窒化アルミニウムが酸化ベリリウムに代わって半導体の核となった理由は？

現在の半導体デバイスにおいて、放熱と絶縁は常に避けられない問題である。事実、酸化ベリリウムは、1950～60年代にはすでに半導体デバイス基板や高周波デバイスなどに使用されていた。技術の進歩に伴い、2000年以降は窒化アルミニウムは、特に熱放散に対する要求が高い用途において、酸化ベリリウムに代わる半導体材料として徐々に採用され始めた。第二に、BeOには安全上の問題があり、粉塵を吸い込むと人体に有害であるのに対し、AINは安全で無害な材料である。

窒化アルミニウムの特性と利点

BeOの熱伝導率(250W/(m・K))はAlNの熱伝導率(理論値は約320W/(m・K)、実測値は約170-200W/(m・K))よりもかなり高いですが、AlNの総合的な熱性能は半導体のニーズに適しています。AlNの熱膨張係数(4.5×10-⁶/℃)は、第三世代の半導体材料(例えばSiC、4.0×10-⁶/℃)に近く、熱応力による界面剥離の問題を減らすことができます。BeOの熱膨張係数(7.5×10-⁶/℃)は、SiCの熱膨張係数とは大きく異なります。

AIN の熱伝導率は 170W/m-K 以上である。

無害で環境に優しい。

電気絶縁性

機械的強度が高く、1000℃以上の温度にも耐える。

誘電率は1MHzで7.4しかなく、損失は1MHzで1.6×10-⁴である。

酸化ベリリウムの限界

BeOの致命的な欠点は、その粉末に強い毒性があることだ。長期にわたる暴露は肺疾患を引き起こす可能性がある。加えて、製造・加工時に環境や従業員に深刻な脅威を与える。第二に、BeOの廃棄物処理コストは高く、グリーン製造の要件を満たしていない。窒化アルミニウムが酸化ベリリウムに代わって半導体のコア材料となった理由は、安全で環境に優しく、熱-機械-電気の総合特性のバランスがとれており、成熟した調製システムを持っているからである。熱伝導率ではBeOの方が有利だが、その毒性と環境コストの問題は、半導体市場によって徐々に解消されていくだろう。

窒化アルミニウムと酸化ベリリウムの比較

プロパティ	酸化ベリリウム (BeO)	窒化アルミニウム（AlN）
熱伝導率	~250 W/m-K	170-
熱膨張係数	7.5×10-⁶ /°C	4.5×10-⁶ /°C (マッチSiC)
毒性	高毒性	無毒性で環境に安全
誘電率（1MHz）	~6.6	~7.4
機械的強度	中程度	高い

窒化アルミニウムの応用範囲

現在、窒化アルミニウム技術の支援、改善、完成により、窒化アルミニウムは半導体分野に限らず、以下のような多くの分野で優れた役割を果たしている。

宇宙船のヒートパイプ部品

パワーエレクトロニクス機器

MEMSセンサー

✅ X線装置

レーザー部品

IGBT モジュール

窒化アルミニウム製造会社

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