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劉忠范AM:給紫外LED裝上垂直石墨烯納米片“散熱器”

【引言】

氮化物半導體二極管(氮化鎵和氮化鋁)在紫外發光二極管(LED)中具有廣闊的應用前景。目前,市場上大部分紫外LED都是基于藍寶石襯底制備的,然而由于藍寶石襯底導熱性差,導致了紫外LED在使用過程存在嚴重散熱問題。特別是對于芯片面積大、驅動電流大的高亮度LED器件,散熱問題會造成器件性能的嚴重下降。目前,盡管研究者采取了一些技術來試圖解決散熱問題,但都存在一些問題。比如,研究者通過倒裝芯片封裝工藝將芯片產生的熱量通過焊料散到散熱器,但是由于焊料與散熱器之間的導熱性差,其散熱性能的改善通常很有限。或者通過激光薄膜轉移技術,將制備于藍寶石襯底的器件轉移至熱擴散系數高的襯底上。這個方法可以有效地解決器件的散熱問題,但是其轉移技術的復雜性給制備工藝帶來了巨大的成本。此外,也可以將氮化物半導體直接生長在高散熱系數的氮化鎵和碳化硅襯底上,然而氮化鎵和碳化硅襯底的高成本顯著增加了生產成本,限制了它們的廣泛應用。因此,紫外光電二極管的散熱仍然是個巨大的挑戰。

【成果簡介】

近日,北京大學劉忠范院士團隊開發了一種垂直石墨烯納米片作為散熱器的藍寶石襯底氮化鋁紫外LED器件,有效提升了紫外LED的散熱性能。相關成果發表在Advanced Materials上,文章題目為“Enhancement of Heat Dissipation in Ultraviolet Light-Emitting Diodes by a Vertically Oriented Graphene Nanowall Buffer Layer”。

【圖文簡介】

圖1?垂直石墨烯(VG)納米片作為緩沖層增強藍寶石襯底上的氮化鋁薄膜的熱擴散

劉忠范AM:給紫外LED裝上垂直石墨烯納米片“散熱器”

(a) AlN-VG-Al2O3異質結構散熱增強示意圖;

(b) VG納米片的掃描電鏡圖;

(c) VG納米片的拉曼光譜;

(d) VG納米片的原子力掃描電鏡圖;

(e) VG納米片的代表性截面透射電鏡圖像。

圖2 VG納米片緩沖層對生長在氧化鋁襯底上的氮化鋁薄膜成核和質量的影響

劉忠范AM:給紫外LED裝上垂直石墨烯納米片“散熱器”

(a-c) 初始成核階段,在裸藍寶石襯底(a)、低密度VG藍寶石襯底和高密度VG藍寶石襯底生長的氮化鋁SEM圖;

(d-f) a-c圖相對應的示意圖;

(g) 氮化鋁成核數量統計;

(h) 低密度VG納米片襯底生長的氮化鋁薄膜的SEM圖;

(i) 低密度VG納米片襯底生長的氮化鋁薄膜的AFM圖。

圖3:有無VG納米片的氧化鋁基底上的氮化鋁薄膜的散熱性能

劉忠范AM:給紫外LED裝上垂直石墨烯納米片“散熱器”

(a, c) 有無VG納米片的氮化鋁-藍寶石結構示意圖;

(b, d) 有無VG納米片的氮化鋁-藍寶石器件的模擬二維熱分布圖;

(e) 紅外相機測試的有無VG納米片的氮化鋁-藍寶石器件的表面溫度與時間的關系曲線;

(f) 有無VG納米片的氮化鋁-藍寶石器件的加熱速率和冷卻速率隨時間的變化曲線。

圖4 AlN-VG-Al2O3異質結構的拉曼光譜分析

劉忠范AM:給紫外LED裝上垂直石墨烯納米片“散熱器”

(a) AlN-VG-Al2O3的拉曼光譜;

(b) 氮化鋁在藍寶石、垂直石墨烯、橫向石墨烯和塊體氮化鋁上的拉曼位移;

(c) 在不同緩沖層襯底上的氮化鋁薄膜和氮化鋁塊體的雙軸應力。

圖5 VG/藍寶石襯底在紫外LED中的應用

劉忠范AM:給紫外LED裝上垂直石墨烯納米片“散熱器”

(a, b) 有無VG的紫外LED器件的EL光譜;

(c) 有無VG的紫外LED器件的I-V曲線;

(d) 有無VG的紫外LED器件的光輸出功率與注入電流的關系。

【小結】

研究者開發了一種垂直石墨烯散熱結構有效提升了紫外LED器件的散熱性能。實驗和理論分析表明,垂直石墨烯緩沖層可以作為一種良好的散熱增強材料,為解決LED應用中的散熱問題提供了一種新的策略。

文獻鏈接: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.

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