stringtranslate.com

Нитрид алюминия

Нитрид алюминия ( AlN ) — это твердый нитрид алюминия . Он обладает высокой теплопроводностью до 321 Вт/(м·К) [ 5] и является электроизолятором. Его вюрцитная фаза (w-AlN) имеет ширину запрещенной зоны ~ 6 эВ при комнатной температуре и имеет потенциальное применение в оптоэлектронике, работающей на частотах глубокого ультрафиолета .

История и физические свойства

AlN был впервые синтезирован в 1862 году Ф. Бриглебом и А. Гейтером. [9] [10]

AlN в чистом (нелегированном) состоянии имеет электропроводность 10−11–10−13 Ом  − 1 ⋅см − 1 , возрастающую до 10−5–10−6 Ом  − 1 ⋅см − 1 при легировании. [11] Электрический пробой происходит при напряженности поля 1,2–1,8 × 10 5  В/мм ( диэлектрическая прочность ). [11]

Материал существует в основном в гексагональной кристаллической структуре вюрцита , но также имеет метастабильную кубическую фазу цинковой обманки , которая синтезируется в основном в виде тонких пленок. Предсказано, что кубическая фаза AlN (zb-AlN) может проявлять сверхпроводимость при высоких давлениях. [12] В кристаллической структуре вюрцита AlN Al и N чередуются вдоль оси c, и каждая связь тетраэдрически координируется с четырьмя атомами на элементарную ячейку.

Одним из уникальных внутренних свойств вюрцита AlN является его спонтанная поляризация. Причиной спонтанной поляризации является сильный ионный характер химических связей в вюрците AlN из-за большой разницы в электроотрицательности между атомами алюминия и азота. Кроме того, нецентросимметричная кристаллическая структура вюрцита приводит к чистой поляризации вдоль оси c. По сравнению с другими материалами III-нитридов, AlN имеет большую спонтанную поляризацию из-за более высокой неидеальности его кристаллической структуры (P sp : AlN 0,081 Кл/м 2 > InN 0,032 Кл/м 2 > GaN 0,029 Кл/м 2 ). [13] Более того, пьезоэлектрическая природа AlN приводит к появлению внутренних пьезоэлектрических поляризационных зарядов при деформации. Эти эффекты поляризации можно использовать для создания высокой плотности свободных носителей на интерфейсах гетероструктур полупроводников III-нитридов, полностью избавляя от необходимости преднамеренного легирования. Из-за нарушенной инверсионной симметрии вдоль полярного направления тонкая пленка AlN может быть выращена как на металл-полярных, так и на азот-полярных гранях. Их объемные и поверхностные свойства существенно зависят от этого выбора. Эффект поляризации в настоящее время изучается для обеих полярностей.

Критические константы спонтанной и пьезоэлектрической поляризации для AlN приведены в таблице ниже: [13] [14]

AlN имеет высокую теплопроводность , высококачественный монокристалл AlN, выращенный методом MOCVD, имеет собственную теплопроводность 321 Вт/(м·К), что соответствует расчету из первых принципов. [5] Для электроизолирующей керамики она составляет 70–210 Вт/(м·К) для поликристаллического материала и до 285 Вт/(м·К) для монокристаллов. [11]

AlN является одним из немногих материалов, которые имеют как широкую и прямую запрещенную зону (почти вдвое больше, чем у SiC и GaN ), так и большую теплопроводность. [15] Это связано с его малой атомной массой, сильными межатомными связями и простой кристаллической структурой. [16] Это свойство делает AlN привлекательным для применения в высокоскоростных и мощных сетях связи. Многие устройства обрабатывают и манипулируют большими объемами энергии в малых объемах и на высоких скоростях, поэтому из-за электроизолирующей природы и высокой теплопроводности AlN он становится потенциальным материалом для мощной силовой электроники. Среди материалов на основе нитридов III группы AlN имеет более высокую теплопроводность по сравнению с нитридом галлия (GaN). Поэтому AlN более выгоден, чем GaN, с точки зрения рассеивания тепла во многих силовых и радиочастотных электронных устройствах.

Тепловое расширение является еще одним критическим свойством для высокотемпературных применений. Расчетные коэффициенты теплового расширения AlN при 300 К составляют 4,2×10−6 К − 1 вдоль оси a и 5,3×10−6 К − 1 вдоль оси c. [17]

Стабильность и химические свойства

Нитрид алюминия стабилен при высоких температурах в инертных атмосферах и плавится при температуре около 2200 °C (2470 K; 3990 °F). В вакууме AlN разлагается при температуре ~1800 °C (2070 K; 3270 °F). На воздухе поверхностное окисление происходит при температуре выше 700 °C (973 K; 1292 °F), и даже при комнатной температуре были обнаружены поверхностные оксидные слои толщиной 5–10 нм. Этот оксидный слой защищает материал до 1370 °C (1640 K; 2500 °F). Выше этой температуры происходит объемное окисление. Нитрид алюминия стабилен в атмосферах водорода и углекислого газа до 980 °C (1250 K; 1800 °F). [18]

Материал медленно растворяется в минеральных кислотах через зернограничную атаку и в сильных щелочах через атаку на зерна нитрида алюминия. Материал медленно гидролизуется в воде. Нитрид алюминия устойчив к воздействию большинства расплавленных солей, включая хлориды и криолит . [19]

Нитрид алюминия можно структурировать с помощью реактивного ионного травления на основе Cl2 . [20] [21]

Производство

AlN синтезируется путем карботермического восстановления оксида алюминия в присутствии газообразного азота или аммиака или путем прямого азотирования алюминия. [22] Для получения плотного технического материала требуется использование спекающих добавок, таких как Y 2 O 3 или CaO, и горячее прессование. [ необходима цитата ]

Приложения

Эпитаксиально выращенный тонкопленочный кристаллический нитрид алюминия используется для датчиков поверхностных акустических волн (SAW), нанесенных на кремниевые пластины из-за пьезоэлектрических свойств AlN . Недавние достижения в области материаловедения позволили наносить пьезоэлектрические пленки AlN на полимерные подложки, что позволило разработать гибкие устройства SAW. [23] Одним из приложений является радиочастотный фильтр , широко используемый в мобильных телефонах, [24] который называется тонкопленочным объемным акустическим резонатором (FBAR). Это устройство MEMS , которое использует нитрид алюминия, зажатый между двумя металлическими слоями. [25]

AlN также используется для создания пьезоэлектрических микромашинных ультразвуковых преобразователей , которые излучают и принимают ультразвук и которые могут использоваться для измерения дальности в воздухе на расстоянии до метра. [26] [27]

Существуют методы металлизации, позволяющие использовать AlN в электронных приложениях, подобных тем, что используются в оксиде алюминия и оксиде бериллия . Нанотрубки AlN как неорганические квазиодномерные нанотрубки, которые являются изоэлектронными с углеродными нанотрубками, были предложены в качестве химических датчиков токсичных газов. [28] [29]

В настоящее время ведутся многочисленные исследования по разработке светодиодов для работы в ультрафиолете с использованием полупроводников на основе нитрида галлия , а с использованием сплава алюминия и нитрида галлия были достигнуты длины волн до 250 нм. В 2006 году было сообщено о неэффективном излучении светодиода AlN на длине волны 210 нм. [30]

Высокоподвижные транзисторы на основе AlN (HEMT) привлекли большое внимание благодаря превосходным свойствам AlN, таким как лучшее управление температурой, уменьшенная утечка буфера и отличная интеграция для всей нитридной электроники. Буферный слой AlN является критически важным строительным блоком для HEMT на основе AlN, и он был выращен с использованием MOCVD или MBE на различных подложках. Были продемонстрированы n-канальные устройства с 2D электронным газом (2DEG) и p-канальные устройства с 2D дырочным газом (2DHG), построенные поверх буфера AlN. Сочетание 2DEG и 2DHG высокой плотности на одной полупроводниковой платформе делает его потенциальным кандидатом для устройств CMOS.

Керамика из оксида алюминия облегчает реакции полимеризации , повышая эффективность и последовательность при создании пластиков и смол . [31] Она также используется в микроволновых приложениях в качестве подложки и теплоотвода. [32] Все больше исследователей изучают производство светоизлучающих диодов (СИД) для работы в ультрафиолетовой области с использованием полупроводников на основе нитрида галлия алюминия (AlGaN) . [33]

Среди применений AlN можно выделить:

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ ab Haynes, стр. 4.45.
  2. ^ Фукумото, С.; Хукабе, Т.; Цубакино, Х. (2010). «Поведение нитрида алюминия при гидролизе в различных растворах». J. Mat. Science . 35 (11): 2743–2748. doi :10.1023/A:1004718329003. S2CID  91552821.
  3. ↑ Хейнс, стр. 12.85.
  4. ^ Фенеберг, М.; Лейте, РАР; Нойшль, Б.; Тонке, К.; Бикерманн, М. (2010). Физ. Преподобный Б. 82 (7): 075208. Бибкод : 2010PhRvB..82g5208F. doi : 10.1103/physrevb.82.075208.{{cite journal}}: CS1 maint: безымянное периодическое издание ( ссылка )
  5. ^ abc Cheng, Zhe; Koh, Yee Rui; Mamun, Abdullah; Shi, Jingjing; Bai, Tingyu; Huynh, Kenny; Yates, Luke; Liu, Zeyu; Li, Ruiyang; Lee, Eungkyu; Liao, Michael E.; Wang, Yekan; Yu, Hsuan Ming; Kushimoto, Maki; Luo, Tengfei; Goorsky, Mark S.; Hopkins, Patrick E.; Amano, Hiroshi; Khan, Asif; Graham, Samuel (2020). "Экспериментальное наблюдение высокой собственной теплопроводности AlN". Physical Review Materials . 4 (4): 044602. arXiv : 1911.01595 . Bibcode : 2020PhRvM...4d4602C. doi :10.1103/PhysRevMaterials.4.044602. S2CID  207780348 . Получено 2020-04-03 .
  6. ↑ Хейнс, стр. 12.80.
  7. ^ Вандамм, Нобуко С.; Ричард, Сара М.; Винзер, Стивен Р. (1989). «Жидкофазное спекание нитрида алюминия с добавками оксида европия». Журнал Американского керамического общества . 72 (8): 1409–1414. doi :10.1111/j.1151-2916.1989.tb07662.x.
  8. ↑ Хейнс, стр. 5.4.
  9. ^ Фесенко ИП; Прокопив ММ; Часник ВИ; и др. (2015). Функциональные материалы на основе нитрида алюминия, полученные из нано/микронных порошков методом горячего прессования/спекания без давления . EPC ALCON. стр. 11. ISBN 978-966-8449-53-6.
  10. ^ Бриглеб, Ф.; Гейтер, А. (1862). «Ueber das Stickstoffmagnesium und die Affinitäten des Stickgases zu Metallen». Юстус Либигс Аннален дер Хими . 123 (2): 228–241. дои : 10.1002/jlac.18621230212.
  11. ^ abc «AlN - нитрид алюминия». База данных Иоффе . Санкт-Петербург: ФТИ им. А.Ф. Иоффе, РАН . Проверено 1 января 2014 г.
  12. ^ Дэнси, Г. Сельва; Шиба, В. Беналин; Луи, К. Нирмала; Амалрадж, А. (30 сентября 2015 г.). «Сверхпроводимость в полупроводнике AlN III-V группы под высоким давлением». Орбиталь - Электронный химический журнал . 7 (3). Институто де Кимика - Univ. Федеральный округ Мату-Гросу-ду-Сул. дои : 10.17807/orbital.v7i3.628 . ISSN  1984-6428.
  13. ^ ab Ambacher, O (1998-10-21). "Рост и применение нитридов III группы". Journal of Physics D: Applied Physics . 31 (20): 2653–2710. doi :10.1088/0022-3727/31/20/001. ISSN  0022-3727. S2CID  250782290.
  14. ^ Ambacher, O.; Foutz, B.; Smart, J.; Shealy, JR; Weimann, NG; Chu, K.; Murphy, M.; Sierakowski, AJ; Schaff, WJ; Eastman, LF; Dimitrov, R.; Mitchell, A.; Stutzmann, M. (2000-01-01). "Двумерные электронные газы, индуцированные спонтанной и пьезоэлектрической поляризацией в нелегированных и легированных гетероструктурах AlGaN/GaN". Journal of Applied Physics . 87 (1): 334–344. Bibcode :2000JAP....87..334A. doi : 10.1063/1.371866 . ISSN  0021-8979.
  15. ^ Хикман, Остин Ли; Чаудхури, Рит; Бадер, Сэмюэл Джеймс; Номото, Казуки; Ли, Лей; Хванг, Джеймс CM; Грейс Син, Хуили; Джена, Дебдип (2021-04-01). "Электроника следующего поколения на платформе сверхширокозонного нитрида алюминия". Полупроводниковая наука и технологии . 36 (4): 044001. Bibcode : 2021SeScT..36d4001H. doi : 10.1088/1361-6641/abe5fd . ISSN  0268-1242. S2CID  233936255.
  16. ^ Xu, Runjie Lily; Muñoz Rojo, Miguel; Islam, SM; Sood, Aditya; Vareskic, Bozo; Katre, Ankita; Mingo, Natalio; Goodson, Kenneth E .; Xing, Huili Grace; Jena, Debdeep; Pop, Eric (14.11.2019). "Теплопроводность кристаллического AlN и влияние дефектов атомного масштаба". Journal of Applied Physics . 126 (18): 185105. arXiv : 1904.00345 . Bibcode : 2019JAP...126r5105X. doi : 10.1063/1.5097172. ISSN  0021-8979. S2CID  90262793.
  17. ^ Слэк, Глен А.; Бартрам, С.Ф. (1975-01-01). «Тепловое расширение некоторых алмазоподобных кристаллов». Журнал прикладной физики . 46 (1): 89–98. Bibcode : 1975JAP....46...89S. doi : 10.1063/1.321373 . ISSN  0021-8979.
  18. ^ Бергер, LI (1997). Полупроводниковые материалы . CRC Press. стр. 123–124. ISBN 978-0-8493-8912-2.
  19. ^ Pradhan, S; Jena, SK; Patnaik, SC; Swain, PK; Majhi, J (2015-02-19). "Характеристики износа композитов Al-AlN, полученных in-situ путем азотирования". Серия конференций IOP: Материаловедение и машиностроение . 75 (1): 012034. Bibcode : 2015MS&E...75a2034P. doi : 10.1088/1757-899X/75/1/012034 . ISSN  1757-899X. S2CID  137160554.
  20. ^ Chih-ming Lin; Ting-ta Yen; Yun-ju Lai; Felmetsger, VV; Hopcroft, MA; Kuypers, JH; Pisano, AP (март 2010 г.). «Температурно-компенсированные резонаторы на основе нитрида алюминия с волной Лэмба». IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics and Frequency Control . 57 (3): 524–532. doi :10.1109/TUFFC.2010.1443. PMID  20211766. S2CID  20028149.
  21. ^ Xiong, Chi; Pernice, Wolfram HP; Sun, Xiankai; Schuck, Carsten; Fong, King Y.; Tang, Hong X. (2012). "Нитрид алюминия как новый материал для оптомеханики и нелинейной оптики в масштабе чипа". New Journal of Physics . 14 (9): 095014. arXiv : 1210.0975 . Bibcode : 2012NJPh...14i5014X. doi : 10.1088/1367-2630/14/9/095014. ISSN  1367-2630. S2CID  118571039.
  22. ^ Ямакава, Томохиро; Татами, Дзюнъити; Вакихара, Тору; Комея, Кацутоши; Мэгуро, Такеши; Маккензи, Кеннет Джей Ди; Такаги, Шиничи; Ёкоучи, Масахиро (4 октября 2005 г.). «Синтез нанопорошка AlN из γ-Al2O3 восстановительным нитридированием в смеси NH3-C3H8». Журнал Американского керамического общества . 89 (1): 171–175. дои : 10.1111/j.1551-2916.2005.00693.x. ISSN  0002-7820 . Проверено 26 июня 2023 г.
  23. ^ Ламанна, Леонардо (ноябрь 2023 г.). «Последние достижения в области гибких полимерных поверхностно-акустических волновых устройств: материалы, обработка и применение». Advanced Materials Technologies . 8 (21). doi : 10.1002/admt.202300362 . ISSN  2365-709X.
  24. ^ Цуруока, Дуг (2014-03-17). «Apple, Samsung Cellphone Filter Orders Lift Avago». Investor's Business Daily .
  25. ^ "ACPF-7001: Agilent Technologies анонсирует фильтр FBAR для мобильных телефонов и карт данных в диапазоне PCS в США". wirelessZONE . ​​EN-Genius Network Ltd. 2002-05-27 . Получено 2008-10-18 .
  26. ^ Метц, Рэйчел. "Жестовый интерфейс для умных часов". MIT Technology Review . Архивировано из оригинала 2 ноября 2013 г.
  27. ^ Przybyla, R.; al, et (2014). «3D Ультразвуковое распознавание жестов». Международная конференция по твердотельным схемам . Сан-Франциско. С. 210–211.
  28. ^ Ахмади, А.; Хадипур, Н. Л.; Камфирузи, М.; Багери, З. (2012). «Теоретическое исследование нанотрубок нитрида алюминия для химического обнаружения формальдегида». Датчики и приводы B: Химия . 161 (1): 1025–1029. Bibcode : 2012SeAcB.161.1025A. doi : 10.1016/j.snb.2011.12.001.
  29. ^ Ахмади Пейган, А.; Омидвар, А.; Хадипур, Н.Л.; Багери, З.; Камфирузи, М. (2012). «Могут ли нанотрубки нитрида алюминия обнаружить токсичные молекулы NH 3 ?». Physica E. 44 ( 7–8): 1357–1360. Bibcode : 2012PhyE...44.1357A. doi : 10.1016/j.physe.2012.02.018.
  30. ^ Taniyasu, Y.; et al. (2006). "Светоизлучающий диод из нитрида алюминия с длиной волны 210 нанометров". Nature . 441 (7091): 325–328. Bibcode :2006Natur.441..325T. doi :10.1038/nature04760. PMID  16710416. S2CID  4373542.
  31. ^ Росс, Лиза (12 апреля 2024 г.). «Что такое керамика из нитрида алюминия?». Advanced Ceramic Materials . Получено 2 ноября 2024 г. .
  32. ^ Ма, Юпу; Вэй, Тао (2023). «Встроенное микрожидкостное охлаждение в подложке из нитрида алюминия HTCC для массива высокочастотных чипов высокой мощности». J. Thermal Sci. Eng. Appl . 15 (10): 101004–101012. doi :10.1115/1.4062400.
  33. ^ Лан, Цзин; Сюй, Фуцзюнь (2024). «Прогресс в производительности ультрафиолетовых светодиодов на основе AlGaN». Advanced Electronic Materials : 2300840. doi : 10.1002/aelm.202300840 .

Цитируемые источники