将表面沉积有金纳米颗粒的GaN薄膜在H2与N2的混合气氛下进行高温退火, 成功制备了多孔GaN薄膜。多孔GaN薄膜的表面形貌可通过退火温度、退火时间及金沉积时间等参数进行调控。利用高分辨X射线衍射(HRXRD)和拉曼光谱表征了不同GaN结构的晶体质量, 与平面GaN薄膜相比, 多孔GaN薄膜的位错密度和残余应力均有所降低, 在退火温度为1 000 ℃时其位错密度最小, 应力的释放程度较大。采用光致发光(PL)光谱表征了其光学性质, 与平面GaN薄膜相比, 多孔GaN薄膜的发光强度显著提高, 这可归因于多孔结构的孔隙率增大, 有效增加了光的散射能力。此外, 通过电化学工作站测试了不同GaN结构的光电流密度, 结果表明, 具有更大比表面积的多孔GaN薄膜在作为工作电极时, 光电流密度是平面GaN薄膜的2.67倍。本文通过高温刻蚀手段成功制备了多孔GaN薄膜, 为GaN外延层晶体质量与光学性能的提升及在光电催化等领域中的应用提供了一定的理论指导。

通过InGaN/GaN单量子阱模型研究了极化强度随晶面取向的变化，结果显示半极性（101¯1）面量子阱中的极化电场反转导致其能带向上弯曲，电子波函数靠近n侧，这有望抑制电子泄漏。对（101¯1）面InGaN/GaN多量子阱蓝光发光二极管（LED）外延结构的模拟表明半极性（101¯1）面提高了量子垒的有效阻挡势垒，抑制了电子泄漏。此外，（101¯1）面极大地降低了空穴注入势垒，实现了载流子的均衡分布，降低了俄歇复合概率，最终在电流密度为300 A/cm²时，与（0001）面42%的效率骤降相比，（101¯1）面GaN基LED的效率骤降低至9%，发光强度提高48%。（101¯1）面InGaN量子阱的静电场反转特性是其具有优异光电性能的一个重要原因。

利用低温水热法在p-GaN薄膜上生长了铟(In)和镓(Ga)共掺杂的ZnO纳米棒。X射线衍射(XRD)、X射线光电子能谱(XPS)和X射线能量色谱仪(EDS)结果表明,In和Ga已固溶到ZnO晶格中。扫描电子显微镜(SEM)结果表明, ZnO纳米棒具有良好的c轴取向性,随着In和Ga共掺杂浓度的增加,纳米棒的直径减小,密度增加。XRD结果表明,In和Ga共掺杂引起ZnO晶格常数增大,导致(002)衍射峰向低角度方向偏移。同时,ZnO的光学性质受到In和Ga共掺杂的影响。与纯ZnO相比, 共掺杂ZnO纳米棒的紫外发射峰都出现轻微红移,这是表面共振和带隙重整效应综合作用的结果。I-V特性曲线表明,随着In和Ga共掺杂浓度的增加,n-ZnO纳米棒/p-GaN异质结具有更好的导电性。

p型4H-SiC是制备高功率电力电子器件的理想衬底材料，但由于工艺技术的制约，国内尚无能力生产高质量、大尺寸、低电阻的p型4H-SiC单晶衬底。本文使用物理气相传输(PVT)法制备了直径为4英寸(1英寸=2.54 cm)Al掺杂的p型4H-SiC单晶衬底。通过KOH腐蚀表征样品位错密度，使用高分辨X射线衍射(HRXRD)表征其晶体质量，利用拉曼光谱扫描确定其晶型，采用非接触式电阻测试仪测试其电阻率。结果表明，衬底整体位错密度较低，结晶质量良好，晶型稳定且衬底全片电阻率小于0.5 Ω·cm。通过第一性原理平面波超软赝势方法对本征4H-SiC及Al元素掺杂后样品的体系进行能带结构、电子态密度的计算。结果表明Al掺杂后样品禁带宽度减小，费米能级穿过价带，体现出p型半导体的特征。研究结果为大规模生产高质量、低电阻的p型4H-SiC衬底提供思路。

为提高有机发光二极管的发光效率, 设计合成了两种新的红光磷光双极性主体材料FC-CZ-PQZ和FC-BCz-PQZ, 两种材料均表现出优秀的光物理性能、较高热稳定能力和平衡的载流子传输能力, FC-BCz-PQZ表现最佳, 与FC-Cz-PQZ相比, FC-BCz-PQZ的热稳定能力更强、载流子传输平衡性更好。以FC-CZ-PQZ和FC-BCz-PQZ为主体, 制备了红色PhOLEDs, FC-BCz-PQZ表现出了较高的电致发光性能, 电流效率、功率效率和最大外量子效率分别为13.5 cd/A、14.2 lm/W 和 14.8%, 说明FC-BCz-PQZ有潜力成为红光PhOLED主体材料。

采用金属有机化学气相外延技术，在图形化蓝宝石衬底上通过选区外延可控生长了三种不同形貌的InGaN/GaN微米阵列结构，阵列尺寸均为6 μm。其中，六方片状阵列结构以(0001)c面为主，高度为0.6 μm；六棱台状阵列结构包括一个(0001)c面和六个等效的(10-11)半极性面，高度为1.2 μm；六棱锥状阵列结构以(10-11)半极性面为主，高度为5 μm。采用微区光致发光光谱仪对InGaN/GaN微米阵列结构进行发光性能表征，结果表明不同形貌的InGaN/GaN微米阵列结构都可实现多波长发射；阴极荧光光谱结果表明六棱台状InGaN/GaN阵列结构不同晶面位置处发射的波长明显不同，这主要是由于表面迁移效应和横向气相扩散导致各个位置的In组分不同。InGaN/GaN微米阵列结构的成功制备对实现多彩发射和新型光电子器件设计具有重要意义。

三维结构GaN基LED能够解决二维GaN基薄膜LED中存在的量子限制斯塔克效应、效率骤降、发光波长单一等问题。基于此, 本文对三维类金字塔状GaN微米锥的发光性能进行了详细的研究。通过金属有机化合物化学气相沉积原位沉积SiNx掩模层后, 首先制备了底面尺寸为8 μm、高度7.5 μm的类金字塔状GaN微米锥, 之后在其半极性面外延生长了3个周期的InGaN/GaN多量子阱。通过阴极荧光测试发现, 类金字塔状GaN微米锥的半极性面上不同位置发光波长不同; 变功率微区光致发光测试表明, 类金字塔状GaN微米锥的半极性面在InGaN/GaN多量子阱沉积之后极化场较弱; 对InGaN/GaN多量子阱进行了透射电镜表征, 结合阴极荧光光谱的结果最终解释了In原子在类金字塔状GaN微米锥上的迁移机理。利用其半极性面不同位置发光波长不同的结构特点及光学特性, 可以制备多波长发射LED。

通过调整非故意掺杂氮化镓层的厚度, 分析氮化镓基LED外延生长过程中应力的演变行为, 以控制外延片表面的翘曲程度, 从而获得高均匀性与一致性的外延片。由于衬底与外延层之间的热膨胀系数差别较大, 在生长温度不断变化的过程中, 外延片的翘曲状态也随之改变。在n型氮化镓生长结束时, 外延片处于凹面变形状态。在随后的过程中, 外延薄膜“凹面”变形程度不断减小, 甚至转变为“凸面”变形, 所以n型氮化镓生长结束时外延片的变形程度会直接影响多量子阱沉积时外延片的翘曲状态。当非掺杂氮化镓沉积厚度为3.63 μm时, 外延片在n型氮化镓层生长结束时变形程度最大, 在沉积多量子阱时表面最为平整, 这与PL-mapping测试所得波长分布以及标准差值最小相一致。通过合理控制非故意掺杂氮化镓层的厚度以调节外延层中的应力状态, 可获得均匀性与一致性良好的LED外延片。