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GaN基半导体作为一种新的光电功能材料，以其宽的禁带宽度、高稳定性、高热导率、高硬度等优良性质，可广泛应用于固态照明、太阳能电池、显示指示、固体激光器、紫外探测器以及各种微电子器件等领域。特别是自20世纪90年代初氮化镓(GaN)基发光二极管(LED)研制成功以来，随着技术的发展，氮化镓基LED的性能取得了很多突破性进展。但是采用金属有机物气象外延方法生长出来的GaN基LED存在很多问题。首先，LED外延结构中，最后一个垒层GaN和P-AlGaN电子阻挡层(EBL)之间由于晶格失配存在极化效应，导致EBL能带向下弯曲，降低了电子阻挡层对于电子的阻挡作用，而电子具有较小的有效质量和较高的迁移率，电子可以轻易的越过电子阻挡层所形成的势垒，到达p区和空穴发生复合，减小了空穴浓度和注入效率。同时空穴具有较大的有效质量和很低的迁移率，电子阻挡层和量子阱垒层也对空穴的注入和传输起到的阻碍作用。在GaN基材料中，由于Mg掺杂剂具有较高的激活能，很难得到较高自由空穴浓度和迁移率的外延片，这样空穴的注入效率就会大大降低。其次，由于GaN薄膜通常是沿着其极性轴c轴方向生长，GaN及其合金在<0001>方向具有很强的自发极化和压电极化。GaN垒层和InGaN阱层之间由于晶格失配也会产生压电极化效应。这种极化效应在氮化物外延层中产生大约几MV/cm的内建电场，能带发生弯曲，使得电子和空穴波函数交叠减小，影响了LED的内量子效率。最后，在金属有机物化学气相沉积(MOCVD)实际生长的过程中，由于量子垒层GaN和电子阻挡层AlGaN的生长温度都要高于量子阱层InGaN，较高的生长温度也会破坏InGaN薄膜的晶体质量，影响发光效率。同时还存在其他影响LED发光的机制，包括:俄歇复合、热效应、位错和量子限制斯托克效应等等。正是由于存在这么多问题，使得随着正向电流的逐渐增大，LED的量子效率大幅下降，这也就是通常所指的"efficiency droop"现象，量子效率下降严重影响了LED在大功率器件方面的进一步应用和发展。本文通过理论和实验方法，模拟了一些新型的LED外延结构，这些新的材料生长方法可以在一定程度上提高LED的发光效率，减小"efficiency droop"现象。获得如下有创新意义的研究结果:
1.采用MOCVD外延生长用Mg掺杂的Al0.82In0.18N-GaN-Al0.82In0.18N做EBL来替代传统的Mg掺杂的AlGaN。由于新的EBL具有较低的生长温度及较高的有效势垒高度，所以器件的量子阱晶体质量改善了，电子泄漏问题得到遏制，器件的光功率大大提升。
2.理论研究了采用InGaN-GaN-InGaN做垒层的LED外延片，由于阱层和垒层之间的压电极化效应减小了，电子波函数和空穴波函数有所提高，使得LED的发光功率提升了。
3.在第二个创新方法的基础上更进一步，采用InGaN/GaN超晶格做垒层，由于超晶格层既能减小阱层和垒层之间的压电极化效应又能提高垒层的晶体质量，所以LED的发光效率也得到了提升。