Phương pháp tổng hợp pha hơi phát triển tại Đại học Niigata đã được sử
dụng để sản xuất màng AlN và các tinh thểđơn thành công. Tốc độ sản xuất AlN
bằng quá trình này cao hơn nhiều so với phương pháp khử nhiệt hoặc nitrit hóa
trực tiếp. Sơ đồ quy trình và bình phản ứng được thể hiện trong Hình 1.26. Tổng
hợp AlN pha hơi liên quan đến phản ứng khí giữa AlCl3 và NH3. Sự thăng hoa
của AlCl3 tạo ra các hạt nhân để NH3 phản ứng tạo bột AlN. Do đó, đây là quá trình tạo mầm và tăng trưởng, trong khi quy trình CVD ở trên là quá trình phân hủy nhiệt.
Nguyên liệu thô được sử dụng trong phản ứng pha hơi bao gồm bột nhôm clorua AlCl3 và khí amoniac NH3 với khí mang là nitơ N2. Phương pháp tổng hợp này bao gồm ba bước chính [13]:
Đầu tiên, nhôm clorua được thăng hoa trong bình thủy tinh bằng cách nung nóng bằng lò nung ở 453 ÷ 473K. Nhiệt độthăng hoa của AlCl3 là 451K. Để tạo ra bột mịn, nhôm clorua cần có độ bão hòa cao đểđảm bảo số lượng lớn các hạt nhân hình thành bởi quá trình tạo mầm. Tốc độ tạo mầm là một hàm của nhiệt độ
phản ứng và thành phần khí phản ứng, do đó, kích thước hạt có thể được kiểm soát bởi các tham số này. Khi nhiệt độ phản ứng tăng lên, nhiều hạt nhân được hình thành. Khi tổng tốc độdòng khí được tăng lên, với nồng độ AlCl3 được giữ
không đổi, tốc độtăng trưởng sẽ giảm.
Khí nitơ sau đó được đưa vào thiết bị với lưu lượng 67 ÷ 167 cm3/phút để
mang hợp chất khí AlCl3 qua ống mullite đến giữa lò phản ứng.
Cuối cùng, khí amoniac được đưa vào lò qua một ống khác và phản ứng với
khí nhôm clorua ở nhiệt độ 993 ÷ 1463 K. Phản ứng tổng thể: AlCl3 (k) + 4NH3 (k) = AlN (r) + 3NH4Cl (k)
Hình 1.27 Lò phản ứng pha khí
1. Buồng thủy tinh 2. Lò đốt ngoài 3. Lò đốt đai truyền
4. Thiết bị phản ứng 5. Lò nung điện 6. Nhiệt điện kế 7. Ống xả
Bột AlN lắng đọng trong vòng 17cm từ đầu vào AlC13, tại đó, phạm vi
nhiệt độ là 623 ÷ 643 K. Ngoài ra, bột AlN vô định hình và NH4Cl ngưng tụcũng
có mặt trong khí thải. Các sản phẩm này được đun nóng đến 773K trong khoảng
6 giờ dưới hỗn hợp khí amoniac và nitơ để làm bay hơi NH4Cl và sau đó, được
làm nóng đến 1673K trong khoảng 2 giờ để kết tinh AlN. AlCl3 dư cũng được
bốc hơi trong giai đoạn này.
Sản phẩm quá trình là bột AIN tinh thểvà vô định hình và NH4Cl được đưa
ra trong Bảng 1.3. Bột AlN thu được ít kết tụ, phân bố kích thước hạt hẹp và
đồng đều. Tổng cộng có 6.1g AlN được sản xuất từ 25g AlCl3, tương ứng với độ
chuyển hóa 79%.