基于大功率发光二极管(Light Emitting Diodes,LEDs)的半导体照明被认为是最有可能进入普通照明领域的一种新型节能照明光源。半导体照明广泛应用的关键是提高氮化物LED芯片的发光效率。影响LED芯片发光效率的因素主要有两个,一个是电子转化为光子的效率,一般也称内量子效率,一个是光子从LED芯片内部出射的效率,一般也称为取光效率,两者共同决定了LED芯片的发光效率。因此探索提高LED芯片内量子效率和取光效率的方法得到了广大学者的关注。然而目前的研究主要集中在小功率LED芯片。另一方面,大功率LED芯片的性能与其制造过程密切相关,芯片制造过程中的每一步工艺都会对LED发光效率、可靠性、耐久性等产生重要影响。然而,目前许多与大功率LED芯片制造相关的关键技术问题尚未完全解决,使得对大功率LED芯片的优化设计以及制造工艺中材料选择、工艺参数控制等缺乏实验数据的支撑。因此针对上述存在的问题,本文采用理论研究、数值模拟及实验研究的手段来研究提高LED芯片取光效率的新途径,并分析大功率LED芯片设计和制造过程中材料、结构和工艺参数对LED芯片性能的影响机制以及各制造工艺之间的相互关系,具体研究内容包括如下几个方面:1)采用基于几何光学理论的蒙特卡罗光线追迹法全面地分析了LED芯片的结构参数以及材料属性对芯片取光效率的影响。基于有限元算法建立了LED芯片三维电-热耦合模型,该模型综合考虑LED芯片中的电流扩展、热的产生和传递过程,分析了大功率LED芯片的电极几何形状、ITO(Indium Tin Oxide)透明导电层以及台阶深度对芯片有源区电流扩展性能及温度分布的影响规律。提出通过在大功率LED芯片上同时集成蓝宝石图形衬底技术和图形化ITO技术提高大功率LED芯片取光效率的方法,采用蓝宝石衬底上形成的周期性分布的半球形图形打破GaN材料与蓝宝石衬底之间的全反射界面,采用ITO透明导电薄膜上形成的周期性分布和随机分布的圆形和六边形图形打破p-GaN与ITO透明导电层以及ITO透明导电层与空气之间的全反射界面,从而显著的提升LED芯片光功率。2)为了实现GaN材料的高速率、低损伤干法刻蚀技术,对电感耦合等离子体(Inductively Coupled Plasma, ICP)刻蚀技术进行了详细的研究。采用Cl2/BCl3混合气体对GaN外延层进行刻蚀,通过扫描电子显微镜(Scanning Electron Microscope, SEM )、原子力显微镜( Atomic Force Microscopy, AFM )、光致发光(Photoluminescence, PL)谱测试等表征手段研究了ICP刻蚀工艺参数主要包括气体组分、ICP功率、RF功率和反应腔体压强对GaN刻蚀速率、微结构形貌、表面粗糙度、缺陷以及光致发光谱强度的影响规律。提出采用两步刻蚀方法对GaN外延层进行深刻蚀,第一步刻蚀用于满足刻蚀的速率和深度,第二步刻蚀用于去除第一步刻蚀对GaN材料造成的损伤。分析并得出了ICP刻蚀工艺中对GaN进行深刻蚀和浅刻蚀两种不同情况下的最优工艺参数。3)采用微加工技术主要包括光刻工艺、刻蚀工艺、薄膜淀积工艺、剥离工艺和研磨抛光工艺等制作本文所设计的LED芯片结构。采用剥离工艺制作金属电极图形;采用ICP干法刻蚀技术在蓝宝石衬底上形成直径为3.5um、高度为1.2um的半球形图形;采用湿法腐蚀技术在ITO透明导电薄膜上形成周期性分布和随机分布的圆形图形和六边形图形。为实现垂直结构LED芯片的低损伤衬底剥离,研究了一种采用机械研磨、化学机械抛光(CMP)和ICP干法刻蚀技术相结合剥离蓝宝石衬底的方法。4)建立了新型的LED芯片特征参数(光学、电学、热学和色度学参数)测试系统。提出采用曲线拟合法和查表法快速计算LED主波长的方法,使LED芯片主波长的计算精度达到0.1nm。基于建立的LED芯片特征参数测试系统,对本文所设计并制作的LED芯片进行了测试,分析了蓝宝石图形衬底技术对大功率LED芯片光功率的影响,研究了ITO透明导电薄膜上图形的形状、直径、间距以及分布方式(周期性分布与非周期性分布)对大功率LED芯片光电性能的影响规律。通过对具有不同衬底厚度的大功率LED芯片的结温和I-V特性进行测试,分析了衬底厚度对芯片结温以及I-V曲线的影响规律,并将实验结果与本文所得的仿真结论对比,验证的仿真模型的正确性。