실리콘 카바이드 공개 : 특성, 방법 및 응용

이 기사는 구조, 내열성, 화학적 안정성 및 기계적 강도를 포함하여 SIC의 독특한 특성을 탐구하여 실리콘, 질화물 및 게르마늄과 같은 전통적인 재료보다 더 나은 것입니다.또한 Acheson 공정, 화학 증기 증착 및 변형 된 Lely 프로세스 및 이러한 방법이 산업 목적으로 순도와 성능을 향상시키는 방법과 같이 SIC가 생성되는 다양한 방식을 살펴 봅니다.이 기사는 또한 SIC의 전기, 열 및 기계적 특성을 다른 반도체와 비교하여 높은 전력 밀도, 열 효율 및 내구성이 필요한 시장에서 증가하는 것을 강조합니다.

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그림 1 : 실리콘 카바이드 (SIC) 크리스탈 (일명 Carborundum 또는 Moissanite)을 들고있는 여성의 손의 근접 촬영

실리콘 카바이드 (SIC) 특성

그림 2 : 페트리 접시의 실리콘 카바이드

실리콘 카바이드의 가장 일반적인 형태는 알파 실리콘 카바이드 (α-sic)입니다.그것은 1,700 ° C 이상의 온도에서 형성되며 Wurtzite와 같은 육각형 결정 모양을 갖습니다.온도가 1,700 ° C 미만인 경우 베타 실리콘 카바이드 (β-SIC)가 생성됩니다.이 버전은 다이아몬드와 비슷한 결정 구조를 가지고 있습니다.

그림 3 : 알파 실리콘 카바이드 (α-SIC)

그림 4 : 베타 실리콘 카바이드 (β-SIC)

그림 5 : MOHS 경도 척도

실리콘 카바이드는 다이아몬드 후 가장 어려운 재료 중 하나이며, 약 9 ~ 9.5의 Mohs 경도가 있습니다. Knoop 경도는 형태와 순도에 따라 다를 수 있지만 일반적으로 2,480 ~ 3,000 kg/mm² 사이입니다.

실리콘 카바이드는 종종 3,000 MPa가 넘는 매우 고압을 견딜 수 있으며, 일반적으로 400 내지 500 MPa 사이의 높은 굽힘 강도를 가지며 250 ~ 410 MPa 사이의 풀링 강도가 우수합니다.

경도 테스트 방법	시험 값 범위	특정한 값 (검은 실리콘 카바이드)	특정한 값 (녹색 실리콘 카바이드)
브리넬 경도	2400-2800 HBS	2400-2600 HBS	2600-2800 HBS
비커스 경도	2800-3400 HV	2800-3200 HV	3100-3400 HV
로크웰 경도	-	83-87 HRA	87-92 HRA
모스 경도	9-9.5	9.2-9.3	9.4-9.5

SIC는 열을 통해 열을 잘 수행합니다 약 120 w/mk의 전도도, 전자 장치의 열 관리.20 ° C에서 약 0.41 와트에서 열을 수행합니다. 섭씨 당 1 % (w/cm ° C).그러나 온도가 올라갈 때 1000 ° C, 열 전도는 약 0.21 w/cm ° C로 떨어집니다.

또한, 실리콘 카바이드 (SIC)는 대부분의 금속, 금속 산화물 용융 및 알칼리성 용융물에 의해 빠르게 영향을 받지만 산이나 염기에 용해되지는 않습니다.기술적 인 실리콘 카바이드의 불순물에는 일반적으로 소량의 실리콘 (Si), 철 (Fe), 알루미늄 (AL) 및 칼슘 (CA)이있는 유리 탄소 (C) 및 이산화 실 (SIO2)이 포함됩니다.SIC의 분자량은 40.096이다.순수한 SIC는 70.05% 실리콘 (SI) 및 29.95% 탄소 (C)로 만들어진다.

그림 6 : 실리콘 카바이드 (SIC) 화학 구조

그림 7 : 실리콘 카바이드 (SIC) 화학 구조

N- 타입 및 P 형 실리콘 카바이드의 특성 (SIC)

N- 타입 실리콘 카바이드 (sic)

실리콘 카바이드 (SIC)는 열이 잘 처리되고 매우 강하기 때문에 스트레스가 많은 응용 분야에 사용되는 힘든 재료입니다.n 형 SIC를 만들기 위해, 도핑이라는 과정 인 불순물이 추가되어 전기 특성을 변화시킨다.실리콘보다 원자가 전자를 갖는 질소 또는 인과 같은 요소는 SIC 구조에서 유리 전자의 수를 증가시키기 위해 첨가된다.이것은 음으로 하전 된 또는 "N- 타입"재료를 만듭니다.

이 자유 전자는 SIC의 전기 전도성을 크게 향상시킵니다.N 형 SIC에서, 전자는 움직임이 제한되는 순수한 SIC에 비해 더 쉽게 움직일 수있다.이 더 나은 전자 이동은 N- 타입 SIC가 빠르고 효율적인 전자 흐름의 전력 전자 제품 및 고주파 장치에 이상적입니다.N 형 SIC는 전도도가 우수하지만 금속뿐만 아니라 전기를 전도하지 않아 반도성 특성을 유지합니다.이 균형은 다양한 전자 장치에서 전자 흐름을 정확하게 제어 할 수있게합니다.

P- 타입 실리콘 카바이드 (SIC)

P 형 실리콘 카바이드 (SIC)는 N- 타입 버전과 다르게 작동합니다.P- 타입 도핑은 실리콘보다 원자가 전자가 적은 붕소 또는 알루미늄과 같은 요소를 첨가하는 것을 포함합니다.이것은 "구멍"또는 전자가 누락 된 공간을 생성하여 재료에 양전하를주고 "p- 타입"을 만듭니다.이 구멍은 양전하가 움직일 수 있도록하여 전류를 운반하는 데 도움이됩니다.

왜 실리콘 카바이드 (SIC)가 선호하는 이유는 무엇입니까?

그림 8 : 반도체 재료

아래 표는 실리콘 (SI), 질화 갈륨 (GAN), 게르마늄 (GE) 및 실리콘 카바이드 (SIC)의 4 가지 반도체 재료의 상세한 비교를 제공합니다.비교는 다른 범주로 구성됩니다.

측면	규소 (시)	갈륨 질화물 (간)	게르마늄 (GE)	규소 탄화물 (sic)
전기 특성	성숙한 공정, 1.1 eV의 밴드 갭, 제한 고출력/주파수로	높은 전자 이동성, 3.4 eV 밴드 갭, 고출력/주파수 응용 프로그램	높은 전자 이동성, 0.66 eV 밴드 갭, 높은 누출	3.2 eV의 넓은 밴드 갭, 높은에서 효율적입니다 전압/온도, 낮은 누출
열 특성	중간 정도의 열전도율은 제한 될 수 있습니다 고출력 용도	실리콘보다 낫지 만 고급이 필요합니다 냉각	실리콘보다 열전도율이 낮습니다	높은 열전도율, 효과적인 열 소산
기계적 특성	취성, 대부분의 용도에 충분합니다	부서지기 쉬운 일치하지 않습니다 기판	실리콘보다 부서지기 쉬운	단단하고 강하며 고감도에 적합합니다 응용 프로그램
시장 채택	확립 된 인프라로 인해 지배적입니다 그리고 저렴한 비용	통신 및 방어에서 인기가 있습니다 고비용	유리한 특성으로 인해 제한됩니다	고전력 밀도, 높은 온도 작동, 효율성, 내구성, 지속적인 비용 절감

실리콘 카바이드 만들기 (sic)

실리콘 탄화물을 만들려면 일반적으로 실리카 모래와 탄소가 풍부한 물건을 섭씨 거의 2500 도로 가열합니다.이것은 철 및 탄소 불순물로 더 어두운 실리콘을 제공합니다.실리콘 카바이드는 4 가지 주요 방법을 통해 합성 될 수 있으며, 각각은 특정 용도로 맞춤화 된 뚜렷한 이점이 있습니다.이 방법에는 다음이 포함됩니다.

반응 결합 실리콘 카바이드 (RBSC)

반응-결합 실리콘 카바이드 (RBSC)는 실리콘 카바이드와 탄소의 미세하게 혼합 된 혼합으로 만들어진다.혼합물을 고온으로 가열하고 액체 또는 증기 실리콘에 노출시킨다.실리콘 및 탄소는 더 많은 실리콘 카바이드를 형성하기 위해 반응하고, 실리콘은 남은 모공을 채 웁니다.반응-결합 실리콘 질화물 (RBSN)과 마찬가지로, RBSC는 소결 동안 모양이 거의 없다.이 제품들이 실리콘의 녹는 점에 도달하면 이전과 거의 강해지는 것입니다.RBSC는 비용 효율적이며 복잡한 디자인으로 형성 될 수 있기 때문에 세라믹 산업에서 인기가 있습니다.

그림 9 : 반응 결합 실리콘 카바이드

반응 결합 실리콘 카바이드 (RBSC) 절차 :

거친 실리콘 카바이드 입자를 실리콘 및 가소제와 결합하십시오.균일 블렌드가 달성 될 때까지 혼합하십시오.

혼합물을 원하는 모양과 형태로 가공하십시오.최종 사양과 일치하도록 지오메트리의 정밀도를 확인하십시오.

모양의 조각을 고온 용광로에 넣으십시오.실리콘과 실리콘 카바이드 입자 사이의 반응을 일으키는 온도로의 가열;

실리콘은 실리콘 카바이드와 반응하여 매트릭스에 결합하고 강도와 내구성을 증가시킨다;

조각이 실온으로 점차 식히도록하십시오.

냉각 된 조각을 연마하여 정확한 사양을 충족하고 표면 마감을 향상시킵니다.

수정 된 Lely 프로세스

그림 10 : 수정 된 Lely 프로세스

1978 년 Tairov와 Tsvetkov가 만든이 방법을 수정 된 방법이라고도합니다.변형 된 Lely 공정은 실리콘 카바이드 결정의 합성을 향상시킨다.여기에는 반달성 용기에 SiC 분말을 가열 한 다음 냉각시키는 것이 포함되어 약간 더 차가운 온도로 유지되는 종자의 결정을 형성 할 수 있습니다.

수정 된 Lely 프로세스 절차 :

실리콘과 탄소 분말을 철저히 혼합하십시오.혼합물을 흑연 도가니에 놓으십시오.

도가니를 용광로에 넣으십시오.산화를 방지하기 위해 진공 또는 불활성 가스 환경에서 약 2000 ℃로 가열;

실리콘 카바이드 혼합물은 고체에서 가스로 변화하여 승화시킨다.

실리콘 카바이드 증기는 중앙에 위치한 흑연 막대에 침착합니다.로드에 고순도 SIC 단결정이 형성됩니다.

시스템을 실온으로 조심스럽게 식히십시오.

첨단 기술 응용 분야에 사용하기 위해 흑연로드에서 고순도 실리콘 카바이드 결정을 추출하십시오.

화학 기상 증착 (CVD)

그림 11 : 화학 기상 증착 (CVD)

반응성 실란 화합물, 수소 및 질소는 화학 증기 증착 (CVD) 방법에 사용하여 1073에서 1473 K 사이의 온도에서 실리콘 카바이드 (SIC)를 생성했습니다. 화학 반응 설정을 변경함으로써, 퇴적물의 구성 및 경도는 섭취 할 수 있습니다.통제됩니다.실리콘 카바이드에 대한 CVD 공정에서, 수소 및 파손 된 메틸 트리클로로 실란 (MTS)은 고온 및 저압에서 표면에 혼합되어 조밀 한 실리콘 카바이드의 제어 된 층을 생성한다.

화학 기상 증착 (CVD) 절차 :

1 차 화학 공급원으로서 사트라 클로라이드 (SICL4) 및 메탄 (CH4)을 준비하고;

실리콘 테트라 클로라이드 및 메탄을 고온 반응기에 넣으십시오.

화학 반응을 시작하기 위해 반응기를 필요한 온도로 가열하십시오.

고온 환경은 사트라 클로라이드와 메탄 사이의 반응을 유발합니다.이러한 반응은 실리콘 카바이드 (sic)를 형성한다.

실리콘 카바이드는 반응기 내의 원하는 기질 상에 형성되고 증착된다;

원자로와 그 내용물이 점차 냉각되도록합니다.

코팅 된 기판 또는 성분을 추출하십시오.최종 사양을 충족하기 위해 마무리 프로세스를 수행하십시오.

Acheson 프로세스

그림 12 : Acheson 프로세스

SIC를 만드는 가장 일반적인 방법은 Acheson 방법입니다.Edward Goodrich Acheson은 1893 년에 Sic과 흑연을 생산하기 위해이 과정을 만들었습니다.많은 실리콘 카바이드 식물이 그 이후 로이 방법을 사용해 왔습니다.

Acheson 프로세스 절차 :

실리카 모래와 코크스를 철저히 섞으십시오.

전기 저항 용광로의 중앙 흑연 막대 주위에 혼합물을 배열하고;

용광로를 거의 2500 ° C로 가열하십시오.화학 반응을 유도하기 위해 온도를 유지하십시오.

강렬한 열은 실리카와 탄소가 반응하여 탄소를 형성합니다.

용광로가 점차 식히도록하십시오.

용광로에서 형성된 실리콘을 추출하고;

필요할 때마다 실리콘 카바이드를 추가로 처리하십시오.

이 표는 실리콘 카바이드 (SIC)를 생성하는 데 사용되는 4 가지 방법을 단순화 한 비교를 제공합니다.각 생산 기술의 고유 한 장점과 최상의 용도를 이해하는 데 도움이됩니다.

방법	장점	최상의 용도
반응 결합 실리콘 카바이드 (RBSC)	강하고 내구성이 뛰어난 부분을 만듭니다 복잡한 모양에 좋습니다 작은 변형	갑옷 도금, 고성능 노즐
수정 된 Lely 프로세스	매우 순수한 결정 완벽한 구조 프로세스에 대한 더 나은 제어	반도체, 양자 컴퓨팅
화학 기상 증착 (CVD)	조성조차도 고순도 다른 재료를 사용할 수 있습니다	내마비 코팅, 부식 방지 코팅, 반도체 산업
Acheson 프로세스	간단하고 저렴한 비용 많은 양을 생산할 수 있습니다 일관되고 고품질의 결정	연마제, 내화성 재료

현대적인 응용 분야의 실리콘 카바이드 (SIC)

자동차 산업, 특히 전기 자동차의 경우 SIC는 인버터 성능을 향상시키고 배터리 관리 시스템을 작게하여 차량 범위를 확장하고 비용 절감 비용을 줄입니다.Goldman Sachs는 이러한 개선으로 인해 차량 당 약 $ 2,000를 절약 할 수 있다고 추정합니다.

그림 13 : 실리콘 카바이드 디스크 브레이크

태양열에서 SIC는 인버터 효율을 증가시켜 스위칭 속도가 높아져 회로 크기와 비용이 줄어 듭니다.내구성과 안정적인 성능은 태양 응용 분야를위한 질화 갈륨과 같은 재료보다 더 좋게 만듭니다.

그림 14 : 태양 에너지 시스템의 SIC

통신에서 SIC 우수한 열 관리를 통해 장치는 더 높은 전력 밀도를 처리하여 셀룰러 기지국의 성능을 향상시키고 5G 롤아웃을 지원할 수 있습니다.이러한 발전은 차세대 무선 통신에서 더 나은 성능과 에너지 효율의 필요성을 충족시킵니다.

그림 15 : 3 세대 반도체 실리콘 카바이드

산업 환경에서 SIC는 가혹한 환경과 고전압을 견딜 수 있으므로 냉각이 적고 효율성이 높고 비용이 낮아 시스템 성능을 향상시킬 수 있습니다.

그림 16 : 실리콘 카바이드가있는 스틸 제조

방어 및 항공 우주에서 SIC는 레이더 시스템, 우주 차량 및 항공기 전자 제품에 사용됩니다.SIC 구성 요소는 실리콘보다 가볍고 효율적이며 무게를 줄이면 우주 임무에 가장 적합합니다.

그림 17 : 엔드 투 엔드 SIC 생산 및 응용 프로그램

결론

실리콘 카바이드 (SIC)는 우수한 특성과 개선 된 생산 기술로 인해 많은 수요가 많은 응용 분야의 자료가되고 있습니다.넓은 밴드 갭, 열전 전도도 및 강한 기계적 특성을 통해 SIC는 높은 전력과 내열이 필요한 힘든 환경에 이상적입니다.SIC의 생산 방법에 대한이 기사의 자세한 검사는 재료 과학의 발전으로 SIC 속성의 사용자 정의가 특정 산업 요구를 충족시키는 방법을 보여줍니다.산업이보다 효율적이고 컴팩트 한 장치로 이동함에 따라 SIC는 자동차, 태양 광 발전, 통신 및 항공 우주 기술에서 역할을합니다.비용을 줄이고 SIC 품질을 향상시키기위한 지속적인 연구는 시장의 존재를 증가시켜 반도체 재료와 고성능 응용 프로그램의 미래에 중요한 역할을 강화할 것으로 예상됩니다.

자주 묻는 질문 [FAQ]

1. 누가 실리콘 카바이드를 사용합니까?

실리콘 카바이드는 전자 제품, 자동차, 항공 우주 및 제조업에서 일하는 산업 및 전문가가 사용합니다.엔지니어와 기술자는 스트레스가 많은 환경에서 내구성과 효율성에 의존합니다.

2. 실리콘 카바이드 반도체는 무엇입니까?

실리콘 카바이드 반도체는 고전력 및 고온 응용에 사용됩니다.전력 자동차의 전원 장치에서 전력을 효율적으로 관리하고 재생 가능 에너지 기술 및 철도 시스템과 같은 고전력 응용 분야에서 발견되는 다이오드 및 트랜지스터에서 사용됩니다.

3. 실리콘 카바이드 SIC의 적용은 무엇입니까?

실리콘 카바이드 (SIC)의 응용은 다음을 포함합니다.

전력 전자 장치 : 효율적인 전력 변환 및 관리.

전기 자동차 : 향상된 성능 및 범위.

태양열 인버터 : 에너지 출력 및 신뢰성 향상.

항공 우주 : 고온 및 고 스트레스 구성 요소.

산업 장비 : 강력하고 오래 지속되는 부품.

4. 실리콘 카바이드로 어떤 제품이 만들어 졌습니까?

실리콘 카바이드로 만든 제품은 반도체 및 전자 장치에서 연마제, 절단 도구 및 가열 요소에 이르기까지 다양합니다.또한 경도와 열 저항으로 인해 갑옷과 보호 장비에도 사용됩니다.

5. 실리콘 카바이드는 어디에서 생산됩니까?

실리콘 카바이드는 주로 미국, China 및 유럽에서 특수 시설에서 생산됩니다.회사는 고온 용광로를 운영하여 석영 모래 및 석유 코크스와 같은 원료에서 SIC를 합성합니다.

6. 실리콘과 실리콘 카바이드의 차이점은 무엇입니까?

실리콘과 실리콘 카바이드의 차이점은 특성과 응용 분야에 있습니다.실리콘은 표준 반도체 장치 및 태양 전지판에 사용되는 순수한 요소이며, 실리콘 카바이드는 경도, 높은 열전도율 및 더 높은 전압 및 온도에서 작동하는 능력으로 알려진 화합물입니다.이로 인해 SIC는 실리콘이 실패하는 고전력 및 고온 응용에 이상적입니다.