利用垂直石墨烯纳米片的特殊结构,促进紫外LED器件散热的新方法

成果简介

以氮化铝(AlN)、氮化镓(GaN)为代表的第三代半导体材料,因其优异的性能在LED(Light Emitting Diode)发光二极管等光电器件领域有着广泛的应用。在目前市场上,大部分LED器件是在蓝宝石衬底上外延获得的。由于蓝宝石衬底的热导率低,导致LED器件在使用过程存在严重的散热问题。热量的产生会带来一系列问题,包括器件能耗增加、效率降低、使用寿命缩短等。尤其对大功率LED器件,高的工作电流使得散热问题尤为突出,因此如何有效促进LED器件散热是未来LED照明的考虑的一个重点。

北京大学的刘忠范教授和高鹏助理教授、韩国蔚山国立科学技术研究所的Feng Ding以及中科院半导体研究所的魏同波研究员(通讯作者)等人联合在《Adv. Funct. Mater》期刊发表名为“Direct Growth of Nanopatterned Graphene on Sapphire and Its Application in Light Emitting Diodes”的论文,研究报道了一种通过在纳米图形化蓝宝石基底(NPSS)的c-面上选择性生长石墨烯,来制备纳米图案化石墨烯的新思路,并且展示了其在外延生长氮化铝(AlN)薄膜中的应用。在随后的紫外发光二极管(UV-LED)应用中,作者发现图案化的石墨烯可以实现AlN的选择性成核,从而保障了成核取向的一致性,并促进AlN的快速横向外延生长(ELOG),从而得到低位错密度的单晶AlN薄膜。在图形化石墨烯/NPSS基底上所制造出的UV-LED表现出了良好的发光性能和可优异的可靠性。该方法适用于通过基板设计获得各种图案化的石墨烯,这将在石墨烯的前沿应用中取得更大的进步。

 

图文导读

北大《Adv. Funct. Mater》:直接制备图案化石墨烯纳米片,用于发光二极管
图1、NPSS c平面上石墨烯的选择性生长
北大《Adv. Funct. Mater》:直接制备图案化石墨烯纳米片,用于发光二极管
图2、NPSS c平面上生长的图案化石墨烯的表征。
北大《Adv. Funct. Mater》:直接制备图案化石墨烯纳米片,用于发光二极管
图3、石墨烯在NPSS c平面上选择性生长的DFT计算
北大《Adv. Funct. Mater》:直接制备图案化石墨烯纳米片,用于发光二极管
图4、通过调节碳前驱物和系统压力,可在NPSS上控制石墨烯的生长

小结

总之,通过利用NPSS的物理设计和化学性质成功地实现了图案化石墨烯的直接生长,并展示了它们在AlN薄膜外延与LED构筑中的关键应用。这项工作可以激励并提供进一步的进展,例如可在电子设备应用的介电基板上控制各种图案化的石墨烯的生长,从而满足石墨烯的前沿应用。

北大《Adv. Funct. Mater》:直接制备图案化石墨烯纳米片,用于发光二极管

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