El nitruro de aluminio ( AlN ) es un nitruro sólido de aluminio . Tiene una alta conductividad térmica de hasta 321 W/(m·K) [5] y es un aislante eléctrico. Su fase wurtzita (w-AlN) tiene una banda prohibida de ~6 eV a temperatura ambiente y tiene una aplicación potencial en optoelectrónica que opera en frecuencias ultravioletas profundas .
El AlN fue sintetizado por primera vez en 1862 por F. Briegleb y A. Geuther. [9] [10]
El AlN, en estado puro (sin dopar), tiene una conductividad eléctrica de 10 −11 –10 −13 Ω −1 ⋅cm −1 , que aumenta a 10 −5 –10 −6 Ω −1 ⋅cm −1 cuando está dopado. [11] La ruptura eléctrica ocurre en un campo de 1,2–1,8 × 105 V/mm ( rigidez dieléctrica ). [11]
El material existe principalmente en la estructura cristalina de wurtzita hexagonal, pero también tiene una fase de blenda de zinc cúbica metaestable , que se sintetiza principalmente en forma de películas delgadas. Se predice que la fase cúbica de AlN (zb-AlN) puede exhibir superconductividad a altas presiones. [12] En la estructura cristalina de wurtzita de AlN, Al y N se alternan a lo largo del eje c, y cada enlace está coordinado tetraédricamente con cuatro átomos por celda unitaria.
Una de las propiedades intrínsecas únicas de la wurtzita AlN es su polarización espontánea. El origen de la polarización espontánea es el fuerte carácter iónico de los enlaces químicos en la wurtzita AlN debido a la gran diferencia en electronegatividad entre los átomos de aluminio y nitrógeno. Además, la estructura cristalina de la wurtzita no centrosimétrica da lugar a una polarización neta a lo largo del eje c. En comparación con otros materiales de nitruro III, el AlN tiene una polarización espontánea mayor debido a la mayor no idealidad de su estructura cristalina (P sp : AlN 0,081 C/m 2 > InN 0,032 C/m 2 > GaN 0,029 C/m 2 ). [13] Además, la naturaleza piezoeléctrica del AlN da lugar a cargas de polarización piezoeléctrica internas bajo tensión. Estos efectos de polarización se pueden utilizar para inducir una alta densidad de portadores libres en las interfaces de heteroestructura de semiconductores de nitruro III, eliminando por completo la necesidad de dopaje intencional. Debido a la simetría de inversión rota a lo largo de la dirección polar, la película delgada de AlN se puede formar tanto en caras polares al metal como polares al nitrógeno. Sus propiedades de volumen y superficie dependen en gran medida de esta elección. El efecto de polarización se está investigando actualmente para ambas polaridades.
Las constantes críticas de polarización espontánea y piezoeléctrica para AlN se enumeran en la siguiente tabla: [13] [14]
El AlN tiene una alta conductividad térmica ; un monocristal de AlN cultivado mediante MOCVD de alta calidad tiene una conductividad térmica intrínseca de 321 W/(m·K), lo que es coherente con un cálculo de primer principio. [5] Para una cerámica eléctricamente aislante , es de 70 a 210 W/(m·K) para material policristalino, y de hasta 285 W/(m·K) para monocristales. [11]
AlN es uno de los pocos materiales que tienen una banda prohibida amplia y directa (casi el doble que SiC y GaN ) y una gran conductividad térmica. [15] Esto se debe a su pequeña masa atómica, fuertes enlaces interatómicos y estructura cristalina simple. [16] Esta propiedad hace que AlN sea atractivo para su aplicación en redes de comunicación de alta velocidad y alta potencia. Muchos dispositivos manejan y manipulan grandes cantidades de energía en pequeños volúmenes y a altas velocidades, por lo que debido a la naturaleza eléctricamente aislante y la alta conductividad térmica de AlN, se convierte en un material potencial para la electrónica de potencia de alta potencia. Entre los materiales de nitruro del grupo III, AlN tiene una conductividad térmica más alta en comparación con el nitruro de galio (GaN). Por lo tanto, AlN es más ventajoso que GaN en términos de disipación de calor en muchos dispositivos electrónicos de potencia y radiofrecuencia.
La expansividad térmica es otra propiedad crítica para aplicaciones de alta temperatura. Los coeficientes de expansión térmica calculados de AlN a 300 K son 4,2×10 −6 K −1 a lo largo del eje a y 5,3×10 −6 K −1 a lo largo del eje c. [17]
El nitruro de aluminio es estable a altas temperaturas en atmósferas inertes y se funde a unos 2200 °C (2470 K; 3990 °F). En el vacío, el AlN se descompone a unos 1800 °C (2070 K; 3270 °F). En el aire, la oxidación superficial se produce por encima de los 700 °C (973 K; 1292 °F), e incluso a temperatura ambiente se han detectado capas de óxido superficial de 5-10 nm de espesor. Esta capa de óxido protege el material hasta los 1370 °C (1640 K; 2500 °F). Por encima de esta temperatura se produce la oxidación en masa. El nitruro de aluminio es estable en atmósferas de hidrógeno y dióxido de carbono hasta los 980 °C (1250 K; 1800 °F). [18]
El material se disuelve lentamente en ácidos minerales a través del ataque de los límites de grano y en álcalis fuertes a través del ataque a los granos de nitruro de aluminio. El material se hidroliza lentamente en agua. El nitruro de aluminio es resistente al ataque de la mayoría de las sales fundidas, incluidos los cloruros y la criolita . [19]
El nitruro de aluminio se puede modelar con un grabado iónico reactivo basado en Cl2 . [20] [21]
El AlN se sintetiza mediante la reducción carbotérmica del óxido de aluminio en presencia de nitrógeno gaseoso o amoníaco o mediante nitruración directa del aluminio. [22] Se requiere el uso de coadyuvantes de sinterización , como Y2O3 o CaO, y prensado en caliente para producir un material denso de calidad técnica. [ cita requerida ]
El nitruro de aluminio cristalino de película delgada cultivado epitaxialmente se utiliza para sensores de ondas acústicas de superficie (SAW) depositados sobre obleas de silicio debido a las propiedades piezoeléctricas del AlN . Los avances recientes en la ciencia de los materiales han permitido la deposición de películas de AlN piezoeléctricas sobre sustratos poliméricos, lo que posibilita el desarrollo de dispositivos SAW flexibles. [23] Una aplicación es un filtro de RF , ampliamente utilizado en teléfonos móviles, [24] que se denomina resonador acústico en masa de película delgada (FBAR). Este es un dispositivo MEMS que utiliza nitruro de aluminio intercalado entre dos capas de metal. [25]
El AlN también se utiliza para construir transductores ultrasónicos piezoeléctricos micromaquinados, que emiten y reciben ultrasonidos y que pueden utilizarse para la medición de distancias en el aire de hasta un metro. [26] [27]
Existen métodos de metalización que permiten utilizar el AlN en aplicaciones electrónicas similares a las de la alúmina y el óxido de berilio . Los nanotubos de AlN, como nanotubos inorgánicos cuasiunidimensionales, que son isoelectrónicos con los nanotubos de carbono, se han sugerido como sensores químicos para gases tóxicos. [28] [29]
Actualmente se están realizando muchas investigaciones para desarrollar diodos emisores de luz que funcionen en el ultravioleta utilizando semiconductores basados en nitruro de galio y, utilizando la aleación de aluminio y nitruro de galio , se han logrado longitudes de onda tan cortas como 250 nm. En 2006, se informó de una emisión ineficiente de LED de AlN a 210 nm. [30]
Los transistores de alta movilidad de electrones (HEMT) basados en AlN han atraído un alto nivel de atención debido a las propiedades superiores de AlN, como una mejor gestión térmica, una menor fuga de búfer y una excelente integración para toda la electrónica de nitruro. La capa de búfer de AlN es un componente fundamental para los HEMT basados en AlN, y se ha desarrollado mediante MOCVD o MBE en diferentes sustratos. Sobre la base del búfer de AlN, se han demostrado dispositivos de canal n con gas de electrones 2D (2DEG) y dispositivos de canal p con gas de huecos 2D (2DHG). La combinación de 2DEG y 2DHG de alta densidad en la misma plataforma de semiconductores lo convierte en un candidato potencial para dispositivos CMOS.
Entre las aplicaciones del AlN se encuentran:
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