JP2003095745A - 炭化珪素焼結材の製造方法 - Google Patents
炭化珪素焼結材の製造方法Info
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Abstract
ア濃度制御の高い炭化珪素焼結材の製造方法を提供す
る。 【解決手段】 この発明は、炭化珪素(Si
C)の粉体を主材とした圧粉体を焼結雰囲気中で加熱し
て焼結する方法において、上記主材に対し炭化アルミニ
ウム(Al4C3)と窒化珪素(Si3N4)のいずれか一
方又は両方からなる添加材を添加混合して焼結する炭化
珪素焼結材の製造方法に関する。上記添加材の添加量は
重量比0.001〜50重量%とし、さらに添加材とし
て炭化アルミニウムと窒化珪素の両方又はいずれか一方
とし、炭化アルミニウム及び窒化珪素の配合比や、添加
材の添加量を調節することにより、p型・n型電気伝導
型とそのキャリア濃度を制御するものである。
Description
である炭化珪素にドープ用添加材を添加して高密度の半
導体等を得る炭化珪素焼結材の製造方法に関するもので
ある。
においては、焼結密度を高めるためにホットプレス法や
高温加熱焼結法をはじめとする各種焼結方法がとられて
いるほか、炭化ホウ素(B4C)など焼結助剤が使用さ
れてきた。
型材料の製造では炭化ホウ素(B4C)添加剤が使用さ
れ、n型伝導型材料の製造には窒素雰囲気中で、ホット
プレス法や高温加熱焼結法によって行われており、キャ
リア濃度の制御は最高でも1022m-3の桁にとどまって
いた。
境中に多量に存在する環境にやさしい材料であることか
ら、SiC焼結体の製造において添加する焼結助剤もま
た環境にやさしい材料が望ましいが、これまでこの点に
ついて注意が払われてこなかった。
電気伝導型およびキャリア濃度の制御を欠かすことがで
きないことから不純物の添加が行われてきたが、上述し
たように添加剤の種類はきわめて限られたものでしかな
く、キャリア濃度の制御は最高でも1022m-3の桁にと
どまっていたため、SiC半導体焼結材料の半導体素子
への応用の障害となっていた。
おいては、高密度SiC焼結体を得るために、環境にや
さしい焼結助剤を提案するものである。
ては、p型またはn型半導体材料の電気伝導型の制御と
1022m-3を越えるキャリア濃度制御、およびSiC絶
縁体材料の製造を可能にする、不純物添加剤および添加
法を提案するものである。
の本発明は、炭化珪素(SiC)焼結体の製造におい
て、SiC紛体を原料として、真空またはガスを流しな
がらの雰囲気中において、圧粉体を加熱して焼結する
際、焼結体の密度を高める目的で、原料SiC中に炭化
アルミニウム(Al4C3)を0.001〜50重量%
添加する。上記Al4C3に替えて窒化珪素(Si3N4)
を0.001〜50重量%添加することも可能である。
さらに上記単体の添加材の代わりに炭化アルミニウム
(Al4C3)および窒化珪素(Si3N4)を併せて0.
001〜50重量%添加することもできる。
おいて、p型の電気伝導型およびキャリア濃度制御のた
め、アルミニウム(Al)ドープ用添加剤として炭化ア
ルミニウム(Al4C3)を0.001〜50重量%添加
することも可能である。またn型電気伝導型およびキャ
リア濃度制御のため、上記炭化アルミニウムの代わりに
窒素(N)ドープ用添加剤として窒化珪素(Si3N4)
を0.001〜50重量%添加することも可能である。
同様に高密度SiC焼結材料のn型及びp型電気伝導型
制御とキャリア濃度制御のために、添加剤である窒化珪
素(Si3N4)および炭化アルミニウム(Al4C3)を
併せて0.001〜50重量%添加することも可能であ
る。
なるSiCは純度の良否を問わず、また添加物の有無や
固溶体の状態が限定されるものではない。また、原料の
SiCは紛体に限らず、予めAl4C3を添加して圧粉
体に成形したものやこの圧粉体を予め焼結したものを用
いることができる。また、焼結方法は、圧粉体を加熱し
て焼結する後述する方法に限るものではない。
それぞれ粉体であり、焼結は真空またはガスを流しなが
らの雰囲気中において行われる。炭化アルミニウムと窒
化珪素を同時に添加する場合、これらの添加量は必ずし
も同量に限るものではない。なお添加材の添加量は0.
001重量%位から電気伝導型及びキャリア濃度制御の
効果が表れ、この発明においてはSiCを主材とした焼
結材における添加材の添加量は50%以下である。
純度SiC粉末(純度99%)にAl4C3粉体(純度9
5%)またはSi3N4粉体(純度95%)を添加し十分
に混合したのち(以後この粉体を混合粉体と称す)、内
径約10mm、長さ500mmの黒鉛ダイスの空隙中に
この混合粉体を収容した。焼結においては、放電プラズ
マ焼結法(SPS)として知られる周知の方法によっ
て、ダイスのパンチを通じて加圧および通電を行い、混
合粉体の焼結を行う。この焼結では、ダイスは約10P
aの真空度にある焼結室において行った。
C粉末から出発して、ダイスの外側温度2000℃にお
けるSPS焼結により、無添加SiC焼結体およびAl
4C3またはSi3N4を5重量%添加したSiC焼結体を
それぞれ作製した。
は、無添加の場合、SiCの理論密度3.21 g/cm3
の約80%となり、一方Al4C3添加の場合は約同96
%を得た。また、Si3N4添加の場合は同じく約85%
を得た。この結果から、Al4C3またはSi3N4添加に
よる高密度SiC焼結体の作製が可能であることが明ら
かになった。この焼結体は母体のSiCおよび添加不純
物のAl4C3やSi3N4はいずれも有害元素を含まず、
高密度化された環境にやさしい材料である。
性質は、Al4C3添加の場合にp型、Si3N4添加の場
合にn型伝導を示し、室温においてキャリア濃度は添加
量と共に増大し、5重量%添加において共にキャリア濃
度の桁が室温において1024m-3となり、伝導型および
キャリア濃度の制御が可能となった。
れ5重量%ずつ同時に添加したSiC焼結体を作製し
た。得られたSiC焼結体は絶縁体となり、伝導に寄与
するキャリア濃度が極めて低い水準にあることが判明し
た。この様にSiC焼結体のp型化を促すAl4C3と、
n型化を促すSi3N4を同時に添加した場合は、互いに
他方の作用を減じる作用があり、両方の添加量の配合を
調節することによってもp型・n型の電気伝導型及びキ
ャリア濃度の制御が可能であり、両方合わせた添加量に
よって密度制御も可能である。
法の実施例について説明する。本発明においてSiC焼
結体の製造に使用する放電プラズマ焼結装置の模式図を
図1に示す。その装置の焼結室5に設置した黒鉛ダイス
9中において原料SiC紛体の焼結を行う。
2を介して接続された一対の電極3,3が、焼結室5内
において同軸上に対向して配置され、各電極3の先端に
はそれぞれ筒状のダイ7内に端部が対向し合うように一
対のパンチ6,6が嵌合して取り付けられている。上記
ダイ7内のパンチ6,6の端面間に形成される加熱室8
内にSiC試料が収容され、該SiC試料には電極3を
介してパンチ6に加えられる圧縮方向の荷重4が作用す
る。
4C3添加SiC粉体、Si3N4添加SiC、またはAl
4C3およびSi3N4を同時添加したSiC粉体をダイス
9中に充填し、ダイス9のパンチ6を通じて加圧した状
態で,さらにパルス電流を通電して2000℃まで昇温
して行い、ここで5分間保持したのち電流を切って冷却
した。焼結の際の焼結室5の真空度は約10Paである。
放電プラズマ焼結条件を表1に示す。
行う際、パンチ6に圧力を伝え、電流を流す役割の電極
位置の変位が観測される。すなわち、室温から加熱を開
始すると、温度を上昇させるとともに試料及びダイス9
の熱膨張が起こり電極(パンチ6)間の間隔は増大す
る。しかし、1800℃を超えると電極間距離は減少に
転じ、粉体の焼結が進行して、密度が増大していること
がわかる。これはAl4C 3添加、Si3N4添加、Al4C
3およびSi3N4同時添加したSiC焼結試料に共通し
て認められる傾向である。
パンチ6およびダイ7、原料粉末部が一体となって組み
合わされている。ここで、黒鉛ダイス9の形状や寸法は
任意に選定し得るが、例えば最終的に熱電変換材料の大
きさをφ10×1mmとすれば、ダイ7の内径は10.
2mm程度に、また加熱室8の大きさはφ10×5mm
程度に選定し得る。
高密度のSiC系焼結体を作製する際にきわめてその効
果が大きい。すなわち、従来おこなわれてきたホットプ
レス法や高温加熱焼結法では相対密度は60%以下であ
り、また放電プラズマ焼結においても無添加SiCにつ
いて約80%であるのに対して、Al4C3またはSi3
N4添加SiC焼結材料では相対密度が少なくとも85
〜95%の到達が可能である。その結果半導体素子とし
て利用した場合の電流の流れも均一化且つ安定化する利
点がある。
添加法は、SiC半導体焼結材料を作製する際にきわめ
てその効果が大きい。すなわち、本発明では室温におい
てキャリア濃度がほとんど皆無の絶縁体から、少なくと
も1024m-3の桁を有する半導体までの広い範囲にキ
ャリア濃度制御が可能になり、SiC半導体焼結材料の
応用を拡大する効果がある。
C半導体焼結材料を用いることにより、酸化性雰囲気で
少なくとも600℃〜1000℃程度の高温でも熱エネ
ルギーを電気エネルギーに変換する熱電変換素子を形成
することが可能となり、高温域での排熱の有効利用に寄
与する事ができる。このSiCは高温で耐熱性にすぐ
れ、酸化および腐食性雰囲気に強く、軽量であることか
ら高温域での熱電変換素子としては特に優れた材料であ
る。
ホウ素添加によって行われてきたが、本発明において、
Al添加のための添加剤(Al4C3)が有効であること
が見い出された。その他放電プラズマ法の使用により短
時間で且つより低い真空度での焼結が可能となる利点が
ある。
模式図である。
Claims (6)
- 【請求項1】 炭化珪素(SiC)の粉体を主材とした
圧粉体を焼結雰囲気中で加熱して焼結する方法におい
て、上記主材に対し炭化アルミニウム(Al4C3)と窒
化珪素(Si3N4)のいずれか一方又は両方からなる添
加材を添加混合して焼結する炭化珪素焼結材の製造方
法。 - 【請求項2】 添加材の添加量を重量比0.001〜
50重量%とした請求項1の炭化珪素焼結材の製造方
法。 - 【請求項3】 添加材を炭化アルミニウムとし、当該添
加材の添加量を調節することによりp型電気伝導型のキ
ャリア濃度を制御する請求項1又は2の炭化珪素焼結材
の製造方法。 - 【請求項4】 添加材を窒化珪素とし、当該添加材の添
加量を調節することによりn型電気伝導型のキャリア濃
度を制御する請求項1又は2の炭化珪素焼結材の製造方
法。 - 【請求項5】 添加材が炭化アルミニウムと窒化珪素か
らなり、炭化アルミニウム及び窒化珪素の配合比と、該
添加材の添加量を調節することにより、p型・n型電気
伝導型とそのキャリア濃度を制御する請求項1又は2の
炭化珪素焼結材の製造方法。 - 【請求項6】 焼結を放電プラズマ焼結法(SPS)に
よって行う請求項1又は2又は3又は4又は5の炭化珪
素焼結材の製造方法。
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP2001283235A JP3706881B2 (ja) | 2001-09-18 | 2001-09-18 | 炭化珪素焼結材の製造方法 |
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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JP2007238382A (ja) * | 2006-03-09 | 2007-09-20 | Chubu Electric Power Co Inc | 炭化ケイ素焼結体の製造方法および炭化ケイ素焼結体 |
-
2001
- 2001-09-18 JP JP2001283235A patent/JP3706881B2/ja not_active Expired - Fee Related
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