氮化铝(AlN)是Ⅲ-V族氮化物中禁带宽度最大的
半导体材料,其直接禁带宽度为6.2eV拥有宽禁带、高
熔点、高临界击穿场强、高热稳定性和耐
化学腐蚀等优异性质。常用的 AIN 制备方法有物理气相传输(physical vapor transport,PVT)法、液相法、
金属有机化学气相沉积法、MBE法等。
AIN是一种综合性能优异的先进
陶瓷材料,对AIN的研究工作开始于100多年前。1862年,Briegleb和Geuther首次发现了AIN,他们将Al屑放入瓷船中,在
氮气环境下加热2小时。冷却后,发现产物的重量明显增加,且表面呈白色,内部呈黄褐色。此外,他们还发现了材料内部存在氮。但当时仅将其用作固氮剂化肥。
AlN是
原子晶体,属类
金刚石氮化物,最高可稳定到2200℃。室温强度高,且强度随温度的升高下降较慢。导热性好,热膨胀系数小,是良好的耐热冲击材料。抗熔融金属侵蚀的能力强,是熔铸纯铁、铝或铝合金理想的
坩埚材料。氮化铝还是电绝缘体,介电性能良好,用作
电器元件也很有希望。
砷化镓表面的氮化铝
涂层,能保护它在
退火时免受离子的注入。氮化铝还是由六方
氮化硼转变为立方氮化硼的
催化剂。室温下与水缓慢反应。可由
铝粉在氨或氮气氛中800~1000℃合成,产物为白色到灰蓝色粉末。或由Al2O3-C-N2体系在1600~1750℃反应合成,产物为灰白色粉末。或
氯化铝与氨经气相反应制得。涂层可由AlCl3-NH3体系通过气相沉积法合成。
氮化铝于1877年首次合成。至1980年代,因氮化铝是一种陶瓷
绝缘体(聚
晶体物料为 70-210 W‧m−1‧K−1,而单晶体更可高达 275 W‧m−1‧K−1 ),使氮化铝有较高的
传热能力,至使氮化铝被大量应用于微电子学。与
氧化铍不同的是氮化铝无毒。氮化铝用金属处理,能取代
铝矾土及氧化铍用于大量
电子仪器。氮化铝可通过
氧化铝和碳的还原作用或直接氮化金属铝来制备。氮化铝是一种以
共价键相连的物质,它有六角
晶体结构,与
硫化锌、
纤锌矿同形。此结构的空间组为P63mc。要以热压及焊接式才可制造出工业级的物料。物质在惰性的高温环境中非常稳定。
在空气中,温度高于700℃时,物质表面会发生氧化作用。在室温下,物质表面仍能探测到5-10纳米厚的
氧化物薄膜。直至1370℃,氧化物薄膜仍可保护物质。但当温度高于1370℃时,便会发生大量氧化作用。直至980℃,氮化铝在
氢气及
二氧化碳中仍相当稳定。矿物酸通过侵袭粒状物质的界限使它慢慢溶解,而
强碱则通过侵袭粒状氮化铝使它溶解。物质在水中会慢慢
水解。氮化铝可以抵抗大部分融解的盐的侵袭,包括
氯化物及
冰晶石〔即六
六氟合铝酸钠〕。
(1)热导率高(约270W/m·K),接近BeO和
碳化硅,是Al2O3的5倍以上;
(4)机械性能好,抗折强度高于Al2O3和BeO陶瓷,可以常压
烧结;
有报告指现今大部分研究都在开发一种以半导体(
氮化镓或
合金铝氮化镓)为基础且运行於
紫外线的
发光二极管,而光的波长为250纳米。在2006年5月有报告指一个无效率的
二极管可发出波长为210纳米的光波。以真空紫外线
反射率量出单一的氮化铝
晶体上有6.2eV的
能隙。理论上,能隙允许一些波长为大约200纳米的波通过。但在商业上实行时,需克服不少困难。氮化铝应用於光电工程,包括在光学储存介面及
电子基质作诱电层,在高的导热性下作
晶片载体,以及作军事用途。
由于氮化铝
压电效应的特性,氮化铝晶体的
外延性伸展也用於表面
声学波的
探测器。而探测器则会放置於矽晶圆上。只有非常少的地方能可靠地制造这些细的薄膜。
利用氮化铝陶瓷具有较高的室温和高温强度,膨胀系数小,导热性好的特性,可以用作高温结构件
换热器材料等。