红外波段超辐射发光二极管研究进展

杨静航， 晏长岭， 刘云， 李奕霏， 冯源， 郝永芹， 李辉， 逄超

（长春理工大学 高功率半导体激光国家重点实验室， 吉林 长春 130022）

1 引 言

超辐射发光二极管（SLD）是一种光学性质介于激光二极管（LD）和发光二极管（LED）之间的半导体光源，具有比 LD 更宽的发光光谱和更短的相干长度、比 LED 更高的输出功率和更高的调制带宽。SLD发光原理与LD类似，都是利用其内部放大的自发辐射。与LD不同的是，SLD器件会采取一定的抑制光学反馈的措施（如“J”形波导、斜波导、无源吸收区与腔面膜工艺技术等），抑制光在器件腔面之间传播时的激光振荡与选模，实现宽光谱高功率发光。在Kurbotov 等提出自发单程放大现象的理论基础上[1]，1973年，美国贝尔实验室Lee等首次成功研制了AlGaAs/GaAs双异质结 SLD 器件[2]，SLD进入了一个迅速发展的新阶段。随着理论研究[3-4]与制备工艺的不断改进，SLD有源结构经历了三维体材料、二维量子阱[5]、零维量子点[6]、一维量子线[7]以及混合结构的演进，SLD外延结构先后发展了AlGaAs/GaAs、In-GaAlAs/InP、InGaSb/GaSb和InGaN/GaN[8]等典型材料体系，SLD发光波长从~850 nm近红外波段拓展到~7 μm中红外波段与~420 nm蓝紫光波段[9-10]。

高功率和宽光谱是SLD器件的关键性特征。然而，同时实现高功率和宽光谱是相对困难的。在半导体器件的发射机制中，半导体增益介质中随机产生的自发辐射通过受激增益过程放大。受激增益过程中产生的光子具有相同的相位、频率以及偏振特性，故受激增益的光谱宽度比自发辐射的光谱宽度小得多。随着器件中注入电流的增大，SLD受激增益变大导致输出功率增加，同时降低了光谱宽度。这意味着SLD在高功率和宽光谱之间存在权衡关系。

本文聚焦于SLD的输出功率与光谱宽度特性，分别阐述了量子阱、量子点近红外SLD与量子级联中红外SLD的材料体系、外延结构、器件结构、工艺技术、研究成果及现存问题。其中，量子阱SLD分别从GaAs衬底、InP衬底与GaSb衬底三个角度展开论述，并特别介绍了InP基量子短线有源结构；量子点SLD分别从阱中点、啁啾多层量子点、量子点量子阱混合和异维量子点-量子阱四种有源结构展开论述，并单独介绍了量子点掺杂技术与选择区域混杂技术。最后，概述了红外波段SLD的应用前景，并展望了SLD今后可能的发展趋势与方向。

2 量子阱超辐射发光二极管研究进展

进入20世纪80年代以来，随着分子束外延（MBE）和金属有机化学气相沉积（MOCVD）等晶体外延技术的迅速发展，量子阱（QW）有源结构SLD 开始成为宽光谱领域的研究热点，常采用的几种量子阱能带结构如图1所示。

图1 量子阱能带结构示意图。 （a）单量子阱；（b）多量子阱；（c）不同阱宽的多量子阱；（d）非对称双量子阱。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.

图1（a）为单量子阱（SQW）能带结构示意图，由于单量子阱材料高增益特性，单量子阱SLD极易得到较高的功率输出。但是，由于单量子阱对非平衡载流子的收集能力较弱，SQW SLD器件温度稳定性不理想。当较大电流注入时，单量子阱子能级跃迁导致输出光谱中出现多个峰包凸起，使SLD器件光谱波纹与光谱稳定性急剧下降。图1（b）为多量子阱（MQW）能带结构示意图，多量子阱能够缓解子能级跃迁对光谱稳定性的影响。同时，MQW SLD在远场分布[11]与器件寿命[12]等方面表现出巨大潜力。在MQW SLD的基础上，利用不同阱宽或不同增益波长的SQW连接形成的MQW有源结构，在拓展器件谱宽方面具有显著效果，图1（c）为不同阱宽dw的多量子阱能带结构示意图，图1（d）为不同增益波长的非对称双量子阱（DQW）能带结构示意图。另外，利用量子阱和垒材料晶格常数失配形成的应变量子阱有源结构也得到了广泛的应用，如张应变QW SLD易于获得低偏振性光束、压应变QW SLD易于获得较大的光学增益与量子效率[13-14]。

量子阱SLD研究热点主要集中在实现高功率和宽光谱输出。在提高QW SLD 输出功率方面，增大SLD有源区域的体积[15]是提高SLD 输出功率最为简单直接的方法。这种方法常采用的手段有多模干涉有源（Active-MMI）器件结构[16]与锥形腔器件结构等，但这种方法会在有源区内产生多种空间模式，导致发射光谱形状对注入电流具有强烈依赖性。其次，优化量子阱外延材料体系与利用应变量子阱结构等手段提高电流的注入效率[17]，进而提高QW SLD的输出功率，但这种方法对外延工艺要求较高。另外，阵列集成技术[18]也能够有效提高SLD输出功率，但这种方法需要考虑光束整形与器件散热问题。

在拓宽SLD 光谱宽度方面，不同阱宽或不同增益波长的多量子阱有源结构是最为普遍且有效的方法[19]，但这种方法拓宽光谱的能力有限。其次，量子阱混杂技术产生带隙渐变QW结构[20]能够拓展SLD光谱宽度，但实现量子阱混杂技术的离子注入工艺或激光加热工艺等工艺难度大、稳定性低。第三，降低量子阱内多种模式间的竞争，充分发挥量子阱子能级跃迁对SLD光谱宽度的贡献，常用的手段有多量子阱有源结构[21]、非对称波导包层结构[22]以及多段紧凑器件结构[23]，但这种方法会导致光谱波纹增大、光谱稳定性降低。另外，利用宽带光纤耦合器的空间合束技术也能够有效拓展SLD光谱宽度，但这种方法外部设备过多且系统复杂。

目前，量子阱SLD能够实现0.6~2.6 μm近红外波段的输出。量子阱SLD的有源区材料大多由Ⅲ~Ⅴ族半导体化合物材料组成，材料组成体系与发光波长如图2所示，不同的材料体系与不同组分导致发光中心波长不同。以下将分别详细介绍GaAs基量子阱SLD、InP基量子阱SLD以及GaSb基量子阱SLD的研究进展。

图2 量子阱SLD发光波长与材料体系关系图Fig.2 Relationship between luminescence wavelength and material system of quantum well SLD

2.1 GaAs基量子阱超辐射发光二极管

自Paoli等成功研制了高功率AlGaAs量子阱SLD器件[24]开始，GaAs基量子阱SLD器件得到了迅速发展与广泛应用。早期GaAs基QW SLD主要采用AlGaAs/GaAs材料体系，~850 nm波段Al-GaAs/GaAs材料体系QW SLD相关工艺技术发展相对比较成熟[25]，并在检测领域得到了广泛的应用。近年来，InGaAs/GaAs材料体系QW SLD得到了广泛研究，已经实现在~1.0 μm波段高性能输出[26]；Ohgoh等优化非对称InGaAs双量子阱（DQW）之间的发射波长差，能带结构示意图如图1（d）所示，获得了光谱半高全宽（FWHM）77.5 nm的SLD器件[19]，为当前该波段QW SLD最大光谱FWHM；Duan等利用该材料体系研制了调制带宽高达1.7 GHz的SLD器件[27]；Kiethe等利用该材料体系研制了二阶相干特性低至g（2）（0）≈1.2的SLD器件[28]。

GaAsP/GaAs材料体系在QW SLD偏振特性研究方面表现出巨大优势，Liu等研制了0.8 μm张应变GaAs0.92P0.08/Al0.25Ga0.75As 双量子阱有源结构SLD器件，器件测试结果表明偏振度降低为4%[29]。GaInNAs/GaAs材料体系在QW SLD 高功率输出方面表现出巨大潜力，Aho等研制了GaIn-NAs/GaAs单量子阱SLD，室温连续波条件下允许2 000 mA高电流注入，在1.2 μm波段连续输出功率高达418 mW，为该波段当前最高功率输出水平[17]。同时，长春理工大学高功率半导体激光实验室自2006年开始GaAs基 QW SLD相关工艺技术研究[30-31]，并取得了~850 nm波段非均匀MQW SLD室温连续输出功率14.36 mW[32]、~970 nm波段非均匀MQW SLD室温连续输出功率74 mW[33]的成果。目前，AlGaInP/GaAs、AlGaAs/GaAs、In-GaAs/GaAs、GaAsP/GaAs、GaInNAs/GaAs等材料体系QW SLD能够实现0.6~1.3 μm波段高性能输出，表1归纳了GaAs基量子阱SLD的输出性能。

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

2.2 InP基量子阱超辐射发光二极管

InP基QW SLD通常采用AlGaInAs/InP材料体系与GaInAsP/InP材料体系，实现在1.3~1.6 μm波段发光。由于InP基量子阱结构中电子、空穴波函数重叠较少以及自发辐射效率低的问题，InP基QW SLD发射波长被限制在小于1.9 μm，但InGaAsSb/InP材料体系成功地将InP基QW SLD输出中心波长拓展为2.1 μm[34]。

2.2.1 InP基量子阱有源结构

InGaAsP/InP材料体系SLD发展相对比较成熟[35-36]，能够实现室温连续波输出功率高达115 mW[37]，输出光谱FWHM达130 nm[38]。并且，Beal等采用GaInAsP/InP材料体系进行红外激光快速热退火（IR Laser-RTA）工艺，促进点缺陷在结构中的扩散，获得渐变带隙量子阱混杂（QWI）SLD的光谱FWHM比退火工艺前增加33%[20]。AlGaInAs/InP材料体系具有比GaInAsP/InP材料体系更大的导带偏移[39]，增强了量子阱中的电子局部化，降低了非辐射俄歇复合的负面影响，提高了器件在高温下的工作能力[40]。Sabitov等采用该材料体系，研制了压应变（晶格失配度1.4%）MQW SLD，在中心波长1.5 μm处获得大于5 mW单模光纤输出功率与大于60 nm的谱宽[41]；Kostin等利用空间合束技术将三个组分不同AlxGayIn1-x-yAs的SLD耦合，在中心波长1.3 μm处FWHM高达180 nm[42]。同时，长春理工大学研制的AlGaInAs材料体系SLD，实现了~1.3 μm波段室温连续输出功率42.2 mW[43]、~1.5 μm波段室温连续输出功率26.1 mW[44]。

值得关注的是，应用于高灵敏度光纤陀螺仪与光纤光栅传感领域的宽带光源应具有较低的偏振灵敏度[45]。然而，SLD中横向电场（TE）和横向磁场（TM）模式之间的光输出功率差异很大，即存在较高的偏振灵敏度。实现低偏振灵敏度SLD的有效手段是采用较大的张应变MQW有源结构[46]，使轻空穴带的能级低于重空穴带，增加TM模式的材料增益[47]。Ma等在InGaAsP/InP材料体系中，通过三个压应变量子阱（晶格失配度1.1%）和两个张应变量子阱（晶格失配度-1.0%）相结合的有源结构，获得了1.3 μm波段的偏振不敏感多量子阱SLD器件[48]。与之相反，Hsiao等利用较高压应变（晶格失配度1.2%）InGaAsP MQW有源结构，开展了增大SLD偏振灵敏度的研究[49]。

2.2.2 InP基量子短线有源结构

自组装技术在InP衬底上的尝试导致了量子短线的发现，量子短线（Qdash）是一种高度和宽度与量子点（QD）相似、但长度更长的有限长的线状纳米结构，具有显著的面内延伸率。QDash的应用潜力已通过多种方式得到证明，如基于InAs/InP量子短线（QDash）材料的激光二极管具有低声、低阈值电流密度[50]、高模态增益波长宽带放大[51]以及良好的温度稳定性[52]，能够实现1.3~2.0 μm波段上基态跃迁。为了精确控制QDash结构的波长及能级结构，通常将QDash结构嵌入三元四元化合物的QW中形成阱中短线（Dash-inwell）有源结构。随着注入能级的增加，Qdash具有独特的准一维行为，在纵向上具有不同的量化效应和带填充效应，这使得Qdash有源增益结构在实现SLD宽光谱输出方面表现出巨大潜力[53]。Khan等采用垒层厚度不同的InAs/InGaAlAs Qdash压应变四量子阱结构，使QW与QDash同时进行放大自发辐射过程，实现SLD器件发射带宽大于700 nm，覆盖了整个O-E-S-C-L-U通信频带[54]。次年，该研究小组通过改进器件结构实现了SLD器件室温连续波输出功率大于22 mW[55]。这种新型InP基InAs QDash有源结构SLD在产生超宽连续激光光谱方面表现出独特优势。

表2归纳了上述InGaAsP/InP、AlGaInAs/InP材料体系与InAs量子短线（Qdash）结构的InP基QW SLD的输出性能。

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

2.3 GaSb基量子阱超辐射发光二极管

随GaSb高质量增益材料的发展，GaInAsSb/GaSb材料体系[56]与GaInSb/GaSb材料体系[57]SLD均实现了2~3 μm波段高性能输出。GaInSb/GaSb材料体系QW SLD已经在~2 μm波段实现室温连续波输出功率120 mW[58]。随着波长增加而增加的俄歇复合过程，导致长波GaSb基SLD输出特性发生严重退化，研究人员通过对GaInAsSb/GaSb材料体系有源组分、应变以及富In团簇的探索，打破了GaSb基QW SLD输出波长低于2.5 μm的限制。Vizbaras等通过控制有源结构中GaxIn1-xAsySb1-y压应变量子阱的组分，分别调制SLD器件输出波长为2.05，2.25，2.4 μm[59]；Nouman等采用2%较高压应变Ga0.54In0.46As0.13Sb0.83/GaSb量子阱有源结构，将GaSb基SLD中心输出波长拓展为2.55 μm，但器件只能在脉冲条件下工作[60]。2019年，Kurka等提出了一种增加量子阱中铟含量并形成铟团簇的方法，引起晶格缺陷导致发射峰红移到3.5 μm[61]，有望应用于SLD中进一步拓展其输出波长范围。表3归纳了GaSb基量子阱SLD的输出性能。

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

综上所述，量子阱有源结构 SLD在获得高功率输出方面具有独特优势，GaAs基QW SLD室温连续波输出功率大于400 mW，InP基与GaSb基QW SLD均能够实现室温连续波输出功率大于100 mW。GaAs基与InP基量子阱SLD发展相对比较成熟，GaAs基与InP基QW SLD的其他输出特性也引起了研究人员的广泛关注，如偏振灵敏度、二阶相干特性以及光谱调制特性。但GaSb基QW SLD发展相对缓慢，主要集中在Ⅰ类量子阱SLD的研究，并且国内关于GaSb基SLD的研究比较欠缺。在QW SLD有源结构方面，MQW SLD发展相对成熟并得到了广泛应用，Qdash SLD在拓宽光谱宽度上表现出巨大潜力，但Qdash外延生长工艺相对复杂、自发辐射增益等相关研究较少以及载流子热效应问题加剧。同时，由于QW SLD存在较高的电流密度带来的散热问题、光谱形状不规则问题、载流子分布不均匀问题以及光子重吸收问题等，实现高功率宽带宽QW SLD器件仍然具有挑战性。

3 量子点超辐射发光二极管研究进展

基于Stranski-Krastanov（S-K）外延生长模式构建的自组装量子点（QD）结构在制备高性能SLD方面表现出巨大潜力。首先，由于QD结构的热分布远小于体结构和QW结构，极易获得高波长稳定性和高温度稳定性的光电器件[62]。其次，由于QD结构天然的大尺寸不均匀性，能够导致几十毫电子伏特的光谱展宽，有利于SLD的宽光谱输出。此外，由于量子点基态（GS）发光能够在低电流下达到饱和增益，QD易于产生激发态（ES1、ES2）发光。不同尺寸量子点的基态（GS）与激发态（ES1、ES2）能级重叠，使得量子点的能级近似连续分布，可以进一步拓宽SLD光谱宽度，并获得近似高斯分布光谱[63]。由于QD材料的独特优势，国内外众多研究机构陆续开展了QD SLD的研究工作。

3.1 量子点SLD有源结构

QD SLD有源结构主要分为阱中点结构（DWELL）、啁啾多层量子点结构（Chirped multiple QD, CM QD）、量子点量子阱混合结构（QW/DWELL）以及异维量子点-量子阱结构（QWD）。DWELL即在量子阱中生长量子点，其主要研究方向是使用原子力显微镜与光致发光等表征方法优化DWELL结构外延生长参数，如生长速率、生长温度[64]等。简单多层InAs/InGaAs DWELL SLD已经实现3 dB带宽高达292 nm[65]。另外，Lu等直接在Si衬底上生长InAs DWELL有源结构，该结构SLD输出功率3.8 mW、3 dB带宽103 nm[66]，促进了SLD在硅光子集成领域的应用。

对于啁啾多层量子点（CM QD）SLD，通常采用控制外延结构中InAs量子点尺寸大小[67]、In-GaAs应力缓冲覆盖层的In组分或厚度[68]等手段，实现啁啾多层量子点结构中各层发射能量不同，达到进一步拓宽光谱宽度的目的。Tsuda等通过三层InAs/In0.1Ga0.9As CM QD有源结构，实现了QD SLD器件240 nm超宽带宽输出[69]。在提高啁啾多层量子点SLD输出功率方面，主要手段是增加CM QD的层数、密度以及结合锥形腔波导结构[70]。Zhang等研制了五层InAs/In0.2Ga0.8As CM QD-SLD，实现了200 mW高功率输出[71]。

量子点量子阱混合（QW/DWELL）结构是指有源区是由先后生长的单量子阱与多层阱中量子点组合形成。理论上设计QW发射波长与量子点第二激发态（QD ES2）发射波长一致，增强了短波长QD ES2对输出谱宽的贡献[72]。QW/DWELL有源结构打破了SLD高功率与宽光谱的制约关系，实现了SLD输出功率与光谱宽度均随注入电流的增加而增大。Chen等外延生长了In0.34Ga0.66As SQW与六层InAs DWELL混合有源结构，并观察到了QD GS、QD ES1与QWe1-hh1,2,3多态共同发射，器件在室温10%占空比脉冲条件下3 dB带宽高达290 nm[73]。通过提高QW/QWELL混合结构中量子点层的密度与层数[74]，有望在保持QD SLD较宽光谱输出的同时获得较高的输出功率。

异维量子点-量子阱结构（QWD）是指In组分在30%~50%范围内的InGaAs/GaAs异质结构形成的新型纳米结构，该纳米结构结合了量子阱和量子点的一些优点。Mintairov等在GaAs衬底上观察到In0.4Ga0.6As薄膜的结构转变，出现了二维量子阱结构、富In岛（QD1）以及InGaAs岛（QD2）[75]，并表现出较高的模式增益特性。该研究小组研制了单层QWD结构SLD器件，输出功率为17 mW，光谱FWHM为36 nm[76]。QWD有源结构在实现QD SLD高功率输出方面表现出极大的优势。

3.2 量子点SLD工艺技术

在QD SLD工艺技术方面，量子点掺杂技术和量子点选择性区域混杂技术被证明能够提高SLD输出特性。量子点掺杂技术是指在QD结构中进行n型（Si）[77]或p型[78]（C、Be）掺杂，提高光电器件的输出特性与热稳定特性。Hou等通过对InAs DWELL结构中的GaAs垒层进行Be掺杂工艺，发现Be掺杂带来的大量空穴显著增强了QD中载流子的辐射复合，提高了QD SLD器件的热稳定性[79]。Lv等通过在CM QD中直接掺杂Si，有效钝化QD附近或内部的非辐射复合中心，Sidoped QD SLD室温连续波输出功率为20.5 mW，比未掺杂器件输出功率提高12%[80]。量子掺杂技术为生产制造高性能自组装InAs/GaAs QD SLD器件开辟了可能性。

量子点选择性区域混杂技术通常是指利用外延生长后退火工艺，在单片上实现量子点材料带隙能量的空间变化。研究人员已经证明，在QD材料中引入p型掺杂可以提高QD在退火过程中的热稳定性，进而实现高性能的QD混杂SLD器件[81]。但量子点区域混杂技术工艺难度依然很大，退火过程中覆盖层材料、退火温度与退火时间等工艺条件对QD区域混合的效果影响较大[82]。Zhang等报道了热退火工艺形成的选择性区域混杂QD SLD，由长度4 mm的SiO2覆盖层与长度2 mm的GaAs覆盖层在700 ℃下退火5 min形成，实现了QD SLD中心波长1 145 nm处光谱宽度310 nm[83]。量子点选择性区域混杂技术在进一步拓宽QD SLD光谱宽度方面表现出巨大潜力。

综上所述，QD SLD因其独特的优势备受研究人员的关注，国内外众多研究小组分别在QD有源结构、外延生长、能级跃迁、掺杂技术以及区域混杂技术等方面取得了显著的成果。表4归纳了GaAs基QD SLD的输出特性，QD SLD能够实现室温连续输出功率大于100 mW、输出带宽大于200 nm。QD SLD通常表现出更宽的增益，对应于较低的功率谱密度与较低的输出功率，获得高功率宽光谱QD SLD器件还具有一定的挑战性。量子点量子阱混合与异维量子点-量子阱新型有源结构在实现高功率宽光谱SLD方面表现出巨大潜力，但是新型有源结构中QD与QW之间的模式增益特性以及空间调制特性等理论研究匮乏，新型有源结构QD SLD器件工作稳定性较低。QD SLD相关工艺技术能够有效地提高器件输出性能，但仍然存在工艺难度较大和技术推广困难的问题。另外，QD SLD的输出波长被限制在1~1.3 μm范围内，QD SLD的优势不能得到进一步发挥，使其不能应用于其他长波宽光谱光源系统。

4 量子级联超辐射发光二极管研究进展

量子级联（QC）是指由多层半导体材料形成的周期性量子阱超晶格结构，是量子工程和精细材料生长技术相结合的产物。基于能带工程理论的量子级联结构突破了带间跃迁的模式限制，实现了半导体发光器件3~300 μm波长的输出[84]。2002年，美国贝尔实验室Gmachl等首次提出了中红外量子级联“超连续光谱”的制造与潜在应用[85]，奠定了量子级联宽带光源的发展基础。2006年，英国Sheffield大学Zibik等首次研制了包含11个不同量子级联有源结构SLD[86]，QC SLD开始进入广大研究人员的视线。

QC SLD不同于传统的p-i-n型半导体发光器件，是基于导带中电子的子带间跃迁的单极性半导体中红外光源。由于量子级联材料中自发辐射效率低的问题，QC SLD的研究热点主要集中在提高功率方面。研究人员发现，在室温下更薄更长的腔有助于实现最大的自发辐射，因此提高QC SLD输出功率的常用手段是提高器件腔长[87]，但过长的腔长大大加剧了器件制备工艺难度。Aung等设计了紧凑型螺旋腔结构QC SLD，室温下12 mm腔长器件获得了高达57 mW的输出功率，为该波段当前最高功率水平[88]。中国科学院苏州纳米所Hou研究小组报道了基于双声子共振设计的应变补偿In0.678Ga0.322As/In0.365Al0.635As QC SLD，室温准连续条件下输出中心波长5 μm、FWHM大于200 cm-1、峰值功率0.5 mW[89]。另外，国内外众多研究小组陆续开展了QC SLD模式增益[90]、多段紧凑器件结构[91]以及长波腔面减反膜[92]等方面的研究。

目前，QC SLD 的研究发展还处于起步阶段，相关工艺技术发展相对缓慢。表5归纳对比了国内外量子级联SLD的特性参数，QC SLD相关研究主要基于InP基InGaAs/InAlAs材料体系，输出波长集中在5~7 μm波段，器件只能在低占空比脉冲条件下工作。并且，现有QC SLD辐射跃迁模式大多采用垂直跃迁（即电子的辐射跃迁发生在同一个量子阱中），有源区设计局限为高微分增益有源区与双声子共振有源区两种结构。另外，由于量子级联材料中子带间跃迁过程非辐射载流子寿命非常短，导致其自发辐射效率非常低，因此实现高性能的超辐射输出具有挑战性。

表5 量子级联SLD研究进展Tab.5 Research progress on quantum cascade SLD

5 超辐射发光二极管的应用

近年来，SLD器件得到了迅速的发展，QW SLD实现了0.6~2.6 μm波段高性能输出，QD SLD实现了1~1.2 μm波段高性能输出，QC SLD实现了4~7 μm波段输出。量子点与量子阱等不同有源结构SLD的输出功率与光谱宽度分别如图3和图4所示。高输出性能SLD在光纤陀螺仪（FOG）[93-94]、光学相干断层成像技术（OCT）、波分复用技术（WDM）、光时域反射仪（OTDR）、可调谐外腔激光器、光纤传感器和光纤测试等领域中被广泛应用。下面主要介绍SLD器件近年来的新应用方向及潜在应用。

图3 不同有源结构SLD输出功率Fig.3 SLD output power of different active structures

图4 不同有源结构SLD光谱宽度Fig.4 SLD spectral bandwidths of different active structures

光学相干层析技术（OCT）是基于光学低相干干涉测量原理，对生物组织实现非接触、无损伤和高分辨实层成像的一种新型光学测量技术[95]。具有高功率和宽带发射的SLD光源能够提高OCT系统的轴向分辨率，是OCT系统最为理想的光源。现阶段，850 nm~1 μm波段SLD被应用于眼科OCT检查[96]，~1.2 μm波段SLD用于皮肤组织成像[97]。与此同时，Israelsen等证明了~4 μm超连续光谱中红外OCT成像深度远大于近红外OCT，能够对嵌入介质中的微观结构进行详细成像[98]。中红外OCT在检测较短波长下具有强烈散射特性的样品时表现出巨大潜力，如6~8 μm波段能够检测胶原蛋白酰胺、氟化钙[99]、磷酸盐和碳酸盐等组织结构和生化成分[100]。中红外QC SLD能够满足OCT对长波光源的需求，有望取代超连续谱与量子级联激光器成为中红外OCT的理想光源。

太赫兹互相关光谱系统（Thz CCS）是指依赖于光混合装置中激光光源光谱成分叠加产生的拍频，调制并加速太赫兹频率范围内电荷载流子产生太赫兹光谱进行互相关检测。该系统常用的驱动光源为多模激光二极管，由于驱动光源腔内的多种模式，产生的太赫兹光谱不具有连续特性。为此，Molter等提出使用1.55 μm SLD取代LD成为该检测系统的驱动光源，产生了连续太赫兹光谱，并在对α-乳糖一水合物、对氨基苯甲酸（PABA）以及空气中水蒸气等样品检测中表现出普适性[101]。2022年，Tybussek等进一步分析了SLD光源与生成的太赫兹光谱之间的关系[102]。进一步拓展1.3 μm、1.5 μm 光纤低损耗窗口SLD的光谱宽度，能够增加太赫兹互相关光谱系统信号的动态范围。

痕量气体检测在许多领域都有着重要作用，如工业过程检测、人体呼吸气体检测以及大气环境监测。SLD在单独检测和量化混合物中的多种气体过程中，能够消除多气体交叉干扰效应与散射效应。Divya等基于1.5 μm SLD的吸收光谱技术检测了NH3与水蒸汽混合气体中NH3含量[103]，充分证明了SLD在痕量气体检测方面的应用前景。进一步地，工作在2~3 μm与8~12 μm大气窗口的宽带SLD有望被应用于检测空气中CO2[104]和N2O[105]等微量气体，以应对环境气候变化、空气变化与工业过程监测。

另外，低相干特性836 nm SLD被应用于光学多普勒测速仪检测混合流体速度[106]，在工业与医疗行业具有广阔应用前景，对SLD光源低相干特性提出了新需求；835 nm SLD与数字微镜装置结合使用产生具有显著降低像差的光学电势，获得了比激光光源更逼真、对比度更高的图像[107]；1.2 μm SLD经典光源实现了波长域的“鬼”成像，对经典“鬼”成像模态中空间域和光谱域之间进行了类比[108]，对SLD光源二阶相干特性提出新需求；1.5 μm SLD与光子晶体纳米腔结合应用于定量测定空气中离子的密度，有效解决了静电放电导致电子设备故障的问题[109]，对SLD光谱宽度与温度稳定性提出了新需求；SLD替代碱性放电灯成为原子磁强计的探测光源，为原子光学旋转检测提供了一种更实用的方法，有望应用于心磁图、脑磁图系统[110]。

6 总结与展望

本文分别从量子阱、量子点以及量子级联有源结构出发，综合评述了红外超辐射二极管近年来的研究进展。近十年来，SLD器件向着更长波长、更高功率与更宽光谱宽度发展。QW SLD在获得高功率输出方面表现出巨大优势，GaAs基、InP基与GaSb基QW SLD均能够在室温连续波条件下实现输出功率大于100 mW；QD SLD充分发挥了QD材料在光谱展宽方面的独特优势，室温连续波条件下FWHM大于100 nm；QWD SLD与QW/DWELL SLD能够在较高注入电流条件下同时放大 QW与QD基态以及激发态自发辐射，在同时获得高功率与宽光谱输出方面表现出巨大潜力；Qdash SLD基于同时放大QW与Qdash的自发发射，能够获得高达700 nm的光谱宽度。另外，InP基QC SLD在5~7 μm中红外波段已经实现毫瓦级输出功率与约200 cm-1光谱带宽。

虽然红外波段SLD研究已经取得了显著的成果，但仍存在一定的工艺技术问题，如QW SLD光谱宽度比较窄，QD SLD输出功率比较低；QWD 、QW/DWELL以及Qdash 混合结构中QD与QW或Qdash与QW间的空间调制特性、载流子复合特性以及模式竞争特性等理论研究匮乏；QWD 、QW/DWELL以及Qdash 混合结构SLD器件载流子热效应问题加剧，器件工作稳定性较差；量子点掺杂与区域混杂技术工艺难度大，技术效果不稳定；QC SLD宽光谱能带工程理论研究匮乏，有源结构、跃迁机制以及材料体系较为单一，只能在脉冲条件下工作，输出功率较低。进一步扩展红外SLD的商业化应用，仍然需要在以下三个方面进行深入探讨: （1）SLD输出特性研究。通过QWD与QW/DWELL等新型有源结构的理论研究与外延工艺研究，充分结合量子阱高增益与量子点宽光谱的特性，打破SLD高功率与宽光谱的制约关系；在有源结构方面，完善多量子阱外延结构设计与Qdash带隙工程理论，发展宽光谱QC不同能量能级跃迁以及斜跃迁机制等能带理论；在工艺技术方面，优化MQW、Qdash以及QC等精细外延生长工艺，优化量子点掺杂以及区域混杂等工艺技术；在器件结构方面，设计新型微腔结构或电注入结构实现抑制光反馈目的，发展过渡热沉等散热封装结构；充分结合并发挥有源结构、工艺技术以及器件结构三者的优势，进一步提高SLD输出功率、光谱带宽、工作寿命与稳定性；同时开展应变量子阱SLD其他输出特性的研究，如调制特性、光谱波纹、二阶相干特性与和偏振特性等。 （2）波长拓展研究。发展InP衬底自组装量子点技术，进一步发挥QD材料拓宽光谱的优势，将QD SLD输出波长拓展到1.4~1.5 μm波段；发展InP/In-GaAsSb材料体系SLD的外延结构与器件结构，使QW SLD输出波长覆盖1.6~1.9 μm波段；发展GaSb基SLD光子带隙工程及富铟团簇等相关技术，将QW SLD输出波长拓展到3~4 μm波段；发展InP基、GaAs基以及GaSb基QC SLD能带工程、外延生长工艺以及长波腔面膜技术，将QC SLD输出波长拓展到长波红外波段乃至太赫兹波段输出。 （3）光电集成研究。通过SLD过渡热沉散热封装工艺以及空间合束技术等的研究，促进SLD阵列以及迭阵集成发展；通过对硅基键合集成技术、硅基外延生长工艺以及硅光波导等技术的研究，促进SLD硅光电子集成发展。

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