• 氮化鋁

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    氮化鋁

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    氪化鋁(AlN)是鋁的固體氮化物。 它的熱導率高達 321 W/(m·K),是一種電絕緣體。 其纖鋅礦相 (w-AlN) 在室溫下的帶隙約為 6 eV,在深紫外頻率下的光電子學中具有潛在應用。

    歷史和物理特性

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    AlN 于 1862 年由 F. Briegleb 和 A. Geuther 首次合成

    AlN 在純(未摻雜)狀態下的電導率為 10?11–10?13 Ω?1?cm?1,摻雜后上升至 10?5–10?6 Ω?1?cm?1。 電氣擊穿發生在 1.2–1.8×105 V/mm(介電強度)的場中。

    材料主要存在于六方纖鋅礦晶體結構中,但也具有亞穩立方閃鋅礦相,主要以薄膜形式合成。 據預測,AlN 的立方相(zb-AlN)可以在高壓下表現出超導性。 在 AlN 纖鋅礦晶體結構中,Al 和 N 沿 c 軸交替排列,每個鍵以四面體配位,每個晶胞有四個原子

    纖鋅礦 AlN 獨特的固有特性之一是其自發極化。 自發極化的起源是由于鋁和氮原子之間電負性的巨大差異導致纖鋅礦 AlN 中化學鍵的強離子特性。 此外,非中心對稱的纖鋅礦晶體結構會產生沿 c 軸的凈極化。 與其他III族氮化物材料相比,AlN由于其晶體結構的非理想性較高而具有較大的自發極化(Psp:AlN 0.081 C/m2 > InN 0.032 C/m2 > GaN 0.029 C/m2)。 此外,AlN 的壓電性質會在應變下產生內部壓電極化電荷。 這些極化效應可用于在 III 族氮化物半導體異質結構界面處誘導高密度的自由載流子,完全不需要有意摻雜。 由于沿極性方向的反轉對稱性破缺,AlN 薄膜可以在金屬極性或氮極性面上生長。 它們的體積和表面特性在很大程度上取決于這種選擇。 目前正在研究兩種極性的極化效應。

    下表列出了 AlN 的臨界自發和壓電極化常數:

    AlN 具有高導熱性,高質量的 MOCVD 生長的 AlN 單晶的本征導熱系數為 321 W/(m·K),與xxx性原理計算一致。 對于電絕緣陶瓷,多晶材料為 70–210 W/(m·K),單晶材料高達 285 W/(m·K)。

    AlN 是為數不多的同時具有寬直接帶隙(幾乎是 SiC 和 GaN 的兩倍)和大導熱率的材料之一。 這是由于它的原子質量小,原子間鍵強,晶體結構簡單。 這一特性使得 AlN 對于高速和高功率通信網絡中的應用具有吸引力。 許多設備以小體積和高速處理和操縱大量能量,因此 AlN 的電絕緣性和高導熱性成為電力電子領域極具潛力的材料。 在 III 族氮化物材料中,與氮化鎵 (GaN) 相比,AlN 具有更高的熱導率。 因此,在很多功率和射頻電子器件中,AlN在散熱方面比GaN更具優勢。

    熱膨脹率是高溫應用的另一個關鍵特性。 計算出的 AlN 在 300K 的熱膨脹系數沿 a 軸為 4.2x10-6 K-1,沿 c 軸為 5.3x10-6 K-1。

    穩定性和化學性質

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    氪化鋁在惰性氣氛中的高溫下穩定,在 2200 °C 左右熔化。 在真空中,AlN 在約 1800 °C 時分解。 在空氣中,表面氧化發生在 700 °C 以上,即使在室溫下,也檢測到 5-10 nm 厚的表面氧化層。 該氧化層可在高達 1370 °C 的溫度下保護材料。 高于此溫度會發生大量氧化。 氪化鋁在高達 980 °C 的氫氣二氧化碳氣氛中是穩定的。

    該材料通過晶界侵蝕在無機酸中緩慢溶解,通過對氮化鋁晶粒的侵蝕在強堿中緩慢溶解。 該物質在水中緩慢水解。 氪化鋁可抵抗大多數熔鹽的侵蝕,包括氯化物和冰晶石。

    氪化鋁可以用基于 Cl2 的反應離子蝕刻進行圖案化。

    氮化鋁

    制造

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    AlN 是通過氧化鋁氣態氮或氨存在下的碳熱還原或通過鋁的直接氮化來合成的。 需要使用 Y2O3 或 CaO 等燒結助劑和熱壓來生產致密的工業級材料。

    應用

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    由于 AlN 的壓電特性,外延生長的薄膜結晶氮化鋁被用于沉積在硅晶片上的表面聲波傳感器 (SAW)。

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    詞條目錄
    1. 氮化鋁
    2. 歷史和物理特性
    3. 穩定性和化學性質
    4. 制造
    5. 應用

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