目前，c面氮化镓(GaN)基发光二极管的制备技术已经十分成熟并取得了商业化成功，但仍面临极化电场导致的大电流密度下效率下降(Droop效应)和黄绿光波段效率低的问题。为消除极化电场的影响，人们开始关注半极性和非极性面GaN。其中，基于传统极性面衬底通过三维结构生长来获得半极性和非极性GaN的方法，由于其低成本和生长的灵活性，受到了广泛研究。本文首先总结了三种GaN三维结构的制备方法并分析其生长机理。接着，在此基础上介绍了不同晶面InGaN量子阱的外延生长和发光特性。最后，列举了GaN基三维结构在半极性面LED、颜色可调LED和无荧光粉白光发光二极管方面的应用。

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%。

利用Advanced Physical Models of Semiconductor Devices (APSYS)理论对比研究了InGaN/AlInGaN 和 InGaN/GaN多量子阱作为有源层的InGaN基发光二极管的结构和电学特性。与InGaN/GaN 基LED 中GaN作为垒层材料相比，在AlInGaN材料体系中，通过调节AlInGaN中Al和In的组分可以优化器件的性能。当InGaN阱层材料中In组分为8%时，可以实现无应力的In0.08Ga0.92N/AlInGaN基 LED。在这种无应力结构中可以进一步降低大功率LED的“效率下降”(Effciency droop)问题。理论模拟结果显示，四元系AlInGaN作为垒层可以进一步减少载流子泄露，增加空穴注入效率，减少极化场对器件性能的影响。在In0.08Ga0.92N /AlInGaN量子阱中的载流子浓度、有源层的辐射复合率、电流特性曲线和内量子效率等方面都优于InGaN/GaN基LED。无应变AlInGaN垒层代替传统的GaN垒层后，能够得到高效的发光二极管，并且大电流注入下的“效率滚降”问题得到改善。

为解决GaN基垂直结构发光二极管(VS-LEDs)在大电流驱动时效率下降的问题,制作了具有耦合量子阱(CQWs)和传统量子阱(NQWs)的混合型量子阱(HQWs)结构VS-LEDs.与NQWs结构VS-LEDs相比,HQWs结构VS-LEDs在350 mA输入电流下的正向偏压降低0.68 V,光输出功率提升53.0%,并有更好的电流响应效率.同时,NQWs结构和HQWs结构VS-LEDs的外量子效率分别下降到最大值的37.7%和67.5%,表明采用HQWs能使LEDs的效率下降得到大幅缓解.

运用软件模拟和理论计算的方法分析了In含量对发光二极管光电性能的影响, 研究了In含量与光谱功率密度、量子阱中载流子的浓度、辐射速率、发光功率等之间的关系。分析结果表明: 电子泄漏与能带填充是影响光电性能的主要原因。当In含量较低时, 随着电流密度增大(＜8 kA/cm2), 光谱发生蓝移程度相对较小, 但电流密度太大(＞8 kA/cm2)会造成电子泄漏, 发光功率降低; 而当In含量较高时, 随着电流密度增大, 光谱发生蓝移程度相对较大, 但在电流密度较大时, 会获得较高的发光功率。因此, 为了使InGaN/GaN发光二极管获得最大量子效率与发光效率, 应该根据电流密度的大小(8 kA/cm2)来选择In含量的高低。

运用软件模拟和理论计算的方法分析了量子阱宽度的变化对量子阱束缚态能级与光电性能产生的影响, 建立了束缚态分裂能级理论模型。分析结果表明: 当量子阱宽较窄时, 极化效应导致的能带弯曲是光谱红移的主要原因, 而电子泄漏是导致效率下降的主要原因; 当阱宽较大时, 能级填充是导致光谱红移的主要原因, 俄歇复合与载流子离域是导致效率下降的主要原因。由本文得出, 当量子阱宽为2.5~3.5 nm时, InGaN/GaN发光二极管获得最大内量子效率与发光效率。

分别对3种不种电子阻挡层的蓝光AlGaN LED进行数值模拟研究。3种阻挡层结构分别为传统AlGaN电子阻挡层, AlGaN-GaN-AlGaN电子阻挡层和Al组分渐变的AlGaN-GaN-AlGaN电子阻挡层。此外对这对三种器件的活性区的载流子浓度、能带图、静电场和内量子效率进行比较和分析。研究结果表明, 相较于传统AlGaN和AlGaN-GaN-AlGaN两种电子阻挡层的LED, 具有Al组分渐变的AlGaN-GaN-AlGaN电子阻挡层结构的LED具有较高的空穴注入效率、较低的电子外溢现象和较小的静电场(活性区)。同时, 具有Al组分渐变的AlGaN-GaN-AlGaN电子阻挡层结构的LED的efficiency droop现象也得到一定的缓解。