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本工作针对波长涉及紫外-可见到红外(短波红外、中红外)的几种新型Ⅲ-Ⅴ族半导体探测器与激光器结构，结合气态源分子束外延(GSMBE)技术的特点和优势，侧重研究和解决了若干材料生长和表征方面的技术难题，发展和优化了器件结构设计和材料外延工艺，进而研制出一系列具有器件质量的外延材料并用于高性能器件研制。论文工作取得的主要研究结果如下：
1、完成了面向空间遥感应用的InP基短波红外(1～3μm)InGaAs探测器材料体系和结构的创新设计及GSMBE生长工艺的开发和优化。
(1)针对扩展波长InxGa1-xAs(x＞0.53)探测器，设计采用了具有相对较宽禁带的InAlAs材料作为缓冲层和帽层以满足新型背照射器件的需求并同时适用于正照射器件，优化了InyAl1-yAs缓冲层结构和生长工艺参数，采用在InAlAs/InGaAs异质结界面处插入InAlAs/InGaAs数字递变超晶格的新结构以改善界面质量，设计生长了适合倒扣背进光阵列器件的n-on-p结构扩展波长InxGa1-xAs探测器，并开发了适合GSMBE生长的工艺，使材料和器件性能获得显著提高。
(2)研究了与InP衬底晶格匹配的In0.53Ga0.47As、InP等基础材料的GSMBE生长工艺和组分、掺杂控制技术，在此基础上生长的2英寸和3英寸In0.53Ga0.47As探测器外延材料具有很好的均匀性，组分波动分别小于±0.4％和±0.8％，满足了工程器件应用需求。
2、首次发现GaAs基间接带隙材料Al0.52In0.48P的掺杂浓度随掺杂源温度升高存在掺杂跳变现象，采用优化生长工艺所获得的Al0.52In0.48P材料电子和空穴最高掺杂浓度分别超过5×1018cm-3和1×1018cm-3，通过实验证明正晶格失配的AlInP材料比失配量相同的负失配材料具有更好的材料质量，并研究了GaAs基Ga0.51In0.49P材料电子浓度与光学特性的关系，在此基础上研制了GaAs基AlInP/GaInP高性能紫外增强-红外盲光电探测器。器件红外波段的响应得到完全抑制，而紫外波段响应得到明显增强，其响应光谱与人眼相对白昼视觉光谱响应匹配较好。
3、针对InP基大于2μm波段应变InGaAs量子阱结构，通过理论计算预计In0.53Ga0.47As/InAs三角量子阱结构能在相同的应变量下比方势阱结构具有更长的发光波长，并提出了可以采用张应变材料AlInGaAs作为垒层结构以引入应变补偿改善量子阱性能；在实验上利用独特的生长工艺生长了In0.53Ga0.47As/InAs啁啾超晶格，实现了In0.53Ga0.47As/InAs三角量子阱结构的生长。通过优化三角量子阱结构和生长参数，使样品在室温下光致发光波长达约2.4μm。
4、针对InP基3-5μm波段应变补偿InGaAs/InAlAs量子级联激光器材料，通过研究不同组分和掺杂源温度下InGaAs和InAlAs基础材料的掺杂情况实现了对掺杂浓度的控制，利用应变补偿InGaAs/InAlAs超晶格标定材料的组分和生长速率，并研究了应变补偿超晶格的结构和光学特性。在此基础上采用优化GSMBE工艺生长的InGaAs/InAlAs应变补偿量子级联激光器材料的组分和厚度相对于设计值具有较小的误差，通过理论估计其引起的量子级联激光器发光波长相对于设计值的误差将小于±6％。