氮化铝的特征和应用

近几年，碳化硅作为一种无机材料，其热度可与“半导体”、“芯片”、“集成电路”等相提并论，它除了是制造芯片的战略性半导体材料外，因其独有的特性和优势受到其它众多行业的青睐，可谓是一种明星材料。而随着集成电路成为了国家战略性产业，很多半导体材料得以被研究开发，氮化铝无疑是其中最具有发展前景的半导体材料之一。

氮化铝的研究历史

氮化铝是一种综合性能优良的陶瓷材料，对其研究可以追溯到一百多年前，它是由F.Birgeler和A.Geuhter在1862年发现的，并于1877年由J.W.MalletS首次合成了氮化铝，但在随后的100多年并没有什么实际应用，当时仅将其作为一种固氮剂用作化肥。

由于氮化铝是共价化合物，自扩散系数小，熔点高，导致其难以烧结，直到20世纪50年代，人们才首次成功制得氮化铝陶瓷，并作为耐火材料应用于纯铁、铝以及铝合金的熔炼。自20世纪70年代以来，随着研究的不断深入，氮化铝的制备工艺日趋成熟，其应用范围也不断扩大。尤其是进入21世纪以来，随着微电子技术的飞速发展，电子整机和电子元器件正朝微型化、轻型化、集成化，以及高可靠性和大功率输出等方向发展，越来越复杂的器件对基片和封装材料的散热提出了更高要求，进一步促进了氮化铝产业的蓬勃发展。

氮化铝的特征

1、结构特征

氮化铝(AlN)是一种六方纤锌矿结构的共价键化合物，晶格参数为a=3.114，c=4.986。纯氮化铝呈蓝白色，通常为灰色或灰白色，是典型的III-Ⅴ族宽禁带半导体材料。

2、性能特征

氮化铝(AlN)具有高强度、高体积电阻率、高绝缘耐压、热膨胀系数、与硅匹配好等特性，不但用作结构陶瓷的烧结助剂或增强相，尤其是在近年来大火的陶瓷电子基板和封装材料领域，其性能远超氧化铝。

氮化铝的应用

1、压电装置应用

氮化铝具备高电阻率，高热导率(为Al₂O₃的8-10倍)，与硅相近的低膨胀系数，是高温和高功率的电子器件的理想材料。

2、电子封装基片材料

常用的陶瓷基片材料有氧化铍、氧化铝、氮化铝等，其中氧化铝陶瓷基板的热导率低，热膨胀系数和硅不太匹配；氧化铍虽然有优良的性能，但其粉末有剧毒。

在现有可作为基板材料使用的陶瓷材料中，氮化硅陶瓷抗弯强度最高，耐磨性好，是综合机械性能的陶瓷材料，同时其热膨胀系数最小。而氮化铝陶瓷具有高热导率、好的抗热冲击性、高温下依然拥有良好的力学性能。可以说，从性能的角度讲，氮化铝与氮化硅是目前最适合用作电子封装基片的材料，但他们也有个共同的问题就是价格过高。

3、应用于发光材料

氮化铝（AlN）的直接带隙禁带宽度为6.2eV，相对于间接带隙半导体有着更高的光电转换效率。AlN作为重要的蓝光和紫外发光材料，应用于紫外/深紫外发光二极管、紫外激光二极管以及紫外探测器等。此外，AlN可以和III族氮化物如GaN和InN形成连续的固溶体，其三元或四元合金可以实现其带隙从可见波段到深紫外波段的连续可调，使其成为重要的高性能发光材料。

4、应用于衬底材料

AlN晶体是GaN、AlGaN以及AlN外延材料的理想衬底。与蓝宝石或SiC衬底相比，AlN与GaN热匹配和化学兼容性更高、衬底与外延层之间的应力更小。因此，AlN晶体作为GaN外延衬底时可大幅度降低器件中的缺陷密度，提高器件的性能，在制备高温、高频、高功率电子器件方面有很好的应用前景。

另外，用AlN晶体做高铝（Al）组份的AlGaN外延材料衬底还可以有效降低氮化物外延层中的缺陷密度，极大地提高氮化物半导体器件的性能和使用寿命。基于AlGaN的高质量日盲探测器已经获得成功应用。

5、应用于陶瓷及耐火材料

氮化铝可应用于结构陶瓷的烧结，制备出来的氮化铝陶瓷，不仅机械性能好，抗折强度高于Al₂O₃和BeO陶瓷，硬度高，还耐高温耐腐蚀。利用AlN陶瓷耐热耐侵蚀性，可用于制作坩埚、Al蒸发皿等高温耐蚀部件。此外，纯净的AlN陶瓷为无色透明晶体，具有优异的光学性能，可以用作透明陶瓷制造电子光学器件装备的高温红外窗口和整流罩的耐热涂层。

6、复合材料

环氧树脂/AlN复合材料作为封装材料，需要良好的导热散热能力，且这种要求愈发严苛。环氧树脂作为一种有着很好的化学性能和力学稳定性的高分子材料，它固化方便，收缩率低，但导热能力不高。通过将导热能力优异的AlN纳米颗粒添加到环氧树脂中，可有效提高材料的热导率和强度。