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Nitrure d'aluminium

Le nitrure d'aluminium est un semiconducteur III-V à gap direct de 6,015 eV[3] à 300 K. De formule chimique AlN, il s'agit d'une céramique réfractaire dont la conductivité thermique peut atteindre 321 W/m/K[7]. Il présente ainsi la particularité d'être à la fois isolant électrique et conducteur thermique, avec des conductivités mesurées de 25 à 319 W/m/K selon la structure du matériau, telle que monocristal[8], couche mince[9] ou nanofil[10]. Il est également résistant à l'oxydation et à l'abrasion, et présente des propriétés piézoélectriques intéressantes, avec un coefficient d33 compris entre 3,4[11] et 5,0[12] pm/V et un coefficient de couplage électromécanique voisin de 7 %[13].

Nitrure d'aluminium
Image illustrative de l’article Nitrure d'aluminium
Image illustrative de l’article Nitrure d'aluminium
__ Al __ N
Structure cristalline wurtzite du nitrure d'aluminium. En haut : poudre d'AlN.
Identification
Nom UICPA azanylidynealumane
Nom systématique nitrure d'aluminium(III)
Synonymes

nitrure d'aluminium
No CAS 24304-00-5
No ECHA 100.041.931
No CE 246-140-8
No RTECS BD1055000
PubChem 90455
SMILES
InChI
Apparence poudre beige inodore[1]
Propriétés chimiques
Formule AlN [Isomères]
Masse molaire[2] 40,988 2 ± 0,000 2 g/mol
Al 65,83 %, N 34,17 %,
Propriétés physiques
T° fusion 2 400 °C[1] (décomposition)
Masse volumique 3,26 g/cm3[1]
Propriétés électroniques
Bande interdite 6,015 eV[3]
Cristallographie
Système cristallin hexagonal[4]
Symbole de Pearson hP4
Classe cristalline ou groupe d’espace P63mc (no 186) [4]
Notation Schönflies C4
6v
Structure type wurtzite[5]
Paramètres de maille a = 311,0 à 311,3 pm, c = 497,8 à 498,2 pm[6]
Précautions
SGH[1]
SGH08 : Sensibilisant, mutagène, cancérogène, reprotoxiqueSGH09 : Danger pour le milieu aquatique
Attention
H373 et H410
Unités du SI et CNTP, sauf indication contraire.

La structure cristalline du nitrure d'aluminium est de type wurtzite, dans le système hexagonal selon le groupe d'espace P63mc (no 186) avec pour paramètres a = 311,17 pm et c = 497,88 pm. Elle peut également être de type blende, dans le système cubique selon le groupe d'espace F43m (no 216). Le coefficient de dilatation du polymorphe wurzite calculé le long de ses axes cristallographiques vaut 4,2 × 10−6 K−1 le long de l'axe a et 5,3 × 10−6 K−1 le long de l'axe c[14].

Le nitrure d'aluminium est ainsi l'un des rares matériaux à avoir une bande interdite large et à gap direct d'une part (presque deux fois plus large que celles du SiC et du GaN), et une conductivité thermique élevée d'autre part[15]. Ceci provient de sa faible masse atomique, de ses liaisons interatomiques fortes et de sa structure cristalline simple[16]. C'est ce qui rend ce matériau intéressant pour les applications aux réseaux de télécommunications haut débit à forte puissance, permettant notamment une meilleure dissipation thermique que le nitrure de gallium dans les équipements électroniques de puissance et radiofréquence.

Production

Le nitrure d'aluminium pulvérulent peut être produit à partir d'oxyde d'aluminium Al2O3, d'azote N2 ou d'ammoniac NH3, et d'un excès de carbone à une température d'au moins 1 600 °C à travers une réaction carbothermique :

2 Al2O3 + 9 C + 4 NH3 ⟶ 4 AIN + 3 CH4 + 6 CO ;
Al2O3 + 3 C + N2 ⟶ 2 AIN + 3 CO.

Une autre voie est la nitruration directe. Dans ce cas, de la poudre d'aluminium métallique ou d'Al2O3 est mise à réagir avec de l'N2 ou de l'NH3 pour former de l'AIN à des températures supérieures à 900 °C :

2 Al + N2 ⟶ 2AlN ;
Al2O3 + 2 NH3 ⟶ 2 AlN + 3 H2O.

Le nitrure d'aluminium en poudre est très sensible à l'hydrolyse. Dans l'eau, on peut observer une hydrolyse incomplète du nitrure d'aluminium en hydroxyde d'aluminium Al(OH)3 et ammoniac NH3. Le nitrure d'aluminium fritté massif n'est pas sensible à l'hydrolyse. L'hydroxyde de sodium NaOH décompose en revanche AlN fritté ou en poudre pour former de l'ammoniac et un hydrate d'aluminate de sodium Na[Al(OH)4] :

AlN + NaOH + 3 H2O ⟶ NH3 + Na[Al(OH)4].

Les dispositifs optoélectroniques et microélectroniques utilisent le nitrure d'aluminium sous forme de couches minces épitaxiées, réalisées principalement par :

Applications

Le nitrure d'aluminium trouve des applications potentielles en optoélectronique dans le domaine des ultraviolets, comme substrat pour des croissances épitaxiales et en électronique de puissance pour la fabrication de transistors hyperfréquence de puissance.

Actuellement, de nombreuses recherches sont menées pour produire des diodes électroluminescentes (LEDs) à émission UV utilisant du nitrure d'aluminium-gallium. En 2006, des chercheurs du laboratoire « Nippon Telegraph and Telephone » (NTT) au Japon ont rapporté la fabrication de diodes à base de nitrure d'aluminium atteignant des longueurs d'onde de l'ordre de 210 nm[22]. La recherche se poursuit encore autour de ce matériau pour diminuer la longueur d'onde d'émission des LEDs notamment par l'introduction d'AlN sous la forme de nanofils[23].

Le nitrure d'aluminium est aussi utilisé pour ces propriétés piézoélectriques. En effet, du fait de son module d'Young particulièrement élevé, il présente de hautes vitesses d'ondes acoustiques de l'ordre de 10 400 m/s[24]. Cette caractéristique en fait un matériau de choix pour les filtres à onde acoustique de surface de type SAW[25] (pour Surface Acoustic Wave) et les dispositifs à ondes acoustiques de volume de type FBAR[26] (pour Film Bulk Acoustic Wave Resonator).

Notes et références
  1. Entrée « Aluminium nitride » dans la base de données de produits chimiques GESTIS de la IFA (organisme allemand responsable de la sécurité et de la santé au travail) (allemand, anglais), accès le 12 janvier 2023 (JavaScript nécessaire)
  2. Masse molaire calculée d’après « Atomic weights of the elements 2007 », sur www.chem.qmul.ac.uk.
  3. (en) Martin Feneberg, Robert A. R. Leute, Benjamin Neuschl, Klaus Thonke et Matthias Bickermann, « High-excitation and high-resolution photoluminescence spectra of bulk AlN », Physical Review B, vol. 82, no 7,‎ , article no 075208 (DOI 10.1103/PhysRevB.82.075208, Bibcode 2010PhRvB..82g5208F, lire en ligne).
  4. (en) « AlN », sur https://materialsproject.org/ (DOI 10.17188/1268470, consulté le ).
  5. (en) Bodie Eugene Douglas et Shih-Ming Ho, Structure and Chemistry of Crystalline Solids, Pittsburgh, Springer Science + Business Media, Inc, , 346 p. (ISBN 978-0-387-26147-8, LCCN 2005927929).
  6. (en) Pradeep Bajracharya, « Aluminium Nitride:an overview of the physical properties », sur https://www.phys.lsu.edu/, Université d'État de Louisiane, (consulté le ).
  7. (en) Zhe Cheng, Yee Rui Koh, Abdullah Mamun, Jingjing Shi, Tingyu Bai, Kenny Huynh, Luke Yates, Zeyu Liu, Ruiyang Li, Eungkyu Lee, Michael E. Liao, Yekan Wang, Hsuan Ming Yu, Maki Kushimoto, Tengfei Luo, Mark S. Goorsky, Patrick E. Hopkins, Hiroshi Amano, Asif Khan et Samuel Graham, « Experimental observation of high intrinsic thermal conductivity of AlN », Physical Review Materials, vol. 4, no 4,‎ , article no 044602 (DOI 10.1103/PhysRevMaterials.4.044602, Bibcode 2020PhRvM...4d4602C, arXiv 1911.01595, S2CID 207780348, lire en ligne).
  8. (en) A. AlShaikhi et G. P. Srivastava, « Thermal conductivity of single crystal and ceramic AlN », Journal of Applied Physics, vol. 103, no 8,‎ , article no 083554-083554-6 (DOI 10.1063/1.2908082, Bibcode 2008JAP...103h3554A, lire en ligne).
  9. (en) P. K. Kuo, G. W. Auner et Z. L. Wu, « Microstructure and thermal conductivity of epitaxial AlN thin films », Thin Solid Films, vol. 253, nos 1-2,‎ , p. 223-227 (DOI 10.1016/0040-6090(94)90324-7, Bibcode 1994TSF...253..223K, lire en ligne).
  10. (en) Wu Li et Natalio Mingo, « Thermal conductivity of bulk and nanowire InAs, AlN, and BeO polymorphs from first principles », Journal of Applied Physics, vol. 114, no 18,‎ , article no 183505-183505-4 (DOI 10.1063/1.4827419, Bibcode 2013JAP...114r3505L, lire en ligne).
  11. (en) Marc-Alexandre Dubois et Paul Muralt, « Properties of aluminum nitride thin films for piezoelectric transducers and microwave filter applications », Applied Physics Letters, vol. 74, no 20,‎ , article no 3032 (DOI 10.1063/1.124055, Bibcode 1999ApPhL..74.3032D, lire en ligne).
  12. (en) G. Bu, D. Ciplys et M. Shur, « Electromechanical coupling coefficient for surface acoustic waves in single-crystal bulk aluminum nitride », Applied Physics Letters, vol. 84, no 23,‎ , article no 4611 (DOI 10.1063/1.1755843, Bibcode 2004ApPhL..84.4611B, lire en ligne).
  13. Jean-Christophe Moreno, « Étude de la croissance et des propriétés de films minces d’AlN épitaxiés par jets moléculaires sur substrat silicium : application aux résonateurs acoustiques et perspectives d’hétérostructures intégrées sur silicium » [PDF], sur https://theses.hal.science/, CCSD, CNRS, (consulté le ).
  14. (en) Glen A. Slack et S. F. Bartram, « Thermal expansion of some diamondlike crystals », Journal of Applied Physics, vol. 46, no 1,‎ , p. 89-98 (DOI 10.1063/1.321373, Bibcode 1975JAP....46...89S, lire en ligne).
  15. (en) Austin Lee Hickman, Reet Chaudhuri, Samuel James Bader, Kazuki Nomoto, Lei Li, James C. M. Hwang, Huili Grace Xing et Debdeep Jena, « Next generation electronics on the ultrawide-bandgap aluminum nitride platform », Semiconductor Science and Technology, vol. 36, no 4,‎ , article no 044001 (DOI 10.1088/1361-6641/abe5fd, Bibcode 2021SeScT..36d4001H, S2CID 233936255, lire en ligne Accès libre).
  16. (en) Runjie Lily Xu, Miguel Muñoz Rojo, S. M. Islam, Aditya Sood, Bozo Vareskic, Ankita Katre, Natalio Mingo, Kenneth E. Goodson, Huili Grace Xing, Debdeep Jena Eric Pop, « Thermal conductivity of crystalline AlN and the influence of atomic-scale defects », Journal of Applied Physics, vol. 126, no 18,‎ , article no 185105 (DOI 10.1063/1.5097172, Bibcode 2019JAP...126r5105X, arXiv 1904.00345, S2CID 90262793, lire en ligne).
  17. (en) Satoru Tanaka, R. Scott Kern et Robert F. Davis, « Initial stage of aluminum nitride film growth on 6H‐silicon carbide by plasma‐assisted, gas‐source molecular beam epitaxy », Applied Physics Letters, vol. 66, no 1,‎ , p. 37-39 (DOI 10.1063/1.114173, Bibcode 1995ApPhL..66...37T, lire en ligne).
  18. (en) Mizuho Morita, Norihiko Uesugi, Seiji Isogai, Kazuo Tsubouchi et Nobuo Mikoshiba, « Epitaxial Growth of Aluminum Nitride on Sapphire Using Metalorganic Chemical Vapor Deposition », Japanese Journal of Applied Physics, vol. 20, no 1,‎ , p. 17 (DOI 10.1143/JJAP.20.17/meta, Bibcode 1981JaJAP..20...17M, lire en ligne).
  19. (en) R. D. Vispute, Hong Wu et J. Narayan, « High quality epitaxial aluminum nitride layers on sapphire by pulsed laser deposition », Applied Physics Letters, vol. 67, no 11,‎ , p. 1549-1551 (DOI 10.1063/1.114489, Bibcode 1995ApPhL..67.1549V, lire en ligne).
  20. (en) A. J. Shuskus, T. M. Reeder et E. L. Paradis, « RF‐sputtered aluminum nitride films on sapphire », Applied Physics Letters, vol. 24, no 4,‎ , article no 155 (DOI 10.1063/1.1655132, Bibcode 1974ApPhL..24..155S, lire en ligne).
  21. (en) Yong Ju Lee et Sang-Won Kang, « Growth of aluminum nitride thin films prepared by plasma-enhanced atomic layer deposition », Thin Solid Films, vol. 446, no 2,‎ , p. 227-231 (DOI 10.1016/j.tsf.2003.10.004, Bibcode 2004TSF...446..227L, lire en ligne).
  22. (en) Yoshitaka Taniyasu, Makoto Kasu et Toshiki Makimoto, « An aluminium nitride light-emitting diode with a wavelength of 210 nanometres », Nature, no 441,‎ , p. 325-328 (lire en ligne)
  23. (en) S. Zhao, A. T. Connie et M. H. T. Dastjerdi, « Aluminum nitride nanowire light emitting diodes: Breaking the fundamental bottleneck of deep ultraviolet light », Scientific Reports, no 5,‎ (lire en ligne)
  24. Daniel Royer et Eugène Dieulesaint, Ondes élastiques dans les solides Tome 2, Génération, interaction acousto-optique, applications, Paris/Milan/Barcelone, Dunod, , 410 p. (ISBN 2-225-83441-5), p34
  25. J. K. Liu, « Growth morphology and surface‐acoustic‐wave measurements of AIN films on sapphire », Journal of Applied Physics, no 46,‎ , p. 3703 (lire en ligne)
  26. Kuan-Hsun Chiu, « Deposition and characterization of reactive magnetron sputtered aluminum nitride thin films for film bulk acoustic wave resonator », Thin Solid Films, no 515,‎ , p. 4819–4825 (lire en ligne)
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