Ⅲ族氮化物是直接带隙半导体，其带隙范围可以从近紫外、可见光到近红外连续可调，是制备光电器件的理想材料。目前GaN基的LED和蓝光LD已经商业化，在固态照明、显示和光通信等方面拥有庞大的应用市场。然而，GaN基光电器件的科学研究和应用都还存在许多关键科学问题和技术困难。比如，绿光缺口(green gap)—由于量子限制斯塔克效应(QCSE)的影响，具有较高In组分黄绿光波段的LED发光效率较低，而高In组分生长带来的晶体质量变差进一步恶化了器件特性;效率骤降(efficiency droop)—LED随着注入电流密度增加一般超过10 A/cm2时发光效率下降，使得器件的能耗增加，从而限制了大电流注入下器件的应用;尺寸缩减(size reduction)—在数十微米尺寸的发光器件中刻蚀损伤带来的表面非辐射复合的影响，以及与电子线路可集成的纳米尺寸发光器件的设计。本文围绕以上问题，从多方面入手进行了深入细致的理论研究、实验验证和技术创新。开展了半导体光电子器件物理的理论探索、器件新结构和特性分析表征，以及器件制备工艺的物理效应等方面的研究工作，取得的主要成果如下:　　1、超薄InN三明治有源区绿光新结构。在InGaN量子阱中掩埋1～2个单原子层厚度InN材料构成三明治型有源区新结构，理论上基于6×6k·p微扰研究了其发光特性。三明治型有源区新结构不仅可以保持传统InN超薄量子阱对载流子强的限制作用，有效避免QCSE的影响;而且可以通过调控结构参数实现真正的绿光(530 nm)发射。对比研究了三明治型新有源区结构与传统的InGaN/GaN有源区结构的光增益特性，结果显示在注入载流子浓度相同情况下，对称新结构的光增益大约是传统结构的3倍，同时还具有高的微分增益系数和低的透明载流子浓度。上述有源区新结构可能用于制备高效率、快速调制的绿光发射器件。　　2、系统研究了表面等离激元(SP)耦合GaN基发光新结构，发展了SP复合腔的等效Purcell因子理论。（一）从理论和实验上分别研究了SP耦合的Purcell因子、SP的光萃取效率等因素对于蓝绿光LED效率骤降的影响。发现SP耦合可以改善高亮度蓝光LED的效率骤降问题;同时，SP的光萃取效率是影响光功率的关键因素，一般情况应不低于光在芯片/空气界面由内全发射决定的萃取效率;界定了SP耦合增强作用的条件和范围，研究发现对于本征辐射效率很低时SP耦合作用明显，可以抑制非辐射复合的影响，所以SP耦合增强对绿光LED具有实用的价值。（二）提出基于SP耦合的纳米LD设计原理，研究了其原型结构的物理基础和实现的技术途径。开展了直角坐标系和柱坐标系下多层复杂结构等离激元模式的数值计算，对平面多层结构等离激元LD的研究，证实Purcell因子造成电流密度增加，是决定器件能否工作的主要原因;采用非共振工作模式，以及插入介电隔离层，可以调制Purcell因子来减少金属中的损耗;提出和优化了金属/介质/半导体纳米线的壳层结构，实现了二维方向亚波长尺度的模式限制和净模式增益，其注入电流密度与传统的介质波导光子LD的在同一量级。3、能带工程调制的电子阻挡层(EBL)新结构。在理论上基于传输矩阵方法和器件模拟对多层结构中载流子的输运特性进行了细致研究。提出Al组分渐变的电子阻挡层新结构，相比传统单层EBL可以增加空穴的注入效率，同时有效阻挡电子的溢出，使得电子和空穴在有源区中的分布更加均匀。新型EBL结构的LD表现出优异的光电特性:阈值电流下降20％，在100 mA注入电流下光功率增加15％。另外，在实验方面对LD制备工艺进行了全面优化，包括p型欧姆接触Ni/Au薄电极的表面处理、金属厚度以及合金温度等工艺条件，得到接触电阻率ρc-10-4Ω·cm2。在此基础上成功制备了侧向电极结构、脊型波导、边发射的LD，实现了室温下蓝光434 nm的电注入激射。　　4、在GaN器件的光电特性方面，利用正向交流小信号法等手段进行了多尺度的研究。（一）首次系统研究了InGaN团簇μLEDs中电容对尺寸的依赖关系，特别是在大正向偏压时，负电容对于尺寸的非理想线性关系可能与电流密度和结温相关。团簇μLEDs的负电容比相应的大面积LED的大，可能是刻蚀侧壁损伤带来的带间缺陷所引起。（二）研究了GaN基蓝光LED在大正向注入时结电压的温度依赖特性，实验发现其在较宽的温度范围内饱和，对应于有源区两端电子和空穴的准费米能级钉扎。（三）对于GaN基LD，实验发现一些异常的光电特性，结电压在激射阈值附近经历了一个下降（或“钉扎”）的区域，然后随着电流增加而增加。其它电学参数也表现出类似的行为，并且扭结点与光功率电流的一阶微分曲线的扭结点对应。就此进行了基于一维自洽模型的理论分析和数值模拟，结果显示准费米能级的移动决定了结电压的行为，这拓展了当前研究对于半导体激光器激射机制的认识。