量子级联超辐射发光二极管,不同于传统的PIN结半导体发光器件,是基于导带中电子的子带间跃迁的单极性半导体边发射的中红外光源。它兼具了激光器的高功率和发光二极管的宽光谱特性,同时具有弱时间相干性和高光纤耦合效率的特点,是中红外光学相干层析成像系统的理想光源。但由于量子级联材料中非辐射复合载流子寿命极短导致自发辐射效率非常低,要实现高性能的超辐射输出十分困难,所以对于量子级联超辐射发光二极管的研究则从2006年起才有了少量报道。本文提出一种新型的紧凑式分段的波导结构,并基于这种结构首次报道了室温连续工作的中红外量子级联宽光谱光源阵列器件,将输出功率提高到mW量级。本论文具体工作涉及理论研究、结构设计、仿真模拟、材料生长、器件工艺、性能测试等方面,主要包括以下内容:(1)中红外量子级联宽光谱超辐射光源的基础介绍。首先,分析基于量子级联材料制备中红外光源的必要性;其次,概述超辐射发光二极管的定义、工作原理、特点和应用;最后,介绍中红外量子级联超辐射发光二极管的研究现状和发展趋势。(2)材料生长及表征、器件工艺与测试技术。本文采用分子束外延技术在InP衬底上生长以量子级联为有源区的器件结构,然后通过半导体器件制备工艺完成器件制备,并对器件性能进行测试表征。基于以上流程,依次介绍材料外延方法、材料表征技术、器件工艺流程和器件测试手段。(3)中红外量子级联超辐射发光二极管的制备。通过理论分析并结合仿真计算,设计了新型的紧凑式分段的波导结构。制备了一系列紧凑型中红外量子级联超辐射发光二极管,经过系统测试分析确认了合适的结构参数。结果表明,我们所设计的波导结构几何尺寸小、脊宽大小均匀,非常适用于阵列器件的制备。(4)中红外量子级联超辐射发光二极管阵列的制备。进一步优化单管器件结构,并通过模拟阵列结构中的热场分布,确定了阵列器件中单管的间隔距离。最终成功制备了国际上第一个室温连续宽光谱中红外量子级联超辐射发光二极管阵列,室温连续电流注入下的输出功率达到2.4 mW,对应的光谱宽度约200 cm-1,输出光束质量优异。这些结果十分契合中红外光学相干层析成像系统对光源的要求,因而推动了量子级联超辐射发光二极管器件的实际应用。