随着光纤通信数据传输业务的逐年成倍增长，不断对光纤网络特别是局域网和城域网的传输速度和容量提出了更高的要求。目前，对应于石英光纤零色散和低损耗窗口的1.3-1.55μm近红外波段的半导体光电子器件特别是激光器等关键器件成为现代光纤网络传输系统核心的研究对象。近年来，为了克服传统InGaAsP/InP量子阱材料体系光电子器件不易于集成、温度稳定性差等难以克服的缺点，国际上开发了GaInNAs量子阱、InGa)As量子点等新型近红外材料，这类GaAs基材料所具有的成本更低、易于垂直集成、预期温度稳定性更好等一系列优越性使其成为目前非常热门的光通信近红外光电子器件材料研究体系。本工作充分调研了1.3-1.55μm GaInNAs(Sb)/GaAs量子阱激光器的国际最新研究动态，深入系统地开展了GaInNAs(Sb)量子阱分子束外延(MBE)生长的优化、快速热退火对材料发光效率的改善机制、长波长边发射激光器结构设计、器件制备工艺优化等研究，成功研制出了高性能1.3-1.55μm波段边发射激光器。主要研究工作包括：　　 1)考察了基于不同MBE设备的GaIn(N)As量子阱材料的优化生长条件。采用高In低N的有源区结构，首先生长高质量高In组分InGaAs/GaAs量子阱，利用N原子向(In)GaAs中并入的规律，采用偏转电场和(或)低速生长的方法减小N离子对生长表面造成的损伤，由此制备出高质量GaInNAs量子阱。通过采用GaNAs应变补偿层结构或者Sb辅助生长，进一步拓展了GaInNAs量子阱的发光波长。　　 2)研究对比了快速热退火对不同In组分InGaAs/GaAs量子阱材料发光效率的改善作用，得到了相应的优化退火条件。优化的退火条件可以有效的提高InGaAs/GaAs量子阱的光学质量，这主要是因为退火消除了由低温生长和大应变引入到材料中的缺陷。由于In0.45Ga0.55As/GaAs量子阱中存在很大的应变，导致退火过程中界面处严重的In-Ga互扩散。采用传统模型研究了不同In组分InGaAs/GaAs量子阱中In原子的扩散机制，通过拟合其PL谱峰值蓝移量随退火温度的变化，得到了不同In组分InGaAs量子阱In原子扩散的激活能。结果表明In组分越高，In原子扩散激活能越小，这主要是因为低温生长和大应变所引入到材料中的缺陷增强In原子扩散所造成的。　　 3)研究对比了快速热退火对InGaAs/GaAs、InGaNAs/GaAs、InGaAsSb/GaAs和InGaNAsSb/GaAs量子阱材料发光效率的改善作用，得到了不同材料的优化退火条件。发现了高温和低温快速热退火对改善这类量子阱材料发光效率的规律并提出了两步退火方法，比一步退火进一步提高了材料光学质量。可能的原因是低温长延时退火主要改善了量子阱内组分分布的均匀性，而高温短延时退火对去除晶体缺陷更为有效。　　 4)采用“亚单原子层循环外延”方法生长了InNAs/GaAs和InAs/GaNAs短周期超晶格量子阱，研究了N在InGaAs中的两种并入形态Ga N键和In-N键对GaInNAs量子阱材料合金质量的影响。采用光荧光谱(PL)、次级离子质谱(SIMS)、透射电子显微镜(TEM)等实验手段对比研究了“亚单原子层循环外延”方法和常规方法生长的GaInNAs量子阱退火前后的结构和光学特性。实验表明，In偏析效应引起了InNAs/GaAs和InAs/GaNAs短周期超晶格结构的紊乱。N和In的键合有助于提高GaInNAs的光学质量，载流子局域化来源于N和Ga的键合。“亚单原子层循环外延”方法抑制了N在InGaAs中有效并入，使量子阱中的组分/应力分布更不均匀，这种不均匀性在退火后也很难得到改善。　　 5)利用In在GaInNAs生长中向表面的偏析，采用“周期性循环喷氮”方法生长了GaInNAs量子阱材料。通过调整喷氮时间、喷氮时As压的大小、喷氮的周期以及量子阱厚度控制GaInNAs发光波长。在氮源开启时间相同情况下，这种“周期性循环喷氮”方法生长的量子阱与常规方法生长的量子阱发光波长和强度相当，但在快速热退火后发光波长产生红移，而常规方法生长的量子阱在快速热退火后发光波长蓝移。另外用这种方法成功生长了厚度为11 nm的无应变弛豫的GaInNAs/GaAs量子阱，其发光波长被拓展到1546nm。　　 6)优化了激光器制备的主要工艺包括光刻、干法刻蚀和欧姆接触。实现了线条清晰的小图形转移，以及在3μm的脊型条上套刻3μm电极窗口的光刻工艺。通过优化干法刻蚀条件，得到了垂直度和光洁度都很好的刻蚀台面。为制备高性能激光器打下了坚实的基础。采用苯并环丁烯(Benzocyclobutene,BCB)作为绝缘介质，开发完善了共面电极结构脊波导激光器的制备工艺。在实验过程中积累了一套无损伤检测器件制备工艺的方法。　　 7)通过优化分子束外延生长条件和器件制备工艺，成功研制出了高性能室温连续激射GaInNAs/GaAs三量子阱宽接触激光器，激射波长1292 nm，腔长1 mm，外量子效率为0.32 W/A/facet，特征温度T0在10-110℃区间为98 K，阈值电流密度为400 A/cm2(～130A/cm2/QW)，是目前已有报道中的最好结果。　　 8)采用共面电极脊波导F-P腔结构和BCB作为绝缘介质，制作了脊宽为3μm的GaInNAs/GaAs三量子阱单模激光器，工作波长1310 nm，腔长为350μm，其阈值电流为18.5 mA，小信号3dB调制带宽在室温下达到13 GHz。　　 9)将快速热退火技术应用到1.55μm波段激光器结构材料生长中，有效提高了激光器材料质量并大幅度降低阈值电流。在器件制备中通过非原位退火和原位退火的有效结合，成功获得了室温连续激射1.59μm GaInNAsSb/GaAs边发射激光器。