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发光二级管(Light-Emitting Diodes，LEDs)由于具有节能、环保、寿命长等特点，符合低碳节能环保的要求，已广泛用于显示、照明和光通信等领域。随着固态照明技术的不断发展，LED被认为是最有可能进入普通照明领域的一种绿色光源。然而，LED作为照明光源还存在一些不足:一方面由于高亮度照明的需求，LED的发光效率相对于预期值还比较低，需要进一步的提高;另一方面由于照明要求的差异，LED光源本身的光场分布还不能满足照明设计的要求，需要进行二次光学设计。因此，如何提高LED的发光效率，并将LED发出的光进行合理、有效和充分的利用成为当前固态照明领域的一大研究热点。 本论文的主要研究内容如下: 1.提出并制备了一种新型的图形化SiO2/Si衬底结构，它是由半球状的SiO2阵列和Si衬底两部分组成的。这种结构的主要优点有:1）在外延生长过程中，半球状的SiO2阵列可以向四周释放应力，从而大大降低了Si衬底外延的位错密度;2）半球状的SiO2阵列相当于提供了一系列新的光学反射面，进而减少了全内反射(Total InternalReflection，TIR)，同时也减少了Si衬底对蓝光的吸收。之后，我们又提出了一种新型的图形化SiO2/Al2O3/Si衬底，其中半球状SiO2阵列的作用与上述相似，不同的是这种衬底的成核面为Al2O3薄膜，从而进一步降低了位错密度。本研究通过对衬底光学特性的仿真，胶回流与电感耦合等离子体(Inductively Coupled Plasma, ICP)刻蚀工艺的优化，LED外延结构的生长和测试等方法初步分析了这种新型图形化衬底的性能与特点。 2.提出并制备了一种新型ALD-TiO2/Al2O3DBR+Metallic Mirror背镀结构，它是由使用原子层沉积(Atomic Layer Deposition, ALD)方法制备的TiO2/Al2O3 DBR(Distributed Bragg Reflector)和金属反射镜(Metallic Mirror)两部分组成的。这种结构的主要优点有:1）使用ALD方法制备的DBR具有优良的薄膜厚度均匀性和覆盖性，并且能对每一层的厚度进行精确的控制;2）由于Al2O3薄膜和金属反射镜之间有良好的粘合性，不需要增加粘合层，简化了制备工艺并且增加了器件稳定性:3）可以实现高反射率，并且降低了反射率对角度和波长的依赖性。本研究通过对反射率的模拟与测量、芯片光电特性的表征、封装以及老化性能的测试等方法全面系统地分析了这种新型背镀结构的性能与特点。 3.提出并制备了一种新型图形化SiO2/Al2O3钝化层结构，它是由半球状的SiO2阵列和使用ALD方法制备的Al2O3薄膜两部分组成的。这种结构的主要优点有:1）由于Al2O3和SiO2可以进行选择性刻蚀，刻蚀SiO2的氟基会终止在Al2O3表面，这样就可以避免透明导电层(Transparent Conductive Layer，TCL)被损伤，进而不会影响其电流分布;2) Al2O3薄膜的折射率介于透明导电层和SiO2之间，形成梯度折射率，从而有效提高了LED的光提取效率(Light Extraction Efficiency，LEE);3）半球状的SiO2阵列，不但可以增加光线的出射角，使更多光线满足出射条件，而且还可以在一定程度上改变光场的分布，以满足实际照明的要求;4）Al2O3薄膜具有良好的热稳定性和优异的化学钝化特性，且其黏附性好、致密度高和均匀性好，可为LED芯片提供良好的表面钝化效果。之后，我们又提出了一种同时具有新型图形化SiO2/Al2O3钝化层和ALD-TiO2/Al2O3DBR背镀结构的LED，实验结果表明，这种LED不但具有良好的表面钝化效果，而且光提取效率也得到很大幅度的提升。本研究通过图形形貌的对比、芯片光电特性的对比、封装以及老化性能的测试等手段完整地分析了这种新型钝化层结构的性能和特点。 4.提出并优化了一种新型的具有可调控截断断面的光子晶体平板透镜，它是由三角晶格排列的空气孔型光子晶体(Photonic Crystal，PC)和两个可调控的截断断面组成的。这种结构的主要优点有:1）与常规的需要在两侧制备新的抗反射结构的光子晶体平板透镜相比，在一定程度上简化了制作工艺，降低了制作成本;2）通过调整光子晶体平板透镜的结构参数或光源的相对位置，就可以改变光线的路径，对光线进行汇聚或发散，进而调控光场分布。本研究通过对光子晶体平板透镜光学特性的分析，提出了在芯片层级上整合LED的二次光学和一次光学的想法，直接把尺寸相当的光子晶体平板透镜和LED芯片制作或封装在一起，这样能更好地利用光子晶体独特的材料结构特性，调控出满足设计要求的光波模式和光场分布，同时最大限度地减少光能损耗，为光子晶体在LED中的应用开拓了一种新的思路。