边继明-氮化铝性质及其应用

氮化铝性质及其应用的最新进展

边继明

( 大连理工大学物理与光电工程学院, 辽宁大连 116024)摘要：从氮化铝的结构出发，分析了氮化铝的结构及性质，详细介绍了氮化铝在各个方面的应用，阐述了氮化铝薄膜及氮化铝陶瓷的制备过程及其在光电方面的应用。

关键词：氮化铝（ALN）结构；ALN薄膜；ALN陶瓷；ALN制备；光电器件

0 引言

现代电子信息技术飞速发展,极大地推动着电子产品向多功能高性能、可靠性、小型化、便携化以及大众化普及所要求的低成本等方向发展。这些电子产品要经过合适的封装,才能达到所要求的电、热、光、机械等性能,满足使用要求[1] 薄膜作为特殊形态的材料，它的发展涉及几乎所有的前沿科学，又涉及到许多跨学科的理论基础。薄膜技术又是综合性的应用科学，已成为当代真空技术和材料科学中最活跃的研究领域，并渗透到微电子、信息、计算机、磁记录、能源、传感器、机械、航天航空、核工业、光学、太阳能利用等当代科技的各个方面。近几十年由于真空技术、薄膜材料与技术同表面物理相结合，促进了薄膜科学与技术的迅速发展。近年来世界薄膜产业飞速崛起推动了薄膜产品的开发与应用，可以说它正日益加深地影响着我们的生活。因而薄膜材料的研究既具有很强的理论意义又有广泛的应用价值。

精密陶瓷由于具有高机械強度、高温稳定性、耐磨耗及化学侵蚀，有些甚至具有良好的热传导性、电气绝缘性、压电性质、光学性质或生物亲和性等他种材料无法达到的性质，故为近年来最具发展性的材料之一，同時为许多专家学者称未来世纪最重要的材料。

正是由于ALN材料具有一系列特殊性质使其在薄膜，陶瓷等方面具有很大的应用前景。

1 ALN 结构

氮化铝(AlN)是Ⅲ-Ⅴ族共价化合物[1]。是Ⅲ-Ⅴ族中能隙值约 6.2eV）最大的半导体[2]。是一个以铝原子为中心，外部围绕四个氮原子，叠合而成的变形四面体[3]。如图

1-1所示，其晶体结构属空间群 P63mc,对称点群属六方晶系纤锌矿结构。

AlN 原子间以共价键相结合，因此化学稳定性佳、熔点高（可达 2700℃）、 AlN 的机械强度高、电绝缘性能佳，是一种压电和介电材料，纯净的 AlN 是无色透明的晶体， AlN 块体材料的硬度很高，接近石英的硬度[6]。纯 AlN 的热稳定性特别好，在温度不高于 700℃的空气中仍然非常稳定[7,8,9,10]。由于它具有很多优良的物理和化学特性因此不论在它的块体材料应用方面还是薄膜材料应用方面，人们都进行了大量的研究。

表 1-1.为氮化铝(AlN)材料的基本特性

2 ALN 薄膜

氮化铝薄膜具有很多优异的物理化学性质,如高的击穿场强、高热导率、高电阻率、高化学和热稳定性以及良好的光学及力学性能,高质量的氮化铝薄膜还具有极高的超声传输速度、较小的声波损耗、相当大的压电耦合常数,与Si、GaS 相近的热膨胀系数等特点。ALN独特的性质使它在机械、微电子、光学,以及电子元器件、声表面波器件(SAW)制造和高频宽带通信等领域有着广阔的应用前景。

ALN 薄膜因其具有高硬度、高热传导率和抗高温、抗化学腐蚀性的特性，不仅应用在半导体上作为绝缘层，加上与 Si 有相近的热膨胀系数，被认为是 IC 封装的最佳材料。还在射频和微波器件、散热器、以及多种用途的耐火材料、砂轮、刀具等方面有广泛的应用[6.11]。并且 AlN 薄膜作为一种宽带隙材料，已经证明其具有表面负电子亲和势（NEA ），使电子易于逸出表面，因而在显示器镀层阴极方面具有明显的优势，是很好的电子场发射材料。而场发射性能的好坏是衡量显示器阴极材料品质的主要标准。

2.1 ALN 薄膜的制备

目前,大多数成膜方法都已应用于ＡｌＮ薄膜的制备。其中比较成熟的主要有化学气相沉积法(ＣＶＤ)[12,13]、反应分子束外延法(ＭＢＥ)[14,15]、等离 子体辅助化学气相沉积法(ＰＡＣＶＤ)[16,17]、激光化学气相沉积法(ＬＣＶＤ)[18]、金属有机化合物化学气相沉积法(ＭＯＣＶＤ)[19,20]、脉冲激光沉积法(ＰＬＤ)[21]、磁控反应溅射法(ＭＲＳ)[22]和离子注入法(Ⅱ)[23]等。

2.2.1 化学气相沉积法(ＣＶＤ)

要使ＣＶＤ顺利进行,反应的生成物除了所需要的沉积物为固态外,其余都必须是气态;且在沉积温度下,反应物必须有足够高的蒸气压,基体本身的蒸气压应足够低,沉积物本身的蒸气压也应足够低,以保证在整个沉积反应过程中能使其保持在加热的基体上。化学气相沉积法制备的薄膜具有以下特点:1．所得的薄膜一般纯度很高、很致密,而且很容易形成结晶定向好的材料。2．能在较低的温度下制备难熔物质。3．便于制备各种单质或化合物材料以及各种复合材料。主要缺点是,需要在高温下反应,基片温度高,沉积速率较低,一般每小时只有几微米到几百微米,使用的设备较电镀法复杂,基体难于进行局部沉积,以及参加沉积反应的源和反应后的余气都有一定的毒性等,因此它的应用不如溅射镀膜那样广泛[24]。Ｋａｙａ,Ｋｉｙｏｓｈｉ[12,13]等人利用化学气相沉积法采用,3322,,,ALCL NH H N 混合气体在宝石基体上合成Ｃ轴取向性很好的ALN 薄膜,氧杂质的含量也非常让人满意。总的反应式为:

33()3Alcl NH AlN S Hcl

+=+

2.2.2 等离子体辅助化学气相沉积法(ＰＡＣＶＤ)

由于等离子体中正离子、电子、中性分子反应相互碰撞,可以大大降低沉积温度。这一方法拓宽了ＣＶＤ技术的应用范围[25]。有些薄膜的沉积如采用普通的ＣＶＤ方法,需要很高的温度,在这样的条件下往往会损坏基片,且高温下扩散作用显著,基体中的原子进入薄膜中,使制备的薄膜质量不高。而采用等离子体辅助可以在较低的温度沉积,具有沉积速率快、针孔少[24]的特点,避免了薄膜与衬底材料间发生不必要的扩散与化学反应,避免薄膜或衬底材料的结构变化和性能恶化,并避免薄膜与衬底中出现较大的热应力[26],从而得到了完全符合要求的、质量较高的ＡｌＮ薄膜。导体材料生长技术的材料纯度提高了一个数量级。这一方法的缺陷是缺乏实时原位检测生长过程的技术。

2.2.3 反应分子束外延法[24]

反应分子束外延法(ＭＢＥ)是新发展起来的外延制膜法,它是将真空蒸发镀膜加以改进和提高而形成的新的成膜技术。在超高真空环境下,通过薄膜诸组分元素的分子束流,直接喷到温度适宜的衬底表面上,在合适条件下就能沉积出所需的外延层。ＭＢＥ的突出优点在于能生长极薄的单晶膜层,并且能精确地控制膜厚和组分与掺杂。适于制作微波、光电和多层结构器件,从而为制作集成光学和超大规模集成电路提供了有力手段。ＭＢＥ不需要考虑中间的化学反应,又不受质量传输的影响,并且利用开闭挡板(快门)来实现对生长和中断的瞬时控制。因此膜的组分和掺杂浓度可随着源的变化而迅速调整。在所有的单晶薄膜的技术中,ＭＢＥ的衬底温度最低,因此有减少自掺杂的优点。缺点是生长速率低,大约1ｍ/ｈ。

2.2.3 金属有机化合物化学气相沉积法(ＭＯＣＶＤ)

金属有机化学气相沉积(ＭＯＣＶＤ)又叫金属有机气相外延(ＭＯＶＰＥ),它是利用有机金属热分解进行气相外延生长的先进技术,目前主要用于化合物半导体(Ⅲ-Ｖ族,Ⅱ-Ⅵ族化合物)薄膜气相生长上。ＡｌＮ薄膜的制备是利用氢气把金属有机化合物蒸气(如三甲基铝)和气态非金属氢化物(ＮＨ3)送入反应室,然后加热来分解化合物。总的反应式如下

3334()3Al CH NH AlN CH +=+

这一方法的优点是:(1)可以控制合成原子级厚度的薄膜,即新型纳米材料薄