氮化镓(Gallium Nitride,GaN)是一种宽禁带、直接带隙半导体材料,常温下GaN的禁带宽度大约为3.4 eV。并且GaN基材料带隙宽度可调,适合用来制备光电子器件。目前已广泛应用于半导体发光二极管(Light Emmitting Diodes,LEDs)、半导体激光器(Laser Diodes,LDs)以及光电探测器(Photo Detectors,PDs)等光电器件中。GaN基LEDs以其体积小、寿命长、亮度高、能耗低等优点,得到了广泛应用,并且有望取代传统白炽灯、日光灯等成为主要的照明光源。照明领域对LED的要求主要是高效率和大功率,要获得大功率则需要LED在大电流注入下工作。然而随着注入电流的增加,LED的效率会表现出明显的衰减。对于引起效率衰减的根本原因,业界还没有较为明确的定论。器件有源区内的极化效应所导致的量子斯塔克效应、俄歇复合效应、空穴注入效率低及电子泄漏等都被认为是可能导致效率衰减的原因。而这些可能引起效率衰减的机制,都与LED的量子势垒结构有着直接或者间接的关联。本文主要研究了 GaN基LED中量子势垒结构对其效率衰减的影响。首先分析了引起LED效率衰减的各种可能机制,然后通过对GaN基LED势垒结构进行优化设计,主要是通过在传统的GaN势垒中引入铝(A1)形成AlGaN势垒,来提高LED发光有源区量子势垒层的有效高度、进而提高对载流子的限制能力;并通过设计不同的量子势垒结构,来抑制器件内部极化电场,提高LED的辐射复合速率;结合LED的电子阻挡层,对最后一个量子势垒进行优化,以尽可能地降低LED的电子泄漏和提高空穴注入效率;从而改善器件的效率衰减。具体工作如下:1.在传统InGaN/GaN量子阱(Quantum Well,QW)LED结构的基础上,采用低A1组分Al0.05Ga0.95N势垒替代传统的GaN势垒。研究表明:相较于传统GaN势垒,Al0.05Ga0.95N势垒能够有效提高势垒的高度,从而更好地对载流子进行限制,进而提高有源区的载流子浓度,最终提高有源区内辐射复合速率。2.在低Al组分量子势垒研究的基础上,为了降低AlGaN势垒所带来的额外的极化电场,设计了一种含Al的三角形(GaN-AlGaN-GaN Triangle,GAGT)势垒结构。结果表明:采用这种势垒结构也可以有效提高势垒高度,而且由于势垒层与量子阱层的接触界面为GaN-InGaN界面,可以避免采用AlGaN势垒所形成的高极化AlGaN-InGaN界面。因此,同AlGaN势垒结构的LED相比,这种势垒结构可以进一步提高GaN基LED的光电性能。3.AlGaN 电子阻挡层(Electron Blocking Layer,EBL)被广泛地应用于 GaN 基 LED中,用来降低器件电子泄漏。但是传统的GaN势垒和AlGaN电子阻挡层界面上会形成较强的应变极化,从而降低电子阻挡层的有效势垒高度。本文采用Al含量渐变AlGaN特殊势垒代替传统LED有源区最后一个GaN势垒,并且去掉了传统结构中的的电子阻挡层。结果表明:这种特殊结构的LED,可以更有效地阻挡电子泄漏,并且空穴的注入效率也得到了提高,LED的效率衰减得到明显的改善。