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发表.刊登日：2023/02/07 实现六方氮化硼的大面积合成和石墨烯集成器件-用大绝缘性二维材料为半导体产业的未来做出贡献- 重点
概要对于支持现代社会很大的硅半导体器件，虽然通过微细化促进了高速化和省电化，但其微细化也接近了极限。 作为解决该问题的材料，人们期待的是只有以石墨烯为首的原子厚度的极薄的二维原子薄片(二维材料)。 此次研究的六方晶氮化硼是绝缘性二维材料，在显著提高石墨烯等其他二维材料的器件特性的同时，也是引出各种有趣物性不可缺少的材料。 但是，六方氮化硼很难大面积合成，即使现在研究中也几乎都是使用从单晶中得到的小剥离片。 因此，迄今为止完全没有将六方氮化硼应用于大面积器件的报告。 九州大学全球创新中心主任研究员吾乡浩树、特任副教授巴勃罗索利斯-费尔南德斯、研究人员深町悟、大阪大学产业科学研究所末永和知、产业技术综合研究所主任研究员尹春林等研究小组用称为化学气相沉积法的方法合成了均匀的多层六方晶氮化硼，并利用该氮化硼成功地提高了大规模石墨烯器件的特性。 特别是，除了六方氮化硼的合成法之外，通过详细研究与石墨烯的层叠法和清洁法，证实了可以将大面积排列的石墨烯的器件特性提高两倍以上。本研究将使迄今为止难以实现的大面积二维材料的器件化成为可能，并期待通过实现新一代半导体，为今后的半导体产业做出巨大贡献。 本研究的成果将在2023年2月7日(星期二)凌晨1点(日本时间)发行的英国科学杂志《Nature Electronics》在线版上公开。
六方氮化硼的大面积合成及由此实现的石墨烯器件特性的改进 研究的背景和经过由当今我们生活中不可缺少的硅晶体管构成的半导体设备，通过电路的微细化而推进了高集成化，设备的高速化、小型化、省电化也得到了发展。 但是，随着硅晶体管微细化的发展，由于界面的不稳定性等引起的特性降低，微细化正在接近极限。 在这种情况下，以石墨烯为代表的、只有原子厚度的极薄的二维原子薄片(称为“二维材料”)有望对以新一代半导体为代表的电子学有所帮助。 代表性的二维材料石墨烯在物质中显示出最高的载流子迁移率(※1 )，因此在集成电路和各种传感器中的应用正在被推进。 另外，被称为过渡金属硫属化物( TMDC ) (※2 )的二维材料与硅一样，作为半导体的沟道材料显示出优异的动作。 而且，将这两种材料重叠在一起就会显示出超导和特异性发光等，在学术上也非常有趣，在全世界范围内正在积极地进行研究。 众所周知，这些二维材料中，构成其的原子大部分露出表面，因此受到设置基板的凹凸和电荷以及吸附在表面的氧和水等的较大影响，无法发挥本来的优异特性。 例如，在普通硅衬底上，石墨烯的载流子迁移率远低于理想值。 绝缘性二维材料六方晶氮化硼( hexagonal boron nitride (hBN ) )可以解决上述问题。 如图1所示，它由与石墨烯相同的六方晶格组成，具有原子上平坦的结构。 众所周知，如果用多层hBN保护石墨烯的上下，石墨烯本来的特性就会显现出来，电光特性会大幅提高(图2 )。 另外，在TMDC中也发现，多层hBN有助于提高载流子迁移率和发光效率等。 由于这些理由，在二维材料的物性探索和电子光器件应用中，多层hBN不可或缺。 但是，与石墨烯和TMDC不同，大面积均匀合成多层hBN的技术还没有确立。 因此，使用胶带从单晶hBN上剥离的、几微米到几十微米大小的剥离片进行石墨烯和TMDC的研究。 考虑到今后二维材料的半导体应用，强烈希望大面积合成可用于设备的多层hBN。
图1多层hBN的结构
图2多层hBN在石墨烯器件中的重要性 研究的内容和成果本研究以解决上述课题，促进石墨烯和TMDC等二维材料的器件应用等为目标，尝试了多层hBN的大面积合成。 此外，通过制作多层hBN和石墨烯层叠的器件并对特性进行评价，还对此次合成的hBN的有用性进行了探讨。 本研究取得的成果大致由以下3点组成。 1 .多层hBN的合成 用化学气相沉积法( chemical vapor deposition (CVD ) )在高温下使含硼和氮的原料硼烷( B3N3H6)反应合成了hBN。 通过使用以Fe和Ni为主要成分的市售合金箔，成功合成了厚度为2~10 nm的大面积多层hBN。 另外，CVD中使用的合金箔在硼烷原料的分解和氮化硼的生成中发挥重要的作用。 图3(a )是合成中使用的装置的外观，将硼烷导入加热到约1200 ℃的反应炉中，与Fe-Ni合金箔进行反应，在箔的表面得到多层hBN。 图3(b )是从Fe-Ni合金箔转印到硅基板上的多层hBN的照片以及光学显微镜的放大照片。 可知可以得到色斑少、厚度比较均匀的多层膜。
图3 (a ) hBN合成用的CVD装置和( b )转移到硅底板上的hBN 2.hBN转录与石墨烯层积 接着，为了评价多层hBN的特性，对与石墨烯的层叠进行了研究。 由于多层hBN、石墨烯都是在金属上合成的，所以需要一种叫做“转印”(※3 )的工作，这种转印是对二维材料质量影响较大的重要过程。 本研究探讨了如图4所示的hBN和石墨烯的一系列转录和层叠。 结果表明，在多层hBN的转印中，与标准的金属箔蚀刻法(※4 )相比，不残留金属残渣的电化学法(※5 )对石墨烯非常理想。 通过这样的手法，也大面积得到了用hBN夹入石墨烯的结构。
图4多层hBN与石墨烯转移制备hBN-石墨烯叠层结构方案 ３.石墨烯和hBN叠层器件的特性评价 最后，制作了器件，对通过CVD法大面积合成的多层hBN是否有助于提高石墨烯的特性进行了评价。 图5(a )、( b )表示制作的器件的显微镜照片。 通过石墨烯/hBN叠层器件截面的电镜照片(图5(c ) )及其元素分析，确认了在11层多层hBN的最外层表面存在1层石墨烯。 石墨烯器件的载流子迁移率如图5(d )所示。 我们测量了60多台设备，并对每种类型的设备进行了系统比较。 结果发现，电化学法比蚀刻法显示出更高的迁移率，以及用hBN夹住石墨烯上下时迁移率的提高效果最明显。 迄今为止，使用CVD法合成的多层hBN，已发表了数篇报告提高石墨烯器件迁移率的论文。 但是，这些论文只选择了几个不含杂质和缺陷的hBN的最佳区域来制造器件。 如图5(a )所示，本研究制作并评价了非常多的器件，显示在cm规模的基板整体上可以看到hBN的效果，这一点值得一提。
图5 (a )石墨烯器件的光学显微镜照片。 在该图中，在基板左侧转印hBN后，通过在整个面上转印石墨烯，用一块基板对有无hBN带来的差异进行了评估。 ( b )石墨烯/hBN器件光学显微镜的放大照片。 ( c )截面的电镜照片。 ( d )各种器件载流子迁移率的比较。 可知被hBN夹住的石墨烯的载流子迁移率最高。 今后的发展今后，在进一步提高hBN均匀性的同时，将推进hBN的大面积化。 并且，通过抑制转印时产生的褶皱(褶皱)和气泡(气泡)等，以进一步提高石墨烯器件的特性为目标。 因此，有助于提高使用石墨烯的光磁生物传感器的特性，通过产学官合作，为石墨烯的实用化做出巨大贡献。 同时，对于期待作为半导体的TMDC，也将使用本hBN提高物性，为新一代半导体的开发和产业应用做出贡献。 在学术方面，通过种类丰富的二维材料的高度积层技术，构筑二维物质的积层和空间带来的学理，基于日本发明的“2.5维物质”(※7 )这一新概念展开研究。
致谢词本研究涉及文部科学省科学研究费补助金学术变革领域研究( a )“2.5维物质科学:面向社会变革的物质科学范式转换”( 21H05232、21H05233、21H05235、22H05478 ) (领域代表者:吾乡浩树)，日本学术振兴会( jssh 05232 ) JP19K22113 ) (研究代表者:吾乡浩树)、 国立研究开发法人科学技术振兴机构( JST )战略性创造研究推进事业团队型研究( CREST )“纳米尺度热管理基础技术的创造”(研究总结:丸山茂夫)中的研究课题“基于二维材料和纳米测量融合的相变传热创新”( JPMJCR18I1) 这是得到了“原子分子的自由排列取向技术和分子系统功能”(研究总结:君冢信夫)中的研究课题“利用纳米空隙的原子分子的排列控制和物性测定法开发”( JPMJCR20B1 ) (研究代表者:末永和知)的资助。
论文信息刊登杂志: Nature Electronics 标题: large-area synthesis and transfer of multilayer hexagonal boron nitride for enhanced graphene device arrays 作者名称: Satoru Fukamachi，Pablo Solís-Fernández，Kenji Kawahara，Daichi Tanaka，Toru Otake，Yung-Chang Lin，Kazu Suenaga，hid DOI:10.1038/s41928-022-00911-x 用语解说
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