为了提高GaN基LED芯片的光提取效率, 以GaN基LED芯片为研究对象, 建立了在蓝宝石衬底出光面和外延生长面上具有半球型图形的LED倒装芯片模型, 并利用光学仿真软件对图形参数进行优化设计。实验结果表明: 在蓝宝石衬底的出光面和外延生长面双面都制作凹半球型图形对芯片光提取效率的提高效果最好, 并且当半球的半径为3 μm, 周期间距为7 μm时, GaN基LED倒装芯片的最大光提取效率为50.8%, 比无图形化倒装芯片的光提取效率提高了115.3%。

在图形化蓝宝石衬底生长低温缓冲层之前, 通入少量三甲基镓(TMGa)和大量氨气进行短时间的高温预生长, 通过改变TMGa流量制备了4个蓝光LED样品。MOCVD外延生长时使用激光干涉仪实时监测薄膜反射率, 外延片使用高分辨率X射线衍射(002)面和(102)面摇摆曲线估算位错密度, 并使用光致发光谱表征发光性能, 制备成芯片后测试了正向电压和输出光功率。结果表明, 高温预生长可促进薄膜的横向外延, 使得三维岛状GaN晶粒在较小的薄膜厚度内实现岛间合并, 有利于降低位错密度, 提高外延薄膜质量, LED芯片的输出光功率的增强幅度达29.1%, 而电学性能无恶化迹象; 但高温预生长工艺中TMGa的流量应适当控制, 过量的TMGa导致GaN晶粒过大, 将延长岛间合并时间, 降低晶体质量。

设计了方形和阶梯状两大类的图形化蓝宝石衬底(PSS), 使用Crosslight公司的工艺软件CSuprem建立了三维的方形和阶梯状两类图形衬底GaN LED器件, 然后使用APSYS软件模拟计算出它们的光电特性。并且对方形图形衬底的刻蚀深度进行了优化, 通过对模拟结果的比较得到刻蚀深度与边长的比值为0.4时, 这种方形图形衬底GaN LED的光提取效率最高, 且比平面衬底提高了20.13%。对阶梯状图形衬底的阶梯层数进行了比较, 发现随着阶梯层数的增加, 光提取效率也随着增加, 阶梯状层数为5时, 光提取效率比平面衬底提高了30.03%。并对方形PSS LED进行了实验验证。

介绍了几种利用复合技术提高光子晶体LED出光效率的方法。利用复合技术在LED上形成光子晶体结构和微腔结构、全方位反射镜、图形化衬底、AlGaN限制层或嵌入式光子晶体层复合的结构，可以改变LED的发光光路与内部导波模式分布，有效地提高光子晶体LED的发光效率。以五种复合结构为例进行分析，通过实验制备和时域有限差分(FDTD)模拟仿真，证实了与传统LED结构相比，经过适当优化参数配置，具有复合结构的LED比只具有表面光子晶体的LED结构出光效率有显著提高。

针对当前图形化蓝宝石衬底 ICP干法工艺刻蚀流程, 对工艺腔室真空环境微气压调节非线性特征进行了动态监测, 本文提出了一种基于自适应模糊 PID的微气压控制算法。该算法利用质量流量计 MFC及真空泵组减压阀的参数调节, 实现真空环境微气压调节。通过 Matlab仿真及刻蚀流程气压控制测试表明, 工艺腔室的真空微气压自适应模糊 PID控制基本符合仿真结果。在气压为 0.13~20 Pa的真空环境下, 工艺腔室气压动态控制效果良好, 具有鲁棒性强、超调量小、过渡时间短等特点, 满足工艺刻蚀流程中正常刻蚀速率、选择比及均匀性等指标。

采用图形化蓝宝石衬底(PSS)技术可以降低GaN外延层材料位错密度，提高了发光二极管(LED)的内量子效率(IQE)，同时使LED光析出率(LEE)提高。基于PSS技术可以制作高效GaN基高亮度LED。基于已公开发表文献对用于高效LED制作的PSS技术做了综述，介绍了PSS技术演化、PSS的制作方法与主要的图形结构、PSS上GaN外延层生长机制以及PSS对LED性能的影响。PSS结构对LED的IQE与LEE均有提高，但对二者哪个提高更为有效没有定论，最近的研究结果倾向于以为对LEE提高更为有效。PSS对LED的IQE与LEE提高的机制目前并不是非常清楚，对公开发表的PSS对LEE的提高机制提出了不同看法。不同PSS结构与尺寸对GaN质量以及LED性能的影响方面的研究目前还非常缺乏。

本研究基于蓝宝石图形衬底(PSS)制备GaN基40mil功率型LED芯片，结合版图的优化，改善了电流扩展效应，系统研究了LED器件的光电性能。制备的LED外延片波长集中在6nm范围内，半峰宽接近20nm，LED功率型芯片使用优化的版图设计，在0.01mA下有良好的点亮效果，没有暗区，器件在350mA下发光效率达104 lm/W，并能够满足3W的应用市场，此外，器件具有良好的可靠性和稳定性，350mA和700mA下老化1,000hr光衰分别为-0.4%和2.8%，并成功解决了产业化的关键技术。