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無機材質研究所

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[無機材研ニュース第2号](https://mdr.nims.go.jp/datasets/7ec4fc82-016a-4057-8f4c-c4f274dccd21)

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無機材研ニュース第2号七〇一．ゼEoo．一0E蜆E0一垣o］1oo．o0＝あ○蜆oo、］o．Eo一垣oo］10’0E0上oo○眈o〇一10－〇一眈○眈餉Eo．但≧里三…ω…Z－o○餉］○工←昭和43年10月　第2号（炭化けい素）ド　1892年（1月治25年），発1リ」ヨ三エジソンの助手をしていたアチエソンがダイヤモンドを合成しようと考え，ア］ク灯用の炭素を電極として鉄の容器中でコークスと粘土を強熱していた時，悩然炭素電極に付着した光沢のある六角板状の結品を認めたのが炭化けい素の発見の端緒である。　彼は，この結晶がダイヤモンドに近い硬さをもっているのに注目し，研磨材料としての利用を考えて特許を申請Lている。事実この時代には，宝石の研磨用としてダイヤモンド屑と同じくらいの高い値段で取引きされていたということである。　一方，炭化けい素が天然に存在するかというと，限石の中に微量蕎忍められ，またアメリカやソ連で岩石中にごく僅か見出されたという報告があるが，未だ天然産として利用できる量のものは存在しないので，もっぱら合成によって作られている。　炭化けい索は，硬度が非常に高くモース硬度で表わすと，ダイヤモンドが／5，炭化ほう素が14，炭化けい素が13，アルミナが12である。従って研磨材，研削砥石，研磨紙布として広く利用されている。　また，2，830．Cというきわめて高い融点（分解溶融温度〕をもち耐火材料としてすぐれているので，耐火物としても賞用されている。　さらに，電気的特性をいかして1，600Tまでの抵抗発熱体や避雷器としても使用されている。また最近では，原子炉材料，宇宙航空材料として，あるいはひげ締品（ウィスカー）をプラスチックや耐熱金刷こ入れて補強する複合材料としての発膿が考えられている。　特に最近の」1…匡・」｛］二学においては，炭化けい素の二い蜘木的性質に関する研究が進められ，サーミスタ，バリスタ，整流器，トランジスタなどの材料として脚光を浴びている。　この理山は，現在ゲルマニウムやシリコン半導体が姓も有名一であるが，これらは200．Cを越えると使川できなくなるのに淡化けい素は500．Cでも安全で，今後高温度に耐えしかも放身寸線損傷にも独い興昧ある半導体材料として世界的関心が寄せられたためである。この一点については1959年以来国際研究会議が数回開催されていることでもうなずける。　炭化けい素は，上述のように発見の歴史も古く現在多量に合成され広い用途をもっているが，こと半導体となると現在の工業的炭化けい素は全く使いものにならない。というのは第1に余りにも不純物が多すぎる点である。　一般に結晶の半導体的性質を調べるには，まずそのもの本来の性質を調べ，次にこれが外から加えられた不純物原子によってどのように変化してゆくかを調べる二段構えの理解が必要である。初めから未如の不純物が分らない量入っている結品相手では丁がつけられない。この事実はゲノレマニウム半導体において，まず99．9999999％1．気相反応式SiC単結晶合成装置という超高純度に精製して，次にこれに微量のインジウムやアンチモンをコントロールしながら必要量だけ添加して，p型およびn型半導体を作っていることでも理解できる。　炭化けい素についても全く同様で，現在の98％程度の純度の結品では話にもならないわけである。どうしても素性の明らかな超高純度のものを含成しなけれぱ研究が進められないことになる。　第2に炭化けい素は，化学組成が同じでも多数の違った結晶構造を取りうるいわゆる多形現象（Polytypism）の代表的物質である。　炭化けい素結品は，炭素原子とけい素原子が立榊勺にある規貝1」をもった並び方を繰り返して配列している。その並び方の規貝1」に種々のものがあって，同じ炭化けい素でもこの並び方で性質が少しづつ違っている。これが多形である。　結晶学では，原子の立体的配列を表わすために，・，b，cの三軸をとっている。α型炭化けい素ではa軸，b　il1Il■方向の原子の並び力には変化がないが，・軸力向で2層毎に1司じ並び方を繰り返す2Hタイフ」，6層毎に繰り返す6Hタイプ，長周期として594層毎に並び方を繰り返す594Rタイプなど約50種類もの多形が認められている。しかも一つの結晶の中に多形の中の他の結晶形のものが混在して成長しやすい。　従って炭化けい素を合成すると大抵6Hと15R，6Hと4Hなどが一つの結品の中に含まれていて，6Hだけ，15Rだけの真の単結晶を分離して合成することが非常にむずかしい。多形の混在している結品の性質を調べても，どの結晶構造をもつ淡化けい素の性質を調べているのか訳が分らないことになる。　また，なぜ594Rタイプのように，原子が594層毎に忘れずに同ず繰り返しをする記憶カをもっているのか，その原因を明らかにすることも結晶学上非常に大切なことである。　以上のように炭化けい素は学間」二解明しなければなら2．板状SiC単結晶の成長模様　（位相差顕微鏡写真×約260）　　　　31柱状SiC単結晶の複合渦巻成長模様　　　　　（位相差顕微鏡写真×約290）ない人切な点が非常に多く，しかもこれが解決されて化学的にも結品学的にも素性の呪らかな単結晶が合成できれぱ，物性の研究と相まって半導体材料としての用途も洋々たるものがあり，木研究所としてとりあげる超高純度物質として誠に格好の材料であると考える。　そこで炭化けい素をテーマとしてとりあげた第！研究グループでは，超高純度の炭化けい素を含成するチーム，合成された単結晶の化学的，紬晶学的な索性を明らかにする解析チーム，各種の性質を調べる物性チームに分け，各チームが互に研究結果をフィードバックして協カしながら目標に進む体制をとっている。現在巡めている研究内容は次のようである。　1．含成に関する研究a〕気相反応によるひげ結晶の合成　SiC1。十CC1。十H皇系，CH呂SiC1豊一1－H呈系系などのガスをユ，300～！，600丁付近に加熱した各和の基材表面に導入して，基材面に3Cおよび2Hタイプの弓1張り独度の強いひげ紬晶を育成する研究を逃めている。この方法による合成結晶は従来3Cと2Hが1つの結晶中に混在して成長しやすかったが，研究の結果微量の酸素の存在をコントロールすることなどによって3Cだけあるいは，2Hだけからなるひげ結晶を分離育成する条件を明確にし，その成長機構について検討を加えている。また，SiCのエピタキシアル（方位配列）成長についても研究を進めつつある。b）昇華再結晶による合成　炊化けい素を2，500丁付近で強熱すると昇華する‘この時SiCとその中の不純物との間の昇華速度，拡散速度の差を利」1目してSiCを非■搬すると剛1寺に再結品させて比較的大型の結晶を合成することができる。　従来は，6H，15R，4H，2ユRなどの各種の結品が同11寺に合成され，！つの結晶内にこれらの数種類が共存し，真の単絡品を作ることが中々困難であった。われわれは合成の際の過飽和度をコントロールナることによって6Hタイプのみからなる格子欠陥の少ない単結晶を合成する条件を見出し，また各種多形の熱的な安定性についても研究を進めている。c）高温溶液からの析出による合成　SiCを適当に溶解するような金属あるいは融斉1」を乏らぼに入れ，高温度でSiCを飽和させたのち，冷却LてSiCを析出させる方法について，まず最も有効な金属や融剤について検討を行なっている。ついで引き続きこの中に種結品を入れて成長させる方法や溶媒移行法による大型単結晶の育成についても研究を進める予定である。　2・解析に関する研究a）微■不純物の分析　含成された炭化けい素叫1に含まれている微量不純物をppm（白’万分の1）以下の感度で定量できる分析方法について研究中で，鉄やニッケルなどについては一応の方法を確立している。b）表面構造および結晶の不完全性の解析　炭化けい素の表面を位相差顕微鏡で観察すると写真2，3のような模様が見える。これは結晶表面に残されたSiC結晶成長の軌跡であって，これを調べることによって締品がどのようにして成長したかの機構を失11ることができる。　ごれは，前述したC軸方向の原子層の繰り返しの言己憶カの原因を説明する有カな手がかりの一つとなるものである。　われわれは各種の光学的方法によって，このらせん転位による渦巻き成長層の厚さをオングストo一ム（百万分の1センチメートル）単位で測定する方法を考案し，SiC結品の成長機構をさらに深く解明しつつある。　また，結晶はその原子が整然と配列Lているのが理想の姿であるが，実際の結晶には配列に多くの乱れが存在し，これが各種の性質に大きな影響を与えている。そこでこの乱れの程度をエッチングフィギャ］（蝕像）の観察やX線的手段によって定量的に測定する方法についても研究を進めている。c）結品構造の解析　合成された単結晶の多形のX線回折による判定，その精密構造の解析を行なうとともに，2H→3Cへの相転移を原子の積層不整の観点から追求し，多形相互の関係を明らかにしたいと努カしている。　3．物性に関する研究　合成単結晶の半導体的性質を明らかにする目的で，手始めに電気抵抗，ホール常数の測定を行ない，電圧一電流特性，電圧一抵抗特性，キャリヤー濃度，移動度の基礎的事項を明らかにする測定を逃めている。　本研究所は，昭和41年4月に発足して第3年目を迎えたが，庁舎については未だ借用という不自由な状態で研究活動を行なっている。これは，近い将来r筑波研究学園都市」に本庁舎を建設し，移転することになっているからである。そこで，このたび作成した庁舎建設計画の概要を紹介する。＜（挙亡L’り一〇汐 聾・1　　　　／’＼．　　　1　　／I＼、〉’　　　　ノ’　　／1／／ く建物配置計画図　研究学園都市における建設予定敷地は，茨城県新治郡桜村大字倉掛地内の約ユ50，000m呈（土浦市から西へ約6キロ，国鉄常磐線荒川沖駅から北へ約5キロσ）地一11工）である。　木計曲iを作成するにあたり，所内にr磁設委員会」を設け，関係機関，外部の専」・■■／家の意見を聴取して，川将来，本研究所の総人員は450人（内客員研究官5U人）の規棋とし，常時15の研究グループが研究活動できること，12腱設予定地における地形，道路，電カ，給排水，風向，日光照射などを充分考慮して検討を重ねた結果，　1イ〕主要な建物は多棟連結型とする。　1口〕研究本館は管理部門を中心に，合成，物性・解析　　関係研究室延約25，000m里，超高圧カ，無塵条件下　　関係研究室の特殊実験棟延約4，500m里とする。　1バ　機械工作工場，原料調製工場延約2，300皿2，RI　　関係実験棟は延ユ，200m里とする。　1二〕その他，受電制御棟，廃棄物処理施設，危険物等　　　　4。建物配置計画図模形　　待弔互非オ非11・倉止壮，ユll：⊥拒等延終」5，ooo1n呈とし，｛干■汁処丁廿f　　積は約38，000m呈とする。　1ホ〕研究室の1ユニットは7．5m×5－5mの4ユー25m呂　　として214ユニットとする。　1へ〕冷1暖房等の特殊設備の制御は中央制御方式とす　　る。　などを決定して図のような基木計画を作成した。　今後，木研究所の設立目的を完遂するためには，この基本計画の実現が必要であるので，関係機関各位の一層のご協カ，ご支援を得て，立派な研究環境の整備に努カしたいと考えている。※誌上題　　　　　　　　　目昇華法によるSiC単結晶育成時の隔壁の作用昇華法によるSiC結品作成時の成長速度が結晶の多形および積層欠陥におよぼす影響発　表　者猪股吉三三友　護井上善三郎　鈴木弘茂猪股吉三小松啓井上善三郎　三友　護誌　　名　等窯業協会誌43年5月号窯業1協会誌43年8月号※口頭題　　　　　　　　目 発表者 学会等 発表　日気相反応によるSiCの合成とその特性 瀬高信雄 日本金属学会第8回SHC研究会 43．2．24Le1y法によるSiC結晶合成時の巨視的な成長のメカニ 猪股吉三 窯業協会 4．25ズムLely法によるSiC結品時の成長速度と析出結晶の横層 井上善三郎 〃 〃欠陥との関係S三C結晶のthermal　etch丘gureについて 三友　護 〃 〃57R－SiC単緒晶の転位と成長模様 小松　啓 日木鉱物学会 6．　5不定比酸化物中の陽イオン欠陥の分布について 中平光興 粉体及びセラミックスの基礎科学シンポジウム7．27Fe1一血Oの空孔凝集とそのスピネル型構造形成に果す役 〃 第6回固相反応 8．28害11 国際シンポジウム　　　　　　科学技術庁無機材質研究所編集・発行　　　　　　東京都文京区本駒込2の29 電言舌03（944）一537！発千テロ　　　　n召禾口43杢F10」」1　r1　　椚2号