紅外波段超輻射發(fā)光二極管研究進(jìn)展

楊靜航， 晏長(zhǎng)嶺， 劉云， 李奕霏， 馮源， 郝永芹， 李輝， 逄超

（長(zhǎng)春理工大學(xué) 高功率半導(dǎo)體激光國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 吉林 長(zhǎng)春 130022）

1 引 言

超輻射發(fā)光二極管（SLD）是一種光學(xué)性質(zhì)介于激光二極管（LD）和發(fā)光二極管（LED）之間的半導(dǎo)體光源，具有比 LD 更寬的發(fā)光光譜和更短的相干長(zhǎng)度、比 LED 更高的輸出功率和更高的調(diào)制帶寬。SLD發(fā)光原理與LD類(lèi)似，都是利用其內(nèi)部放大的自發(fā)輻射。與LD不同的是，SLD器件會(huì)采取一定的抑制光學(xué)反饋的措施（如“J”形波導(dǎo)、斜波導(dǎo)、無(wú)源吸收區(qū)與腔面膜工藝技術(shù)等），抑制光在器件腔面之間傳播時(shí)的激光振蕩與選模，實(shí)現(xiàn)寬光譜高功率發(fā)光。在Kurbotov 等提出自發(fā)單程放大現(xiàn)象的理論基礎(chǔ)上[1]，1973年，美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室Lee等首次成功研制了AlGaAs/GaAs雙異質(zhì)結(jié) SLD 器件[2]，SLD進(jìn)入了一個(gè)迅速發(fā)展的新階段。隨著理論研究[3-4]與制備工藝的不斷改進(jìn)，SLD有源結(jié)構(gòu)經(jīng)歷了三維體材料、二維量子阱[5]、零維量子點(diǎn)[6]、一維量子線(xiàn)[7]以及混合結(jié)構(gòu)的演進(jìn)，SLD外延結(jié)構(gòu)先后發(fā)展了AlGaAs/GaAs、In-GaAlAs/InP、InGaSb/GaSb和InGaN/GaN[8]等典型材料體系，SLD發(fā)光波長(zhǎng)從~850 nm近紅外波段拓展到~7 μm中紅外波段與~420 nm藍(lán)紫光波段[9-10]。

高功率和寬光譜是SLD器件的關(guān)鍵性特征。然而，同時(shí)實(shí)現(xiàn)高功率和寬光譜是相對(duì)困難的。在半導(dǎo)體器件的發(fā)射機(jī)制中，半導(dǎo)體增益介質(zhì)中隨機(jī)產(chǎn)生的自發(fā)輻射通過(guò)受激增益過(guò)程放大。受激增益過(guò)程中產(chǎn)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(fā)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(dǎo)致輸出功率增加，同時(shí)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(quán)衡關(guān)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(diǎn)近紅外SLD與量子級(jí)聯(lián)中紅外SLD的材料體系、外延結(jié)構(gòu)、器件結(jié)構(gòu)、工藝技術(shù)、研究成果及現(xiàn)存問(wèn)題。其中，量子阱SLD分別從GaAs襯底、InP襯底與GaSb襯底三個(gè)角度展開(kāi)論述，并特別介紹了InP基量子短線(xiàn)有源結(jié)構(gòu)；量子點(diǎn)SLD分別從阱中點(diǎn)、啁啾多層量子點(diǎn)、量子點(diǎn)量子阱混合和異維量子點(diǎn)-量子阱四種有源結(jié)構(gòu)展開(kāi)論述，并單獨(dú)介紹了量子點(diǎn)摻雜技術(shù)與選擇區(qū)域混雜技術(shù)。最后，概述了紅外波段SLD的應(yīng)用前景，并展望了SLD今后可能的發(fā)展趨勢(shì)與方向。

2 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(lái)，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(kāi)始成為寬光譜領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，常采用的幾種量子阱能帶結(jié)構(gòu)如圖1所示。

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(duì)稱(chēng)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(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(duì)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(shí)，單量子阱子能級(jí)躍遷導(dǎo)致輸出光譜中出現(xiàn)多個(gè)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(jí)躍遷對(duì)光譜穩(wěn)定性的影響。同時(shí)，MQW SLD在遠(yuǎn)場(chǎng)分布[11]與器件壽命[12]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(zhǎng)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(zhǎng)的非對(duì)稱(chēng)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[13-14]。

量子阱SLD研究熱點(diǎn)主要集中在實(shí)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[15]是提高SLD 輸出功率最為簡(jiǎn)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)[16]與錐形腔器件結(jié)構(gòu)等，但這種方法會(huì)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(duì)注入電流具有強(qiáng)烈依賴(lài)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[17]，進(jìn)而提高QW SLD的輸出功率，但這種方法對(duì)外延工藝要求較高。另外，陣列集成技術(shù)[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(wèn)題。

在拓寬SLD 光譜寬度方面，不同阱寬或不同增益波長(zhǎng)的多量子阱有源結(jié)構(gòu)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(shù)產(chǎn)生帶隙漸變QW結(jié)構(gòu)[20]能夠拓展SLD光譜寬度，但實(shí)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(jìng)爭(zhēng)，充分發(fā)揮量子阱子能級(jí)躍遷對(duì)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)[21]、非對(duì)稱(chēng)波導(dǎo)包層結(jié)構(gòu)[22]以及多段緊湊器件結(jié)構(gòu)[23]，但這種方法會(huì)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(guò)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(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)與材料體系關(guān)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(fā)光二極管

自Paoli等成功研制了高功率AlGaAs量子阱SLD器件[24]開(kāi)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Al-GaAs/GaAs材料體系QW SLD相關(guān)工藝技術(shù)發(fā)展相對(duì)比較成熟[25]，并在檢測(cè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。近年來(lái)，InGaAs/GaAs材料體系QW SLD得到了廣泛研究，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)在~1.0 μm波段高性能輸出[26]；Ohgoh等優(yōu)化非對(duì)稱(chēng)InGaAs雙量子阱（DQW）之間的發(fā)射波長(zhǎng)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[19]，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[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(xiàn)出巨大優(yōu)勢(shì)，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(cè)試結(jié)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(xiàn)出巨大潛力，Aho等研制了GaIn-NAs/GaAs單量子阱SLD，室溫連續(xù)波條件下允許2 000 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[17]。同時(shí)，長(zhǎng)春理工大學(xué)高功率半導(dǎo)體激光實(shí)驗(yàn)室自2006年開(kāi)始GaAs基 QW SLD相關(guān)工藝技術(shù)研究[30-31]，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[32]、~970 nm波段非均勻MQW SLD室溫連續(xù)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?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Tab.1 Research progress on GaAs-based quantum well SLD

2.2 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(shí)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(wèn)題，InP基QW SLD發(fā)射波長(zhǎng)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(zhǎng)拓展為2.1 μm[34]。

2.2.1 InP基量子阱有源結(jié)構(gòu)

InGaAsP/InP材料體系SLD發(fā)展相對(duì)比較成熟[35-36]，能夠?qū)崿F(xiàn)室溫連續(xù)波輸出功率高達(dá)115 mW[37]，輸出光譜FWHM達(dá)130 nm[38]。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(diǎn)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%[20]。AlGaInAs/InP材料體系具有比GaInAsP/InP材料體系更大的導(dǎo)帶偏移[39]，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[40]。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(zhǎng)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(shù)將三個(gè)組分不同AlxGayIn1-x-yAs的SLD耦合，在中心波長(zhǎng)1.3 μm處FWHM高達(dá)180 nm[42]。同時(shí)，長(zhǎng)春理工大學(xué)研制的AlGaInAs材料體系SLD，實(shí)現(xiàn)了~1.3 μm波段室溫連續(xù)輸出功率42.2 mW[43]、~1.5 μm波段室溫連續(xù)輸出功率26.1 mW[44]。

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[45]。然而，SLD中橫向電場(chǎng)（TE）和橫向磁場(chǎng)（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(shí)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)[46]，使輕空穴帶的能級(jí)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(guò)三個(gè)壓應(yīng)變量子阱（晶格失配度1.1%）和兩個(gè)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[48]。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(kāi)展了增大SLD偏振靈敏度的研究[49]。

2.2.2 InP基量子短線(xiàn)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(xiàn)的發(fā)現(xiàn)，量子短線(xiàn)（Qdash）是一種高度和寬度與量子點(diǎn)（QD）相似、但長(zhǎng)度更長(zhǎng)的有限長(zhǎng)的線(xiàn)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(guò)多種方式得到證明，如基于InAs/InP量子短線(xiàn)（QDash）材料的激光二極管具有低聲、低閾值電流密度[50]、高模態(tài)增益波長(zhǎng)寬帶放大[51]以及良好的溫度穩(wěn)定性[52]，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(zhǎng)及能級(jí)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(xiàn)（Dash-inwell）有源結(jié)構(gòu)。隨著注入能級(jí)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(shí)現(xiàn)SLD寬光譜輸出方面表現(xiàn)出巨大潛力[53]。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(shí)進(jìn)行放大自發(fā)輻射過(guò)程，實(shí)現(xiàn)SLD器件發(fā)射帶寬大于700 nm，覆蓋了整個(gè)O-E-S-C-L-U通信頻帶[54]。次年，該研究小組通過(guò)改進(jìn)器件結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了SLD器件室溫連續(xù)波輸出功率大于22 mW[55]。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(shì)。

表2歸納了上述InGaAsP/InP、AlGaInAs/InP材料體系與InAs量子短線(xiàn)（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Tab.2 Research progress on InP-based quantum well SLD

2.3 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[56]與GaInSb/GaSb材料體系[57]SLD均實(shí)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(shí)現(xiàn)室溫連續(xù)波輸出功率120 mW[58]。隨著波長(zhǎng)增加而增加的俄歇復(fù)合過(guò)程，導(dǎo)致長(zhǎng)波GaSb基SLD輸出特性發(fā)生嚴(yán)重退化，研究人員通過(guò)對(duì)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(zhǎng)低于2.5 μm的限制。Vizbaras等通過(guò)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(zhǎng)為2.05，2.25，2.4 μm[59]；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(zhǎng)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(tuán)簇的方法，引起晶格缺陷導(dǎo)致發(fā)射峰紅移到3.5 μm[61]，有望應(yīng)用于SLD中進(jìn)一步拓展其輸出波長(zhǎng)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Tab.3 Research progress on GaSb-based quantum well SLD

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(shì)，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(duì)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(duì)緩慢，主要集中在Ⅰ類(lèi)量子阱SLD的研究，并且國(guó)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(duì)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(zhǎng)工藝相對(duì)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(wèn)題加劇。同時(shí)，由于QW SLD存在較高的電流密度帶來(lái)的散熱問(wèn)題、光譜形狀不規(guī)則問(wèn)題、載流子分布不均勻問(wèn)題以及光子重吸收問(wèn)題等，實(shí)現(xiàn)高功率寬帶寬QW SLD器件仍然具有挑戰(zhàn)性。

3 量子點(diǎn)超輻射發(fā)光二極管研究進(jìn)展

基于Stranski-Krastanov（S-K）外延生長(zhǎng)模式構(gòu)建的自組裝量子點(diǎn)（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(zhǎng)穩(wěn)定性和高溫度穩(wěn)定性的光電器件[62]。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(diǎn)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(diǎn)的基態(tài)（GS）與激發(fā)態(tài)（ES1、ES2）能級(jí)重疊，使得量子點(diǎn)的能級(jí)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[63]。由于QD材料的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，國(guó)內(nèi)外眾多研究機(jī)構(gòu)陸續(xù)開(kāi)展了QD SLD的研究工作。

3.1 量子點(diǎn)SLD有源結(jié)構(gòu)

QD SLD有源結(jié)構(gòu)主要分為阱中點(diǎn)結(jié)構(gòu)（DWELL）、啁啾多層量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)（Chirped multiple QD, CM QD）、量子點(diǎn)量子阱混合結(jié)構(gòu)（QW/DWELL）以及異維量子點(diǎn)-量子阱結(jié)構(gòu)（QWD）。DWELL即在量子阱中生長(zhǎng)量子點(diǎn)，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(zhǎng)參數(shù)，如生長(zhǎng)速率、生長(zhǎng)溫度[64]等。簡(jiǎn)單多層InAs/InGaAs DWELL SLD已經(jīng)實(shí)現(xiàn)3 dB帶寬高達(dá)292 nm[65]。另外，Lu等直接在Si襯底上生長(zhǎng)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[66]，促進(jìn)了SLD在硅光子集成領(lǐng)域的應(yīng)用。

對(duì)于啁啾多層量子點(diǎn)（CM QD）SLD，通常采用控制外延結(jié)構(gòu)中InAs量子點(diǎn)尺寸大小[67]、In-GaAs應(yīng)力緩沖覆蓋層的In組分或厚度[68]等手段，實(shí)現(xiàn)啁啾多層量子點(diǎn)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(guò)三層InAs/In0.1Ga0.9As CM QD有源結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了QD SLD器件240 nm超寬帶寬輸出[69]。在提高啁啾多層量子點(diǎn)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)[70]。Zhang等研制了五層InAs/In0.2Ga0.8As CM QD-SLD，實(shí)現(xiàn)了200 mW高功率輸出[71]。

量子點(diǎn)量子阱混合（QW/DWELL）結(jié)構(gòu)是指有源區(qū)是由先后生長(zhǎng)的單量子阱與多層阱中量子點(diǎn)組合形成。理論上設(shè)計(jì)QW發(fā)射波長(zhǎng)與量子點(diǎn)第二激發(fā)態(tài)（QD ES2）發(fā)射波長(zhǎng)一致，增強(qiáng)了短波長(zhǎng)QD ES2對(duì)輸出譜寬的貢獻(xiàn)[72]。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(shí)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(zhǎng)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[73]。通過(guò)提高QW/QWELL混合結(jié)構(gòu)中量子點(diǎn)層的密度與層數(shù)[74]，有望在保持QD SLD較寬光譜輸出的同時(shí)獲得較高的輸出功率。

異維量子點(diǎn)-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(diǎn)的一些優(yōu)點(diǎn)。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）[75]，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[76]。QWD有源結(jié)構(gòu)在實(shí)現(xiàn)QD SLD高功率輸出方面表現(xiàn)出極大的優(yōu)勢(shì)。

3.2 量子點(diǎn)SLD工藝技術(shù)

在QD SLD工藝技術(shù)方面，量子點(diǎn)摻雜技術(shù)和量子點(diǎn)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(diǎn)摻雜技術(shù)是指在QD結(jié)構(gòu)中進(jìn)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(wěn)定特性。Hou等通過(guò)對(duì)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(lái)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[79]。Lv等通過(guò)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，Sidoped 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%[80]。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(kāi)辟了可能性。

量子點(diǎn)選擇性區(qū)域混雜技術(shù)通常是指利用外延生長(zhǎng)后退火工藝，在單片上實(shí)現(xiàn)量子點(diǎn)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(guò)程中的熱穩(wěn)定性，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)高性能的QD混雜SLD器件[81]。但量子點(diǎn)區(qū)域混雜技術(shù)工藝難度依然很大，退火過(guò)程中覆蓋層材料、退火溫度與退火時(shí)間等工藝條件對(duì)QD區(qū)域混合的效果影響較大[82]。Zhang等報(bào)道了熱退火工藝形成的選擇性區(qū)域混雜QD SLD，由長(zhǎng)度4 mm的SiO2覆蓋層與長(zhǎng)度2 mm的GaAs覆蓋層在700 ℃下退火5 min形成，實(shí)現(xiàn)了QD SLD中心波長(zhǎng)1 145 nm處光譜寬度310 nm[83]。量子點(diǎn)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(shì)備受研究人員的關(guān)注，國(guó)內(nèi)外眾多研究小組分別在QD有源結(jié)構(gòu)、外延生長(zhǎng)、能級(jí)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(duì)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(diǎn)量子阱混合與異維量子點(diǎn)-量子阱新型有源結(jié)構(gòu)在實(shí)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(wèn)題。另外，QD SLD的輸出波長(zhǎng)被限制在1~1.3 μm范圍內(nèi)，QD SLD的優(yōu)勢(shì)不能得到進(jìn)一步發(fā)揮，使其不能應(yīng)用于其他長(zhǎng)波寬光譜光源系統(tǒng)。

4 量子級(jí)聯(lián)超輻射發(fā)光二極管研究進(jìn)展

量子級(jí)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(zhǎng)技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物?；谀軒Чこ汤碚摰牧孔蛹?jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)突破了帶間躍遷的模式限制，實(shí)現(xiàn)了半導(dǎo)體發(fā)光器件3~300 μm波長(zhǎng)的輸出[84]。2002年，美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室Gmachl等首次提出了中紅外量子級(jí)聯(lián)“超連續(xù)光譜”的制造與潛在應(yīng)用[85]，奠定了量子級(jí)聯(lián)寬帶光源的發(fā)展基礎(chǔ)。2006年，英國(guó)Sheffield大學(xué)Zibik等首次研制了包含11個(gè)不同量子級(jí)聯(lián)有源結(jié)構(gòu)SLD[86]，QC SLD開(kāi)始進(jìn)入廣大研究人員的視線(xiàn)。

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(jí)聯(lián)材料中自發(fā)輻射效率低的問(wèn)題，QC SLD的研究熱點(diǎn)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(zhǎng)的腔有助于實(shí)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(zhǎng)[87]，但過(guò)長(zhǎng)的腔長(zhǎng)大大加劇了器件制備工藝難度。Aung等設(shè)計(jì)了緊湊型螺旋腔結(jié)構(gòu)QC SLD，室溫下12 mm腔長(zhǎng)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[88]。中國(guó)科學(xué)院蘇州納米所Hou研究小組報(bào)道了基于雙聲子共振設(shè)計(jì)的應(yīng)變補(bǔ)償In0.678Ga0.322As/In0.365Al0.635As QC SLD，室溫準(zhǔn)連續(xù)條件下輸出中心波長(zhǎng)5 μm、FWHM大于200 cm-1、峰值功率0.5 mW[89]。另外，國(guó)內(nèi)外眾多研究小組陸續(xù)開(kāi)展了QC SLD模式增益[90]、多段緊湊器件結(jié)構(gòu)[91]以及長(zhǎng)波腔面減反膜[92]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(duì)緩慢。表5歸納對(duì)比了國(guó)內(nèi)外量子級(jí)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(zhǎng)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(gè)量子阱中），有源區(qū)設(shè)計(jì)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(jí)聯(lián)材料中子帶間躍遷過(guò)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(shí)現(xiàn)高性能的超輻射輸出具有挑戰(zhàn)性。

表5 量子級(jí)聯(lián)SLD研究進(jìn)展Tab.5 Research progress on quantum cascade SLD

5 超輻射發(fā)光二極管的應(yīng)用

近年來(lái)，SLD器件得到了迅速的發(fā)展，QW SLD實(shí)現(xiàn)了0.6~2.6 μm波段高性能輸出，QD SLD實(shí)現(xiàn)了1~1.2 μm波段高性能輸出，QC SLD實(shí)現(xiàn)了4~7 μm波段輸出。量子點(diǎn)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）[93-94]、光學(xué)相干斷層成像技術(shù)（OCT）、波分復(fù)用技術(shù)（WDM）、光時(shí)域反射儀（OTDR）、可調(diào)諧外腔激光器、光纖傳感器和光纖測(cè)試等領(lǐng)域中被廣泛應(yīng)用。下面主要介紹SLD器件近年來(lái)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Fig.3 SLD output power of different active structures

圖4 不同有源結(jié)構(gòu)SLD光譜寬度Fig.4 SLD spectral bandwidths of different active structures

光學(xué)相干層析技術(shù)（OCT）是基于光學(xué)低相干干涉測(cè)量原理，對(duì)生物組織實(shí)現(xiàn)非接觸、無(wú)損傷和高分辨實(shí)層成像的一種新型光學(xué)測(cè)量技術(shù)[95]。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[96]，~1.2 μm波段SLD用于皮膚組織成像[97]。與此同時(shí)，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[98]。中紅外OCT在檢測(cè)較短波長(zhǎng)下具有強(qiáng)烈散射特性的樣品時(shí)表現(xiàn)出巨大潛力，如6~8 μm波段能夠檢測(cè)膠原蛋白酰胺、氟化鈣[99]、磷酸鹽和碳酸鹽等組織結(jié)構(gòu)和生化成分[100]。中紅外QC SLD能夠滿(mǎn)足OCT對(duì)長(zhǎng)波光源的需求，有望取代超連續(xù)譜與量子級(jí)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(lài)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(cè)。該系統(tǒng)常用的驅(qū)動(dòng)光源為多模激光二極管，由于驅(qū)動(dòng)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(cè)系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)光源，產(chǎn)生了連續(xù)太赫茲光譜，并在對(duì)α-乳糖一水合物、對(duì)氨基苯甲酸（PABA）以及空氣中水蒸氣等樣品檢測(cè)中表現(xiàn)出普適性[101]。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[102]。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(hào)的動(dòng)態(tài)范圍。

痕量氣體檢測(cè)在許多領(lǐng)域都有著重要作用，如工業(yè)過(guò)程檢測(cè)、人體呼吸氣體檢測(cè)以及大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)。SLD在單獨(dú)檢測(cè)和量化混合物中的多種氣體過(guò)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(cè)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(cè)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(cè)空氣中CO2[104]和N2O[105]等微量氣體，以應(yīng)對(duì)環(huán)境氣候變化、空氣變化與工業(yè)過(guò)程監(jiān)測(cè)。

另外，低相干特性836 nm SLD被應(yīng)用于光學(xué)多普勒測(cè)速儀檢測(cè)混合流體速度[106]，在工業(yè)與醫(yī)療行業(yè)具有廣闊應(yīng)用前景，對(duì)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(shì)，獲得了比激光光源更逼真、對(duì)比度更高的圖像[107]；1.2 μm SLD經(jīng)典光源實(shí)現(xiàn)了波長(zhǎng)域的“鬼”成像，對(duì)經(jīng)典“鬼”成像模態(tài)中空間域和光譜域之間進(jìn)行了類(lèi)比[108]，對(duì)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(cè)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(wèn)題[109]，對(duì)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(jì)的探測(cè)光源，為原子光學(xué)旋轉(zhuǎn)檢測(cè)提供了一種更實(shí)用的方法，有望應(yīng)用于心磁圖、腦磁圖系統(tǒng)[110]。

6 總結(jié)與展望

本文分別從量子阱、量子點(diǎn)以及量子級(jí)聯(lián)有源結(jié)構(gòu)出發(fā)，綜合評(píng)述了紅外超輻射二極管近年來(lái)的研究進(jìn)展。近十年來(lái)，SLD器件向著更長(zhǎng)波長(zhǎng)、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(shì)，GaAs基、InP基與GaSb基QW SLD均能夠在室溫連續(xù)波條件下實(shí)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(shì)，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(shí)放大 QW與QD基態(tài)以及激發(fā)態(tài)自發(fā)輻射，在同時(shí)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(shí)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(shí)現(xiàn)毫瓦級(jí)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(wèn)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(jìng)爭(zhēng)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(wèn)題加劇，器件工作穩(wěn)定性較差；量子點(diǎn)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(gè)方面進(jìn)行深入探討: （1）SLD輸出特性研究。通過(guò)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(diǎn)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(jì)與Qdash帶隙工程理論，發(fā)展寬光譜QC不同能量能級(jí)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(zhǎng)工藝，優(yōu)化量子點(diǎn)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(jì)新型微腔結(jié)構(gòu)或電注入結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)抑制光反饋目的，發(fā)展過(guò)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(shì)，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(shí)開(kāi)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(zhǎng)拓展研究。發(fā)展InP襯底自組裝量子點(diǎn)技術(shù)，進(jìn)一步發(fā)揮QD材料拓寬光譜的優(yōu)勢(shì)，將QD SLD輸出波長(zhǎng)拓展到1.4~1.5 μm波段；發(fā)展InP/In-GaAsSb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(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)工藝以及長(zhǎng)波腔面膜技術(shù)，將QC SLD輸出波長(zhǎng)拓展到長(zhǎng)波紅外波段乃至太赫茲波段輸出。 （3）光電集成研究。通過(guò)SLD過(guò)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(guò)對(duì)硅基鍵合集成技術(shù)、硅基外延生長(zhǎng)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。

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