Ⅲ族氮化物是宽禁带直接带隙半导体材料,具有良好的导热性能,高电子饱和速度,物理化学性能稳定等优点,是近年来国内外重点研究的新型半导体材料,在高电子迁移率晶体管、高亮度发光二极管、高功率激光器及高灵敏度日盲或可见光盲光电探测器等方面有着广泛的应用前景。不过,随着科学技术的发展,人们对Ⅲ族氮化物半导体材料和器件提出了更高的要求,为了改善和提高Ⅲ族氮化物半导体材料和器件的光电性能,人们不断挖掘Ⅲ族氮化物半导体材料本身的一些特有属性,如极化效应就是Ⅲ族氮化物特有的一种禀性。但是,极化效应在Ⅲ族氮化物中,既有正面作用,也有负面效应,合理利用Ⅲ族氮化物的极化,扬长避短,将为新型氮化物半导体光电子器件的设计和性能的提高打开一个新的天地。然而目前,这种强极化效应对Ⅲ族氮化物材料的掺杂,量子阱结构中载流子的分布、输运、器件的光电学性能的影响等还不是非常清楚,因此,迫切需要针对这个强极化效应的材料体系进行深入系统的基础物理研究,弄清低维结构中极化场的调控规律与掺杂机理。本论文围绕极化掺杂及极化场在光电子器件中的应用展开研究工作,设计了N面极化掺杂的In0.2Ga0.8N多量子阱发光二极管(LED)和吸收倍增区分离(SAM)的A1GaN日盲紫外雪崩光电二极管(APD),详细分析了极化掺杂和极化场对器件的载流子输运、电场分布、能带调控和光电性能的影响及规律。主要研究成果如下：(1)在N面量子阱LED中,设计了一层沿N面生长的A1组分从0线性渐变到0.3的p-AlGaN,其厚度为90nm、掺杂浓度为1×1019cm-3。计算发现由于极化掺杂效应,p-AlGaN层的空穴浓度要比热离化空穴浓度2.5×1016cm-3提高近两个数量级,达到1.2×1018cm-3。极化掺杂有效增强了p型层的电导率和空穴的注入效率,极大地提高了N面极化掺杂LED的发光效率(2)研究发现,因在N面极化掺杂LED的量子阱内极化场的方向与外加偏压场方向相反,促使量子阱能带拉平,导致量子限制的反向斯塔克效应,从而提高了量子阱的发光效率。同时在N面LED的垒层,极化场与外电场方向相同,提高了载流子注入效率,从而进一步增加了量子阱的发光效率。因此,N面极化掺杂LED开启后的电致发光强度远高于Ga面极化掺杂LED和传统LED,且光的输出功率随电压的增加而增加,既使电压增大到45V,仍没有出现光输出功率饱和或下降的现象。而对于传统LED或Ga面极化掺杂LED,由于量子阱内载流子的饱和、屏蔽及量子限制的斯塔克效应,在电压超过8V以后,光输出功率呈现饱和甚至下降的趋势。(3)首次利用碰撞离化工程和Ⅲ族氮化物特有的极化效应,设计了背入射SAM-AlGaNAPD。模拟结果表明,通过在倍增层内引入与外电场方向相同的极化电场,可明显降低APD的雪崩击穿电压和减小雪崩击穿时的暗电流。同时,引入的极化场还有利于提高倍增层内总的离化场,导致空穴的离化系数增加,能显著提高APD雪崩倍增因子。此外,采用组分渐变的p型层可进一步提高p型层的空穴浓度,降低雪崩击穿电压,改善器件的光电学性能。相比于无极化的参考结构,采用极化和组分渐变的p型层结构,APD器件的倍增因子可提高225%。(4)系统研究了p-il-nl-i2-n2APD结构中各层参数对器件性能的影响规律,特别是中间的n1层。计算结果显示,如果n1层电子浓度高于2×1018/cm3或者其厚度超过100nm,器件结构将从p-il-nl-i2-n2型退变成p-i-n型,器件的性能明显恶化。同时,发现吸收层和倍增层的缺陷对APD器件性能最敏感。当吸收层内缺陷浓度增加时,将造成大量的光生电子-空穴对在吸收层内被缺陷捕获,产生复合,只有少量的空穴漂移进入倍增层,参与离化；而当倍增层内缺陷浓度增加时,由于缺陷的散射作用,降低了载流子在电场作用下加速运动的动能,减小了载流子的有效碰撞离化效率。因此,吸收层和倍增层缺陷浓度的增加极大地降低了APD的性能。这些参数的研究为APD的设计及优化奠定了一定的理论基础。