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白光二极管(LED:Light Emitting Diode)具有节能、环保、寿命长、体积小等众多优点,被公认为替代现有照明光源的新一代光源。但是由于量子阱材料铟镓氮(InGaN:Indium Gallium Nitride)生长质量较差、光提取效率低等众多原因,白光LED的功率仍未达到照明光源的要求。而高In组分、长波长铟镓氮/氮化镓(GaN:Gallium Nitride)量子阱的生长困难也限制了新型无荧光粉多量子阱白光LED的实现。本论文在国家自然科学基金和法国科学院IEF研究所项目的支持下,对如何提高白光LED的效率及如何实现新型的无荧光粉多量子阱白光LED展开了理论和实验研究,主要获得以下研究成果：(1)提出了一种多层掩埋光子晶体LED结构,三维时域有限差分法计算表明这种结构可以大大加强LED的正面出光功率。计算表明多层掩埋光子晶体是一般LED的正面光输出功率的三倍,而同时采用表面光子晶体和多层掩埋光子晶体的LED的光输出功率是一般LED的正面光输出功率的五倍。(2)实验生长实现了一种基于应变缓冲层的白光LED。这种白光LED由应变缓冲层、短波长有源区和长波长有源区构成,其中应变缓冲层生长于长波长有源区之下。应变缓冲层使长波长有源区的发光波长得以延长,增加了合成白光必须的长波长光,改善了白光LED的色调。文中对InGaN/GaN量子阱的金属有机化学气相沉积法(MOCVD:Metal Organic Chemical Vapour Deposition)生长参数进行了优化,研究了不同结构的应变缓冲对LED发光性质的影响。同时对LED的量子阱参数进行了理论研究。(3)实验生长实现了一种基于铝镓氮(AlGaN:Aluminium Gallium Nitride)/氮化镓布拉格反射器(DBR:Diffraction Bragg Reflector)的白光LED。这种白光LED在有源区下方生长了峰值波长位于LED的长波长发光区域的DBR。DBR的反射作用加强了LED的长波长输出功率,加大了白光LED中长波长和短波长的光功率比例,有效的改善了白光LED的性能。文中从理论上设计了AlGaN/GaN DBR,并从实验上优化了DBR的MOCVD生长参数。(4)设计了两种对导波模具有完全禁带的二维平板光子晶体结构,并进行了部分实验。一般的光子晶体只对TE模或TM模具有禁带,若将这种具有完全禁带的光子晶体应用于LED,可大大提高LED的光提取效率。首先通过二维频域计算设计了二维平板光子晶体的平面内形状,结果表明这两种结构均可获得较大的完全禁带宽度。接着采用三维有限差分法(FDTD:Finite-Difference Time-Domain)计算进一步验证计算结果,并修改了二维计算设计的平板光子晶体垂直方向的结构,三维计算结果表明这种结构仍然具有完全禁带。文中进行了部分光子晶体实验,并提出了设计的光子晶体结构的实现方法。