发光二极管(LED)是一种广泛应用于光电子领域的低成本长寿命固态光源发展半导体照明,节能长效,保护环境,其意义重大而深远。要使半导体照明真正走向市场,就必须探索出一条路使得LED的发光效率以及发光稳定性能够真正的提高。要发掘半导体照明的市场潜力,就需要大大提高LED的发光效率使其满足日常照明和市场的需求。发光效率由内量子效率和外量子效率两部分共同决定。目前LED技术的一大技术难题是,芯片在大电流注入或升温过程中会有出现内量子效率的急剧下降。内量子效率则取决于LED的内部多量子阱微观结构及晶体材料特性和质量,内量子效率的研究是目前LED发光效率研究的切实而有效的突破点。同时发光稳定性的研究也极大的依赖于对有源区微观结构的研究。本文在介绍了氮化镓材料的基本结构特征及物理化学特性之后,从氮化镓的外延结构的属性和氮化镓基高性能芯片设计两个方面对氮化镓材料和器件结构展开了讨论。其中材料属性部分,介绍了透射电子显微镜的工作原理及其主要应用范围,然后根据实验分析了TEM图片,包括GaN多量子阱,重点分析了V型缺陷和块状缺陷的高分辨图形,分析了他们对材料属性的影响。然后分析了多种氮化镓样品的光致发光谱和电致发光谱,并解释其光谱蓝移和红移现象。在属性部分最后介绍了基于密度泛函理论和第一性原理的CASTEP程序及其在分析GaN材料属性上的应用。在芯片结构设计部分,本文提出了三种高效率LED芯片的设计结构,分别是基于双光子晶体的LED芯片,基于微球模型的LED芯片,基于激光剥离衬底的大功率LED芯片。涉及到光子晶体理论,蒙特卡罗理论及激光剥离理论,本文分别介绍和分析了各类理论基础,并在此基础上提出新的设计结构,给出仿真分析结果。双光子晶体可以提供较完善的反射层,出射层。微球LED可以利用大尺寸表面结构来大大提高LED芯片的外量子效率。基于激光剥离衬底的大功率LED可以实现较好散热效果和功率。