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多基色无荧光粉高品质白光照明被认为是半导体固态照明的终极方案,也是InGaN基LED的研究重点和发展方向。然而,在长波段区域（>500 nm）,由于InGaN/GaN有源区晶体质量退化和内部存在的强极化电场等原因,导致GaN基LED的发光效率急剧下降,即众所周知的“黄绿光鸿沟”。提升GaN基黄绿光波段的发光效率是实现多基色LED白光照明的关键性问题,目前仍存在着诸多技术挑战。在此背景下,本文在国家硅基LED工程技术研究中心的平台上,主要围绕Si衬底GaN（GaN/Si）基绿光LED外延设计和效率提升展开了较系统的研究工作,研究了有源区生长、准备层结构设计对GaN/Si基绿光LED性能的显微结构及发光性能的影响。取得的研究成果如下:1.研究了GaN/Si基绿光量子阱（QW）的热稳定性。研究发现,高温p型层的生长会引起低温生长的InGaN QW发生严重的In扩散,导致大量的FL暗点形成。进一步研究发现,In扩散起始于富In团簇,在富In团簇中观察到大量的失配位错/堆垛层错,在In扩散严重的区域,In原子几乎被耗尽,导致InGaN QW缺失。通过在生长完QW保护层后使用大流量的H2清洗Cap覆盖层,能有效地消除InGaN/GaN界面处的富In团簇等缺陷,并显著提高InGaN量子阱的热稳定性和绿光LED器件的发光效率。研究还发现,较厚的Cap保护层有利于获得陡峭的InGaN/GaN阱垒界面,提升LED器件在大电流下的发光效率,但同时也会恶化InGaN量子阱的晶体质量。2.研究了InGaN/GaN超晶格（SLs）、传统式InGaN/GaN蓝光多量子阱（BMQWs）和三段式InGaN/GaN蓝光多量子阱准备层对GaN/Si基绿光LED性能的影响。研究发现,相较于BMQWs,采用SLs作准备层,有利于降低电压,避免芯片”回”字发光、提升发光效率和抑制漏电流,原因归结于高效的电子注入、更大尺寸的V形坑。相较于芯片中心区域,芯片的边缘区应力驰豫更大,由此导致的异质结势垒高度更低,是导致芯片”回”字发光的内在原因。采用高In组分的InGaN/GaN蓝光量子阱作准备层时,关键在于提升准备层自身的晶体质量、增大V形坑和提高电子注入效率问题。3.研究了具有两段式InGaN/GaN超晶格准备层（SPL）对GaN/Si基LED器件性能的影响并对其物理机理进行了阐述。通过理论模拟,首次揭示了由于两段SPL准备层间存在应变极化,在界面处形成了三角状的异质结势垒,导致LED器件的电压急剧升高,发光效率急剧下降和严重的芯片”回”字发光行为。严重的芯片”回”字发光会导致在EQE,WPE和I-V曲线中出现“驼峰”。通过在两段SPL之间生长一层厚约10 nm的GaN垒层并重掺Si(Si掺杂浓度为3×1018/cm3),能有效地消除两段SPL间的界面异质结势垒,电压大幅度下降,发光效率大幅度提升,同时解决了芯片的”回”字发光行为,实现了理论模拟与实验结果自洽吻合。采用此二段式超晶格准备层结构生长的的绿光LED器件,在35A/cm2电流密度下,EQE和WPE效率分别为41.8%和34.7%,峰值波长为516nm。本研究成果对后续优化多段式超晶格准备层结构具有重要的参考价值。