GaN作为第三代半导体材料,具有宽能带间隙、高电子迁移率以及高导热性等优异特性,基于GaN材料的蓝光LED引领了半导体照明技术的第三代革命。LED未来的发展方向是低成本、大功率和高性能。Si衬底具备成熟的制造工艺、低廉的制备成本和大尺寸衬底易获得和导热率高等优点,在大尺寸衬底上的LED外延方面具有巨大优势,特别适合制造大功率、低成本的GaN基LED。迄今,Si衬底上的LED制备技术已经取得重大的突破,但依然在外延结构设计、机理研究等方面存在一系列的基础问题,制约着Si衬底上大功率GaN基LED性能的提升。如何设计新型的LED外延结构,抑制大电流下的Efficiency droop现象是Si衬底上大功率LED的重点研究方向。为此,本论文围绕Si衬底上大功率GaN基LED结构设计以及芯片制备展开研究,取得的主要成果如下:首先,建立了 Si衬底上GaN基LED的理论计算模型并写入应力状态。利用该模型研究了外延层整体的应力状态对LED光电物理过程的影响,发现适当增大n-GaN层的张应力有利于减小异质界面处的极化电荷密度,使得量子阱区域的倾斜能带变得平坦,有利于削弱量子阱内的量子限制Stark效应(QCSE),增加载流子的注入和辐射复合系数。进一步地,将模拟结果用于指导实际的外延结构设计,通过设计底部缓冲层的结构将Si衬底上的GaN基外延材料调控为张应力状态,使得LED的正向电压减小了0.07 V,实际光输出功率提升了21.96%,验证了模拟的准确性并为后续采用更进一步的应力调控手段提供了理论基础。其次,利用Si衬底上的GaN基LED的理论计算模型研究了 InGaN量子垒的In组分对载流子输运的影响。发现在GaN量子垒中掺入合适组分的In原子让量子垒的能带间隙降低,使得量子垒能带整体的势垒减小,有利于电子和空穴向量子阱的注入,量子阱内的载流子浓度可提升约32%。为了进一步释放量子阱内的压应力,通过低温生长InGaN垒层获得了弛豫型的多量子阱,阐述了InGaN量子垒进行降温生长能够促进量子阱发生弛豫的机理,并且通过实际的实验生长实现了量子阱弛豫度的控制,协调了 QCSE削弱与晶体质量变差的关系,使得LED的光电性能得到改善,提升幅度达19.69%。再次,采用了 AlInGaN EBL替代传统的AlGaNEBL并且以理论计算和实际实验相结合的方式系统研究了 EBL的In组分对载流子向量子阱中注入过程的影响,得到了合适的In组分区间,大幅度抑制了 EBL处的极化电场,使得EBL的能带变得平坦,在不减弱电子限制能力的前提下提高了空穴注入率。同时,还设计了 p-GaN/InGaN异质结构,研究了异质结在导带和价带上的能带不连续现象,发现了异质结在价带上形成的势阱有聚集空穴的效应,提高了异质结到EBL之间的区域的平均空穴浓度,有利于加强空穴向量子阱的注入。由于空穴注入的加强,量子阱中电子与空穴浓度不匹配的现象得以缓解,降低了电子发生泄露的几率,有利于抑制Efficiencyd roop现象。最后,将Si衬底上的LED外延片制备成尺寸为1 mm×1mm的大功率垂直结构LED芯片。制备的具有优化外延结构的Si衬底上垂直结构LED芯片在70A/cm2电流密度下的运行电压为2.97 V,相比具有普通外延结构的Si衬底上垂直LED芯片LED减小了0.49 V。而在70 A/cm2的电流下的光输出功率为988.70 mW,提升超过35%,这证明了外延结构设计对LED光电性能的显著提升。更为重要地,在70A/cm2的电流密度下,具有优化的外延结构的LED垂直芯片与未经优化的LED垂直芯片的光电转换效率分别为47.5%和30.0%,其对应的droop值分别为33.7%和43.3%,证明对Si衬底上的GaN基LED的一系列外延结构能够提高大电流密度下的发光效率,削弱Efficiency droop效应,适用于大功率的LED芯片。本论文提出了“整体+局部”的外延结构设计方法,通过对底部缓冲层、含InGaN垒的弛豫型量子阱、AlInGaN四元合金EBL和p-GaN/InGaN异质结的结构设计,成功实现了对量子阱区域压应力的释放,增强了量子阱内的载流子注入和辐射复合,最终制备出了具有优异性能的垂直结构LED芯片,为Si衬底上高质量Ⅲ族氮化物材料外延生长及器件制备提供了重要的指导。