近年来，作为固体照明的LED光源发展迅速，正逐渐进入到室内照明领域，并以其节能和环保的特点，受到世界各国政府的重视和支持。单晶硅，是目前应用最广泛的半导体材料，硅具有良好的导电，导热性，晶体质量高，尺寸大，成本低，易加工，此外硅技术在半导体工业中已相当成熟。以硅作为GaN外延生长的衬底材料是非常引入注目的，因为有可能将半导体器件与硅器件集成。然而，由于GaN与硅材料晶格和热应力的不匹配，在硅衬底上生长高质量的GaN厚膜非常困难。硅衬底LED的生长和制作还许多没有解决的问题，如何提高硅衬底GaN外延材料的质量，制作高亮度的硅衬底LED，成为世界各国研究机构争抢的制高点。争取在硅衬底LED上有所突破，对我国LED产业的发展具有重要的意义。　　 本文围绕硅衬底LED的设计和硅衬底的GaN外延生长展开研究。硅衬底LED理论设计的重点是采用光子晶体的结构提高LED器件的出光效率；在实验上，我们研究了缓冲层和插入层对硅衬底的GaN薄膜的影响，并在硅衬底上尝试了微纳尺寸的周期性图形掩膜的制作。主要工作和创新点如下：　　 1.我们发展了一套用于模拟面发射器件如LED和OLED等光学特性的计算平台，首次提出了用面光源辐射的方法来处理LED器件的出光，和传统的点光源模型相比，模拟结果更接近实验的结论。　　 2.我们应用光子晶体LED的模拟平台，首次提出了具有内嵌光子晶体反射层的硅衬底LED结构。这种结构利用了衬底与外延层接口处的光子晶体的高反射特性，可有效的减少发光层的出光进入到吸光的衬底当中。经过合理的设计，可以将硅衬底LED的出光效率提高50％～100％。　　 3.我们分别使用了高温AlN缓冲层，SiC中间层和低温AlN插入层的方法，对硅衬底GaN的材料生长进行了研究。对AlN缓冲层的研究表明，AlN缓冲层的生长温度1000℃以上时，GaN可获得较好的晶体质量；我们发现SiC表面形貌对后续生长的AlN和GaN表面有重要的影响，同时，GaN薄膜的应力随着SiC中间层厚度的增加而逐渐释放；我们对低温AlN插入层的厚度进行了优化，在硅衬底上成功的获得1.5μm的无龟裂的GaN外延薄膜。　　 4.最后，我们还尝试了微纳尺寸的光子晶体图形硅衬底的制作。我们采用阳极氧化铝和激光全息的方法，分别在硅衬底上制作出周期约为100 nm和850nm，孔洞直径大小约为80 nm和400 nm的掩模。