发光二极管(Light-emitting diodes,LED)是目前最具前景的固态光源,被广泛应用于多个领域。获得高效率高亮度LED的关键在于提高LED外量子效率,LED外量子效率由内量子效率和光提取效率的乘积决定。目前,LED内量子效率已经较高(大于70%),但是低的光提取效率严重限制了LED的外量子效率。通过增加光提取效率来提高LED的外量子效率已成为当前的一个研究热点。本论文以提高GaN基LED的光提取效率为研究目标,通过在LED出光面设计和制备氧化锌(ZnO)纳米结构阵列、ZnO微纳复合结构和二氧化钛(TiO2)微米簇来提高GaN基LED的光提取效率,并对其光学和电学性能进行深入研究,主要研究内容如下：1、研究了ZnO纳米结构的几何形状对光提取效率的影响,并制备了ZnO纳米结构阵列提高LED的光提取效率。运用几何光学方法分析得到等腰三角形比矩形的光提取效率高的结论,推广到三维情况,提出锥比棒的光提取效率高的推论。通过水溶液沉积法在LED的氧化铟锡(ITO)电流扩展层上生长了ZnO纳米棒阵列,LED的光功率提高了约60%；调节生长条件制备了ZnO纳米锥阵列,LED的光功率提高了约110%。理论和实验结果都表明ZnO纳米锥阵列比ZnO纳米棒阵列能更有效地提高LED的光提取效率。2、利用模板法和水溶液沉积法在石英玻璃上制备了ZnO微米网孔和纳米棒复合结构,研究了其入射角度分辨的光透过特性,以此为指导,在LED表面制备了两种ZnO微纳复合结构,提高了LED的光提取效率,探讨了微纳复合结构的光提取增强机制。实验结果表明,在宏观上ZnO微米网孔的二维衍射光栅作用和ZnO纳米棒阵列的光散射作用可以协同增强光从高折射率材料到空气的透过率。ZnO微米网孔和纳米棒复合结构提高了LED的光功率95.9%,共聚焦扫描电致发光显微成像在微观上表明ZnO微米网孔和纳米棒复合结构能集成ZnO微米网孔孔壁侧面出光作用和ZnO纳米棒阵列光散射作用；ZnO微米柱和纳米棒复合结构提高了LED的光功率86.4%,ZnO微米柱和纳米棒复合结构能集成ZnO微米柱侧面出光作用和ZnO纳米棒光散射作用。3、设计和制备了嵌入式周期排列TiO2微米簇,提高了LED的光提取效率,深入研究了TiO2微米簇的光提取增强机制。首先设计了一种将TiO2微米簇周期性嵌入在ITO和p-GaN之间的LED结构模型,期望能够同时利用TiO2微米簇增强光提取以及利用ITO保持电流扩展获得高性能LED。在实验上通过模板法和酸热法制备了嵌入式六方排列TiO2微米簇LED和嵌入式四方排列TiO2微米簇,LED电学性能保持良好。嵌入式六方排列TiO2微米簇能增加LED光功率171.1%,结合蓝宝石衬底粗化能增加LED光功率225.3%。封装后嵌入式六方排列TiO2微米簇+衬底粗化LED比封装空白LED的光功率增加82.1%。光学显微成像和共聚焦扫描电致发光显微成像直观地显示了TiO2微米簇的光提取增强作用,TiO2微米簇的导光和光散射作用是提高LED光提取效率的主要原因。超低温PL光谱测试显示嵌入式六方排列TiO2微米簇结合粗化衬底将封装后LED的绝对光提取效率从45.8%提高到71.4%。实验结果证明,周期性嵌入式TiO2微米簇的结构设计兼顾了TiO2微纳米结构的高光提取效率的优点以及LED的良好电学性能和有源区稳定高效发光的优点。