均⼀な多層の六⽅晶窒化ホウ素を合成――⼤規模なグラフェンデバイスの特性向上を実現九州大学ら

九州大学は2023年2月7日、同大学グローバルイノベーションセンター、大阪大学産業科学研究所、産業技術総合研究所の共同研究グループが、均⼀な多層の六⽅晶窒化ホウ素を合成し、それを⽤いて⼤規模なグラフェンデバイスの特性向上を実現したと発表した。

グラフェンなどの非常に薄い⼆次元の原⼦シートは、半導体の微細化が限界に近づきつつある現状において、次世代の半導体開発に繋がる「二次元材料」として期待されている。

代表的な⼆次元材料のグラフェンは、物質中で最⾼のキャリア移動度を有しており、ICやセンサーへの応⽤が進んでいる。また、同じく二次元材料の遷移⾦属ダイカルコゲナイド（TMDC）は、シリコンと同じく半導体のチャネル材料として優れた動作が可能だ。

一方で、これらの⼆次元材料は、構成する原⼦のほとんどが表⾯に露出している。このため、設置する基板の凹凸や電荷、表⾯に吸着した酸素、⽔などから受ける影響により、本来の特性を発揮できない点が課題となっていた。

多層のグラフェンの上下を六⽅晶窒化ホウ素（hBN）で保護すると、電気および光特性が格段に改善し、グラフェンの特性を活かすことができる。hBNは、グラフェンと同じ六⽅格⼦から構成され、原⼦的にフラットな構造を有する絶縁性の⼆次元材料だ。TMDCに対しても、キャリア移動度や発光効率の向上などに寄与する。

多層hBNの構造

ただし、グラフェンやTMDCとは異なり、多層hBNを⼤⾯積で均⼀に合成する技術はこれまで確⽴されていなかった。

グラフェンのデバイスにおける多層hBNの重要性

同研究チームは今回、ホウ素と窒素を含む原料であるボラジン（B₃N₃H₆）を⾼温下で反応させる化学気相成⻑法（CVD）を⽤いてhBNを合成した。

FeとNiを主成分とする市販の合⾦箔を使用し、厚さ2〜10nmで⼤⾯積の多層hBNを合成している。CVDで⽤いる合⾦箔は、ボラジン原料の分解や窒化ホウ素の⽣成において重要となる。

約1200℃に加熱した反応炉にボラジンを投入してFeNi合⾦箔と反応させ、箔の表⾯に多層hBNを得た。下の右画像は、Fe-Ni合⾦箔からシリコン基板に転写した多層hBNの写真と光学顕微鏡による拡⼤写真だ。⾊むらが少なく、厚さが⽐較的均⼀な多層膜を得たことが見て取れる。

(a) hBN合成⽤の CVD 装置
(b) シリコン基板に転写したhBN

多層hBNおよびグラフェンは、⾦属の上で合成するため、転写と呼ばれる作業が必要となる。ラマン分光測定により多層hBNおよびグラフェンの⼀連の転写と積層を検討したところ、多層hBNの転写では、⾦属の残渣を残さない電気化学法が標準的な⾦属箔のエッチング法と比較して好ましいことが判明した。この結果が、hBNでグラフェンを挟み込んだ構造の⼤⾯積化につながっている。

多層hBNとグラフェンの転写による、hBN-グラフェン積層構造の作製スキーム

最後に、デバイスを作製して評価した。グラフェン／hBN積層デバイスの断⾯の電⼦顕微鏡写真とその元素分析から、11層の多層hBNの最表⾯に1層のグラフェンが存在することが判明している（下の画像(c)）。

また、60個以上のデバイスを測定して系統的に⽐較したところ、電気化学法の⽅がエッチング法よりも⾼い移動度を⽰すことや、グラフェンの上下をhBNで挟み込むことで最も顕著な移動度の向上効果を得られることが明らかになった（下の画像(d)）。

(a) グラフェンデバイスの光学顕微鏡写真
(b) グラフェン／hBNデバイスの光学顕微鏡の拡⼤写真
(c) 断⾯の電⼦顕微鏡写真
(d) 各種デバイスのキャリア移動度の⽐較

同研究グループは今後、hBNの均⼀性を⼀段と向上させるほか、hBNの⼤⾯積化を目指す。また、転写の際に⽣じる皺（リンクル）や気泡（バブル）などを抑えることで、グラフェンデバイスのさらなる特性向上を図る。

加えて、hBNを用いたTMDCの物性向上も図り、次世代半導体の開発や産業応⽤への寄与を目指す。学術⾯では、⼆次元物質の積層や空間による学理の構築を図る。

均⼀な多層の六⽅晶窒化ホウ素を合成――⼤規模なグラフェンデバイスの特性向上を実現　九州大学ら