Карбид кремния

Карбид кремния (SiC) — это бинарное неорганическое химическое соединение кремния и углерода, относящееся к классу карбидов. В природе встречается в виде крайне редкого минерала муассанита. В промышленности карбид кремния получают искусственно; он представляет собой твёрдый, химически стойкий полупроводниковый материал, обладающий высокой теплопроводностью и широкой запрещённой зоной. Благодаря уникальному сочетанию физико-химических свойств, карбид кремния применяется в абразивной промышленности, электронике (силовая и высокотемпературная), оптике, а также в качестве конструкционного материала.

История

Первое сообщение о соединении кремния и углерода, полученном при нагревании смеси глины и угольного порошка в электрической печи, датируется 1824 годом и принадлежит шведскому химику Йёнсу Якобу Берцелиусу. Однако систематическое изучение и промышленное производство карбида кремния началось только в конце XIX века.

В 1891 году американский изобретатель Эдвард Гудрич Ачесон, пытаясь синтезировать искусственный алмаз, нагрел смесь глины (алюмосиликата) и кокса в электрической печи. Полученный им чрезвычайно твёрдый материал был назван «карборундом» (от лат. carbo — уголь и corundum — корунд). Ачесон запатентовал метод промышленного синтеза SiC в 1893 году и основал компанию The Carborundum Company. Первоначально карбид кремния использовался исключительно как абразив.

В середине XX века началось изучение полупроводниковых свойств карбида кремния. Было обнаружено, что SiC обладает широкой запрещённой зоной и способен работать при высоких температурах, напряжениях и частотах. Однако технологические трудности получения чистых и крупных монокристаллов долгое время сдерживали его применение в электронике. Коммерческое внедрение SiC-электроники началось в 1990-х — 2000-х годах с развитием методов эпитаксиального роста и создания подложек большого диаметра.

Физические и химические свойства

Карбид кремния существует в виде множества кристаллических модификаций (политипов), различающихся порядком чередования слоёв атомов кремния и углерода в гексагональной или кубической решётке. Наиболее распространённые политипы: 3C-SiC (кубический), 4H-SiC и 6H-SiC (гексагональные). Политипы 4H и 6H являются основными для полупроводниковой промышленности.

Ключевые характеристики

• Твёрдость: 9,5 по шкале Мооса (уступает только алмазу и нитриду бора). Обладает высокой абразивной способностью.
• Плотность: 3,21 г/см³ (для 6H-SiC).
• Температура плавления: не плавится при нормальном давлении, а сублимирует (возгоняется) при температуре около 2700 °C.
• Теплопроводность: 120–490 Вт/(м·К) в зависимости от политипа и чистоты, что значительно выше, чем у кремния (Si) и арсенида галлия (GaAs).
• Ширина запрещённой зоны: 2,3–3,3 эВ (для сравнения, у кремния — 1,12 эВ). Это позволяет SiC-приборам работать при температурах до 600 °C и выше.
• Напряжённость электрического пробоя: в 7–10 раз выше, чем у кремния.
• Химическая стойкость: инертен по отношению к большинству кислот и щелочей при комнатной температуре. Реагирует с расплавленными щелочами и некоторыми газами (хлор, водород) при высоких температурах.
• Цвет: в природе и в виде синтезированных кристаллов может быть бесцветным, зелёным, жёлтым, синим или чёрным (из-за примесей азота, алюминия и других элементов).

Классификация

Карбид кремния классифицируют по способу получения и области применения:

По технологии синтеза

• Чёрный карбид кремния (SiC-Ч): получают в печах Ачесона из кварцевого песка и нефтяного кокса. Содержит 96–98 % SiC. Используется преимущественно как абразивный материал для обработки твёрдых материалов (гранит, стекло, чугун) и в производстве огнеупоров.
• Зелёный карбид кремния (SiC-З): получают из более чистого сырья (кварцит, кокс, поваренная соль). Содержит 98–99 % SiC. Отличается большей твёрдостью и хрупкостью. Применяется для обработки сверхтвёрдых сплавов, керамики и драгоценных камней, а также в качестве сырья для полупроводниковой промышленности.
• Высокочистый карбид кремния (SiC-ВЧ): получают методами физического транспорта паров (PVT) или химического осаждения из газовой фазы (CVD). Используется для выращивания монокристаллических подложек и эпитаксиальных слоёв в микроэлектронике.

По области применения

• Абразивный: порошки, шлифовальные круги, шкурки.
• Огнеупорный: кирпичи, тигли, муфели для высокотемпературных печей.
• Электронный: подложки, силовые диоды и транзисторы, светодиоды, высокочастотные приборы.
• Конструкционный: детали насосов, подшипники, сопла пескоструйных аппаратов, бронеплиты.

Применение

Абразивные материалы

Исторически первое и до сих пор массовое применение. Карбид кремния используется в виде порошков, паст, шлифовальных кругов, брусков и наждачной бумаги. Он эффективен для шлифовки и резки металлов, камня, стекла, керамики, пластика и композитов. Благодаря высокой твёрдости и остроте зёрен, SiC обеспечивает высокую скорость съёма материала.

Силовая электроника

Карбид кремния является ключевым материалом для создания полупроводниковых приборов нового поколения — силовых диодов Шоттки, MOSFET-транзисторов, JFET и IGBT. Преимущества SiC-приборов перед кремниевыми аналогами:

• Высокое рабочее напряжение (до 10 кВ и выше).
• Низкие потери при переключении (высокая частота).
• Работа при высоких температурах (до 300–600 °C).
• Меньшие габариты и масса системы охлаждения.

SiC-электроника широко применяется в инверторах для электромобилей (Tesla, Toyota), зарядных станциях, источниках бесперебойного питания, солнечных инверторах, тяговых преобразователях для железнодорожного транспорта и авиации.

Оптоэлектроника

Благодаря широкой запрещённой зоне, SiC используется для создания светодиодов синего и ультрафиолетового диапазонов. В 1990-х годах на основе гетероструктур SiC были созданы первые коммерческие синие светодиоды. В настоящее время SiC чаще применяется в качестве подложки для эпитаксиального роста нитрида галлия (GaN), который является активным слоем в современных ярких светодиодах и лазерных диодах.

Высокотемпературная и высокочастотная электроника

SiC-транзисторы и диоды способны работать в экстремальных условиях (высокая температура, радиация, агрессивные среды), где кремниевые приборы выходят из строя. Это делает их незаменимыми для датчиков и систем управления в авиакосмической отрасли, атомной энергетике, геологоразведке (глубинные скважины).

Огнеупорные материалы

Карбид кремния используется для изготовления огнеупорных изделий (кирпичей, тиглей, муфелей), способных выдерживать температуры до 1600–1700 °C. Такие материалы применяются в металлургии (плавильные печи), стекольной и керамической промышленности.

Конструкционные материалы

Из карбида кремния изготавливают высоконагруженные детали, работающие в условиях абразивного износа, высоких температур и коррозии: подшипники скольжения, уплотнительные кольца, сопла пескоструйных аппаратов, лопатки турбин, бронеэлементы для индивидуальной и транспортной защиты.

Интересные факты

• В природе карбид кремния встречается в виде минерала муассанита, который был впервые обнаружен в 1893 году в метеорите. Муассанит может быть прозрачным и бесцветным, что делает его имитацией алмаза. По оптическим свойствам (дисперсия, блеск) он превосходит алмаз, но значительно уступает по твёрдости.
• Карбид кремния является одним из немногих материалов, которые могут быть использованы в качестве подложки для эпитаксиального роста графена. При нагреве SiC в вакууме происходит сублимация кремния, и на поверхности остаётся слой графита — графен.
• В 2019 году компания Cree (ныне Wolfspeed) объявила о строительстве крупнейшего в мире завода по производству SiC-подложек и приборов, что свидетельствует о стремительном росте рынка силовой электроники на основе карбида кремния.

Источники

1. Химическая энциклопедия: в 5 т. / Редкол.: Кнунянц И. Л. (гл. ред.) и др. — М.: Советская энциклопедия, 1988. — Т. 2.
2. Физические величины: Справочник / Под ред. И. С. Григорьева, Е. З. Мейлихова. — М.: Энергоатомиздат, 1991.
3. Свойства, получение и применение карбида кремния / Под ред. Ю. М. Таирова. — Л.: Наука, 1987.
4. Harris, G. L. (Ed.). Properties of Silicon Carbide. — INSPEC, IEE, 1995.
5. Материалы научно-технических конференций по силовой электронике (PCIM Europe, APEC) и отраслевые обзоры рынка SiC-приборов (Yole Développement, 2020–2023).