KR102617108B1 - Substate for surface aquastic wave device and suface aquastic wave device comprising the same - Google Patents
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Abstract
표면탄성파 장치용 기판으로, 상기 기판은 2차원 결정질 육방정 질화붕소층을 포함하며, 상기 표면탄성파 장치의 표면탄성파는 상기 2차원 결정질 육방정 질화붕소층을 통하여 전달되는 것을 특징으로 하는 표면탄성파 장치용 기판이 제공된다. A substrate for a surface acoustic wave device, wherein the substrate includes a two-dimensional crystalline hexagonal boron nitride layer, and the surface acoustic waves of the surface acoustic wave device are transmitted through the two-dimensional crystalline hexagonal boron nitride layer. A substrate is provided.
Description
본 발명은 표면탄성파 장치용 기판 및 이를 포함하는 표면탄성파 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 종래에 표면탄성파 장치의 기판으로 사용해왔던 압전물질들보다 우수한 위상속도를 가진 물질인 결정질 육방정계 질화붕소를 표면탄성파 장치의 기판으로 정의함으로써 고주파수에서 동작할 수 있는 표면탄성파 장치용 기판 및 이를 포함하는 표면탄성파 장치를 제공한다. The present invention relates to a substrate for a surface acoustic wave device and a surface acoustic wave device including the same. More specifically, the present invention relates to a substrate for a surface acoustic wave device, and more specifically, to a substrate for a surface acoustic wave device using crystalline hexagonal boron nitride, a material with a phase velocity superior to that of piezoelectric materials that have been conventionally used as substrates for surface acoustic wave devices. Provided is a substrate for a surface acoustic wave device capable of operating at high frequencies by defining it as a substrate for a surface acoustic wave device, and a surface acoustic wave device including the same.
표면탄성파(Surface Acoustic Wave, SAW) 장치는 TV에 사용되는 중간 주파수(Intermediate Frequency, IF) 필터부터 휴대폰의 원거리 통신에 사용되는 라디오 주파수(Radio Frequency, RF) 필터, 그리고 각종 센서까지 상업적 용도로 다양하게 활용되고 있다. 표면탄성파 장치는 많은 전자 장치와 무선 통신 시스템에 있어서 필수요소이다. 최근 다기능화, 소형화가 요구되면서 고성능의 표면탄성파 장치에 대한 수요가 증가하고 있으며 특히 통신 주파수 대역이 증가함에 따라 고주파 대역에서 작동하는 표면탄성파 장치가 요구되고 있다. 또한, 표면탄성파가 정상파(Standing Wave)를 이룰 때 인접한 고체 표면에 일정한 형태의 전위 장벽을 형성할 수 있으며 이러한 전위 장벽 내에 구속된 전하의 스핀을 이용하여 정보처리를 하는 스핀 정보처리 및 양자컴퓨터 등에 활용 범위가 넓다.Surface Acoustic Wave (SAW) devices have a wide range of commercial uses, from intermediate frequency (IF) filters used in TVs to radio frequency (RF) filters used in long-distance communication in mobile phones, and various sensors. It is widely used. Surface acoustic wave devices are essential elements in many electronic devices and wireless communication systems. Recently, as multifunctionality and miniaturization have been required, the demand for high-performance surface acoustic wave devices has increased. In particular, as communication frequency bands have increased, surface acoustic wave devices operating in high frequency bands are in demand. In addition, when a surface acoustic wave forms a standing wave, a certain type of potential barrier can be formed on the surface of an adjacent solid, and it can be used in spin information processing and quantum computers, which process information using the spin of charges bound within this potential barrier. The scope of use is wide.
이 장치는 일반적으로 인터디지털 트랜스듀서(Interdigital Transducer, IDT) 금속 전극과 탄성파의 생성과 전파의 매질이 되는 압전(Piezoelectric)물질로 구성된다. 압전효과는 전기적 신호를 기계적 신호로, 기계적 신호를 전기적 신호로 변환하는 기능을 한다. 구체적으로, 전기적 신호가 인터디지털 트랜스듀서 전극에 가해지면, 표면탄성파를 생성하는 압전물질 막의 기하학적 변형에 의해 기계적 스트레스가 유도되며, 이는 진행하는 표면탄성파로 변환되어 압전물질의 표면을 따라 전파한다. 기판 표면의 표면탄성파에 의해 전송되는 정보는 전파 경로 중 또 다른 인터디지털 트랜스듀서 전극들을 통해 기계적인 탄성파에서 전기적인 신호로 변환된다. 이러한 표면탄성파 장치가 동작하는 중심 주파수()는 다음의 계산식으로 표현된다. This device generally consists of an interdigital transducer (IDT) metal electrode and a piezoelectric material that serves as a medium for the generation and propagation of elastic waves. The piezoelectric effect functions to convert electrical signals into mechanical signals and mechanical signals into electrical signals. Specifically, when an electrical signal is applied to the interdigital transducer electrode, mechanical stress is induced by geometric deformation of the piezoelectric material film, which generates surface acoustic waves, which are converted into traveling surface acoustic waves and propagate along the surface of the piezoelectric material. Information transmitted by surface acoustic waves on the surface of the substrate is converted from mechanical elastic waves to electrical signals through other interdigital transducer electrodes in the propagation path. The center frequency at which these surface acoustic wave devices operate ( ) is expressed by the following calculation formula.
따라서 동작 주파수는 탄성파의 속도()와 인터디지털 트랜스듀서 전극의 파장()에 의해 결정된다. 최근 급격히 증가하는 정보 전송량과 함께 표면탄성파 장치의 고주파 동작이 요구되고, 수십 GHz와 같은 더 높은 주파수에서 동작하는 장치를 개발하기 위해 많은 연구가 진행 중이다. 중심 주파수를 증가시키기 위해서는 탄성파의 속도를 증가시키거나 탄성파의 파장에 해당하는 인터디지털 트랜스듀서 전극의 주기인 전극 간의 간격을 감소시키는 방법이 있다. 하지만, 전극의 크기 및 전극 간의 간격을 감소시키는 것은 인터디지털 트랜스듀서 금속 등을 형성하기 위한 공정상의 한계로 인해 수십 nm 이하로는 달성하기 힘들고, 양산 시 제작 신뢰성에서 많은 문제를 겪는다. Therefore, the operating frequency is the speed of the elastic wave ( ) and the wavelength of the interdigital transducer electrode ( ) is determined by. Recently, with the rapidly increasing amount of information transmission, high-frequency operation of surface acoustic wave devices is required, and much research is in progress to develop devices that operate at higher frequencies such as tens of GHz. In order to increase the center frequency, there are ways to increase the speed of the elastic wave or reduce the gap between electrodes, which is the period of the interdigital transducer electrodes corresponding to the wavelength of the elastic wave. However, reducing the size of the electrodes and the spacing between electrodes is difficult to achieve below several tens of nm due to limitations in the process for forming interdigital transducer metal, etc., and many problems are encountered in manufacturing reliability during mass production.
이러한 이유로 기존의 물질을 활용하여 수십 GHz 대역에 도달하기 위해, 중심 주파수의 고조파(Harmonics)를 활용하거나 탄성파의 속도가 빠른 다이아몬드 같은 물질과의 계면에서 발생하는 특수한 파형(Sezawa mode) 등을 활용하는 시도가 최근 진행 중이다. For this reason, in order to reach tens of GHz bands using existing materials, harmonics of the center frequency are utilized or special waveforms (Sezawa mode) that occur at the interface with materials such as diamond, which have high elastic wave speeds, are used. Attempts are currently underway.
하지만 고조파 또는 특수한 파형의 기본 주파수에 비하여 결합 효율(Coupling Efficiency)이 감소하여 입력 신호대비 신호 감쇠 및 낮은 신호대 잡음 비(Signal-to-Noise Ratio: SNR)등을 피할 수 없다. 따라서 동작 주파수를 결정하는 가장 기본 요소인 매질에서의 탄성파의 속도를 증가시키는 방법은 중심 주파수를 높이는 가장 근본적인 해결책이다.However, coupling efficiency is reduced compared to the fundamental frequency of harmonics or special waveforms, so signal attenuation compared to the input signal and low signal-to-noise ratio (SNR) cannot be avoided. Therefore, increasing the speed of elastic waves in the medium, which is the most basic element that determines the operating frequency, is the most fundamental solution to increasing the center frequency.
탄성파의 속도는 주로 압전물질의 고유특성으로, 사용되거나 연구되는 주요 압전물질로는 LiNbO3(LN), LiTaO3(LT), PZT, ZnO, AlN 등이 있다. 또한, 초고주파 응용에 있어 표면파의 속도가 높은 다이아몬드나 사파이어 기판상에 ZnO나 AlN 박막을 응용하는 연구가 진행되고 있다. The speed of elastic waves is mainly an inherent characteristic of piezoelectric materials, and the main piezoelectric materials used or studied include LiNbO 3 (LN), LiTaO 3 (LT), PZT, ZnO, and AlN. In addition, for ultra-high frequency applications, research is underway to apply ZnO or AlN thin films on diamond or sapphire substrates with high surface wave speeds.
하지만, 이 물질들은 위상속도가 최대 5700 6100 m/s로 기본파의 중심 주파수가 400 100 MHz에서 5 12GHz에 형성되어 30 GHz 근방에 이르는 5G 대역 통신 등에 활용되기에는 한계가 있다. 앞서 서술한 고조파나 계면에서의 파형을 이용하는 경우 중심 주파수는 상승하나 효율성이 떨어진다.However, these materials have a phase speed of up to 5700 6100 m/s, and the center frequency of the fundamental wave is formed from 400 100 MHz to 5 12 GHz, so there is a limit to their use in 5G band communications up to around 30 GHz. When using the harmonics described above or the waveform at the interface, the center frequency increases, but efficiency decreases.
따라서, 소형화, 고기능화 및 고주파 대역에서 대용량의 정보처리가 요구되는 IoT 시대에 더 빠르고 많은 정보를 처리하기 위해 기존 표면탄성파 장치의 한계를 극복하기 위한 성능 향상이 요구되고 있다.Therefore, in the IoT era, which requires miniaturization, high functionality, and large-capacity information processing in high-frequency bands, performance improvement is required to overcome the limitations of existing surface acoustic wave devices in order to process more information faster.
따라서, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 훨씬 더 향상된 고주파수에서 동작하는 표면탄성파 장치용 기판과 이를 포함하는 장치를 제공하는 것이다. Accordingly, the problem to be solved by the present invention is to provide a substrate for a surface acoustic wave device operating at a much improved high frequency and a device including the same.
상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 표면탄성파 장치용 기판으로, 상기 기판은 2차원 결정질 육방정 질화붕소층을 포함하며, 상기 표면탄성파 장치의 표면탄성파는 상기 2차원 결정질 육방정 질화붕소 층을 통하여 전달되는 것을 특징으로 하는 표면탄성파 장치용 기판을 제공한다. In order to solve the above problem, the present invention is a substrate for a surface acoustic wave device, wherein the substrate includes a two-dimensional crystalline hexagonal boron nitride layer, and the surface acoustic waves of the surface acoustic wave device include the two-dimensional crystalline hexagonal boron nitride layer. Provided is a substrate for a surface acoustic wave device characterized in that it is transmitted through.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 2차원 결정질 육방정 질화붕소층은 인프레인-플레인(In-plane) 방향의 19000m/s에 이르는 위상속도가 가능하며, 상기 2차원 결정질 육방정 질화붕소층에서 붕소의 동위원소의 함량에 따라 상기 2차원 결정질 육방정 질화붕소층에서 표면탄성파의 감쇠 수준이 결정된다. In one embodiment of the present invention, the two-dimensional crystalline hexagonal boron nitride layer is capable of a phase speed of up to 19000 m/s in the in-plane direction, and in the two-dimensional crystalline hexagonal boron nitride layer The attenuation level of surface acoustic waves in the two-dimensional crystalline hexagonal boron nitride layer is determined depending on the content of the isotope of boron.
본 발명은 표면탄성파 장치로서, 기판; 상기 기판 상에 적층 되어 표면탄성파를 유도하는 입력 트랜스듀서; 및 상기 기판 상에 적층 되어 상기 기판에서 유도된 상기 표면탄성파를 검출하기 위한 출력 트랜스듀서를 포함하며, 상기 기판은 2차원 결정질 육방정 질화붕소를 포함하는 것을 특징으로 하는 표면탄성파 장치를 제공한다. The present invention provides a surface acoustic wave device, comprising: a substrate; an input transducer that is stacked on the substrate and induces surface acoustic waves; and an output transducer stacked on the substrate to detect the surface acoustic waves induced in the substrate, wherein the substrate includes two-dimensional crystalline hexagonal boron nitride.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 기판은 지지기판; 및 상기 지지기판 상의 2차원 결정질 육방정 질화붕소층을 포함하며, 상기 입력 트랜스듀서 및 출력 트랜스듀서는 인터디지털 타입 트랜스듀서이다. In one embodiment of the present invention, the substrate includes: a support substrate; and a two-dimensional crystalline hexagonal boron nitride layer on the support substrate, wherein the input transducer and output transducer are interdigital type transducers.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 입력 트랜스듀서는 전위차를 인가하여 상기 2차원 결정질 육방정 질화붕소층에 규칙적인 수축과 팽창을 야기하여 표면탄성파를 유도하며, 상기 출력 트랜스듀서는 상기 표면탄성파에 의하여 야기되는 상기 2차원 결정질 육방정 질화붕소층의 전위차를 읽는다. In one embodiment of the present invention, the input transducer applies a potential difference to cause regular contraction and expansion of the two-dimensional crystalline hexagonal boron nitride layer to induce surface acoustic waves, and the output transducer induces surface acoustic waves by the surface acoustic waves. The potential difference of the resulting two-dimensional crystalline hexagonal boron nitride layer is read.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 입력 트랜스듀서 또는 출력 트랜스듀서는 Al, Au, Pt, Ni, Cr, Cd, Ti, W, Pd, Ag, Cu, Ru, Rh, Ta, Mo, Nb, 도핑 NiSi, TaSiN, ErSi1.7, PtSi, WSi2, NbN 정도성 세라믹, 도핑 Si, Ge, III-V 화합물 반도체 및 이들의 조합을 포함한다. In one embodiment of the present invention, the input transducer or output transducer is Al, Au, Pt, Ni, Cr, Cd, Ti, W, Pd, Ag, Cu, Ru, Rh, Ta, Mo, Nb, doped Includes NiSi, TaSiN, ErSi 1.7 , PtSi, WSi 2 , NbN precision ceramics, doped Si, Ge, III-V compound semiconductors, and combinations thereof.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 지지기판은 상부에 적층 된 2차원 결정질 육방정 질화붕소층의 절연성에 영향을 주지 않으며, 상기 적층 된 2차원 결정질 육방정 질화붕소층을 전부 또는 일부를 상기 지지기판의 상부 또는 하부로 노출시키는 형태이다. In one embodiment of the present invention, the support substrate does not affect the insulation of the two-dimensional crystalline hexagonal boron nitride layer laminated on top, and supports all or part of the two-dimensional crystalline hexagonal boron nitride layer. It is exposed to the top or bottom of the substrate.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 표면탄성파 장치는 중심 주파수가 26.5 GHz ~ 40 GHz 내이며, 상기 인터디지털 입력 트랜스듀서 및 출력 트랜스듀서는 쌍으로 복수 개 구성되며, 한 상의 입력 및 출력 트랜스듀서 각각의 치수는 상이할 수 있다.In one embodiment of the present invention, the surface acoustic wave device has a center frequency within 26.5 GHz to 40 GHz, and the interdigital input transducer and output transducer are composed of a plurality of pairs, each of the input and output transducers of one phase. The dimensions may be different.
본 발명은 상술한 표면탄성파 장치를 포함하는 고주파 필터를 제공한다. The present invention provides a high-frequency filter including the surface acoustic wave device described above.
본 발명은 상술한 표면탄성파 장치를 포함하는 반도체 칩간 통신장치를 제공한다. The present invention provides a semiconductor inter-chip communication device including the surface acoustic wave device described above.
본 발명은 상술한 표면탄성파 장치를 포함하는 양자 및 스핀 정보처리 장치를 제공하며, 상기 양자 및 스핀 정보처리 장치는, 상기 표면탄성파 장치로부터의 발생하는 적어도 2개의 표면탄성파에 의한 정상파를 형성하며, 상기 양자 및 스핀 정보처리 장치는, 상기 정상파로부터 형성되는 인접 반도체 혹은 준금속의 국부적인 전위 장벽에 의하여 구속된 전하의 고유 에너지 상태와 스핀을 이용하여 정보를 저장하고 읽는다. The present invention provides a quantum and spin information processing device including the surface acoustic wave device described above, wherein the quantum and spin information processing device forms a standing wave by at least two surface acoustic waves generated from the surface acoustic wave device, The quantum and spin information processing device stores and reads information using the spin and the intrinsic energy state of the charge bound by the local potential barrier of an adjacent semiconductor or metalloid formed from the standing wave.
본 발명에 따르면, 종래에 표면탄성파 장치의 기판으로 사용해왔던 압전물질들보다 우수한 위상속도를 가진 물질인 결정질 육방정계 질화붕소를 표면탄성파 장치의 기판으로 정의함으로써 고주파수에서 동작할 수 있는 표면탄성파 장치를 구현할 수 있다. 현재 기존 물질을 활용한 상용의 표면탄성파 장치는 3 GHz 정도가 동작의 한계로 여겨지는데 본 발명은 기본파의 중심 주파수가 Ka-band 주파수 대역(26.5 GHz ~ 40 GHz)에 이를 수 있는 표면탄성파 장치를 제공하며 고조파를 이용할 경우 동작 대역인 Ka-band를 상회한다.According to the present invention, a surface acoustic wave device capable of operating at high frequencies is created by defining crystalline hexagonal boron nitride, a material with a phase velocity superior to that of piezoelectric materials that have been conventionally used as substrates for surface acoustic wave devices, as a substrate for surface acoustic wave devices. It can be implemented. Currently, commercial surface acoustic wave devices using existing materials are considered to have an operation limit of about 3 GHz, but the present invention is a surface acoustic wave device whose center frequency of the fundamental wave can reach the Ka-band frequency band (26.5 GHz to 40 GHz). It provides and exceeds the operating band Ka-band when harmonics are used.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 2차원 결정질 육방정계 질화붕소 기반의 표면탄성파 장치의 기본 구조의 단면도이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 2차원 결정질 육방정계 질화붕소 기반의 표면탄성파 장치의 기본 구조의 조감도이다.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 2차원 결정질 육방정계 질화붕소 기반의 표면탄성파 장치를 이용한 고주파 필터의 동작 원리이다.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 인터디지털 트랜스듀서의 평면도이다.
도 5는 의 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 2차원 결정질 육방정계 질화붕소 결정구조로 (a) 는 평면도 (b) 는 조감도이다.
도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 주파수 산출을 위한 다이아몬드 기판 위의 결정질 육방정계 질화붕소 기반의 표면탄성파 장치의 인터디지털 트랜스듀서 전극 한 파장의 모드의 전위분포를 나타내는 시뮬레이션도이다.
도 7은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 도 6의 육방정계 질화붕소 기반의 표면탄성파 장치의 전극 한 파장의 모드의 탄성파에 의한 매질의 이동을 나타내는 시뮬레이션도이다.
도 8은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 도 6의 인터디지털 트랜스듀서의 전극 구조를 입력과 출력용 인터디지털 트랜스듀서가 쌍으로 배치한 시뮬레이션도로 전위분포를 나타낸다.
도 9는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 도 8의 육방정계 질화붕소 기반의 표면탄성파 장치의 시뮬리이션도로 탄성파에 의한 매질의 이동을 나타낸다.
도 10은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 도 8, 9의 육방정계 질화붕소 기반의 표면탄성파 장치의 주파수 응답 특성이다.
도 11은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 주파수 산출을 위한 이산화규소(SiO2) 기판 위의 결정질 육방정계 질화붕소 기반의 표면탄성파 장치의 인터디지털 트랜스듀서 전극 한 파장의 모드의 전위분포를 나타내는 시뮬레이션도이다.
도 12는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 도 11의 인터디지털 트랜스듀서의 전극 구조를 입력과 출력용 인터디지털 트랜스듀서가 쌍으로 배치한 시뮬레이션도로 전위분포를 나타낸다.
도 13은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 도 12의 육방정계 질화붕소 기반의 표면탄성파 장치의 주파수 응답 특성이다.
도 14는 기존의 물질을 활용한 표면탄성파 장치의 동작 주파수와 본 발명의 육방정계 질화붕소 기반의 표면탄성파 장치의 동작 주파수의 비교도이다.
도 15는 밀도범함수이론으로 계산된 음향 양자의 분산 관계 즉, 파수와 에너지와의 관계 그래프이다.
도 16은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 표면탄성파 장치를 활용한 반도체 집적회로의 고속 통신 채널의 개념도이다.
도 17은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 표면탄성파 장치에 의한 표면 정상파 형성과 이를 활용한 양자 또는 스핀 정보처리 장치의 개념도이다.
도 18은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 도 16의 1차원 정상파 장치를 2차원 평면으로 확장한 양자 또는 스핀 정보처리 장치의 개념도이다.1 is a cross-sectional view of the basic structure of a surface acoustic wave device based on two-dimensional crystalline hexagonal boron nitride according to a preferred embodiment of the present invention.
Figure 2 is a bird's eye view of the basic structure of a surface acoustic wave device based on two-dimensional crystalline hexagonal boron nitride according to a preferred embodiment of the present invention.
Figure 3 shows the operating principle of a high-frequency filter using a surface acoustic wave device based on two-dimensional crystalline hexagonal boron nitride according to a preferred embodiment of the present invention.
Figure 4 is a plan view of an interdigital transducer according to a preferred embodiment of the present invention.
Figure 5 shows (a) a plan view and (b) a bird's eye view of a two-dimensional crystalline hexagonal boron nitride crystal structure according to a preferred embodiment of the present invention.
Figure 6 is a simulation diagram showing the potential distribution of a mode of one wavelength of the interdigital transducer electrode of a surface acoustic wave device based on crystalline hexagonal boron nitride on a diamond substrate for frequency calculation according to a preferred embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a simulation diagram showing the movement of a medium by an elastic wave in a mode of one wavelength of the electrode of the surface acoustic wave device based on hexagonal boron nitride of FIG. 6 according to a preferred embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a simulation diagram showing the potential distribution of the electrode structure of the interdigital transducer of FIG. 6 according to a preferred embodiment of the present invention in which interdigital transducers for input and output are arranged in pairs.
FIG. 9 is a simulation diagram of the hexagonal boron nitride-based surface acoustic wave device of FIG. 8 according to a preferred embodiment of the present invention, showing the movement of a medium by elastic waves.
Figure 10 shows the frequency response characteristics of the surface acoustic wave device based on hexagonal boron nitride of Figures 8 and 9 according to a preferred embodiment of the present invention.
Figure 11 is a simulation showing the potential distribution of the mode of one wavelength of the interdigital transducer electrode of a surface acoustic wave device based on crystalline hexagonal boron nitride on a silicon dioxide (SiO 2 ) substrate for frequency calculation according to a preferred embodiment of the present invention. It's a degree.
FIG. 12 is a simulation diagram showing the potential distribution of the electrode structure of the interdigital transducer of FIG. 11 according to a preferred embodiment of the present invention in which interdigital transducers for input and output are arranged in pairs.
Figure 13 shows the frequency response characteristics of the surface acoustic wave device based on hexagonal boron nitride of Figure 12 according to a preferred embodiment of the present invention.
Figure 14 is a comparison diagram of the operating frequency of a surface acoustic wave device using existing materials and the operating frequency of a surface acoustic wave device based on hexagonal boron nitride of the present invention.
Figure 15 is a graph of the dispersion relationship between acoustic quantum calculated using density functional theory, that is, the relationship between wave number and energy.
Figure 16 is a conceptual diagram of a high-speed communication channel of a semiconductor integrated circuit using a surface acoustic wave device according to a preferred embodiment of the present invention.
Figure 17 is a conceptual diagram of the formation of a surface standing wave by a surface acoustic wave device according to a preferred embodiment of the present invention and a quantum or spin information processing device utilizing the same.
FIG. 18 is a conceptual diagram of a quantum or spin information processing device that extends the one-dimensional standing wave device of FIG. 16 to a two-dimensional plane according to a preferred embodiment of the present invention.
본 발명이 여러 가지 수정 및 변형을 허용하면서도, 그 특정 실시예들이 도면들로 예시되어 나타내어지며, 이하에서 상세히 설명될 것이다. 그러나 본 발명을 개시된 특별한 형태로 한정하려는 의도는 아니며, 오히려 본 발명은 청구항들에 의해 정의된 본 발명의 사상과 합치되는 모든 수정, 균등 및 대용을 포함한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.While the invention is susceptible to various modifications and variations, specific embodiments thereof are illustrated in the drawings and will be described in detail below. However, it is not intended to limit the invention to the particular form disclosed, but rather, the invention is intended to cover all modifications, equivalents and substitutions consistent with the spirit of the invention as defined by the claims. While describing each drawing, similar reference numerals are used for similar components.
층, 영역 또는 기판과 같은 요소가 다른 구성요소 "상(on)"에 존재하는 것으로 언급될 때, 이것은 직접적으로 다른 요소 상에 존재하거나 또는 그 사이에 중간 요소가 존재할 수도 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.It will be understood that when an element such as a layer, region or substrate is referred to as being “on” another element, it may be present directly on the other element or there may be intermediate elements in between. .
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.Unless otherwise defined, all terms used herein, including technical or scientific terms, have the same meaning as commonly understood by a person of ordinary skill in the technical field to which the present invention pertains. Terms defined in commonly used dictionaries should be interpreted as having a meaning consistent with the meaning in the context of the related technology, and unless clearly defined in the present application, should not be interpreted as having an ideal or excessively formal meaning. No.
본 명세서에서 층이 다른 층 또는 기판 "상"에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 층 또는 기판상에 직접 형성될 수 있거나, 그들 사이에 제3의 층이 개재될 수도 있다. 또한, 본 명세서에서 위쪽, 상(부), 상면 등의 방향적인 표현은 그 기준에 따라 아래쪽, 하(부), 하면 등의 의미로 이해될 수 있다. 즉, 공간적인 방향의 표현은 상대적인 방향으로 이해되어야 하며 절대적인 방향을 의미하는 것으로 한정 해석되어서는 안 된다.When a layer is referred to herein as being “on” another layer or substrate, it may be formed directly on the other layer or substrate, or there may be a third layer interposed between them. In addition, in this specification, directional expressions such as top, upper (part), upper surface, etc. may be understood to mean lower, lower (lower), lower surface, etc. depending on the standard. In other words, the expression of spatial direction should be understood as a relative direction and should not be limited to mean an absolute direction.
이하 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시 예를 보다 상세하게 설명하고자 한다. 이하 도면상의 동일한 구성요소에 대하여는 동일한 참조부호를 사용하고, 동일한 구성요소에 대해서 중복된 설명은 생략한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in more detail with reference to the attached drawings. Hereinafter, the same reference numerals will be used for the same components in the drawings, and duplicate descriptions of the same components will be omitted.
본 발명은 표면탄성파 기판으로 결정질 육방정계 질화붕소를 포함한다. 이로써 새로운 고주파 표면탄성파 장치를 구현할 수 있다. The present invention includes crystalline hexagonal boron nitride as a surface acoustic wave substrate. This makes it possible to implement a new high-frequency surface acoustic wave device.
제 1 실시예Example 1
도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 2차원 결정질 육방정계 질화붕소 기반의 표면탄성파 장치를 도시한 단면도이다. Figure 1 is a cross-sectional view showing a surface acoustic wave device based on two-dimensional crystalline hexagonal boron nitride according to a first embodiment of the present invention.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 기판은 지지기판(30)과 상기 지지기판(30) 상에 적층되어 노출된 2차원 결정질 육방정계 질화붕소층(10)을 포함한다. Referring to FIG. 1, a substrate according to an embodiment of the present invention includes a
즉, 본 발명에서 '기판'은 지지기판(30)과 상기 지지기판 상에 구비되어 규칙적인 수축과 팽창을 야기하여 표면탄성파를 유도하거나, 표면탄성파에 의해 야기되는 공간 및 시간적으로 규칙적인 전위차를 발생시키는 질화붕소층(10)을 포함한다. That is, in the present invention, the 'substrate' is provided on the
본 발명은 또한 이러한 기판을 포함하는 표면탄성파 장치를 제공한다. The present invention also provides a surface acoustic wave device including such a substrate.
본 발명의 일 실시예에 따른 표면탄성파 장치는, 단일층 혹은 다수층의 2차원 결정질 육방정계 질화붕소층(10); 상기 질화붕소층(10)에 공간 및 시간적으로 규칙적인 전위차를 가하여 이에 의해 2차원 결정질 육방정계 질화붕소층(10)에 규칙적인 수축과 팽창을 야기하여 표면탄성파를 유도하거나 혹은 2차원 결정질 육방정계 질화붕소층(10)에 진행하는 표면탄성파에 의해 야기되는 공간 및 시간적으로 규칙적인 전위차를 읽어 들이기 위한 인터디지털 타입의 입력 및 출력 트랜스듀서 전극들(20); 및 질화붕소층(10)과 인터디지털 트랜스듀서 전극들(20)을 지지하기 위한 지지기판(30)으로 구성된다. A surface acoustic wave device according to an embodiment of the present invention includes a single-layer or multi-layer two-dimensional crystalline hexagonal boron nitride layer (10); A spatially and temporally regular potential difference is applied to the
본 발명에서 상기 지지기판(30)은 상부에 적층 된 2차원 결정질 육방정 질화붕소층(10)의 절연성에 영향을 주지 않으며, 상기 적층 된 2차원 결정질 육방정 질화붕소층을 전부 또는 일부를 상기 지지기판의 상부 또는 하부로 노출시켜, 표면탄성파를 지지기판(30)에 의하여 지지되는 2차원 결정질 육방정 질화붕소층(10)에서 진행되게 한다. In the present invention, the
또한 상기 입력 트랜스듀서 또는 출력 트랜스듀서는 Al, Au, Pt, Ni, Cr, Cd, Ti, W, Pd, Ag, Cu, Ru, Rh, Ta, Mo, Nb, 도핑 NiSi, TaSiN, ErSi1.7, PtSi, WSi2, NbN 정도성 세라믹, 도핑 Si, Ge, III-V 화합물 반도체 및 이들의 조합을 포함할 수 있다.In addition, the input transducer or output transducer may be Al, Au, Pt, Ni, Cr, Cd, Ti, W, Pd, Ag, Cu, Ru, Rh, Ta, Mo, Nb, doped NiSi, TaSiN, ErSi 1.7 , It may include PtSi, WSi 2 , NbN precision ceramics, doped Si, Ge, III-V compound semiconductors, and combinations thereof.
도 2는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 2차원 결정질 육방정계 질화붕소 기반의 표면탄성파 장치의 동작을 설명하는 개념도이다. 2차원 결정질 육방정계 질화붕소 막(10) 위에 표면탄성파 유도용 인터디지털 트랜스듀서 전극(210)과 유도된 표면탄성파가 진행하는 2차원 결정질 육방정계 질화붕소 막 상의 채널 영역(110) 진행하는 표면탄성파를 검출하는 인터디지털 트랜스듀서 전극(210)으로 구성되며 의도하지 않은 표면탄성파의 진행, 반사, 혹은 산란에 의한 신호의 간섭을 방지하기 위하여 표면탄성파를 감쇠시키는 흡수하거나 반사하는 층(230, 240)을 포함할 수 있다. 또한, 위의 구성요소들은 표면탄성파 장치의 동작에 필요한 물리적 특성을 방해하지 않는 다양한 형태의 지지 기판(30) 위에 놓일 수 있다.Figure 2 is a conceptual diagram explaining the operation of a surface acoustic wave device based on two-dimensional crystalline hexagonal boron nitride according to the first embodiment of the present invention. Surface acoustic waves traveling through the interdigital transducer electrode 210 for inducing surface acoustic waves on a two-dimensional crystalline hexagonal
본 발명은 더 나아가 질소와 붕소에서 동위원소 비율에 따라 표면탄성파의 진행 특성(예를 들어 감쇠 여부) 등을 제어할 수 있는 장점을 가진다. 붕소의 경우 자연계에 안정적인 동위원소가 높은 비율( 10B:11B = 20:80 )로 존재하며 질소의 경우 비율은 낮으나 ( 14N:15N = 99.6:0.4 ) 반감기가 긴 안정적인 동위원소가 존재한다. 동위원소는 전기적 결합에서는 동일하나 중성자의 수 차이에 따른 질량 차이를 지닌다. 결정을 이루는 동종의 원자들의 서로 다른 질량을 지니며 이들의 무작위성이 증가함에 따라 표면탄성파의 산란에 의한 빠른 감쇠 요인으로 작용한다. 따라서 붕소와 질소의 동위원소 분리를 통해 동일한 원자량을 지니는 붕소나 질소로 이루어진 질화붕소 층인 경우 표면탄성파의 감쇠 저하를 통한 긴 전달 거리 특성을 가질 수 있다. 또한, 질량이 작은 10B와 14N만으로 이루어진 육방정 질화붕소의 경우 동일한 결합력에 대해 질량이 감소하므로 위상속도를 향상시킬 수 있다. 소위 질량 결함 ?? 동위원소 간 질량 차(mass defect) - 에 의해 일어나는 산란이 최대화될 때 표면탄성파의 감쇠 정도 또한 최대화 될 수 있는데 이는 동위원소의 비율을 각각 50%에 근접한 비율로 조절할 때 발생하며 표면탄성파의 진행을 막는 흡수층의 용도로 활용될 수 있다. 따라서 이는 원하는 소자 특성에 따라 동위원소 성분 비율 조절에 따라 탄성파 특성을 제어할 수 있음을 의미한다.The present invention further has the advantage of being able to control the propagation characteristics (for example, attenuation) of surface acoustic waves according to the isotope ratio of nitrogen and boron. In the case of boron, stable isotopes exist in nature in a high ratio ( 10 B: 11 B = 20:80), and in the case of nitrogen, the ratio is low ( 14 N: 15 N = 99.6:0.4), but stable isotopes with long half-lives exist. do. Isotopes are identical in electrical bonding, but have differences in mass due to differences in the number of neutrons. The atoms of the same species that make up the crystal have different masses, and as their randomness increases, they act as a factor in rapid attenuation due to scattering of surface acoustic waves. Therefore, in the case of a boron nitride layer made of boron or nitrogen with the same atomic weight through isotope separation of boron and nitrogen, it can have long transmission distance characteristics through reduced attenuation of surface acoustic waves. In addition, in the case of hexagonal boron nitride consisting of only 10 B and 14 N, which has a small mass, the phase speed can be improved because the mass decreases for the same bonding force. So-called mass defects?? When the scattering caused by the mass defect between isotopes is maximized, the degree of attenuation of surface acoustic waves can also be maximized. This occurs when the ratio of isotopes is adjusted to a ratio close to 50%, which slows the progression of surface acoustic waves. It can be used as a blocking absorbent layer. Therefore, this means that elastic wave characteristics can be controlled by adjusting the isotope component ratio according to the desired device characteristics.
제 2 실시예Second Embodiment
도 3은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 2차원 결정질 육방정계 질화붕소 기반의 표면탄성파 장치를 활용한 고주파 필터를 도시한 단면도이다. 입력 신호를 표면탄성파로 변환하는 인터디지털 트랜스듀서 전극에 RF 신호가 인가되면 설계된 인터디지털 트랜스듀서와 2차원 결정질 육방정계 질화붕소가 이루는 고유진동수에 해당하는 신호만 진행하는 표면탄성파로 변환된다. Figure 3 is a cross-sectional view showing a high-frequency filter utilizing a two-dimensional crystalline hexagonal boron nitride-based surface acoustic wave device according to a second embodiment of the present invention. When an RF signal is applied to the interdigital transducer electrode that converts the input signal into a surface acoustic wave, it is converted into a surface acoustic wave that propagates only the signal corresponding to the natural frequency of the designed interdigital transducer and the two-dimensional crystalline hexagonal boron nitride.
진행하는 표면탄성파가 일정 간격으로 이격된 출력 인터디지털 트랜스듀서 전극에 도달하면 이는 다시 전기 신호로 변환되어 출력 RF 신호로 검출된다. 기술된 과정을 통해 입력단에 넓은 대역폭의 RF 신호가 인가되더라도 인터디지털 트랜스듀서와 2차원 결정질 육방정계 질화붕소가 이루는 고유진동수에 영역에 해당하는 신호만을 분리하여 출력 신호로 변환할 수 있으므로 이는 입력 RF 신호에 대한 대역 필터로 동작한다.When the traveling surface acoustic wave reaches the output interdigital transducer electrodes spaced at regular intervals, it is converted into an electrical signal and detected as an output RF signal. Through the described process, even if a wide bandwidth RF signal is applied to the input terminal, only the signal corresponding to the natural frequency region formed by the interdigital transducer and the two-dimensional crystalline hexagonal boron nitride can be separated and converted into an output signal, which is the input RF signal. It operates as a bandpass filter for the signal.
도 4는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 고주파 필터 인터디지털 트랜스듀서 구성요소에 관한 평면도이다. 인터디지털 트랜스듀서는 신호 입력을 통한 표면탄성파의 유도용(410)과 표면탄성파의 검출을 통한 출력용(420)의 쌍으로 구성되며, 각각의 인터디지털 트랜스듀서는 고유진동수의 주기에 일치하는 일정한 간격(411, 421)으로 배치된 전극들로 구성된다. 즉, 각 인터디지털 트랜스듀서 한 쌍의 전극의 길이(412, 422) 및 인터디지털 트랜스듀서들 간의 간격(430)과 같은 치수(dimension)의 경우 신호의 전송 및 검출의 최적 조건을 따라 달리 설계될 수 있다.Figure 4 is a plan view of a high-frequency filter interdigital transducer component according to a second embodiment of the present invention. The interdigital transducer consists of a pair (410) for inducing surface acoustic waves through signal input and (420) for outputting surface acoustic waves through detection, and each interdigital transducer has a constant interval corresponding to the period of the natural frequency. It consists of electrodes arranged at (411, 421). That is, in the case of dimensions such as the length of the electrodes (412, 422) of each interdigital transducer pair and the gap (430) between the interdigital transducers, they can be designed differently according to the optimal conditions for signal transmission and detection. You can.
도 5는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 고주파 필터의 표면탄성파가 생성 및 전파되는 결정질 육방정계 질화붕소의 결정 모형이다.Figure 5 is a crystal model of crystalline hexagonal boron nitride in which surface acoustic waves of a high-frequency filter according to the second embodiment of the present invention are generated and propagated.
도 6은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 고주파 필터의 주기적인 인터디지털 트랜스듀서 한 파장을 단위로 하는 시뮬레이션 결과 전위분포를 나타낸다. 20 nm 두께의 결정질 육방정계 질화붕소가 다이아몬드로 이루어진 절연기판 위에 놓여져 있고, 높이와 너비 각각 20 nm인 두 개의 전극이 55 nm 간격으로 배열된 구조가 하나의 주기를 형성한다. 도 6의 구조에 대하여 고조파가 아닌 기본파의 고유진동수는 33.832 GHz에 이르며 고조파의 진동수는 이 이상이다.Figure 6 shows the potential distribution as a result of simulation using one wavelength as a unit of the periodic interdigital transducer of the high-frequency filter according to the second embodiment of the present invention. A 20 nm thick crystalline hexagonal boron nitride is placed on an insulating substrate made of diamond, and a structure in which two electrodes with a height and width of 20 nm each are arranged at 55 nm intervals forms one cycle. For the structure of Figure 6, the natural frequency of the fundamental wave, which is not a harmonic, reaches 33.832 GHz, and the frequency of the harmonics is higher than this.
도 7은 본 발명의 제 2 실시예에 도 6의 시뮬레이션에서 가해진 전압에 대하여 압전현상에 의해 일어난 매질의 변위장을 나타낸다. 파장과 일치하는 수축 팽창이 일어나 탄성파의 형태로 진행됨을 확인할 수 있다.Figure 7 shows the displacement field of the medium generated by the piezoelectric phenomenon with respect to the voltage applied in the simulation of Figure 6 in the second embodiment of the present invention. It can be confirmed that contraction and expansion that match the wavelength occur and proceed in the form of an elastic wave.
도 8은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 도 6의 구조에 대해 고주파 필터의 표면탄성파 유도 및 표면탄성파 검출을 위한 인터디지털 트랜스듀서를 쌍으로 배치한 시뮬레이션 결과이며 전위분포를 나타낸다. 각각의 인터디지털 트랜스듀서는 8개의 금속 전극으로 이루어져 있으며 왼편이 표면탄성파 유도, 오른편이 표면탄성파 검출용이다. FIG. 8 is a simulation result showing a potential distribution of a pair of interdigital transducers for inducing surface acoustic waves and detecting surface acoustic waves of a high-frequency filter for the structure of FIG. 6 according to the second embodiment of the present invention. Each interdigital transducer consists of eight metal electrodes, with the left side for inducing surface acoustic waves and the right side for surface acoustic wave detection.
무한히 주기가 반복되는 도 6의 시뮬레이션과 비교하여 도 8과같이 전극의 개수가 유한해질 때 경계면 및 근접한 인터디지털 트랜스듀서와의 간섭에 의하여 시스템의 고유진동수가 변화하게 된다. 도 8의 시뮬레이션 구조의 고유진동수는 33.306 GHz에 이르며 33.832 GHz에 비하여 미약하게 감소하였으나 여전히 Ka-band 내에 존재하며 다른 물질에 비해 매우 우수한 성능을 보인다. 또한, 전극의 크기, 간격 및 주기를 조절함으로 주파수는 더 향상될 수 있으며 고조파의 경우는 기본파의 수배에 해당하는 주파수에서 동작 가능하다.Compared to the simulation of FIG. 6 where the cycle is repeated infinitely, when the number of electrodes becomes finite as shown in FIG. 8, the natural frequency of the system changes due to interference with the interface and adjacent interdigital transducers. The natural frequency of the simulation structure in Figure 8 reaches 33.306 GHz, slightly reduced compared to 33.832 GHz, but still within the Ka-band and showing very excellent performance compared to other materials. In addition, the frequency can be further improved by adjusting the size, spacing, and period of the electrodes, and in the case of harmonics, it is possible to operate at a frequency that is several times the fundamental wave.
도 9는 본 발명의 제 2 실시예에 도 8의 시뮬레이션에서 가해진 전압에 대하여 압전 현상에 의해 일어난 매질의 변위장을 나타낸다. 표면탄성파 유도용 인터디지털 트랜스듀서에서 인가된 전압이 압전현상에 의해 파장과 일치하는 수축 팽창하는 탄성파의 형태로 진행되어 검출용 인터디지털 트랜스듀서에 전달됨을 확인할 수 있다. Figure 9 shows the displacement field of the medium generated by the piezoelectric phenomenon with respect to the voltage applied in the simulation of Figure 8 in the second embodiment of the present invention. It can be confirmed that the voltage applied from the interdigital transducer for inducing surface acoustic waves proceeds in the form of an elastic wave that expands and contracts in accordance with the wavelength due to the piezoelectric phenomenon and is transmitted to the interdigital transducer for detection.
도 10은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 도 8의 고주파 필터의 주파수 응답 특성이다. 기본파의 고유진동수가 형성되는 33 GHz 부근과 계면현상에 의한 모드인 30 GHz 주변에서만 높은 전달함수를 가지며 그 외의 주파수에 대해서는 0에 가까운 전달함수를 갖는다. 따라서 고유진동수 부근의 주파수 대역의 신호만을 걸러내게 되며 대역 필터로 동작함을 확인할 수 있다.Figure 10 shows the frequency response characteristics of the high-frequency filter of Figure 8 according to the second embodiment of the present invention. It has a high transfer function only around 33 GHz, where the natural frequency of the fundamental wave is formed, and around 30 GHz, which is the mode due to the interface phenomenon, and has a transfer function close to 0 for other frequencies. Therefore, it can be confirmed that only signals in the frequency band around the natural frequency are filtered out and that it operates as a band filter.
도 11은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 고주파 필터의 주기적인 인터디지털 트랜스듀서 한 파장을 단위로 하는 시뮬레이션 결과로 변위장 분포를 나타낸다. 20 nm 두께의 결정질 육방정계 질화붕소가 이산화규소(SiO2)로 이루어진 절연기판 위에 놓여져 있고, 높이와 너비 모두 20 nm인 두 개의 전극이 55 nm 간격으로 배열된 구조가 하나의 주기를 형성한다. 도 11의 구조에 대하여 고유진동수는 24.062 GHz에 이른다.Figure 11 shows the displacement field distribution as a simulation result using one wavelength as a unit of the periodic interdigital transducer of the high-frequency filter according to the second embodiment of the present invention. 20 nm thick crystalline hexagonal boron nitride is placed on an insulating substrate made of silicon dioxide (SiO 2 ), and a structure in which two electrodes, both 20 nm in height and 20 nm in width, are arranged at 55 nm intervals forms one cycle. For the structure of Figure 11, the natural frequency reaches 24.062 GHz.
도 12는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 도 11의 구조에 대해 고주파 필터의 표면탄성파 유도 및 표면탄성파 검출을 위한 인터디지털 트랜스듀서를 쌍으로 배치한 시뮬레이션 결과이며 변위장 분포를 나타낸다. 각각의 인터디지털 트랜스듀서는 8개의 금속 전극으로 이루어져 있으며 왼편이 표면탄성파 유도, 오른편이 표면탄성파 검출용이다. 무한히 주기가 반복되는 도 11의 시뮬레이션과 비교하여 도 12와 같이 전극의 개수가 유한해질 때 경계면 및 근접한 인터디지털 트랜스듀서와의 간섭에 의하여 시스템의 고유진동수가 변화하게 된다. 도 12의 시뮬레이션 구조의 고유진동수는 22.505 GHz에 이르며 24.062 GHz에 비하여 감소하였으나 기본 주파수가 Ka-Band에 근접하며 다른 물질에 비해 우수한 성능을 보인다. 또한 전극의 크기, 간격 및 주기를 조절함으로써 주파수는 더 향상될 수 있으며 고조파의 경우는 기본파의 수배에 해당하는 주파수에서 동작 가능하다.FIG. 12 is a simulation result of pairwise arrangement of interdigital transducers for inducing surface acoustic waves and detecting surface acoustic waves of a high-frequency filter for the structure of FIG. 11 according to the second embodiment of the present invention, and shows the displacement field distribution. Each interdigital transducer consists of eight metal electrodes, with the left side for inducing surface acoustic waves and the right side for surface acoustic wave detection. Compared to the simulation of FIG. 11 where the cycle is repeated infinitely, when the number of electrodes becomes finite as shown in FIG. 12, the natural frequency of the system changes due to interference with the interface and adjacent interdigital transducers. The natural frequency of the simulation structure in Figure 12 reaches 22.505 GHz, which is reduced compared to 24.062 GHz, but the fundamental frequency is close to Ka-Band and shows superior performance compared to other materials. Additionally, the frequency can be further improved by adjusting the size, spacing, and period of the electrodes, and in the case of harmonics, it is possible to operate at a frequency that is several times the fundamental wave.
도 13은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 도 7의 고주파 필터의 주파수 응답 특성이다. 고유진동수가 형성되는 22 GHz 부근에서만 높은 전달함수를 가지며 그 외의 주파수에 대해서는 0에 가까운 전달함수를 갖는다. 따라서 고유진동수 부근의 주파수 대역의 신호만을 걸러내게 되며 대역 필터로 동작함을 확인할 수 있다.Figure 13 shows the frequency response characteristics of the high-frequency filter of Figure 7 according to the second embodiment of the present invention. It has a high transfer function only around 22 GHz, where the natural frequency is formed, and has a transfer function close to 0 for other frequencies. Therefore, it can be confirmed that only signals in the frequency band around the natural frequency are filtered out and that it operates as a band filter.
제 1 비교예Comparative Example 1
도 14는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 2차원 결정질 육방정계 질화붕소와 기존의 표면탄성파 장치 물질의 고유진동수를 비교한 표이다. 기존의 표면탄성파 장치에 많이 활용되는 리튬나이오베이트(LiNbO3), 리튬탄탈레이트(LiTaO3), 산화아연(ZnO), 질화알루미늄(AlN) 등에 비해 월등히 높은 위상속도를 보이며 2차원 결정질 육방정계 질화붕소를 활용한 표면탄성파 장치의 경우 기본파 고유진동수가 Ka-band 주파수 대역에 이름을 확인할 수 있다. 이는 2차원 결정질 육방정계 질화붕소를 우수한 탄성 계수와 2차원 소자 특성에 기인한 인-플레인(In-Plane) 방향으로 19000m/s에 이르는 위상속도에 기인하는 것으로, 위상속도가 높을수록 동일 고유주파수 대비 파장이 길어진다. Figure 14 is a table comparing the natural frequencies of two-dimensional crystalline hexagonal boron nitride according to the second embodiment of the present invention and existing surface acoustic wave device materials. It shows a much higher phase velocity than lithium niobate (LiNbO 3 ), lithium tantalate (LiTaO 3 ), zinc oxide (ZnO), and aluminum nitride (AlN), which are widely used in existing surface acoustic wave devices, and is a two-dimensional crystalline hexagonal crystal. In the case of surface acoustic wave devices using boron nitride, the fundamental wave natural frequency can be identified in the Ka-band frequency band. This is due to the phase speed reaching 19000 m/s in the in-plane direction due to the excellent elastic modulus and two-dimensional device characteristics of 2D crystalline hexagonal boron nitride. The higher the phase speed, the higher the natural frequency. The contrast wavelength becomes longer.
도 15는 밀도범함수이론으로 계산된 음향 양자의 분산 관계 즉, 파수와 에너지와의 관계를 나타내는 그래프이다.Figure 15 is a graph showing the dispersion relationship between acoustic quantum calculated using density functional theory, that is, the relationship between wave number and energy.
도 15에서는 계산을 위한 붕소와 질소의 원자량은 자연계에 존재하는 동위원소들의 평균적인 비율에 따른 값을 사용하였고, 종음파(Longitudinal Acoustic Wave: LA)의 분산의 기울기가 음파의 속도(Sound velocity)이다. LO는 종광파(Longitudinal Optical Wave)를 의미하며, TA와 TO는 각각 인-플레인(In-Plane) 방향의 횡음파(Transverse Acoustic Wave)와 횡광파(Transverse Acoustic Wave)를 의미한다. ZA와 ZO는 각각 아웃-오브-플레인(Out-of-Plane)방향의 횡음파와 횡광파를 나타낸다. In Figure 15, the atomic weights of boron and nitrogen for calculation were values based on the average ratio of isotopes existing in nature, and the slope of the dispersion of the Longitudinal Acoustic Wave (LA) was calculated as the sound velocity. am. LO stands for Longitudinal Optical Wave, and TA and TO stand for Transverse Acoustic Wave and Transverse Acoustic Wave in the in-plane direction, respectively. ZA and ZO represent transverse sound waves and transverse light waves in the out-of-plane direction, respectively.
도 15를 참조하면, 인플레인 방향에서 위상속도는 19000 m/s에 이르는 것을 알 수 있다. Referring to Figure 15, it can be seen that the phase speed in the in-plane direction reaches 19000 m/s.
이론적으로 파장에 비례하는 인터디지털 트랜스듀서의 주기를 더 축소하면 고유진동수의 향상이 가능하나 제조공정이나 결정의 결함 등의 문제로 고유진동수가 무한정 증가할 수 없으며, 폭 10 nm 이하, 길이 수 μm 이상, 주기 100 nm 이하의 균일한 전극을 배열을 재현성 있게 양산하는 데에는 기술적인 한계가 있어 수십 GHz 대역에서 동작하는 표면탄성파 장치를 위해서는 높은 위상속도가 매우 중요한데, 본 발명의 2차원 결정질 육방정계 질화붕소는 최적의 해결책을 제시한다.In theory, it is possible to improve the natural frequency by further reducing the period of the interdigital transducer, which is proportional to the wavelength, but due to problems such as manufacturing processes or crystal defects, the natural frequency cannot increase indefinitely, and the width is less than 10 nm and the length is several μm. As mentioned above, there are technical limitations in mass producing uniform electrodes with a period of 100 nm or less in a reproducible array, so high phase speed is very important for surface acoustic wave devices operating in the tens of GHz band, and the two-dimensional crystalline hexagonal nitride of the present invention Boron offers the optimal solution.
제 3 실시예Third Example
도 16은 본 발명의 제 3 실시예에 따른 2차원 결정질 육방정계 질화붕소와 기반의 표면탄성파 장치를 활용한 반도체 칩 간 고속 통신장치의 개념도이며, 입력용 인터디지털 트랜스듀서와 출력용 인터디지털 트랜스듀서 한 쌍을 단방향 채널로 활용하는 예이다. 하나의 인터디지털 트랜스듀서를 입력과 출력 두 가지 목적으로 활용하여 양방향 채널을 구성하거나 두 개의 단방향 채널을 조합하여 양방향 채널을 형성한다. 여러 개의 채널을 묶어 다채널 고속 입출력 버스를 구성할 수 있다.Figure 16 is a conceptual diagram of a high-speed communication device between semiconductor chips using a surface acoustic wave device based on two-dimensional crystalline hexagonal boron nitride according to the third embodiment of the present invention, and includes an interdigital transducer for input and an interdigital transducer for output. This is an example of using a pair as a one-way channel. A single interdigital transducer can be used for both input and output to form a bidirectional channel, or two unidirectional channels can be combined to form a bidirectional channel. Multiple channels can be combined to form a multi-channel high-speed input/output bus.
제 4 실시예Embodiment 4
도 17은 본 발명의 제 3 실시예에 따른 2차원 결정질 육방정계 질화붕소와 기반의 표면탄성파 장치를 활용한 양자 및 스핀 정보처리 장치의 개념도이다. 두 개의 인터디지털 트랜스듀서를 마주보게 배치하여 양쪽에서 표면탄성파를 유도하면 표면탄성파의 정상파(Standing Wave)를 형성할 수 있는데, 이 정상파와 동일한 주기의 전위 장벽(500)이 2차원 결정질 육방정계 질화붕소 표면 주변에 형성된다. 이 전위 장벽(500)은 주변 반도체 혹은 준금속 물질에 동일한 전위 장벽을 여기하고 이러한 전위 장벽에 구속된 전하는 고유 에너지 상태와 스핀 상태를 지닌다. Figure 17 is a conceptual diagram of a quantum and spin information processing device using a surface acoustic wave device based on two-dimensional crystalline hexagonal boron nitride according to a third embodiment of the present invention. By placing two interdigital transducers facing each other and inducing surface acoustic waves from both sides, a standing wave of surface acoustic waves can be formed, and a potential barrier 500 with the same period as this standing wave is formed by two-dimensional crystalline hexagonal nitride. Formed around the boron surface. This potential barrier 500 excites the same potential barrier in the surrounding semiconductor or metalloid material, and the charge bound to this potential barrier has a unique energy state and spin state.
따라서 본 발명에 따른 표면탄성파 장치를 포함하는 양자 및 스핀 정보처리 장치는, 적어도 2개의 표면탄성파에 의한 정상파와 이 정상파에 의하여 2차원 결정질 육방정계 질화붕소 표면 주변의 전위 장벽을 형성하며, 이 전위 장벽으로부터 주변 반도체 혹은 준금속 물질에 동일한 전위 장벽을 여기시켜 전하를 구속한다. 따라서, 본 발명에 따른 정보 처리 장치는 상기 구속된 전하의 고유 에너지와 스핀 상태를 저장, 읽을 수 있다. Therefore, the quantum and spin information processing device including the surface acoustic wave device according to the present invention forms a standing wave caused by at least two surface acoustic waves and a potential barrier around the two-dimensional crystalline hexagonal boron nitride surface by the standing wave, and this potential Charges are confined by exciting the same potential barrier from the barrier to the surrounding semiconductor or metalloid material. Therefore, the information processing device according to the present invention can store and read the intrinsic energy and spin state of the bound charges.
이후, 정상파의 주기 혹은 정상파를 천천히 진행시켜 구속된 전하 간의 전위 장벽을 낮춰 상호작용을 유도하고, 전하를 이동시킬 수 있는데 이런 과정을 통해 양자 및 스핀 정보처리가 가능하다.Afterwards, the cycle of the standing wave or the standing wave can be slowly advanced to lower the potential barrier between bound charges, thereby inducing interaction and moving the charges. Through this process, quantum and spin information processing is possible.
도 18은 본 발명의 도 16에서 설명한 1차원 표면탄성파에 양자 및 스핀 정보 처리장치를 2차원 형태로 확장한 개념도이다. 다수의 인터디지털 트랜스듀서를 2차원적으로 배치하여 생성되는 2차원적 정상파에 의한 양자 우물 및 그에 구속된 전하를 활용한 스핀 및 양자 정보처리가 가능하다.FIG. 18 is a conceptual diagram showing the expansion of the quantum and spin information processing device to the one-dimensional surface acoustic wave described in FIG. 16 of the present invention into a two-dimensional form. Spin and quantum information processing is possible using quantum wells and charges bound therein by two-dimensional standing waves generated by two-dimensionally arranging multiple interdigital transducers.
Claims (15)
지지기판 및 상기 지지기판 상의 2차원 결정질 육방정 질화붕소층을 포함하는 기판을 포함하며,
상기 표면탄성파 장치의 표면탄성파는 상기 2차원 결정질 육방정 질화붕소 층을 통하여 전달되며,
상기 지지기판은 절연기판이며,
상기 2차원 결정질 육방정 질화붕소층에서 붕소의 동위원소의 함량에 따라 상기 2차원 결정질 육방정 질화붕소층에서 표면탄성파의 감쇠 수준이 결정되며,
상기 동위원소 간 질량 차(mass defect)에 의해 일어나는 산란이 최대화될 때 표면탄성파의 감쇠 수준이 최대가 되는 것을 특징으로 하는 표면탄성파 장치.With a surface acoustic wave device,
It includes a substrate including a support substrate and a two-dimensional crystalline hexagonal boron nitride layer on the support substrate,
Surface acoustic waves of the surface acoustic wave device are transmitted through the two-dimensional crystalline hexagonal boron nitride layer,
The support substrate is an insulating substrate,
The attenuation level of surface acoustic waves in the two-dimensional crystalline hexagonal boron nitride layer is determined according to the content of isotopes of boron in the two-dimensional crystalline hexagonal boron nitride layer,
A surface acoustic wave device characterized in that the level of attenuation of surface acoustic waves is maximized when scattering caused by the mass defect between the isotopes is maximized.
상기 2차원 결정질 육방정 질화붕소층은 인프레인-플레인(In-plane) 방향의 19000m/s에 이르는 위상속도가 가능한 것을 특징으로 하는 표면탄성파 장치.According to clause 1,
A surface acoustic wave device characterized in that the two-dimensional crystalline hexagonal boron nitride layer is capable of a phase speed of up to 19000 m/s in the in-plane direction.
상기 기판 상에 적층 되어 표면탄성파를 유도하는 입력 트랜스듀서; 및
상기 기판 상에 적층 되어 상기 기판에서 유도된 상기 표면탄성파를 검출하기 위한 출력 트랜스듀서를 포함하는 것을 특징으로 하는 표면탄성파 장치.The method of claim 1, wherein the surface acoustic wave device,
an input transducer that is stacked on the substrate and induces surface acoustic waves; and
A surface acoustic wave device stacked on the substrate and comprising an output transducer for detecting the surface acoustic waves induced from the substrate.
상기 입력 트랜스듀서 및 출력 트랜스듀서는 인터디지털 타입 트랜스듀서인 것을 특징으로 하는 표면탄성파 장치.According to clause 4,
A surface acoustic wave device, characterized in that the input transducer and the output transducer are interdigital type transducers.
상기 입력 트랜스듀서는 전위차를 인가하여 상기 2차원 결정질 육방정 질화붕소층에 규칙적인 수축과 팽창을 야기하여 표면탄성파를 유도하며,
상기 출력 트랜스듀서는 상기 표면탄성파에 의하여 야기되는 상기 2차원 결정질 육방정 질화붕소층의 전위차를 읽는 것을 특징으로 하는 표면탄성파 장치.According to clause 6,
The input transducer applies a potential difference to cause regular contraction and expansion of the two-dimensional crystalline hexagonal boron nitride layer, thereby inducing surface acoustic waves,
A surface acoustic wave device, wherein the output transducer reads a potential difference of the two-dimensional crystalline hexagonal boron nitride layer caused by the surface acoustic wave.
상기 입력 트랜스듀서 또는 출력 트랜스듀서는 Al, Au, Pt, Ni, Cr, Cd, Ti, W, Pd, Ag, Cu, Ru, Rh, Ta, Mo, Nb, 도핑 NiSi, TaSiN, ErSi1.7, PtSi, WSi2, NbN 정도성 세라믹, 도핑 Si, Ge, III-V 화합물 반도체 및 이들의 조합을 포함하는 것을 특징으로 하는 표면탄성파 장치.According to clause 4,
The input transducer or output transducer may be Al, Au, Pt, Ni, Cr, Cd, Ti, W, Pd, Ag, Cu, Ru, Rh, Ta, Mo, Nb, doped NiSi, TaSiN, ErSi 1.7 , PtSi , WSi 2 , NbN precision ceramic, doped Si, Ge, III-V compound semiconductor, and a combination thereof.
상기 지지기판은 상부에 적층 된 2차원 결정질 육방정 질화붕소층의 절연성에 영향을 주지 않으며, 상기 적층 된 2차원 결정질 육방정 질화붕소층을 전부 또는 일부를 상기 지지기판의 상부 또는 하부로 노출시키는 형태인 것을 특징으로 하는 표면탄성파 장치.According to clause 4,
The support substrate does not affect the insulation of the two-dimensional crystalline hexagonal boron nitride layer stacked on the top, and exposes all or part of the stacked two-dimensional crystalline hexagonal boron nitride layer to the top or bottom of the support substrate. A surface acoustic wave device characterized in that it has a shape.
상기 표면탄성파 장치는 중심 주파수가 26.5 GHz ~ 40 GHz 내에 있는 것을 특징으로 하는 표면탄성파 장치.According to any one of claims 1, 2, 4, and 6 to 9,
The surface acoustic wave device is characterized in that the center frequency is within 26.5 GHz to 40 GHz.
인터디지털 타입의 상기 입력 트랜스듀서 및 출력 트랜스듀서는 쌍으로 복수 개 구성되며, 한 쌍의 입력 및 출력 트랜스듀서 각각의 치수는 상이할 수 있는 것을 특징으로 하는 표면탄성파 장치.According to any one of paragraphs 6 and 7,
A surface acoustic wave device characterized in that the input transducer and output transducer of the interdigital type are composed of a plurality of pairs, and the dimensions of each pair of input and output transducers may be different.
상기 표면탄성파 장치로부터의 발생하는 적어도 2개의 표면탄성파에 의한 정상파를 형성하며,
상기 양자 및 스핀 정보처리 장치는, 상기 정상파로부터 형성되는 인접 반도체 혹은 준금속의 국부적인 전위 장벽에 의하여 구속된 전하의 고유 에너지 상태와 스핀을 이용하여 정보를 저장하고 읽는 것을 특징으로 하는 양자 및 스핀 정보처리 장치.
The method of claim 14, wherein the quantum and spin information processing device,
Forming a standing wave by at least two surface acoustic waves generated from the surface acoustic wave device,
The quantum and spin information processing device is characterized in that it stores and reads information using the spin and the intrinsic energy state of the charge bound by the local potential barrier of the adjacent semiconductor or metalloid formed from the standing wave. Information processing device.
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| E902 | Notification of reason for refusal | ||
| AMND | Amendment | ||
| E601 | Decision to refuse application | ||
| AMND | Amendment | ||
| E90F | Notification of reason for final refusal | ||
| AMND | Amendment | ||
| X701 | Decision to grant (after re-examination) | ||
| GRNT | Written decision to grant |