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随着信息技术的快速发展,光电器件对材料的要求越来越高。而随着制备技术和检测手段的提高,人们的研究视野开始从宏观材料向纳米材料延伸。半导体微纳结构材料以其独特的光电特性逐渐成为新一代光电子材料与器件的基础。这类结构的出现,使光子信息处理的全光子化和光子器件的微型化成为可能,并将成为促进信息技术快速发展的关键因素。本论文主要依托于课题组承担的国家自然科学基金项目(批准号：60971068)和国家863计划(批准号：2009AA03Z405),围绕半导体微纳结构(量子点、纳米线、光子晶体)展开相关的性能研究和结构的优化。取得的主要成果如下：1、量子点平衡组份的计算。结合移动渐近线方法和有限元方法,提出了一种快速计算量子平衡组份的方法。通过此方法研究了不同温度下屋顶型GexSi1-x/Si量子点的组份分布以及系统各项能量的变化,并研究其中的物理机理。同时研究了组份的计算对金字塔型GexSi1-x/Si量子点形状转换临界尺寸的影响。2、多层量子点层中近邻量子点对组份分布以及生长位置的影响研究。基于组份计算方法,计算了无盖层InxGa1-xAs/Ga As量子点组份与水平和垂直方向近邻量子点位置的关系,研究了应力耦合对组份分布的影响。通过最小能量法研究了InAsxP1-x/InP量子点层中量子点对准位置的影响因素。3、生长单一量子点时台形衬底的临界尺寸的研究。基于组份的计算,得到系统的最小吉布斯(Gibbs)自由能,进而研究台形衬底上量子点的生长位置及形状转化。计算台形衬底上生长单个量子点和双量子点时系统的能量变化,通过最小能量原理得到生长单个量子点时图形衬底的临界尺寸。4、优化纳米线顶端结构,提高光子收集效率。利用有限元方法建立三维纳米线模型,并采用几何投影法优化纳米线顶端的剖面结构,以提高光子的收集效率。研究发现拱形顶端比圆柱形顶端结构能使光子有更强的前向透射,更有利于光子的收集。5、宽绝对带隙的二维光子晶体结构的优化。采用几何投影法来优化二维光子晶结构,解决了传统拓扑优化算法计算量大的问题。并通过此方法得到一种新型光子晶体结构,其绝对带隙宽度可达到0.1735(2πc/a),超过以前同类报道。6、优化光子晶体波导中心介质分布,调控波导导模能带结构得到光子晶体慢光波导结构。通过几何投影法优化,得到一种平带光子晶体波导结构,其TM模的最小群速度能减小到c/2335,且群速度色散很小。同时通过此方法得到另一种光子晶体慢光波导结构能同时支持TE和TM模慢光传播,且两种模式的慢光区域在同一频带范围。7、优化光子晶体腔结构,得到高Q值和小有效模式体积Veff的腔结构。通过计算不同对称性光子晶体平板腔的Q值和Veff,分析影响提高光子晶体腔Q值和减小腔Veff的原因。采用几何投影法优化光子晶体平板腔结构,最终得到的光子晶体结构Q值能达到5.15×105,比优化前提高了进一倍,而且Veff能达到0.09(λ0/n)3,比优化前降低了一倍。