GaN基低维量子限制结构是GaN基光电子器件的核心结构,比一般的Ⅲ-Ⅴ族半导体发光二极管(LED)和激光二极管(LD)的低维系统更为复杂。其中的载流子是在具有很强的极化电场与组分偏析造成的非均匀的低维系统中运动和复合的。因此,对GaN基低维量子限制结构的研究涉及强极化场下非均匀低维结构中载流子的输运特性、辐射复合与非辐射复合机制,以及应变、组分、发光效率和光增益的调控等基础科学问题。　　本论文的研究对象主要有InGaN/GaN量子阱和AlGaN/AlN超晶格两种低维量子限制结构。InGaN/GaN量子阱是GaN基LED和LD的有源区结构,是决定GaN基LED发光效率和LD室温连续激射的关键,其研究内容涉及极化电场的分析与调制,自发发射速率和光增益,载流子在有源区的辐射复合与非辐射复合机制等基本物理问题。目前,量子阱内极化电场的调控和内量子发光效率的改善,注入载流子在有源区内的损耗机制,以及大功率LED的efficiency droop现象等都面临诸多问题和巨大挑战。Mg掺p型AlGaN/AlN超晶格作为GaN基激光器的光限制层,其生长和电学特性是决定pn结晶体质量和空穴载流子浓度的关键,也是目前GaN材料研究的世界性难题。迄今关于超晶格结构可以有效地提高Mg受主激活效率的机制等诸多关键物理问题仍然存在争论。另外,本文的研宄工作还包括GaN基LD多层波导结构参数以及脊型结构的优化,有效地调整有源区的光限制因子,对于降低激光器的激射阈值和调整激光器激射光束的近场和远场光束质量都有着重要的意义。本文就以上内容从理论和实验方面进行了系统的研宄工作,取得的主要成果如下:　　1.基于简并微扰论的能带计算方法(k·p方法)对不同In组分调制量子的能带结构,量子阱内极化电场的大小和分布情况进行了理论模拟和数值计算,并与传统的方形量子阱结构进行比较。对比发现In组分调制量子阱的能带形状在极化电场的影响下发生了类抛物线形弯曲,电子和空穴波函数交叠情况明显改善,有效地抑制量子限制Stark效应,与自发辐射复合直接相关的跃迁矩阵元明显大于传统方形量子阱。自发发射速率的计算结果表明,采用In组分调制量子阱替代传统方形量子阱,内量子效率有明显改善。其原因在于:(1)量子阱形状发生变化,电子空穴波函数的空间分离减小;(2)量子阱导带和价带有效宽度的非对称变化使得电子空穴包络函数展宽发生变化,同样有利于波函数的交叠积分。　　2.利用MOCVD方法在InGaN/GaN量子阱前生长In组分分别为3％(In背景)和10％的厚度均为10 nm的InGaN预应变插入层,研究应力调控对实际量子阱有源区的发光效率影响。X射线掠入射和反偏压光致发光谱(PL)测量分析表明,采用In组分为10％的InGaN预应变层的量子阱发生了明显的应变弛豫,量子阱内极化电场明显减小。变温PL测试分析显示,引入高In组分预应变层后,量子阱的内量子效率从8.5％提高到15.1％,室温PL谱的积分强度也提高到123％。通过拟合变温PL谱强度的Arrhenius曲线,获知高In组分InGaN预应变层可以有效地提高量子阱内局域激子的束缚能力和In组分相关的局域态束缚能力。因此,实验证明了采用InGaN预应变插入层的生长方法,有效地提高量子阱的内量子效率。　　3.通过泊松-薛定谔方程自洽解的方法分析了注入载流子在量子阱内部实空间和相空间的分布情况。计算结果显示载流子的分布效应对于量子阱内的辐射复合和非辐射复合有很大的影响。据此,本文结合热力学统计原理,提出了一种超线性增长的载流子非辐射复合机制用于揭示InGaN/GaN量子阱大电流下效率下降的机制。并利用该模型分析实际大功率LED管芯的实验数据,结果证明在较高电流注入条件下载流子非辐射寿命从100 ns急速下降到7 ns,达到与辐射复合寿命相比拟的程度。因此,从理论和实验上说明在研究LED发光特性时,载流子实空间和相空间的分布效应对量子阱的辐射和非辐射复合特性的影响是不可忽略的重要因素。　　4.通过对比不同发光效率InGaN/GaN量子阱发光二极管研究量子阱辐射复合与非辐射复合特性。变温PL数据证明通过MOCVD生长优化后的量子阱内量子效率明显提高。通过时间分辨PL研究量子阱内载流子辐射复合和非辐射复合寿命,发现量子阱内量子效率的提高来源于量子阱辐射复合寿命的减小,但更重要的是非辐射复合的受到有效地抑制。　　5.在生长不同周期的p型AlGaN/GaN超晶格层前引入不同厚度的AlN插入层,调制超晶格层的应变弛豫特性。X射线(002)面联动扫描,(105)面倒易空间mapping扫描和掠入射扫描分析表明,AlN插入层厚度达到10 nm后,超晶格内的应变情况发生了很大改变,原来自由状态的GaN势阱层受到压应变,而原来处于张应变状态的AlGaN层,其应变基本弛豫。通过对比分析有无AIN插入层,周期均为6 nm的超晶格样品发现应变弛豫后的Mg受主激活能由150 meV下降到70 meV,室温空穴载流子浓度从6.6×1016/cm3陡然跃升至1.66×1018/cm3。通过对比不同周期超晶格的电学特性发现,Mg受主激活特性与周期几乎无关,所以极化电场是受主激活效率提高原因的观点是不正确的。本文的研究分析表明,超晶格中GaN层和AlGaN层之间的能带带阶是激活能减小的必要条件。低温阴极荧光谱分析显示,应变调制后的施主受主对(DAP)跃迁峰强度明显下降,支持本文提出的一种可能解释:超晶格应变特性的变化,使得GaN势阱层价带电子更多的发生了隧穿激活到相邻的AlGaN势垒层中,从而在GaN势阱层中留下了浓度很高的空穴载流子,被激活的Mg受主因为被离化不再束缚电子空穴对,也就不会对DAP跃迁有贡献。此外,本文就AIN插入层引起的双轴应变对超晶格内部的刃型位错和螺型位错的演化机制做了初步探讨,研究发现同双轴张应变和自由状态不同,双轴压应变对位错的演变有很大的影响,使得大部分刃型和螺型位错在几百纳米范围内发生了阻断、弯曲和湮灭。　　6.通过有限差分的方法计算了GaN基激光器一维和二维波导结构的光场分布,并具体研究了GaN buffer层厚度,AlGaN光限制层厚度及Al组分,GaN波导层厚度和量子阱个数对光限制因子的影响,得出了激光器一维生长的优化参数。还计算了不同脊型宽度和深度对二维光限制因子和近场光斑的影响,给出了脊型的最优参数。对实际GaN基激光器的生长和脊型制备提供重要的参考。