发光二极管(LED)具有高效率、低能耗、长寿命、无污染、高可靠性等诸多优点而备受关注。作为白光LED基础的大功率蓝光GaN-LED,更是成为研究的热点。GaN-LED光电器件的研究涉及材料、光学、电学、半导体物理等诸多学科,较为复杂,使得制作高效率的LED芯片仍然面临着诸多困难。虽然GaN-LED的研究取得了重要的进步,但是其光效依然很低。GaN-LED芯片的效率由辐射复合效率,电流注入效率和取光效率组成,主要涉及LED芯片外延和芯片的结构参数与制造工艺。本文以制作高效率大功率GaN-LED为目的,通过建立LED电、热、光模型,分析优化LED外延结构以提高辐射复合效率和电流注入效率；优化LED电流扩展,降低正向电压,以提高电流注入效率;优化光学微结构以提高取光效率,制作了350mA下,蓝光输出功率达到485.7mW的大功率GaN-LED.本文首先建立了GaN-LED芯片的三维电热耦合模型,其外延结构基于载流子扩散-漂移理论,通过求解自洽泊松方程和载流子连续性方程等,计算载流子在LED芯片中的产生,迁移和复合。该模型是第二章和第三章的的基础。通过该模型,从能带结构、辐射复合速率、载流子分布和空穴／电子电流等方面详细地分析了俄歇复合、极化效应、载流子泄露和温度等对其内量子效率以及光电性能等参数的影响,以及对GaN-LED芯片中的效率下降(efficiency droop)的影响。为提高GaN-LED的量子效率并抑制其效率下降,提出了一种渐变垒层和阱层厚度的结构。其次,为实现LED电流均匀扩展,提高电流注入效率,降低LED驱动电压,对LED芯片的电学性能进行了分析。基于第二章所建立的三维电热耦合模型,系统地分析了n-GaN和铟锡氧化物(ITO)的方块电阻、温度、量子阱和电极结构等对LED电流扩展的影响。ITO与n-GaN具有相等的方块电阻时,GaN-LED有较均匀的电流扩展。但是电流仍在焊盘处聚集,并随着注入电流和温度的增加而恶化。模拟结果在电极材料特性与电极图案方面,为设计具有良好地电流扩展的LED芯片提供指导。第三,通过建立LED芯片的光学模型,采用蒙特卡洛光线追迹法系统的分析了LED芯片的结构参数和材料属性对其取光效率的影响。为提高取光效率,一方面,需要制作光学微结构,打破光线在LED芯片内传播的内反射,提高光子逸出LED的概率；另一方面,需要减少LED材料与界面对光的吸收,包括半导体材料和金属电极材料。前者可以通过制作表面粗化结构、图形化蓝宝石衬底等技术实现,而且密集的微结构更有利于提高取光效率。为减少金属电极对光的吸收,协同考虑对芯片蓝光和封装后白光的要求,优化布拉格反射层(DBR)以减少对光的吸收。第四,基于对LED的模拟优化,制作了高效率大功率GaN-LED芯片。通过渐变的量子阱层和垒层相结合的LED外延结构实现较高的内量子效率,抑制效率下降；通过建立基于蒙特卡洛光线追迹方法的电光耦合模型,分析了反射型电流阻挡层对电流拥挤所导致的取光效率下降的现象；通过图形化蓝宝石衬底和图形化ITO结构来提高LED的取光效率,采用DBR减少对光的吸收。并综合分析了DBR结构对GaN-LED蓝光,封装后的白光,以及对结温的影响。