随着能源危机的加剧,低能源消耗的发展模式日益受到重视。在照明领域,LED作为新一代固态照明源,符合节能减排的发展要求,但目前仍有难题亟待攻破。一来,用于异质外延的蓝宝石衬底与GaN外延薄膜存在巨大的晶格失配和热膨胀差异,导致外延层存在大量缺陷,非辐射复合中心增多,LED的内量子效率下降;二来,LED芯片材料折射率远高于外部空气,使得有源区产生的光线在芯片与空气的界面处发生显著的全反射,光线透射出芯片表面的几率低,LED的光提取效率降低。针对上述难题,近期发展的图形化蓝宝石衬底技术(Patterned Sapphire Substrate,PSS)显示了很好的优势,但技术瓶颈仍然突出。论文总结了目前图形化蓝宝石衬底技术存在的难题,并围绕技术难题开展基础研究。分阶段观察半球形图案PSS上GaN外延的形核过程,研究了PSS促进GaN横向生长的原因。研究表明GaN岛状生长阶段的奥斯特瓦尔德熟化过程是PSS加速薄膜愈合的关键。图案沟壑处的GaN小岛不断吞噬图案顶部的GaN团簇而成为薄膜生长的“主力军”,加之有序排布的图案为GaN小岛生长提供相同的外部环境,GaN小岛能在同一时间全方位覆盖图案,改善薄膜均匀性,从而缩短薄膜愈合周期。与平面蓝宝石衬底上的GaN外延相比,相同生长条件下PSS上外延的GaN薄膜厚度增加12%。论文在上述研究基础上,在半球形图案PSS上生长完整的LED外延结构,通过观察外延结构的微观缺陷,结合GaN外延形核过程,揭示PSS改善LED外延薄膜晶体质量的内因。研究发现PSS对薄膜位错的抑制主要来自堆垛层错的阻挡和薄膜生长模式的诱导。一方面,PSS诱发堆垛层错在图案顶部形成,阻挡了来自图案处的位错攀移;另一方面,PSS促使GaN横向生长,在横向生长模式的带动下,图案沟壑处衍生的位错有随薄膜的横向生长而弯曲的倾向。最终位错更少地攀移至量子阱层,改善了LED外延薄膜的晶体质量。针对PSS的设计难题,论文提出了基于TracePro的图案设计手段,并得到了实验结果的有力验证。应用该图案设计方法,论文研究了底宽大于3μm、高度大于1.6μm的大尺寸圆锥图案PSS的出光效果,获得光提取效果优于常用PSS的大尺寸圆锥图案PSS。对模拟的大尺寸圆锥图案PSS进行制备和LED外延,分析了大尺寸圆锥图案PSS对光散射、薄膜晶体质量、薄膜应力的影响。与目前商用的PSS-LED相比,设计的大尺寸圆锥图案PSS-LED的光输出功率提升12.7%。综上,论文从微观尺度分析了PSS上LED外延的形核机理,并提出了图案设计的新方法。论文将对PSS上高质量LED外延薄膜的生长提供理论指导,对设计、制备高效PSS-LED提供技术支撑。