藝技術(shù)發(fā)展相對緩慢。表5歸納對比了國內(nèi)外量子級聯(lián)SLD的特性參數(shù)，QC SLD相關(guān)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(xiàn)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(fā)生在同一個量子阱中），有源區(qū)設(shè)計局限為高微分增益有源區(qū)與雙聲子共振有源區(qū)兩種結(jié)構(gòu)。另外，由于量子級聯(lián)材料中子帶間躍遷過程非輻射載流子壽命非常短，導(dǎo)致其自發(fā)輻射效率非常低，因此實現(xiàn)高性能的超輻射輸出具有挑戰(zhàn)性。

表5 量子級聯(lián)SLD研究進(jìn)展

超輻射發(fā)光二極管的應(yīng)用

近年來，SLD器件得到了迅速的發(fā)展，QW SLD實現(xiàn)了0.6~2.6 μm波段高性能輸出，QD SLD實現(xiàn)了1~1.2 μm波段高性能輸出，QC SLD實現(xiàn)了4~7 μm波段輸出。量子點與量子阱等不同有源結(jié)構(gòu)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）、光學(xué)相干斷層成像技術(shù)（OCT）、波分復(fù)用技術(shù)（WDM）、光時域反射儀（OTDR）、可調(diào)諧外腔激光器、光纖傳感器和光纖測試等領(lǐng)域中被廣泛應(yīng)用。下面主要介紹SLD器件近年來的新應(yīng)用方向及潛在應(yīng)用。

圖3 不同有源結(jié)構(gòu)SLD輸出功率

圖4 不同有源結(jié)構(gòu)SLD光譜寬度

光學(xué)相干層析技術(shù)（OCT）是基于光學(xué)低相干干涉測量原理，對生物組織實現(xiàn)非接觸、無損傷和高分辨實層成像的一種新型光學(xué)測量技術(shù)。具有高功率和寬帶發(fā)射的SLD光源能夠提高OCT系統(tǒng)的軸向分辨率，是OCT系統(tǒng)最為理想的光源?，F(xiàn)階段，850 nm~1 μm波段SLD被應(yīng)用于眼科OCT檢查，~1.2 μm波段SLD用于皮膚組織成像。與此同時，Israelsen等證明了~4 μm超連續(xù)光譜中紅外OCT成像深度遠(yuǎn)大于近紅外OCT，能夠?qū)η度虢橘|(zhì)中的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)成像。中紅外OCT在檢測較短波長下具有強(qiáng)烈散射特性的樣品時表現(xiàn)出巨大潛力，如6~8 μm波段能夠檢測膠原蛋白酰胺、氟化鈣、磷酸鹽和碳酸鹽等組織結(jié)構(gòu)和生化成分。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(xù)譜與量子級聯(lián)激光器成為中紅外OCT的理想光源。

太赫茲互相關(guān)光譜系統(tǒng)（Thz CCS）是指依賴于光混合裝置中激光光源光譜成分疊加產(chǎn)生的拍頻，調(diào)制并加速太赫茲頻率范圍內(nèi)電荷載流子產(chǎn)生太赫茲光譜進(jìn)行互相關(guān)檢測。該系統(tǒng)常用的驅(qū)動光源為多模激光二極管，由于驅(qū)動光源腔內(nèi)的多種模式，產(chǎn)生的太赫茲光譜不具有連續(xù)特性。為此，Molter等提出使用1.55 μm SLD取代LD成為該檢測系統(tǒng)的驅(qū)動光源，產(chǎn)生了連續(xù)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(xiàn)出普適性。2022年，Tybussek等進(jìn)一步分析了SLD光源與生成的太赫茲光譜之間的關(guān)系。進(jìn)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(guān)光譜系統(tǒng)信號的動態(tài)范圍。

痕量氣體檢測在許多領(lǐng)域都有著重要作用，如工業(yè)過程檢測、人體呼吸氣體檢測以及大氣環(huán)境監(jiān)測。SLD在單獨(dú)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(yīng)與散射效應(yīng)。Divya等基于1.5 μm SLD的吸收光譜技術(shù)檢測了NH?與水蒸汽混合氣體中NH3含量，充分證明了SLD在痕量氣體檢測方面的應(yīng)用前景。進(jìn)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(yīng)用于檢測空氣中CO?和N?O等微量氣體，以應(yīng)對環(huán)境氣候變化、空氣變化與工業(yè)過程監(jiān)測。

另外，低相干特性836 nm SLD被應(yīng)用于光學(xué)多普勒測速儀檢測混合流體速度，在工業(yè)與醫(yī)療行業(yè)具有廣闊應(yīng)用前景，對SLD光源低相干特性提出了新需求；835 nm SLD與數(shù)字微鏡裝置結(jié)合使用產(chǎn)生具有顯著降低像差的光學(xué)電勢，獲得了比激光光源更逼真、對比度更高的圖像；1.2 μm SLD經(jīng)典光源實現(xiàn)了波長域的“鬼”成像，對經(jīng)典“鬼”成像模態(tài)中空間域和光譜域之間進(jìn)行了類比，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(jié)合應(yīng)用于定量測定空氣中離子的密度，有效解決了靜電放電導(dǎo)致電子設(shè)備故障的問題，對SLD光譜寬度與溫度穩(wěn)定性提出了新需求；SLD替代堿性放電燈成為原子磁強(qiáng)計的探測光源，為原子光學(xué)旋轉(zhuǎn)檢測提供了一種更實用的方法，有望應(yīng)用于心磁圖、腦磁圖系統(tǒng)。

總結(jié)與展望

本文分別從量子阱、量子點以及量子級聯(lián)有源結(jié)構(gòu)出發(fā)，綜合評述了紅外超輻射二極管近年來的研究進(jìn)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(fā)展。QW SLD在獲得高功率輸出方面表現(xiàn)出巨大優(yōu)勢，GaAs基、InP基與GaSb基QW SLD均能夠在室溫連續(xù)波條件下實現(xiàn)輸出功率大于100 mW；QD SLD充分發(fā)揮了QD材料在光譜展寬方面的獨(dú)特優(yōu)勢，室溫連續(xù)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(tài)以及激發(fā)態(tài)自發(fā)輻射，在同時獲得高功率與寬光譜輸出方面表現(xiàn)出巨大潛力；Qdash SLD基于同時放大QW與Qdash的自發(fā)發(fā)射，能夠獲得高達(dá)700 nm的光譜寬度。另外，InP基QC SLD在5~7 μm中紅外波段已經(jīng)實現(xiàn)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(jīng)取得了顯著的成果，但仍存在一定的工藝技術(shù)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(jié)構(gòu)中QD與QW或Qdash與QW間的空間調(diào)制特性、載流子復(fù)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(jié)構(gòu)SLD器件載流子熱效應(yīng)問題加劇，器件工作穩(wěn)定性較差；量子點摻雜與區(qū)域混雜技術(shù)工藝難度大，技術(shù)效果不穩(wěn)定；QC SLD寬光譜能帶工程理論研究匱乏，有源結(jié)構(gòu)、躍遷機(jī)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(jìn)一步擴(kuò)展紅外SLD的商業(yè)化應(yīng)用，仍然需要在以下三個方面進(jìn)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(jié)構(gòu)的理論研究與外延工藝研究，充分結(jié)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(guān)系；在有源結(jié)構(gòu)方面，完善多量子阱外延結(jié)構(gòu)設(shè)計與Qdash帶隙工程理論，發(fā)展寬光譜QC不同能量能級躍遷以及斜躍遷機(jī)制等能帶理論；在工藝技術(shù)方面，優(yōu)化MQW、Qdash以及QC等精細(xì)外延生長工藝，優(yōu)化量子點摻雜以及區(qū)域混雜等工藝技術(shù)；在器件結(jié)構(gòu)方面，設(shè)計新型微腔結(jié)構(gòu)或電注入結(jié)構(gòu)實現(xiàn)抑制光反饋目的，發(fā)展過渡熱沉等散熱封裝結(jié)構(gòu)；充分結(jié)合并發(fā)揮有源結(jié)構(gòu)、工藝技術(shù)以及器件結(jié)構(gòu)三者的優(yōu)勢，進(jìn)一步提高SLD輸出功率、光譜帶寬、工作壽命與穩(wěn)定性；同時開展應(yīng)變量子阱SLD其他輸出特性的研究，如調(diào)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(fā)展InP襯底自組裝量子點技術(shù)，進(jìn)一步發(fā)揮QD材料拓寬光譜的優(yōu)勢，將QD SLD輸出波長拓展到1.4~1.5 μm波段；發(fā)展InP/InGaAsSb材料體系SLD的外延結(jié)構(gòu)與器件結(jié)構(gòu)，使QW SLD輸出波長覆蓋1.6~1.9 μm波段；發(fā)展GaSb基SLD光子帶隙工程及富銦團(tuán)簇等相關(guān)技術(shù)，將QW SLD輸出波長拓展到3~4 μm波段；發(fā)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(shù)，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(shù)等的研究，促進(jìn)SLD陣列以及迭陣集成發(fā)展；通過對硅基鍵合集成技術(shù)、硅基外延生長工藝以及硅光波導(dǎo)等技術(shù)的研究，促進(jìn)SLD硅光電子集成發(fā)展。

審核編輯：劉清