九州大ら、グラフェンデバイスの特性を大きく向上：大面積で均一な多層hBNを合成

九州大学と大阪大学および、産業技術総合研究所（産総研）の研究グループは、化学気相成長（CVD）法を用い、大面積で均一な多層の「六方晶窒化ホウ素（hBN）」を合成。これを用いるこで、大規模なグラフェンデバイスの特性を大きく向上させたという。

[馬本隆綱，EE Times Japan]

電気化学法が、エッチング法よりも高いキャリア移動度を示す

　九州大学と大阪大学および、産業技術総合研究所（産総研）の研究グループは2023年2月、化学気相成長（CVD）法を用い、大面積で均一な多層の「六方晶窒化ホウ素（hBN）」を合成。これを用いて大規模なグラフェンデバイスの特性を大きく向上させることに成功した。

　原子の厚みしかない二次元材料は、次世代半導体として注目されている。特にグラフェンは物質中で最高のキャリア移動度を示すため、集積回路や各種センサーへの応用が期待されている。同様に遷移金属ダイカルコゲナイド（TMDC）は、半導体のチャネル材料として優れた動作を示すという。ただ、これらの二次元材料は、設置する基板の凹凸や電荷、表面に吸着した酸素や水などの影響を受けるため、そのままでは本来の特性が得られないという。

　こうした課題を解決できるのが、原子的にフラットな構造を有する絶縁性の二次元材料「hBN」だ。グラフェンの上下を多層hBNで保護すれば、グラフェンの電気・光特性が格段に向上するといわれている。TMDCについても、多層hBNと組み合わせることで、キャリア移動度や発光効率が向上するという。ところが、多層hBNを大面積かつ均一に合成する技術はこれまで確立されていなかった。

多層hBNの構造 出所：産総研

グラフェンのデバイスにおける多層hBNの重要性 出所：産総研

　そこで研究グループは、大面積の多層hBNを合成するとともに、多層hBNとグラフェンを積層したデバイスを作製し、その特性などを評価した。hBNの合成には、ホウ素と窒素を含む「ボラジン（B₃N₃H₆）」を、高温下で反応させるCVD法を用いた。FeとNiを主成分とする市販の合金箔を用いたことで、厚みが2〜10nmの多層hBNを合成することに成功した。具体的には、約1200℃に加熱した反応炉にボラジンを導入し、Fe-Ni合金箔と反応させ、箔の表面に均一な膜厚の多層hBNを形成したという。

hBN合成用のCVD装置（a）とシリコン基板に転写されたhBN（b） 出所：産総研

　続いて、hBNとグラフェンの転写と積層について検討した。ラマン分光測定の結果、多層hBNの転写について、「電気化学法」を用いるのがグラフェンにとって好ましいことが分かった。この方法を用いることで、グラフェンをhBNで挟み込んだ構造も大面積を得ることができたという。

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方法 出所：産総研

　CVD法で大面積に合成した多層hBNが、グラフェンの特性向上にどの程度寄与したかも、デバイスを試作して評価した。作製したデバイスでは、11層の多層hBNの最表面に1層のグラフェンが存在していることを確認した。

　また、60個以上のグラフェンデバイスを作製し、そのキャリア移動度を測定したところ、エッチング法よりも電気化学法を用いて作製した方が、高い移動度を示した。さらに、グラフェンの上下をhBNで挟むことで移動度がさらに向上することも分かった。

左はグラフェンデバイスの光学顕微鏡写真、中央上はグラフェン／hBNデバイスの光学顕微鏡拡大写真、中央下は断面の電子顕微鏡写真、右は各種デバイスのキャリア移動度の比較［クリックで拡大］ 出所：産総研

　今回の研究成果は、九州大学グローバルイノベーションセンターの吾郷浩樹主幹教授やパブロ・ソリス-フェルナンデス特任准教授、研究スタッフの深町悟氏と大阪大学産業科学研究所の末永和知教授および、産業技術総合研究所のユンチャン・リン主任研究員らによるものである。