Ⅲ-族氮化物半导体是制备蓝光到紫外光波段发光二极管和激光二极管的最主要材料。虽然此类光电器件已经被成功研制并得到商业化应用，诸如发光机制等许多内在物理机制和图象仍未被完全阐明。围绕一些关键问题，包括量子效率、光学增益、载流子动态行为的深入分析将有助于我们进一步理解器件特点和材料物性。 本文工作重点研究铟镓氮多量子阱激光二极管。首先，通过器件层面的模拟和性能测量，比较了三种多量子阱结构设计，确认应用四元合金垒层有效改善了激光器的微分量子效率、阈值电流密度等性能并消除了寄生量子阱现象。该结果可以归因于四元合金垒层在加强载流子限制、减少晶格失配、抑制非辐射复合过程方面的作用。此外通过分析不同腔长的激光器性能参数，检验了对数关系增益饱和模型，推算了相应于最低阈值电流的最优腔尺寸。 继而，本文以器件性能分析中得到的限制因子、内部损耗等参数作为基础，从实验和理论两方面对激光器光增益展开研究。实验上，通过阈值以下电注入自发发射谱的采集，应用Hakki-Paoli方法测算实际器件的光增益谱。理论上，以自由载流子理论为基础，对多体效应进行了适当简化处理，重点考查了由于分涨落和阱宽涨落所致的增益的非均匀展宽，最终采用恒定载流子密度模型计算了材料增益谱、模式增益谱、增益注入关系、自发辐射谱、阈值电流下界、增益温漂情况、线宽增强因子。结果与各种实验报道有较好吻合。同时，计算结果说明组分涨落引致的能隙涨落会对光增益带来负面影响，是激光器外延结构生长中亟待解决的问题。 光增益本质上是由载流子的复合行为决定的。本文最后以时间分辨光谱为手段，研究了载流子驰豫、复合等动态过程，提出了对单指数衰减、双指数衰减和扩展指数衰减三种行为的鉴别方法并应用于量子阱样品。实验中量子阱样品室温下的衰减过程均符合双指数衰减规律，其慢衰减部分和快衰减部分分别对应于辐射复合过程和非辐射复合过程。一个显著现象是铟镓氮底层生长技术有效地抑制了非辐射复合速率。