自上世纪50年代，以硅(Si)为代表的第一代半导体（元素半导体）材料开始兴起并广泛应用。它取代了笨重的电子管，促进了以集成电路为核心的微电子工业和整个IT产业的发展，使人类进入“Si时代”。随着半导体行业的发展，以砷化镓(GaAs)、磷化铟(InP)为代表的第二代半导体（化合物半导体）材料兴起于上个世纪90年代。相对于第一代半导体材料，第二代半导体材料具有较高的电子迁移率及较大的禁带宽度，能够满足人们在高频和无线通信等领域的需求。随后，以氮化镓(GaN)、碳化硅(SiC)为代表的第三代半导体（宽禁带半导体）材料开始受到人们的广泛关注，并大规模应用于微电子器件和光电子器件等领域。尤其是GaN基半导体材料，已成为半导体领域研究和开发的新热点。GaN基半导体材料的应用主要集中在以下两个方面:(i)用于制备高电子迁移率晶体管（High-electron-mobility transistor,HEMT），应用于无线通信基站、卫星、雷达、汽车电子、航空航天、核工业、军用电子等国民经济和国防建设领域中;(ii)用于制备发光二极管(light-emitting diode，LED)，应用于固态照明、背光源、显示屏等诸多领域。　　随着材料生长技术的发展，尤其是金属有机化学气相沉积(Metal-Organic Chemical Vapour Deposition，MOCVD)外延技术的发展，使得制备高质量的GaN基半导体材料成为可能。尽管如此，GaN基半导体材料及相关器件的光电特性依然存在诸多问题。如，GaN基HEMT存在缓冲层漏电流(buffer leakage current，BLC)、电流崩塌效应等问题;GaN基LED存在大电流下效率低、黄绿光LED生长困难等问题。这些都与GaN基半导体材料的缺陷、应力及载流子的输运机制有关。因此，深入研究并探讨上述结构或器件中的缺陷的起源和分布，阐明载流子的产生（注入）、输运和复合机制，对进一步优化材料生长条件、提高器件的光电特性至关重要。　　光谱表征手段是不可或缺的半导体表征手段，具有灵敏度高、无损伤等优点，能够表征半导体材料合金的组分含量、杂质缺陷和结构缺陷的类型以及内部载流子的产生（注入）、输运和复合机制等。本论文以光谱表征手段为主，辅以原子力显微镜(Atomic Force Microscope，AFM)、透射电子显微镜(transmission electron microscopy，TEM)、霍尔(Hall)测试、Ⅰ-Ⅴ测试等表征手段，研究了GaN基HEMT和LED结构的光电特性。　　主要研究工作总结如下:　　（一）GaN外延层的光致发光(photoluminescence，PL)特性　　本研究采用MOCVD的方法在蓝宝石衬底上制备了GaN外延层，并利用PL测试详细分析了GaN外延层的光学性质。我们观察探讨了各发光峰的起源，包括与近带边(near band eage，NBE)相关的发光峰，如自由激子的基态发光峰(FXA)、第一激发态发光峰(FXB)，以及与缺陷相关的辐射峰，如紫外发光峰(ultraviolet luminescence，UVL)、蓝光带（blue luminescence，BL）、黄光带(yellow luminescence,YL)。　　（二）氮化铝(AlN)垒层厚度对AlN/GaN HEMT的光电特性的影响　　通过HRTEM，AFM，PL和Hall测试研究了AlN垒层厚度对AlN/GaN异质结构的表面形貌、材料质量以及光电特性的影响。测试结果显示，相对于具有3nm厚的AlN垒层的样品，AlN垒层厚度为6nm的样品有以下特点:Pit或Crack的密度更大且更深、缺陷相关的紫外发光峰(ultraviolet luminescence，UVL)强度更强、NBE发光峰强度更弱且峰位红移、2DEG的浓度更大以及迁移率更小。研究结果表明，当AlN垒层厚度从3nm增加到6nm时，应力开始释放，在AlN/GaNHEMT的表面形成更多的Pit或Crack，这些Pit或Crack会从AlN/GaN HEMT的表面往下传播（沿着生长方向的反方向），甚至穿过界面到达GaN沟道层，降低了AlN/GaNHEMT的结晶质量，导致与UVL相关的缺陷浓度的增加。尽管AlN垒层厚度增加能够引起2DEG浓度增加，但是界面质量变差导致的界面粗糙散射增强对GaN基HEMT的电学特性影响更大。　　（三）铁(Fe)掺杂浓度对AlGaN/GaN HEMT的光电特性的影响　　首先，利用MOCVD的方法在蓝宝石衬底上外延生长了不同掺Fe浓度的AlGaN/GaN HEMT，掺Fe浓度分别为:0、1×1018和2×1020cm-3。其次，通过PL、Hall测试和Ⅰ-Ⅴ测试等表征手段，研究了Fe掺杂浓度对AlGaN/GaN HEMT的光电特性的影响。研究结果显示，与不掺Fe的AlGaN/GaN HEMT样品相比，适当掺Fe的AlGaN/GaN HEMT样品(1×1018cm-3)会引入FeGa3+受主能级，使费米能级向下移动。这导致了PL谱中YL强度的减小及一个新的发光峰的出现—红外(infrared，IR)发光峰。此外，还导致了Ⅰ-Ⅴ测试中BLC的减小。当GaN缓冲层掺入过量的Fe原子(2×1020cm-3)后，由于Fe源不纯净，能够在GaN缓冲层中引入大量的氧(O)杂质，O在GaN缓冲层中作为施主电离出自由电子，使费米能级上移，同时FeGa3+捕获电子导致FeGa3+浓度降低。最终，导致PL谱中YL强度增加和IR发光峰强度降低以及Ⅰ-Ⅴ曲线中的BLC增加。通过研究PL特性和Ⅰ-Ⅴ特性的内部机制，为进一步通过光学测量手段分析GaN基HEMT自由载流子的内部机制，提供了简单而有效的方法。　　（四）低温(low-temperature，LT)p-GaN插入层对GaN基蓝光的光电特性的影响　　利用MOCVD的方法在蓝宝石衬底上外延生长了两个GaN基蓝光LED样品（有和无LT p-GaN插入层），并分别测试了不同温度(6-300K)和不同功率下两样品的PL和电致发光(electroluminescence，EL)谱，研究了LT p-GaN插入层对GaN基蓝光LED的光电特性的影响。测试结果显示，两样品的PL特性基本相同，但是其EL特性差别较大。相对于有LT p-GaN插入层的GaN基蓝光LED样品，没有LT p-GaN插入层的GaN基蓝光LED样品的EL峰位明显红移，且伴随着强度和线宽的增加。同时，有LT p-GaN插入层的GaN基蓝光LED样品的量子限制斯塔克效应(quantum confined Stark effect，QCSE)的屏蔽效应减弱，但是峰位“S-形”的温度依赖性变化趋势更显著，此外，有LT p-GaN插入层的GaN基蓝光LED样品的外量子效率（external quantum efficiency，EQE）明显提高，尤其是在大的注入电流下，效率下垂(efficiency droop)得到6％的改善。通过对以上实验结果的分析，我们发现LT p-GaN插入层的导入能够提高GaN基蓝光LED光电特性的，主要原因包括:(ⅰ)阻止生长p-AlGaN电子阻挡层时的高温对MQWs的破坏（主要指最后一个阱层），从而防止InGaN阱层的In挥发，提高了InGaN阱层的局域效应;(ⅱ)减少MQWs中的应力，降低QCSE，从而增大了电子-空穴的波函数交叠;(ⅲ)阻断来自底层的结构缺陷向上传播，提高后续生长的p-AlGaN电子阻挡层和p-GaN接触层的结晶质量。　　（五）研究了GaN基绿光LED的光电特性。　　首先，利用MOCVD的方法在Si衬底上外延生长了GaN基绿光LED样品，其次，测试了不同温度和不同注入电流下样品的EL特性，研究了GaN基绿光LED样品的光电特性。研究结果表明，在较低的注入电流范围内，增加温度能影响EL谱的注入电流依赖性。在低温范围内，如6K，随注入电流的增加，MQWs的辐射过程中，低能局域态填充先起支配作用;当温度升高至中间温度时，如160K，在低注入电流范围内随着注入电流的增加，辐射过程先后受到QCSE的屏蔽效应和低能局域态填充效应的支配;但是当温度升高至高温范围内，如350K，随注入电流的增加，辐射过程先受到散射效应的支配，随后受非辐射复合效应的支配。同时，与GaN基蓝光LED相比，GaN基绿光LED的峰位随温度依赖性没有观察到明显的“S-形”变化趋势。上述EL谱的行为说明了GaN基绿光LED具有较强的局域效应。此外，不同温度下EQE的注入电流依赖性的测试结果显示，随着温度的增加，尤其当温度超过300K时，非辐射复合和电子的溢出越来越显著。