炭化ケイ素の構造と用途

炭化ケイ素（SiC）は、いくつかのユニークな電気的特性を持つ、非常に強く耐久性のある材料である。

結晶性炭素は、共有結合で密に詰まった構造に結晶化しているのが見られる。その原子は、各角に4個の炭素原子と4個のケイ素原子を持つ2つの一次配位四面体を形成し、それらの角が連結してポリタイプと呼ばれる多型構造を形成する。

物理的性質

炭化ケイ素は、モース硬度が9と10の間の非常に硬い材料で、アルミナとダイヤモンドの中間に位置する。炭化ケイ素は、現代の宝石細工の研磨材として、研削や機械加工、工業炉の耐火ライニング、切削工具、ポンプやロケットモーターの耐摩耗性部品、スケートボードの耐摩耗性グリップテープ、カーボランダム版画（アルミ板にカーボランダム砥粒を塗布し、ローリングベッド印刷機（マウンテン）を使って紙に印刷するプロセス）などで幅広く使用されている。

合成ポリカーボネートは、反応接合または焼結プロセスのいずれかを使用して合成的に製造することができ、後者は焼結助剤として0.5%炭素または0.5%ホウ素を添加することにより、表面拡散を防止し、粒界エネルギーを変更するために強化される（山）。

SiCは、多様な機械的特性を持つ印象的な工業用セラミックであり、さまざまな産業環境で貴重な存在となっている。高い熱伝導率と低い熱膨張率を持つSiCは、地上電気自動車駆動システム用パワーエレクトロニクスへの利用がこれまで以上に広まっている。さらに、SiCの電気特性は、電気自動車用トラクション・インバーターや充電ステーション用DC/DCコンバーターのような高電圧アプリケーションにおいて、従来のシリコン半導体に取って代わる可能性もある。

化学的性質

炭化ケイ素に窒素やリンをドープしてn型半導体を作り、ベリリウム、ホウ素、アルミニウム、ガリウムをドープしてp型半導体を作ることができる。炭化ケイ素はその密に詰まった対称的な構造により、ドーピングに理想的なプラットフォームを提供する。

耐火物は硬くて脆く、熱伝導性が高い。高温・高電圧に耐えることができる一方、熱膨張係数が低いため、温度変化のある用途に使用すると有利です。

天然のモアッサナイト(Csi3SiO6)は隕石やキンバーライトから見つかるが、現在販売されている炭化ケイ素のほとんどは合成品である。緑色から黒色の結晶粒から、パワーエレクトロニクス用途に使用される6インチのSiCウェハーまで、様々な形状があり、フッ化水素酸や硫酸を除く有機酸やアルカリに腐食されにくいため化学的に不活性であり、水やその他の溶媒には溶けないが、NaOHやKOHなどの溶融アルカリには溶ける。

電気的特性

炭化ケイ素（SiC）は、金属（電気を通す）と絶縁体（電気を通さない）の中間に位置する半導体材料である。SiCの電気特性は温度と組成中の不純物に依存し、低温では絶縁体のように機能するが、高温では導電性が顕著になる。SiCの導電性は、自由電荷キャリアを増加させ、SiCをP型半導体に変換するアルミニウム、ホウ素、ガリウムなどの不純物を添加することでさらに向上させることができる。

耐摩耗性やブレーキ強度を向上させるセラミック・プレートから、高い熱伝導率や低い膨張係数を生かした高温用途まで、粘土は物理的・化学的特性を兼ね備えているため、さまざまな産業で魅力的な素材となっている。

さらに、そのユニークなバンドギャップにより、従来のシリコンベースの電子機器よりも高い電圧と周波数で動作することができ、ダイオード、トランジスタ、サイリスタなどのパワーデバイスに最適な素材となっている。

熱特性

炭化ケイ素(SiC)は優れた熱特性を持つ無機セラミックであり、様々な用途に適しています。炭化ケイ素は、その硬度から耐摩耗部品や研磨剤、耐熱性と低熱膨張性から耐火物やセラミック、また極端な温度下でも電気を通すという特性からエレクトロニクスなど、さまざまな用途で使用されています。

SiCは、原子の半分がシリコンで置換されたダイヤモンド立方晶の結晶構造により、優れた熱伝導性を発揮します。SiCは効率的なバンドギャップを持ち、電子が価電子帯と伝導帯の間を容易に移動することができる。電子が価電子帯と伝導帯の間のギャップを通過するためには過大なエネルギーを必要とする絶縁体とは対照的である。

SiCの結晶構造は、ポリタイプと呼ばれるさまざまな形態をとることができる。各ポリタイプは、固有の原子配列をもたらす特定の積層順序で積層された層で構成され、これがSiCに極めて高い比熱と低い熱膨張係数を与えている。