窒化アルミニウム

窒化アルミニウム

名前
その他の名前 窒化アルミニウム
識別子
CAS番号	24304-00-5 はい
3Dモデル（JSmol）	インタラクティブ画像 インタラクティブ画像
チェビ	チェビ:50884 はい
ケムスパイダー	81668 はい
ECHA 情報カード	100.041.931
EC番号	246-140-8
グメリン参照	13611
パブケム CID	90455
RTECS番号	BD1055000
ユニ	7K47D7P3M0 はい
CompTox ダッシュボード ( EPA )	DTXSID8066977
InChI InChI=1S/Al.N はい キー: PIGFYZPCRLYGLF-UHFFFAOYSA-N はい InChI=1/Al.N/rAlN/c1-2 キー: PIGFYZPCRLYGLF-PXKYIXAJAH
笑顔 [AlH2-]1[N+]47[AlH-]2[N+][AlH-]3[N+]8([AlH2-][NH+]([AlH2-]4)[AlH2-]6)[AlH-]4[N+][AlH-]5[N+]6([AlH2-]6)[Al-]78[N+]78[AlH-]([NH+]69)[NH+]5[AlH2-][NH+]4[AlH-]7[NH+]3[AlH2-][NH+]2[AlH-]8[NH+]1[AlH2-]9 [AlH2-]1[NH+]([AlH2-]6)[AlH2-][NH+]7[AlH-]2[N+][Al-]3([N+][AlH-]9[N+]5)[N+]18[Al-]45[N+][AlH-]5[NH+]6[Al-]78[N+]78[AlH2-][NH+]5[AlH2-][N+]4([AlH2-][NH+]9[AlH2-]4)[AlH-]7[N+]34[AlH2-][NH+]2[AlH2-]8
プロパティ
化学式	アルN
モル質量	40.989 g/モル[1]
外観	白色から淡黄色の固体
密度	3.255 g/cm3 [ 1]
融点	2,500 °C (4,530 °F; 2,770 K) [6]
水への溶解度	加水分解（粉末）、不溶性（単結晶）
溶解度	不溶性、塩基および酸の水溶液中で加水分解される[2]
バンドギャップ	6.015 eV [3] [4]（直接）
電子移動度	約300 cm 2 /(V·s)
熱伝導率	321 W/(m·K) [5]
構造[7]
結晶構造	ウルツ鉱
空間群	C 6v 4 - P 6 3 mc、No. 186、hP4
格子定数	a  = 0.31117 nm、c  = 0.49788 nm
数式単位( Z )	2
座標幾何学	四面体
熱化学[8]
熱容量 ( C )	30.1 J/(モル·K)
標準モル エントロピー ( S ⦵ 298 )	20.2 J/(モル·K)
標準生成エンタルピー (Δ f H ⦵ 298 )	−318.0 kJ/モル
ギブスの自由エネルギー (Δ f G ⦵ )	−287.0 kJ/モル
危険
GHSラベル:
ピクトグラム
シグナルワード	警告
危険有害性情報	H315、H319、H335、H373、H411
注意事項	P260、P261、P264、P271、P280、P301+P330+P331、P302+P352、P303+P361+P353、P304+P340、P305+P351+P338、P310、P312、P321、P332+P313、P337+P313、P362、P363、P403+P233、P405、P501
NFPA 704 (ファイアダイヤモンド)	1 0 0
特に記載がない限り、データは標準状態（25 °C [77 °F]、100 kPa）の材料に関するものです。 はい 確認する （何ですか  ？） はいいいえ インフォボックス参照

窒化アルミニウム（AlN ）は、アルミニウムの固体窒化物です。最大321W/(m·K) ^[5]の高い熱伝導率を持ち、電気絶縁体です。ウルツ鉱相（w-AlN）は室温で約6eVのバンドギャップを持ち、深紫外線周波数で動作するオプトエレクトロニクスへの応用が期待されています。

AlNは1862年にF.ブリーグレブとA.ゲウターによって初めて合成されました。^{[9] [10]}

AlNは、純粋（未ドープ）状態では10 ⁻¹¹ –10 ⁻¹³  Ω ⁻¹ ⋅cm ^−1の電気伝導率を持ち、ドープすると10 ⁻⁵ –10 ⁻⁶  Ω ⁻¹ ⋅cm ⁻¹に上昇する。^[11]電気破壊は1.2–1.8 × 10 ^5V  /mm（絶縁耐力）。 ^[11]

この物質は主に六方晶ウルツ鉱型結晶構造で存在するが、主に薄膜の形で合成される準安定立方晶閃亜鉛鉱型相も有する。AlNの立方相（zb-AlN）は高圧下で超伝導を示すことが予測されている。^[12] AlNウルツ鉱型結晶構造では、AlとNがc軸に沿って交互に並び、各結合は単位格子あたり4つの原子で四面体配位されている。

ウルツ鉱型AlNのユニークな固有特性の 1 つは、自発分極です。自発分極の原因は、アルミニウム原子と窒素原子の電気陰性度の大きな差により、ウルツ鉱型 AlN の化学結合が強いイオン性を持つことです。さらに、非中心対称のウルツ鉱型結晶構造により、c 軸に沿って正味の分極が生じます。他の III 族窒化物材料と比較すると、AlN は結晶構造の非理想性が高いため、自発分極が大きくなっています (P _sp : AlN 0.081 C/m ² > InN 0.032 C/m ² > GaN 0.029 C/m ² )。^[13]さらに、AlN の圧電特性により、歪みを受けると内部に圧電分極電荷が生じます。これらの分極効果を利用すると、意図的なドーピングをまったく必要とせずに、III 族窒化物半導体ヘテロ構造界面で高密度の自由キャリアを誘導できます。極性方向に沿った反転対称性が破れているため、AlN 薄膜は金属極性面または窒素極性面のどちらにも成長させることができます。そのバルクおよび表面特性は、この選択に大きく依存します。現在、両極性の分極効果を調査中です。

AlNの臨界自発分極定数と圧電分極定数は以下の表に示す通りである。^{[13] [14]}

AlNは高い熱伝導率を持ち、高品質のMOCVD法で成長したAlN単結晶は、第一原理計算と一致して321 W/(m·K)の固有熱伝導率を持っています。^[5] 電気絶縁性セラミックの場合、多結晶材料では70～210 W/(m·K)、単結晶では285 W/(m·K)にもなります。^[11]

AlNは、広くて直接的なバンドギャップ（SiCやGaNのほぼ2倍）と大きな熱伝導率の両方を備えた数少ない材料の1つです。^[15]これは、原子量が小さく、原子間結合が強く、結晶構造が単純であるためです。^[16]この特性により、AlNは高速および高出力通信ネットワークへの応用に魅力的です。多くのデバイスは、大量のエネルギーを少量かつ高速で処理および操作するため、AlNの電気絶縁性と高い熱伝導性により、高出力パワーエレクトロニクスの潜在的な材料になります。 III族窒化物材料の中で、AlNは窒化ガリウム（GaN）と比較して熱伝導率が高いです。したがって、多くの電力および無線周波数電子デバイスにおける放熱の点で、AlNはGaNよりも有利です。

熱膨張率は高温用途におけるもう一つの重要な特性である。AlNの300Kにおける計算上の熱膨張係数はa軸方向で4.2×10 ⁻⁶ K ⁻¹ 、 c軸方向で5.3×10 ⁻⁶ K ^{−1である。 [17]}

窒化アルミニウムは不活性雰囲気下では高温でも安定しており、約 2,200 °C (2,470 K; 3,990 °F) で融解します。真空中では、AlN は約 1,800 °C (2,070 K; 3,270 °F) で分解します。空気中では、700 °C (973 K; 1,292 °F) 以上で表面酸化が起こり、室温でも 5～10 nm の厚さの表面酸化層が検出されています。この酸化層は 1,370 °C (1,640 K; 2,500 °F) まで材料を保護します。この温度を超えると、バルク酸化が起こります。窒化アルミニウムは、水素および二酸化炭素雰囲気中では 980 °C (1,250 K; 1,800 °F) まで安定しています。^[18]

この物質は、鉱酸では粒界攻撃によりゆっくりと溶解し、強アルカリでは窒化アルミニウム粒子への攻撃によりゆっくりと溶解します。この物質は水中でゆっくりと加水分解します。窒化アルミニウムは、塩化物や氷晶石を含むほとんどの溶融塩からの攻撃に対して耐性があります。^[19]

窒化アルミニウムはCl2ベースの反応性イオンエッチングでパターン化することができる_。 [ 20 ] ^{[ 21]}

AlNは、窒素ガスまたはアンモニアガスの存在下での酸化アルミニウムの炭素熱還元、またはアルミニウムの直接窒化によって合成されます。 ^{[22]高密度の工業用材料を製造するには、Y} ₂ O ₃やCaOなどの焼結助剤の使用とホットプレスが必要です。^[要出典]

エピタキシャル成長した薄膜結晶性窒化アルミニウムは、 AlNの圧電特性のため、シリコンウェーハ上に堆積された表面弾性波センサー（SAW）に使用されています。材料科学の最近の進歩により、ポリマー基板上に圧電AlN膜を堆積できるようになり、柔軟なSAWデバイスの開発が可能になりました。^[23] 1つの用途は、携帯電話で広く使用されているRFフィルターで、 ^[24]薄膜バルク音響共振器（FBAR）と呼ばれています。これは、2つの金属層の間に挟まれた窒化アルミニウムを使用するMEMSデバイスです。 ^[25]

AlNは圧電マイクロマシン超音波トランスデューサーの製造にも使用され、超音波を送受信し、最大1メートルの距離の空中距離測定に使用できます。^{[26] [27]}

AlNをアルミナや酸化ベリリウムと同様の電子工学用途に使用できるようにするための金属化方法が利用可能である。カーボンナノチューブと等電子的な無機の準1次元ナノチューブであるAlNナノチューブは、有毒ガスの化学センサーとして提案されている。^{[28] [29]}

現在、窒化ガリウムベースの半導体を使用して紫外線で動作する発光ダイオードの開発に関する研究が盛んに行われており、アルミニウム窒化ガリウム合金を使用することで、250 nmという短い波長が達成されています。2006年には、210 nmでの非効率的なAlN LED発光が報告されました。^[30]

AlN ベースの高電子移動度トランジスタ(HEMT) は、優れた熱管理、バッファ リークの低減、すべての窒化物エレクトロニクスの優れた統合など、AlN の優れた特性により、高い注目を集めています。AlN バッファ層は、AlN ベースの HEMT の重要な構成要素であり、さまざまな基板上で MOCVD または MBE を使用して成長させてきました。AlN バッファの上に構築された、2D 電子ガス(2DEG) を備えた n チャネル デバイスと 2D 正孔ガス (2DHG) を備えた p チャネル デバイスが実証されています。高密度の 2DEG と 2DHG を同じ半導体プラットフォーム上に組み合わせることで、CMOS デバイスの候補となります。

酸化アルミニウムセラミックは重合反応を促進し、プラスチックや樹脂の製造における効率と一貫性を高めます。^[31]また、基板やヒートシンクとしてマイクロ波用途にも使用されます。[ ^32]アルミニウムガリウム窒化物（AlGaN）ベースの半導体を使用して紫外線領域で動作する発光ダイオード（LED）の製造を検討する研究者が増えています。^[33]

AlNの用途としては、

• オプトエレクトロニクス、
• 光記憶媒体の誘電体層、
• 電子基板、高熱伝導性が不可欠なチップキャリア、
• 軍事用途、
• ガリウムヒ素の結晶を成長させるためのるつぼとして、
• 鉄鋼および半導体製造。

• 窒化ホウ素
• リン化アルミニウム
• アルミニウムヒ素
• アルミニウムアンチモン
• 窒化ガリウム
• 窒化インジウム
• アルミニウムオキシナイトライド
• チタンアルミニウム窒化物、TiAlNまたはAlTiN

• ヘインズ、ウィリアム M. 編 (2016)。CRC化学・物理ハンドブック(第 97 版)。CRCプレス。p. 4.45。ISBN 9781498754293。