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隨著集成電路成為了國家戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)，除碳化硅以外，很多半導(dǎo)體材料得以被研究開發(fā)，氮化鋁無疑是其中最具有發(fā)展前景的半導(dǎo)體材料之一。近年來，眾多企業(yè)都意識到氮化鋁是一個研究熱點，也將是一個市場熱點，所以部分企業(yè)對此早有部署。今天我們就來了解一下氮化鋁蘊(yùn)藏著怎樣的魅力。
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多年并沒有什么實際應(yīng)用，當(dāng)時僅將其作為一種固氮劑用作化肥。
由于氮化鋁是共價化合物，自擴(kuò)散系數(shù)小熔點高，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，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，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，越來越復(fù)雜的器件對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(2022全國半導(dǎo)體材料制備與器件線上報告會)。
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。
3、性能參數(shù)
表：氮化鋁主要性能參數(shù)
由以上數(shù)據(jù)可以看到，與其它幾種陶瓷材料相比較，氮化鋁陶瓷綜合性能優(yōu)良，非常適用于半導(dǎo)體基片和結(jié)構(gòu)封裝材料，在電子工業(yè)中的應(yīng)用潛力非常巨大。
氮化鋁的導(dǎo)熱機(jī)理
在氮化鋁一系列重要的性質(zhì)中，最為顯著的是高的熱導(dǎo)率。關(guān)于氮化鋁的導(dǎo)熱機(jī)理，國內(nèi)外已做了大量的研究，并已形成了較為完善的理論體系。主要機(jī)理為：通過點陣或晶格振動，即借助晶格波或熱波進(jìn)行熱的傳遞。量子力學(xué)的研究結(jié)果告訴我們，晶格波可以作為一種粒子——聲子的運動來處理。熱波同樣具有波粒二象性。載熱聲子通過結(jié)構(gòu)基元(原子、離子或分子)間進(jìn)行相互制約、相互協(xié)調(diào)的振動來實現(xiàn)熱的傳遞。如果晶體為具有完全理想結(jié)構(gòu)的非彈性體，則熱可以自由的由晶體的熱端不受任何干擾和散射向冷端傳遞，熱導(dǎo)率可以達(dá)到很高的數(shù)值。其熱導(dǎo)率主要由晶體缺陷和聲子自身對聲子散射控制。
理論上AlN熱導(dǎo)率可達(dá)320W·m-1·K-1，但由于AlN中的雜質(zhì)和缺陷造成實際產(chǎn)品的熱導(dǎo)率還不到200W·m-1·K-1。這主要是由于晶體內(nèi)的結(jié)構(gòu)基元都不可能有完全嚴(yán)格的均勻分布，總是存在稀疏稠密的不同區(qū)域，所以載流聲子在傳播過程中，總會受到干擾和散射。
氮化鋁粉體的制備工藝
氮化鋁粉體的制備工藝主要有直接氮化法和碳熱還原法，此外還有自蔓延合成法、高能球磨法、原位自反應(yīng)合成法、等離子化學(xué)合成法及化學(xué)氣相沉淀法等。
1、直接氮化法
直接氮化法就是在高溫的氮氣氣氛中，鋁粉直接與氮氣化合生成氮化鋁粉體，其化學(xué)反應(yīng)式為2Al(s)+N2(g)→2AlN(s)，反應(yīng)溫度在800℃-1200℃。
其優(yōu)點是工藝簡單，成本較低，適合工業(yè)大規(guī)模生產(chǎn)。其缺點是鋁粉表面有氮化物產(chǎn)生，導(dǎo)致氮氣不能滲透，轉(zhuǎn)化率低；反應(yīng)速度快，反應(yīng)過程難以控制；反應(yīng)釋放出的熱量會導(dǎo)致粉體產(chǎn)生自燒結(jié)而形成團(tuán)聚，從而使得粉體顆粒粗化，后期需要球磨粉碎，會摻入雜質(zhì)。
2、碳熱還原法
碳熱還原法就是將混合均勻的Al2O3和C在N2氣氛中加熱，首先Al2O3被還原，所得產(chǎn)物Al再與N2反應(yīng)生成AlN，其化學(xué)反應(yīng)式為：
Al2O3(s)+3C(s)+N2(g)→2AlN(s)+3CO(g)
其優(yōu)點是原料豐富，工藝簡單；粉體純度高，粒徑小且分布均勻。其缺點是合成時間長，氮化溫度較高，反應(yīng)后還需對過量的碳進(jìn)行除碳處理，導(dǎo)致生產(chǎn)成本較高。
3、高能球磨法
高能球磨法是指在氮氣或氨氣氣氛下，利用球磨機(jī)的轉(zhuǎn)動或振動，使硬質(zhì)球?qū)ρ趸X或鋁粉等原料進(jìn)行強(qiáng)烈的撞擊、研磨和攪拌，從而直接氮化生成氮化鋁粉體的方法。
其優(yōu)點是：高能球磨法具有設(shè)備簡單、工藝流程短、生產(chǎn)效率高等優(yōu)點。其缺點是：氮化難以完全，且在球磨過程中容易引入雜質(zhì)，導(dǎo)致粉體的質(zhì)量較低。
4、高溫自蔓延合成法
高溫自蔓延合成法是直接氮化法的衍生方法，它是將Al粉在高壓氮氣中點燃后，利用Al和N2反應(yīng)產(chǎn)生的熱量使反應(yīng)自動維持，直到反應(yīng)完全，其化學(xué)反應(yīng)式為：
2Al(s)+N2(g)→2AlN(s)
其優(yōu)點是高溫自蔓延合成法的本質(zhì)與鋁粉直接氮化法相同，但該法不需要在高溫下對Al粉進(jìn)行氮化，只需在開始時將其點燃，故能耗低、生產(chǎn)效率高、成本低。其缺點是要獲得氮化完全的粉體，必需在較高的氮氣壓力下進(jìn)行，直接影響了該法的工業(yè)化生產(chǎn)。
5、原位自反應(yīng)合成法
原位自反應(yīng)合成法的原理與直接氮化法的原理基本類同，以鋁及其它金屬形成的合金為原料，合金中其它金屬先在高溫下熔出，與氮氣發(fā)生反應(yīng)生成金屬氮化物，繼而金屬Al取代氮化物的金屬，生產(chǎn)AlN。
其優(yōu)點是工藝簡單、原料豐富、反應(yīng)溫度低，合成粉體的氧雜質(zhì)含量低。其缺點是金屬雜質(zhì)難以分離，導(dǎo)致其絕緣性能較低。
6、等離子化學(xué)合成法
等離子化學(xué)合成法是使用直流電弧等離子發(fā)生器或高頻等離子發(fā)生器，將Al粉輸送到等離子火焰區(qū)內(nèi)，在火焰高溫區(qū)內(nèi)，粉末立即融化揮發(fā)，與氮離子迅速化合而成為AlN粉體。
其優(yōu)點是團(tuán)聚少、粒徑小。其缺點是該方法為非定態(tài)反應(yīng)，只能小批量處理，難于實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)，且其氧含量高、所需設(shè)備復(fù)雜和反應(yīng)不完全。
7、化學(xué)氣相沉淀法
它是在遠(yuǎn)高于理論反應(yīng)溫度，使反應(yīng)產(chǎn)物蒸氣形成很高的過飽和蒸氣壓，導(dǎo)致其自動凝聚成晶核，而后聚集成顆粒。
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。
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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)械性能最好的陶瓷材料，同時其熱膨脹系數(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，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，但他們也有個共同的問題就是價格過高。
3、應(yīng)用于發(fā)光材料
氮化鋁（AlN）的直接帶隙禁帶最大寬度為6.2eV，相對于間接帶隙半導(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現(xiàn)其帶隙從可見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?；贏lGaN的高質(zhì)量日盲探測器已經(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。
環(huán)氧樹脂/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。通過將導(dǎo)熱能力優(yōu)異的AlN納米顆粒添加到環(huán)氧樹脂中，可有效提高材料(2022全國半導(dǎo)體材料制備與器件線上報告會)的熱導(dǎo)率和強(qiáng)度。
目前，氮化鋁也存在一些問題。其一是粉體在潮濕的環(huán)境極易與水中羥基形成氫氧化鋁，在AlN粉體表面形成氧化鋁層，氧化鋁晶格溶入大量的氧，降低其熱導(dǎo)率，而且也改變其物化性能，給AlN粉體的應(yīng)用帶來困難。抑制AlN粉末的水解處理主要是借助化學(xué)鍵或物理吸附作用在AlN顆粒表面涂覆一種物質(zhì)，使之與水隔離，從而避免其水解反應(yīng)的發(fā)生。目前抑制水解處理的方法主要有：表面化學(xué)改性和表面物理包覆。
其二是氮化鋁的價格高居不下，每公斤上千元的價格也在一定程度上限制了它的應(yīng)用。制備氮化鋁粉末一般都需要較高的溫度，從而導(dǎo)致生產(chǎn)制備過程中的能耗較高，同時存在安全風(fēng)險，這也是一些高溫制備方法無法實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)的主要弊端。再者是生產(chǎn)制備過程中的雜質(zhì)摻入或者有害產(chǎn)物的生成問題，例如碳化還原反應(yīng)過量碳粉的去除問題，以及化學(xué)氣相沉積法的氯化氫副產(chǎn)物的去除問題，這都要求制備氮化鋁的過程中需對反應(yīng)產(chǎn)物進(jìn)行提純，這也導(dǎo)致了生產(chǎn)制備氮化鋁的成本居高不下。
參考來源：
[1]楊清華等.氮化鋁粉體制備的研究及展望.
[2]蔣周青等.氮化鋁粉體制備技術(shù)的研究進(jìn)展.
[3]王柳燕等.氮化鋁粉體制備技術(shù)的研究現(xiàn)狀與展望
[4]胡友靜.氮化鋁陶瓷的研究和應(yīng)用進(jìn)展
[5]鄒清.氮化鋁的研究進(jìn)展
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