在传统的Ⅲ-Ⅴ族半导体中掺入少量的铋(Bi)形成的稀铋半导体材料具有许多奇异性质和应用潜力，比如GaAsBi具有大的带隙收缩效应、大的自旋轨道分裂能及高的温度稳定性等优点，有望用其制备高性能非制冷光通讯半导体激光器。GaAsBi是稀铋半导体材料研究的热点，但是目前GaAsBi激光器材料的分子束外延生长技术还不成熟，器件室温激射波长拓展困难。此外，InPBi在室温下展现出很强的近红外发光，有望制备轴向分辨率达到1微米的宽光谱光源，但是InPBi材料的研究才刚刚起步，非常有必要研究其生长规律和物理性质。　　本工作着眼于InPBi、GaAsBi、GaAsBi/InGaAsⅡ型量子阱及GaAsBiⅠ型量子阱激光器材料的分子束外延生长、物性表征与光学质量优化，展开了下述研究工作:　　1、首次系统地研究了InPBi气态源分子束外延生长规律及束流条件与物性的关联。研究发现，铋的凝入对PH3压不敏感，过大的PH3压不仅会恶化InPBi表面平整度、增加载流子浓度，而且会导致发光峰的蓝移与减弱;其二，InPBi中铋组分与生长速度成反比，较低的生长速度有利于生长表面平整、铋组分较高的InPBi单晶;其三，证实了铋的表面剂效应，同时铋的凝入能引入受主能级，室温下电子补偿浓度高达1.17×1018cm-3/Bi％。　　2、首次研究了InP1-xBix薄膜的室温背散射拉曼光谱。研究发现铋的凝入会形成确定的InBi声子振动模式(InBi TO=149cm-1和InBi LO=171cm-1)。其次，这些模式的拉曼散射强度与铋组分(x≤0.023）呈线性关系，可以作为测定三元或四元稀铋磷化物铋组分的一种纯光学方法。　　3、创新地提出了一种基于InGaAs/GaAsBiⅡ型量子阱的波长拓展方案，从实验和理论上研究了其发光规律。在光致发光实验中，观察到了更长波长的Ⅱ型发光;采用8带k·p模型计算了Ⅱ型发光波长与铟及铋组分的关系，计算表明该类Ⅱ型量子阱有望将现有GaAs1-xBix(x≤0.06)激光器的工作波长拓展至1.3微米;采用变温和交激发功率光致发光方法，研究了该类Ⅱ型量子阱的发光性质，观察到了能带弯曲效应和载流子逃逸现象，实验结果与理论计算一致。　　4、在较高温度区间(350-400℃)研究了生长温度、束流条件、量子阱厚度对GaAsBi/(Al)GaAs量子阱发光波长和强度的影响。研究发现，砷束流对发光有显著影响。当生长温度高于350℃时，铋组分对砷束流的敏感性显著升高。其次，研究发现合适的有源区生长温度既有利于铋的凝入，也有利于量子阱光学质量的提高，研制通讯波段激光器的理想生长温度为350～370℃。基于有源区的生长优化，生长了渐变折射率分别限制(GRINSCH)结构的GaAsBi/GaAs单量子阱激光器。TEM结果显示激光器有源区具有良好的结构质量，量子阱厚度比设计值小2nm，揭示了铋在量子阱生长初期很难凝入的生长性质。外延生长的GaAsBi量子阱激光器材料已经成功用于制备国内第一个稀铋半导体激光器，在室温下实现了1136nm脉冲激射，打破了现有1060nm的世界记录。激光器在273K获得了1132nm的连续激射，阈值电流密度为5.17kA/cm2，波长温敏系数为0.27nm/K，250～350K工作温度区间特征温度为74K。该工作给国际上稀铋半导体材料与器件研究带来了积极的推动作用。