Ⅲ族氮化物材料带隙从0.7 eV到6.2 eV连续变化,波长覆盖了从近红外到紫外极为宽广的光谱范围,具有优异的光电特性,具有比其他材料更大的应用范围和更高的发光效率。这些优点使氮化物LED成为目前最成功的近紫外到蓝绿光的发光器件。然而氮化物异质结构是强极化、高应变的量子体系,极化不连续性引入极强内建电场,导致量子阱结构中电子空穴波函数的空间分离,降低了发光效率。趋向于无极化的研究思路,非极性面和半极性面的GaN基LED的研究逐渐得到重视,其中极化效应的减弱会带来更加优异的光电特性和巨大的潜在应用。非极性面和半极性面GaN的材料外延缺少合适的衬底,自支撑衬底成本高尺寸小,异质衬底外延的晶体质量较差,难以达到较高的发光效率。于是,利用选择性横向外延技术在c面蓝宝石衬底上生长半极性面GaN材料和发光器件,可以有效降低位错密度,易于制备不同半极性面的材料和器件。本论文围绕半极性面GaN材料及器件光电性质展开研究,探索了半极性面GaN选择性横向外延的生长规律,研究了半极性面GaN的位错变化机制和光学性质；系统研究了半极性面InGaN/GaN多量子阱的光学性质,比较了半极性面和极性面InGaN/GaN多量子阱的极化特性,证明了半极性面InGaN/GaN多量子阱优异的发光特性；制备出半极性面InGaN/GaN多量子阱LED器件,探讨了器件制备过程的关键技术问题,研究了半极性面LED器件的光学性质和电学性质。研究的主要内容和获得的主要结果如下：1.分析了不同取向不同尺寸不同维度的掩膜图形上选择性横向外延生长半极性面的成面机制,证明不同晶面的形成取决于晶面表面能和表面原子的稳定性。研究发现在沿[11-20]和[1-100]方向的条形掩膜上进行选择横向外延生长,会分别形成{1-101)和{11-22}半极性面,{1-101}面的稳定性优于{11-22}面。在十字掩膜上选择横向外延生长会形成三种半极性面{1-101}、{21-33)和{11-22},其中{21-33}面会随着生长温度升高而由于热稳定性差而消失。系统研究了生长温度和掩膜填充因子等参数对半极性面微面结构形貌和不同晶面生长速度的影响。研究发现温度升高和掩膜填充因子增加都能够增加反应原子的表面迁移能力,有利于横向外延生长形成表面能较低的(0001)晶面。研究表明反应过程的生长速度是由质量输运控制。2.研究发现选择性横向外延半极性面GaN生长技术能有效减小位错密度,掩膜填充因子增大和掩膜维度增加能更有效的减小位错密度,提高晶体质量。系统分析了半极性面GaN材料的光学性质,低温PL谱观测到了分别来源于基面堆垛层错(BSF)和棱柱堆垛层错(PSF)的3.41 eV和3.29 eV附近的发光峰,证实了半极性面GaN中基面堆垛层错(BSF)主要是在横向外延区域产生。变温PL谱发现半极性面GaN材料近带边发射峰(NBE)的发光峰位随着温度的升高而红移,服从通常的能带收缩效应。而基面堆垛层错(BSF)发光峰位则随温度呈现S形非单调变化,原因是由于基面堆垛层错引起的导带和价带不连续性会导致载流子的局域化。3.对于选择性横向外延生长的半极性面InGaN/GaN多量子阱,相同生长条件下半极性面{11-22}、{1-101}和极性面(0001)的发光峰位分别为412 nm、436nm518 nm,并且同一个{1-101}晶面中顶部发光峰位相比底部发生了23nm的红移。发光峰位发生差异的主要原因是不同晶面甚至同一半极性面不同位置的生长速度不同,导致了多量子阱阱宽和In掺杂效率不同,另外选择性横向外延生长过程中的In原子迁移长度大于Ga,也会导致In的组分发生差异从而影响发光峰位。研究表明十字掩膜上生长形成的三种半极性面InGaN/GaN多量子阱的发光波长顺序为{1-101}>{21-33}>{11-22},与这些晶面的生长速度顺序一致。发现微面结构中c面顶面量子阱的团簇分布的不均匀发光现象,证明了相比半极性面斜面,c面顶面有着较高的位错密度而导致其InGaN生长过程中出现相分凝。4. 变功率PL研究发现半极性面多量子阱的发光峰位随激光功率增加的蓝移量仅为极性c面的1/5,证明了半极性面多量子阱极化电场大幅减小,QCSE效应大幅减弱。计算得到{1-101}和{11-22}半极性面InGaN/GaN多量子阱的内量子效率ηint分别为65.6%和55.7%,远高于c面多量子阱的内量子效率(15.9%),证实了限制极化电场导致的QCSE效应能够大幅提高InGaN/GaN多量子阱的发光性能。变温PL研究表明半极性面InGaN/GaN多量子阱的PL发光峰能量随温度升高而单调下降,不同于极性c面多量子阱中由于载流子局域化导致的“S”型关系曲线,是由于半极性面多量子阱中的弱极化电场和深阱使得载流子局域化效应减弱导致。建立了应变诱导极化模型,经过计算证明了半极性面InGaN/GaN多量子阱的压电极化强度和总极化强度比极性c面大幅减小,使得能带变平,发光峰蓝移,QCSE效应减弱,辐射复合效率提高。5.研制出了半极性面InGaN/GaN多量子阱LED器件,发现Mg掺杂能够增强Ga原子的迁移能力,促进横向生长使得半极性面pGaN层厚度远大于极性c面。研究了半极性面LED的光学性质,证明了{11-22}半极性面相比极性c面,极化电场大幅减小,QCSE效应大幅减弱。Ⅰ-Ⅴ特性结果发现制得的半极性面LED芯片的正向电压为6.3 V,反向漏电流为2 mA@-5 V,均弱于极性c面LED芯片的电性,主要是由于选择性横向外延中pGaN的外延生长工艺和非平面芯片的金属蒸镀工艺造成,表明半极性面LED的外延及芯片工艺还有待进一步优化。