질화 알루미늄(AlN, Aluminium Nitride)

질화알루미늄(AlN)은 알루미늄의 고체 질화물이다. 최대 321W/(m·K의 높은 열전도율을 가지는 전기 절연특성을 가지는 물질이며, 실온에서 ~ 6eV의 높은 밴드갭을 가지고 있어 자외선 LED 나 반도체 등에 사용이 검토되고 있다.

 

주요 물성

분자량 : 40.99 g/mol, 색상 : 흰색~옅은 노란색, 밀도 3.26 g/cm3, 전기이동도 약 300 cm2/Vs, 밴드갭 : 6.0 eV

 

주요 특성

AlN은 1862년 F. Briegleb와 A. Geuther에 의해 처음 합성되었다. 순수한 AlN의 전기전도도는 10−13 Ω−1⋅cm−1이며 도핑되면 10−5~10−6 Ω−1⋅cm−1로 상승한다. 절연파괴는 1.2~1.8×105 V/mm로 다른 반도체 물질 대비 높은 편이다. AlN의 결정구조는 wurtzite 이며, 입방상(zb-AlN)의 AlN은 고압에서 초전도성을 나타낼 수 있을 것으로 예측되기도 한다. wurtzite AlN은 알루미늄과 질소 원자 사이의 전기 음성도의 큰 차이로 인해 wurtzite AlN에서 화학 결합의 강한 이온 특성을 가져 자발적 분극을 가진다. AlN은 밴드갭에너지가 매우 높고, 열전도도가 매우 높은데, 이것은 작은 원자 질량, 강한 원자 간 결합 및 간단한 결정 구조 때문이다. 이러한 특성으로 인해 AlN은 고속 및 고전력 통신 네트워크에 적용이 많이 연구되고 있다.

질화알루미늄은 불활성 대기의 고온에서 안정적이며 약 2,200°C(2,470K)에서 용융된다. 진공 상태에서 AlN은 ~1,800°C(2,070K)에서 분해된다. 공기 중에서 표면 산화는 700°C(973K) 이상에서 발생하며 실온에서도 5–10nm 두께의 표면 산화물 층이 발생할수 있는데,. 이 산화물 층은 최대 1,370°C(1,640K, 2,500°F)까지 재료를 보호할 수 있다. 단, 이 온도 이상에서는 물질 전체에서 산화가 발생한다.

AlN은 무기산에 천천히 용해되고 강 염기에 용해된되며, 물에 천천히 가수분해된다.

 

그림. Aluminium Nitride의 결정구조 (출처 : www.researchgate.net)

제조

AlN은 기체 질소 또는 암모니아가 있는 상태에서 산화알루미늄의 환원공정으로 제조되거나,는 알루미늄의 직접 질화에 의해 합성된다. Y2O3 또는 CaO와 같은 소결 보조제가 사용되기도 한다.

 

응용

Epitaxy 등을 통해 성장한 결정질의 박막 AlN은 특유의 압전 특성으로 인해 음파센서(SAW)에 사용되기도 하며, 최근에는 고분자 기판에 압전AlN 필름을 증착하여 유연한(Flexible) SAW 장치도 가능해지게 되었다. 또한, 휴대폰에 널리 사용되는 RF 필터, 즉 박막 벌크 음향 공진기(FBAR, thin-film bulk acoustic resonator)로 사용되는데, 두 개의 금속층 사이에 끼워진 질화알루미늄을 사용하는 MEMS 소자이다. AlN은 또한 초음파를 방출하고 수신하며 최대 미터의 거리에서 공기 중 거리 측정에 사용할 수 있는 압전 미세 가공 초음파 변환기를 만드는 데 사용되기도 한다. AlN은 독성 가스 등에 대한 화학센서로도 많이 사용된다. 현재 질화갈륨 기반 반도체를 사용하여 자외선에서 작동하는 발광 다이오드를 개발하는 연구가 많이 이루어지고 있으며, 알루미늄 갈륨 질화물(GaxAl1-xN)을 사용하여 250nm 정도의 단파장 UV를 방출하는 LED가 개발되었다.

AlN 기반 고전자 이동도 트랜지스터(HEMT)는 우수한 열 관리, 버퍼 누출 감소, 모든 질화물 전자 장치에 대한 탁월한 집적성과 같은 AlN의 우수한 특성으로 인해 많은 관심을 받고 있다. AlN 완충층은 AlN 기반 HEMT의 중요한 구성 요소이며, 다양한 기판에서 MOCVD 또는 MBE를 구현되었다. 또한 AlN 자체로 반도체의 사용이 많이 연구되었다. 반도체는 특유의 열전도도와 밴드갭과 항복전압으로 고온, 고압의 환경에서 사용하는 반도체로서의 사용이 많이 검토되고 있다.