发光二极管(Light-Emitting Diode,LED)因为具有节能、环保、寿命长、亮度高等优点得到广泛应用,基于大功率白光LED的半导体照明器件被认为是第四代照明光源。然而,目前大功率LED封装仍然存在一些需要解决的问题,其中提高LED器件光提取效率一直是一个研究热点。本文提出采用梯度折射率结构来降低LED出光的全反射和菲涅尔反射损耗,提高LED取光效率。本文分析了LED出光机理和影响光提取效率的因素,提出了单芯片LED和多芯片阵列LED梯度折射率结构,其中多芯片阵列LED梯度折射率结构分为平面型梯度折射率结构和含透镜的双层梯度折射率结构。通过建立光学模型,分析了两种梯度折射率取光结构(平面型和含透镜型)相比传统封装结构的取光效率变化。结果表明,平面型梯度折射率结构(折射率分别为1.54和1.41)取光效率相对于单一封装胶(折射率1.54)封装的LED提高水平较低,只提高了0.41%;透镜型梯度折射率结构对LED取光性能改善明显,取光效率比平面型梯度折射率结构高30.52%。实验制备了样品并测试验证了梯度折射率结构对LED取光效率的影响,其中平面型梯度折射率结构的提高效果不明显,而由于实验误差的影响,透镜型梯度折射率结构LED光效只提高了6.85%。本文进一步探索了LED梯度折射率结构的优化方法,在深入分析梯度折射率结构取光过程的基础上,对单芯片大功率LED梯度折射率结构各层封装胶折射率及含透镜的多芯片阵列LED梯度折射率结构的透镜形状进行了优化,并模拟分析了其取光性能。