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北京石墨烯研究院劉忠範院士團隊Adv.Mater.:給紫外LED裝上垂直石墨烯納米片“散熱器”

日期:2019-06-21 14:43:42    作者:院办公室    浏览量:5025 次

【引言】

氮化物半導體二極管(氮化镓和氮化鋁)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産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,但是其轉移技術的複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镓和碳化矽襯底上,然而氮化镓和碳化矽襯底的高成本顯著增加了生産成本,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,北京石墨烯研究院劉忠範院士團隊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”。

【圖文導讀】


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

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(a) AlN-VG-Al2O3異質結構散熱增強示意圖;

(b) VG纳米片的扫描电镜图;

(c) VG纳米片的拉曼光譜;

(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

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(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。


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

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(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異質結構的拉曼光譜分析

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(a) AlN-VG-Al2O3的拉曼光譜;

(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/藍寶石襯底在紫外LED中的應用

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(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爲一種良好的散熱增強材料,爲解決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.

(本文轉載自材料人,由金也編譯供稿)



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