当前半导体QCL的输出波长已从中红外增加至太赫兹波段,在各科学领域存在着重要的应用前景。论文主要从理论上对半导体QCL有源区结构设计、输出特性及性能评价进行了全面而深入的研究,设计了以InGaAs/InAlAs以及GaAs/AlGaAsAl材料体系的“斜跃迁”与“垂直跃迁”两种模式的半导体QCL有源区结构,分析并比较了其结构参数与输出特性。本论文的研究成果对优化半导体QCL的输出性能提供了丰富的理论依据,具体地:1.通过MATLAB软件采用时域有限差分法和传递矩阵法求解了一维有效质量薛定谔方程,并得到有源区各能级与波函数分布。对已有半导体QCL的有源区进行了模拟计算,验证了该方法的有效性。2.构建了半导体QCL的性能评价体系,如偶极矩阵元、散射时间、阈值增益、阈值电流密度、外微分量子效率及工作温度等,完善了半导体QCL的设计理论。3.研究表明设计的新型半导体QCL有源区结构的输出特性优于同类型半导体QCL,且“垂直跃迁”模式优于“斜跃迁”模式。基于In0.53Ga0.47As/In0.52Al0.48As材料体系的“垂直跃迁”模式室温下输出功率约为140mW。