炭化ケイ素の電気伝導率とは？

炭化ケイ素（SiC）は、金属（電気を通す）と絶縁体の中間に位置する金属間化合物であり、バンドギャップが広く、電子移動度が高いため、パワーエレクトロニクス用途には魅力的な材料である。

シリコンは、高温での化学的攻撃に対する耐性があり、広い温度範囲にわたって強度があるため、半導体炉の抵抗発熱体やサーミスタに最適であるが、金属とは異なり、電気を効率的に伝導しない。

導電率

炭化ケイ素(SiC)は非常に硬く、強靭な材料であり、様々な用途に合わせて調整できる多くのユニークな特性を備えています。低温では絶縁体、高温では導体となるSiCは、耐火物や切削工具、半導体製造、航空宇宙部品製造、熱管理システムなどの高温用途に最適な材料です。

炭化ケイ素の強靭で不溶性の結晶構造は、腐食や磨耗に非常に強い。炭化ケイ素のモース硬度は9で、硬度の点ではダイヤモンドより一段低い。耐衝撃性と耐熱性により、炭化ケイ素は鉄鋼、耐火セラミックス、無機化学製品の製造に不可欠な原料となっています。

SiCは、4つのケイ素と炭素の四面体が共有結合で結合した灰色から褐色の不溶性物質で、酸やアルカリに侵されにくく、1600℃まで耐熱性があり、耐久性に優れた無機材料です。SiCは、他の炭化物、セラミックス、非鉄金属を研削する際に、その硬い表面材料よりも壊れやすかったり、柔らかかったりする優れた材料となる。

多孔質SiCは、その化学組成、加工条件、微細構造、具体的にはポリタイプ、ドーピングレベル、気孔率、添加剤組成（金属窒化物や炭化物）に大きく依存する。さらに、焼結雰囲気は、b-a遷移を変化させるだけでなく、結晶相構造を変化させることにより、その電気伝導性に大きな影響を与えます。

最近、ある研究チームがY2O3＋AlN組成の多孔質SiCの導電率に及ぼす焼結雰囲気の影響を調査した。その結果、Ar焼結は、真空焼結と比較して、b-a変換速度の低下と焼結体のNドーピングにより、導電率を低下させるのに優れていることが判明した。

純SiCのゼーベック係数は-70～-200uV K-1であるが、市販のSiC原料粉末には空気中のN不純物が含まれているため、n型導体として伝導する。しかし、3-5% C添加剤を加えることにより、その導電性をp型に変化させることができる。

温度

炭化ケイ素の電気伝導率には温度が重要な役割を果たします。低温では、炭化ケイ素は電気の流れに抵抗して絶縁体のように振る舞いますが、高温では、その結晶構造によってフォノンがより自由に動き、電気がより通りやすくなります。

炭化ケイ素は、アルミニウム、ホウ素、ガリウムなどの不純物やドーパントを注意深く添加することによって、半導体特性を示すように改良することができる。

炭化ケイ素の特性は、高出力デバイスや最先端の産業用アプリケーションにとって非常に貴重な材料選択となります。さらに、化学的腐食や磨耗に対する耐性があるため、最先端の用途に適した汎用性の高い材料です。

温度が炭化ケイ素の導電性にどのような影響を与えるかをより深く理解することを目的とした研究者たちは、より深い洞察を得るために、さまざまな複合材料や繊維を研究してきた。例えば、化学気相浸透法で製造されたSiC繊維とポリマー含浸熱分解法（PIP）で製造されたSiC繊維の電気伝導性を比較した。その結果、PIP-SiC材料とCVI-SiC材料の熱伝導率の間には、20～1000℃の範囲で大きな差があることが示された。

研究者らはまた、炭素含有量が材料の導電性に及ぼす影響についても分析した。その結果、真空焼結よりもAr中での焼結の方が、b-a相転移とNドーピングが減少するため、電気抵抗率の低下に成功することがわかった。

熱伝導率も炭素添加量の増加とともに改善されたが、これはおそらく過剰な炭素がSiC格子内で固溶体を形成し、より自由なフォノンの流れを可能にするためであろう。さらに、焼結によってSiC結晶の格子定数が変化し、C-SiCおよびSi-SiC試料が純SiC試料よりもゼーベック係数が高い理由の一因となっている可能性がある。

多孔性

炭化ケイ素は、非常に硬く、耐薬品性に優れ、熱伝導性に優れた材料で、トライボロジー、電気、機械、原子力など、あらゆる産業で使用されています。摩擦率と摩耗率が低いため、動力（P）は低くても速度や回転数（V）は高い状態で使用することができ、圧縮荷重と高い摺動速度の両方に耐える必要があるメカニカルシール部材に特に有用です。

しかし、n型六方晶炭化ケイ素の固有導電率は低い。これをさらに高め、導電率をさらに向上させるには、LPPで0.01barの圧力を用いて結晶に細孔を形成するなどの低圧液相（LPP）技術によって気孔率を高める必要がある。これは、より高品質の多孔質炭化ケイ素製品を製造しながら、熱間静水圧プレスなどの従来の方法よりもはるかに安価である。

炭化ケイ素の多孔質構造は、電子が自由に通過できるため、電気抵抗が減少し、導電性が向上する。この効果は、バンドギャップ付近に形成されるエネルギー準位によって達成される。このエネルギー準位は、CやN2アクセプターなどのさまざまな添加剤を用いて変化させることができ、電気抵抗率を下げる一方で、BやVドナーは電気抵抗率を上げる。

望ましい気孔率を達成するためには、焼結パラメータを注意深く管理することが重要である。さらに、例えば、原料バッチにポリマーフュージティブを添加するなどして、微細構造の完全性を維持する条件下でプロセスを行う必要があります。これにより、焼結中の気孔の大きさ、形状、量を制御し、気孔率を制御することができます。

多孔質SiCの主な用途の一つはメカニカルシールの部材であり、高いPVと摺動速度の両方の条件に耐えなければならず、同時に温度変動にも対応しなければならない。このような特性により、多孔質SiCはメカニカルシールだけでなく、低摩擦・低摩耗率を要求される他の多くの用途において非常に貴重な部品となっています。

ドーピング

炭化ケイ素は、ドーピングによって電気的特性を変えることができる。ドーピングは、より多くの自由電荷キャリア（電子または正孔）を生成する不純物を結晶構造に添加することを含む。ドーピングは炭化ケイ素の電気伝導性を増減させることができ、材料特性を調整する効率的な手段として半導体産業で広く行われています。

炭化ケイ素のドーピングは、SiC原子よりも価電子数の少ない不純物を結晶構造に導入することで、バンドギャップに空の電子状態を作り出し、価電子帯から熱励起された電子によって埋めることができる。このプロセスは、N型半導体として知られるものを作り出す。この特性をさらに変化させるために、一部のSiC原子をAl、Be、ホウ素、ガリウム原子などの価電子数の多いものと置換することでp型半導体を形成することができる。

ほとんどの半導体デバイスは、N型半導体とp型半導体をPN接合で組み合わせ、順方向バイアスで動作させる。順方向バイアスによって誘導されたp型半導体の正のビルトイン電位を介して、一方の半導体から他方の半導体への電子の流れを誘導し、N型半導体により自由に流れ込ませて電気伝導度を高める。

オーミック伝導は、電子エネルギーが半導体材料内で散逸して熱を発生させ、その電気伝導率を増加させることで起こり、したがってデバイスの温度は印加電圧を変えることで変えることができる。

多孔質炭化ケイ素の電気伝導率は、ドーピング濃度、温度、電場などのいくつかの変数に依存する。2種類の多孔質炭化ケイ素に関する研究によると、4H-SiCは6H-SiCよりも導電率が高く、さらにドーパントと気孔率が導電率に大きく影響することが示された。

多孔質炭化ケイ素は、複合材料や繊維に利用されることが最も多く、最も一般的な用途としては、シリカや金属を含むマトリックスで作られた複合材料や、化学気相浸透法やポリマー含浸-熱分解法で作られた炭素リッチ繊維があります。例えば、Matmatchは様々な炭化ケイ素メーカーの製品を幅広く取り揃えています。