GaN基半导体材料作为一种新型的光电功能材料，具有较宽的直接带隙，优异的物理、化学稳定性，高饱和电子漂移速度，高击穿场强等突出优点，非常适合于制作高频、高温、高功率微电子器件以及蓝、绿光和紫外光电子器件，特别是GaN基蓝光发光二极管(LED)的研制成功，引爆了人类第三次光源革命。随着LED进入通用照明领域，对高光效，高品质，高可靠性的大功率GaN基蓝光LED器件的需求十分迫切。然而，目前的GaN基蓝光LED仍然存在一些问题，首先，由于空穴的注入不足和电子的泄漏，使得随着正向电流的逐渐增大，LED的内量子效率会大幅下降，即通常所指的“efficiency droop”现象。其次，由于有源区的极化效应产生很强的内建电场，引起了有源区能带的弯曲、倾斜，诱发了量子限制的斯塔克效应，造成了波长的红移，同时内建电场还使得电子和空穴在空间上分离，减少了电子波函数和空穴波函数的交叠，降低了辐射复合效率。最后，由于GaN材料的折射率远大于器件的封装材料和空气的折射率，使得从有源区发出的光难以逃逸出LED器件，低下的出光率严重制约着高光效LED器件的发展。本论文针对上述三个问题对GaN基蓝光LED外延结构加以改进，同时优化外延生长工艺，进行了系统的理论和实验研究，获得了如下有创新和有意义的研究成果:　　(1)理论研究了p-AlGaN电子阻挡层结构(EBL)，p-AlInGaN EBL结构和p-AlInGaN/InGaN超晶格(SL)EBL结构对LED性能的影响。研究结果发现，采用具有传统结构的p-AlGaN和p-AlInGaN作为电子阻挡层的LED存在空穴注入效率低下，电子泄漏严重以及在大电流下内量子效率下降严重的现象。相反的，采用我们新设计的p-AlInGaN/InGaN SL作为电子阻挡层的LED展现出了更好的性能，比如具有更大的光功率，更高的内量子效率和辐射复合率，更低的工作电压和更少的电子泄漏等。基于我们的数值模拟和分析，我们认为采用p-AlInGaN/InGaN SL作为电子阻挡层的LED具有更优越的性能是因为该结构有更高的空穴注入效率和更好的电子限制能力。　　(2)理论设计并实验研究了低In组分InGaN超薄插入层(UTL)对GaN基LED性能的影响。结果发现，位于GaN量子垒和InGaN量子阱之间的低In组分InGaN UTL可以作为量子垒层(QB)与量子阱层(QW)之间的缓冲层，提高外延片的晶体质量，同时降低有源区中的极化电场强度。理论和实验研究结果均表明，采用低In组分InGaN UTL可以大大提高GaN基LED的性能，比如相比于普通结构LED可以获得更低的工作电压，更小的波长漂移以及更大的辐射复合率。此外，采用UTL结构也可以大大提高LED的空穴注入效率，内量子效率以及光功率。　　(3)实验研究了采用N2作为Cp2Mg载气对p-GaN表面形貌的影响。结果发现，通过采用N2作为Cp2Mg载气可以获得具有纳米级粗化的p-GaN表面，其粗糙度受N2的注入流量和注入时间影响。同时我们利用该粗化的GaN表面来提高LED器件的出光率，获得了高出光率的LED器件。通过对生长工艺的优化，在20mA的注入电流下，表面粗化了的LED光功率相对于表面未粗化的LED最大提升了30.4％。值得指出的是，在我们优化的工艺条件下，光功率提升的同时，该器件的电学性能并没有明显的下降。