氮化鋁：半導(dǎo)體界“封神”

氮化鋁的結(jié)構(gòu)與性能

氮化鋁（AlN）是一種共價鍵為主的晶體，屬于六角晶系類金剛石氮化物，具有特寬禁帶（6.2eV）和非常大的激子束縛能，屬于直接帶隙半導(dǎo)體。由于其晶體結(jié)構(gòu)與BeO和SiC等材料相似，且具有高度方向性的共價鍵特性，因此AlN展現(xiàn)出優(yōu)異的熱導(dǎo)率等物化性能。

圖1 AlN晶體結(jié)構(gòu)

同時，AlN具備出色的熱導(dǎo)率與介電性能，兼具高硬度、高機械強度、耐腐蝕性及高熔點等特點，使其成為多領(lǐng)域應(yīng)用的理想選擇。在需要高效散熱的功率器件或者對機械性能及穩(wěn)定性要求嚴苛的工作條件下，AlN均可提供可靠保障。

熱學(xué)性能方面，由于AlN的強共價鍵增強了原子間的結(jié)合力，減少了聲子散射概率，使聲子平均自由程顯著延長，從而提升熱傳輸效率，使其理論熱導(dǎo)率高達320 W?m-1?K-1；遠高于氧化鋁等傳統(tǒng)陶瓷材料，能有效傳導(dǎo)和散發(fā)熱量，同時，其熱膨脹系數(shù)與硅相近，可作為電子器件的封裝材料，減少因熱膨脹不匹配導(dǎo)致的應(yīng)力問題。

電學(xué)性能方面，AlN陶瓷展現(xiàn)了出色的介電特性。其電阻率通常位于1014Ω·cm到1016Ω·cm之間；在介電強度方面，AlN陶瓷可承受> 15 kV/mm的擊穿場強，因而在高壓電力電子封裝領(lǐng)域具有獨特優(yōu)勢。此外，其介質(zhì)損耗因數(shù)低于0.0005，這一特性使其在高頻應(yīng)用中表現(xiàn)出色，有助于減少信號延遲和能量損耗[1，2]。

力學(xué)性能方面，AlN展現(xiàn)出優(yōu)異的綜合機械特性。其維氏硬度在室溫條件下典型值為11–15GPa；其彈性模量接近碳化硅（SiC）的力學(xué)剛性水平；莫氏硬度為7–8；抗彎強度為300-400Mpa以及良好的斷裂韌性，這兩項關(guān)鍵力學(xué)性能指標均優(yōu)于傳統(tǒng)Al2O3陶瓷。

化學(xué)性能方面，AlN對酸、堿等腐蝕介質(zhì)表現(xiàn)出良好的耐受性，可在多種化學(xué)環(huán)境中保持優(yōu)秀的耐腐蝕能力。同時，AlN在高溫條件下（>800℃）仍表現(xiàn)出獨特的化學(xué)特性：一方面其表面可形成致密的氧化層，賦予材料優(yōu)異的耐高溫氧化性能；另一方面，由于與多數(shù)金屬間較低的界面能特性，AlN在熔融狀態(tài)下對許多金屬（如銅、鋁等）表現(xiàn)出顯著的不潤濕性，這為其在高溫封裝和復(fù)合材料領(lǐng)域提供了應(yīng)用優(yōu)勢[1]。

圖2不同陶瓷性能對比圖[3]

氮化鋁粉體的制備技術(shù)

• 金屬鋁粉直接氮化法

直接氮化法通常在持續(xù)流動的氮氣和氨氣氣氛下，在高于900℃的溫度下促使Al與氣氛的反應(yīng)，從而生產(chǎn)AlN粉體，其化學(xué)反應(yīng)方程式如下所示：

2Al+N2→2AlN

該方法在工業(yè)應(yīng)用中確實存在便利性，但直接氮化法也存在著缺點：在氮化過程中由于Al粉的熔點較低（約600℃），在高溫氮化（900℃–1300℃）的過程中，因為氮化反應(yīng)為放熱反應(yīng)，所以容易導(dǎo)致Al粉熔化團聚，阻礙其與氮氣或氨氣的接觸，導(dǎo)致反應(yīng)初期Al粉表面會生成氮化物薄膜，進一步阻止氣氛滲透，致使反應(yīng)轉(zhuǎn)化率降低。針對這個問題，Zhang等人[4]使用高活性的氨氣來替代傳統(tǒng)的氮氣作為反應(yīng)氣氛，其研究揭示了氨氣的作用與機制：在低溫階段，由于氨氣的高反應(yīng)活性，在相對低溫條件下即可促使鋁液解離并形成表面AlN層；隨后，隨著溫度的升高，由于AlN層與鋁液的熱膨脹系數(shù)存在差異，導(dǎo)致AlN膜破裂，從而提高Al的轉(zhuǎn)化率。

• 碳熱還原法

碳熱還原法（CRN）是當前制備AlN粉體的重要工藝之一。該方法以Al2O3粉體和高純炭黑（C）作為前驅(qū)體，充分混合后置于流動的N2氣氛中，并在1400 ℃–1800 ℃的高溫條件下進行反應(yīng)。CRN法優(yōu)勢在于原料來源廣，工藝流程簡潔，所合成的AlN粉體顆粒粒徑分布均勻，團聚程度低，粉體純度高。不足之處在于能耗較大，原料價格高，在反應(yīng)后階段需要二次除碳，如果除碳工藝不合適，容易造成粉體氧、碳含量不易控制，影響材料熱導(dǎo)率。為改善反應(yīng)條件，國內(nèi)外研究人員圍繞著碳熱還原氮化法制備氮化鋁粉體進行了大量的研究。

在鋁源和碳源的研究中，秦明禮等[5]對比了氧化鋁、碳黑為鋁源和碳源的反應(yīng)與硝酸鋁、葡萄糖為鋁源和碳源的反應(yīng)，發(fā)現(xiàn)以氧化鋁為鋁源，以碳黑為碳源的反應(yīng)體系，反應(yīng)溫度高，反應(yīng)速度慢，反應(yīng)產(chǎn)物粒度大。

在添加劑研究中，Komeya等人[6]研究發(fā)現(xiàn)，通過系統(tǒng)研究各類添加劑（Y2O3、CaF2、CoCO3、SiO2等）對CRN法合成AlN粉體過程中氮化反應(yīng)的影響，將添加劑劃分為三類（促進、無作用、妨礙作用），研究結(jié)果表明，Y2O3和CaF2表現(xiàn)出最優(yōu)的促進作用，能夠?qū)⒎磻?yīng)的活化能降低，提高氮化速率。

• 自蔓延高溫法

自蔓延高溫合成法（SHS）又稱燃燒合成法，是另一種基于Al粉直接進行氮化反應(yīng)制備AlN粉體的方法。該法是在高壓N2氣氛中進行實驗，當外部熱源引燃高純Al粉后，Al和N之間劇烈的放熱反應(yīng)可迅速升溫，并自主的維持高溫狀態(tài)，使得在反應(yīng)過程中無需外部能量介入。這種方法優(yōu)勢在于反應(yīng)速率大幅增加，反應(yīng)溫度較低，能耗和成本低。但其固有缺陷仍然制約其工業(yè)化應(yīng)用，主要表現(xiàn)為：反應(yīng)速度快、過程難以控制，由于鋁粉氮化是一個強放熱反應(yīng)，鋁粉會被迅速熔化并結(jié)成鋁塊，導(dǎo)致氮化不完全，產(chǎn)物粉體中出現(xiàn)氮含量低、成分不均勻、團聚嚴重等現(xiàn)象。

為解決這些問題，研究者們圍繞AlN粉體自蔓延高溫法的制備技術(shù)與工藝開展研發(fā)工作，尋求該法可生產(chǎn)用于制造電子陶瓷基板、高質(zhì)量的氮化鋁粉體要求。喬梁等[7]掌握了燃燒合成過程控制燃燒行為的關(guān)鍵，采用獨特的梯度分布控制對粉體制備過程進行有效控制，獲得適合于流延法生產(chǎn)氮化鋁陶瓷基板的高質(zhì)量氮化鋁粉體，所制備的陶瓷基板熱導(dǎo)率高達138W/mK。

• 化學(xué)氣相沉積法

化學(xué)氣相沉積法（CVD）是一種能夠制備出顆粒均勻、純度高、比表面積大的AlN粉體的有效方法。主要是在反應(yīng)室內(nèi)引入揮發(fā)性鋁源化合物（鹵化鋁或烷基鋁）與氨氣（NH3）發(fā)生反應(yīng)，其中NH3在反應(yīng)過程中分解提供活性氮原子，從而在氣相中沉積制備得到AlN粉體。該法優(yōu)勢在于產(chǎn)物純度高，顆粒尺寸小，缺點是生產(chǎn)成本高，設(shè)備要求高，產(chǎn)量小。然而，由于烷基鋁價格昂貴和儲存和運輸?shù)奶厥庖螅ㄐ枰栊詺怏w的保護），導(dǎo)致該工藝仍主要應(yīng)用于實驗室研究階段，尚未實現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)化應(yīng)用。

氮化鋁在半導(dǎo)體領(lǐng)域中的應(yīng)用

• 電子封裝基板

隨著功率器件特別是第三代半導(dǎo)體的崛起與應(yīng)用，半導(dǎo)體器件逐漸向大功率、小型化、集成化、多功能等方向發(fā)展，對封裝基板性能也提出了更高要求。常用電子封裝陶瓷基片材料包括氧化鋁（Al2O3）、氮化鋁（AlN）、氮化硅（Si3N4）、氧化鈹（BeO）、碳化硅（SiC）等。

相比于其他陶瓷材料，AlN的導(dǎo)熱率較高，室溫時理論導(dǎo)熱率最高可達320W/(m·K)，是氧化鋁陶瓷的8～10倍，實際生產(chǎn)的熱導(dǎo)率也可高達200W/(m·K)。同時AlN陶瓷的硬度較高，熱膨脹系數(shù)與硅接近，體電阻率較高，介電常熟低、介電損耗小，此外該材料無毒，耐高溫耐腐蝕，其綜合性能優(yōu)于氧化鋁和氧化鈹,是新一代半導(dǎo)體基片和電子器件封裝的理想材料[8]。

在第三代半導(dǎo)體、5G通信、新能源汽車等新興產(chǎn)業(yè)的推動下，全球氮化鋁陶瓷基板市場需求正迎來爆發(fā)式增長。據(jù)行業(yè)研究機構(gòu)TrendForce預(yù)測，全球市場規(guī)模將從2025年的52億美元增長至2030年的138億美元，年復(fù)合增長率達21.7%，其中高端產(chǎn)品的增速將超過25%。從從需求結(jié)構(gòu)來看，功率半導(dǎo)體是最大應(yīng)用領(lǐng)域，2024年占比達45%，隨著SiC、GaN器件在新能源汽車、光伏逆變器中的滲透率提升，預(yù)計2030年這一占比將升至60%以上。

• 半導(dǎo)體設(shè)備零部件[9，10]

氮化鋁陶瓷因其獨特的物化性能，在半導(dǎo)體行業(yè)中扮演著越來越重要的角色。在半導(dǎo)體制造領(lǐng)域，靜電卡盤作為關(guān)鍵組件之一，其設(shè)計與材料選擇對整個生產(chǎn)流程的穩(wěn)定性和效率起關(guān)鍵作用。鑒于靜電卡盤需要在等離子體環(huán)境及高溫腐蝕氣體中穩(wěn)定運行，其材料必須具備耐熱沖擊、抗等離子沖擊及抗化學(xué)腐蝕的特性。

主流的靜電卡盤材料是氧化鋁和氮化鋁。其中氮化鋁陶瓷因具備高熱導(dǎo)率、優(yōu)異的化學(xué)穩(wěn)定性、較低的介電損耗和介電常數(shù)，以及與硅相近的熱膨脹系數(shù)等一系列優(yōu)良屬性，被視為制造靜電卡盤的優(yōu)選材料。這些特性不僅保障了靜電卡盤在極端工作環(huán)境下的結(jié)構(gòu)完整性和功能穩(wěn)定性，而且有利于提升半導(dǎo)體生產(chǎn)過程的整體性能和可靠性。為了使AlN陶瓷能夠更好的應(yīng)用于J-R型靜電卡盤，需要在較低燒結(jié)溫度下就能得到結(jié)構(gòu)致密且室溫電阻率為108~1012 Ω·cm的AlN陶瓷[10]。

此外，在半導(dǎo)體設(shè)備零部件中，氮化鋁陶瓷具備高導(dǎo)熱性，且能在短時間內(nèi)實現(xiàn)快速升溫和降溫，還具有良好的電絕緣性和機械強度，選用氮化鋁作為加熱器材料確保了其穩(wěn)定性和可靠性。在HDP-CVD設(shè)備中，常用來制備陶瓷噴嘴的材料有氧化鋁和氮化鋁，由于氮化鋁陶瓷的熱導(dǎo)率和抗熱震性比氧化鋁更好，噴嘴不會因為等離子體腐蝕產(chǎn)生雜質(zhì)污染，也不會因為熱形變造成裝配部件的磨損帶來雜質(zhì)污染，從而確保噴嘴不會對反應(yīng)氣體和反應(yīng)腔體造成任何的雜質(zhì)污染風險，可以更好地滿足先進制程HDP-CVD設(shè)備中的應(yīng)用要求。

• 半導(dǎo)體襯底材料[11，12]

近年來，氮化鋁（AlN）因其卓越的性能而成為極具潛力的新一代超寬帶隙半導(dǎo)體、關(guān)鍵性戰(zhàn)略新材料。氮化鋁（AlN）在室溫下禁帶寬度為6.2eV，其具有優(yōu)異的電學(xué)性質(zhì)、熱學(xué)性質(zhì)和聲光學(xué)性質(zhì)等彌補了硅和砷化鎵在內(nèi)的第一代和第二代半導(dǎo)體材料在物理性能方面的不足。

圖3 常見半導(dǎo)體材料的物理性能對比

從圖3中可以看出，AlN材料擁有其它材料無法比擬的優(yōu)異物理性能，是異質(zhì)外延生長GaN、AlGaN以及AlN材料的理想襯底材料。與其它常見襯底材料（如藍寶石或碳化硅）相比，AlN與GaN晶格失配以及熱失配更低、襯底與外延層間的應(yīng)力更小，因此AlN晶體作為GaN外延襯底時可極大地降低器件中的缺陷密度，提高器件的各項性能，在制備高溫、高頻、高功率電子器件方面都有著極其好的應(yīng)用前景。

2023年國內(nèi)的奧趨光電公司在從Φ51 mm氮化鋁球切片的氮化鋁種子上進行外延，并通過橫向膨脹技術(shù)迭代擴大直徑，直到獲得Φ76 mm球狀晶體。同年9月，旭化成(Asahi Kasei)旗下公司Crystal IS在其官網(wǎng)宣布成功生產(chǎn)出直徑為4英寸（100毫米）的單晶氮化鋁基板。這是目前報道的最大尺寸的氮化鋁襯底，展示了PVT工藝用于生長AlN塊狀單晶的可擴展性。

• 氮化鋁薄膜材料

AlN薄膜是一種直接帶隙半導(dǎo)體材料，在機械、電學(xué)、光學(xué)等方面性能優(yōu)異。近年來，以GaN為基礎(chǔ)的藍/綠光器件發(fā)展迅速，但GaN生長面臨缺乏合適襯底的瓶頸。由于AlN與GaN具有良好的晶格匹配和熱匹配，生長高質(zhì)量AlN薄膜具有重要意義，可作為緩沖層提升GaN晶體質(zhì)量，進而改善探測器等器件性能。

此外，AlN的介電常數(shù)約為8–9，是理想的絕緣材料，適用于高溫器件，并可替代SiO?作為SOI的絕緣層。AlN還在探測器、真空紫外光源、太陽能電池增透膜及大功率高溫電子器件封裝等領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用。因此，研究AlN薄膜的生長具有重要價值。

圖4 不同襯底上生長的AlN薄膜的AFM圖

來自清華大學(xué)的潘峰課題組對AlN薄膜進行了詳細的研究，他們采用磁控濺射的方法制備AlN薄膜，然后研究其壓電特性。研究發(fā)現(xiàn)，通過摻雜手段，將鉭元素摻入到AlN薄膜中，可以極大地增加AlN薄膜的壓電響應(yīng)[13]。

總結(jié)

氮化鋁憑借其“散熱+絕緣+寬禁帶”的多功能特性，被譽為固態(tài)光源、電力電子、微波射頻器件的“核芯”，是全球半導(dǎo)體技術(shù)研究的前沿和戰(zhàn)略競爭的焦點。隨著AI算力需求爆炸式增長，散熱已成為與晶體管設(shè)計同等重要的核心技術(shù)，盡管當前面臨制備成本和工藝成熟度的挑戰(zhàn)，但其在解決未來半導(dǎo)體“熱管理”和“高頻高壓”瓶頸中的具有巨大的發(fā)展前景。

參考文獻：
[1]李城臣.高導(dǎo)熱氮化鋁粉體制備工藝及性能研究[D].西安石油大學(xué), 2025.
[2]Nasery H, Pugh M, Medraj M. Novel fabrication process of AlN ceramic matrix composites at low temperatures [J]. Science and Engineering of Composite Materials, 2011, 18(3): 117 125.
[3]石功奇, 王健, 丁培道. 高導(dǎo)熱氮化鋁基片材料的研究現(xiàn)狀[J]. 硅酸鹽通報, 1993, (02): 37–42.
[4] Zhang D, Liu F M, Cai L G, et al. Formation of novel core–shell and tadpole-like structures in the direct nitridation of aluminum powder by N2 and NH3 [J]. Journal of alloys and compounds, 2013, 547: 91–99.
[5]秦明禮,杜學(xué)麗,李帥,等. 沉淀前驅(qū)物制備AlN陶瓷粉末[J]. 中國有色金屬學(xué)報,2005,15(12):1974-1979.
[6]Komeya K, Mitsuhashi E, Meguro T. Synthesis of AlN Powder by Carbothermal Reduction-Nitridation Method Effect of Additives on Reaction Rate [J]. Journal of the Ceramic Society of Japan, 1993,101(1172): 377–382.
[7]喬梁, 周和平,林友龍,馮澤松.一種合成高性能氮化鋁粉體的方法,國家發(fā)明專利:ZL200310113249.5.
[8]王超, 彭超群, 王日初, 等. AlN 陶瓷基板材料的典型性能及其制備技術(shù)[J]. 中國 有色金屬學(xué)報, 2007, 11: 000.
[9]羅錢.氮化鋁陶瓷電性能調(diào)控及J-R型靜電卡盤的制備研究[D]. 華中科技大學(xué),2024.
[10]陶近翁,賀婷婷,邱立功.半導(dǎo)體陶瓷零部件種類及應(yīng)用[J].佛山陶瓷,2024,34(05):1-4.
[11]齊志華.AlN單晶襯底的制備及研究進展[J].電子工業(yè)專用設(shè)備,2021,50(03):1-7.
[12]Grandusky J R，Chen J F，Gibb S R，et al. 270 nm Pseudomorphic Ultraviolet Light-Emitting Diodes with Over 60 mW Continuous Wave Output Power[J]. Applied Physics Express，2013，6(3)：3.
[13]H. Liu, F. Zeng, G. Tang, F. Pan. Enhancement of piezoelectric response of diluted Ta doped AlN [J]. Applied Surface Science. 2013, 270:225-30.