El nitruro de aluminio ( Al N ) 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 ultravioleta profundas .
AlN fue sintetizado por primera vez en 1862 por F. Briegleb y A. Geuther. [9] [10]
AlN, en estado puro (no dopado) 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 falla eléctrica ocurre en un campo de 1,2–1,8 × 105 V/mm ( rigidez dieléctrica ). [11]
El material existe principalmente en la estructura cristalina hexagonal de wurtzita , pero también tiene una fase de zincblenda 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 de electronegatividad entre los átomos de aluminio y nitrógeno. Además, la estructura cristalina de 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 interna bajo tensión. Estos efectos de polarización se pueden utilizar para inducir una alta densidad de portadores libres en las interfaces de heteroestructura del semiconductor III-nitruro, prescindiendo completamente de 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 cultivar en caras polares de metal o de nitrógeno. Sus propiedades volumétricas y superficiales dependen en gran medida de esta elección. Actualmente se está investigando el efecto de polarización 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 , el monocristal de AlN cultivado con MOCVD de alta calidad tiene una conductividad térmica intrínseca de 321 W/(m·K), consistente con un cálculo del primer principio. [5] Para una cerámica eléctricamente aislante , es de 70 a 210 W/(m·K) para material policristalino, y tan alto como 285 W/(m·K) para monocristales). [11]
AlN es uno de los pocos materiales que tiene una banda prohibida amplia y directa (casi el doble que la del SiC y el 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 aplicaciones 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 del AlN, se convierte en un material potencial para la electrónica de potencia de alta potencia. Entre los materiales de nitruro del grupo III, el AlN tiene una mayor conductividad térmica en comparación con el nitruro de galio (GaN). Por lo tanto, el AlN es más ventajoso que el 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 ~1800 °C (2070 K; 3270 °F). En el aire, la oxidación de la superficie se produce por encima de 700 °C (973 K; 1292 °F), e incluso a temperatura ambiente, se han detectado capas de óxido superficial de 5 a 10 nm de espesor. Esta capa de óxido protege el material hasta 1370 °C (1640 K; 2500 °F). Por encima de esta temperatura se produce una oxidación masiva. El nitruro de aluminio es estable en atmósferas de hidrógeno y dióxido de carbono hasta 980 °C (1250 K; 1800 °F). [18]
El material se disuelve lentamente en ácidos minerales mediante el ataque de los límites de los granos y en álcalis fuertes mediante el ataque de 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 puede modelarse con un grabado de iones reactivos a base de Cl 2 . [20] [21]
El AlN se sintetiza mediante la reducción carbotérmica de óxido de aluminio en presencia de nitrógeno gaseoso o amoníaco o mediante nitruración directa del aluminio. [22] Se requiere el uso de auxiliares de sinterización , como Y 2 O 3 o CaO, y prensado en caliente para producir un material denso de grado técnico. [ cita necesaria ]
El nitruro de aluminio cristalino de película delgada cultivado epitaxialmente se utiliza para sensores de ondas acústicas de superficie (SAW) depositados en 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 piezoeléctricas de AlN sobre sustratos poliméricos, permitiendo así 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 masivo 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 de ultrasonido micromecanizados piezoeléctricos, que emiten y reciben ultrasonido y que pueden usarse para determinar distancias en el aire en distancias de hasta un metro. [26] [27]
Hay métodos de metalización disponibles que permiten utilizar AlN en aplicaciones electrónicas similares a las de la alúmina y el óxido de berilio . Los nanotubos de AlN, como nanotubos inorgánicos casi unidimensionales, que son isoelectrónicos con los nanotubos de carbono, se han sugerido como sensores químicos para gases tóxicos. [28] [29]
Actualmente hay mucha investigación sobre el desarrollo de diodos emisores de luz para operar en el ultravioleta usando semiconductores basados en nitruro de galio y, usando la aleación de nitruro de galio y aluminio , se han logrado longitudes de onda tan cortas como 250 nm. En 2006, se informó de una emisión LED de AlN ineficiente a 210 nm. [30]
Los transistores de alta movilidad de electrones (HEMT) basados en AlN han atraído un gran nivel de atención debido a las propiedades superiores del AlN, como una mejor gestión térmica, una menor fuga de buffer y una excelente integración para todos los componentes electrónicos de nitruro. La capa amortiguadora de AlN es un componente fundamental para los HEMT basados en AlN y se ha cultivado mediante el uso de MOCVD o MBE en diferentes sustratos. Se han demostrado dispositivos de canal n con gas de electrones 2D (2DEG) y dispositivos de canal p con gas de orificio 2D (2DHG) construidos sobre un buffer de AlN . La combinación de 2DEG y 2DHG de alta densidad en la misma plataforma semiconductora lo convierte en un candidato potencial para dispositivos CMOS.
Entre las aplicaciones del AlN se encuentran
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