AlGaN基LED芯片是新一代固态光源,具有节能、寿命长、用途广泛、波长从深紫外到蓝光波段连续可调等优势,可用于医疗消毒、工业固化、植物生长、显示照明等各个领域,而这些新型应用场景对LED外量子效率提出了更高的要求。外量子效率等于内量子效率乘以光萃取效率。内量子效率与材料晶体质量有关,不在本文的讨论范围内。而光萃取效率是指射出芯片的光在光源总功率中的占比。因此,提高光萃取效率主要面临三大问题,（一）出射光在AlGaN与空气界面处的全反射,（二）衬底和顶部电极对光的吸收,（三）横磁场偏振的出射光在水平方向传输。针对上述问题,表面粗化和制备图形化电极方法已被广泛用于解决全反射和电极吸光问题。衬底吸光问题通常会采用插入金属反射镜方法解决,然而金属反射镜稳定性较差,退火后其表面形貌会降低反射镜层的反射率,导致芯片的光萃取效率下降。横磁场偏振光水平方向传输的问题可利用纳米柱结构来解决,然而现有纳米柱结构参数主要利用计算机优化算法求解纳米柱最优化几何参数,这导致纳米柱参数工艺窗口较小,不利于实际生产。因此,本文通过设计金属反射镜结构、单根纳米柱以及多根纳米柱阵列的几何结构来提升AlGaN基LED的光萃取效率。具体内容如下:第一,采用电子束蒸发技术通过调节反射镜结构,对垂直结构蓝光LED芯片的光萃取效率进行研究。本文以Ni/Ag反射镜为基础,通过研究Ag反射镜纳米团簇尺寸变化和表面形貌演变,揭示了Ag反射镜表面形貌对入射光的散射机制。一方面,Ag纳米团簇尺寸持续增大使纳米颗粒的散射类型从Mie散射转变为瑞利散射,导致团簇颗粒正向散射增加、背散射减少以及纳米颗粒的微分吸收截面增加,从而减少了芯片的光萃取效率。另一方面,Ag反射镜表面粗糙度均方根值和均方根斜率值增加同时降低了Ag层镜面反射率和表面散射率,从而减少了Ag反射镜层的综合反射率,其中,表面粗糙度均方根值的变化是综合反射率改变的主要原因,最终通过调控Ag表面形貌提升了Ag层综合反射率,增强了芯片光萃取效率。第二,利用光波导理论和时域有限差分法设计单根AlGaN纳米柱紫外LED,对纳米柱内的导模共振机制进行研究。研究发现,纳米柱内导模数量减少可以提高共振模的集中度从而增强共振强度。纳米柱高度增加会因为共振模相位发生周期性变化导致共振强度发生振荡。纳米柱对称性的破坏会使得导模在纳米柱上下界面处反射率变化,从而抑制共振模的形成。综上,实现利用导模共振增强提升纳米柱紫外LED光萃取效率。然而,对单根纳米柱LED远场分布的研究发现,导模共振增强对横磁场偏振光在水平方向传输的弱化作用有限,因此需要利用多根纳米柱阵列增强对水平方向辐射模的抑制。第三,利用平面波展开法和时域有限差分法设计和模拟多根AlGaN纳米柱光子晶体LED,对水平方向辐射模至垂直方向导模的耦合机制进行研究。通过计算光子能带图及前三个光子带隙图谱研究了不同带隙对辐射模的抑制机理以及辐射模至导模的耦合效率,最终发现第二和第三光子带隙对辐射模的抑制作用强于第一带隙,抑制作用由纳米柱内可容纳的导模数量决定。通过增加纳米柱数量和模拟区域光源数量研究了芯片边缘漏光现象,结果表明纳米柱数量增加会提高辐射模被散射概率,稀释芯片边缘处漏光,最终实现芯片光萃取效率提升。本文针对芯片光萃取效率,按照“反射镜纳米颗粒提升”→“单根纳米柱导模共振提升”→“多根纳米柱带隙匹配提升”的路线展开研究。通过设计不同的芯片结构,揭示了金属反射镜团簇的散射机制、纳米柱内导模共振机理以及辐射模至导模的耦合机制。该成果对提升AlGaN基LED芯片光学性能具有指导意义。