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本学位论文围绕量子级联激光器（QCL）的材料生长、特性和气态源分子束外延（GSMBE）技术为主线展开。本文针对量子级联激光器对InP基、GaAs基异质纳米结构材料的要求，对材料的气态源分子束外延生长、质量控制和特性进行了深入的研究和分析，达到有所发现、有所创新，指导器件结构和生长工艺优化，研制出器件质量的QCL材料。主要结果如下：1、用GSMBE技术生长了高质量的与InP和GaAs晶格匹配的Ⅲ-Ⅴ族基础材料，包括InP衬底上生长InP、InGaAs、InAlAs和在GaAs衬底上生长AlGaAs等。其中三元系外延材料的X射线衍射结果表明外延层的半峰宽仅略大于衬底半峰宽，达到了共格生长。由于作为QCL有源区阱层材料的InGaAs的质量对QCL的性能影响显著，研究了不同生长温度对InGaAs材料的结晶质量、电学和光学特性的影响，以及生长温度对InP材料的表面缺陷密度和电学性能的影响，获得了生长InP和QCL材料的优化条件。2、用X射线衍射方法研究了InP基InGaAs、InAlAs双轴应变体系。定量计算了材料的临界厚度与组分的关系。在X射线对称衍射的基础上，加入了非对称衍射方法，精确标定了应变材料的弛豫比例。发现随着InAs摩尔组分的变化，InxGa1-xAs、InxAl1-xAs两种材料外延层从完全应变到完全弛豫的组分区间比较小，x的变化范围都在0.1以内。所生长的压应变InxGa1-xAs（x＞0.53）材料的部分应变区间要大于张应变的InxAl1-xAs（x＜0.52）材料的部分应变区间。3、研究了InP基InGaAs、InAlAs和GaAs基A1GaAs材料的组分对Si掺杂行为的影响，发现InGaAs材料的掺杂浓度不受组分的影响，而后两种材料都有类似“V”形的掺杂谷，并且InAlAs材料还存在两个Si掺杂隙。揭示了两种含Al材料的掺杂谷都发生在直接-间接能带的转换点附近，表明能带转换对掺杂浓度有非常显著的影响，从能带理论和Hall测试两方面都做出了定性的解释。对InAlAs材料的变温霍尔研究表明，在掺杂谷附近它的施主离化能增加得很快，这也从实验上证实了能带类型转换点附近施主能级的异常变化。4、研究了2英寸InP基晶格匹配的InGaAs和InAlAs材料的组分均匀性，分析了生长条件和生长方法对均匀性的影响，获得了组分波动小于±0.1％的InGaAs、InAlAs材料，为QCL和其它器件结构的生长提供了大面积均匀性的保证。研究了GSMBE单原子层控制方法，设计了精确标定材料生长速率的实验，并分别应用于晶格匹配和应变补偿材料体系，所生长的QCL有源区结构实际厚度与设计厚度误差小于2％，表明这种标定方法非常可靠。5、研究了外延材料表面缺陷的起因和降低缺陷密度的途经。采用特殊温区结构的Ga和In束源炉以及科学地调控升降温过程，可使外延材料表面缺陷密度从103／cm2降至10／cm2，为研制高质量激光器打下优良的材料品质基础。6、用GSMBE技术生长了一系列F-P腔和DFB量子级联激光器材料，研究了不同的注入区掺杂浓度及二元或三元系波导包覆层对QCL器件性能的影响。在亚洲首先研制出5～10gm范围内多模F-P腔QCL，实现了低温连续和室温脉冲激射。器件测试结果表明降低注入区的掺杂浓度有利于降低阈值电流密度，并且InP的波导包覆层比InAlAs有更好的散热性能。所生长的QCL结构在亚洲首先研制出7.4、7.6、7.7、8.4μm单模DVB-QCL，低温和室温阈值电流最低分别达到了574A／cm2（70K）和970A／cm2，最高连续工作温度达到了135K，并被成功地应用于探测N2O气体。本论文对GSMBE技术、InP基和GaAs基基础材料以及QCL器件结构材料的生长优化和特性研究，为量子级联激光器材料与器件的研制提供了支持和可靠依据，并为后续的MBE方面的工作提供了有参考价值的信息。