刘忠范AM：给紫外LED装上垂直石墨烯纳米片“散热器”

【引言】

氮化物半导体二极管（氮化镓和氮化铝）在紫外发光二极管（LED）中具有广阔的应用前景。目前，市场上大部分紫外LED都是基于蓝宝石衬底制备的，然而由于蓝宝石衬底导热性差，导致了紫外LED在使用过程存在严重散热问题。特别是对于芯片面积大、驱动电流大的高亮度LED器件，散热问题会造成器件性能的严重下降。目前，尽管研究者采取了一些技术来试图解决散热问题，但都存在一些问题。比如，研究者通过倒装芯片封装工艺将芯片产生的热量通过焊料散到散热器，但是由于焊料与散热器之间的导热性差，其散热性能的改善通常很有限。或者通过激光薄膜转移技术，将制备于蓝宝石衬底的器件转移至热扩散系数高的衬底上。这个方法可以有效地解决器件的散热问题，但是其转移技术的复杂性给制备工艺带来了巨大的成本。此外，也可以将氮化物半导体直接生长在高散热系数的氮化镓和碳化硅衬底上，然而氮化镓和碳化硅衬底的高成本显著增加了生产成本，限制了它们的广泛应用。因此，紫外光电二极管的散热仍然是个巨大的挑战。

【成果简介】

  近日，北京大学刘忠范院士团队开发了一种垂直石墨烯纳米片作为散热器的蓝宝石衬底氮化铝紫外LED器件，有效提升了紫外LED的散热性能。相关成果发表在Advanced Materials上，文章题目为“Enhancement of Heat Dissipation in Ultraviolet Light-Emitting Diodes by a Vertically Oriented Graphene Nanowall Buffer Layer”。

【图文简介】

图1 垂直石墨烯(VG)纳米片作为缓冲层增强蓝宝石衬底上的氮化铝薄膜的热扩散

(a) AlN-VG-Al₂O₃异质结构散热增强示意图；

(b) VG纳米片的扫描电镜图；

(c) VG纳米片的拉曼光谱；

(d) VG纳米片的原子力扫描电镜图；

(e) VG纳米片的代表性截面透射电镜图像。

图2 VG纳米片缓冲层对生长在氧化铝衬底上的氮化铝薄膜成核和质量的影响

(a-c) 初始成核阶段，在裸蓝宝石衬底(a)、低密度VG蓝宝石衬底和高密度VG蓝宝石衬底生长的氮化铝SEM图；

(d-f) a-c图相对应的示意图；

(g) 氮化铝成核数量统计；

(h) 低密度VG纳米片衬底生长的氮化铝薄膜的SEM图；

(i) 低密度VG纳米片衬底生长的氮化铝薄膜的AFM图。

图3：有无VG纳米片的氧化铝基底上的氮化铝薄膜的散热性能

(a, c) 有无VG纳米片的氮化铝-蓝宝石结构示意图；

(b, d) 有无VG纳米片的氮化铝-蓝宝石器件的模拟二维热分布图；

(e) 红外相机测试的有无VG纳米片的氮化铝-蓝宝石器件的表面温度与时间的关系曲线；

(f) 有无VG纳米片的氮化铝-蓝宝石器件的加热速率和冷却速率随时间的变化曲线。

图4 AlN-VG-Al₂O₃异质结构的拉曼光谱分析

(a) AlN-VG-Al₂O₃的拉曼光谱；

(b) 氮化铝在蓝宝石、垂直石墨烯、横向石墨烯和块体氮化铝上的拉曼位移；

(c) 在不同缓冲层衬底上的氮化铝薄膜和氮化铝块体的双轴应力。

图5 VG/蓝宝石衬底在紫外LED中的应用

(a, b) 有无VG的紫外LED器件的EL光谱；

(c) 有无VG的紫外LED器件的I-V曲线；

(d) 有无VG的紫外LED器件的光输出功率与注入电流的关系。

【小结】

研究者开发了一种垂直石墨烯散热结构有效提升了紫外LED器件的散热性能。实验和理论分析表明，垂直石墨烯缓冲层可以作为一种良好的散热增强材料，为解决LED应用中的散热问题提供了一种新的策略。

文献链接：Enhancement of Heat Dissipation in Ultraviolet Light-Emitting Diodes by a Vertically Oriented Graphene Nanowall Buffer Layer, Advanced Materials, 2019, DOI: 10.1002/adma.201901624.