氮化鋁(AlN)是一種綜合性能優(yōu)良的新型陶瓷材料,具有優(yōu)良的熱傳導性,可靠的申絕緣性,低的介電常數(shù)和介電損耗.無毒以及與硅相匹配的熱膨脹系教等一系列優(yōu)良特性.被認為是新-代高集程度半導體基片和電子器件封裝的理想材料，受到了國內外研究者的高度重視.理論上,氮化鋁的熱導率為320W/(m)工業(yè)上實際制備的多晶氮化鋁的熱導率也可達100~250 W/(m).該數(shù)值是傳統(tǒng)基片材料氧化鋁熱導離的5倍~10倍,接近于氧化鈹?shù)臒釋?但由于氧化鈹有劇毒,在工業(yè)生產(chǎn)中逐漸被停止使用.與其它幾種陶瓷材料相比較,氮化鋁陶瓷綜合性能優(yōu)良,非常適用于半導體基片和結構封裝材料,在電子工業(yè)中的應用潛力非常巨大.另外,氮化鋁陶瓷可用作熔煉有色金屬和半導體材料砷化鎵的坩堝、蒸發(fā)舟、熱電偶的保護管、高溫絕緣件,同時可作為耐高溫耐腐蝕結構陶瓷、透明氮化鋁陶瓷制品,因而成為一種具有廣泛應用前景的無機材料.
氮化鋁的應用進展
1.1 AlN作為基板材料
高電阻率、同熱導率和低介電常數(shù)是集成電路對封裝用基片的最基本要求.封裝用基片還應與硅片具有良好的熱匹配. 易成型 高表面平整度、易金屬化、易加工、低成本等特點和一定的力學性能.大多數(shù)陶瓷是離子鍵或共價鍵極強的材料,具有優(yōu)異的綜合性能.是電子封裝中常用的基片材料,具有較高的絕緣性能和優(yōu)異的高頻特性,同時線膨脹系數(shù)與電子元器件非常相近,,化學性能非常穩(wěn)定且熱導率高.長期以來,絕大多數(shù)大功率混合集成電路的基板材料-直沿用A1203和BeO陶瓷,但A1203基板的熱導率低，熱膜脹系數(shù)和硅不太匹配∶BeO雖然具有優(yōu)良的綜合性能.但其較高的生產(chǎn)成本和劇毒的缺點限制了它的應用推廣.因此,從性能、成本和環(huán)保等因素考慮二者已不能完全滿足現(xiàn)代電子功率器件發(fā)展的需要.
1.2 AlN作為電子膜材料
電子膜材料是微電子技術和光電子技術的基礎,因而對各種新型電子薄膜材料的研究成為眾多科研工作者的關注熱電.AIN于19世紀60年代被人們發(fā)現(xiàn),可作為電子薄膜材料,并具有廣泛的應用.近年來,以ⅢA族氮化物為代表的寬禁帶半導體材料和電子器件發(fā)展迅猛被稱為繼以硅為代表的第一代半導體和以砷化鎵為代表的第二代半導體之后的第三代半導體.A1N作為典型的ⅢA族氮化物得到了越來越多國內外科研人員的重視.目前各國競相投入大量的人力、物力對AlN薄膜進行研究工作.由于A1N有諸多優(yōu)異性能，帶隙寬、極化強禁帶寬度為6.2eV,使其在機械、微電子、光學,以及電子元器件、聲表面波器件制造、高頻寬帶通信和功率半導體器件等領域有著廣闊的應用前景.AIN的多種優(yōu)異性能決定了其多方面應用，作為壓申薄膜已經(jīng)被廣泛應用;作為電子器件和集成申路的封裝、介質隔離和絕緣材料有著重要的應用前景；作為藍光. 紫外發(fā)光材料也是目前的研究熱點.
1.3 AIN作為基體
氮化鋁具有高的熱導率、低的相對介電常數(shù)、耐高溫.耐腐蝕.無毒.良好的力學性能以及與硅相匹配的熱膨脹系數(shù)等一系列優(yōu)良性能,在許多高技術領域的應用越來越廣泛,這其中很多情況下要求AlN為異形件和微型件,但是傳統(tǒng)的模壓和等靜壓工藝無法制備出復雜形狀的陶瓷零部件,加上AlN陶瓷材料所固有的韌性低、脆性大、難于加工的缺點,,使得用傳統(tǒng)機械加工的方法很難制備出復雜形狀的AlN陶瓷零部件.為了充分發(fā)揮AlN的性能優(yōu)勢,拓寬它的應用范圍,解決好AIN陶瓷的復雜形狀成形技術問題是其中非常關鍵的一環(huán).
1.4 AIN作為襯底
AlN晶體是GaN、AlGaN以及AlN外延材料的理想襯底.與藍寶石或SiC襯底相比,AlN與GaN熱匹配和化學兼容性更高、襯底與外延層之間的應力更小.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用前景.另外,用AlN晶體做高鋁組份的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體器件的性能和使用壽命.基于AlGaN的高質量日盲探測器已經(jīng)獲得成功應用.氮化鋁可應用于結構陶瓷的燒結,制備出來的氮化鋁陶瓷,不僅機械性能好,抗折強度高于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)異的光學性能,可以用作透明陶瓷制造電子光學器件裝備的高溫紅外窗口和整流罩的耐熱涂層.
