현대 사회를 크게 지원하는 실리콘 반도체 장치는 소형화로 인해 속도와 에너지 절약이 점점 증가하고 있지만 소형화는 그 한계에 접근하고 있습니다 이 문제를 해결할 것으로 예상되는 물질은 에볼루션 바카라 핀을 포함하여 원자의 두께 만있는 최종 얇은 2 차원 원자 시트 (2 차원 재료)입니다 우리가 이번에 연구 한 육각형 붕소는 단열 2 차원 물질이며, 에볼루션 바카라 핀과 같은 다른 2 차원 재료의 장치 특성을 크게 개선하고 다양한 흥미로운 물리적 특성을 가져 오는 데 필수적입니다 그러나 질화 육각형 붕소는 넓은 영역을 합성하기가 어렵고 오늘날에도 연구는 대부분 단결정에서 얻은 작은 스트립을 사용하고 있습니다 따라서, 대규모 지역에가 적용되는 육각 붕소 질화물에 대한보고는 없었다
Kyushu University의 Global Innovation Center의 최고 히로키 최고 교수, Pablo Solis-Fernandez, Pablo Solis-Fernandez, 연구원 Fukamachi Satoru, Osaka University의 산업 과학 연구소의 Suenaga Kazutomo 교수, 국립 연구원의 수석 연구원의 Suenaga Kazutomo 교수로 구성된 연구 그룹, Advanced Institute의 Suenaga Kazutomo 교수로 구성된 연구 그룹 화학 증기 증착이라는 방법을 사용하여 육각형 붕소를 질화시킨 다음 대규모 에볼루션 바카라 핀 장치의 특성을 개선하는 데 사용했습니다 특히, 본 발명자들은 질산 질화 붕소의 합성 외에도 에볼루션 바카라 핀으로 라미네이션 및 세정 방법을 상세하게 연구 할 수 있고, 대규모 에볼루션 바카라 핀의 장치 특성이 두 배 이상 증가 할 수 있음을 입증 하였다
이 연구는 넓은 지역에 걸쳐 2 차원 재료의 장치화를 가능하게 할 것이며, 지금까지 어려웠으며 차세대 반도체의 실현을 통해 미래의 반도체 산업에 큰 기여를 할 것으로 예상됩니다
이 연구의 결과는 2023 년 2 월 7 일 화요일 오전 1시 (일본 시간)에 발표 된 British Scientific Journal "Nature Electronics"
질화 붕소 붕소의 넓은 면적 합성 및 이에 의해 달성 된 에볼루션 바카라 핀 장치의 특성 개선
일상 생활에 필수적인 실리콘 트랜지스터로 구성된 반도체 장치는 회로의 소형화 및 장비 속도, 소형화 및 전력 절약으로 인해 더욱 통합되었습니다 그러나 실리콘 트랜지스터가 더욱 소형화되면서 인터페이스 불안정성으로 인한 특성이 악화되었으며 소형화가 그 한계에 접근하고 있다고합니다 이러한 맥락에서, 원자의 두께 만있는 에볼루션 바카라 핀으로 표시되는 궁극적으로 얇고 2 차원 원자 시트 ( "2 차원 재료"라고 함)는 차세대 반도체와 같은 전자 장치에 유용 할 것으로 예상된다 전형적인 2 차원 물질 인 에볼루션 바카라 핀은 모든 재료 중 최고입니다캐리어 이동성(※ 1) 이후 통합 회로 및 다양한 센서에 응용 프로그램이 제작되고 있습니다 또한,전이 금속 Dichalcogenide (TMDC)(※ 2)라는 2 차원 재료는 실리콘과 마찬가지로 반도체의 채널 재료로서 우수한 작동을 보여줍니다 또한,이 물질 중 두 가지가 쌓일 때, 이들은 초전도적이고 구체적인 발광이되어 학문적으로 매우 흥미롭고 전 세계적으로 적극적으로 연구하고 있습니다
이 2 차원 재료를 구성하는 대부분의 원자는 표면에 노출되어 있으며, 설치해야 할 기판의 불균일과 전하, 표면에 흡착 된 산소 및 물의 영향을 많이 입히는 것으로 알려져 있으며, 원래의 우수한 특성을 보여줄 수 없습니다 예를 들어, 정상적인 실리콘 기판에서, 에볼루션 바카라 핀의 캐리어 이동성은 이상보다 훨씬 낮다
위의 문제는 질화 붕소 질화 붕소 (HBN)에 의해 해결 될 수 있습니다 도 1에 도시 된 바와 같이, 이것은 에볼루션 바카라 핀과 동일한 육각형 격자로 구성되며 원자 적으로 평평한 구조를 갖는다 다층 HBN으로 에볼루션 바카라 핀의 상단 및 하단을 보호하면 에볼루션 바카라 핀의 원래 특성이 나타나 전기 및 광학 특성이 크게 향상되는 것으로 알려져 있습니다 (그림 2) 또한, 다층 HBN은 TMDC에서 캐리어 이동성 및 발광 효율을 향상시키는 데 유용하다는 것이 밝혀졌다 이러한 이유로, 다층 HBN은 2 차원 재료의 물리적 특성을 검색하고 전자 및 광학 장치의 응용을 위해 필수 불가결하게되었습니다 그러나, 에볼루션 바카라 핀 및 TMDC와 달리, 넓은 지역에서 다층 HBN을 균일하게 합성하기위한 확립 된 기술은 없다 따라서, 에볼루션 바카라 핀 및 TMDC는 테이프로 단결정 HBN에서 제거 된 수십 마리의 미크론에서 몇 마이크론 크기의 스트립을 사용하여 연구되었다 2 차원 재료의 미래의 반도체 적용을 고려할 때, 다층 HBN을 넓은 영역으로 합성하는 것이 바람직했다
그림 1다층 HBN의 구조
그림 2에볼루션 바카라 핀 장치에서 다층 HBN의 중요성
이 연구에서는 위의 문제를 해결하고 에볼루션 바카라 핀 및 TMDC와 같은 2 차원 재료의 장치 응용을 촉진하기 위해 넓은 다층 HBN을 합성하려고 시도했습니다 또한, 다층 HBN으로 만들어진 장치를 제조하고 그 특성을 쌓아 놓은 에볼루션 바카라 핀을 평가함으로써, 우리는 이번에 합성 된 HBN의 유용성을 조사했다 이 연구에서 얻은 결과는 대략 세 가지 사항으로 나눌 수 있습니다
1 다층 HBN의 합성
Borazine (B3n3H6)는 고온에서 반응 하였다 FE 및 Ni의 주요 성분과 함께 시판 가능한 합금 포일을 사용함으로써, 우리는 2-10 nm 두께의 넓은 면적을 가진 다층 HBN을 성공적으로 합성했습니다 CVD에 사용 된 합금 포일은 보라진 원료의 분해 및 질화 붕소 생산에 중요한 역할을한다 그림 3 (a)는 합성에 사용되는 장치의 모양을 보여줍니다 보라진을 대략 1200 ℃로 가열 된 반응기로 도입하고 Fe-Ni 합금 포일과 반응하여 포일 표면에서 다층 HBN을 수득 하였다 도 3 (b)는 Fe-Ni 합금 포일에서 실리콘 기판으로 전달 된 다층 HBN의 사진 및 광학 현미경을 사용하여 확대 된 이미지의 사진이다 색상이 거의없고 비교적 균일 한 두께가 거의없는 다층 필름이 얻어진다는 것을 알 수 있습니다
그림 3(a) HBN 합성 및 (b) HBN이 실리콘 기판으로 옮겨진 CVD 장치
2 에볼루션 바카라 핀으로 HBN 전달 및 스태킹
다음, 다층 HBN의 특성화를 위해, 우리는 에볼루션 바카라 핀으로 라미네이션을 조사했습니다 다층 HBN과 에볼루션 바카라 핀 모두 금속에 합성되므로 "번역"(※ 3)라는 작업이 필요하며,이 전송은 2 차원 재료의 품질에 큰 영향을 미치는 중요한 과정입니다이 연구에서는 그림 4에 표시된대로 HBN 및 에볼루션 바카라 핀의 일련의 전송 및 라미네이션을 조사했습니다에칭 메소드(※ 4) 금속 잔류 물을 남기지 않음전기 화학적 방법(5)는 에볼루션 바카라 핀에 매우 유리합니다라만 분광법이것은 측정에서 공개되었습니다 (6) 이 방법에 의해, 에볼루션 바카라 핀이 HBN 사이에 샌드위치되는 넓은 면적 구조도 얻어진다
그림 4다층 HBN 및 Graphene의 전달에 의한 HBN- 에볼루션 바카라 펜 라미네이트 구조에 대한 제조 체계
3 에볼루션 바카라 핀 및 HBN 라미네이트 장치의 특성화
마지막으로, 우리는 장치를 제조하고 CVD 방법에 의해 넓은 영역으로 합성 된 다층 HBN이 에볼루션 바카라 핀 특성을 개선하는 데 기여했는지 여부를 평가했습니다 그림 5 (a) 및 (b)는 제조 된 장치의 현미경 사진을 보여줍니다 에볼루션 바카라 핀/HBN 스태킹 장치의 단면의 전자 현미경 사진 (도 5 (c)) 및 그 원소 분석은 하나의 에볼루션 바카라 핀 층이 11 다층 HBN의 상부 표면에 존재 함을 확인했다 에볼루션 바카라 핀 장치의 캐리어 이동성은도 5 (d)에 도시되어있다 각 유형의 장치에 대해 60 개가 넘는 장치를 측정하고 체계적으로 비교했습니다 결과적으로, 우리는 전기 화학적 방법이 에칭 방법보다 더 높은 이동성을 나타내고, 에볼루션 바카라 핀의 상단과 하단을 HBN으로 샌드위치하는 것이 이동성을 향상시키는 데 가장 중요한 효과를 나타낸다는 것을 발견했다
CVD 방법에 의해 합성 된 다층 HBN을 사용하여 에볼루션 바카라 핀 장치의 이동성 개선을보고 한 몇몇 논문은 이전에 발표했다 그러나이 논문은 불순물이나 결함이없는 몇 가지 최고의 HBN 영역 만 선택하여 장치를 만들었습니다 이 연구는도 5 (a)와 같이 많은 수의 장치를 생산하고 평가했으며, HBN의 효과가 전체 CM 스케일 기판에서 볼 수 있음을 보여 주었다
그림 5(a) 에볼루션 바카라 핀 장치의 광학 현미경 사진 이 그림에서, HBN을 기판의 왼쪽으로 옮긴 다음, 에볼루션 바카라 핀을 전체 표면으로 옮기고, HBN의 존재 또는 부재 사이의 차이를 단일 기판에서 평가 하였다 (b) 에볼루션 바카라 핀/HBN 장치의 광학 현미경의 확대 된 사진 (c) 단면의 전자 현미경 사진 (d) 다양한 장치의 캐리어 이동성 비교 HBN 사이에 샌드위치 된 에볼루션 바카라 핀의 캐리어 이동성이 가장 높다는 것을 알 수 있습니다
앞으로 HBN의 균일 성을 더욱 향상시키고 HBN의 면적을 증가시킬 것입니다 또한, 우리는 전달 중에 발생하는 주름과 기포를 억제함으로써 에볼루션 바카라 핀 장치의 특성을 더욱 향상시키는 것을 목표로합니다 이로 인해 에볼루션 바카라 핀, 자기 및 생물학적 센서의 특성이 향상 될 것이며 산업-아카데미아 정부 협력을 통해 에볼루션 바카라 핀의 실제 적용에 크게 기여할 것입니다 동시에, 우리는 또한이 HBN을 사용하여 차세대 반도체 및 산업 응용 분야의 개발에 기여하기 위해 반도체 인 TMDC의 물리적 특성을 개선 할 것입니다 학문적 관점에서 볼 때, 다양한 2 차원 재료의 고급 적층 기술을 통해 2 차원 재료와 공간을 라미네이션하여 가져 오는 이론이 구성되고 일본어 "25 차원 문제"라는 새로운 개념을 기반으로 연구를 개발할 것입니다 (※ 7)
게시 된 잡지 :Nature Electronics
제목 : 강화 된 에볼루션 바카라 핀 장치 어레이를위한 다층 육각형 붕소의 대규모 합성 및 전달
저자 : Satoru Fukamachi, Pablo Solís-Fernández, Kenji Kawahara, Daichi Tanaka, Toru Otake, Yung-Chang Lin, Kazu Suenaga, Hiroki Agay
doi : 101038/s41928-022-00911-x