本文对基于带间级联结构和谐振腔结构的中红外发光二极管进行了仿真和设计。在传统带间级联发光二极管的基础上，从器件外部引入分布布拉格反射镜（DBR）谐振腔结构，形成谐振腔带间级联发光二极管。对谐振腔参数进行仿真优化，包括DBR周期数、谐振腔的腔长、有源区在谐振腔中的位置等。结果表明，使用单周期ZnS/Ge DBR作为谐振腔上反射镜的器件输出功率最大，有源区置于谐振腔内部电场强度波峰处时，器件的输出功率最大，三级谐振腔带间级联LED器件的输出功率与55级无谐振腔器件输出功率相当，其光束发散角的半峰全宽可以从92度减小到52度。结合已生长的5级带间级联LED器件的测试结果，增加谐振腔结构后的仿真结果表明，峰值波长的辐射强度增强11.7倍，积分辐射强度增强5.43倍，光谱的半峰宽变窄6.45倍。

带间级联红外探测器可以利用多级吸收区级联的方式实现高的工作温度，但不同的吸收区厚度设计方式会使得器件在不同级数吸收区中出现光生载流子的不匹配现象，从而对器件量子效率造成影响。为更好地理解带间级联探测器的级数和吸收区厚度对量子效率的影响，对基于InAs/GaSb II类超晶格的带间级联探测器进行了变温测试，并基于多级光电流的“平均效应”建立了工作在反向偏置电压的量子效率计算模型，通过与实际测试的量子效率对比，发现在低温条件下实验数据和计算结果拟合一致性较好，验证了多级带间级联探测器中基于内增益机制的光电流平均效应。但在高温条件下，实际的光电流低于“平均效应”的理论计算结果，这可能是由于高温下少数载流子寿命变短，在吸收区和弛豫区界面处存在光生载流子的复合机制。

为了提高红外探测器的工作温度，基于InAs/GaSb II类超晶格材料设计了一种五级带间级联结构中波红外光电探测器，并采用分子束外延技术和标准化光刻及刻蚀技术进行了器件的制备。在77 K时，该器件的50%截止波长是4.02 μm，在0 V时峰值探测率为1.26×10¹² cm·Hz^1/2/W；在300 K零偏压下，该器件的50%截止波长是4.88 μm，峰值探测率为1.28×10⁹ cm·Hz^1/2/W，实现了高温探测。从180 K到300 K，器件的暗电流主要由扩散电流主导。在77 K到220 K温度范围的暗电流曲线中观察到了负微分电阻现象，并解释了峰谷电流比相对于温度变化的趋势。研究结果表明，具有带间级联结构的T2SL探测器可以进行室温工作，在中波范围内有比较明显的优势。

基于锑化物的带间级联激光器同时具有带间跃迁的高增益和级联结构的高量子效率，是中红外波段重要的相干光源，其功耗低于其它中红外半导体激光器，因而单模带间级联激光器在基于激光吸收光谱技术的高分辨气体检测和化学传感等领域具有很大的优势。目前利用Bragg光栅实现波长选择的单模分布反馈带间级联激光器已经实现商品化，但是，与同样有源区结构的Fabry-Pérot腔带间级联激光器最高600 mW的出光功率相比，单模功率最高55 mW，损耗较大。对几种不同结构的分布反馈带间级联激光器的性能进行对比分析，探讨这类单模中红外激光器损耗的主要来源以及改进思路。此外，介绍了垂直腔面发射和光子晶体带间级联激光器的进展，并与分布反馈带间级联激光器的性能进行比较，讨论其优缺点及适用的场景。

带间级联激光器有源区内部的物理机制复杂，尚未得到充分研究。优化了电子注入区结构，通过减小InAs/AlSb啁啾超晶格中InAs量子阱的厚度促进电子向光增益区的注入，在较低的电子注入区掺杂浓度下满足了光增益区电子数和空穴数基本相等的注入平衡条件，降低了有源区中自由载流子吸收和杂质散射造成的光损耗。采用该有源区结构的带间级联激光器实现了较好的室温激射性能，腔长4 mm、脊宽20 μm且腔面未镀膜器件的阈值电流为200 mA，单腔面出光功率为55 mW。通过分析2~5 mm不同腔长器件的电压-电流-光功率性能，得到器件的波导损耗仅为3 cm^-1，有源区载流子寿命为0.7 ns。

室温工作将为光子型红外探测开辟更广泛的应用，系统整理和分析了从近红外到长波红外的III–V族及Ⅱ-Ⅵ族半导体探测器的室温性能，讨论不同材料体系和器件结构的室温暗电流机制。其中InAs/GaSb等二类超晶格的短周期带间级联结构以及HgCdTe抑制俄歇过程的方案在提升中长波红外室温探测性能方面都显示出了独特的优势。这些电子学结构的设计与近年来亚波长光子结构增强耦合、降低暗电流的新进展相结合，有望实现近室温工作的高灵敏红外探测。

通过对两种结构参数与设计偏差较大的带间级联激光器（ICL）的研究，探讨了器件性能在结构变化下的耐受性。在300 K时，即使和4.6 μm的设计波长相比蓝移700 nm以上，激光器仍然性能良好，其阈值电流密度低至320 A/cm²。此研究为带间级联激光器在结构变化方面的耐受性提供了坚实的实验依据。