透明半导体铟锡氧化物(ITO)作为电极能够降低光导开关电极边缘电流集聚效应和提高脉冲激光的利用率。本文通过在ITO与GaN界面之间分别插入10 nm的Ti与TiN, 研究Ti、TiN对ITO与GaN欧姆接触性能的影响。I-V测试结果表明, 随着退火温度升高, 插入TiN的光导开关一直保持欧姆接触特性, 而插入Ti的光导开关由欧姆接触转变为肖特基接触。通过TEM测试发现, 当以Ti作为插入层时, ITO通过插入层向插入层与GaN的界面扩散, 在接触界面形成Ti的氧化物及空洞。透射光谱显示, 不同退火温度下插入Ti层的透过率均低于38.3%, 而以TiN作为插入层时透过率为38.8%~55.0%。因此含有TiN的光导开关具有更稳定的电学性能和更高的透过率, 这为GaN光导开关在高温高功率领域的应用提供了参考。

远程外延是一种用于生产单晶、独立式薄膜和结构的新兴技术, 该方法使用二维范德瓦耳斯材料作为半透明夹层, 实现外延生长及外延层在二维层界面的剥离。本文研究了在蓝宝石衬底上利用单层石墨烯作中间层异质远程外延GaN成核层、GaN薄膜。结果表明, GaN成核岛具有良好的取向, 通过参数调整, 可实现致密的GaN成核层。AFM和XRD测试结果证实, 与同样条件下蓝宝石衬底上直接生长的GaN薄膜相比, 石墨烯上异质远程外延得到的GaN薄膜具有更低的表面粗糙度和位错密度。

GaN基微型发光二极管(Micro-LED)作为新型显示技术有着广泛的应用前景, 在近些年得到了快速的发展。但随着尺寸的降低, Micro-LED的发光效率急剧降低, 主要是由于侧壁损伤的影响。本文通过光刻工艺和电感耦合等离子体(ICP)刻蚀制作了5、10、20 μm等不同尺寸的Micro-LED结构, 分析了刻蚀对Micro-LED带来的台面物理损伤及杂质元素富集的影响, 并采用20%浓度四甲基氢氧化铵(TMAH)修复侧壁损伤, 采用阴极荧光(CL)分析钝化处理前后Micro-LED的光学特性。结果表明, 随着尺寸的降低, 侧壁损伤的影响越加严重, 采取TMAH钝化工艺能够对侧壁进行有效的修复, 提升Micro-LED的发光强度与发光均匀性。

使用波长248 nm的准分子激光器实现了GaN基微型发光二极管(Micro LED)的大面积激光剥离(LLO)。分离器件所需要的临界激光能量密度为800~835 mJ·cm-2, 分离的器件完好无损, 分离表面光滑, 残余应力为0.071 4 GPa, 均方根粗糙度仅为0.597 nm, 远低于目前报道的LLO方法分离表面。该研究为实现高质量、高效率的GaN基Micro LED芯片的制备提供了一种有前景的思路, 对柔性GaN基器件的制备具有一定意义。

对GaN单晶力学性能的研究有助于解决其在生长、加工和器件应用中的开裂问题。本文围绕掺杂对GaN单晶力学性能的影响，通过纳米压痕法测试了不同掺杂类型(非掺、Si掺和Fe掺)GaN单晶的弹性模量和硬度，测试结果表明掺杂对GaN单晶的硬度有重要影响。Si掺、Fe掺GaN较非掺样品硬度有所提升，用重掺杂的氨热GaN单晶作为对照，也证明了这一结论。通过高分辨X射线衍射分析和原子力显微镜表征实验发现，晶体结晶质量、接触面积等因素对GaN单晶硬度的影响较小。对GaN表面纳米压痕滑移带长度和晶体晶格常数进行测试，结果表明，掺杂影响GaN单晶硬度的主要原因是缺陷对GaN位错增殖、滑移的阻碍作用和掺杂引起的GaN晶格常数的变化。

为提高偏振出光发光二极管（LED）的光场耦合效率，以一维光子晶体和亚波长介质光栅为基础，设计一种集成式全介质纳米结构组合器件。采用有限差分时域（FDTD）方法建立实现偏振光束准直功能的全介质纳米结构模型。系统研究光子晶体和介质光栅的结构参数对偏振LED出射光场调控的影响，分析光子晶体厚度、光子晶体周期、介质光栅周期、介质光栅高度和介质光栅线宽等参数影响准直特性的物理机制。设计优化的纳米结构，自上而下分别为周期为550 nm、线宽为160 nm、深度为120 nm的 TiO₂纳米光栅和两对Al₂O₃/SiO₂薄膜组成的光子晶体结构（每层厚度均为80 nm）。计算结果表明，所设计的全介质纳米结构可以将绿光波段偏振LED出光远场辐射角度控制在－6^o~6^o范围内，可以实现光辐射远场准直，同时出光效率大于77%。在垂直方向（远场辐射角度为0^o）所设计的结构的远场辐射强度相较无结构LED辐射强度提高了6.6倍。

本文利用低温光致发光谱(PL)研究了Fe掺杂GaN晶体非极性a面{1120}、m面{1100} 的带边峰和Fe3+相关峰(4T1(G)- 6A1(S))的偏振发光特性。结果表明: a面与m面光学各向异性差别较小,线偏振光的电矢量E平行于c轴［0001］时(E∥c),GaN带边峰强度最小,而Fe3+零声子峰(1.299 eV)强度最强。带边峰线偏振度小,而Fe3+零声子峰线偏振度大,a面带边峰的线偏振度为26％,Fe3+零声子峰的偏振度在a面和m面分别达到55%和58%。在5 K低温下,进一步测量了Fe3+精细峰和声子伴线的偏振特性,结果表明,除了一个微弱的峰外,其他精细峰和声子伴线与Fe3+零声子峰偏振特性一致。本研究有助于拓展Fe掺杂GaN晶体材料在新型偏振光电器件领域的应用。

AlGaN基材料作为带隙可调的直接带隙宽禁带半导体材料，是制备紫外光电子器件的理想材料。在无法获得大尺寸、低成本的同质衬底的情况下，高质量AlN薄膜的异质外延是促进紫外光电子器件发展的关键。本文中，通过调节蓝宝石衬底上AlN的金属有机物化学气相沉积(MOCVD)生长模式产生高密度纳米级孔洞，利用纳米级孔洞降低AlN的位错，并在此基础上外延了AlGaN量子阱结构，得到了275 nm波段的深紫外LED薄膜，并制备了开启电压约为4.8 V，反向漏电电流仅为2.23 μA(-3.0 V电压时)的深紫外LED器件。

极化效应会导致GaN基发光器件的效率降低, 因此关于非极性和半极性GaN单晶的研究受到了广泛关注。为了进一步探究不同极性GaN的发光特性和杂质掺入的内在机理, 本文利用钠助熔剂法侧向生长出的不同极性面的GaN单晶作为研究对象, 对比了不同极性面的光学性质及杂质掺入特点, 讨论了黄光带(YL)峰的起源及其影响因素。首先利用阴极荧光(CL)、光致发光(PL)对液相外延(LPE)法生长的不同极性方向的GaN的光学性质进行了研究。结果表明, 不同的生长极性面会显露出不同的光学特性。朝着侧向生长的 ［1122］ 和 ［1120］ GaN的CL和PL特性相似, 但与 ［0001］ GaN的光谱有较大差异。PL杂质峰包含两个肩峰peak 1(2.2 eV)和peak 2 (2.6 eV), 在不同极性面中强度占比各不相同, 推测分别与CNON和CN缺陷的0/+能级的跃迁有关。通过SIMS元素分析, C元素分布较为均匀, O元素分布存在较大差异, 在［1122］区域沿着生长方向O含量逐渐增加, 结合PL中2.2 eV处峰的强度增加, 进一步证明了2.2 eV处的峰强与O含量存在正相关性。