【引言】

氮化物半導(dǎo)體二極管（氮化鎵和氮化鋁）在紫外發(fā)光二極管（LED）中具有廣闊的應(yīng)用前景。目前，市場(chǎng)上大部分紫外LED都是基于藍(lán)寶石襯底制備的，然而由于藍(lán)寶石襯底導(dǎo)熱性差，導(dǎo)致了紫外LED在使用過(guò)程存在嚴(yán)重散熱問(wèn)題。特別是對(duì)于芯片面積大、驅(qū)動(dòng)電流大的高亮度LED器件，散熱問(wèn)題會(huì)造成器件性能的嚴(yán)重下降。目前，盡管研究者采取了一些技術(shù)來(lái)試圖解決散熱問(wèn)題，但都存在一些問(wèn)題。比如，研究者通過(guò)倒裝芯片封裝工藝將芯片產(chǎn)生的熱量通過(guò)焊料散到散熱器，但是由于焊料與散熱器之間的導(dǎo)熱性差，其散熱性能的改善通常很有限?；蛘咄ㄟ^(guò)激光薄膜轉(zhuǎn)移技術(shù)，將制備于藍(lán)寶石襯底的器件轉(zhuǎn)移至熱擴(kuò)散系數(shù)高的襯底上。這個(gè)方法可以有效地解決器件的散熱問(wèn)題，但是其轉(zhuǎn)移技術(shù)的復(fù)雜性給制備工藝帶來(lái)了巨大的成本。此外，也可以將氮化物半導(dǎo)體直接生長(zhǎng)在高散熱系數(shù)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(chǎn)成本，限制了它們的廣泛應(yīng)用。因此，紫外光電二極管的散熱仍然是個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。

【成果簡(jiǎn)介】

近日，北京大學(xué)劉忠范院士團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一種垂直石墨烯納米片作為散熱器的藍(lán)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(guān)成果發(fā)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(jiǎn)介】

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

(a) AlN-VG-Al₂O₃異質(zhì)結(jié)構(gòu)散熱增強(qiáng)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(duì)生長(zhǎng)在氧化鋁襯底上的氮化鋁薄膜成核和質(zhì)量的影響

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

(d-f) a-c圖相對(duì)應(yīng)的示意圖；

(g) 氮化鋁成核數(shù)量統(tǒng)計(jì)；

(h) 低密度VG納米片襯底生長(zhǎng)的氮化鋁薄膜的SEM圖；

(i) 低密度VG納米片襯底生長(zhǎng)的氮化鋁薄膜的AFM圖。

圖3：有無(wú)VG納米片的氧化鋁基底上的氮化鋁薄膜的散熱性能

(a, c) 有無(wú)VG納米片的氮化鋁-藍(lán)寶石結(jié)構(gòu)示意圖；

(b, d) 有無(wú)VG納米片的氮化鋁-藍(lán)寶石器件的模擬二維熱分布圖；

(e) 紅外相機(jī)測(cè)試的有無(wú)VG納米片的氮化鋁-藍(lán)寶石器件的表面溫度與時(shí)間的關(guān)系曲線；

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

圖4 AlN-VG-Al₂O₃異質(zhì)結(jié)構(gòu)的拉曼光譜分析

(a) AlN-VG-Al₂O₃的拉曼光譜；

(b) 氮化鋁在藍(lán)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(yīng)力。

圖5 VG/藍(lán)寶石襯底在紫外LED中的應(yīng)用

(a, b) 有無(wú)VG的紫外LED器件的EL光譜；

(c) 有無(wú)VG的紫外LED器件的I-V曲線；

(d) 有無(wú)VG的紫外LED器件的光輸出功率與注入電流的關(guān)系。

【小結(jié)】

研究者開(kāi)發(fā)了一種垂直石墨烯散熱結(jié)構(gòu)有效提升了紫外LED器件的散熱性能。實(shí)驗(yàn)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(qiáng)材料，為解決LED應(yīng)用中的散熱問(wèn)題提供了一種新的策略。

文獻(xiàn)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.