基于金刚石散热结构的超高功率LED光源

　　综述基于金刚石散热结构的超高功率LED光源陈欣，吴懿平（华中科技大学，湖北武汉430074）大大提高了超高功率LED的散热能力。介绍了三种金刚石散热结构：氮化镓与金刚石直接结合实现GaN-on-diamond光与热集成的结构；在传统的LED光源中加金刚石薄膜作为高导热层的散热结构；以金刚石复合材料做成的LED热沉结构。理论上，三种结构中种结构的散热效果好，与目前先进的碳化硅衬底LED相比，其结温降低了4045.基金项目：广东省2013年省部产学研专项基金项目。

　　超大功率LED光源技术的关键是它的散热能力。

　　高功率LED有源区的功率密度极大，达到了1kW/cm2甚至更高。传统的大功率LED外延层常用的衬底是蓝宝石、碳化硅和硅。碳化硅的热导率约为400W/（m.K），硅的热导率为140W/（m.K），砷化镓的热导率55W/（mK），蓝宝石的热导率为25W/（mK），即使使用碳化硅衬底，也只能低于200W/cm2，因此，超高功率LED器件大的技术瓶颈是散热问题。金刚石是材料中导热率高的，达到2000W/（m.K），是理想的衬底材料，可以降低器件热阻，提高功率密度，因此以金刚石为衬底制造高功率LED成为一个研究热点。

　　1金刚石衬底的制备1.1金刚石的材料属性常见材料的电阻率见表1.表i常见材料的电阻率在电子学上，金刚石具有许多优良的电气性质，如：5.45eV的宽带隙，10MV/cm的高击穿电场。金刚石的击穿电压比硅高514倍，而6H-SiC、4H-SiC和GaN则分别比硅高56、46和34倍。器件的工作温度大于500°C，在高功率、高温度和恶劣环境工作的器件应用前景广阔。

　　在热学方面，金刚石的热导率高达20W/（cmK）。由于生长工艺的特性，多晶结构的金刚石薄膜的组织呈微小的柱状结构，如（a）所示。其热导率具有高度的各向异性，如（b）所示。

　　到底面距离々/Mm（a）金刚石薄膜的晶粒结构（b）热导率与高度的函数关系各向异性的CVD金刚石薄膜1.2大尺寸金刚石膜的制备工业应用的金刚石大都是人工合成的金刚石或金刚石膜。目前人工合成金刚石的方法主要有两种，即局温局压（HTHP，hightemperaturehighpressure）法和化学气相沉积（CVD，chemicalvapordeposition）法。HTHP法是以石墨为原料，引入合适的过渡金属如Fe、Co、Ni等作为催化剂，在1 800K以上温度，几万个大气压的条件下来进行金刚石合成的方法。CVD法是指在高温条件下使气态原料（甲烷和氢气）分解，生成碳原子或甲基原子团等活性粒子，并在一定工艺条件下，在衬底材料上沉积出金刚石膜的方法。HTHP法制备的金刚石尺寸小，纯度低，而CVD法制备金刚石具有更大的尺寸、更高的质量和更广泛的应用。目前常用和成熟的有热丝CVD、直流等离子体喷射CVD（DCArcPlasmaetCVD）和微波等离子体CVD（MicrowavePlasmaCVD，MPCVD）。不同工艺制备的金刚石薄膜如所示。

　　金刚石的合成可以在异质基底上进行，也可以在单晶金刚石基底上进行，在异质基底上进行的即为异质外延，基底通常有Si、Cu、Mo、Ti、Si3V4、Ge、陶瓷等，在单晶金刚石基底上进行的即为同质外延。YamadaH制造出多片尺寸达到2.54cm的马赛克晶片，该法先将一些小尺寸的金刚石籽晶进行适当排列构成一个整体，然后将这个整体作为基底，在其上进行大尺寸金刚石晶片的沉积，成功在单炉中一次合成出了多片尺寸达到1.27cm的金刚石片，且其具有与籽晶相同的晶体学特征。之后他们选择了其中较好的6片连成马赛克基底，在其上进行了金刚石的外延生长，后合成出单晶金刚石晶片。此方法合成的金刚石膜的尺寸还可以进一步增大。使用直流等离子体喷射CVD制得的金刚石尺寸可达150mmcChaeKW等以钼为衬底材料，利用直流热阴极化学气相沉积工艺制得了20.32cm的自持CVD金刚石晶片，并获得了商业化应用。上述大尺寸的金刚薄膜衬底的规模化制备技术，为超高功率LED光源提供了高导热的基础衬底材料。

　　金刚石散热结构LED主要有三种形式，一种是氮化镓与金刚石直接结合（GaN-on-diamond），实现了光与热集成的结构；另一种是在传统的LED光源中增加金刚石薄膜作为高导热层的散热结构；第三种是以金刚石复合材料做成的LED热沉结构。

　　在单晶金刚石（111）面上或者其他面上使用MBE或者MOCVD运用HVPE技术在单晶金刚石（110）面上生长GaN外延层。2006年，美国Group4.作者对100pm厚CVD金刚石为衬底进行了研究，分析不同尺寸下金刚石厚度与温升之间的关系。此外，还研究了GaN晶片的转移、晶片的弯曲变形特征以及GaN与金刚石的界面特征。不同尺寸下金刚石厚度与温升之间的函数关系如所示。

　　不同尺寸下金刚石厚度与温升之间的函数关系从明显看出当金刚石的厚度约等于热源的特征尺寸时，热传导的能力就基本上达到饱和。

　　衬底界面热阻，衬底的热导率各向异性对器件结温的影响。从和（其中I为结温，0 2为环境温度）可以看出，权衡考量成本和散热效果，衬底厚度应取在50150pm之间；GaN-金刚石之间的界面热阻超过10m2K/GW时，将对结温造成较大影响，因此要保证GaN和金刚石界面的生长质量。

　　Felbmger等将GaN外延层原子附着在多晶金刚石上。在直流加载下测得稳态温度，如所示，SiC衬底器件的热导率约为12°C/（W/mm），而金刚石衬底器件的热导率约为6°C/（W/mm）。

　　结温对器件的寿命有相当的影响。对100mm厚Si衬底（111）面上生长的AlGaN/GaN外延结构，5出8匕。等研究了其在激活能Ea=2.0eV下的热激活失效机理。通过外推25C的数据，得到25C、卜硅基底1SEM电镜下带金刚石/铜散热器的紫外LED横截面图表2不同封装形式LED的热学、光学和电学性能此外，还有一种GaN-on-Diamond的结构，是在GaN上生长金刚石薄膜。此方法是将GaN薄膜结构转移到多晶金刚石衬底上，通过CVD先将GaN薄膜结构生长在硅衬底上，然后将硅衬底和高热阻过渡层刻蚀掉，再将无序粘合层沉积到暴露的GaN缓冲层上，在粘合层上生长CVD金刚石层。此方法的热阻取决于无序粘结层和近界面金刚石，目前这二者还都在优化。用此方法获得的GaN-on-diamond晶片尺寸可达10.16cm. 3金刚石薄膜中间层目前热丝CVD金刚石、微波等离子体CVD金刚石等技术成熟，带动了金刚石热沉片产品的开发。熊礼威等采用微波等离子体CVD法制备了金刚石薄膜热沉片，并在此基础上研究了不同沉积工艺对金刚石热沉片散热性能的影响。

　　满卫东等在衬底表面沉积金刚石薄膜散热层以提高LED的散热能力。对于没有金刚石薄膜散热层的结构（如所示，图中的箭头是热量流动方向及大小的示意图），LED的散热是将pn结处产生的热量传递到散热能力较差的介质如封装导热胶及硅基底，水平方向的导热能力较差，热量集中在LED与介质接触的地方，属于“点散热”；而添加了金刚石薄膜作为散热层之后（如0所示），利用金刚石膜的高热导率，可以将LED的点热源的高密度热流迅速扩散通过整个金刚石膜中（水平和竖直方向）从而降低了进入Si基底热流密度，大幅度地提高了散热能力，降低了LED的结温温度。

　　没有金刚石散热层的为“点散热”

　　硅基底0有金刚石散热层的为“面散热”的效果示意金刚石复合材料的LED热沉采用金刚石粉和金属粉混合料预成型为热沉素坯，经过高温高压烧结获得具有良好导热性的LED热沉。丑以。等以铜为黏接剂的方式，制备了金刚石/铜复合高导热材料。其中铜体积分数仅为5°~7°，导热率达900W/（m.K）。但是，由于铜的存在，使得这种材料的绝缘性较差。

　　200°C）烧结工艺制备了热导率较高的金刚石/铜复合材料，并在其工作面上沉积一层金刚石薄膜作为绝缘层。作者研究了金刚石颗粒尺寸和体积分数对复合材料导热率的影响，同时对多导热通道进行了研究。较为理想的导热通道是形成连续的金刚石骨架结构，在金刚石与金刚石界面处直接化学键结合，有效传热通道主要依靠金刚石颗粒之间进行，而铜填充于金刚石的缝隙处。当金刚石颗粒尺寸为80~120pm、金刚石体积分数为80时，复合热沉的热导率高达580W/（m.K），并具有良好的绝缘性。

　　HorngRH利用电镀技术制作了紫外LED的金刚石/铜散热器，其结构如1所示。作者将其与纯铜散热器和蓝宝石衬底的紫外LED进行了比较，表2为不同封装形式LED的热学、光学和电学性能。

　　三种不同LED封装结构的注入电流为350mA，输入功率为1W.从表2可以看出，有金刚石/铜散热器的紫外LED的光输出效率得到了显著的提高，而温升、热阻及LED表面温度则明显降低了。同时测得金刚石/铜的热扩散速率为0.7179cm2/s. 5展望超高功率LED光源的应用需求逐年增长，高导热的金刚石材料对提高LED的功率密度起到了极为关键的作用，有着广阔的应用前景。金刚石衬底与目前先进的碳化硅衬底GaN器件相比，拥有更高的面功率密度，温度降低了4045.采用金刚石散热结构的LED光源，不仅使得LED光源的功率、可靠性和寿命有了量级级别的提高，而且与传统大功率LED光源相比具有更小的体积和质量，整个光源的生命周期和制造成本也有明显的降低。