讨论了不同In组分对InGaAsSb/GaSb量子阱能带结构，即带隙及带边不连续性(带阶)的影响。给出了较为精准的InGaAsSb禁带宽度与In组分的关系。分析了In组分对InGaAsSb/GaSb导带、价带带阶的作用。研究表明，随In组分的增加，InGaAsSb禁带宽度减小，应力加大，能带漂移增大，InGaAsSb/GaSb导带、价带的带阶减小。同时，利用上述研究结果合理地解释了InGaAsSb/GaSb自发发射谱的增益、发射峰位及半峰宽与In组分关系。研究In组分对InGaAsSb/GaSb量子阱能带结构及自发发射谱的影响，可以定性地解释已有的实验报道。

设计了一种张应变与压应变相结合的混合应变量子阱结构超辐射发光二极管，研究了TE模和TM模在器件中的模式增益，分析了影响增益偏振性的因素，在此基础上通过改变有源层量子阱的应变类型、应变量以及层数来达到高增益和偏振不敏感性。最后按设计工艺流程生长了芯片，实验结果表明，所设计的SLD芯片单管输出功率在100mA驱动电流下可达3.5mW，出射光谱FWHM约为40nm，20nm波长范围内偏振度为0.3dB，具有较理想的大功率、宽光谱、低偏振度特性。

设计出了隧道结串联叠层半导体激光器结构，采用分子束外延进行激光器材料的外延生长，材料经过光刻、腐蚀、欧姆接触、解理、腔面镀高反射/减反射膜、焊装等工艺，制作成条宽200 μm、腔长800 μm 的半导体激光器。两隧道结激光器在脉冲宽度100 ns，重复频率10 kHz，30 A工作电流下输出功率达到80 W，峰值发射波长为905.6 nm，器件的阈值电流为0.8 A，水平和垂直方向的发散角分别为7.8°和25°。

利用Model-solid及Harrison两种模型计算不同势垒材料的InGaAs量子阱的能带偏置比，选择出适合于计算InGaAs量子阱能带偏置比的模型是Model-solid模型。讨论了引入应变、量子阱材料组分、势垒材料组分和禁带宽度对能带偏置的影响。结果表明，压应变的引入会增大禁带宽度，减小能带偏置；随着势阱材料组分和势垒材料组分的增加，能带偏置会逐渐增大，但能带偏置比并非一直随势垒材料组分的增加而增大；InxGa1-xAs/AlyGa1-yAs量子阱的Al含量y约为0.1是较佳值，In含量x小于0.2是较佳值。

为提高垂直腔面发射激光器(VCSEL)的输出功率, 对具有3个In0.2Ga0.8As/GaAs0.92P0.08应变量子阱结构, 发射波长为977 nm的VCSEL列阵进行了研究。对量子阱结构进行了优化, 选择具有更宽带隙的GaAsP作为势垒材料, 计算了In0.2Ga0.8As/GaAs0.92P0.08量子阱的带阶。对采用In0.2Ga0.8As/GaAs0.92P0.08和In0.2Ga0.8As/GaAs两种量子阱结构的器件的输出功率进行了理论模拟和比较分析。分别测试了上述两个列阵器件的脉冲峰值功率并利用由开启电压、阈值电流和串联电阻决定的p参数评估了列阵器件的输出性能。实验结果表明, 当注入电流为110 A时, 发光面积为0.005 cm2的In0.2Ga0.8As/GaAs0.92P0.08 4×4 VCSEL 列阵获得了123 W的脉冲峰值功率, 比具有相同发光面积的In0.2Ga0.8As/GaAs列阵器件的脉冲峰值功率大13 %, 前者相应的功率密度和斜率效率分别为45.42 kW/cm2和1.11 W/A。连续和脉冲工作下的p值分别为15和13, 表明器件在两种工作条件下都具有相对较好的输出性能。得到的结果证明, 包含3个In0.2Ga0.8As/GaAs0.92P0.08应变量子阱的4×4VCSEL列阵器件能够获得较高的功率输出。

为了深入研究光抽运垂直外腔面发射激光器的增益特性，以InGaAs/GaAs应变量子阱系统为例，建立了将带隙、带边不连续性计算和带结构计算系统结合起来的完整体系，考虑在应变影响下能带及波函数的混合效应。利用有限差分法对含6×6 Luttinger-Kohn哈密顿量的有效质量方程精确求解，得到了InGaAs/GaAs应变量子阱导带、价带的能带结构和包络函数，然后选用Lorentzian线形函数，数值模拟了量子阱的材料增益谱和自发辐射谱。最后讨论了阱宽、载流子浓度、温度等因素对量子阱材料增益的影响，为光抽运垂直外腔面发射激光器的优化设计提供了理论依据。

利用变温光致发光(PL)研究了In0.182Ga0.818As/GaAs应变及应变补偿量子阱在77~300 K温度范围内的发光特性。随着温度T的升高，PL峰位向低能方向移动。在应力作用下In0.182Ga0.818As/GaAs量子阱的价带顶轻空穴带和重空穴带发生了劈裂。通过理论计算推导应变随温度变化对InxGa1-xAs/GaAs量子阱带隙能量的影响。在Varshni公式基础上，引入由应力导致的带隙能量变化项ΔEg。带隙能量计算结果与实验数据吻合较好。通过不同温度下光致发光半峰全宽的变化验证了应力随温度变化对量子阱发光峰的影响。

采用金属有机物化学气相淀积(MOCVD)方法生长了InGaAs/GaAs应变量子阱, 通过优化生长条件和采用应变缓冲层结构获得量子阱, 将该量子阱结构应用于1 054 nm激光器的制备。经测试该器件具有9 mA低阈值电流和0.4 W/A较高的单面斜率效率, 在驱动电流为50 mA时测得该应变量子阱光谱半宽为1.6nm, 发射波长为1 054 nm。实验表明:通过优化工艺条件和采用应变缓冲层等手段, 改善了应变量子阱质量, 该结果应用于1 054 nm激光器的制备, 取得了较好的结果。

以InGaAs/GaAs应变量子阱材料为例,介绍了考虑能带及波函数的混合效应的6×6 Luttinger-Kohn哈密顿量,提出用有限差分法求解含Luttinger-Kohn哈密顿量的有效质量方程,数值模拟得到导带和价带的能带结构,计算应变量子阱的跃迁矩阵元,进而用Lorentzian线形函数计算材料增益。讨论了量子阱阱宽、注入载流子浓度、温度等因素对量子阱材料增益的影响。计算结果表明,压应变使得量子阱有效带隙增大,降低了材料增益的透明电流密度,继而降低器件的阈值,改善器件的输出特性;增益峰值波长和发射波长之间合适的偏差,会使光抽运半导体激光器的阈值电流和工作电流随温度有较小的变化。

采用有效质量模型下的4×4 Luttinger-Kohn哈密顿量矩阵对In0.53Ga0.39Al0.08As/InxGa1-xAs0.9Sb0.1量子阱结构的能带进行了计算。求得了C1-HH1跃迁波长随In组分及阱宽的变化关系,并采用力学平衡模型计算了此应变材料体系在生长时的临界厚度。结果表明,在结构设计和材料生长中采用合适的材料组分和阱宽,在InP基InGaAlAs/InGaAsSb应变量子阱激光器中能够实现1.6～2.5 μm近中红外波段的激射波长。