为进一步提高GaN基发光二极管（LED）的光效，以改进电极结构为研究点，设计并制备了具有叉指型电极形状，并在P/N电极下刻蚀出电极孔的新型电极结构。该结构使金属电极在P/N电极孔处分别与ITO层和N-GaN层直接接触，进而提高了器件的电流扩展能力和发光效率。为了得到更优的电流阻挡层（CBL）结构、电极孔尺寸和电极孔间距，设计了7种不同的器件，并对其进行了光电性能测试。测试结果表明：在150 mA工作电流下，不连续CBL结构不能够有效改善LED的发光性能；P电极孔尺寸对器件的性能影响不大，当P电极孔间距由20 μm增大为30 μm时，外量子效率（EQE）和光电转换效率（WPE）分别提升了约5.0%和3.8%；当N电极孔尺寸由17 μm×5 μm减小为10 μm×5 μm时，EQE和WPE分别提升了约6.5%和3.0%；当N电极孔间距由45 μm减小为40 μm时，并未有效改善器件的发光性能。

LED芯片作为LED光源的核心, 其质量直接决定了器件的性能、 寿命等, 因此在内量子效率已达到高水平的情况下, 致力于提高光提取效率是推动LED芯片技术发展的关键一步。 由于蓝宝石衬底具有绝缘特性, 传统LED将N和P电极做在芯片出光面的同一侧, 而芯片出光面上的P电极焊盘金属会遮挡吸收其正下方发光区发出的大部分光而造成光损失, 为改善这一现象并缓解P电极周围的电流拥挤效应, 本文设计制备了在P电极正下方的氧化铟锡（ITO）透明导电层和p-GaN之间插入SiO2薄膜作为电流阻挡层(CBL)的大功率LED, 并与无CBL结构的大功率LED相比较。 对未封装的有无CBL结构的LED在350 mA电流下进行正向偏压, 辐射通量, 主波长等裸芯性能测试, 结果显示两种芯片的正向偏压均集中在3～3.1 V, 而有CBL结构的LED光输出功率有明显提升, 这是因为CBL阻挡了电流在P电极正下方的扩散, 减少流向有源区的电流密度, 故减小了P电极对光的吸收和遮挡, 且电流通过CBL引导至远离P电极的区域, 缓解了电极周围的电流拥挤。 对两种芯片进行相同结构和工艺条件的封装, 并对封装样品进行热特性及10～600 mA的变电流光电特性测试, 得到两种器件的发光光谱及光功率等光学特性。 结果表明随着电流增加, 两种器件的光谱曲线均发生蓝移, 且有CBL结构的LED主波长偏移量较无CBL结构LED少10 nm, 可见有CBL结构的LED光谱受驱动电流变化的影响更小, 因此其显色性能更为稳定。 而在小电流条件下, CBL对器件光功率的影响不大, 随着工作电流的增大, CBL对器件光功率的改善效果逐渐提升。 在大电流条件下, 无CBL结构的LED结温更高, 正向电压更低, 随电流的增大二者之间的电压差增大。 在25 ℃的环境温度, 350 mA工作电流下, 加入CBL结构使器件电压升高约0.04 V, 但器件光功率最高提升了9.96%, 且热阻明显小于无CBL结构器件, 说明有CBL结构LED产热更少。 因此CBL结构大大提高了器件的光提取效率, 并使其光谱漂移更小, 显色性能更为稳定。

高压发光二极管（high-voltage light-emitting diode）具有工作电压高、 驱动电流小的特点， 还有封装成本低、 暖白光效高、 高可靠性驱动、 线路损耗低等优点， 这使其得到了广泛的研究与应用。 首先介绍了高压LED的基本原理， 分类与结构； 然后， 着重从优化器件光电特性的角度， 阐述了高压LED关键制备工艺的最新研究进展； 并从失效机制和热特性方面阐述了高压LED的可靠性问题； 最后， 展望其发展与应用前景。

GaN基高电子迁移率晶体管（HEMT）因具有高输出功率密度、高工作频率、高工作温度等优良特性, 在高频大功率等领域具有广泛应用前景。目前, HEMT器件在材料生长和工艺制备方面都取得了巨大的进步。但是, 由缺陷产生的陷阱效应一直是限制其发展的重要原因。本文首先论述了HEMT器件中的表面态、界面缺陷和体缺陷所在位置及其产生的原因。然后, 阐述了由陷阱效应引起的器件电流崩塌、栅延迟、漏延迟、Kink效应等现象, 从器件结构设计和工艺设计角度, 总结提出了改善缺陷相关问题的主要措施, 其中着重总结了器件盖帽层、表面处理、钝化层和场板结构4个方面的最新研究进展。最后, 探索了GaN基HEMT器件在缺陷相关问题上的未来优化方向。

作为宽禁带半导体器件, GaN基肖特基势垒二极管(SBD)有耐高压、耐高温、导通电阻小等优良特性, 这使得它在电力电子等领域有广泛应用。本文首先综述了SBD发展要解决的问题; 然后, 介绍了GaN SBD结构、工作原理及结构优化研究进展; 接下来,总结了AlGaN/GaN SBD结构、工作原理及结构优化研究进展, 并着重从AlGaN/GaN SBD的外延片结构、肖特基电极结构以及边缘终端结构等角度, 阐述了这些结构的优化对AlGaN/GaN SBD性能的影响; 最后, 对器件进一步的发展方向进行了展望。

高压LED因其自身突出的特点在照明领域有着潜在的应用优势, 但作为一种新型功率LED, 其光电热特性仍需深入研究。 该实验对6和9 V GaN基高压LED芯片进行了相同结构和工艺条件的封装, 对封装样品进行了10～70 ℃的变温度光谱测试, 并进行了从控温平台温度到器件结温的转换。 为保证器件的电流密度相同, 6和9 V样品光谱测试的工作电流分别设定为150和100 mA。 结果显示, 结温升高会导致蓝光峰值波长红移、 波长半高宽增大、 光效下降和显色指数上升等现象。 在相同平台温度和注入功率下, 9 V样品的结温低于6 V样品; 随着温度的升高, 9 V样品波长半高宽的增加量比6 V样品少1.3 nm, 光效下降量少1.13 lm·W-1, 显色指数上升量少0.28。 以上表明, 与低压LED相比, 高压LED有着更低的工作结温和更小的温度影响。 原因在于, 相同环境温度下高压LED具有更好的电流扩展性和更少的发热量。 此特性在高压LED的研究、 发展与应用等方面具有参考价值。 此外, 峰值波长仍与结温有着较好的线性度, 在光谱设备精度较高的情况下可继续作为结温的敏感参数。

对LED进行应力加速老化实验及分析可以对器件可靠性做出最快、最有效的评估。本文将相同的6 V高压功率白光LED分为两组, 一组施加180 mA电流应力和85 ℃温度应力进行高温老化实验, 另一组施加180 mA电流应力、85 ℃高温和85%相对湿度进行高温高湿老化实验。在老化过程中, 测试了LED光电参数随老化时间的变化规律。实验结果表明: 高温大电流应力下的样品的光退化幅度为0.9％～3.4％, 高温高湿大电流应力下的样品的光退化幅度为25.4％～27.8％, 高温高湿下样品的老化程度远高于高温老化下样品的老化程度, 湿度对LED可靠性有显著的影响。退化的原因包括荧光粉的退化和器件内部欧姆接触退化等。

对GaN基绿光高压LED分别施加-500、-1 000、-2 000、-3 000、-4 000、-5 000和-6 000 V的反向人体模式静电打击, 每次静电打击后, 测量样品的I-V特性曲线及光通量等参量, 研究静电打击对GaN基高压LED器件性能的影响.结果表明: 当样品经过-500, -1 000、-2 000、-3 000和-4 000 V的静电打击后, 由于LED器件内部产生了缺陷, 发生了软击穿并且反向漏电流明显增加, 但光通量的变化不明显；当经过-5 000 V和-6 000 V的静电打击后, 由于发生了热模式击穿, 温度迅速升高, 在结区形成熔融通道, 使LED的光通量明显减小, 甚至衰减到未打击时的一半；在经受-6 000 V的静电打击后, 正向电压的减小和反向漏电流的增加更加明显, 漏电现象更加明显, 严重影响了器件的性能, 最终使LED样品失效.

设计并制备了51 V高压LED。对器件进行了大电流冲击试验并对器件的损毁原因进行了分析。运用有限元分析软件ANSYS对LED关键结构部位进行参数化建模及热分布模拟，得到其稳态的温度场分布；然后经过与红外热像仪成像图对比，得出电极烧毁的原因在于芯粒连接处的电极过薄过窄而导致的电阻过大，为后续设计更可靠的高压LED提供了参考。对芯片分别进行蓝光及色温5 000 K的白光封装，并分别测量了热阻，涂覆荧光粉的白光灯珠的热阻要比没有涂覆荧光粉的蓝光灯珠高约4 ℃/W。同时，51 V高压LED的热阻比1 W大功率LED要高，说明高压LED的散热性能比常规LED要差，这可能与高压LED具有深沟槽及众多的互联电极结构有关。

设计并制备了12 V 的GaN基绿光高压发光二极管(LED), 并对其进行了变电流测试。研究了绿光高压LED的正向电压、峰值波长、光功率以及光效等重要参数随注入电流的变化关系, 电流变化范围为3~50 mA, 测试温度为25 ℃。实验结果表明: 电流对绿光高压LED的光电特性有很大影响。在驱动电流为20 mA时, 对应电压为14 V。随着注入电流的增大, 峰值波长蓝移了2 nm。随着电流的增大, 光功率近似于线性增加。在注入电流从3 mA增大到20 mA的过程中, 光效降低了约61%; 在注入电流从20 mA增大到50 mA的过程中, 光效降低了约39%。这说明高压LED在大电流驱动时, 光效降低的幅度比较缓慢。上述结果对 GaN基绿光高压 LED 的改进优化具有一定的参考价值。