氮化铝：半导体界“封神”|氧化铝|氮化铝|碳化硅|粉体

氮化铝的结构与性能

氮化铝（AlN）是一种共价键为主的晶体，属于六角晶系类金刚石氮化物，具有特宽禁带（6.2eV）和非常大的激子束缚能，属于直接带隙半导体。由于其晶体结构与BeO和SiC等材料相似，且具有高度方向性的共价键特性，因此AlN展现出优异的热导率等物化性能。

同时，AlN具备出色的热导率与介电性能，兼具高硬度、高机械强度、耐腐蚀性及高熔点等特点，使其成为多领域应用的理想选择。在需要高效散热的功率器件或者对机械性能及稳定性要求严苛的工作条件下，AlN均可提供可靠保障。

热学性能方面，由于AlN的强共价键增强了原子间的结合力，减少了声子散射概率，使声子平均自由程显著延长，从而提升热传输效率，使其理论热导率高达320 W∙m-1∙K-1；远高于氧化铝等传统陶瓷材料，能有效传导和散发热量，同时，其热膨胀系数与硅相近，可作为电子器件的封装材料，减少因热膨胀不匹配导致的应力问题。

电学性能方面，AlN陶瓷展现了出色的介电特性。其电阻率通常位于1014Ω·cm到1016Ω·cm之间；在介电强度方面，AlN陶瓷可承受> 15 kV/mm的击穿场强，因而在高压电力电子封装领域具有独特优势。此外，其介质损耗因数低于0.0005，这一特性使其在高频应用中表现出色，有助于减少信号延迟和能量损耗[1，2]。

力学性能方面，AlN展现出优异的综合机械特性。其维氏硬度在室温条件下典型值为11–15GPa；其弹性模量接近碳化硅（SiC）的力学刚性水平；莫氏硬度为7–8；抗弯强度为300-400Mpa以及良好的断裂韧性，这两项关键力学性能指标均优于传统Al2O3陶瓷。

化学性能方面，AlN对酸、碱等腐蚀介质表现出良好的耐受性，可在多种化学环境中保持优秀的耐腐蚀能力。同时，AlN在高温条件下（>800℃）仍表现出独特的化学特性：一方面其表面可形成致密的氧化层，赋予材料优异的耐高温氧化性能；另一方面，由于与多数金属间较低的界面能特性，AlN在熔融状态下对许多金属（如铜、铝等）表现出显著的不润湿性，这为其在高温封装和复合材料领域提供了应用优势[1]。

图2不同陶瓷性能对比图[3]

氮化铝粉体的制备技术

金属铝粉直接氮化法

直接氮化法通常在持续流动的氮气和氨气气氛下，在高于900℃的温度下促使Al与气氛的反应，从而生产AlN粉体，其化学反应方程式如下所示：

2Al+N2→2AlN

该方法在工业应用中确实存在便利性，但直接氮化法也存在着缺点：在氮化过程中由于Al粉的熔点较低（约600℃），在高温氮化（900℃–1300℃）的过程中，因为氮化反应为放热反应，所以容易导致Al粉熔化团聚，阻碍其与氮气或氨气的接触，导致反应初期Al粉表面会生成氮化物薄膜，进一步阻止气氛渗透，致使反应转化率降低。针对这个问题，Zhang等人[4]使用高活性的氨气来替代传统的氮气作为反应气氛，其研究揭示了氨气的作用与机制：在低温阶段，由于氨气的高反应活性，在相对低温条件下即可促使铝液解离并形成表面AlN层；随后，随着温度的升高，由于AlN层与铝液的热膨胀系数存在差异，导致AlN膜破裂，从而提高Al的转化率。

碳热还原法

碳热还原法（CRN）是当前制备AlN粉体的重要工艺之一。该方法以Al2O3粉体和高纯炭黑（C）作为前驱体，充分混合后置于流动的N2气氛中，并在1400 ℃–1800 ℃的高温条件下进行反应。CRN法优势在于原料来源广，工艺流程简洁，所合成的AlN粉体颗粒粒径分布均匀，团聚程度低，粉体纯度高。不足之处在于能耗较大，原料价格高，在反应后阶段需要二次除碳，如果除碳工艺不合适，容易造成粉体氧、碳含量不易控制，影响材料热导率。为改善反应条件，国内外研究人员围绕着碳热还原氮化法制备氮化铝粉体进行了大量的研究。

在铝源和碳源的研究中，秦明礼等[5]对比了氧化铝、碳黑为铝源和碳源的反应与硝酸铝、葡萄糖为铝源和碳源的反应，发现以氧化铝为铝源，以碳黑为碳源的反应体系，反应温度高，反应速度慢，反应产物粒度大。

在添加剂研究中，Komeya等人[6]研究发现，通过系统研究各类添加剂（Y2O3、CaF2、CoCO3、SiO2等）对CRN法合成AlN粉体过程中氮化反应的影响，将添加剂划分为三类（促进、无作用、妨碍作用），研究结果表明，Y2O3和CaF2表现出最优的促进作用，能够将反应的活化能降低，提高氮化速率。

自蔓延高温法

自蔓延高温合成法（SHS）又称燃烧合成法，是另一种基于Al粉直接进行氮化反应制备AlN粉体的方法。该法是在高压N2气氛中进行实验，当外部热源引燃高纯Al粉后，Al和N之间剧烈的放热反应可迅速升温，并自主的维持高温状态，使得在反应过程中无需外部能量介入。这种方法优势在于反应速率大幅增加，反应温度较低，能耗和成本低。但其固有缺陷仍然制约其工业化应用，主要表现为：反应速度快、过程难以控制，由于铝粉氮化是一个强放热反应，铝粉会被迅速熔化并结成铝块，导致氮化不完全，产物粉体中出现氮含量低、成分不均匀、团聚严重等现象。

为解决这些问题，研究者们围绕AlN粉体自蔓延高温法的制备技术与工艺开展研发工作，寻求该法可生产用于制造电子陶瓷基板、高质量的氮化铝粉体要求。乔梁等[7]掌握了燃烧合成过程控制燃烧行为的关键，采用独特的梯度分布控制对粉体制备过程进行有效控制，获得适合于流延法生产氮化铝陶瓷基板的高质量氮化铝粉体，所制备的陶瓷基板热导率高达138W/mK。

化学气相沉积法

化学气相沉积法（CVD）是一种能够制备出颗粒均匀、纯度高、比表面积大的AlN粉体的有效方法。主要是在反应室内引入挥发性铝源化合物（卤化铝或烷基铝）与氨气（NH3）发生反应，其中NH3在反应过程中分解提供活性氮原子，从而在气相中沉积制备得到AlN粉体。该法优势在于产物纯度高，颗粒尺寸小，缺点是生产成本高，设备要求高，产量小。然而，由于烷基铝价格昂贵和储存和运输的特殊要求（需要惰性气体的保护），导致该工艺仍主要应用于实验室研究阶段，尚未实现大规模工业化应用。

氮化铝在半导体领域中的应用

电子封装基板

随着功率器件特别是第三代半导体的崛起与应用，半导体器件逐渐向大功率、小型化、集成化、多功能等方向发展，对封装基板性能也提出了更高要求。常用电子封装陶瓷基片材料包括氧化铝（Al2O3）、氮化铝（AlN）、氮化硅（Si3N4）、氧化铍（BeO）、碳化硅（SiC）等。

相比于其他陶瓷材料，AlN的导热率较高，室温时理论导热率最高可达320W/(m·K)，是氧化铝陶瓷的8～10倍，实际生产的热导率也可高达200W/(m·K)。同时AlN陶瓷的硬度较高，热膨胀系数与硅接近，体电阻率较高，介电常熟低、介电损耗小，此外该材料无毒，耐高温耐腐蚀，其综合性能优于氧化铝和氧化铍,是新一代半导体基片和电子器件封装的理想材料[8]。

在第三代半导体、5G通信、新能源汽车等新兴产业的推动下，全球氮化铝陶瓷基板市场需求正迎来爆发式增长。据行业研究机构TrendForce预测，全球市场规模将从2025年的52亿美元增长至2030年的138亿美元，年复合增长率达21.7%，其中高端产品的增速将超过25%。从从需求结构来看，功率半导体是最大应用领域，2024年占比达45%，随着SiC、GaN器件在新能源汽车、光伏逆变器中的渗透率提升，预计2030年这一占比将升至60%以上。

半导体设备零部件[9，10]

氮化铝陶瓷因其独特的物化性能，在半导体行业中扮演着越来越重要的角色。在半导体制造领域，静电卡盘作为关键组件之一，其设计与材料选择对整个生产流程的稳定性和效率起关键作用。鉴于静电卡盘需要在等离子体环境及高温腐蚀气体中稳定运行，其材料必须具备耐热冲击、抗等离子冲击及抗化学腐蚀的特性。

主流的静电卡盘材料是氧化铝和氮化铝。其中氮化铝陶瓷因具备高热导率、优异的化学稳定性、较低的介电损耗和介电常数，以及与硅相近的热膨胀系数等一系列优良属性，被视为制造静电卡盘的优选材料。这些特性不仅保障了静电卡盘在极端工作环境下的结构完整性和功能稳定性，而且有利于提升半导体生产过程的整体性能和可靠性。为了使AlN陶瓷能够更好的应用于J-R型静电卡盘，需要在较低烧结温度下就能得到结构致密且室温电阻率为108~1012 Ω·cm的AlN陶瓷[10]。

此外，在半导体设备零部件中，氮化铝陶瓷具备高导热性，且能在短时间内实现快速升温和降温，还具有良好的电绝缘性和机械强度，选用氮化铝作为加热器材料确保了其稳定性和可靠性。在HDP-CVD设备中，常用来制备陶瓷喷嘴的材料有氧化铝和氮化铝，由于氮化铝陶瓷的热导率和抗热震性比氧化铝更好，喷嘴不会因为等离子体腐蚀产生杂质污染，也不会因为热形变造成装配部件的磨损带来杂质污染，从而确保喷嘴不会对反应气体和反应腔体造成任何的杂质污染风险，可以更好地满足先进制程HDP-CVD设备中的应用要求。

半导体衬底材料[11，12]

近年来，氮化铝（AlN）因其卓越的性能而成为极具潜力的新一代超宽带隙半导体、关键性战略新材料。氮化铝（AlN）在室温下禁带宽度为6.2eV，其具有优异的电学性质、热学性质和声光学性质等弥补了硅和砷化镓在内的第一代和第二代半导体材料在物理性能方面的不足。

从图3中可以看出，AlN材料拥有其它材料无法比拟的优异物理性能，是异质外延生长GaN、AlGaN以及AlN材料的理想衬底材料。与其它常见衬底材料（如蓝宝石或碳化硅）相比，AlN与GaN晶格失配以及热失配更低、衬底与外延层间的应力更小，因此AlN晶体作为GaN外延衬底时可极大地降低器件中的缺陷密度，提高器件的各项性能，在制备高温、高频、高功率电子器件方面都有着极其好的应用前景。

2023年国内的奥趋光电公司在从Φ51 mm氮化铝球切片的氮化铝种子上进行外延，并通过横向膨胀技术迭代扩大直径，直到获得Φ76 mm球状晶体。同年9月，旭化成(Asahi Kasei)旗下公司Crystal IS在其官网宣布成功生产出直径为4英寸（100毫米）的单晶氮化铝基板。这是目前报道的最大尺寸的氮化铝衬底，展示了PVT工艺用于生长AlN块状单晶的可扩展性。

氮化铝薄膜材料

AlN薄膜是一种直接带隙半导体材料，在机械、电学、光学等方面性能优异。近年来，以GaN为基础的蓝/绿光器件发展迅速，但GaN生长面临缺乏合适衬底的瓶颈。由于AlN与GaN具有良好的晶格匹配和热匹配，生长高质量AlN薄膜具有重要意义，可作为缓冲层提升GaN晶体质量，进而改善探测器等器件性能。

此外，AlN的介电常数约为8–9，是理想的绝缘材料，适用于高温器件，并可替代SiO₂作为SOI的绝缘层。AlN还在探测器、真空紫外光源、太阳能电池增透膜及大功率高温电子器件封装等领域具有广泛应用。因此，研究AlN薄膜的生长具有重要价值。

来自清华大学的潘峰课题组对AlN薄膜进行了详细的研究，他们采用磁控溅射的方法制备AlN薄膜，然后研究其压电特性。研究发现，通过掺杂手段，将钽元素掺入到AlN薄膜中，可以极大地增加AlN薄膜的压电响应[13]。

总结

氮化铝凭借其“散热+绝缘+宽禁带”的多功能特性，被誉为固态光源、电力电子、微波射频器件的“核芯”，是全球半导体技术研究的前沿和战略竞争的焦点。随着AI算力需求爆炸式增长，散热已成为与晶体管设计同等重要的核心技术，尽管当前面临制备成本和工艺成熟度的挑战，但其在解决未来半导体“热管理”和“高频高压”瓶颈中的具有巨大的发展前景。

参考文献：
[1]李城臣.高导热氮化铝粉体制备工艺及性能研究[D].西安石油大学, 2025.
[2]Nasery H, Pugh M, Medraj M. Novel fabrication process of AlN ceramic matrix composites at low temperatures [J]. Science and Engineering of Composite Materials, 2011, 18(3): 117 125.
[3]石功奇, 王健, 丁培道. 高导热氮化铝基片材料的研究现状[J]. 硅酸盐通报, 1993, (02): 37–42.
[4] Zhang D, Liu F M, Cai L G, et al. Formation of novel core–shell and tadpole-like structures in the direct nitridation of aluminum powder by N2 and NH3 [J]. Journal of alloys and compounds, 2013, 547: 91–99.
[5]秦明礼,杜学丽,李帅,等. 沉淀前驱物制备AlN陶瓷粉末[J]. 中国有色金属学报,2005,15(12):1974-1979.
[6]Komeya K, Mitsuhashi E, Meguro T. Synthesis of AlN Powder by Carbothermal Reduction-Nitridation Method Effect of Additives on Reaction Rate [J]. Journal of the Ceramic Society of Japan, 1993,101(1172): 377–382.
[7]乔梁, 周和平,林友龙,冯泽松.一种合成高性能氮化铝粉体的方法,国家发明专利:ZL200310113249.5.
[8]王超, 彭超群, 王日初, 等. AlN 陶瓷基板材料的典型性能及其制备技术[J]. 中国有色金属学报, 2007, 11: 000.
[9]罗钱.氮化铝陶瓷电性能调控及J-R型静电卡盘的制备研究[D]. 华中科技大学,2024.
[10]陶近翁,贺婷婷,邱立功.半导体陶瓷零部件种类及应用[J].佛山陶瓷,2024,34(05):1-4.
[11]齐志华.AlN单晶衬底的制备及研究进展[J].电子工业专用设备,2021,50(03):1-7.
[12]Grandusky J R，Chen J F，Gibb S R，et al. 270 nm Pseudomorphic Ultraviolet Light-Emitting Diodes with Over 60 mW Continuous Wave Output Power[J]. Applied Physics Express，2013，6(3)：3.
[13]H. Liu, F. Zeng, G. Tang, F. Pan. Enhancement of piezoelectric response of diluted Ta doped AlN [J]. Applied Surface Science. 2013, 270:225-30.