中國粉體網(wǎng)訊  隨著半導(dǎo)體行業(yè)的發(fā)展，AlN作為半導(dǎo)體材料中的主要代表，其所展現(xiàn)出的優(yōu)異的性能使得其受到極大的重視。由于AlN在自然與科技方面有著許多潛在的優(yōu)良性能，AlN薄膜也因此備受現(xiàn)代科研工作者的青睞。

（圖片來源于網(wǎng)絡(luò)）

AlN薄膜的特性

AlN薄膜擁有諸多優(yōu)異的物理化學性質(zhì)，與其他半導(dǎo)體材料相比，在很多應(yīng)用領(lǐng)域優(yōu)勢明顯，下面是AlN薄膜的特性。

1、AlN薄膜原子間以共價鍵相結(jié)合，因此化學穩(wěn)定性好、熔點高；

2、AlN薄膜機械強度高、電絕緣性能佳，是一種壓電和介電材料；

3、AlN晶體薄膜硬度高，可作為耐磨涂層；

4、AlN薄膜的高電阻率、較低的漏電流以及較大的擊穿場強，使得其成為微電子器件中絕緣埋層材料的最佳選擇之一；

5、AlN薄膜的制備工藝與CNOS兼容，可以和其他器件集成到同一芯片上；

6、AlN薄膜具備非鐵電材料中最好的聲波傳播速度，且擁有無與倫比的壓電響應(yīng)，可用于制作高性能的聲表器件；

7、AlN薄膜是一種寬禁帶材料，并具有直接帶隙，是重要的藍光和紫外發(fā)光材料；

8、沿c軸取向的具有非常好的壓電性和聲表面波高速傳播性能，傳聲速度快，是所有無機非鐵性壓電材料中最高的。

表：AlN薄膜的性能參數(shù)

AlN薄膜的生長方法

目前，薄膜生長技術(shù)已經(jīng)相當成熟，已經(jīng)使用多種技術(shù)沉積制備出AlN薄膜。最常見的方法包括化學氣相沉積(CVD)、分子束外延(MBE)、脈沖激光沉積(PLD)、離子束氮化、反應(yīng)磁控濺射(RS)等等。

（圖片來源于網(wǎng)絡(luò)）

1、磁控濺射法

磁控濺射的原理是磁控濺射的過程中等離子體從目標靶材被注入到襯底上的過程。在濺射腔體內(nèi)，如果被注入的材料與濺射氣體發(fā)生反應(yīng)，這一過程會非常的活躍。典型的濺射設(shè)備包括真空室、分子泵、機械泵、氣體入口和閥門、濺射槍和功率電源等。磁控濺射生長的薄膜黏附性好，晶粒尺寸大小分布均勻。

2、脈沖激光沉積

脈沖激光沉積方法的優(yōu)點之一，在于當聚集的高能量密度激光脈沖沖擊靶材表面時，脈沖前部能量迅速氣化剝離靶材表面，靶材氣體吸收脈沖后部能量導(dǎo)致等離子體化而急劇膨脹飛行沉積于基體表面。由于飛行粒子攜有巨大的動能，能夠提供自身遷徙的需要，所以要求的基片溫度較低，利于制備較理想的薄膜。但是過程中由于氣化膨脹產(chǎn)生的反沖力對一部分熔融靶材的沖擊，導(dǎo)致一些熔融的液滴濺射飛行沉積于基底，對膜的質(zhì)量有一定的損害。

3、分子束外延

它是將真空蒸發(fā)鍍膜加以改進和提高而形成的新的成膜技術(shù)。在超高真空環(huán)境下，通過薄膜諸組分元素的分子束流，直接噴到溫度適宜的襯底表面上，在合適條件下就能沉積出所需的外延層。它的突出優(yōu)點在于能生長極薄的單晶膜層，并且能精確地控制膜厚和組分與摻雜。適于制作微波、光電和多層結(jié)構(gòu)器件，從而為制作集成光學和超大規(guī)模集成電路提供了有力手段。

4、化學氣相沉積（CVD）

通常情況下，化學氣相沉積法是用來獲得各種涂層或者薄膜材料的技術(shù)手段，它的過程是在氣相環(huán)境中，固體材料通過化學反應(yīng)，沉積在活化的或者被加熱的表面。對比溶膠-凝膠法、物理氣相沉積法等其他涂層技術(shù)，CVD有諸多優(yōu)點。第一，CVD是非視線涂層的方法，沒有直接暴露在氣流中的襯底也可以被涂覆，因為氣流可以完全填充在這些區(qū)并包覆在襯底上。第二，沉積速率特別高，CVD可以適用于不同的微觀結(jié)構(gòu)，成分甚至是沉積樣品的相的變化。

5、粒子注入法

粒子注入成膜法是用大量的離子注入基片成膜。當注入的氮氣體離子濃度達到非常大，以至接近鋁基片物質(zhì)的原子密度時，由于受到鋁基片物質(zhì)本身固溶度的限制，將過剩的鋁原子析出。這時注入離子將和鋁基片原子發(fā)生化學反應(yīng)，形成氮化鋁薄膜。這種成膜方法可以在低溫下進行，所成的薄膜質(zhì)量很好。

AlN薄膜的應(yīng)用

AlN薄膜性能的特殊性和優(yōu)異性決定了其在多方面的應(yīng)用。氮化鋁薄膜已經(jīng)被廣泛應(yīng)用作為電子器件和集成電路的封裝中隔離介質(zhì)和絕緣材料；作為工程LED中最為矚目的藍光、紫外發(fā)光材料，被人們大量的研究；AlN薄膜還是一種優(yōu)秀的熱釋電材料；用于氮化嫁與碳化硅等材料外延生長的過渡層，SOI材料的絕緣埋層以及GHz級聲表面波器件壓電薄膜則是AlN薄膜今后具有競爭力的應(yīng)用方向。

1、聲表面波器件（SAW）用壓電薄膜

SAW器件是利用材料的壓電特性而制作的一類器件，包括濾波器和延遲線等，廣泛用于通訊、廣播、遙控和遙測等技術(shù)。SAW器件的中心頻率取決于聲表面波在壓電薄膜上的傳播速度和叉指電極寬度。目前，聲表面波器件常用壓電材料是ZnO、LiTaO3和LiNbO3，與它們相比，AlN沿c軸聲表面波傳播速度高達6-6.2km/s，這是壓電材料中較高的，幾乎是LiTaO3和LiNbO3的兩倍。這樣，采用AlN薄膜在不減小叉指電極寬度情況下，就可將中心頻率提高一倍，達到當前通訊業(yè)發(fā)展所需要的GHz級。

2、AlN薄膜在聲體波器件（FBAR）上的應(yīng)用

我們知道，體聲波發(fā)生在壓電材料的內(nèi)部。壓電材料內(nèi)部振動相對于外部而言可以承受更大的功率，這就決定了器件的耐受功率，這也是FBAR優(yōu)于SAW器件的一點。另外FBAR還具有尺寸小、功耗低、Q值高、頻帶寬、抗干擾性強以及與CMOS兼容等優(yōu)點。

3、SOI材料的絕緣埋層

SOI器件具有高速、工藝簡單、低壓、集成密度高、功耗小、寄生電容小、速度快、短溝道效應(yīng)小及抗輻照等突出優(yōu)點，是未來三維集成電路的關(guān)鍵技術(shù)基礎(chǔ)，擁有“21世紀Si集成電路技術(shù)”的美譽。該技術(shù)也取代了傳統(tǒng)的SiO2，并逐漸成為集成電路的絕緣和封裝材料。

4、作為發(fā)光層材料

AlN薄膜同時擁有較高的薄膜透明度可以作為發(fā)光層材料，尤其是作為藍紫光的發(fā)光材料。AlN可以作為高效紫外固體光原材料。AlN不僅可以作為藍光紫外光的發(fā)光源材料，如果摻雜合理，它的還可以作為整個可見光區(qū)域的發(fā)光源材料。

5、單色冷陰極材料

由于氮化鋁表面是一種負電子親和表面材料，能在低溫下發(fā)射電子。由此可以用作單色冷陰極，這種冷陰極源能夠提高電子顯微鏡的分辨率，在真空電子學領(lǐng)域有許多用途。而且，在一電場中，電子可以容易地逃逸出表面，因此獲得大的場發(fā)射電流密度。大的場發(fā)射電流密度可應(yīng)用于非常薄的平板顯示器即所謂場發(fā)射顯示器和微真空管。因此AlN可用于場發(fā)射顯示器和微真空管。

6、作為刀具涂層

由于氮化鋁塊體材料的硬度接近石英的硬度。AlN薄膜是一種硬質(zhì)薄膜，因此，可以利用它做刀具涂層，提高刀具的強度。

7、其它應(yīng)用

另外，AlN薄膜在光學膜、及散熱裝置中都有很好的應(yīng)用前景。AlN薄膜也可用于制作壓電材料、高導(dǎo)熱率器件、聲光器件、超紫外和X-ray探測器和真空集電極發(fā)射、MIS器件的介電材料、磁光記錄介質(zhì)的保護層。

參考來源：

[1]郝春蕾.氮化鋁薄膜的制備與性能研究

[2]李瑞霞.氮化鋁薄膜制備及性能研究

[3]牛東偉.AlN薄膜的制備與性能的研究

注：圖片非商業(yè)用途，存在侵權(quán)告知刪除