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光在光子晶体(photonic crystal)的传播或反射具有与均匀材料中截然不同的行为，为人们研究和调控光在介质中的各种行为开辟了新的途径，从而为开拓新型光子器件提供了新的方法。氮化镓(GaN)基发光二极管是发展半导体照明技术的重要光源，提高其出光效率和改变远场分布是目前研究照明光源的重要途径之一。其中如何将光子晶体的衍射效应运用于GaN基发光二极管尤其引人瞩目，成为近年来的研究热点。
本论文工作以GaN基及其相关材料的光子晶体为研究对象，针对其在发光二极管应用中所提出的关于提高出光效率的物理机制、晶格对称性与晶格参数的选取以及制备技术和表征的难点等问题开展了理论与实验研究，并进行了几种基于光子晶体结构的GaN基发光二极管(LED)原型器件的特性研究。由于GaN基材料的化学性质稳定等优势使其在微腔(microcavity)、微电子机械系统(MEMS)器件等也有广泛应用。本论文也开展了微纳结构的GaN基微腔，GaN/空气分布布拉格反射镜(DBR)，微桥及相关的MEMS器件结构研究工作。
主要研究内容和结果如下：
(1)在理论上，首次运用严格耦合波分析(RCWA)和波矢分析相结合的方法，分析了GaN基光子晶体对光的调控作用。具体研究了表面光子晶体衍射效应对改进光的透射效率从而提高波长为460 nm的GaN基蓝光LED出光效率的物理机制：通过自编程序的严格耦合波理论分析(RCWA)详细计算了晶格周期从100nm至2μm范围内二维光子晶体的透射率与入射角的关系，给出并分析了光子晶体的各个晶格参数(周期、占空比和高度)对出光效率的影响。结果表明，对于晶格周期大于介质中半波长的表面光子晶体而言，LED中的出光效率是通过光子晶体与LED内部导波模式的耦合产生的衍射作用而得到提高的。晶格周期是光子晶体最重要的结构参数，它决定了发生衍射的级数，从而影响透射率的强度和分布；晶格周期越大，可产生更高级数的衍射，它们对总的透射率增强的贡献不可忽略。进一步的计算表明，最优化的晶格周期在1.5μm附近，其积分透射率相对于平板结构增强1倍。
(2)在制备技术方面，运用电子束曝光及自组装技术研制出不同周期和对称性的光子晶体。用电子束曝光结合干法刻蚀技术得到周期为300 nm至2μm的各种对称性的GaN基光子晶体结构，包括正方晶格、三角晶格和十二重准晶结构。同时尝试了纳米球沉积技术，分别在硅片和GaN外延片上得到六角密排的周期为880 nm的自组装光子晶体。利用纳米压印技术将光子晶体结构转移到透明的半圆柱体型聚合物.聚二甲基硅氧烷(PDMS)。
(3)在实验表征方面，我们提出了一种巧妙的研究光子晶体衍射作用的方法，并自主搭建了一套便捷的入射角分辨的观测与光谱测量系统。能直接观察到光子晶体在正入射光下的衍射特征，并且首次通过变角度的入射光观察其经过光子晶体后的传播方向、透射效率和强度分布等。实验观察到正方晶格、三角晶格及十二重准晶的晶格对称性，透射衍射斑点以及透射衍射强度相对于无光子晶体平板时均有增强。并且得到了PDMS光子晶体及光子准晶的透射谱及角分辨的透射谱，光子晶体结构在0°到90°的入射光下均有一定程度的透射强度，相对于发生内部全反射的平板结构其透射效率增强。这与理论上用严格耦合波分析模拟计算的结果一致。
(4)在基于光子晶体的GaN基发光二极管的研究方面，我们成功研制了几种基于光子晶体结构的GaN基蓝光LED原型器件，并进行了相关特性的研究。主要有1)p-GaN刻蚀的十二重准晶GaN基LED；2)ITO刻蚀的光子晶体GaN基LED；3)具有PMMA光子晶体结构的GaN基LED，并且进行了特性测量。利用有限差分方法进一步分析并且讨论了几种LEDs内部的导波模式的光场分布。结果表明，以上三种结构中具有ITO刻蚀的光子晶体的GaN基LED由于没有破坏LED器件的电学性能，并且能够有效地将LED内部的导波模式提取出来，因此对于提高LED出光效率而言其效果最好。具有表面PMMA光子晶体结构的GaN基LED由于表面PMMA光子晶体的衍射作用，可以改变LED的远场分布形貌，发展了光子晶体LED在背景光源上的应用。
(5)利用Al0.83In0.17N与GaN材料高的湿法腐蚀选择速率比，通过侧向湿法腐蚀Al0.83In0.17N牺牲层技术，在国内首先获得了具有双介电DBR的微纳结构的GaN微腔，GaN/空气DBR，微桥及相关的MEMS器件结构，并且进行了特性表征。结果表明，微米尺寸的双介电DBR的GaN基微腔内观察到下沉(dip)现象；三对GaN/空气DBR结构在87 nm宽度的范围内反射率高达90％；通过GaN基微桥结构的MEMS器件测量研究了GaN材料的电学性质。