发光二极管（Light-Emitting Diode,简称LED）具有操作电压低、使用寿命长、发光效率高等优点,能够促进对能源的节约、高效利用,是符合“碳达峰”“碳中和”发展目标的绿色照明工具,其相关技术的发展对解决芯片、半导体等领域中的基础、共性科学问题也具有重要意义,契合国家重大战略发展布局。尽管LED的发光效率已经超越了绝大部分传统照明工具,但由于存在效率衰减问题,导致其工作中的实际光效值较理想条件下的期望值仍有不小差距。功率型LED中存在两种主要的光效衰减类型,一种是随电流增大而衰减的“J-droop”效应,另一种是随温度升高而衰减的“T-droop”效应,严重制约了 LED在大电流和高温条件下的应用。对于J-droop效应的抑制,研究人员已经提出了许多行之有效的方法,但仍存在部分问题值得继续深入研究。对于T-droop效应,目前学界对其产生机制尚未达成统一共识,现有研究大多集中于微观层面,对宏观层面影响因素（区别于微观粒子）的讨论较为罕见。除此之外,随着LED向功率化、集成化、小型化的发展,产热激增和热量积累导致的温升问题更为凸显,会造成LED效率衰减、稳定性下降等诸多负面影响,已成为LED技术发展的重大阻碍。因此,功率型LED系统中的热管理问题成为研究焦点,更高效、准确的结温探定成为其中首要任务。对于该问题的研究,结合LED多物理域特性的耦合作用,有助于更准确地反映LED中发生的物理过程。然而,由于耦合研究中涉及的变量多、物理过程复杂,现有模型、理论仍有很大的发展和提升空间。综上所述,本论文的研究方向具有重要理论价值和实际应用意义。面对以上问题,本论文主要围绕功率型LED中的两类光效衰减问题,以及多物理域耦合角度下的LED系统热管理问题进行了研究,解决了部分关键问题,具有一定理论、创新价值。本论文主要工作内容与创新性总结如下:1、针对LED光效的J-droop效应,研究了阶梯型结构量子阱对抑制光效衰减的作用,并提出了一种对称阶梯型结构量子垒,能够提高LED内量子效率并有效抑制J-droop效应。在全电流范围内研究了阶梯型结构量子阱对LED发光性能的影响,结合阱内辐射复合强度与有效复合区域大小,解释了两种不同阶梯设置方式（铟元素In组分由低升高和由高降低）对LED发光性能的影响大致相同、后者相对更佳的原因,并分析了阶梯型、常规型量子阱分别在不同电流条件下取得更高内量子效率的现象。虽然可以增强辐射复合,但牺牲了部分区域未能有效参与到复合过程中,阶梯型量子阱并不能在全电流范围内实现对光效衰减的抑制。在此基础上,提出了一种对称阶梯型结构量子垒,可以提高LED内量子效率并有效抑制J-droop效应。通过提高垒区两端的In组分,减轻了阱、垒之间的晶格失配,既可以削弱极化效应抑制能带倾斜,又不会影响阱区带隙宽度而引起出光偏移。更低的阱间势垒高度提高了空穴的注入效率,使各阱间的空穴分布相对更加均匀,既可以提高电子的利用效率增强辐射复合,又可以避免个别阱内空穴浓度过高抑制俄歇复合。当输入电流分别为350和500 mA时,对称阶梯型量子垒LED的内量子效率比常规型量子垒LED提高了 5.92%和5.86%。2、首次从温升后LED电压变化的角度研究了T-droop效应的作用机制,揭示了T-droop效应的产生原因不仅与载流子泄露等微观尺度因素相关,还会在宏观层面受LED自身参数特性的影响。目前,对T-droop效应产生机制的研究大多都集中于微观层面,例如肖克利-里德-霍尔（Shockley-Read-Hall,简称SRH）复合、载流子泄露、俄歇复合等,而对宏观层面影响因素（区别于微观粒子）的讨论较为罕见。本文首次从温升后LED电压变化的角度研究了 T-droop效应的作用机制,揭示了其产生原因不仅与载流子泄露等微观尺度因素相关,还会在宏观层面受LED自身参数特性的影响。研究表明,同等电流条件下由温升引起的压降,将引起LED空穴注入效率下降和各阱内辐射复合强度改变,从而导致T-droop效应。具体表现为:各阱间辐射复合率的差异性、不平衡性增大,部分阱内辐射复合率降低,个别阱内俄歇复合作用增强,从而使整个有源发光区的总辐射复合率下降。3、首次提出了一种适用于功率型LED系统热管理分析的任意层结构模型及其特殊结构组件的建模方法,并完整地推导了该模型任意层数温度场函数的解析表达式,以及改进了描述LED系统中传热过程的等效热阻网络模型。在此基础上,提出并实现了一种对LED结温和传热路径热阻的直接、快速计算方法。基于对LED芯片内和系统中热传递过程的分析,提出了一种适用于功率型LED系统热管理分析的任意层层状结构LED系统模型,并给出了以散热器、热界面材料为代表的特殊结构系统组件的等效建模方法。该系统模型不受固定层数限制,可以灵活适用于不同LED系统,解决了以往研究中基础模型无法直接应用、系统组件包含不全、层数固定受限等问题。同时,推导出了该系统模型任意层数温度场函数的解析解,解的形式具有一般性,消除了层数固定受限、使用经验近似等问题。另外,对描述LED系统中传热过程的等效热阻网络模型进行了补偿修正,从而可以分析LED尺寸、数量、分布位置以及其他系统组件对传热过程的影响。基于上述工作,提出并实现了一种对LED结温和传热路径热阻的直接、快速计算方法。通过与数值方法对比,验证了所提出模型与解析计算方法的有效性,并突出了其准确性和高效性。由于能够实现对LED结温的直接计算而不需要借助对整个系统模型温度分布的完整求解,计算时间始终小于1 s,特别适用于对功率型LED系统的快速参数扫描研究。4、根据所提出的LED系统热管理分析模型和温度场函数的解析解,系统地总结了 LED芯片以及其他系统组件对结温、热阻的影响规律,相关研究结论能够为功率型LED系统的设计和优化提供有益帮助。根据本文所提出的任意层LED系统热管理分析模型和推导出的关于温度场函数、结温、热阻的解析解,详细地研究了 LED芯片以及其他常见系统组件对LED结温、各类热阻的影响。研究表明,单芯片情况下LED结温与自身热阻、热功率呈线性关系,不存在热阻因输入功率增大而增大的现象;内部热功率密度下降和扩散热阻减小是LED尺寸增大时结温下降的根本原因;多芯片情况下LED数量增加不会导致热阻呈“并联”下降,反而会因产热叠加而造成扩散热阻增大;对于印刷电路基板,基板尺寸远大于LED和绝缘介质材料的低导热性是造成扩散热阻较大的主要原因;对于热界面材料,其非理想表面和表面气隙不会对传热过程形成明显阻碍;对于散热器,明确了不同金属材质对结温、热阻的影响并不显著。5、针对现有LED多域模型相对简单、无法充分反映LED电热特性的耦合作用,提出了改进方法和优化模型,并首次实现了一种对LED系统级电、热特性的快速耦合计算方法。针对现有LED多物理域模型不能准确反映LED电、热特性的耦合作用,进行了改进完善,解决了模型相对简单、没有在芯片级形成电热特性关联、未能在系统级反映电热特性耦合等问题。提出可以将LED在系统级电、热特性的耦合作用,视为LED在某一具体系统环境下热条件与电响应相互影响并最终实现平衡稳定的过程,丰富了 LED电热耦合理论。在此基础上,实现了一种对LED系统级电、热特性的快速耦合计算方法。该方法首先通过多点实验测量和数据处理构建出一种I-V-Tj（电流-电压-结温）函数关系,该函数关系可以完整地记录LED在芯片级的电、热特性并建立二者的关联。其次,根据LED系统和周围环境的具体情况进行建模,尽可能全面地覆盖各种影响传热过程的因素。最后,通过解析迭代计算反映LED在系统级的电、热特性耦合,而不是将LED简单处理为恒定热源。