发光二极管LED (Light Emitting Diode)具有光电转换效率高、使用寿命长、容易集成、驱动电压低等一系列优点,被广泛应用于各个领域,而且具有替代白炽灯成为新一代照明光源的潜力。对于氮化镓宽带隙半导体材料,其发光光谱涵盖了从深紫外到中红外的整个波段,这一优势使氮化镓材料比其他半导体材料具有更大的发展潜力和更广阔的应用空间。氮化镓(GaN)蓝光发光二极管诞生于1994年,之后氮化镓半导体材料得到了十分迅猛的发展。虽然氮化镓LED目前已经大规模产业化生产,但是器件仍然存在着效率低下的问题。这是因为三族氮化物材料的纤锌矿晶体结构,本身存在自发极化效应和由晶格不匹配导致的压电极化效应,极化效应产生的极化电场致使多量子阱(Multiple Quantum Wells, MQWs)结构的能带发生形变,进而产生量子限制斯塔克效应(Quantum Confined Stark Effect, QCSE)。随着驱动电流增加,器件内部漏电流变得严重,导致内量子效率降低,严重阻碍了氮化镓LED在大电流密度注入下的应用。本论文对氮化镓LED器件进行物理建模,并设置相应的材料参数,经过系统地数值模拟,全面地分析了氮化镓LED结构和材料参数对器件的内量子效率、自发辐射速率和输出光功率等主要光电结果的影响,进而提出对传统氮化镓LED结构的改进与创新,最终通过优化氮化镓LED的外延层结构和外延层材料,在理论上解决了高电流密度注入下内量子效率衰减的问题,同时在理论上提高了器件的输出光功率。第一章,主要简介了二十世纪半导体材料的发展历程,同时介绍了半导体材料在微电子和光电子等领域的应用,还讨论了本论文理论模拟工作的研究背景与研究可行性。第二章,主要陈述了LED理论模拟涉及到的基本理论和物理模型。包括量子力学的kp微扰理论、应用kp理论推导出的闪锌矿与纤锌矿晶体结构的能带模型和量子阱模型,最后阐述了三族氮化物纤锌矿结构的极化效应机制、极化效应对器件的影响和具体的计算过程。第三章,主要介绍了模拟中涉及到的氮化镓材料参数与氮化镓LED器件的基本结构,并且分析了几个重要物理参数的意义与设定。然后模拟了传统的原始结构氮化镓LED,从器件的能带、载流子浓度空间分布、自发辐射速率空间分布、内量子效率和输出光功率等参数分析了传统氮化镓LED结构存在的问题以及产生的原因。最后系统地模拟了不同极化程度下的氮化镓LED结构,并分析总结了极化电荷对氮化镓LED的具体影响。第四章,主要分为两部分。第一部分介绍了其他实验组对解决传统氮化镓LED量子效率衰减问题所提出来的新型结构和计算结果；第二部分详细介绍了本人对改进氮化镓LED器件量子效率衰减问题所做的理论模拟工作,包括：1应用铝组分渐变电子阻挡层(Electron Blocking Layer, EBL)来减弱其与空间层(Space Layer)之间的极化效应,并成功地消除二者界面之间的高浓度二维电子气；2设计势垒高度渐变InGaN量子垒结构,提高空穴的注入与自发辐射速率在器件内部的空间分布；3采用非对称量子阱结构来提高量子垒的有效势垒高度,减少器件的电子漏电流,提升内量子效率并改善了量子效率的衰减。第五章,总结了本论文的理论模拟工作和模拟创新点,对存在的一些问题作出陈述,最后对未来的LED器件理论模拟工作做出展望。