O nitreto de alumínio, AlN, é um material com excelentes propriedades mecânicas, térmicas, ópticas e eletrônicas e por isso apresentam um enorme potencial em diversas aplicações tecnológicas. Um exemplo disso é a alta velocidade de propagação de onda superficial, as excelentes propriedades piezelétricas, o excelente coeficiente de acoplamento eletromecânico, alta dureza, alto ponto de fusão e associado à estabilidade química a altas temperaturas (acima de 2000 ºC). Essas combinações excepcionais fazem do AlN um candidato atraente a ser aplicado em sensores de temperatura e pressão baseados em ondas acústicas superficiais, por exemplo. [2][3]
O AlN pode ser usado como um substrato cerâmico para a elaboração de microcircuitos, principalmente na área aeroespacial, pois possui excelentes propriedades térmicas, como a dissipação térmica. O AlN também é aplicado nas janelas de transmissão de luz e nos dispositivos de emissão na região UV devido ao seu alto valor da largura de banda (~6,2 eV).[4]
Propriedades do Material
Estrutura Cristalina
O nitreto de alumínio (AlN) é formado pela reação dos elementos de nitrogênio e alumínio. A estrutura do AlN é normalmente hexagonal fechada (hcp) do tipo wurtzita (2H) (hP4). O AlN com tal estrutura apresenta o maior coeficiente piezoelétrico (5 ∙ 10-2 CºN-1) entre os nitretos do grupo IIIA, tornando-o apropriado para aplicações como em microeletrônica. O AlN possui estrutura cristalográfica isomorfa e com alta resistividade (~1013 Ω∙cm).[5]
A figura da Wurtzite mostra a ligação atômica do AlN, onde o átomo de alumínio é ligado a quatro átomos de nitrogênio em um arranjo tetraédrico quatro vezes coordenado (sp3). O alumínio tem menor eletronegatividade do que o nitrogênio. No entanto, o elemento de nitrogênio tem o menor raio atômico. O nitreto de alumínio é excelente isolante elétrico porque seus elétrons estão fortemente ligados ao núcleo e não estão disponíveis para ligação metálica. [6]
O nitreto de alumínio pode ser encontrado em três formas: Wurtzita é a forma mais comum, porque pode ser encontrada em temperatura ambiente. Ambas as outras formas são as fases metaestáveis: a forma Zincblende é mais freqüentemente obtida quando o crescimento em Si (001) e GaAs (100) a granel, e a outra forma é a cúbica, conhecida como Rocksalt, que foram encontrados apenas em experimentos com alta pressão. A orientação de crescimento preferencial do Wurtzite está no eixo c. [7]
Representação esquemática da estrutura cristalina do nitreto de alumínio, a Wurtzita. Tetraedro formado por um átomo de Al e quatro de N.[8]
Ionicidade AlN
A ionicidade da ligação atômica é um parâmetro significante para obter informações sobre a estrutura cristalina do AlN. A ionicidade pode ser definida de acordo com a relação da equação abaixo, que é uma fração do iônico fiα em comparação com o covalente fih. A ionicidade do nitreto dos principais semicondutores é citada na Tabela 1.[9]
Ionicidade por Phillips (fi) , Pauling (fiP) e Harrison (fih) para nitretos semicondutores. [9]
Material
fi
fiP
fih
BN
0,221
0,42
0,43
AlN
0,490
0,56
0,57
GaN
0,500
0,55
0,61
InN
0,578
-
-
A ionicidade Phillips é baseada na conexão entre as propriedades de ligação química da família ANB8-N de cristais e sua estrutura eletrônica de banda de energia. Analisando a energia iônica e covalente, Phillips encontrou uma correlação entre a ionicidade da ligação química e a estrutura cristalina adotada pelo composto que para valores reduzidos de (fi), consequentemente tem alta fc e então apresenta estrutura tetraédrica com coordenada zinco -blend (zb). A estrutura Wurtzita é obtida quando os valores de fi são altos. De acordo com Phillips[10] a ligação química observada presente nos semicondutores e a estabilização da estrutura do material entre a mistura de zinco e a wurtzita são o resultado do equilíbrio entre a ionicidade e a ligação química covalente.[10]
Parâmetros de Rede
O grupo de simetria do material é definido pela distância entre átomos na rede cristalina e o arranjo na estrutura e com isso é possível explicar as propriedades físicas e químicas de um material. Para definir a simetria de uma estrutura hexagonal é necessário definir os parâmetros de rede do AlN, a = 0,3112 nm e c = 0,4982 nm. A constante de rede e a simetria estão expostas na tabela abaixo.
Estrutura cristalina, grupo espacial, constantes de malha a e c (T = 300K) para nitretos semicondutores; d = diamante, zb = blende, h = hexagonal, w = wurtzita e rs = cúbico.[9]
Material
Estrutura
Simetria
a (Å)
c (Å)
c-BN
zb
F_43m(Td)
3,6155
-
h-BN
h
P63/mmc(D6h)
2,5040
6,6612
w-AlN
w
P63mm(C6v)
3,112
4,982
c-AlN
zb
F_43m(Td)
4,38
-
α-GaN
w
P63mc(C6v)
3,1896
5,1855
β-GaN
zb
F_43m(Td)
4,52
-
InN
W
P63mc(C6v)
3,5848
5,760
Plano de Clivagem
Outro parâmetro que depende dos átomos dispostos na estrutura é o plano de clivagem, esta propriedade é mostrada na Tabela abaixo.
Planos de clivagem para várias estruturas cristalinas do grupo III-V. [9]
Diamante
(111)
Blende
(110)
Wurtzita
(110), (110)
Cúbica
(100)
Propriedades Mecânicas
Embora o AlN possua propriedades mecânicas significativas acima mencionadas, sua dureza (Dureza Vickers) é de 12 GPa, o módulo de elasticidade é de 315 GPa e a resistência à flexão está entre 590 - 970 MPa. Além disso, o nitreto de alumínio é capaz de se deformar plasticamente em alguns graus acima do dúctil a frágil. Além dessas propriedades mecânicas, o AlN possui alta temperatura e resistência à corrosão.
Propriedades Térmicas
As propriedades térmicas dos nitretos monocristais são baseadas no alto ponto de fusão (> 2000 ºC), porém o nitreto de alumínio é um material de difícil reprodução de crescimento dos monocristais. Assim, o ponto de fusão do AlN pode ser obtido com base nos parâmetros de rede usando a Equação 2. As propriedades térmicas básicas, como a temperatura de fusão, o calor específico e a temperatura de Debye de alguns nitretos semicondutores são mostradas na Tabela 4.[11]
sendo
a = parâmetro de rede para estruturas blend e cúbicas
a = aeef, aeef = para haxagonal
O AlN possui estabilidade térmica de até 2200 ºC, condutividade térmica de cerca de 320 W / mK e boa capacidade de metalização. [5] Apenas para comparação, a condutividade térmica do SiO2 é de 1,38 W / mK. Esta característica permite uma melhor dissipação de calor no dispositivo em que é aplicada, aumentando a eficiência e, consequentemente, a vida útil do dispositivo.[11]
Ponto de fusão, calor específico e temperatura de Debye para nitretos semicondutores.[9]
Material
Tm (K)
Cp (J/gk)
ΘD (K)
c-BN
3,246
0,643
1,613
h-BN
-
0,805
323
w-AlN
3,487
0,28
988
α-GaN
2,791
0,42
821
InN
2,146
2,274
674
Propriedades Elétricas e Ópticas
Devido a estas propriedades térmicas, o nitreto de alumínio é o material mais apropriado para ser aplicado em dispositivos eletrônicos que exigem demanda de alta potência. A condutividade térmica de alguns nitretos é apresentada na Tabela de Condutividade.
A metodologia para preparar amostras precisa de atenção porque pode interferir nas propriedades do material, como propriedades ópticas e elétricas, normalmente as impurezas encontradas são: O, Al2O3, Al2OC. As impurezas fazem com que propriedades elétricas como a resistividade variar em uma faixa muito grande de 1011 a 1013 Ω.cm. O AlN também possui uma das mais altas velocidades de ondas acústicas de superfície (SAW) (aproximadamente 5500 m/s), tornando-se um material atraente para a aplicação de circuitos integrados Si e na fabricação de dispositivos SAW.[11]
O efeito de impurezas no material também produz uma forte mudança na resistência dielétrica que varia de 1 a 6 MV / cm.[13][14]Normalmente, o valor típico do bandgap correspondente aos títulos Al-N é em torno de 670 cm-1 e pode ser diminuído com o recozimento pós-processamento, devido ao estreitamento da largura da banda vibracional que contribui para uma melhoria na cristalinidade do filme.[15] Os valores típicos de bandgap (~6,2 eV) também são afetados pela presença das impurezas no filme depositado. [16]
