氮化铝

氪化铝（AlN）是铝的固体氮化物。 它的热导率高达 321 W/(m·K)，是一种电绝缘体。 其纤锌矿相 (w-AlN) 在室温下的带隙约为 6 eV，在深紫外频率下的光电子学中具有潜在应用。

AlN 于 1862 年由 F. Briegleb 和 A. Geuther 首次合成。

AlN 在纯（未掺杂）状态下的电导率为 10−11–10−13 Ω−1⋅cm−1，掺杂后上升至 10−5–10−6 Ω−1⋅cm−1。 电气击穿发生在 1.2–1.8×105 V/mm（介电强度）的场中。

该材料主要存在于六方纤锌矿晶体结构中，但也具有亚稳立方闪锌矿相，主要以薄膜形式合成。 据预测，AlN 的立方相（zb-AlN）可以在高压下表现出超导性。 在 AlN 纤锌矿晶体结构中，Al 和 N 沿 c 轴交替排列，每个键以四面体配位，每个晶胞有四个原子。

纤锌矿 AlN 独特的固有特性之一是其自发极化。 自发极化的起源是由于铝和氮原子之间电负性的巨大差异导致纤锌矿 AlN 中化学键的强离子特性。 此外，非中心对称的纤锌矿晶体结构会产生沿 c 轴的净极化。 与其他III族氮化物材料相比，AlN由于其晶体结构的非理想性较高而具有较大的自发极化（Psp：AlN 0.081 C/m2 > InN 0.032 C/m2 > GaN 0.029 C/m2）。 此外，AlN 的压电性质会在应变下产生内部压电极化电荷。 这些极化效应可用于在 III 族氮化物半导体异质结构界面处诱导高密度的自由载流子，完全不需要有意掺杂。 由于沿极性方向的反转对称性破缺，AlN 薄膜可以在金属极性或氮极性面上生长。 它们的体积和表面特性在很大程度上取决于这种选择。 目前正在研究两种极性的极化效应。

下表列出了 AlN 的临界自发和压电极化常数：

AlN 具有高导热性，高质量的 MOCVD 生长的 AlN 单晶的本征导热系数为 321 W/(m·K)，与xxx性原理计算一致。 对于电绝缘陶瓷，多晶材料为 70–210 W/(m·K)，单晶材料高达 285 W/(m·K)。

AlN 是为数不多的同时具有宽直接带隙（几乎是 SiC 和 GaN 的两倍）和大导热率的材料之一。 这是由于它的原子质量小，原子间键强，晶体结构简单。 这一特性使得 AlN 对于高速和高功率通信网络中的应用具有吸引力。 许多设备以小体积和高速处理和操纵大量能量，因此 AlN 的电绝缘性和高导热性成为电力电子领域极具潜力的材料。 在 III 族氮化物材料中，与氮化镓 (GaN) 相比，AlN 具有更高的热导率。 因此，在很多功率和射频电子器件中，AlN在散热方面比GaN更具优势。

热膨胀率是高温应用的另一个关键特性。 计算出的 AlN 在 300K 的热膨胀系数沿 a 轴为 4.2x10-6 K-1，沿 c 轴为 5.3x10-6 K-1。

氪化铝在惰性气氛中的高温下稳定，在 2200 °C 左右熔化。 在真空中，AlN 在约 1800 °C 时分解。 在空气中，表面氧化发生在 700 °C 以上，即使在室温下，也检测到 5-10 nm 厚的表面氧化层。 该氧化层可在高达 1370 °C 的温度下保护材料。 高于此温度会发生大量氧化。 氪化铝在高达 980 °C 的氢气和二氧化碳气氛中是稳定的。

该材料通过晶界侵蚀在无机酸中缓慢溶解，通过对氮化铝晶粒的侵蚀在强碱中缓慢溶解。 该物质在水中缓慢水解。 氪化铝可抵抗大多数熔盐的侵蚀，包括氯化物和冰晶石。

氪化铝可以用基于 Cl2 的反应离子蚀刻进行图案化。

AlN 是通过氧化铝在气态氮或氨存在下的碳热还原或通过铝的直接氮化来合成的。 需要使用 Y2O3 或 CaO 等烧结助剂和热压来生产致密的工业级材料。

由于 AlN 的压电特性，外延生长的薄膜结晶氮化铝被用于沉积在硅晶片上的表面声波传感器 (SAW)。