过去几十年中,发光二极管(Light Emitting Diodes, LED)器件的研发取得了多项重大突破,内量子效率已经达到较高的水平。由于LED发光器件具有体积小、电光转换效率高、固态封装耐冲击等优势,因此业内普遍认为LED是新一代的照明以及显示器件。但由于化合物半导体材料的折射率较高,因此量子阱中载流子复合所辐射的光子在向器件外部出射时受制于半导体与外部媒介界面的全反射,只有约1/4n2的光可以出射到器件外部(GaN:n=2.5@460nm, ηext=4%; GaP:n=3.3@650nm, ηext=2.5%),其余光线在半导体薄膜内形成导模反复震荡,最终被半导体材料吸收耗散。因此,如何提高LED的光提取效率成为研究热点。有鉴于此,器件形状设计、表面粗化、光子晶体、图形衬底等技术被相继提出。在这些方法中,表面粗化由于具备加工面积大、生产成本低、光提取效率高、可控性高、重复性好等特点,在实际应用方面优势明显。目前LED的表面粗化手段主要有干法刻蚀与湿法腐蚀两种,各有其优缺点。干法刻蚀技术对材料的要求较低,是一种普适的粗化方法,但这种方法在刻蚀过程中会引入杂质离子,产生杂质能级；湿法腐蚀受制于半导体的材料性质与缺陷特征,大多数材料湿法腐蚀后无法得到高效的粗化结构。激光加工技术成本较低,并且可控性高,适宜大面积样品的加工制备。本论文将激光加工技术引入LED光提取图形制备领域,为此领域提供了一种新的思路与方法。同时在加工过程中,化合物半导体材料与光相互作用所变现出的一些新现象也具有一定的理论意义与应用价值。本论文正文部分共有七章,依次为第一章绪论,第二章利用Ray-tracing仿真方法研究LED光提取效率,第三章利用激光表征技术对GaN外延层面内应力状态进行研究,第四章利用激光直写技术提高LED光提取效率,第五章利用激光辅助粗化技术提高AlGaInP四元LED的光提取效率,第六章局域耦合效应应用于激光辅助腐蚀技术的探索以及第七章结论与未来展望。主要研究内容包括：第二章：利用Ray-tracing仿真方法对不同结构的GaN、AlGaInP四元LED芯片光提取规律进行仿真分析并得到一定的结论辅助LED芯片的设计。利用仿真技术对光提取结构进行优化,为LED芯片表面粗化结构的调控提供建议。1)利用ray-tracing仿真技术系统分析了GaN材料、GaP材料作为粗化结构媒介时,锥状粗化结构的光提取效率与其顶角大小之间的联系。在分别对以上两种材料进行了考虑吸收与不考虑吸收两种条件的仿真之后,结合芯片结构的实际情况推测GaN锥状粗化结构的最佳光提取顶角位于280附近,GaP锥状粗化结构的最佳光提取顶角位于19°附近。2)利用ray-tracing仿真技术计算出同面电极结构、垂直电极结构GaN基LED芯片以及传统结构、换衬底结构AlGaInP四元红光LED芯片的光提取图形。3)利用ray-tracing仿真技术得到的结果表明,应用Ag反射镜与Au反射镜LED芯片的光提取效率分别为16%与10%,Ag反射镜效果更佳。4)利用ray-tracing仿真技术计算出同面电极GaN基LED与传统结构AlGaInP红光LED光提取效率与芯片尺寸的关系。5) Ray-tracing仿真结果显示蓝宝石衬底同面电极GaN基LED芯片的光提取效率比碳化硅衬底同面电极GaN基LED芯片高51%。6)以GaN基LED为例利用ray-tracing仿真技术计算出粗化结构分别安置于顶面、反射镜时的光提取效率。仿真结果显示,出光面粗化可以将LED的光提取效率提高86%,反射镜粗化可以提高光提取效率94%。如果同时将粗化结构安置于反射镜与出光面时,可以将光提取效率提高97%。7)利用ray-tracing仿真技术对换衬底结构的AlGaInP四元红光LED中GaP外延层的厚度进行优化,结合成本考量厚度最优值为8μm左右。第三章：利用X射线衍射、拉曼光谱以及光致发光光谱三种手段对激光剥离前后的GaN外延薄膜面内二轴应力状态进行了测量与计算,结果证明激光剥离过程可以显著降低GaN外延薄膜的面内二轴应力。3第四章：搭建利用紫外激光与高速扫描振镜对LED外延片进行粗化加工的设备,并将此技术应用于不同结构的GaN以及AlGaInP四元LED芯片。对激光直写技术粗化加工后的LED器件光、电参数进行测量与分析。1)设计搭建了利用全固态纳秒脉冲激光器搭配高速扫描振镜对LED外延片进行直写粗化加工的设备。2)在GaN以及GaP材料体系中对激光输出功率与粗化深度的关系进行了探索。3)借助一维热扩散方程对激光加工过程中引入的高温损伤进行了评估,结果证明即使在加工区域与多量子阱有源发光区距离最近的同面电极结构GaN基LED中,其对量子阱的热损伤也是较弱的。4)对激光直写粗化的同面电极结构GaN基LED芯片的光、电性能进行研究,阈值电压有所升高的同时器件的串联电阻有一定比例的下降,通过角分辨电致发光光谱在180°范围内得到了35%的光提取效率提高。5)对激光直写粗化的垂直结构GaN基LED芯片的光提取效率进行研究,最终通过角分辨电致发光光谱在180°范围内得到了58%的光提取效率提高。6)对激光直写粗化的传统结构AlGaInP四元LED芯片的光提取效率进行研究,最终通过角分辨电致发光光谱在180°范围内得到了53%的光提取效率提高。7)对激光直写粗化的换衬底结构AlGaInP四元LED芯片的光提取效率进行研究,最终通过角分辨电致发光光谱在180°范围内得到了52%的光提取效率提高。第五章：研究激光辅助湿法粗化技术在AlGaInP四元LED芯片GaP窗口层表面粗化过程中的应用,并对激光辅助湿法粗化的LED芯片光、电性质进行测试、分析。同时,对在激光辅助湿法粗化过程中发现的激光波长、偏振性对于粗化结构形貌的调控现象进行研究。1)设计搭建了利用激光器对LED外延片进行激光辅助湿法粗化加工的设备。2)对[100]偏角GaP光辅助湿法腐蚀的机制与相关腐蚀参数进行了分析研究,并得到了光提取效率较高的粗化结构。3)研究了激光波长对于[100]偏角GaP激光辅助湿法腐蚀形貌的调控作用,利用不同波长的激光作为光源辅助腐蚀得到了不同形貌的腐蚀结构,并简要分析了此现象的内在机制。4)利用405nm激光作为光源时,研究了激光电矢量震荡方向对于腐蚀形貌的调控作用,成功利用电矢量震荡方向互相垂直的激光加工出形貌有差异的腐蚀图形。5)对532nm激光辅助湿法粗化的传统结构AlGaInP四元LED芯片的光、电性能进行研究,通过角分辨电致发光光谱在180°范围内得到了66%的光提取效率提高。6)对532nm激光辅助湿法粗化的传统结构AlGaInP四元LED芯片封装后的光、电性能进行研究,最优的结果为亮度198.3mcd,开启电压1.992V,光通量1.348lm,光功率5.919mW,光效32.1lm／W,主波长618nm,峰值波长627.7nm。第六章：研究局域等离激元对激光辅助湿法粗化过程的调控作用,并对调控的机制进行讨论、分析。1)利用溅射与退火的方法在GaP表面制备了不同直径与覆盖率的Au纳米颗粒,对其退火前、后的形貌进行表征后得到溅射时间与Au纳米颗粒直径、覆盖率的对应关系。2)对所制备的GaP复合Au纳米颗粒系统退火前、后的吸收光谱进行研究。3)研究了Au纳米颗粒在532nm激光辅助湿法腐蚀反应中的作用,发现Au纳米颗粒可以加快此反应的进行。4)研究了Ag纳米颗粒在450nm激光辅助湿法腐蚀反应中的作用,发现Ag纳米颗粒可以抑制此反应的进行。5)借助GaP能带结构从等离激元引入的强局域电场角度对3、4两点实验现象的内在机制进行了初步分析。综上所述,我们首先利用ray-tracing仿真方法对实验前期的设计思路进行优化筛选,然后提出激光直写LED表面粗化技术以及激光辅助LED湿法粗化技术,分别从干法与湿法两个领域将激光引入LED的工艺制程之中并获得了优异的光提取效率与光电参数。在实验过程中,发现了激光波长以及激光偏振性可以对激光辅助湿法腐蚀形貌进行调控的现象并对其进行了系统的探索。最后,利用局域等离激元的吸收特性、GaP半导体的本征吸收特性以及激光器的输出波长三者的关联与耦合,提出将局域耦合效应应用于激光辅助湿法腐蚀反应中,发现了不同的调控结果。本文的创新之处在于：(1)提出激光直写LED表面粗化技术,并利用此技术在常见材料体系与结构的LED芯片中得到了可观的光提取效率；(2)首次将激光辅助湿法粗化技术应用于[100]偏角GaP窗口层,制备出锥状结构阵列并获得了66%的光提取效率提升；(3)在激光辅助湿法腐蚀过程中发现激光波长对腐蚀形貌具有调控作用；(4)在激光辅助湿法腐蚀过程中发现激光偏振性对腐蚀形貌具有调控作用；(5)在激光辅助湿法腐蚀过程中引入金属/半导体纳米异质结构可以对腐蚀反应的速率与腐蚀形貌进行有效调控。目前我国致力于增强核心竞争力,对于自主知识产权空前重视。然而目前LED行业的核心知识产权成果几近为零,严重限制了我国LED企业的发展与壮大。本研究从激光与物质相互作用基础研究角度出发研究了激光干、湿法加工过程中的一系列新现象,发现激光的偏振模式以及引入的LSP震荡可以对光辅助湿法腐蚀过程进行有效的调控。以LED器件的光提取作为新技术、新现象的应用出口,提出了激光直写粗化技术与激光辅助湿法腐蚀技术两种易于与现有LED工艺制程相集成的表面粗化方法,显著改善了LED的光提取效率并已在光电子企业中实现量产转化为经济效益。以上两项技术具备自主知识产权,为大功率、高效率LED器件的研究与生产提供了新的思路。