半导体照明亦称固态照明，是指用全固态发光器件(LED，OLED)作为光源的照明。具有高效、节能、环保、寿命长、易维护等显著优势，正在成为继白炽灯、荧光灯之后的又一场照明史上光源的革命。但是半导体照明还有很多科学和技术问题需要解决，目前，量子效率的提高、电流分布的均匀性、功率型器件的散热等是制约LED性能进一步提高的主要技术瓶颈。本论文主要进行了GaN基LED材料的外延生长研究，通过对LED结构中量子阱、掺杂等几个关键因素的研究，优化了生长条件和结构参数；同时开展了相关的生长机理分析。并进行了垂直结构LED芯片的电学、光学、热学特性分析研究与制备，探索了非极性a-GaN的外延生长和特性研究，主要研究成果如下：　　 (1)通过对GaN基蓝光LED结构的生长条件和单层参数进行研究和优化，提高了材料的质量。通过优化缓冲层厚度获得了缓冲层最佳生长条件，并得到了高质量的单层GaN材料，X射线衍射(002)峰摇摆曲线的半高宽仅为200arcsec，AFM测试表面平均粗糙度小于1nm；获得了界面陡峭、表面平整的高质量多量子阱结构材料，并通过插入超晶格结构，成功抑制了多量子阱结构的表面Ⅴ型凹坑，发光强度提高一倍多。　　 (2)系统地研究了在多量子阱有源区中Si掺杂对多量子阱质量及LED性能的影响。发现势垒掺杂可以有效地改变有源区的能级分布，并对有源区的晶体质量、界面状态产生影响。结论证实通过控制势垒掺杂的方式，可以有效地提高量子阱中电子空穴对的复合发光几率。对不同阱宽的全结构LED样品的发光效率进行了研究，获得了最佳的阱宽厚度，并通过PL变温实验测试对取得的结果进行了验证；进行了p-GaN的退火实验研究，通过改进的霍尔测试进行了分析，经过对不同退火时间、温度和气氛的研究，发现720℃时氮气气氛下退火30分钟是最佳的退火条件。　　 (3)对垂直结构GaN基LED的热学特性以及光学特性进行了理论分析。结果表明由于垂直结构采用了高热导率的衬底，使其热阻比正装结构与倒装结构分别降低了82.6％和93％。通过理论分析与数值计算，建立起了垂直结构GaN基LED电流分布模型，研究了垂直结构GaN基LED电流分布及Ⅰ-Ⅴ特性。结果表明，与传统结构比较，电极优化的垂直结构电流分布均匀性得到了明显改善，同时正向电压降低约7％。对研制的垂直结构GaN基LED的性能进行了测试，350mA工作电流下，460nm波长的垂直结构LED工作电压小于3.2V，与采用相同外延材料制备的正装结构比较，输出光功率提高10-20％，结构优势明显。　　 (4)探索研究了在r面(1-102)蓝宝石衬底上生长非极性a面(11-20)GaN薄膜。从低温LT-GaN缓冲层厚度、反应室压力和Ⅴ/Ⅲ比三个方面，优化非极性面GaN生长工艺条件。Ramman光谱分析表明a平面内存在应力的各向异性：沿c方向[0001]是压应力，而沿m方向[1-100]是张应力。不同方向应力大小随着Ⅴ/Ⅲ比的增加呈现相反的变化趋势。基于k.p微扰论，计算了受双轴应力的c-GaN和a-GaN在k=0点的相对谐振强度和价带能级位置随应力的变化。计算结果显示：c-GaN体材料中|X＞和|Y＞的ROS分量是相等的，并且第二个价带中|Z＞态的ROS多是随着压应力的增大而减少的，对应于发光模式强度变化。可以推论，随着压应力的增加，TM模式将会越来越少，偏振度会上升。与c-GaN的ROS特性不同，a-GaN的任一价带中的|X＞和|Y＞的ROS分量不再相等，它们的差别是由a面内产生的应力带来的，这导致了非极性a-GaN线偏振的发光特性，这与偏振的PL光谱实验结果相一致。