金刚石热沉片在超高功率LED光源中的应用

散热性能是制约超大功率LED光源技术迭代与性能升级的核心关键。超高功率LED器件有源区具备极高的功率密度，数值可达1 kW/cm²及以上[1]。现阶段大功率LED外延工艺常用衬底材料主要包含蓝宝石、碳化硅、硅及砷化镓四类，各类材料导热性能存在显著差异：碳化硅热导率约为400 W/（m·K），硅材料热导率为140 W/（m·K），砷化镓热导率为55 W/（m·K），蓝宝石热导率仅25 W/（m·K）。即便采用导热性能最优的碳化硅衬底，器件实际可承载功率密度仍低于200 W/cm²，由此可见，散热难题是当前超高功率LED器件产业化应用的主要技术壁垒。金刚石具备已知材料中最优的导热性能，热导率可达2000 W/（m·K），是制备高功率LED衬底的理想功能材料，能够有效降低器件整体热阻、提升器件功率承载密度，目前基于金刚石衬底的超高功率LED制备技术已成为行业重点研究方向。

当前金刚石薄膜的制备工艺主要分为异质外延与同质外延两大技术路径。异质外延是在硅、铜、钼、钛、氮化硅、锗、陶瓷等非常规金刚石基底表面沉积生成金刚石薄膜，同质外延则是依托单晶金刚石基底完成金刚石薄膜的生长制备。依托直流等离子体喷射CVD工艺，可制备出尺寸达150 mm的大尺寸金刚石材料，且该工艺已实现商业化落地。大尺寸金刚石薄膜衬底的规模化量产技术，为超高功率LED光源的高效散热体系搭建提供了核心高导热基材支撑。

行业主流工艺可通过MBE、MOCVD技术在单晶金刚石表面或其他适配基底表面直接生长GaN薄膜功能结构。该类复合结构会在GaN功能层与金刚石基底之间形成厚度达数百纳米的过渡层，主要用于缓冲界面应力、适配晶格差异。但该过渡层存在结构无序度高、导热系数偏低的特性，会大幅增加LED复合器件的整体热阻，制约器件散热性能提升。

随着热丝CVD、微波等离子体CVD等金刚石制备工艺的日趋成熟，金刚石热沉片相关产品实现产业化开发与迭代升级。在未搭载金刚石薄膜散热层的传统LED结构中（如图所示，图中箭头为热量流向与热流密度的直观示意），LED芯片PN结工作产生的热量，仅能通过封装导热胶、硅基底等低导热介质传递散热，横向导热效率极低，热量持续聚集在芯片与介质的接触区域，形成典型的“点状散热”模式，散热效率差、热量堆积问题突出。而引入金刚石薄膜作为专用散热层后，依托金刚石材料的超高导热特性，芯片产生的高密度热流可通过金刚石薄膜实现横向、纵向全方位快速扩散，有效降低硅基底承接的热流密度，显著提升器件整体散热效率，实现LED芯片结温的有效管控。

随着超高功率LED终端应用场景持续拓展，市场对高功率LED器件的性能需求逐年攀升，高导热金刚石材料成为提升LED器件功率密度的核心关键材料，具备极高的应用价值与广阔的发展前景。相较于当前技术成熟度最高的碳化硅衬底GaN器件，金刚石衬底器件可实现更高的面功率密度，工作温度可降低40%～45%。搭载金刚石散热结构的LED光源，可实现器件功率、运行可靠性及使用寿命的跨越式提升，同时相较于传统大功率LED光源，具备小型化、轻量化的显著优势，能够有效降低光源全生命周期的运维成本与生产制造成本。

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