アモルファス炭化ケイ素

原子の規則正しい配列を誇る結晶とは対照的に、a-SiCの格子構造はランダムに組織化されている。

デルフト工科大学の研究者たちはこのほど、革新的な新素材の機械的特性をこれまでにない精度で解明し、この驚異的な強度を持ちながら柔軟性のある素材の将来的な用途の可能性を切り開いた。

物理的性質

炭化ケイ素はワイドバンドギャップ半導体材料であり、結晶形と非晶形がある。アモルファス形状は、そのユニークな機械的特性、化学的不活性、硬度、化学的不活性により、過酷な作業環境における保護コーティングやナノメカニカルセンサーなどの用途に適していることから注目されています。

a-SiC薄膜の望ましい物理的・化学的特性を得るためには、いくつかの最適化ステップを踏む必要がある。この材料で保護膜を作製する場合、作製後も膜が安定していなければならないため、これは特に重要である。

これは難しい課題であり、a-SiCの特性を向上させるためにさまざまなアプローチが検討されてきた。例えば、成膜時の温度やRFパワーは、光学的および電気的特性に直接影響を与える原子配列に影響を与える。

A-SiCの原子配列は、多くの場合、バンド配置の角度歪みや、Si-Si結合やC-Si結合、さらにはダングリングボンドの形成による劣化など、構造的な乱れを特徴とする。これらの欠陥は、適切なスパッタリング条件によって最小限に抑えることが可能であり、安定した化学構造を必要とする用途に取り組む際には不可欠なステップである。

一見したところ、a-SiCの原子は4重に配位している。結晶性SiCでは、このパターンは長い距離にわたって一定である。しかし、アモルファスSiCではこの構造が変化し、完全に4重配位していない原子が不規則なランダムネットワークを形成したり、他の3つの原子と結合していない原子（「ダングリングボンド」と呼ばれる）があったりする。水素はこれらの結合を不動態化し、この材料の特性を大幅に向上させるのに役立つ。

化学的性質

化学式SiCで表される炭化ケイ素は、多様な原子配置を示し、3eVから5eVのエネルギーギャップを持つ優れた半導体である。

炭化ケイ素は、窒素やリンをn型に、ホウ素、アルミニウム、ガリウムをp型にドープすることで、さまざまな効果を得ることができる。炭化ケイ素はまた、金属ドーピングによって導電性がさらに向上し、優れた導電体であることが証明されている。天然に産出するモアッサナイトは、隕石やコランダム鉱床、キンバーライトの中に自然に存在するが、今日世界中で販売されている炭化ケイ素のほとんどは合成品である。

アモルファス炭化ケイ素は、結晶のものと同様、破壊靭性と圧縮強度の面で卓越した機械的特性を誇り、ヤング率は結晶のものと同等である。

このような特性から、アモルファスシリコンカーバイドは、微小電極アレイを慢性的に埋め込む神経インターフェース用途に最適な材料である。インプラントの厚さは、横方向の寸法を安定させながら炎症反応を最小限に抑えるのに十分な薄さでなければならず、薄ければ薄いほど座屈閾値に近づく。アモルファスシリコンカーバイドは、チタンのような硬い材料に比べ、ヤング率が大きいため慢性的な使用中にアレイが不安定になる可能性が低く、このようなケースにおいてチタンのような硬い材料に代わる優れた選択肢を提供します。チタンのような硬い材料に比べ、ヤング率が大きいため長期間の埋込み中に慢性的に不安定になる可能性が低く、チタンのような硬い材料に代わるもう一つの強度の利点が得られます。

マンチェスター大学の研究者らは、アモルファス炭化ケイ素の引張強度を神経インターフェース用途に最適化するために調べ、その強度を試験する革新的な方法を開発した。研究チームは、このような材料を試験面に固定する方法によって不正確さが生じる可能性のある従来の方法に頼る代わりに、この材料のナノストリングを試験面に成長させ、最大引張強度を測定するために吊り下げることによって、革新的なマイクロチップのマイクロスケールソリューションを作り出した。

研究チームは、ナノストリングの構造と形状を注意深く調べることで、この材料の引張強度の理論値に非常に近い結果を得ることができた。ドライエッチングによるアンダーカットは、懸濁液への影響を最小限に抑えた。

機械的特性

炭化ケイ素のアモルファス状態は、卓越した高い極限引張強度と弾性特性、および疲労、亀裂、変形に対する耐性をもたらし、MEMSデバイスや航空宇宙部品のような構造的完全性と耐久性が要求される用途に最適な材料です。

アモルファス炭化ケイ素の機械的特性は、ヤング率およびポアソン比の測定とともに、ナノインデンテーションおよびバルジ技術を用いて評価された。特に、ウルツ鉱型結晶構造を持つα多形（a-SiC）では、成膜中の水素添加がこれらの特性に大きな影響を及ぼすことが証明されている。これと比較して、閃亜鉛鉱型結晶構造を持つβ多形（a-SiC:H）は、硬度が低いため工業用途には適さないものの、より安定であることが証明されている。

炭化ケイ素が半導体エレクトロニクスに初めて採用されたのは、1907年、初期のラジオの発光ダイオードや検出器としてであった。それ以来、高温・高電圧に対する耐性を持つ炭化ケイ素は、数多くの電子製品の主要部品となり、その用途は宇宙船の熱シールドから宝石、絶縁体まで多岐にわたる。

ここ数年、アモルファス・シリコン・カーバイド（a-SiC）は、先端マイクロエレクトロニクスのイネーブラー技術として、ますます人気が高まっている。この材料のユニークなアモルファス性により、設計者は斬新な設計アプローチを試すことができ、結晶材料よりも低コストで高性能を実現することができる。

こうした関心の高まりにもかかわらず、a-SiCは産業界でかなりの抵抗に直面している。しかし、そのスケーラビリティは、最小限のコストで効率的に大量生産が可能であることから、希望をもたらしている。

a-SiCのユニークな特性は、保護膜から高温触媒や燃料電池に至るまで、さまざまな用途にイノベーションをもたらす機会を提供してきた。さらに、そのアモルファスな性質により、研究者は、ひずみゲージのモニタリングを含むセンシング用途に理想的なパターン化された共振器を製造するための新しい技術を考案することができました。

電気的特性

アモルファスシリコンカーバイト（ASC）は、ワイドバンドギャップと高い熱伝導率を持つ魅力的な半導体であり、エネルギー損失が少ないことからオプトエレクトロニクスやマイクロエレクトロニクスの用途に適している。ASCは、窒素、リン、アルミニウムのドーパントでn型またはp型のドーピングが可能で、ホウ素やガリウムのドーパントを大量にドーピングすることで金属伝導性が得られます。さらに、その高い絶縁破壊電界強度により、ASCはスーパーキャパシタやMOSFETなどの用途に理想的です。

炭化ケイ素薄膜は、ワイドバンドギャップ電子デバイスやセンサー、MEMSセンサー、光起電力太陽電池、発光ダイオードから発光ダイオードやハードマスク膜に至るまで、工学的用途全般に応用されている。炭化ケイ素膜は、特定の用途に必要とされる特殊な特性を満たすために、さまざまな製造技術によって製造することができるため、特に注目を集めている。ナノスケールのアモルファス炭化ケイ素材料は、まだ十分に理解されていない。そこで本研究の著者らは、ナノスケール材料の特性を評価する革新的な手法を開発した。

研究者らは、構成原子や分子配列の正確な化学的・物理的特性評価、表面組成の測定、構成元素の配置の検討、ラマン測定やXPS測定を用いたこの分析のさらなる精緻化のために、特定の波長にチューニング可能なレーザーを用いたフェムト秒ポンプ・プローブ測定法を用いて、アモルファス炭化ケイ素薄膜をナノスケールで分析した；その結果、炭素を含む相とシリコンを含む相という2つの異なる相が発見された。

研究者たちは、a-SiC膜の電気特性も測定した。その結果、電気特性は低電界では概ねオーミックであったが、高電界では非オーミック挙動を示すことがわかった。この観察に基づくと、高電界に曝された場合、膜は相転移を起こし、Si-Si結合とSi-C結合が増加し、全体的な原子密度密度が低下したと推測される。

この現象を理解することは、神経インターフェース用に導電性と信頼性を向上させたアモルファス炭化ケイ素材料を開発できる可能性があるため、重要である。神経インターフェイスには、慢性的な埋め込みに耐えるために、低抵抗で座屈しきい値を持つ電極アレイが必要であるが、組織損傷や生体力学的故障の影響を受けやすい、より薄いアモルファス材料では実現が難しい。