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Ⅲ-Ⅴ族半导体材料在电子与光电子器件领域具有广阔的应用前景，在国防、商业、科学等诸多领域发挥了重要作用。Ⅲ族氮化物无疑是其中最受关注的化合物半导体材料，已成为目前国际前沿领域研究的热点和重点。由于其具有自发极化和压电极化作用，在异质结界面可形成高浓度、高迁移率的二维电子气，适合制作高频、高功率的高电子迁移率晶体管（又称GaN基HEMT）;由于其具有化学性质稳定、直接带隙和截止波长可调等优点，可用于制备高性能的紫外探测器（又称GaN基紫外探测器）。但是，由于自加热和热电子效应，以GaN基HEMT为代表的Ⅲ族氮化物电子器件任然面临着严重的漏极电流坍塌，尤其在大功率条件下输出特性出现明显的负微分电导，严重制约了HEMT器件最大输出功率和增益线性度的进一步提高;而且，由于暗电流偏高和空穴注入效率偏低，以GaN基紫外探测器为代表的Ⅲ族氮化物光电子器件仍然面临着光响应和增益偏低的问题，限制了该探测器的应用。本论文以上述Ⅲ族氮化物电子与光电子器件发展过程中面临的困难和问题为出发点，对新型GaN基HEMT和GaN基紫外探测器开展了性能分析、优化和设计。其主要内容如下:
1.GaN单沟道MOS-HEMT的制备及性能研究。采用MOCVD工艺在c面蓝宝石衬底上生长了Ga面GaN/AlN/GaN异质结，并测试了该材料的表面形态、晶体成分、二维电子气浓度和迁移率等特性。使用该材料经过一系列器件工艺制备了GaN单沟道MOS-HEMT，并测试了单沟HEMT的输出、转移及跨导特性，通过分析单沟HEMT的测试结果提出了改良的工艺方案。
2.AlGaN/GaN双沟道HEMT的自加热和热电子效应研究。针对GaN基HEMT国际上最为关心的漏极电流坍塌，澄清了国际上具有争议的负微分电导的物理机理。基于设计的四种理论模型，发现AlGaN/GaN双沟道HEMT输出特性中明显的负微分电导是自加热效应引起的。研究了下势垒层Al组份对双沟道HEMT转移特性和跨导特性的影响，发现适当增加下势垒层Al组份可以提高器件输入信号的动态范围及输出信号的增益线性度。为提高输出功率和抑制电流坍塌效应，提出了一种新型InAlN势垒双沟道HEMT结构。
3.GaN/AlGaN p-i-n可见盲紫外探测器的光响应研究。采用载流子产生复合与光线追踪(raytracing)模型模拟了实验上获得的GaN/AlGaN p-i-n可见盲紫外探测器的响应光谱。针对该器件光响应率偏低、探测效率不高的问题，研究了吸收层厚度、n型层厚度以及吸收层掺杂浓度对该器件光响应率和短波抑制比的影响，对器件的尺寸进行了优化。
4.GaN/AlGaN紫外雪崩光电二极管(APD)的极化效应研究。制备了背照射型GaN/AlGaN紫外APD，并分别测试了该器件的暗电流特性及响应光谱。首次发现了极化电荷密度对GaN基APD的暗电流和响应光谱的调制效应，通过构建GaN/AlGaN紫外APD的暗电流与光响应模型，系统阐释了该效应的物理机理，为Al组份（极化电荷密度）的优化设计提供了可靠依据。
5.吸收区与倍增区分离(SAM)的GaN基APD的增益和光响应研究。针对传统p-i-n型GaN基APD空穴注入效率偏低的问题提出了一种新型SAM GaN基APD结构。系统研究了吸收层、倍增层和分离层厚度对器件增益特性的影响。采用带间隧穿和碰撞电离模型研究了不同偏压下SAM GaN基APD的响应光谱和量子效率谱。
6.InP/In0.53Ga0.47As/InP p-i-n光电二极管的暗电流分析。采用载流子漂移扩散和产生复合模型研究了InP/In0.53Ga0.47As/InP p-i-n光电二极管小偏压下的暗电流特性，证明了该器件暗电流的主要成分是产生复合电流。详细讨论了吸收层厚度及掺杂浓度对暗电流的影响，从优值因子R0A出发获取了最佳吸收层厚度和掺杂浓度。