为探究不同铟(In)组分InxGa1-xN势垒对绿光激光二极管光电性能的影响，本文采用SiLENSe(simulator of light emitters based on nitride semiconductors)仿真软件对一系列具有不同In组分InxGa1-xN势垒的激光二极管进行研究，结果发现InxGa1-xN势垒中In组分最佳值为3%，此时结构的斜率效率最高，内部光学损耗最低，光学限制因子最大，性能最优。在具有In0.03Ga0.97N势垒的多量子阱结构基础上，设计了一种组分阶梯(composition step-graded， CSG)InGaN势垒多量子阱结构，提高了激光二极管的斜率效率和电光转换效率，增加了光场限制能力。仿真结果表明，当注入电流为120 mA时，具有CSG InGaN势垒的多量子阱结构，电光转换效率从17.7%提高至19.9%，斜率效率从1.09 mW/mA增加到1.14 mW/mA，光学限制因子从1.58%增加到1.62%。本文的研究为制备高功率GaN基绿光激光二极管提供了理论指导和数据支撑。

本文设计了GaAs基1 060 nm高性能激光二极管的有源区结构, 通过在有源区中引入锑化物的应变补偿结构GaAsP/InGaAs/GaAsSb/InGaAsSb/GaAsP, 改变了有源区的能带结构, 解决了禁带宽度对发光波长的限制, 将弱Ⅱ型的量子阱能带结构变为Ⅰ型, 增大了电子空穴的波函数重叠, 提高了激光二极管跃迁概率和辐射复合概率及内量子效率, 降低了非辐射复合, 有效增强了器件输出功率和电光转换效率。同时, 设计了非对称异质双窄波导结构, p侧采用导带差大、价带差小的AlGaAs作为内、外波导层, 有利于价带空穴注入有源区且对导带中的电子形成良好的限制。n侧采用导带差小、价带差大的GaInAsP作为内、外波导层, 有利于导带电子的注入且对价带中的空穴形成更高的势垒。电子注入势垒和空穴注入势垒分别由原先的218、172 meV降低到148、155 meV, 提高了激光二极管的载流子注入效率; 电子泄漏势垒和空穴泄漏势垒分别由252、287 meV上升到289、310 meV, 增强了载流子限制能力。最后获得的激光二极管的输出功率和电光转换效率分别达到了6.27 W和85.39%, 为制备高性能GaAs基1 060 nm激光二极管提供了理论指导和数据支撑。

将表面沉积有金纳米颗粒的GaN薄膜在H2与N2的混合气氛下进行高温退火, 成功制备了多孔GaN薄膜。多孔GaN薄膜的表面形貌可通过退火温度、退火时间及金沉积时间等参数进行调控。利用高分辨X射线衍射(HRXRD)和拉曼光谱表征了不同GaN结构的晶体质量, 与平面GaN薄膜相比, 多孔GaN薄膜的位错密度和残余应力均有所降低, 在退火温度为1 000 ℃时其位错密度最小, 应力的释放程度较大。采用光致发光(PL)光谱表征了其光学性质, 与平面GaN薄膜相比, 多孔GaN薄膜的发光强度显著提高, 这可归因于多孔结构的孔隙率增大, 有效增加了光的散射能力。此外, 通过电化学工作站测试了不同GaN结构的光电流密度, 结果表明, 具有更大比表面积的多孔GaN薄膜在作为工作电极时, 光电流密度是平面GaN薄膜的2.67倍。本文通过高温刻蚀手段成功制备了多孔GaN薄膜, 为GaN外延层晶体质量与光学性能的提升及在光电催化等领域中的应用提供了一定的理论指导。

通过InGaN/GaN单量子阱模型研究了极化强度随晶面取向的变化，结果显示半极性（101¯1）面量子阱中的极化电场反转导致其能带向上弯曲，电子波函数靠近n侧，这有望抑制电子泄漏。对（101¯1）面InGaN/GaN多量子阱蓝光发光二极管（LED）外延结构的模拟表明半极性（101¯1）面提高了量子垒的有效阻挡势垒，抑制了电子泄漏。此外，（101¯1）面极大地降低了空穴注入势垒，实现了载流子的均衡分布，降低了俄歇复合概率，最终在电流密度为300 A/cm²时，与（0001）面42%的效率骤降相比，（101¯1）面GaN基LED的效率骤降低至9%，发光强度提高48%。（101¯1）面InGaN量子阱的静电场反转特性是其具有优异光电性能的一个重要原因。

p型4H-SiC是制备高功率电力电子器件的理想衬底材料，但由于工艺技术的制约，国内尚无能力生产高质量、大尺寸、低电阻的p型4H-SiC单晶衬底。本文使用物理气相传输(PVT)法制备了直径为4英寸(1英寸=2.54 cm)Al掺杂的p型4H-SiC单晶衬底。通过KOH腐蚀表征样品位错密度，使用高分辨X射线衍射(HRXRD)表征其晶体质量，利用拉曼光谱扫描确定其晶型，采用非接触式电阻测试仪测试其电阻率。结果表明，衬底整体位错密度较低，结晶质量良好，晶型稳定且衬底全片电阻率小于0.5 Ω·cm。通过第一性原理平面波超软赝势方法对本征4H-SiC及Al元素掺杂后样品的体系进行能带结构、电子态密度的计算。结果表明Al掺杂后样品禁带宽度减小，费米能级穿过价带，体现出p型半导体的特征。研究结果为大规模生产高质量、低电阻的p型4H-SiC衬底提供思路。

提出了一种多焦点人工晶体的设计方法，即将达曼波带片作为光学部刻入单焦点人工晶体表面。达曼波带片由一系列的同心圆环构成，是将达曼光栅的位相调制思想引入传统波带片而形成的一种实用光学元件。经过对衍射级次的调制，它能在聚焦透镜后方光场处产生一系列的轴向焦斑分布。通过结合不同数值孔径的聚焦透镜，焦斑的强度分布也会有一定比例的变化。通过理论模拟和实验验证，为多焦点人工晶体的制作提供了一种有效的设计方法。该多焦点人工晶体拥有五个焦点，能够同时提升白内障患者在不同距离视物时的视力，并为他们提供更加清晰细致的成像效果。