基于实验样品，利用PICS3D模拟软件分析电子阻挡层对激光器性能的影响，尤其是对电光转换效率的影响。通过在上波导层和电子阻挡层之间插入一层AlGaN层，调整插入层和原始电子阻挡层的Al原子数分数和厚度，形成复合电子阻挡层，设计了一系列InGaN基紫色激光器，并模拟比较它们的电流-电压特性曲线、发光功率、电光转换效率、能带分布和载流子分布等特性。结果表明，采用插入层的Al原子数分数和厚度分别为0.30和15 nm、原始电子阻挡层的Al原子数分数和厚度为0.24~0.06和5 nm的新复合结构电子阻挡层，可以调整能带结构、抑制电子泄漏、增加空穴注入，从而提高辐射复合率、增大激光器电光转换效率。相较于参考结构，新结构的电光转换效率提升了36.9%。

为了优化深紫外激光二极管（DUV-LD）的电光转换效率与输出功率，提出了单调组分渐变空穴存储层（MCG-HRL）和对称组分渐变空穴阻挡层（SCG-HBL）结构。使用Crosslight软件对采用基础结构、矩形空穴存储层（R-HRL）、MCG-HRL以及MCG-HRL和SCG-HBL的DUV-LD进行了仿真研究。结果表明，采用MCG-HRL 和SCG-HBL能够更加有效地提升DUV-LD量子阱（QWs）内的空穴浓度，减少n型区的空穴泄露，增加QWs内的辐射复合率，降低其阈值电压与电阻，提升其电光转换效率与输出功率。

为有效降低深紫外激光二极管 (DUV-LD) 在 n 型区的空穴泄露, 优化其工作性能, 提出了一种新颖的 M 形空穴阻挡层 (HBL) 结构。使用 Crosslight 软件对矩形、N 形和 M 形三种空穴阻挡层结构进行仿真研究和对比, 发现 M 形空穴阻挡层结构能够更有效地降低 n 型区的空穴泄露, 增加量子阱内的辐射复合率, 同时降低激光二极管的阈值电压与阈值电流, 提升激光二极管的电光转换效率与输出功率, 表明 M 形空穴阻挡层结构能够有效降低 DUV-LD 在 n 型区的空穴泄露并优化其工作性能。

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。

LED芯片作为LED光源的核心, 其质量直接决定了器件的性能、 寿命等, 因此在内量子效率已达到高水平的情况下, 致力于提高光提取效率是推动LED芯片技术发展的关键一步。 由于蓝宝石衬底具有绝缘特性, 传统LED将N和P电极做在芯片出光面的同一侧, 而芯片出光面上的P电极焊盘金属会遮挡吸收其正下方发光区发出的大部分光而造成光损失, 为改善这一现象并缓解P电极周围的电流拥挤效应, 本文设计制备了在P电极正下方的氧化铟锡（ITO）透明导电层和p-GaN之间插入SiO2薄膜作为电流阻挡层(CBL)的大功率LED, 并与无CBL结构的大功率LED相比较。 对未封装的有无CBL结构的LED在350 mA电流下进行正向偏压, 辐射通量, 主波长等裸芯性能测试, 结果显示两种芯片的正向偏压均集中在3～3.1 V, 而有CBL结构的LED光输出功率有明显提升, 这是因为CBL阻挡了电流在P电极正下方的扩散, 减少流向有源区的电流密度, 故减小了P电极对光的吸收和遮挡, 且电流通过CBL引导至远离P电极的区域, 缓解了电极周围的电流拥挤。 对两种芯片进行相同结构和工艺条件的封装, 并对封装样品进行热特性及10～600 mA的变电流光电特性测试, 得到两种器件的发光光谱及光功率等光学特性。 结果表明随着电流增加, 两种器件的光谱曲线均发生蓝移, 且有CBL结构的LED主波长偏移量较无CBL结构LED少10 nm, 可见有CBL结构的LED光谱受驱动电流变化的影响更小, 因此其显色性能更为稳定。 而在小电流条件下, CBL对器件光功率的影响不大, 随着工作电流的增大, CBL对器件光功率的改善效果逐渐提升。 在大电流条件下, 无CBL结构的LED结温更高, 正向电压更低, 随电流的增大二者之间的电压差增大。 在25 ℃的环境温度, 350 mA工作电流下, 加入CBL结构使器件电压升高约0.04 V, 但器件光功率最高提升了9.96%, 且热阻明显小于无CBL结构器件, 说明有CBL结构LED产热更少。 因此CBL结构大大提高了器件的光提取效率, 并使其光谱漂移更小, 显色性能更为稳定。

为了探究具有双层电子阻挡层设计的GaN基黄光LED中首层电子阻挡层（EBL-1）Al组分对内量子效率的影响以及其中载流子注入的主要物理机制, 首先使用硅衬底GaN基黄光LED外延与芯片工艺, 在外延过程中通过控制三甲基铝（TMAl）流量, 分别获得EBL-1含有Al组分约20%、50%、80%的硅衬底GaN基黄光LED; 随后使用半导体仿真软件Silvaco Atlas对这3种样品的实际测试内量子效率曲线进行拟合。结果表明, EBL-1中Al组分对内量子效率的影响主要体现在两方面: 一是EBL-1的Al组分越高越有利于空穴从V形坑侧壁注入到多量子阱有源区; 二是EBL-1中过高的Al组分会降低p型GaN晶体质量, 导致空穴浓度下降; 综合表现为Al组分约50%的EBL-1在这种双层电子阻挡层的设计下最有利于提高硅衬底GaN基黄光LED的内量子效率。

通过对GaN基LED的量子阱垒层进行重新设计,提高了发光二极管(LED)器件的量子效率。 并通过理论计算从量子阱的内建电场、载流子分布、电子泄漏、辐射符合效率等方面研究了效率上升的原因。 对于LED光电器件,提高辐射复合速率有利于缓解电子泄漏,增加LED的发光功率,缓解LED在大电流下的 效率下降。所设计的结构中采用InGaN/GaN作为LED的垒层,减小了由极化引起的静电场, 增大了电子和空穴波函数的交叠比,进而增大了辐射复合速率。结果表明在160 mA注入电流下,外量 子效率提高了近20%。

制备了多层结构合成的白光有机电致发光器件(WOLEDs),通过在发光层中加入一层空穴阻挡层TPBi来提高器件的光谱稳定性。当TPBi厚度为2.5 nm时,在电压由8 V升高到12 V的过程中,CIE色坐标的变化量为(0.031,0.006)。器件的电流效率为24.7 cd/A,外部量子效率最大为8.2%。相对于没有加入中间层的器件,8 V电压下的色坐标由(0.435,0.472)变为(0.333,0.439)。实验结果表明,在发光层中添加中间层可以改变器件发光的色坐标并提升光谱的稳定性。

设计了具有高量子效率的发光二极管(LED)芯片。通过采用Mg掺杂的AlInN-InGaN-AlInN作为LED的电子阻挡层, 减小由极化引起的静电场, 增大电子和空穴波函数的交叠比, 从而增大了辐射复合速率。提高辐射复合速率有利于缓解电子泄露问题, 增加了LED的发光功率, 减小LED在大电流下的效率下降问题。新设计的芯片在大电流注入下, 发光功率是传统结构的两倍。

制备了结构为ITO/MoO3(40 nm)/空穴传输层/CBP∶Ir(ppy)2acac(8%)(30 nm)/BCP(10 nm)/Alq3(40 nm)/LiF(1 nm)/Al(100 nm)的器件, 其中Ir(ppy)2acac为绿色磷光染料, 空穴传输层分别为TAPC(50 nm)、TAPC(40 nm)/TCTA(10 nm)、NPB(50 nm)、NPB(40 nm)/TCTA(10 nm)。通过使用4种不同结构的空穴传输层, 对器件的发光性能进行了研究。结果表明, 空穴传输层对器件的发光性能有较大影响。在电压为6 V、电流密度为2 mA/cm2的条件下, 4种结构的器件的电流效率分别为52.5, 67.8, 35.6, 56.6 cd/A。其原因是TAPC/TCTA及NPB/TCTA能级结构更有利于空穴对发光层的注入而且TAPC拥有较高的空穴迁移率; 另外, TAPC及TCTA拥有较高的LUMO和三线态能量, 可以有效地将电子和三线态激子束缚在发光层内, 增加绿光染料的复合发光几率。所制备的器件均表现出良好的色坐标稳定性。