Nitrure d'aluminium

Le nitrure d'aluminium (symbole chimique : AlN) est un semi-conducteur III-V à large bande interdite (6,2 eV)[4]. C'est un matériau réfractaire et céramique qui offre la rare caractéristique d'associer à l'isolation électrique à une très grande conductivité thermique à température ambiante (allant de 25 à 319 W.m-1·.K-1 suivant sa microstructure et sa forme (monocristal)[5], film mince[6], nanofil[7]...). Il présente, de plus, une grande résistance à l'oxydation et à l'abrasion. Enfin, ce matériau présente des propriétés piézoélectriques intéressantes : un coefficient piézoélectrique d33 compris entre 3.4[8] et 5pm.V-1[9] et un coefficient de couplage électromécanique voisin de 7%[10].

Nitrure d'aluminium
__ Al     __ N
Identification
Nom UICPA Nitrure d'aluminium
No CAS 24304-00-5
No ECHA 100.041.931
No CE 246-140-8
Apparence cristaux hexagonaux
blanc bleuté
Propriétés chimiques
Formule AlN  [Isomères]
Masse molaire[1] 40,9882 ± 0,0002 g/mol
Al 65,83 %, N 34,17 %,
Propriétés physiques
T° fusion décomposition à 2 200 °C
T° ébullition sublimation à 2 517 °C
Solubilité Insoluble
Masse volumique 3,255 g·cm-3
Propriétés électroniques
Bande interdite 6,2 eV
Cristallographie
Structure type wurtzite[2]
Précautions
SIMDUT[3]

Produit non contrôlé
Unités du SI et CNTP, sauf indication contraire.

Histoire

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.

Structures cristallines

Le nitrure d'aluminium se rencontre sous deux structures cristallographiques :

  • l'une, hexagonale, est thermodynamiquement stable ; elle est de type wurtzite ;
  • la seconde, cubique est métastable ; elle est de type zinc-blende.

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[11]. 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[12].

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[13]. Cette caractéristique en fait un matériau de choix pour les filtres à onde acoustique de surface de type SAW[14] (pour Surface Acoustic Wave) et les dispositifs à ondes acoustiques de volume de type FBAR[15] (pour Film Bulk Acoustic Wave Resonator).

Fabrication

La synthèse peut se faire par nitruration directe de l'aluminium, ou par réduction de l'alumine en présence d'azote gazeux ou d'ammoniac.

L'utilisation moderne de l'AlN dans des dispositifs pour l'opto-électronique et la microélectronique nécessite la synthèse de couches minces épitaxiées ; les techniques physico-chimiques d'élaboration de ces films minces sont principalement :

Références
  1. Masse molaire calculée d’après « Atomic weights of the elements 2007 », sur www.chem.qmul.ac.uk.
  2. (en) Bodie E. Douglas, Shih-Ming Ho, Structure and Chemistry of Crystalline Solids, Pittsburgh, PA, USA, Springer Science + Business Media, Inc., , 346 p. (ISBN 978-0-387-26147-8, LCCN 2005927929)
  3. « Nitrure d'aluminium » dans la base de données de produits chimiques Reptox de la CSST (organisme québécois responsable de la sécurité et de la santé au travail), consulté le 25 avril 2009
  4. (en) S. Inoue, « Epitaxial growth of AlN on Cu (111) substrates using pulsed laser deposition », Journal of Crystal Growth, no 289,‎ , p. 574–577 (lire en ligne)
  5. (en) A. AlShaikhi, « Thermal conductivity of single crystal and ceramic AlN », Journal of Applied Physics, no 103,‎ , p. 083554-1 083554-6 (lire en ligne)
  6. (en) P.K. Kuo, « Microstructure and thermal conductivity of epitaxial AlN thin films », Thin Solid Films, no 253,‎ , p. 223–227 (lire en ligne)
  7. (en) Wu Li et Natalio Mingo, « Thermal conductivity of bulk and nanowire InAs, AlN, and BeO polymorphs from first principles », Journal of Applied Physics, no 114,‎ , p. 183505 (lire en ligne)
  8. (en) Marc-Alexandre Dubois et Paul Muralt, « Properties of aluminum nitride thin films for piezoelectric transducers and microwave filter applications », Applied Physics Letters, no 74,‎ , p. 3032 (lire en ligne)
  9. (en) G. Bu, D. Ciplys, M. Shur et L. J. Schowalter, « Electromechanical coupling coefficient for surface acoustic waves in single-crystal bulk aluminum nitride », Applied Physics Letters, no 84,‎ , p. 4611 (lire en ligne)
  10. Jean-Christophe Moreno, 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, , 148 p. (lire en ligne)
  11. (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)
  12. (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)
  13. 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
  14. 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)
  15. 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)
  16. (en) Satoru Tanaka, « Initial stage of aluminum nitride film growth on 6H‐silicon carbide by plasma‐assisted, gas‐source molecular beam epitaxy », Applied Physics Letters, no 66,‎ , p. 37 (lire en ligne)
  17. (en) Mizuho Morita, « Epitaxial Growth of Aluminum Nitride on Sapphire Using Metalorganic Chemical Vapor Deposition », Japanese Journal of Applied Physics, no 20,‎ , p. 17 (lire en ligne)
  18. (en) R. D. Vispute, « High quality epitaxial aluminum nitride layers on sapphire by pulsed laser deposition », Applied Physics Letters,‎ , p. 1549 (lire en ligne)
  19. (en) A. J. Shuskus, « rf‐sputtered aluminum nitride films on sapphire », Applied Physics Letters, no 24,‎ , p. 155 (lire en ligne)
  20. Yong Ju Lee et Sang-Won Kang, « Growth of aluminum nitride thin films prepared by plasma-enhanced atomic layer deposition », Thin Solid Films, no 446,‎ , p. 227–231 (lire en ligne)
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