大功率发光二极管(Light Emitting Diodes,LEDs)因具有电光转换效率高、节能环保、寿命长、体积小等优点而开始大规模用于照明领域。目前,白光LED主要通过蓝光LED芯片激发黄色荧光粉原理实现。因此,蓝光LED芯片性能的提升,对提高照明效率,节省能源起着至关重要的作用。目前,蓝光LED性能已经得得了很大的提升,蓝宝石衬底大功率蓝光LED芯片的发光效率能够达到140～180 lm/W,但仍然存在光提取效率偏低、大电流下出现电流聚集现象而导致“效率下降”、漏电流过大等亟待解决的关键科学问题。而且大功率LED芯片技术主要被几家国外公司垄断,国内LED芯片制造企业生产的大功率LED芯片质量与国际领先水平仍存在一定的差距。本课题以大功率InGaN/GaN蓝光LED芯片为研究对象,采用理论分析、仿真计算和实验研究的手段,研究LED微纳光学结构和电极结构优化设计对LED芯片光电性能的积极影响,并探析了 LED芯片漏电流形成机理及漏电流大小对LED可靠性的影响。主要研究内容包括如下几个方面:(1)通过分析光子在LED结构中的传输性质,确定了提高LED光提取效率的基本思路。基于几何光学的蒙特卡罗光线追迹方法,建立了 LED光学模型,对LED芯片的结构参数和材料属性与其光提取效率的关系进行了仿真计算,重点研究了 ITO图形化阵列、底部反射镜、侧面图形化等微纳光学结构参数对光提取效率的影响。根据芯片与封装协同设计原则,针对蓝光和黄光波段,设计和优化了 DBR/ODR反射镜膜系。(2)针对LED芯片在大电流驱动情况下存在的电流聚集现象,根据LED电路模型简化原则,分析了针对不同应用情况的几种电流扩展模型,确定了提升芯片电流扩展能力的基本思路。基于有限元思想,以一维漂移-扩散方程和载流子连续性方程为内核,建立LED芯片三维电-热耦合模型,对LED芯片电流扩展性能进行仿真计算,重点研究了芯片电极结构对芯片电流扩展性能的影响。创新性地提出了双金属层3D结构Ni/Ag电极的概念及其制造方法。比较了普通叉指结构电极、分布式CBL叉指结构电极、间断式叉指结构电极、单金属层3D结构电极和双金属层3D结构电极的特点和对芯片电流扩展性能的影响,明确了正装芯片和倒装芯片电极结构设计优化原则。(3)通过外延生长、光刻、刻蚀、薄膜沉积等芯片加工工艺制造和分析了两款大功率InGaN/GaN蓝光LED芯片。第一款芯片为集成了分布式CBL结构/3D图案化ITO结构/侧面波浪状微结构的正装LED芯片。实验结果证明,分布式CBL结构,3D图案化ITO结构和侧面波浪状微结构分别使LED芯片光功率提升了 10.5%,13.9%和7.4%;第二款双金属层3D电极结构倒装LED芯片的制备和性能分析,证实了 LED倒装结构和双金属层3D结构电极在光提取效率、芯片散热和电流扩展等方面的巨大优势,为制作超大功率和大电流密度LED提供了设计思路和技术参考。(4)针对LED芯片中的漏电流现象,系统地研究了报道的各种漏电流模型。根据实验数据,改进了正向漏电流模型,明确了反向漏电流模型。提出大功率蓝光LED芯片处于正偏状态时,n-GaN的电子和p-GaN的空穴分别做对角隧穿运动,并在禁带中央的深能级中心处发生非辐射复合,从而形成混合对角隧穿电流。反向漏电流模型为:T<200K时,电子更容易在能量接近而距离可能较远的局域态间跳跃,变程跳跃隧穿电流占主导;T<250K后,电子热能增强,能够克服相邻局域态间势垒差的概率增加,而更容易在近邻局域态间跳跃,电场增强的热辅助多步隧穿电流开始占主导。最后通过不同漏电流大小LED样品的老化实验,研究了漏电流大小与LED可靠性之间的关系和老化实验对漏电流的影响。