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以Ga N为代表的III族氮化物半导体材料因其优异的特性而被广泛应用于光电子领域,具有代表性的有Ga N基发光二极管（LED）、激光器（LD）、光电探测器和高电子迁移率器件（HEMT）等。由于Ga N晶体结构沿c轴方向缺乏反演对称性,因此存在镓极性和氮极性两种不同极性的Ga N材料。镓极性Ga N基材料的研究较为成熟,目前的Ga N基发光器件普遍基于镓极性材料制备。然而,对于以In Ga N/Ga N为有源区的镓极性LED器件,由于In-N键分解温度较低,随着量子阱In组分的升高,In Ga N阱层所需的生长温度更低,相应的材料质量显著降低;量子阱中In组分的升高也导致In Ga N阱层和Ga N垒层之间晶格失配增大,加剧量子限制斯塔克效应,降低器件发光效率;此外,In Ga N基LED在大电流下会出现严重的效率下降,即“efficiency droop”。因此有必要对镓极性In Ga N/Ga N量子阱及其LED器件进行结构优化等研究来提升器件性能。相比于镓极性材料,氮极性材料具有一些独特的优势:氮极性In Ga N具有更高的In并入效率,可以在更高生长温度下制备In Ga N/Ga N量子阱,从而提升材料质量和器件发光效率;此外,氮极性LED中与镓极性LED相反的极化电场方向有利于提高载流子向有源区的注入效率,同时可以有效抑制电子从有源区向p型层泄漏,从而提高有源区载流子的辐射复合效率并缓解LED的效率下降。然而,受限于氮极性Ga N基材料的质量,氮极性LED器件未能实现其理论优势,因此,氮极性Ga N基材料和器件有待进一步研究。本论文针对目前In Ga N基LED器件所存在的问题,利用金属有机物化学气相沉积（MOCVD）技术,分别从镓极性和氮极性两方面开展了In Ga N/Ga N量子阱的外延生长研究和In Ga N基LED的制备研究。具体研究内容如下:1、镓极性In Ga N/Ga N量子阱的制备研究。首先研究了不同Al N和Al Ga N缓冲层结构对镓极性Ga N薄膜晶体质量、表面形貌和应力特性的影响,获得了高质量的镓极性Ga N薄膜,通过KOH溶液湿法腐蚀确定薄膜极性为镓极性。基于优化的Ga N薄膜作为模板,研究了生长压力对镓极性In Ga N/Ga N量子阱结构特性、光学特性及表面形貌的影响。结果表明,升高生长压力有利于提升量子阱中In的并入效率,同时可以增强量子阱局域态效应,此外,生长压力的提高还可以降低量子阱表面V型坑的尺寸和密度。2、镓极性In Ga N基绿光LED的制备研究。研究了Al Ga N/Ga N超晶格插入层对镓极性In Ga N/Ga N量子阱LED特性的影响,结果表明,具有Al Ga N/Ga N超晶格插入层的LED,其电致发光（EL）强度和外量子效率显著高于无超晶格插入层的LED。同时,通过插入Al Ga N/Ga N超晶格,LED的效率下降得到显著缓解。对镓极性In Ga N/Ga N量子阱绿光LED电子阻挡层（EBL）进行仿真研究和实验验证。首先通过APSYS软件对具有不同EBL结构的LED进行模拟仿真,仿真结果表明,相对于常规Al组分固定为0.3的EBL,采用Al组分从0.3线性渐变至0的EBL可有效提升电子的溢出势垒,同时提高空穴的注入效率,从而提升有源区载流子辐射复合效率。为了验证仿真结果,外延制备了与仿真所采用相同结构的镓极性In Ga N/Ga N量子阱LED,LED的EL测试结果表明,具有组分渐变Al Ga N EBL的LED外量子效率更高,同时效率下降有所减弱,与仿真结果相一致。3、氮极性Ga N薄膜和In Ga N薄膜的外延生长研究。使用两步高温生长法进行了氮极性Ga N的外延生长,制备得到的氮极性Ga N薄膜具有平整的表面,螺位错密度和刃位错密度分别为3.45×10~7 cm-2和8.08×10~8 cm-2,膜内残余应力仅为0.025 GPa。研究了脉冲生长模式对氮极性In Ga N薄膜特性的影响,结果表明,使用Ga源和N源交替通入、In源连续通入的脉冲生长模式可以提高III族吸附原子迁移率,进而抑制氮极性In Ga N薄膜中闪锌矿相混相形成,降低薄膜表面粗糙度,同时降低In Ga N薄膜的螺位错密度。4、氮极性In Ga N/Ga N量子阱的制备研究。研究了Ga N垒层生长温度、垒层生长载气中氢气流量、In Ga N阱层生长温度以及量子阱周期数对氮极性In Ga N/Ga N量子阱特性的影响。研究表明,将垒层生长温度从845°C升高到945°C可以抑制氮极性量子阱中闪锌矿相结构形成,进而显著提升量子阱的表面形貌和发光特性;在垒层生长的氮气载气中通入适量氢气可有效抑制六方小丘的形成,同时提升量子阱发光特性,但通入过量的氢气会使量子阱表面三角形台阶边密度增加;在一定生长温度范围内,氮极性In Ga N/Ga N量子阱的发光波长与阱层生长温度呈现出线性反比关系,并且由于氮极性In Ga N中In并入效率更高,氮极性量子阱的发光波长显著长于相同温度生长的镓极性量子阱;氮极性量子阱周期数的增加会导致表面三角形台阶边的起伏度增加,使得台阶边缘处聚集的In原子增多,形成更深能级的局域态,导致同一量子阱中源于深、浅两能级的发光发生宏观分离,进而出现双波长发射。量子阱的发光特性和表面形貌在周期数为2时最佳。5、氮极性In Ga N基LED的制备研究。分别以优化前和优化后的量子阱作为有源区制备了氮极性In Ga N/Ga N量子阱LED。由于优化后量子阱晶体质量和表面形貌的提升,优化后LED的串联电阻从111Ω降低至72Ω;EL结果表明,优化后LED的峰值外量子效率更高,较优化前LED的峰值外量子效率提升了～92%,这主要是由于优化后量子阱的发光特性有所提升,且优化后LED串联电阻的降低提升了载流子向有源区的注入效率;同时,由于优化后量子阱对载流子限制能力增强,优化后LED的效率下降得到大幅缓解。