シリコン炭化物が発表されました：プロパティ、方法、アプリケーション
この記事では、その構造、耐熱性、化学的安定性、機械的強度など、SICのユニークな品質を調査します。これは、シリコン、窒化ガリウム、ゲルマニウムなどの従来の材料よりも優れています。また、Acheson Process、化学蒸気の堆積、修正されたLelyプロセスや、これらの方法が産業目的での純度とパフォーマンスを改善するなど、SICが生成されるさまざまな方法を検討します。この記事では、SICの電気、熱、および機械的特性を他の半導体と比較し、高出力密度、熱効率、耐久性を必要とする市場での使用の増加を強調しています。
カタログ
図1：炭化シリコン（SIC）クリスタルを保持している女性の手のクローズアップ（別名CarborundumまたはMoissanite）
炭化シリコン（原文）特性
図2：ペトリ皿の炭化シリコン
炭化シリコンの最も一般的な形式は、炭化物のアルファシリコン（α-SIC）です。1,700°Cを超える温度で形成され、ウルツェイトのような六角形の結晶形をしています。温度が1,700°C未満の場合、炭化ベータ（β-SIC）が生成されます。このバージョンには、ダイヤモンドの構造と同様の結晶構造があります。
図3：アルファシリコン炭化物（α-SIC）
図4：ベータシリコン炭化物（β-SIC）
図5：MOHS硬度スケール
炭化シリコンは、ダイヤモンド後の最も硬い材料の1つであり、MOHSの硬度は約9〜9.5です。 そのKnoopの硬度は、その形と純度に基づいて異なりますが、一般的に非常に高く、多くの場合2,480〜3,000 kg/mm²です。
炭化シリコンは非常に高い圧力に耐えることができます。多くの場合、3,000 MPaを超えており、通常は400〜500 MPaで高い曲げ強度があり、250〜410 MPaの間に優れた引っ張り強度があります。
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硬度
テスト方法 |
テスト
値範囲 |
特定の
値（炭化物の黒いシリコン） |
特定の
値（グリーンシリコン炭化物） |
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ブリネルの硬度 |
2400-2800 HB |
2400-2600 HB |
2600-2800 HB |
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ビッカーズの硬さ |
2800-3400 HV |
2800-3200 HV |
3100-3400 HV |
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ロックウェルの硬度 |
- |
83-87 HRA |
87-92 HRA |
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Mohsの硬度 |
9-9.5 |
9.2-9.3 |
9.4-9.5 |
SICは熱で熱を行います 約120 w/mkの導電率、 電子機器の熱の管理。20°Cでは、約0.41ワットで熱を伝導します 摂氏度あたりの1センチメートル（w/cm°C）。しかし、温度が上がると 1000°C、その熱伝導は約0.21 w/cm°Cに低下します。
さらに、炭化シリコン（SIC）は、ほとんどの金属、金属酸化物の溶融物、およびアルカリ溶融物の影響をすぐに受けますが、酸や塩基に溶解しません。炭化技術の不純物には、通常、遊離炭素（C）と二酸化シリコン（SIO2）が含まれ、少量のシリコン（SI）、鉄（FE）、アルミニウム（AL）、およびカルシウム（CA）が含まれます。SICの分子量は40.096です。純粋なSICは、70.05％シリコン（SI）と29.95％の炭素（C）で作られています。
図6：炭化シリコン（原文）化学構造
図7：炭化シリコン（原文）化学構造
N型およびPタイプの炭化シリコンの特性（sic）
Nタイプの炭化シリコン（原文）
シリコン炭化物（SIC）は、熱をよく処理し、非常に強いため、高ストレス用途で使用される丈夫な材料です。N型のSICを作成するために、不純物が追加されます。ドーピングと呼ばれるプロセスで、電気特性が変更されます。SIC構造の遊離電子の数を増やすために、シリコンよりも価電子電子が多い窒素やリンなどの元素が追加されます。これにより、負に帯電した、または「n型」の素材が作成されます。
これらの遊離電子は、SICの電気伝導率を大幅に改善します。N型SICでは、電子は純粋なSICと比較してより簡単に移動できます。このより優れた電子の動きにより、N型SICは、高速かつ効率的な電子流量があるパワーエレクトロニクスや高周波デバイスに最適です。N型SICは導電率が向上していますが、電気だけでなく金属をもたらさず、半導電性特性を維持しています。このバランスにより、さまざまな電子デバイスでの電子流を正確に制御できます。
Pタイプの炭化シリコン（原文）
Pタイプの炭化シリコン（SIC）は、N型バージョンとは異なる方法で機能します。P型ドーピングには、シリコンよりも価電子電子が少ないホウ素やアルミニウムなどの要素を追加することが含まれます。これにより、電子が欠落している「穴」または空間が作成され、材料に正電荷が与えられ、「Pタイプ」になります。これらの穴は、正の電荷が移動できるようにすることで電流を運ぶのに役立ちます。
なぜ炭化シリコン（原文）が望ましいのですか？
図8：半導体材料
以下の表は、4つの半導体材料の詳細な比較を示しています：シリコン（SI）、窒化ガリウム（GAN）、ゲルマニウム（GE）、および炭化シリコン（SIC）。比較はさまざまなカテゴリに編成されています。
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側面 |
シリコン
（si） |
ガリウム
窒化物（ガン） |
ゲルマニウム
（ge） |
シリコン
炭化物（原文） |
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電気 |
成熟したプロセス、1.1 eVのバンドギャップ、リミテッド
高出力/周波数で |
高い電子移動度、3.4 eVバンドギャップ、
高出力/周波数アプリケーション |
高い電子移動度、0.66 eVバンドギャップ、高
漏れ |
3.2 eVのワイドバンドギャップ、高で効率的
電圧/温度、低漏れ |
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熱特性 |
中程度の熱伝導率は制限できます
高出力用途 |
シリコンよりも優れていますが、高度なものが必要です
冷却 |
シリコンよりも熱伝導率が低い |
高い熱伝導率、有効熱
散逸 |
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機械的特性 |
脆く、ほとんどの用途に十分です |
脆く、不一致にひび割れやすい
基質 |
シリコンよりも脆い |
ハード、強く、耐久性に適しています
アプリケーション |
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市場の採用 |
確立されたインフラストラクチャによる支配的
そして低コスト |
テレコムと防衛で人気があり、制限されています
高コスト |
あまり好ましくない特性により制限されています |
高出力密度、高温動作、
効率、耐久性、継続的なコスト削減 |
炭化シリコン（原文）を作る
炭化シリコンを作るために、通常、シリカの砂と石炭のような炭素が豊富なものをほぼ2500度に加熱します。これにより、鉄と炭素の不純物を備えた暗い炭化物が得られます。炭化シリコンは、4つの主要な方法で合成でき、それぞれに特定の用途に合わせて明確な利点があります。これらの方法は次のとおりです。
反応結合炭化シリコン（RBSC）
反応結合炭化物シリコン（RBSC）は、炭化シリコンと炭素の細かく混合されたブレンドから作られています。混合物を高温に加熱し、液体または蒸気シリコンにさらされます。シリコンと炭素は反応してより多くの炭化シリコンを形成し、シリコンは残りの毛穴を満たします。反応結合窒化シリコン（RBSN）のように、RBSCの変化は、焼結の際にほとんど形をほとんどほとんど変えません。これらの製品がシリコンの融点に到達すると、彼らは以前と同じくらい強いままです。RBSCはセラミック業界で人気があり、費用対効果が高く、複雑なデザインに形作られる可能性があるためです。
図9：反応結合炭化シリコン
反応結合炭化シリコン（RBSC）手順：
粗いシリコン炭化物粒子とシリコンと可塑剤を組み合わせます。均一なブレンドが達成されるまで混ぜます。
混合物を目的の形状と形に機械加工します。最終仕様に合わせて、ジオメトリの精度を確保します。
形の断片を高温炉に入れます。シリコンと炭化シリコンの粒子との間の反応を引き起こす温度に加熱します。
シリコンは炭化シリコンと反応し、マトリックスに結合し、強度と耐久性が向上します。
ピースを徐々に冷却して室温に徐々に冷却します。
正確な仕様を満たし、表面仕上げを強化するために冷却されたピースを磨きます。
修正されたプロセス
図10：修正されたLelyプロセス
1978年にTairovとTsvetkovによって作成されたこの方法は、Modified-Lelyメソッドとも呼ばれます。修正されたプロセスは、炭化シリコンの結晶の合成を改善します。これには、加熱してから半閉鎖容器でSICパウダーを冷却し、わずかに冷たく保たれた種子に結晶を形成することができます。
修正されたLelyプロセス手順：
シリコンと炭素粉末を徹底的に混ぜます。混合物をグラファイトのるつぼに入れます。
るつぼを炉に入れます。酸化を防ぐために、真空または不活性ガス環境で約2000°Cに加熱します。
シリコン炭化物混合物は昇華し、固体からガスに変化します。
炭化シリコン蒸気は、中央に配置されたグラファイトロッドに堆積します。ロッド上の高純度SIC単結晶が形成されます。
システムを室温まで慎重に冷却します。
ハイテク用途で使用するために、グラファイトロッドから高純度の炭化物結晶を抽出します。
化学蒸着（CVD）
図11：化学蒸気堆積（CVD）
化学蒸気堆積（CVD）法では、1073〜1473 Kの温度で炭化シリコン（SIC）を生成するために、化学蒸気堆積（CVD）法で反応性シラン化合物、水素、および窒素を使用しました。制御されます。炭化シリコンのCVDプロセスでは、水素と壊れたメチルトリクロロシラン（MTS）が高温で表面上で混合され、炭化密度の高い炭化物の制御層が生成されます。
化学蒸気堆積（CVD）手順：
四塩化シリコン（SICL4）とメタン（CH4）を主要な化学源として準備します。
四塩化シリコンとメタンを高温反応器に入れます。
化学反応を開始するために必要な温度に反応器を加熱します。
高温環境は、四塩化シリコンとメタン間の反応を引き起こします。これらの反応は、炭化シリコン（原文）を形成します。
炭化シリコンは、反応器内の目的の基質に形成され、堆積します。
原子炉とその内容を徐々に冷却できるようにします。
コーティングされた基質または成分を抽出します。最終仕様を満たすために、仕上げプロセスを実施します。
アチソンプロセス
図12：アチソンプロセス
SICを作成する最も一般的な方法は、Achesonメソッドです。エドワード・グッドリッチ・アチソンは、1893年にこのプロセスを作成して、SICとグラファイトを生産しました。それ以来、多くのシリコン炭化物植物がこの方法を使用しています。
Achesonプロセス手順：
シリカの砂とコーラを徹底的に混ぜます。
中央のグラファイトロッドの周りの混合物を電気抵抗炉に配置します。
炉をほぼ2500°Cに加熱します。化学反応を促進するために温度を維持します。
強い熱により、シリカと炭素が反応し、炭化シリコンが形成されます。
炉が徐々に冷却されるようにします。
炉から形成された炭化シリコンを抽出します。
必要に応じて、シリコン炭化物をさらに処理します。
この表は、炭化シリコン（SIC）を生産するために使用される4つの方法の簡略化された比較を提供します。それは、各生産技術のユニークな利点と最良の使用を理解することを目的としています。
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方法 |
利点 |
最高
用途 |
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反応結合炭化シリコン（RBSC） |
強く、耐久性のある部分を作ります 複雑な形状に適しています 少し変形 |
アーマーメッキ、高性能ノズル |
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修正されたプロセス |
非常に純粋な結晶 完璧な構造 プロセスをより適切に制御します |
半導体、量子コンピューティング |
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化学蒸着（CVD） |
作曲でさえ 高純度 異なる材料を使用できます |
耐摩耗性のコーティング、耐腐食性
コーティング、半導体産業 |
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アチソンプロセス |
シンプルで低コスト 大量に生成できます 一貫した高品質の結晶 |
研磨剤、耐火物 |
最新のアプリケーションの炭化シリコン（原文）
自動車業界では、特に電気自動車の場合、SICはインバーターの性能を向上させ、バッテリー管理システムを小さくし、車両の範囲と削減コストを拡大します。Goldman Sachsは、これらの改善が車両あたり約2,000ドルを節約できると推定しています。
図13：シリコン炭化物ディスクブレーキ
太陽光発電では、SICはインバーターの効率を向上させ、スイッチング速度が高くなり、回路のサイズとコストが削減されます。その耐久性と安定した性能により、太陽光向きのガリウムのような材料よりも優れています。
図14：太陽エネルギーシステムのSIC
電気通信では、SIC優れた熱管理により、デバイスはより高い出力密度を処理し、セルラーベースステーションのパフォーマンスを向上させ、5Gロールアウトをサポートできます。これらの進歩は、次世代のワイヤレス通信におけるパフォーマンスとエネルギー効率の向上の必要性を満たしています。
図15：第3世代の半導体炭化シリコン
産業環境では、SICは過酷な環境と高電圧に耐え、冷却が少なく、効率が高く、コストが削減され、システムのパフォーマンスが向上する合理化された設計が可能になります。
図16：炭化シリコンによる鋼製造
防衛および航空宇宙では、SICはレーダーシステム、宇宙車両、航空機の電子機器で使用されます。SICコンポーネントは、シリコンよりも軽量で効率的であり、ウェイトを削減する宇宙ミッションに最適です。
図17：エンドツーエンドのSIC生産とアプリケーション
結論
炭化シリコン（SIC）は、その優れた特性と改善された生産技術のため、多くの高需要アプリケーションの頼りになる材料になりつつあります。その広いバンドギャップ、優れた熱伝導率、強力な機械的特性により、SICは、高出力と耐熱性を必要とする困難な環境に最適です。SICの生産方法に関する記事の詳細な見方は、物質科学の進歩により、特定の産業ニーズを満たすためにSIC特性のカスタマイズがどのように可能かを示しています。産業がより効率的でコンパクトなデバイスに移行するにつれて、SICは自動車、太陽光発電、通信、航空宇宙技術において役割を果たします。コストを削減し、SICの品質を向上させるための継続的な研究は、市場の存在感を高め、半導体材料と高性能アプリケーションの将来における重要な役割を強化することが期待されています。
よくある質問[FAQ]
1.炭化シリコンを使用しているのは誰ですか？
炭化シリコンは、電子機器、自動車、航空宇宙、製造業で働く産業や専門家によって使用されています。エンジニアと技術者は、ストレス環境での耐久性と効率性を依存しています。
2.炭化シリコン半導体とは何ですか？
シリコン炭化物半導体は、高出力および高温用途に使用されます。電力機関用の電力装置では、電力を効率的に管理するために、また鉄道システムなどの再生可能エネルギー技術や高出力アプリケーションに見られるダイオードとトランジスタで使用されています。
3.炭化シリコンSICの適用は何ですか？
炭化シリコン（sic）の用途には以下が含まれます。
パワーエレクトロニクス：効率的な電力変換と管理。
電気自動車：パフォーマンスと範囲の強化。
ソーラーインバーター：エネルギー出力と信頼性の向上。
航空宇宙：高温および高ストレス成分。
産業用具：強力で長期にわたる部品。
4.炭化シリコンから作られている製品は何ですか？
炭化シリコンから作られた製品は、半導体や電子機器から研磨剤、切削工具、暖房要素にまで及びます。また、硬度と熱抵抗のため、鎧と保護具でも使用されています。
5.炭化シリコンはどこで生産されていますか？
炭化シリコンは、主に米国、China、およびヨーロッパで、専門の施設で生産されています。企業は高温炉を運営しており、石英砂や石油コークスなどの原材料のSICを合成しています。
6.シリコンと炭化シリコンの違いは何ですか？
シリコンと炭化シリコンの違いは、その特性と用途にあります。シリコンは、標準の半導体デバイスとソーラーパネルで使用される純粋な要素ですが、炭化シリコンは、硬度、高い熱伝導率、およびより高い電圧と温度で動作する能力で知られている化合物です。これにより、SICは、シリコンが失敗する高出力および高温アプリケーションに最適です。