炭化ケイ素の多形

多くの複合材料は多形性、つまり多形と呼ばれる異なる構造で存在することがあります。炭化ケイ素（SiC）はこの点で独特で、2006年までに250以上の炭化ケイ素多形が特定されており^[1] 、その中には格子定数が最大301.5nmと、通常のSiC格子間隔の約1000倍のものもあります^[2]

SiCの多形体には、薄膜や繊維で観察されるさまざまなアモルファス相^[3]と、ポリタイプと呼ばれる類似の結晶構造の大きなファミリーが含まれます。これらは、2次元では同一で、3次元では異なる、同じ化合物のバリエーションです。したがって、特定の順序で積み重ねられた層として見ることができます。これらの層の原子は、最密充填を実現するために、A、B、またはCの3つの構成に配置できます。これらの構成の積層順序によって結晶構造が定義され、単位格子は積層順序の最短周期の繰り返しシーケンスです。この説明はSiCに特有のものではなく、酸化亜鉛や硫化カドミウムなどの他の2元四面体材料にも当てはまります。

ポリタイプの分類

膨大な数のポリタイプ結晶構造をカタログ化するための簡略化手法が開発されました。3つのSiC二重層構造（下の図では、3つの原子とその間に2つの結合がある構造）を定義し、A、B、Cとラベル付けします。要素AとBは二重層の向きを変えません（120°の回転は格子を変えないため、以下では無視します）。AとBの唯一の違いは格子のシフトです。しかし、要素Cは格子を60°ねじります

主要な SiC ポリタイプの構造。
2H-SiC
4H-SiC
6H-SiC

これらのA、B、C元素を用いることで、あらゆるSiCポリタイプを構築できます。上記は、ラムズデル記法で表記された六方晶系ポリタイプ2H、4H、6Hの例です。数字は層、文字はブラベ格子を示します。^[4] 2H-SiC構造はウルツ鉱型SiCの構造に相当し、A元素とB元素のみがABABABと積層されています。4H-SiCの単位胞は2H-SiCの2倍の長さで、後半部分はねじれており、ABCB積層構造となっています。6H-SiCの単位胞は2Hの3倍の長さで、積層順序はABCACBです。立方晶系の3C-SiC（β-SiCとも呼ばれます）はABC積層構造をしています。^[5]

物理的特性

異なるポリタイプは多岐にわたる物理的特性を持つ。3C-SiCは、高い対称性によってフォノン散乱が減少するため、電子移動度と飽和速度が最も高い。バンドギャップはポリタイプ間で大きく異なり、3C-SiCでは2.3 eV、6H SiCでは3 eV、2H-SiCでは3.3 eVである。一般に、ウルツ鉱成分が多いほど、バンドギャップは大きくなる。SiCポリタイプの中で、6Hが最も容易に作製でき、最もよく研究されているが、3Cおよび4Hポリタイプは優れた電子特性から注目を集めている。SiCの多型性により、単相材料の成長は容易ではないが、いくつかの潜在的な利点も提供する。結晶成長法が十分に開発されれば、異なるSiCポリタイプのヘテロ接合を作製し、電子デバイスに適用することができる。^[5]

ポリタイプの概要

SiC構造のすべての記号には特定の意味があります。3C-SiCの数字3は、3つの二重層積層周期（ABC）を表し、文字Cは結晶の立方対称性を表します。3C-SiCは唯一の立方ポリタイプです。ウルツ鉱型ABAB…積層配列は2H-SiCと表記され、2つの二重層積層周期と六方対称性を示しています。この周期性は、4H-SiCおよび6H-SiCポリタイプでは2倍、3倍になります。菱面体晶系ポリタイプファミリーはRで表記されます（例：15R-SiC）。

主要なSiC多型の特性^[6]^[7]^[8]^[9]^[10]（Zは単位格子あたりの原子数）
ポリタイプ	空間群		Z	ピアソン記号	格子定数		バンドギャップ（eV）	六角形度（％）
ポリタイプ	名前	番号	Z	ピアソン記号	a ( Å )	c ( Å )	バンドギャップ（eV）	六角形度（％）
3C	$\mathrm {T_{d}^{2}{\mbox{-}}F43m}$	216	2	cF8	4.3596	4.3596	2.3	0
2時間	$\mathrm {C_{6v}^{4}{\mbox{-}}P6_{3}mc}$	186	4	hP4	3.0730	5.0480	3.3	100
4時間			8	hP8		10.053	3.2	50
6時間			12	hP12		15.11	3.0	33.3
8時間			16	hP16		20.147	2.86	25
10時間	$\mathrm {P3m1}$	156	10	hP20	3.0730	25.184	2.8	20
19時間			19	hP38		47.8495
21時間			21	hP42		52.87
27時間			27	hP54		67.996
36H			36	hP72		90.65
9R ^[11]	$\mathrm {C_{3v}^{5}{\mbox{-}}R3m}$	160	9	hR18	3.037	22.603	3.233	66.6
15R			15	hR30	3.0730	37.7	3.0	40
21R			21	hR42		52.89	2.85	28.5
24R			24	hR48		60.49	2.73	25
27R			27	hR54		67.996	2.73	44
33R			33	hR66		83.11		36.3
45R			45	hR90		113.33		40
51R			51	hR102		128.437		35.3
57R			57	hR114		143.526
66R			66	hR132		166.188		36.4
75R			75	hR150		188.88
84R			84	hR168		211.544
87R			87	hR174		219.1
93R			93	hR186		234.17
105R			105	hR210		264.39
111R			111	hR222		279.5
120R			120	hR240		302.4
141R			141	hR282		355.049
189R			189	hR378		476.28
393R			393	hR786		987.60

参照

炭化ケイ素繊維

参考文献

^ レベッカ・チャン (2006). 過酷な環境下でも使えるシリコンカーバイド製マイクロエレクトロメカニカルシステム. インペリアル・カレッジ・プレス. p. 3. ISBN 1-86094-624-0。
^ JF Kelly他 (2005). 「炭化ケイ素における長尺ポリタイプの層厚と周期性の相関」(PDF) . Materials Research Bulletin . 40 (2): 249– 255. doi :10.1016/j.materresbull.2004.10.008
^ Laine, Richard M. (1993). 「プレセラミックポリマーからシリコンカーバイドへの道」.材料化学. 5 (3): 260– 279. doi :10.1021/cm00027a007.
^ ラムズデル, LS,シリコンカーバイドに関する研究, Am. Mineral. 32, (1945), p. 64–82
^ ab Morkoç, H. (1994). 「Large-band-gap SiC, III-V nitride, and II-VI ZnSe-based semiconductor device technologies」. Journal of Applied Physics . 76 (3): 1363– 1398. Bibcode :1994JAP....76.1363M. doi :10.1063/1.358463.
^ 「炭化ケイ素（SiC）の特性」ヨッフェ研究所. 2009年6月6日閲覧。
^ Yoon-Soo Park, Willardson, Eicke R Weber (1998). SiC材料とデバイス. Academic Press. pp. 1– 18. ISBN 0-12-752160-7。{{cite book}}：CS1 maint：複数の名前：著者リスト（リンク）
^ S. ADACHI (1999).結晶およびアモルファス半導体の光学定数：数値データとグラフ情報. Springer. ISBN 0-7923-8567-5。
^ WJ Choyke、松波博之、Gerhard Pensl (2003). シリコンカーバイド：最近の主要な進歩. Springer. p. 430. ISBN 3-540-40458-9。
^ Nakashima, S. (1991). 「SiCポリタイプのラマン強度プロファイルと積層構造」. Solid State Communications . 80 (1): 21–24 . Bibcode :1991SSCom..80...21N. doi :10.1016/0038-1098(91)90590-R
^ Yaghoubi, A. (2018). 「菱面体晶系炭化ケイ素（9R-SiC）の原始形態の予測：多形ヘテロ接合への道筋」. Crystal Growth & Design . 18 (11): 7059– 7064. doi :10.1021/acs.cgd.8b01218.

外部リンク

シリコンカーバイドの簡単な歴史 JFケリー博士（ロンドン大学）
炭化ケイ素の材料安全データシート

[1] レベッカ・チャン (2006). 過酷な環境下でも使えるシリコンカーバイド製マイクロエレクトロメカニカルシステム. インペリアル・カレッジ・プレス. p. 3. ISBN 1-86094-624-0。

[2] JF Kelly他 (2005). 「炭化ケイ素における長尺ポリタイプの層厚と周期性の相関」(PDF) . Materials Research Bulletin . 40 (2): 249– 255. doi :10.1016/j.materresbull.2004.10.008

[3] Laine, Richard M. (1993). 「プレセラミックポリマーからシリコンカーバイドへの道」.材料化学. 5 (3): 260– 279. doi :10.1021/cm00027a007.

[4] ラムズデル, LS,シリコンカーバイドに関する研究, Am. Mineral. 32, (1945), p. 64–82

[jap-5] Morkoç, H. (1994). 「Large-band-gap SiC, III-V nitride, and II-VI ZnSe-based semiconductor device technologies」. Journal of Applied Physics . 76 (3): 1363– 1398. Bibcode :1994JAP....76.1363M. doi :10.1063/1.358463.

[ioffe-6] 「炭化ケイ素（SiC）の特性」ヨッフェ研究所. 2009年6月6日閲覧。

[prop-7] Yoon-Soo Park, Willardson, Eicke R Weber (1998). SiC材料とデバイス. Academic Press. pp. 1– 18. ISBN 0-12-752160-7。{{cite book}}：CS1 maint：複数の名前：著者リスト（リンク）

[8] S. ADACHI (1999).結晶およびアモルファス半導体の光学定数：数値データとグラフ情報. Springer. ISBN 0-7923-8567-5。

[9] WJ Choyke、松波博之、Gerhard Pensl (2003). シリコンカーバイド：最近の主要な進歩. Springer. p. 430. ISBN 3-540-40458-9。

[10] Nakashima, S. (1991). 「SiCポリタイプのラマン強度プロファイルと積層構造」. Solid State Communications . 80 (1): 21–24 . Bibcode :1991SSCom..80...21N. doi :10.1016/0038-1098(91)90590-R

[cdg-11] Yaghoubi, A. (2018). 「菱面体晶系炭化ケイ素（9R-SiC）の原始形態の予測：多形ヘテロ接合への道筋」. Crystal Growth & Design . 18 (11): 7059– 7064. doi :10.1021/acs.cgd.8b01218.