질화 알루미늄

질화 알루미늄(, AlN)은 알루미늄의 고체 질화물이다. 최대 321 W/(m·K)의 높은 열전도율을 가지며, 전기 절연체이다. 섬아연광 상 (w-AlN)은 실온에서 약 6 eV의 띠틈을 가지며 심자외선 주파수에서 작동하는 광전자공학 분야에서 잠재적인 응용 가능성을 가진다.

 역사 및 물리적 특성 
AlN은 1862년 F. 브리그렙(F. Briegleb)과 A. 게우터(A. Geuther)에 의해 처음 합성되었다.

순수한(도핑되지 않은) 상태의 AlN은 10−11–10−13 Ω−1⋅cm−1의 전기 전도도를 가지며, 도핑 시 10−5–10−6 Ω−1⋅cm−1로 증가한다. 1.2–1.8×105 V/mm의 장(場)에서 절연파괴가 발생한다(절연 내력).

이 물질은 주로 육각형 섬아연광 결정 구조로 존재하지만, 주로 박막 형태로 합성되는 준안정 입방 섬아연광 상도 가지고 있다. AlN의 입방 상(zb-AlN)은 고압에서 초전도 현상을 나타낼 수 있다고 예측된다. AlN 섬아연광 결정 구조에서 Al과 N은 c축을 따라 교대로 배열되며, 각 결합은 단위 셀당 4개의 원자와 사면체로 배위된다.

섬아연광 AlN의 독특한 본질적 특성 중 하나는 자발적 편극이다. 자발적 편극의 기원은 알루미늄과 질소 원자 사이의 큰 전기 음성도 차이로 인한 섬아연광 AlN의 화학 결합의 강한 이온성이다. 또한, 비중심 대칭 섬아연광 결정 구조는 c축을 따라 순 편극을 발생시킨다. 다른 III-질화물 재료와 비교할 때 AlN은 결정 구조의 더 높은 비이상성으로 인해 더 큰 자발 편극을 갖는다 (Psp: AlN 0.081 C/m2 > InN 0.032 C/m2 > GaN 0.029 C/m2). 또한 AlN의 압전기적 특성은 변형 시 내부 압전기 편극 전하를 발생시킨다. 이러한 편극 효과는 의도적인 도핑 없이 III-질화물 반도체 이종 구조 계면에서 고밀도의 자유 전하 운반체를 유도하는 데 사용될 수 있다. 극성 방향을 따라 깨진 반전 대칭으로 인해 AlN 박막은 금속 극성 또는 질소 극성 면에 성장할 수 있다. 이들의 벌크 및 표면 특성은 이러한 선택에 크게 의존한다. 편극 효과는 현재 양극성에 대해 연구 중이다.

AlN의 임계 자발 및 압전 편극 상수는 아래 표에 나열되어 있다:
+AlN의 임계 자발 및 압전 편극 상수e31

(C/m2)e33

(C/m2)c13

(GPa)c33

(GPa)a0

(Å)c0

(Å)AlN-0.601.461083733.1124.982
AlN은 높은 열전도율을 가진다. 고품질의 MOCVD 방식으로 성장된 AlN 단결정은 321 W/(m·K)의 고유 열전도율을 가지며, 이는 최초 원리 계산과 일치한다. 전기 절연 세라믹의 경우, 다결정 물질은 70–210 W/(m·K)이고, 단결정은 285 W/(m·K)에 달한다.

AlN은 넓고 직접적인 띠틈 (거의 SiC와 GaN의 두 배)과 큰 열전도율을 모두 가진 몇 안 되는 물질 중 하나이다. 이는 작은 원자 질량, 강한 원자 간 결합 및 간단한 결정 구조 때문이다. 이 특성으로 인해 AlN은 고속 및 고전력 통신 네트워크 응용 분야에 매력적이다. 많은 장치는 소량의 부피에서 대량의 에너지를 고속으로 처리하고 조작한다. 따라서 AlN은 전기 절연 특성과 높은 열전도율 덕분에 고전력 전력 전자공학을 위한 잠재적인 재료이다. III-질화물 재료 중 AlN은 갈륨 질화물 (GaN)에 비해 더 높은 열전도율을 가진다. 따라서 AlN은 많은 전력 및 무선 주파수 전자 장치에서 열 방출 측면에서 GaN보다 더 유리하다.

열팽창은 고온 응용 분야에 또 다른 중요한 특성이다. 300K에서 AlN의 계산된 열팽창 계수는 a축을 따라 4.2×10−6 K−1이고 c축을 따라 5.3×10−6 K−1이다.

 안정성과 화학적 특성 
질화 알루미늄은 불활성 분위기에서 고온에서 안정하며 약 에서 녹는다. 진공에서 AlN은 약 에서 분해된다. 공기 중에서는  이상에서 표면 산화가 일어나며, 심지어 실온에서도 5–10 nm 두께의 표면 산화층이 감지되었다. 이 산화층은 까지 물질을 보호한다. 이 온도 이상에서는 벌크 산화가 일어난다. 질화 알루미늄은 수소 및 이산화탄소 분위기에서 까지 안정하다.

이 물질은 무기산에서는 입계 공격을 통해, 강한 알칼리에서는 질화 알루미늄 입자에 대한 공격을 통해 천천히 용해된다. 물에서는 천천히 가수분해된다. 질화 알루미늄은 염화물과 빙정석을 포함한 대부분의 용융염 공격에 강하다.

질화 알루미늄은 Cl2 기반 반응성 이온 식각으로 패터닝할 수 있다.

 제조 
AlN은 기체 질소나 암모니아 존재 하에 산화 알루미늄의 탄소열 환원 또는 알루미늄의 직접 질화를 통해 합성된다. 조밀한 공업 등급 재료를 생산하려면 Y2O3 또는 CaO와 같은 소결 보조제와 열간 가압이 필요하다.

 응용 분야 
AlN의 압전기적 특성 때문에 실리콘 웨이퍼에 증착된 표면 탄성파 센서(SAW)에 에피택시 성장된 박막 결정 AlN이 사용된다. 최근 재료과학의 발전으로 압전성 AlN 박막을 고분자 기판에 증착할 수 있게 되어 유연한 SAW 장치 개발이 가능해졌다. 한 가지 응용 분야는 휴대폰에 널리 사용되는 RF 및 마이크로파 필터인데, 이를 박막 벌크 음향 공진기 (FBAR)라고 한다. 이것은 두 금속층 사이에 알루미늄 질화물을 끼워 넣은 MEMS 장치이다.

AlN은 또한 압전기 초음파 변환기를 제작하는 데 사용되는데, 이 변환기는 초음파를 방출하고 수신하며 최대 1미터 거리의 공중 거리 측정에 사용될 수 있다.

금속화 방법은 AlN이 알루미나 및 산화 베릴륨과 유사하게 전자 응용 분야에 사용될 수 있도록 한다. 무기 유사 일차원 탄소 나노튜브와 등전자성인 AlN 나노튜브는 유독 가스용 화학 센서로 제안되었다.

현재 질화 갈륨 기반 반도체를 사용하여 자외선에서 작동하는 발광 다이오드를 개발하기 위한 많은 연구가 진행 중이며, 질화 알루미늄 갈륨 합금을 사용하면 250 nm만큼 짧은 파장이 달성되었다. 2006년에는 비효율적인 210 nm AlN LED 방출이 보고되었다.

AlN 기반 하이 일렉트론 모빌리티 트랜지스터 (HEMT)는 AlN의 우수한 특성(향상된 열 관리, 감소된 버퍼 누설, 모든 질화물 전자 장치에 대한 우수한 통합 등)으로 인해 높은 관심을 받았다. AlN 버퍼층은 AlN 기반 HEMT의 중요한 구성 요소이며, 유기금속 기상증착법 (MOVPE) 또는 분자빔 에피택시 (MBE)를 사용하여 다양한 기판 위에 성장되었다. AlN 박막의 에피택시 성장에 일반적으로 사용되는 기판으로는 c-평면 사파이어 및 실리콘 카바이드가 있다. 동종 에피택시 성장을 허용하는 벌크 AlN 기판은 가용성이 제한적이다. 주변 압력에서 AlN은 융점보다 낮은 온도에서 분해된다. 결과적으로, 기존의 멜트-부울(melt-boule) 기술은 벌크 AlN 생산에 적합하지 않다. AlN 버퍼 위에 2D 전자 기체 (2DEG)를 가진 n-채널 장치와 2D 정공 기체 (2DHG)를 가진 p-채널 장치가 시연되었다. 동일한 반도체 플랫폼에서 고밀도 2DEG와 2DHG의 조합은 CMOS 장치의 잠재적 후보가 된다.

알루미늄 질화물 세라믹은 중합 반응을 촉진하여 플라스틱 및 수지를 만드는 효율성과 일관성을 높인다. 또한 마이크로파 응용 분야에서 기판 및 방열판으로 사용된다. 더 많은 연구자들이 알루미늄 질화 갈륨(AlGaN) 기반 반도체를 사용하여 자외선 영역에서 작동하는 발광 다이오드(LED) 생산을 연구하고 있다.

AlN의 응용 분야는 다음과 같다:
 광전자공학,
 광학 저장 매체의 유전체 층,
 높은 열전도율이 필수적인 전자 기판, 칩 캐리어,
 군사 응용 분야,
 비소화 갈륨 결정 성장용 도가니,
 강철 및 반도체 제조.

 같이 보기 
 질화 붕소
 인화 알루미늄
 비소화 알루미늄
 안티몬화 알루미늄
 질화 갈륨
 질화 인듐
 질산알루미늄옥사이드
 질화 티타늄 알루미늄, TiAlN 또는 AlTiN

 각주 

 인용된 출처 


분류:질화물
분류:알루미늄 화합물
분류:III-V 반도체