采用Silvaco TCAD软件构建了立方氮化硼（cBN）基台面结构pin型光电探测器数值计算模型，采用控制变量法研究了n型、i型、p型cBN层材料掺杂浓度、厚度对探测器光电性能的影响，并利用器件物理相关理论对结果进行了分析与讨论。结果表明：p型cBN层掺杂浓度增大时，光电流、暗电流和内量子效率先增大后减小；i型层掺杂浓度增大时，暗电流减小；n型层掺杂浓度增大，光电流、内量子效率增加；光电流和内量子效率随着p层厚度的增大而减小，随着i层厚度的增加而增大；n层厚度越大，光电流越大。

基于氮化镓材料的微型发光二极管(microLED)已逐渐成为可见光通信和下一代显示器等许多光电器件的主要发光源。由非辐射复合和量子限制斯塔克效应(QCSE)引起的低外量子效率(EQE)是微型发光二极管应用开发过程中的主要瓶颈。文章讨论了微型发光二极管低EQE的成因，分析了其物理特性，并提出了改善其EQE的优化方法。

为了提高发光二极管（LED）的发光效率, 在LED出光面放置金属光栅, 采用时域有限差分法进行了理论分析和模拟计算。结果表明, 对光栅优化后, 金属光栅对波长460nm的透射率接近1, 可提高LED的光提取效率;在此波长下, 可同时激发局域表面等离激元和表面等离极化激元, 有助于提高LED内量子效率; 且具有金属光栅结构的LED的发光效率是仅在出光面放置一层Ag薄层的LED的30倍。该研究为未来制备高发光效率的LED提供了理论指导。

理论分析了内部损耗、内量子效率对激光器输出功率的影响，并采用PICS3D软件对852 nm法布里-珀罗（FP）激光器进行综合优化设计。设计的器件具有小远场发散角、低内部损耗和高内量子效率等特点，并在大电流下能够实现稳定的高功率输出。实验制备了基横模852 nm FP激光器，内部损耗小于1 cm^-1，快轴发散角为42.3°，慢轴发散角为5.6°，未镀膜情况下的单边输出功率为115 mW。理论分析结果和实验结果表明，在增加波导层的厚度同时对波导层非掺杂可以降低载流子导致的光的吸收，减小激光器内部损耗。通过增大上覆盖层AlGaAs材料中的Al组分和掺杂浓度，可以有效地抑制载流子泄漏，确保激光器实现高内量子效率。

开发了一种由溅射AlN层和中温GaN层组成的复合成核层来提高黄光LED的内量子效率。系统地研究了在溅射AlN成核层和复合成核层上生长的InGaN基黄光LED的晶体质量和光学性能, 揭示了复合成核层对黄光LED内量子效率的影响机制。分别采用透射电子显微镜、X射线衍射、拉曼光谱、变温光致发光谱和电致发光谱对黄光LED进行表征分析。结果发现, 复合成核层能够诱导产生堆垛层错, 可以有效降低外延层中的位错密度和残余应力。在溅射AlN成核层和复合成核层上生长的黄光LED外延层中的位错密度分别为5.04×108 cm-2和3.98×108 cm-2, 压应力分别为482.71 MPa和266.38 MPa。通过变温光致发光谱计算得到在溅射AlN成核层和复合成核层上生长的黄光LED的内量子效率（室温295 K）分别为12.5%和29.8%。

使用金属有机化学气相沉积(metal organic chemical vapor deposition, MOCVD)方法生长了三个具有不同垒层温度的InGaN/GaN量子阱。由于高密度V型坑的形成, 完整的量子阱结构被破坏, 转变成了InGaN量子点(quantum dots, QDs)/量子阱(quantum well, QW)复合结构。通过变功率光致发光谱和变温光致发光谱, 分析了在不同的垒层温度下量子限制斯塔克效应(quantum confined Stark effect, QCSE)、非辐射复合中心密度和载流子局域化效应的变化。结果表明: 在较低的垒层温度下, QCSE较弱, 因为在较低的温度下, V型坑的深度较深, 应力释放较明显, 残余应变较低; 非辐射复合中心密度也随着温度的升高而逐渐增大; 样品的内量子效率(internal quantum efficiency, IQE)随着垒层生长温度的升高而降低。QCSE的增强和非辐射复合中心密度的增大是垒层生长温度升高时内量子效率下降的主要因素。

为了能够同时提高GaN发光二极管（light emitting diode，LED）的光提取效率和内量子效率，将GaN LED与准对称光波导（包含光栅、Ag薄层和SiO₂层）集成，并基于时域有限差分法对该结构的GaN LED进行了优化与分析。经模拟计算发现，有源区发出的光在Ag薄层激发了表面等离激元，且表面等离激元与有源区产生了珀塞尔效应，因此显著提高了内量子效率。另外，高透射光栅使得LED的光提取效率得到显著提高，且光栅层使得 Ag薄层两侧处形成了折射率准对称的波导结构，这进一步提高了表面等离激元的光提取效率，且Ag薄层两侧的电场呈均匀分布。

深紫外光源在杀菌消毒、生化检测、紫外固化、紫外通信等方面具有巨大的应用前景，基于AlGaN半导体的深紫外发光二极管(LED)因具有无毒、体积小、能耗低、寿命长、波长可调等优势，得到了广泛的关注和研究。经过近二十年的研究开发，AlGaN基深紫外LED无论是发光效率和器件寿命都得到了巨大的提升，已逐步开始商业化。然而，相对于GaN基蓝光LED，目前AlGaN基深紫外LED的效率仍旧非常低，还有很大的提升空间。本文首先介绍了深紫外LED的发展现状，并分析了导致器件效率低的原因。然后，分别从内量子效率、光提取效率以及电光转换效率三个方面对目前AlGaN基深紫外LED的研究状况进行了系统的回顾，总结了目前提高发光效率的各种手段和方法。最后对AlGaN基深紫外LED的未来发展进行了展望。

围绕高性能GaN基垂直腔面发射激光器(VCSELs), 设计了两种具有不同光电耦合强度的InGaN/GaN量子阱(QWs)样品, 研究了它们的光学性质。样品A在腔模的两个波腹处各放置两个InGaN耦合量子阱, 而样品B在腔模的一个波腹处放置5个InGaN耦合量子阱。计算表明样品A具有较大的相对光限制因子1.79, 而样品B为1.47。光学测试发现样品A有着更高的内量子效率(IQE)和更高的辐射复合效率。使用两种样品制作了光泵VCSEL结构, 在光激发下实现激射, 其中基于样品A的VCSEL有着更低的激射阈值。结果表明有源区结构会显著影响量子阱与光场的耦合作用、外延片的内量子效率、辐射复合寿命和VCSEL激射阈值, 同时也说明样品A的有源区结构更有利于制作低阈值的VCSEL器件。

采用湿化学方法对硅片背面抛光钝化, 研究背腐蚀对硅片各项性能、电池电性能的影响。通过分析腐蚀后硅片表面形貌、反射率及电池电性能的变化, 发现腐蚀降低了硅片表面粗糙度, 增大背面反射率, 内量子效率中长波光的响应增强；抛光使得金字塔棱角变得更平滑, 降低硅片表面电子空穴复合速率, 增大了有效少子寿命, 开路电压和短路电流密度分别增加了3 mV和0.3 J/cm2, 电池效率提升了0.3%, 最高可达到19.5%。