GaN基材料及器件近年来逐渐成为人们的研究热点，尤其是GaN基LED。由于大尺寸GaN基体材料难以制备，因此GaN材料只能通过异质外延来获得。目前，商业化的GaN基LED所采用外延层衬底主要是蓝宝石衬底和SiC衬底。但是蓝宝石衬底的绝缘性以及其弱的导热性，SiC衬底的高昂价格，都限制了GaN基LED的进一步发展。与这两种衬底材料相比，Si衬底具有低价格、生长工艺成熟、良好的导热导电性能等优点，而且成熟的Si电子器件集成工艺也促使其成为在同一芯片上实现光电集成的焦点。因此Si衬底GaN基LED的研究具有重要的学术意义和产业价值。　　 大功率LED芯片的性能一直面临着电流堆积效应产生的影响，电流局部堆积导致芯片开启电压过高、出光不均匀、芯片内部发热不均匀、有源层内非辐射复合增加、内量子效应下降。　　 本论文就是在这种背景下开始展开，围绕Si衬底GaN基LED器件结构设计和电流在有源区内的扩展，主要完成了以下几方面的工作：　　 1、针对长久以来Si衬底GaN基LED居高不下的工作电压和串联电阻，我们提出了一种通孔型Si衬底GaN基LED器件结构。通孔的制作工艺过程为：利用ICP刻蚀出n-GaN层，然后再将裸露出的n-GaN部分刻蚀至Si衬底，在通孔内沉积金属连接n-GaN层和Si衬底，短路缓冲层A1N和Si衬底之间存在的带阶。通过这一技术，有效降低了Si衬底GaN基LED垂直结构的工作电压和串联电阻。实验结果表明，与传统Si衬底垂直结构GaN基LED相比，尺寸为300μm×300μm的LED芯片的工作电压(@20 mA)和串联电阻分别由4.4 V、26Ω降至4.0 V、22.5Ω。尺寸为1 mm×1 mm的LED芯片的工作电压(@350 mA)的串联电阻也分别由6.74 V、10.1Ω降至5.83 V、8.0Ω。相应的，输出光的相对强度也得到了提高。　　 2、通过优化电极几何形状来改善LED器件的Ⅰ-Ⅴ性能，实验结果表明，对于不同的LED器件结构，达到最佳性能所采用的电极形状不同。无论通孔型还是传统型LED芯片，对于采用同侧电极的LED来讲，电极形状为插指结构的LED芯片的Ⅰ-Ⅴ性能较好，且插指数目越多，其工作电压和串联电阻越低。而对于采用垂直电极的LED来讲，电极形状为“米”字形的传统LED芯片的Ⅰ-Ⅴ性能最好，电极形状为插指状的通孔型LED芯片的Ⅰ-Ⅴ性能最好。　　 3、结合文献已报道的分析电流在绝缘衬底或金属衬底GaN基LED有源区内分布情况的2D电路模型，建立3D电路模型，分析不同电极形状对蓝宝石衬底GaN基LED有源区内的电流分布的影响，并且分析了电流扩展均匀性与LED的光输出饱和速率之间的关系。　　 4、提出了一种新的3D电路模型，用于分析硅衬底GaN基LED有源区内的电流分布情况。利用此模型，本文分析了在通孔型垂直结构Si衬底LED和传统垂直结构Si衬底LED内注入不同电流值时，电流在其有源区内的分布情况。同时，还分析了不同电极形状对电流分布的影响。理论与实验进行对比，两者具有高度一致性。