行业 | 强大的新兴功能材料：氮化铝薄膜

功能薄膜材料

氮化铝（AlN）作为III-V族宽禁带半导体材料，有着许多潜在的优良性能，其制备的氮化铝薄膜材料也具有很多优异的物理化学性质，如高的击穿场强、高热导率、高电阻率、高化学和热稳定性以及良好的光学及力学性能。

高质量的氮化铝薄膜还具有极高的超声传输速度、较小的声波损耗、相当大的压电耦合常数，与Si、GaAs相近的热膨胀系数等特点。AlN独特的性质使它在机械、微电子、光学以及电子元器件、声表面波器件(SAW)制造和高频宽带通信等领域有着广阔的应用前景。

氮化铝薄膜的主要物理性质

氮化铝薄膜的应用领域

目前，氮化铝薄膜的主要应用方向为电子封装领域、LED蓝紫外发光材料、半导体材料生长过渡层、压电薄膜等领域。

作为压电薄膜材料

声表面波器件是利用材料的压电特性而制作的一类器件，包括滤波器和延迟线等，广泛用于通讯、广播、遥控和遥测等技术。其中心频率取决于声表面波在压电薄膜上的传播速度和叉指电极宽度。

目前，声表面波器件常用压电材料是ZnO、LiTaO3和LiNbO3，与它们相比，AlN沿c轴声表面波传播速度高达6-6.2km/s，这是压电材料中较高的，几乎是LiTaO3和LiNbO3的两倍。这样，采用AlN薄膜在不减小叉指电极宽度情况下，就可将中心频率提高一倍，达到当前通讯业发展所需要的GHz级。

氮化铝薄膜作为声表面波器件的晶体基片压电薄膜

用于电子元器件领域

当今微电子技术领域，在硅晶体管之间加入绝缘物质，也即在顶层硅和背衬底之间引入一层埋氧化层，这种作为绝缘埋层的SOI材料实现了器件制作层(顶层Si)与衬底的电学隔离，大大降低了传统体硅器件中影响器件速度性能的各种寄生效应，因而被广泛应用于高速、低耗、高密集成电路。

然而，传统SOI材料通常采用SiO2作为绝缘埋层，而SiO2的热导率较低，导致了严重的自加热效应，阻碍了传统SOI材料在高密高功率集成电路中的应用。而AIN的热导率约是SiO2的200倍，且具有良好的绝缘性，与Si的热膨胀系数相匹配，AIN薄膜有极好的绝缘特性和优于SiO2的热导率，很适合用作SOI结构的绝缘埋层。

氮化铝薄膜作为SOI绝缘埋层（BuriedOxide）

用于GaN、InN等材料外延缓冲层

作为第三代半导体材料体系，ⅢA族氮化物禁带宽度相应于覆盖光谱中整个红外到可见光及紫外光的范围。如此宽的连续可调的直接带隙是其它材料体系所不能比拟的，加之发光效率高、电子漂移饱和速率高等特点，使其在短波长发光二极管(LED)，激光二极管(LD)和紫外探测器等光电子器件领域有着巨大的应用潜力。

目前GaN和InN都是目前国际上研究的热点，由于与蓝宝石、硅晶格失配过大，直接在这两种衬底上生长的GaN和InN薄膜质量较差，光电学性能也不好，很难达到器件工艺要求。用AIN薄膜作为缓冲层能显著提高GaN外延薄膜的质量，明显改善电学和光学性能。

氮化铝薄膜作为蓝宝石衬底上的缓冲层

作为发光层材料

薄膜电致发光(TFEL)显示是薄膜在光电领域一个特别有潜力的发展方向，这种技术决定发光性质的是发光层，发光材料的一个关键要求就是该材料的禁带宽度必须大于发光中心产生光子的能量，这样才不致于产生可见光吸收现象。另外还必须有高介电强度，在1MeV·cm-1的电场作用下不发生介电击穿并且在阀值电压下保持其绝缘特性。

传统的硫基发光材料由于存在化学不稳定以及对潮湿敏感等内在的缺点给器件制作带来了很大的困难，并且硫基TFEL器件在大气中工作时会出现在很短时间内性能下降的情况。AIN具有足够宽的禁带宽度，具有比硫基发光体更高的化学和热稳定性，如今也成为备受关注的薄膜发光材料，不仅可以作为蓝光紫外光的发光源材料，如果掺杂合理，还可以作为整个可见光区域的发光源材料。

氮化铝薄膜作为紫外发光源

另外，目前氮化铝薄膜也给难以突破的深紫外探测器的发展及应用带来了希望，AlN的禁带宽度为6.2eV，属于高阻半导体，对应波长为200nm，隶属于深紫外波段，非常适合作为深紫外光源。下图为各种半导体材料禁带宽度的对比图，从图中可以看出，AlN的禁带宽度遥遥领先于其他材料。

常见半导体禁带宽度和晶格常数

作为单色冷阴极材料

由于氮化铝表面是一种负电子亲和表面材料，能在低温下发射电子。由此可以用作单色冷阴极，这种冷阴极源能够提高电子显微镜的分辨率，在真空电子学领域有许多用途。而且，在电场中，电子可以容易地逃逸出表面，因此获得大的场发射电流密度。大的场发射电流密度可应用于非常薄的平板显示器，即用于场发射显示器和微真空管，因此AlN薄膜可用于场发射显示器和微真空管。

用于场发射显示器

作为磁光记录材料表面增透膜

稀土-过渡族金属(RE-TM)非晶垂直磁化膜被认为是第一代可擦写磁盘记录材料，但它仍然存在着稀土元素易氧化和磁光克尔角较小等缺点。AlN薄膜具有致密（高折射率）、高稳定性和抗蚀性，可以保护磁光薄膜中稀土元素不受氧化，它的高透过率、低消光系数、恰当的膜厚对RE-TM磁光记录材料进行增透，增强了磁光克尔效应。

表面增透膜

总结

目前，氮化铝薄膜的制备尚且处于设备复杂、造价昂贵、难于商品化的阶段，并且所使用的制备薄膜的方法通常要求将衬底加热到较高的温度。目前低温制备氮化铝薄膜的方法还不成熟、不完善。而集成光学器件的发展，需要在较低的温度下进行薄膜制备，以避免对衬底材料的热损伤。改进氮化铝薄膜的制备方法，在较低的温度、较简单的工艺条件下得到更致密、更均匀、更高纯度、更低成本的氮化铝薄膜，还有大量的工作需要去做。随着研究工作的深入，氮化铝薄膜的应用领域将会日益广泛。