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nitruro de aluminio

\n| Appearance = white to pale-yellow solid\n| Density = 3.255 g/cm 3 Haynes, p. 4.45. \n| MeltingPtC = 2500\n| MeltingPt_ref = Haynes, p. 12.80. \n| BoilingPtC = \n| BoilingPt_...

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El nitruro de aluminio ( AlN ) es un nitruro sólido de aluminio , que fue sintetizado por primera vez en 1862 por F. Briegleb y A. Geuther. [ 12 ] [ 13 ]

El AlN es un semiconductor de banda prohibida ancha compuesto de aluminio y nitrógeno. Cristaliza predominantemente en la estructura de wurtzita y presenta una banda prohibida directa de aproximadamente 6 eV a temperatura ambiente. Su banda prohibida excepcionalmente ancha permite aplicaciones en optoelectrónica ultravioleta profunda , mientras que su conductividad térmica de 321  W/(m·K) [ 6 ] y sus fuertes efectos de polarización lo convierten en un importante material amortiguador y plantilla para heteroestructuras cuánticas de nitruro de III-V utilizadas en dispositivos electrónicos de alta potencia y alta frecuencia. [ 14 ] [ 15 ]

Estructuras y propiedades físicas

El AlN existe principalmente en la estructura cristalina hexagonal de wurtzita , [ 16 ] la cual desempeña un papel fundamental en la determinación de sus propiedades físicas. En esta estructura, los átomos de aluminio y nitrógeno se alternan a lo largo del eje cristalográfico c, con cada átomo coordinado tetraédricamente a cuatro átomos de la especie opuesta, adoptando un enlace tipo sp³ y una constante en el plano de 3,11 Å. [ 17 ]

Además de la fase wurtzita termodinámicamente estable, el AlN también puede formar una fase cúbica de zincblenda metaestable , que se observa típicamente en películas delgadas cultivadas en condiciones de no equilibrio. Se predice que la fase cúbica del AlN (zb-AlN) puede exhibir superconductividad a altas presiones. [ 18 ] A presiones suficientemente altas, se ha informado de una transición de fase a una estructura de sal de roca. [ 19 ] Los parámetros de red y el exceso de las energías del estado fundamental para diferentes estructuras cristalinas de AlN a presión cero se enumeran en la tabla siguiente: [ 20 ] [ 21 ] [ 22 ]

La estructura cúbica metaestable del cristal de AlN

En estado puro (sin dopar), el AlN presenta una conductividad eléctrica muy baja , típicamente en el rango de 10 −11 –10 −13  Ω −1 ⋅cm −1 , que puede aumentar a 10 −5 –10 −6  Ω −1 ⋅cm −1 tras el dopaje intencional. [ 23 ] La ruptura eléctrica ocurre a campos eléctricos altos del orden de 1 × 105  V/mm ( rigidez dieléctrica ), lo que refleja la amplia banda prohibida del materialy su fuerte enlace químico . [ 23 ]

Una de las propiedades intrínsecas más distintivas del AlN de estructura wurtzita es su polarización espontánea , que surge de la naturaleza no centrosimétrica de la estructura cristalina y del fuerte carácter iónico de los enlaces Al-N. La gran diferencia de electronegatividad entre el aluminio y el nitrógeno da como resultado una polarización sustancial a lo largo del eje c. [ 24 ]

En comparación con otros materiales de nitruro de grupo 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 ). [ 25 ]

Además, su naturaleza piezoeléctrica da lugar a importantes cargas de polarización inducidas por deformación bajo desajuste de red o tensión externa. Estos efectos de polarización pueden inducir altas densidades de portadores libres en las interfaces de heteroestructuras de nitruro de III sin necesidad de dopaje intencional. [ 24 ] En heteroestructuras basadas en AlN, estas cargas inducidas por polarización pueden dar lugar a un gas de electrones bidimensional (2DEG) confinado en la interfaz, [ 24 ] lo que permite altas densidades de portadores sin dopaje intencional. Estos 2DEG inducidos por polarización se explotan ampliamente en dispositivos electrónicos de nitruro de III, particularmente en transistores de alta movilidad de electrones . [ 26 ]

Las constantes de polarización espontánea y piezoeléctrica críticas para AlN se enumeran en la tabla siguiente: [ 25 ] [ 27 ]

Debido a la ausencia de simetría de inversión a lo largo de la dirección polar, las películas delgadas de AlN pueden crecer con orientación polar metálica o polar nitrogenada, con propiedades volumétricas y superficiales que dependen sensiblemente de la polaridad elegida. [ 28 ] El AlN polar metálico (polar Al) se refiere a películas crecidas con la superficie terminada por átomos de aluminio a lo largo de la dirección [0001], mientras que el AlN polar nitrogenado (polar N) corresponde a películas terminadas por átomos de nitrógeno a lo largo de la dirección opuesta [000-1]. [ 29 ]

Estructuras cristalinas de AlN de estructura wurtzita polar para metales y para nitrógeno

Las diferencias en la terminación de la superficie dan lugar a distintas configuraciones de enlaces superficiales y reactividades químicas, lo que puede influir notablemente en el comportamiento del crecimiento epitaxial y las propiedades de la interfaz. En consecuencia, el papel de la polarización y la polaridad en la determinación del comportamiento físico y electrónico del AlN sigue siendo un área activa de investigación. [ 30 ]

El AlN tiene una alta conductividad térmica . Un monocristal de AlN de alta calidad cultivado mediante MOCVD  tiene una conductividad térmica intrínseca de 321 W/(m·K), consistente con cálculos de primeros principios. [ 6 ] Para una cerámica eléctricamente aislante , es de 70–210  W/(m·K) para material policristalino, y tan alta como 285  W/(m·K) para monocristales. [ 23 ]

El AlN es uno de los pocos materiales que poseen una banda prohibida amplia y directa (casi el doble que la del SiC y el GaN ) y una alta conductividad térmica. [ 31 ] Esto se debe a su pequeña masa atómica, sus fuertes enlaces interatómicos y su estructura cristalina simple. [ 32 ] Esta propiedad hace que el 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 tanto, debido a su naturaleza aislante eléctrica y su alta conductividad térmica, el AlN es un material potencial para la electrónica de potencia de alta potencia. Entre los materiales de nitruro del grupo III, el AlN tiene una conductividad térmica mayor en comparación con el nitruro de galio (GaN). Por consiguiente, el AlN es más ventajoso que el GaN en términos de disipación de calor en muchos dispositivos electrónicos de potencia y radiofrecuencia.

La dilatación térmica es otra propiedad crítica para aplicaciones de alta temperatura. Los coeficientes de dilatación térmica calculados para el 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. [ 33 ]

Estabilidad y propiedades químicas

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, se produce oxidación superficial por encima de 700 °C (973 K; 1292 °F) , e incluso a temperatura ambiente se han detectado capas de óxido superficiales 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 oxidación en masa. El nitruro de aluminio es estable en atmósferas de hidrógeno y dióxido de carbono hasta 980 °C (1250 K; 1800 °F) . [ 34 ]                

El material se disuelve lentamente en ácidos minerales mediante ataque a los límites de grano y en álcalis fuertes mediante 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 . [ 35 ]

El nitruro de aluminio se puede modelar con un grabado iónico reactivo basado en Cl 2 . [ 36 ] [ 37 ]

Síntesis

Sustrato a granel

Los monocristales de nitruro de aluminio (AlN) a granel se producen principalmente para servir como sustratos nativos para dispositivos electrónicos y optoelectrónicos de nitruro de grupo III. Debido al punto de fusión extremadamente alto del AlN (superior a 2800  °C) y su descomposición térmica antes de la fusión a presión ambiente ( presión ambiente ), las técnicas convencionales de crecimiento por fusión no son aplicables. Como resultado, los cristales de AlN a granel se fabrican casi exclusivamente mediante métodos de crecimiento en fase de vapor a alta temperatura, siendo la deposición física de vapor (PVD), también conocida como crecimiento por sublimación , [ 38 ] la técnica más establecida, que se puede escribir como:

(AlN) sólido → Vapor de Al + 1/2 N 2 → (AlN) sólido [ 39 ]

El material de partida sólido de AlN utilizado para el crecimiento por sublimación se prepara típicamente mediante reducción-nitruración carbotérmica de alúmina para producir polvos de AlN:

Al 2 O 3 + 3C + N 2 → 2AlN + 3CO [ 40 ]

epitaxia en fase de vapor metalorgánica

La epitaxia en fase vapor metalorgánica se utiliza ampliamente para el crecimiento epitaxial de nitruro de aluminio (AlN). Los primeros estudios se centraron en capas tampón delgadas de AlN para permitir el crecimiento de GaN de alta calidad en sustratos con desajuste de red, como el zafiro . [ 41 ] Los precursores metalorgánicos que contienen aluminio , más comúnmente trimetilaluminio (TMA, Al(CH 3 ) 3 ) y trietilaluminio (TEA, Al 2 (C 2 H 5 ) 6 ) se transportan a una cámara de reacción calentada junto con amoníaco (NH 3 ) como fuente de nitrógeno, utilizando típicamente hidrógeno como gas portador. A temperaturas elevadas del sustrato (≈1000–1200  °C), [ 42 ] estos precursores se descomponen y reaccionan cerca de la superficie del sustrato para formar películas cristalinas de AlN. [ 43 ] Las reacciones entre TMA y NH 3 incluyen dos pasos:

1. La formación del compuesto de adición sólido:

Al 2 (CH 3 ) 6 (g)+2NH 3 (g)→2Al(CH 3 ) 3 :NH 3 (s)

2. La pirólisis de este compuesto de adición sobre el sustrato calentado:

Al(CH 3 ) 3 :NH 3 (s) → (AlN)(s)+3CH 4 (g)

Epitaxia de haces moleculares

La epitaxia de haces moleculares (MBE), en particular la MBE asistida por plasma (PAMBE), es otra técnica utilizada para el crecimiento de películas delgadas de nitruro de aluminio, [ 44 ] que ofrece un control preciso sobre las condiciones de crecimiento y la abruptitud de la interfaz. En la MBE, el aluminio elemental se suministra desde una celda de efusión ( celda de Knudsen ), mientras que las especies de nitrógeno activas se generan utilizando una fuente de plasma de nitrógeno de radiofrecuencia. El crecimiento se lleva a cabo típicamente en condiciones de ultra alto vacío .

El AlN monocristalino de alta calidad generalmente requiere temperaturas de crecimiento superiores a aproximadamente 700  °C para asegurar una difusión superficial suficiente de los adátomos de aluminio. A temperaturas más bajas, la movilidad de los adátomos de aluminio se reduce, lo que da lugar a películas de AlN policristalinas o parcialmente amorfas . A pesar de la cristalinidad reducida , el AlN de baja temperatura cultivado mediante MBE ha encontrado aplicaciones como capa de pasivación superficial in situ en transistores de alta movilidad electrónica (HEMT) de nitruro de galio. La reacción superficial fundamental en el AlN cultivado mediante PAMBE se puede expresar como la combinación directa de átomos de aluminio con especies de nitrógeno activadas:

Al(g)+N* (g) → (AlN)(s) [ 45 ]

Nanopolvos

Los polvos de nitruro de aluminio (AlN) se sintetizan mediante la reducción carbotérmica del óxido de aluminio en presencia de nitrógeno gaseoso o amoníaco, o mediante la nitruración directa del aluminio. Para obtener un material denso de grado técnico, se requiere el uso de aditivos de sinterización , como Y₂O₃ o CaO , y prensado en caliente. [ 46 ]

Aplicaciones

Debido a las propiedades piezoeléctricas del AlN , se utiliza una película delgada cristalina de AlN crecida epitaxialmente para sensores de ondas acústicas superficiales (SAW) depositados sobre obleas de silicio. Los recientes avances en la ciencia de los materiales han permitido la deposición de películas piezoeléctricas de AlN sobre sustratos poliméricos, lo que posibilita el desarrollo de dispositivos SAW flexibles. [ 47 ] Una aplicación es un filtro de RF , ampliamente utilizado en teléfonos móviles, [ 48 ] que se denomina resonador acústico de volumen de película delgada (FBAR). Este es un dispositivo MEMS que utiliza nitruro de aluminio intercalado entre dos capas metálicas. [ 49 ]

El AlN también se utiliza para construir transductores ultrasónicos micromecanizados piezoeléctricos , que emiten y reciben ultrasonido y que pueden utilizarse para la medición de distancias en el aire a distancias de hasta un metro. [ 50 ] [ 51 ]

Existen métodos de metalización que permiten el uso de AlN en aplicaciones electrónicas similares a las de la alúmina y el óxido de berilio . Se ha sugerido el uso de nanotubos de AlN, nanotubos inorgánicos cuasi-unidimensionales isoelectrónicos con los nanotubos de carbono, como sensores químicos para gases tóxicos. [ 52 ] [ 53 ]

Actualmente se está investigando mucho sobre el desarrollo de diodos emisores de luz que operen en el ultravioleta utilizando semiconductores basados ​​en nitruro de galio y, utilizando 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. [ 54 ] 

Los transistores de alta movilidad electrónica (HEMT) basados ​​en AlN han atraído un alto nivel de atención debido a las propiedades superiores del AlN, tales como una mejor gestión térmica, una fuga de amortiguación reducida y una excelente integración para toda la electrónica de nitruro. La capa de amortiguación de AlN es un bloque de construcción crítico para los HEMT basados ​​en AlN, y se ha cultivado utilizando epitaxia de fase de vapor metalorgánica (MOVPE) o epitaxia de haces moleculares (MBE) en diferentes sustratos. Los sustratos comunes utilizados para el crecimiento epitaxial de películas delgadas de AlN incluyen zafiro de plano c y carburo de silicio. Los sustratos de AlN masivo que permitirían el crecimiento homoepitaxial son de disponibilidad limitada. Bajo presión ambiente, el AlN se descompone a temperaturas por debajo de su punto de fusión. Como resultado, las técnicas convencionales de fusión de lingotes no son adecuadas para producir AlN masivo. [ 55 ] Construyendo sobre la capa de amortiguación 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 la convierte en una candidata potencial para dispositivos CMOS.

Las cerámicas de nitruro de aluminio facilitan las reacciones de polimerización , mejorando la eficiencia y la consistencia en la creación de plásticos y resinas . [ 56 ] También se utilizan en aplicaciones de microondas como sustrato y disipador de calor. [ 57 ] Cada vez más investigadores estudian la producción de diodos emisores de luz (LED) que operan en la región ultravioleta utilizando semiconductores basados ​​en nitruro de galio y aluminio (AlGaN) . [ 58 ]

Entre las aplicaciones del AlN se encuentran:

Véase también

Referencias

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Fuentes citadas