近幾年，碳化硅作為一種無(wú)機(jī)材料，其熱度可與“半導(dǎo)體”、“芯片”、“集成電路”等相提并論，它除了是制造芯片的戰(zhàn)略性半導(dǎo)體材料外，因其獨(dú)有的特性和優(yōu)勢(shì)受到其它眾多行業(yè)的青睞，可謂是一種明星材料。而隨著集成電路成為了國(guó)家戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)，很多半導(dǎo)體材料得以被研究開(kāi)發(fā)，氮化鋁無(wú)疑是其中最具有發(fā)展前景的半導(dǎo)體材料之一。
氮化鋁的研究歷史
氮化鋁是一種綜合性能優(yōu)良的陶瓷材料，對(duì)其研究可以追溯到一百多年前，它是由F.Birgeler和A.Geuhter在1862年發(fā)現(xiàn)的，并于1877年由J.W.MalletS首次合成了氮化鋁，但在隨后的100多年并沒(méi)有什么實(shí)際應(yīng)用，當(dāng)時(shí)僅將其作為一種固氮?jiǎng)┯米骰省?/p>
由于氮化鋁是共價(jià)化合物，自擴(kuò)散系數(shù)小，熔點(diǎn)高，導(dǎo)致其難以燒結(jié)，直到20世紀(jì)50年代，人們才首次成功制得氮化鋁陶瓷，并作為耐火材料應(yīng)用于純鐵、鋁以及鋁合金的熔煉。自20世紀(jì)70年代以來(lái)，隨著研究的不斷深入，氮化鋁的制備工藝日趨成熟，其應(yīng)用范圍也不斷擴(kuò)大。尤其是進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，隨著微電子技術(shù)的飛速發(fā)展，電子整機(jī)和電子元器件正朝微型化、輕型化、集成化，以及高可靠性和大功率輸出等方向發(fā)展，越來(lái)越復(fù)雜的器件對(duì)基片和封裝材料的散熱提出了更高要求，進(jìn)一步促進(jìn)了氮化鋁產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展。
氮化鋁的特征
1、結(jié)構(gòu)特征
氮化鋁(AlN)是一種六方纖鋅礦結(jié)構(gòu)的共價(jià)鍵化合物，晶格參數(shù)為a=3.114，c=4.986。純氮化鋁呈藍(lán)白色，通常為灰色或灰白色，是典型的III-Ⅴ族寬禁帶半導(dǎo)體材料。
2、性能特征
氮化鋁(AlN)具有高強(qiáng)度、高體積電阻率、高絕緣耐壓、熱膨脹系數(shù)、與硅匹配好等特性，不但用作結(jié)構(gòu)陶瓷的燒結(jié)助劑或增強(qiáng)相，尤其是在近年來(lái)大火的陶瓷電子基板和封裝材料領(lǐng)域，其性能遠(yuǎn)超氧化鋁。
氮化鋁的應(yīng)用
1、壓電裝置應(yīng)用
氮化鋁具備高電阻率，高熱導(dǎo)率(為Al2O3的8-10倍)，與硅相近的低膨脹系數(shù)，是高溫和高功率的電子器件的理想材料。
2、電子封裝基片材料
常用的陶瓷基片材料有氧化鈹、氧化鋁、氮化鋁等，其中氧化鋁陶瓷基板的熱導(dǎo)率低，熱膨脹系數(shù)和硅不太匹配；氧化鈹雖然有優(yōu)良的性能，但其粉末有劇毒。
在現(xiàn)有可作為基板材料使用的陶瓷材料中，氮化硅陶瓷抗彎強(qiáng)度最高，耐磨性好，是綜合機(jī)械性能的陶瓷材料，同時(shí)其熱膨脹系數(shù)最小。而氮化鋁陶瓷具有高熱導(dǎo)率、好的抗熱沖擊性、高溫下依然擁有良好的力學(xué)性能?？梢哉f(shuō)，從性能的角度講，氮化鋁與氮化硅是目前最適合用作電子封裝基片的材料，但他們也有個(gè)共同的問(wèn)題就是價(jià)格過(guò)高。
3、應(yīng)用于發(fā)光材料
氮化鋁（AlN）的直接帶隙禁帶寬度為6.2eV，相對(duì)于間接帶隙半導(dǎo)體有著更高的光電轉(zhuǎn)換效率。AlN作為重要的藍(lán)光和紫外發(fā)光材料，應(yīng)用于紫外/深紫外發(fā)光二極管、紫外激光二極管以及紫外探測(cè)器等。此外，AlN可以和III族氮化物如GaN和InN形成連續(xù)的固溶體，其三元或四元合金可以實(shí)現(xiàn)其帶隙從可見(jiàn)波段到深紫外波段的連續(xù)可調(diào)，使其成為重要的高性能發(fā)光材料。
4、應(yīng)用于襯底材料
AlN晶體是GaN、AlGaN以及AlN外延材料的理想襯底。與藍(lán)寶石或SiC襯底相比，AlN與GaN熱匹配和化學(xué)兼容性更高、襯底與外延層之間的應(yīng)力更小。因此，AlN晶體作為GaN外延襯底時(shí)可大幅度降低器件中的缺陷密度，提高器件的性能，在制備高溫、高頻、高功率電子器件方面有很好的應(yīng)用前景。
另外，用AlN晶體做高鋁（Al）組份的AlGaN外延材料襯底還可以有效降低氮化物外延層中的缺陷密度，極大地提高氮化物半導(dǎo)體器件的性能和使用壽命。基于AlGaN的高質(zhì)量日盲探測(cè)器已經(jīng)獲得成功應(yīng)用。
5、應(yīng)用于陶瓷及耐火材料
氮化鋁可應(yīng)用于結(jié)構(gòu)陶瓷的燒結(jié)，制備出來(lái)的氮化鋁陶瓷，不僅機(jī)械性能好，抗折強(qiáng)度高于Al2O3和BeO陶瓷，硬度高，還耐高溫耐腐蝕。利用AlN陶瓷耐熱耐侵蝕性，可用于制作坩堝、Al蒸發(fā)皿等高溫耐蝕部件。此外，純凈的AlN陶瓷為無(wú)色透明晶體，具有優(yōu)異的光學(xué)性能，可以用作透明陶瓷制造電子光學(xué)器件裝備的高溫紅外窗口和整流罩的耐熱涂層。
6、復(fù)合材料
環(huán)氧樹(shù)脂/AlN復(fù)合材料作為封裝材料，需要良好的導(dǎo)熱散熱能力，且這種要求愈發(fā)嚴(yán)苛。環(huán)氧樹(shù)脂作為一種有著很好的化學(xué)性能和力學(xué)穩(wěn)定性的高分子材料，它固化方便，收縮率低，但導(dǎo)熱能力不高。通過(guò)將導(dǎo)熱能力優(yōu)異的AlN納米顆粒添加到環(huán)氧樹(shù)脂中，可有效提高材料的熱導(dǎo)率和強(qiáng)度。