氮化鋁的結構與性能

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，屬于直接帶隙半導體。由于其晶體結構與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展現出優異的熱導率等物化性能。

圖1 AlN晶體結構

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

熱學性能方面，由于AlN的強共價鍵增強了原子間的結合力，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，使其理論熱導率高達320 W?m-1?K-1；遠高于氧化鋁等傳統陶瓷材料，能有效傳導和散發熱量，同時，其熱膨脹系數與硅相近，可作為電子器件的封裝材料，減少因熱膨脹不匹配導致的應力問題。

電學性能方面，AlN陶瓷展現了出色的介電特性。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域具有獨特優勢。此外，其介質損耗因數低于0.0005，這一特性使其在高頻應用中表現出色，有助于減少信號延遲和能量損耗[1，2]。

力學性能方面，AlN展現出優異的綜合機械特性。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，這兩項關鍵力學性能指標均優于傳統Al2O3陶瓷。

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

圖2不同陶瓷性能對比圖[3]

氮化鋁粉體的制備技術

• 金屬鋁粉直接氮化法

直接氮化法通常在持續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，從而生產AlN粉體，其化學反應方程式如下所示：

2Al+N2→2AlN

該方法在工業應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，因為氮化反應為放熱反應，所以容易導致Al粉熔化團聚，阻礙其與氮氣或氨氣的接觸，導致反應初期Al粉表面會生成氮化物薄膜，進一步阻止氣氛滲透，致使反應轉化率降低。針對這個問題，Zhang等人[4]使用高活性的氨氣來替代傳統的氮氣作為反應氣氛，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存在差異，導致AlN膜破裂，從而提高Al的轉化率。

• 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。CRN法優勢在于原料來源廣，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，影響材料熱導率。為改善反應條件，國內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與硝酸鋁、葡萄糖為鋁源和碳源的反應，發現以氧化鋁為鋁源，以碳黑為碳源的反應體系，反應溫度高，反應速度慢，反應產物粒度大。

在添加劑研究中，Komeya等人[6]研究發現，通過系統研究各類添加劑（Y2O3、CaF2、CoCO3、SiO2等）對CRN法合成AlN粉體過程中氮化反應的影響，將添加劑劃分為三類（促進、無作用、妨礙作用），研究結果表明，Y2O3和CaF2表現出最優的促進作用，能夠將反應的活化能降低，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可迅速升溫，并自主的維持高溫狀態，使得在反應過程中無需外部能量介入。這種方法優勢在于反應速率大幅增加，反應溫度較低，能耗和成本低。但其固有缺陷仍然制約其工業化應用，主要表現為：反應速度快、過程難以控制，由于鋁粉氮化是一個強放熱反應，鋁粉會被迅速熔化并結成鋁塊，導致氮化不完全，產物粉體中出現氮含量低、成分不均勻、團聚嚴重等現象。

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與工藝開展研發工作，尋求該法可生產用于制造電子陶瓷基板、高質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氮化鋁陶瓷基板的高質量氮化鋁粉體，所制備的陶瓷基板熱導率高達138W/mK。

• 化學氣相沉積法

化學氣相沉積法（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。主要是在反應室內引入揮發性鋁源化合物（鹵化鋁或烷基鋁）與氨氣（NH3）發生反應，其中NH3在反應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。該法優勢在于產物純度高，顆粒尺寸小，缺點是生產成本高，設備要求高，產量小。然而，由于烷基鋁價格昂貴和儲存和運輸的特殊要求（需要惰性氣體的保護），導致該工藝仍主要應用于實驗室研究階段，尚未實現大規模工業化應用。

氮化鋁在半導體領域中的應用

• 電子封裝基板

隨著功率器件特別是第三代半導體的崛起與應用，半導體器件逐漸向大功率、小型化、集成化、多功能等方向發展，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的導熱率較高，室溫時理論導熱率最高可達320W/(m·K)，是氧化鋁陶瓷的8～10倍，實際生產的熱導率也可高達200W/(m·K)。同時AlN陶瓷的硬度較高，熱膨脹系數與硅接近，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，其綜合性能優于氧化鋁和氧化鈹,是新一代半導體基片和電子器件封裝的理想材料[8]。

在第三代半導體、5G通信、新能源汽車等新興產業的推動下，全球氮化鋁陶瓷基板市場需求正迎來爆發式增長。據行業研究機構TrendForce預測，全球市場規模將從2025年的52億美元增長至2030年的138億美元，年復合增長率達21.7%，其中高端產品的增速將超過25%。從從需求結構來看，功率半導體是最大應用領域，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，預計2030年這一占比將升至60%以上。

• 半導體設備零部件[9，10]

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

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率、優異的化學穩定性、較低的介電損耗和介電常數，以及與硅相近的熱膨脹系數等一系列優良屬性，被視為制造靜電卡盤的優選材料。這些特性不僅保障了靜電卡盤在極端工作環境下的結構完整性和功能穩定性，而且有利于提升半導體生產過程的整體性能和可靠性。為了使AlN陶瓷能夠更好的應用于J-R型靜電卡盤，需要在較低燒結溫度下就能得到結構致密且室溫電阻率為108~1012 Ω·cm的AlN陶瓷[10]。

此外，在半導體設備零部件中，氮化鋁陶瓷具備高導熱性，且能在短時間內實現快速升溫和降溫，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定性和可靠性。在HDP-CVD設備中，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生雜質污染，也不會因為熱形變造成裝配部件的磨損帶來雜質污染，從而確保噴嘴不會對反應氣體和反應腔體造成任何的雜質污染風險，可以更好地滿足先進制程HDP-CVD設備中的應用要求。

• 半導體襯底材料[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體、關鍵性戰略新材料。氮化鋁（AlN）在室溫下禁帶寬度為6.2eV，其具有優異的電學性質、熱學性質和聲光學性質等彌補了硅和砷化鎵在內的第一代和第二代半導體材料在物理性能方面的不足。

圖3 常見半導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異物理性能，是異質外延生長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用前景。

2023年國內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在其官網宣布成功生產出直徑為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體材料，在機械、電學、光學等方面性能優異。近年來，以GaN為基礎的藍/綠光器件發展迅速，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，生長高質量AlN薄膜具有重要意義，可作為緩沖層提升GaN晶體質量，進而改善探測器等器件性能。

此外，AlN的介電常數約為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域具有廣泛應用。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。研究發現，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[13]。

總結

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

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