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量子级联激光器作为一种独特的半导体激光器，波长可以覆盖中、远红外至太赫兹波段，因其在通信、污染监控、国家安全等方面的广泛用途而引起人们浓厚的研究兴趣。本文基于InGaAs/InAlAs/InP材料体系的波长4.8和7.4μm量子级联激光器，研究了材料的分子束外延，器件的热特性模拟、工艺改进及性能表征，获得的主要结果如下：
(1)基于固态分子束外延系统，研究了磷源炉中红磷向白磷转化时转化时间、转化量和转化温度间的关系，制备出了高质量的InP材料，并以其来替代热导率较低的InAlAs材料作为量子级联激光器波导包层；运用分子束外延技术成功制备出高质量的具有多种有源区/波导结构的量子级联激光器材料。
(2)以转移矩阵方法求解一维Schr(o)dinger方程，研究了量子级联激光器有源、注入/驰豫区的能级设计理论；以转移矩阵和有效折射率方法求解Helmholtz方程，研究了脊形双沟道的波导结构设计理论。
(3)基于二维热分析模型，依据Fourier热传导定律，采用有限元方法求解器件在连续波工作时的温度及热流分布，比较不同结构对器件有源区的散热效果，指导材料生长及器件工艺。
(4)研制了基于应变补偿，四阱耦合双声子共振有源区结构的量子级联激光器器件。实现了4.8μm量子级联激光器的高功率(腔面未镀膜、单腔面的输出光功率81 K下达2.24 W，室温下达807 mW)脉冲工作；器件在液氮温度，脉冲工作时的阈值电流密度(未镀膜器件0.13 kA/cm2，镀膜器件0.08 kA/cm2)为目前可见报道的最低值；器件在85 K，连续波工作的单腔面光输出功率达386mV，最高脉冲工作温度超过334 K，最高连续波工作温度为245 K。7.4μm量子级联激光器在腔面未镀膜条件下实现265 K下的连续波工作。