采用SiLENSe(Simulator of light emitters based on nitride semiconductors)软件仿真研究了AlxInyGa1-x-yN电子阻挡层(EBL)Al组分渐变方式对GaN基激光二极管(LD)光电性能的影响, 实现了提高输出功率和电光转换效率的目的。文中提出的四种Al组分渐变方式分别是传统均匀组分、右阶梯渐变组分(0~0.07~0.16)、三角形渐变组分(0~0.16~0)、左阶梯渐变组分(0.16~0.07~0)。结果表明, 与传统均匀组分EBL结构相比, Al组分阶梯渐变AlxInyGa1-x-yN EBL LD导带底的电子势垒显著提高, 价带顶的空穴势垒降低。这主要是由于该结构能有效抑制电子泄漏和提高空穴注入效率, 从而提高有源区载流子浓度, 进而提高有源区辐射复合效率。当注入电流为0.48 A时, 采用Al组分阶梯渐变AlxInyGa1-x-yN EBL结构能将器件开启电压从5.1 V降至4.9 V, 光学损耗从3.4 cm-1降至3.29 cm-1, 从而使光输出功率从335 mW提高至352 mW, 电光转换效率从12.5%提高至13.4%。此外, 讨论了Al组分阶梯渐变EBL结构对GaN基蓝光LD光电性能的影响机制。该结构设计将为外延生长高功率GaN基LD提供实验数据和理论支撑。

效率陡降严重影响AlGaN基深紫外发光二极管(DUV LED)的输出性能，也是近年来DUV LED的一个瓶颈性问题。对常规电子阻挡层(P-EBL)和Al组分三角形渐变P-EBL两种结构DUV LED进行了数值分析。研究了能带、电子电流、空穴浓度、电场、内量子效率、输出功率和自发辐射光谱的分布特性。模拟结果表明，在260 mA电流注入时，相比常规P-EBL结构，Al组分三角形渐变P-EBL结构DUV LED的效率陡降减小了5.85%，改善了DUV LED输出性能。根据数值模拟和分析，器件输出性能改善的原因是Al组分三角形渐变P-EBL结构提高导带势垒高度和增强空穴在P型区域获得的动能，从而减小电子泄漏，并提高了空穴注入效率。

采用金属有机化合物化学气相沉积(MOCVD)方法制备了不同Al组分(x=0.19,0.22,0.25,0.32)的AlxGa1-xN/AlN/GaN 结构的高电子迁移率晶体管(HEMT)材料。研究了AlxGa1-xN势垒层中Al组分对HEMT材料电学性质和结构性质的影响。研究结果表明，在一定的Al组分范围内，二维电子气(2DEG)浓度和迁移率随着Al组分的升高而增大。然而，过高的Al组分导致HEMT材料表面粗糙度增大，2DEG迁移率降低，该实验现象在另一方面得到了原子力显微镜测试结果的验证。在最佳Al组分(25%)范围内，获得的HEMT材料的2DEG浓度和室温迁移率分别达到1.2×1013 cm-2和1 680 cm2/(V·s)，方块电阻低至310 Ω/□。

在已有理论基础之上，采用严格的计算方法对激光器实现太赫兹(THz)波的辐射进行了可能性分析。利用传递矩阵法，通过Matlab软件计算了基于AlGaN/GaN材料体系的三能级量子级联激光器导带子能级与电子波函数的分布，详细分析了由该材料特有的极化效应所产生的极化场，得出了在近共振条件下偶极跃迁元、外加电场、垒层Al组分及导带子能级能级差之间的关系，并研究了它们对激光器性能的影响。分析结果表明，实现受激辐射的条件非常严格，Al组分取0.15或0.16时较为适宜，同时外加电场需大于63 kV/cm，但不能过大，这样才能满足近共振条件，实现粒子数反转达到太赫兹量子级联激射。在Al组分为0.15，外加电场为69.0 kV/cm时激光器的偶极跃迁元最大，表明跃迁几率也最大，对激光器的性能有利，可以为量子级联激光器构造较好的有源区。

通过对激光器一个周期单元的一维薛定谔方程与泊松方程进行自洽求解，得到了能带与电子波函数的分布情况，并且计算了在近共振条件下偶极跃迁元与垒层Al组分的关系，得到了Al组分的优化结果。结果表明，垒层材料的Al组分大约等于0.15时激光器的偶极跃迁元最大，此时激光器处于垂直跃迁工作状态。

鉴于双异质结发光二极管(DH-LED)限制层的Al组分的不确定性,本文通过分析载流子在双异质结中的输运及受约束情况,从理论上剖析了Al组分确定为一个最合适的取值时,有源层中的载流子应有一个最大数量的复合,此时LED的复合效率最高、发光最强.这个最佳A1组分的确认,对于器件结构设计以及相关的MOCVD材料生长有指导意义.