« Nitrure d'aluminium » : différence entre les versions
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| légende = <span style="background-color:#C0C0C0;color:#C0C0C0">__</span> [[Aluminium|Al{{exp|3+}}]] <span style="background-color:#EEEE00;color:#EEEE00">__</span> [[Azote|N{{exp|3-}}]]<br>[[Structure cristalline]] [[Structure wurtzite|wurtzite]] du nitrure d'aluminium. En haut : poudre d'AlN. |
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<!-- Propriétés physiques --> |
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<!-- Thermochimie --> |
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<!-- Cristallographie --> |
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<!-- Propriétés optiques --> |
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<!-- Supplément --> |
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}}<!-- ----------------------------- Fin de l'infoboîte ----------------------------- --> |
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| Al = 1 |
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Le '''nitrure d'aluminium''' est un [[Semi-conducteur III-V|{{nobr|semiconducteur {{III}}-{{V}}}}]] à [[Gap direct et gap indirect|gap direct]] de {{unité|6.015|eV}}<ref name="10.1103/PhysRevB.82.075208"/> à {{unité|300|K}}. De [[formule chimique]] AlN, il s'agit d'une [[Céramique technique|céramique]] [[Matériau réfractaire|réfractaire]] dont la [[conductivité thermique]] peut atteindre {{unité|321|W/m/K}}<ref name="10.1103/PhysRevMaterials.4.044602"> |
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|N=1 |
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{{Article |
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| mobiliteElectronique = |
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| langue = en |
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}}Le '''nitrure d'aluminium''' (symbole chimique : '''AlN''') est un [[semi-conducteur III-V]] à large [[Bande Interdite|bande interdite]] ({{unité/2|6.2|eV}})<ref>{{Article|langue = Anglais|auteur1 = S. Inoue|titre = Epitaxial growth of AlN on Cu (111) substrates using pulsed laser deposition|périodique = Journal of Crystal Growth|numéro = 289|jour = 01|mois = Avril|année = 2006|issn = |lire en ligne = http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0022024805015654?np=y|pages = 574–577}}</ref>. C'est un [[matériau réfractaire]] et [[céramique]] qui offre la rare caractéristique d'associer à l'[[Isolant électrique|isolation électrique]] à une très grande conductivité thermique à température ambiante (allant de {{unité/2|25|à=319|W.m|-1|.K|-1}} suivant sa microstructure et sa forme (monocristal)<ref>{{Article|langue = Anglais|auteur1 = A. AlShaikhi|titre = Thermal conductivity of single crystal and ceramic AlN|périodique = Journal of Applied Physics|numéro = 103|jour = 29|mois = Avril|année = 2008|issn = |lire en ligne = http://scitation.aip.org/content/aip/journal/jap/103/8/10.1063/1.2908082|pages = 083554-1 083554-6}}</ref>, film mince<ref>{{Article|langue = Anglais|auteur1 = P.K. Kuo|titre = Microstructure and thermal conductivity of epitaxial AlN thin films|périodique = Thin Solid Films|numéro = 253|jour = 15|mois = Décembre|année = 1994|issn = |lire en ligne = http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/0040609094903247|pages = 223–227}}</ref>, nanofil<ref>{{Article|langue = Anglais|auteur1 = Wu Li|titre = Thermal conductivity of bulk and nanowire InAs, AlN, and BeO polymorphs from first principles|périodique = Journal of Applied Physics|numéro = 114|jour = 28|mois = Aout|année = 2013|issn = |lire en ligne = http://scitation.aip.org/content/aip/journal/jap/114/18/10.1063/1.4827419|pages = 183505|auteur2 = Natalio Mingo}}</ref>...). Il présente, de plus, une grande résistance à l'oxydation et à l'abrasion. Enfin, ce matériau présente des propriétés [[Piézoélectricité|piézoélectriques]] intéressantes : un coefficient piézoélectrique d<sub>33</sub> compris entre 3.4<ref>{{Article|langue=Anglais|auteur1=Marc-Alexandre Dubois|auteur2=Paul Muralt|titre=Properties of aluminum nitride thin films for piezoelectric transducers and microwave filter applications|périodique=Applied Physics Letters|numéro=74|jour=|mois=|année=1999|issn=|lire en ligne=http://scitation.aip.org/content/aip/journal/apl/74/20/10.1063/1.124055|pages=3032}}</ref> et 5pm.V<sup>-1</sup><ref>{{Article|langue=Anglais|auteur1=G. Bu|auteur2=D. Ciplys|auteur3=M. Shur|auteur4=L. J. Schowalter|titre=Electromechanical coupling coefficient for surface acoustic waves in single-crystal bulk aluminum nitride|périodique=Applied Physics Letters|numéro=84|jour=7|mois=Juin|année=2004|issn=|lire en ligne=http://scitation.aip.org/content/aip/journal/apl/84/23/10.1063/1.1755843|pages=4611}}</ref> et un [[coefficient de couplage électromécanique]] voisin de 7%<ref>{{Ouvrage|langue=Francais|auteur1=Jean-Christophe Moreno|titre=Etude 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|lieu=|éditeur=|année=2011|pages totales=148|isbn=|lire en ligne=https://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00560573|passage=}}</ref>. |
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| nom1 = 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 |
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| titre = Experimental observation of high intrinsic thermal conductivity of AlN |
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| périodique = Physical Review Materials |
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| arxiv = 1911.01595 |
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}}.</ref>. Il présente ainsi la particularité d'être à la fois [[isolant électrique]] et conducteur thermique, avec des conductivités mesurées de {{unité|25|à=319|W/m/K}} selon la structure du matériau, telle que [[monocristal]]<ref name="10.1063/1.2908082"> |
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| langue = en |
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| nom1 = A. AlShaikhi et G. P. Srivastava |
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}}.</ref>, [[couche mince]]<ref name="10.1016/0040-6090(94)90324-7"> |
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| langue = en |
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| nom1 = P. K. Kuo, G. W. Auner et Z. L. Wu |
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| titre = Microstructure and thermal conductivity of epitaxial AlN thin films |
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| doi = 10.1016/0040-6090(94)90324-7 |
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| bibcode = 1994TSF...253..223K |
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}}.</ref> ou [[nanofil]]<ref name="10.1063/1.4827419"> |
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| langue = en |
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| nom1 = Wu Li et Natalio Mingo |
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| consulté le = 13 janvier 2023 |
|||
| doi = 10.1063/1.4827419 |
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| bibcode = 2013JAP...114r3505L |
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}}.</ref>. Il est également résistant à l'[[oxydation]] et à l'[[Usinage par abrasion|abrasion]], et présente des propriétés [[Piézoélectricité|piézoélectriques]] intéressantes, avec un coefficient {{nobr|''d''{{ind|33}}}} compris entre {{unité|3.4<ref name="10.1063/1.124055"> |
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{{Article |
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| langue = en |
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| nom1 = Marc-Alexandre Dubois et Paul Muralt |
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| titre = Properties of aluminum nitride thin films for piezoelectric transducers and microwave filter applications |
|||
| périodique = Applied Physics Letters |
|||
| volume = 74 |
|||
| numéro = 20 |
|||
| mois = mai |
|||
| année = 1999 |
|||
| numéro article = 3032 |
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| url texte = https://aip.scitation.org/doi/abs/10.1063/1.124055 |
|||
| consulté le = 13 janvier 2023 |
|||
| doi = 10.1063/1.124055 |
|||
| bibcode = 1999ApPhL..74.3032D |
|||
}}.</ref>|et=5.0<ref name="10.1063/1.1755843"> |
|||
{{Article |
|||
| langue = en |
|||
| nom1 = G. Bu, D. Ciplys et M. Shur |
|||
| titre = Electromechanical coupling coefficient for surface acoustic waves in single-crystal bulk aluminum nitride |
|||
| périodique = Applied Physics Letters |
|||
| volume = 84 |
|||
| numéro = 23 |
|||
| mois = juin |
|||
| année = 2004 |
|||
| numéro article = 4611 |
|||
| url texte = https://aip.scitation.org/doi/abs/10.1063/1.1755843 |
|||
| consulté le = 13 janvier 2023 |
|||
| doi = 10.1063/1.1755843 |
|||
| bibcode = 2004ApPhL..84.4611B |
|||
}}.</ref>|pm/V}} et un [[coefficient de couplage électromécanique]] voisin de 7 %<ref name="HAL"> |
|||
{{Lien web |
|||
| langue = fr |
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| format = pdf |
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| auteur1 = Jean-Christophe Moreno |
|||
| url = https://theses.hal.science/tel-00560573v1/document |
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| titre = 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 |
|||
| date = 28 janvier 2011 |
|||
| site = theses.hal.science |
|||
| éditeur = [[Centre pour la communication scientifique directe|CCSD]], [[Centre national de la recherche scientifique|CNRS]] |
|||
| consulté le = 13 janvier 2023 |
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}}.</ref>. |
|||
La [[structure cristalline]] du nitrure d'aluminium est de type [[Structure wurtzite|wurtzite]], dans le [[Système cristallin hexagonal|système hexagonal]] selon le [[groupe d'espace]] {{nobr|''P''6{{ind|3}}''mc''}} ({{n°|[[Liste des groupes d'espace|186]]}}) avec pour [[Paramètre cristallin|paramètres]] {{nobr|''a'' {{=}} {{unité/2|311.17|pm}}}} et {{nobr|''c'' {{=}} {{unité/2|497.88|pm}}}}. Elle peut également être de type [[Structure blende|blende]], dans le [[Système cristallin cubique|système cubique]] selon le groupe d'espace {{nobr|''F''{{Surligner|4}}3''m''}} ({{n°|[[Liste des groupes d'espace|216]]}}). Le [[coefficient de dilatation]] du [[Polymorphisme (chimie)|polymorphe]] wurzite calculé le long de ses axes cristallographiques vaut {{unité|4.2e-6|K|-1}} le long de l'axe ''a'' et {{unité|5.3e-6|K|-1}} le long de l'axe ''c''<ref name="10.1063/1.321373"> |
|||
== Histoire == |
|||
{{Article |
|||
Ce matériau ne se trouve pas naturellement. Il a été synthétisé pour la première fois en 1877, mais sans trouver d'application avant les années 1980. |
|||
| langue = en |
|||
| nom1 = Glen A. Slack et S. F. Bartram |
|||
| titre = Thermal expansion of some diamondlike crystals |
|||
| périodique = Journal of Applied Physics |
|||
| volume = 46 |
|||
| numéro = 1 |
|||
| mois = janvier |
|||
| année = 1975 |
|||
| pages = 89-98 |
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| url texte = https://aip.scitation.org/doi/abs/10.1063/1.321373 |
|||
| consulté le = 14 janvier 2023 |
|||
| doi = 10.1063/1.321373 |
|||
| bibcode = 1975JAP....46...89S |
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}}.</ref>. |
|||
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 [[Carbure de silicium|SiC]] et du [[Nitrure de gallium|GaN]]), et une conductivité thermique élevée d'autre part<ref name="10.1088/1361-6641/abe5fd"> |
|||
== Structures cristallines == |
|||
{{Article |
|||
Le nitrure d'aluminium se rencontre sous deux structures cristallographiques : |
|||
| langue = en |
|||
* l'une, hexagonale, est thermodynamiquement stable ; elle est de type [[Wurtzite (cristal)|wurtzite]] ; |
|||
| nom1 = Austin Lee Hickman, Reet Chaudhuri, Samuel James Bader, Kazuki Nomoto, Lei Li, James C. M. Hwang, Huili Grace Xing et Debdeep Jena |
|||
| titre = Next generation electronics on the ultrawide-bandgap aluminum nitride platform |
|||
| périodique = Semiconductor Science and Technology |
|||
| volume = 36 |
|||
| numéro = 4 |
|||
| mois = avril |
|||
| année = 2021 |
|||
| numéro article = 044001 |
|||
| url texte = https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1361-6641/abe5fd/pdf |
|||
| accès url = libre |
|||
| consulté le = 14 janvier 2023 |
|||
| doi = 10.1088/1361-6641/abe5fd |
|||
| s2cid = 233936255 |
|||
| bibcode = 2021SeScT..36d4001H |
|||
}}.</ref>. Ceci provient de sa faible [[masse atomique]], de ses [[Liaison chimique|liaisons interatomiques]] fortes et de sa [[structure cristalline]] simple<ref name="10.1063/1.5097172"> |
|||
{{Article |
|||
| langue = en |
|||
| nom1 = 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 |
|||
| titre = Thermal conductivity of crystalline AlN and the influence of atomic-scale defects |
|||
| périodique = Journal of Applied Physics |
|||
| volume = 126 |
|||
| numéro = 18 |
|||
| mois = novembre |
|||
| année = 2019 |
|||
| numéro article = 185105 |
|||
| url texte = https://aip.scitation.org/doi/10.1063/1.5097172 |
|||
| consulté le = 14 janvier 2023 |
|||
| doi = 10.1063/1.5097172 |
|||
| s2cid = 90262793 |
|||
| bibcode = 2019JAP...126r5105X |
|||
| arxiv = 1904.00345 |
|||
}}.</ref>. C'est ce qui rend ce matériau intéressant pour les applications aux [[réseaux de télécommunications]] haut débit à forte puissance, permettant notamment une meilleure [[Dissipateur thermique|dissipation thermique]] que le [[nitrure de gallium]] dans les équipements électroniques de puissance et radiofréquence. |
|||
== Production == |
|||
* la seconde, cubique est métastable ; elle est de type zinc blende. |
|||
Le nitrure d'aluminium pulvérulent peut être produit à partir d'[[Alumine|oxyde d'aluminium]] {{fchim|Al|2|O|3}}, d'[[Diazote|azote]] {{fchim|N|2}} ou d'[[ammoniac]] {{fchim|NH|3}}, et d'un excès de [[carbone]] à une température d'au moins {{tmp|1600|°C}} à travers une [[réaction carbothermique]] : |
|||
== Applications == |
|||
:2 [[Alumine|{{fchim|Al|2|O|3}}]] + 9 [[Carbone|C]] + 4 [[Ammoniac|{{fchim|NH|3}}]] ⟶ 4 AIN + 3 [[Méthane|{{fchim|CH|4}}]] + 6 [[Monoxyde de carbone|CO]] ; |
|||
Le nitrure d'aluminium trouve des applications potentielles en [[optoélectronique]] dans le domaine des [[ultraviolet]]s, comme substrat pour des croissances épitaxiales et en électronique de puissance pour la fabrication de transistors hyperfréquence de puissance. |
|||
:[[Alumine|{{fchim|Al|2|O|3}}]] + 3 [[Carbone|C]] + [[Diazote|{{fchim|N|2}}]] ⟶ 2 AIN + 3 [[Monoxyde de carbone|CO]]. |
|||
Une autre voie est la [[nitruration]] directe. Dans ce cas, de la poudre d'[[aluminium]] [[métal]]lique ou d'[[Alumine|{{fchim|Al|2|O|3}}]] est mise à réagir avec de l'[[Diazote|{{fchim|N|2}}]] ou de l'[[Ammoniac|{{fchim|NH|3}}]] pour former de l'AIN à des températures supérieures à {{tmp|900|°C}} : |
|||
Actuellement, de nombreuses recherches sont menées pour produire des [[Diode électroluminescente|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 {{λ|210|nm}}<ref>{{Article|langue=Anglais|auteur1=Yoshitaka Taniyasu|auteur2=Makoto Kasu|auteur3=Toshiki Makimoto|titre=An aluminium nitride light-emitting diode with a wavelength of 210 nanometres|périodique=Nature|numéro=441|jour=18|mois=Mai|année=2006|issn=|lire en ligne=http://www.nature.com/nature/journal/v441/n7091/full/nature04760.html|pages=325-328}}</ref>. 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<ref>{{Article|langue=Anglais|auteur1=S. Zhao|auteur2=A. T. Connie|auteur3=M. H. T. Dastjerdi|titre=Aluminum nitride nanowire light emitting diodes: Breaking the fundamental bottleneck of deep ultraviolet light|périodique=Scientific Reports|numéro=5|jour=16|mois=Février|année=2015|issn=|lire en ligne=http://www.nature.com/articles/srep08332?WT.ec_id=SREP-20150217|pages=}}</ref>. |
|||
:2 [[Aluminium|Al]] + [[Diazote|{{fchim|N|2}}]] ⟶ 2AlN ; |
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:[[Alumine|{{fchim|Al|2|O|3}}]] + 2 [[Ammoniac|{{fchim|NH|3}}]] ⟶ 2 AlN + 3 [[Eau|{{fchim|H|2|O}}]]. |
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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]] {{fchim|Al(OH)|3}} et [[ammoniac]] {{fchim|NH|3}}. Le nitrure d'aluminium [[Frittage|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]] {{nobr|Na[{{fchim|Al(OH)|4}}]}} : |
|||
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 {{unité|10400|m/s}}<ref>{{Ouvrage|langue=Français|auteur1=Daniel Royer, Eugène Dieulesaint|titre=Ondes élastiques dans les solides Tome 2, Génération, interaction acousto-optique, applications|lieu=|éditeur=Dunod|année=1999|pages totales=410|isbn=2-225-83441-5|lire en ligne=|passage=p34}}</ref>. Cette caractéristique en fait un matériau de choix pour les filtres à [[onde acoustique de surface]] de type SAW<ref>{{Article|langue=|auteur1=J. K. Liu|titre=Growth morphology and surface‐acoustic‐wave measurements of AIN films on sapphire|périodique=Journal of Applied Physics|numéro=46|jour=|mois=|année=1975|issn=|lire en ligne=http://scitation.aip.org/content/aip/journal/jap/46/9/10.1063/1.322169|pages=3703}}</ref> (pour <u>S</u>urface <u>A</u>coustic <u>W</u>ave) et les dispositifs à ondes acoustiques de volume de type FBAR<ref>{{Article|langue=|auteur1=Kuan-Hsun Chiu|titre=Deposition and characterization of reactive magnetron sputtered aluminum nitride thin films for film bulk acoustic wave resonator|périodique=Thin Solid Films|numéro=515|jour=9|mois=Avril|année=2007|issn=|lire en ligne=http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0040609006017226|pages=4819–4825}}</ref> (pour <u>F</u>ilm <u>B</u>ulk <u>A</u>coustic <u>W</u>ave <u>R</u>esonator). |
|||
:AlN + [[Hydroxyde de sodium|NaOH]] + 3 [[Eau|{{fchim|H|2|O}}]] ⟶ [[Ammoniac|{{fchim|NH|3}}]] + [[Aluminate de sodium|{{nobr|Na[{{fchim|Al(OH)|4}}]}}]]. |
|||
Les dispositifs [[optoélectronique]]s et [[microélectronique]]s utilisent le nitrure d'aluminium sous forme de [[Couche mince|couches minces]] [[Épitaxie|épitaxiées]], réalisées principalement par : |
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== Fabrication == |
|||
* [[épitaxie par jet moléculaire]] ({{Abréviation|MBE|Molecular Beam Epitaxy}})<ref name="10.1063/1.114173"> |
|||
La synthèse peut se faire par [[nitrure|nitruration]] directe de l'aluminium, ou par [[Réaction d'oxydoréduction|réduction]] de l'[[alumine]] en présence d'azote gazeux ou d'ammoniac. |
|||
{{Article |
|||
| langue = en |
|||
| nom1 = Satoru Tanaka, R. Scott Kern et Robert F. Davis |
|||
| titre = Initial stage of aluminum nitride film growth on 6H‐silicon carbide by plasma‐assisted, gas‐source molecular beam epitaxy |
|||
| périodique = Applied Physics Letters |
|||
| volume = 66 |
|||
| numéro = 1 |
|||
| jour = 2 |
|||
| mois = janvier |
|||
| année = 1995 |
|||
| pages = 37-39 |
|||
| url texte = https://aip.scitation.org/doi/abs/10.1063/1.114173 |
|||
| consulté le = 14 janvier 2023 |
|||
| doi = 10.1063/1.114173 |
|||
| bibcode = 1995ApPhL..66...37T |
|||
}}.</ref> ; |
|||
* [[dépôt chimique en phase vapeur]] ({{Abréviation|CVD|Chemical Vapor Deposition}})<ref name="10.1143/JJAP.20.17/meta"> |
|||
{{Article |
|||
| langue = en |
|||
| nom1 = Mizuho Morita, Norihiko Uesugi, Seiji Isogai, Kazuo Tsubouchi et Nobuo Mikoshiba |
|||
| titre = Epitaxial Growth of Aluminum Nitride on Sapphire Using Metalorganic Chemical Vapor Deposition |
|||
| périodique = Japanese Journal of Applied Physics |
|||
| volume = 20 |
|||
| numéro = 1 |
|||
| mois = janvier |
|||
| année = 1981 |
|||
| pages = 17 |
|||
| url texte = https://iopscience.iop.org/article/10.1143/JJAP.20.17/meta |
|||
| consulté le = 14 janvier 2023 |
|||
| doi = 10.1143/JJAP.20.17/meta |
|||
| bibcode = 1981JaJAP..20...17M |
|||
}}.</ref> ; |
|||
* [[ablation laser pulsé]] ({{Abréviation|PLD|Pulsed Laser Deposition}})<ref name="10.1063/1.114489"> |
|||
{{Article |
|||
| langue = en |
|||
| nom1 = R. D. Vispute, Hong Wu et J. Narayan |
|||
| titre = High quality epitaxial aluminum nitride layers on sapphire by pulsed laser deposition |
|||
| périodique = Applied Physics Letters |
|||
| volume = 67 |
|||
| numéro = 11 |
|||
| jour = 11 |
|||
| mois = septembre |
|||
| année = 1995 |
|||
| pages = 1549-1551 |
|||
| url texte = https://aip.scitation.org/doi/abs/10.1063/1.114489 |
|||
| consulté le = 14 janvier 2023 |
|||
| doi = 10.1063/1.114489 |
|||
| bibcode = 1995ApPhL..67.1549V |
|||
}}.</ref> ; |
|||
* [[pulvérisation cathodique]] (qui peut être [[Radiofréquence|RF]] ou [[Courant continu|DC]])<ref name="10.1063/1.1655132"> |
|||
{{Article |
|||
| langue = en |
|||
| nom1 = A. J. Shuskus, T. M. Reeder et E. L. Paradis |
|||
| titre = RF‐sputtered aluminum nitride films on sapphire |
|||
| périodique = Applied Physics Letters |
|||
| volume = 24 |
|||
| numéro = 4 |
|||
| mois = février |
|||
| année = 1974 |
|||
| numéro article = 155 |
|||
| url texte = https://aip.scitation.org/doi/abs/10.1063/1.1655132 |
|||
| consulté le = 14 janvier 2023 |
|||
| doi = 10.1063/1.1655132 |
|||
| bibcode = 1974ApPhL..24..155S |
|||
}}.</ref> ; |
|||
* [[atomic layer deposition]] (ALD)<ref name="10.1016/j.tsf.2003.10.004"> |
|||
{{Article |
|||
| langue = en |
|||
| nom1 = Yong Ju Lee et Sang-Won Kang |
|||
| titre = Growth of aluminum nitride thin films prepared by plasma-enhanced atomic layer deposition |
|||
| périodique = Thin Solid Films |
|||
| volume = 446 |
|||
| numéro = 2 |
|||
| jour = 15 |
|||
| mois = janvier |
|||
| année = 2004 |
|||
| pages = 227-231 |
|||
| url texte = https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0040609003013580 |
|||
| consulté le = 14 janvier 2023 |
|||
| doi = 10.1016/j.tsf.2003.10.004 |
|||
| bibcode = 2004TSF...446..227L |
|||
}}.</ref>. |
|||
== Applications == |
|||
L'utilisation moderne de l'AlN dans des dispositifs pour l'[[Optoélectronique|opto-électronique]] et la [[microélectronique]] nécessite la synthèse de couches minces épitaxiées ; les techniques physico-chimiques d'élaboration de ces films minces sont principalement : |
|||
Le nitrure d'aluminium trouve des applications potentielles en [[optoélectronique]] dans le domaine des [[ultraviolet]]s, comme substrat pour des croissances épitaxiales et en [[électronique de puissance]] pour la fabrication de transistors hyperfréquence de puissance. |
|||
* l'[[épitaxie par jet moléculaire]] (MBE)<ref>{{Article|langue=Anglais|auteur1=Satoru Tanaka|titre=Initial stage of aluminum nitride film growth on 6H‐silicon carbide by plasma‐assisted, gas‐source molecular beam epitaxy|périodique=Applied Physics Letters|numéro=66|jour=|mois=|année=1995|issn=|lire en ligne=http://scitation.aip.org/content/aip/journal/apl/66/1/10.1063/1.114173|pages=37}}</ref> |
|||
* le [[dépôt chimique en phase vapeur]] ([[CVD]])<ref>{{Article|langue=Anglais|auteur1=Mizuho Morita|titre=Epitaxial Growth of Aluminum Nitride on Sapphire Using Metalorganic Chemical Vapor Deposition|périodique=Japanese Journal of Applied Physics|numéro=20|jour=|mois=|année=1981|issn=|lire en ligne=http://iopscience.iop.org/article/10.1143/JJAP.20.17|pages=17}}</ref> |
|||
* le dépôt par [[Ablation laser pulsé|ablation laser]] impulsionnel (PLD)<ref>{{Article|langue=Anglais|auteur1=R. D. Vispute|titre=High quality epitaxial aluminum nitride layers on sapphire by pulsed laser deposition|périodique=Applied Physics Letters|numéro=|jour=|mois=|année=1995|issn=|lire en ligne=http://scitation.aip.org/content/aip/journal/apl/67/11/10.1063/1.114489|pages=1549}}</ref> |
|||
* la [[pulvérisation cathodique]] (qui peut être RF ou DC)<ref>{{Article|langue=Anglais|auteur1=A. J. Shuskus|titre=rf‐sputtered aluminum nitride films on sapphire|périodique=Applied Physics Letters|numéro=24|jour=|mois=|année=1974|issn=|lire en ligne=http://scitation.aip.org/content/aip/journal/apl/24/4/10.1063/1.1655132|pages=155}}</ref> |
|||
* l'[[Atomic Layer Deposition|atomic layer deposition]] (ALD)<ref>{{Article|langue=|auteur1=Yong Ju Lee|auteur2=Sang-Won Kang|titre=Growth of aluminum nitride thin films prepared by plasma-enhanced atomic layer deposition|périodique=Thin Solid Films|numéro=446|jour=15|mois=Janvier|année=2004|issn=|lire en ligne=http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0040609003013580|pages=227–231}}</ref> |
|||
Actuellement, de nombreuses recherches sont menées pour produire des [[Diode électroluminescente|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 {{λ|210|nm}}<ref>{{Article|langue=en|auteur1=Yoshitaka Taniyasu|auteur2=Makoto Kasu|auteur3=Toshiki Makimoto|titre=An aluminium nitride light-emitting diode with a wavelength of 210 nanometres|périodique=Nature| numéro=441| jour=18| mois=Mai|année=2006|lire en ligne=http://www.nature.com/nature/journal/v441/n7091/full/nature04760.html|pages=325-328}}</ref>. 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<ref>{{Article|langue=Anglais|auteur1=S. Zhao|auteur2=A. T. Connie|auteur3=M. H. T. Dastjerdi|titre=Aluminum nitride nanowire light emitting diodes: Breaking the fundamental bottleneck of deep ultraviolet light|périodique=Scientific Reports|numéro=5|jour=16|mois=Février| année=2015|lire en ligne=http://www.nature.com/articles/srep08332?WT.ec_id=SREP-20150217|pages=}}</ref>. |
|||
== Références == |
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<references/> |
|||
Le nitrure d'aluminium est aussi utilisé pour ces propriétés piézoélectriques. En effet, du fait de son [[Module de Young|module d'Young]] particulièrement élevé, il présente de hautes vitesses d'ondes acoustiques de l'ordre de {{unité|10400|m/s}}<ref>{{Ouvrage|langue=fr|auteur1=Daniel Royer|auteur2=Eugène Dieulesaint|titre=Ondes élastiques dans les solides Tome 2, Génération, interaction acousto-optique, applications|lieu=Paris/Milan/Barcelone|éditeur=[[Éditions Dunod|Dunod]]|année=1999|pages totales=410|passage=p34|isbn=2-225-83441-5}}</ref>. Cette caractéristique en fait un matériau de choix pour les filtres à [[onde acoustique de surface]] de type SAW<ref>{{Article|langue=en|auteur1=J. K. Liu|titre=Growth morphology and surface‐acoustic‐wave measurements of AIN films on sapphire|périodique=[[Journal of Applied Physics]]|numéro=46|année=1975|lire en ligne=http://scitation.aip.org/content/aip/journal/jap/46/9/10.1063/1.322169|pages=3703}}</ref> (pour ''Surface Acoustic Wave'') et les dispositifs à ondes acoustiques de volume de type FBAR<ref>{{Article|langue=en|auteur1=Kuan-Hsun Chiu|titre=Deposition and characterization of reactive magnetron sputtered aluminum nitride thin films for film bulk acoustic wave resonator|périodique=Thin Solid Films|numéro=515|jour=9|mois=Avril|année=2007|lire en ligne=http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0040609006017226|pages=4819–4825}}</ref> (pour ''Film Bulk Acoustic Wave Resonator''). |
|||
{{Palette|Composés de l'aluminium}} |
|||
== Notes et références == |
|||
{{Références nombreuses|taille=30}} |
|||
{{Palette|Composés de l'aluminium|Nitrures}} |
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{{Portail|chimie|physique|électricité et électronique|matériaux}} |
{{Portail|chimie|physique|électricité et électronique|matériaux}} |
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Dernière version du 8 janvier 2024 à 12:21
| Nitrure d'aluminium | ||
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| __ Al3+ __ N3- Structure cristalline wurtzite du nitrure d'aluminium. En haut : poudre d'AlN. |
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| Identification | ||
|---|---|---|
| Nom UICPA | azanylidynealumane | |
| Nom systématique | nitrure d'aluminium(III) | |
| Synonymes |
nitrure d'aluminium |
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| No CAS | ||
| 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] | ||
  Attention |
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| Composés apparentés | ||
| Autres cations | Nitrure de bore Nitrure de gallium Nitrure d'indium |
|
| Autres anions | Phosphure d'aluminium Arséniure d'aluminium Antimoniure d'aluminium |
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| Unités du SI et CNTP, sauf indication contraire. | ||
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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].
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
[modifier | modifier le code]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 :
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 :
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 :
- épitaxie par jet moléculaire (MBE)[17] ;
- dépôt chimique en phase vapeur (CVD)[18] ;
- ablation laser pulsé (PLD)[19] ;
- pulvérisation cathodique (qui peut être RF ou DC)[20] ;
- atomic layer deposition (ALD)[21].
Applications
[modifier | modifier le code]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
[modifier | modifier le code]- 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)
- Masse molaire calculée d’après « Atomic weights of the elements 2007 », sur www.chem.qmul.ac.uk.
- (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).
- (en) « AlN », sur materialsproject.org (DOI 10.17188/1268470, consulté le ).
- (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).
- (en) Pradeep Bajracharya, « Aluminium Nitride:an overview of the physical properties », sur phys.lsu.edu, Université d'État de Louisiane, (consulté le ).
- (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).
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- 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
- (en) 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)
- (en) 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)
