GaN基半導體作為光電子材料領域極為重要的材料,其異質結構在器件開發領域得到十分廣泛的應用,目前,影響其未來發展的有幾大關鍵性難題,本質上都與應力場有關,深受大家關注且亟待解決。本論文通過實驗研究和計算模擬,全面深入地考察了GaN基半導體異質結構中應力場的相關效應,分析其復雜性質、闡明其物理機制,進而討論這些效應對GaN基半導體電學和光學性質的作用。在基礎研究手段上,我們利用金屬有機物化學汽相外延技術制備GaN基異質結構,如側向外延GaN和AlGaN/GaN系統的異質結構;采用包括電子顯微鏡、俄歇電子能譜、陰極熒光光譜等技術,表征異質結構的各項化學、物理性質。首先提出了電子信息的思想和“俄歇譜廣義位移”概念,結合以密度泛函理論為基礎的第一性原理計算方法,重點開發了微納米區域的應力場、電學量測量技術,對微觀表征技術的發展起重要的推動作用。基于上述手段,我們針對以下幾方面關鍵物理問題進行研究并取得重要結果:在GaN中應力場和發光性質的研究方面,通過對側向外延GaN的應力分布測量,發現雙軸應力釋放的關鍵機制和區域,通過對穿透位錯的拐彎、攀移等行為的分析發現雙軸應力場可轉變為縱向應力場,并帶來帶邊發光增強的效應,從而提高了紫外發光強度;同時,集體有序拐彎的位錯線所形成的橫向位錯陣列,對極化場造成密集的碎斷作用,減小電子空穴的離化,增加了發光復合幾率,進一步促進GaN發光效率的提高。在GaN/AlGaN/GaN異質結構的壓電極化效應的研究方面,通過測量界面層區的化學和電學性質,發現Al與Ga在界面互擴散形成了一定寬度的界面組分緩變層區,在此層區內,因極化效應作用形成了局域的二維電荷薄層。通過對局域電場的測量,重建了異質結能帶結構,表明能帶彎曲所形成的界面勢谷對二維電荷薄層起到限制的作用。通過第一性原理計算AlGaN/GaN異質結構的幾何和電子結構,得到極化場作用下的彎曲能帶結構,與實驗結果很好的吻合,并發現了價帶、導帶彎曲的不一致性,預測了AlGaN/GaN量子阱的短波發光器件開發的切實可行性。