KR20220070679A - Substate for surface aquastic wave device and suface aquastic wave device comprising the same - Google Patents
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Abstract
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, and more particularly, to a material having a phase speed superior to that of piezoelectric materials conventionally used as a substrate for a surface acoustic wave device, crystalline hexagonal boron nitride. Provided are a substrate for a surface acoustic wave device capable of operating at a high frequency 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 variety of commercial uses, from intermediate frequency (IF) filters used in TVs to radio frequency (RF) filters used for long-distance communication in mobile phones, and various sensors. is being used extensively. A surface acoustic wave device is an essential element in many electronic devices and wireless communication systems. Recently, as multifunctionalization and miniaturization are required, the demand for high-performance surface acoustic wave devices is increasing. In particular, as the communication frequency band increases, a surface acoustic wave device operating in a high frequency band is required. In addition, when the surface acoustic wave forms a standing wave, a certain type of potential barrier can be formed on the surface of an adjacent solid. The range 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(
따라서 동작 주파수는 탄성파의 속도(
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 the tens of GHz band using existing materials, harmonics of the center frequency or special waveforms (Sezawa mode) generated at the interface with materials such as diamonds with high elastic wave speed are utilized. An attempt is 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, compared to the fundamental frequency of harmonics or special waveforms, coupling efficiency is reduced, so signal attenuation and low signal-to-noise ratio (SNR) cannot be avoided. Therefore, the method of increasing the velocity of the acoustic wave in the medium, which is the most basic factor that determines the operating frequency, is the most fundamental solution to increase 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 velocity of the elastic wave is mainly an intrinsic property of piezoelectric materials, and the main piezoelectric materials used or studied include LiNbO 3 (LN), LiTaO 3 (LT), PZT, ZnO, AlN, and the like. In addition, research is being conducted to apply ZnO or AlN thin films on diamond or sapphire substrates with high surface wave speeds in ultra-high frequency applications.
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 maximum phase speed of 5700 6100 m/s, and the central frequency of the fundamental wave is formed from 400 100 MHz to 5 12 GHz, and there is a limit to be used in 5G band communication reaching around 30 GHz. In the case of using the above-mentioned harmonics or waveforms at the interface, the center frequency rises, but the 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 a high frequency band, performance improvement is required to overcome the limitations of the existing surface acoustic wave device in order to process more information faster and faster.
따라서, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 훨씬 더 향상된 고주파수에서 동작하는 표면탄성파 장치용 기판과 이를 포함하는 장치를 제공하는 것이다. Accordingly, an object of the present invention is to provide a substrate for a surface acoustic wave device operating at a much improved high frequency and an apparatus 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 problems, the present invention provides a substrate for a surface acoustic wave device, wherein the substrate includes a two-dimensional crystalline hexagonal boron nitride layer, and the surface acoustic wave of the surface acoustic wave device includes the two-dimensional crystalline hexagonal boron nitride layer It provides a substrate for a surface acoustic wave device, characterized in that 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 an embodiment of the present invention, the two-dimensional crystalline hexagonal boron nitride layer has a phase velocity 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 the surface acoustic wave in the two-dimensional crystalline hexagonal boron nitride layer is determined according to the content of the boron isotope.
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 laminated on the substrate to induce a surface acoustic wave; and an output transducer laminated on the substrate to detect the surface acoustic wave induced from 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 may include a support substrate; and a two-dimensional crystalline hexagonal boron nitride layer on the support substrate, wherein the input transducer and the output transducer are interdigital 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 induces a surface acoustic wave by causing regular contraction and expansion in the two-dimensional crystalline hexagonal boron nitride layer by applying a potential difference, and the output transducer is The resulting potential difference of the 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 the output transducer is Al, Au, Pt, Ni, Cr, Cd, Ti, W, Pd, Ag, Cu, Ru, Rh, Ta, Mo, Nb, doping NiSi, TaSiN, ErSi 1.7 , PtSi, WSi 2 , NbN grade 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 an embodiment of the present invention, the support substrate does not affect the insulating properties of the two-dimensional crystalline hexagonal boron nitride layer stacked thereon, and supports all or part of the stacked two-dimensional crystalline hexagonal boron nitride layer. It is in the form of exposing the upper or lower part 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 an embodiment of the present invention, the surface acoustic wave device has a center frequency of 26.5 GHz to 40 GHz, and the interdigital input transducer and the output transducer are configured as a plurality of pairs, and each of the input and output transducers of one phase The dimensions of may be different.
본 발명은 상술한 표면탄성파 장치를 포함하는 고주파 필터를 제공한다. The present invention provides a high-frequency filter comprising the above-described surface acoustic wave device.
본 발명은 상술한 표면탄성파 장치를 포함하는 반도체 칩간 통신장치를 제공한다. The present invention provides an inter-semiconductor chip communication device including the above-described surface acoustic wave device.
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 comprising the above-described surface acoustic wave device, 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 by using the spin and the intrinsic energy state of the electric charge constrained 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 a high frequency is provided by defining crystalline hexagonal boron nitride, a material having a phase speed superior to that of piezoelectric materials conventionally used as a substrate for a surface acoustic wave device, as a substrate for the surface acoustic wave device. 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 in which the central frequency of the fundamental wave can reach the Ka-band frequency band (26.5 GHz to 40 GHz). and exceeds the Ka-band operating 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 two-dimensional crystalline hexagonal boron nitride-based surface acoustic wave device according to a preferred embodiment of the present invention.
2 is a bird's eye view of the basic structure of a two-dimensional crystalline hexagonal boron nitride-based surface acoustic wave device according to a preferred embodiment of the present invention.
3 is an operation principle of a high-frequency filter using a surface acoustic wave device based on a two-dimensional crystalline hexagonal boron nitride according to a preferred embodiment of the present invention.
4 is a plan view of an interdigital transducer according to a preferred embodiment of the present invention.
5 is a two-dimensional crystalline hexagonal boron nitride crystal structure according to a preferred embodiment of the present invention of (a) is a plan view (b) is a bird's eye view.
6 is a simulation diagram showing the potential distribution of one wavelength mode of an interdigital transducer electrode of a crystalline hexagonal boron nitride-based surface acoustic wave device on a diamond substrate for frequency calculation according to a preferred embodiment of the present invention.
7 is a simulation diagram illustrating the movement of a medium by an acoustic wave of one wavelength mode of an electrode of the hexagonal boron nitride-based surface acoustic wave device of FIG. 6 according to a preferred embodiment of the present invention.
8 is a simulation diagram showing the electrode structure of the interdigital transducer of FIG. 6 according to a preferred embodiment of the present invention in which the interdigital transducer for input and output are arranged in pairs.
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, illustrating the movement of a medium by acoustic waves.
10 is a frequency response characteristic of the surface acoustic wave device based on the hexagonal boron nitride of FIGS. 8 and 9 according to a preferred embodiment of the present invention.
11 is a simulation showing the potential distribution of one wavelength mode of the interdigital transducer electrode of a crystalline hexagonal boron nitride-based surface acoustic wave device on a silicon dioxide (SiO 2 ) substrate for frequency calculation according to a preferred embodiment of the present invention; It is also
12 is a simulation diagram illustrating the electrode structure of the interdigital transducer of FIG. 11 according to a preferred embodiment of the present invention, in which the interdigital transducer for input and output are arranged in pairs.
13 is a frequency response characteristic of the surface acoustic wave device based on the hexagonal boron nitride of FIG. 12 according to a preferred embodiment of the present invention.
14 is a comparison diagram between the operating frequency of a surface acoustic wave device using a conventional material and the operating frequency of a hexagonal boron nitride-based surface acoustic wave device of the present invention.
15 is a graph showing the relationship between sound quantum dispersion, that is, wave number and energy calculated by the density functional theory.
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.
17 is a conceptual diagram of a surface standing wave formation 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.
18 is a conceptual diagram of a quantum or spin information processing apparatus in which the one-dimensional standing wave apparatus of FIG. 16 is expanded 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 and illustrated in the drawings and will be described in detail hereinafter. However, it is not intended to limit the invention to the particular form disclosed, but rather the invention includes all modifications, equivalents and substitutions consistent with the spirit of the invention as defined by the claims. In describing each figure, like reference numerals have been used for like elements.
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 appreciated that when an element, such as a layer, region, or substrate, is referred to as being “on” another component, it may be directly on the other element or intervening 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 defined otherwise, all terms used herein, including technical and scientific terms, have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which this invention belongs. Terms such as those defined in a commonly used dictionary should be interpreted as having a meaning consistent with the meaning in the context of the related art, and should not be interpreted in an ideal or excessively formal meaning unless explicitly defined in the present application. does not
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 a third layer may be interposed therebetween. Also, in the present specification, directional expressions such as upper, upper (part), and upper surface may be understood as meaning lower, lower (lower), lower surface, etc. according to the standard. That is, the expression of spatial direction should be understood as a relative direction and should not be construed as meaning 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 accompanying drawings. Hereinafter, the same reference numerals are used for the same components in the drawings, and repeated descriptions of the same components are omitted.
본 발명은 표면탄성파 기판으로 결정질 육방정계 질화붕소를 포함한다. 이로써 새로운 고주파 표면탄성파 장치를 구현할 수 있다. The present invention includes a crystalline hexagonal boron nitride as a surface acoustic wave substrate. This makes it possible to realize a new high-frequency surface acoustic wave device.
제 1 실시예first embodiment
도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 2차원 결정질 육방정계 질화붕소 기반의 표면탄성파 장치를 도시한 단면도이다. 1 is a cross-sectional view illustrating a two-dimensional crystalline hexagonal boron nitride-based surface acoustic wave device 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 or multiple two-dimensional crystalline hexagonal
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 is 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 grade 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.2 is a conceptual diagram for explaining the operation of a surface acoustic wave device based on a two-dimensional crystalline hexagonal boron nitride according to the first embodiment of the present invention. An
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 (eg, attenuation) of the surface acoustic wave according to the ratio of isotopes in nitrogen and boron. In the case of boron, a high ratio of stable isotopes exists in nature ( 10 B: 11 B = 20:80 ), and in the case of nitrogen, a low ratio ( 14 N: 15 N = 99.6:0.4 ) but stable isotopes with a long half-life exist. do. Isotopes are the same in electrical bonding, but have a difference in mass due to the difference in the number of neutrons. Atoms of the same type that make up crystals have different masses, and as their randomness increases, they act as a factor for fast attenuation by scattering of surface acoustic waves. Therefore, in the case of a boron nitride layer made of boron or nitrogen having the same atomic weight through isotope separation of boron and nitrogen, it may have a long transmission distance characteristic by reducing the attenuation of the surface acoustic wave. In addition, in the case of hexagonal boron nitride composed of only 10 B and 14 N having a small mass, the mass is reduced for the same bonding force, so that the phase speed can be improved. The so-called mass defect ?? When the scattering caused by the mass defect between isotopes is maximized, the attenuation of the surface acoustic wave can also be maximized. It can be used for the purpose of the absorbent layer. Therefore, this means that acoustic wave characteristics can be controlled by adjusting the ratio of isotope components according to 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. 3 is a cross-sectional view illustrating a high-frequency filter using a surface acoustic wave device based on a two-dimensional crystalline hexagonal boron nitride based on a second embodiment of the present invention. When an RF signal is applied to an interdigital transducer electrode that converts an input signal into a surface acoustic wave, only a signal corresponding to the natural frequency formed by the designed interdigital transducer and 2D crystalline hexagonal boron nitride is converted into a progressive surface acoustic wave.
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 arrives at the output interdigital transducer electrodes spaced apart at regular intervals, it is converted back into an electrical signal and detected as an output RF signal. Through the described process, even when 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. It acts 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.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 of a 410 for inducing a surface acoustic wave through signal input and a 420 for outputting a surface acoustic wave through detection. It is composed of electrodes arranged as (411, 421). That is, in the case of dimensions such as the
도 5는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 고주파 필터의 표면탄성파가 생성 및 전파되는 결정질 육방정계 질화붕소의 결정 모형이다.5 is a crystal model of crystalline hexagonal boron nitride in which a surface acoustic wave of a high-frequency filter according to a second embodiment of the present invention is 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.6 shows the potential distribution of simulation results in units of one wavelength of the periodic interdigital transducer of the high frequency filter according to the second embodiment of the present invention. A structure in which 20 nm thick crystalline hexagonal boron nitride is placed on an insulating substrate made of diamond, and two electrodes each 20 nm in height and width are arranged at intervals of 55 nm form one cycle. With respect to the structure of FIG. 6, the natural frequency of the fundamental wave, which is not a harmonic, reaches 33.832 GHz, and the frequency of the harmonic 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.7 shows the displacement field of the medium caused by the piezoelectric phenomenon with respect to the voltage applied in the simulation of FIG. 6 in the second embodiment of the present invention. It can be confirmed that contraction and expansion matching the wavelength occurs and proceeds 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 of arranging interdigital transducers in pairs for surface acoustic wave induction and surface acoustic wave detection of a high frequency filter with respect to the structure of FIG. 6 according to the second embodiment of the present invention, and shows the potential distribution. Each interdigital transducer consists of 8 metal electrodes, and the left side is for surface acoustic wave induction and the right side is 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 in which the cycle is repeated indefinitely, when the number of electrodes is finite as shown in FIG. 8, the natural frequency of the system is changed due to interference with the interface and adjacent interdigital transducers. The natural frequency of the simulated structure of FIG. 8 reaches 33.306 GHz, which is slightly reduced compared to 33.832 GHz, but still exists in the Ka-band and shows very good performance compared to other materials. In addition, the frequency can be further improved by adjusting the size, interval, and period of the electrodes, and in the case of harmonics, it is possible to operate at a frequency corresponding to 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. 9 shows the displacement field of the medium caused by the piezoelectric phenomenon with respect to the voltage applied in the simulation of FIG. 8 in the second embodiment of the present invention. It can be confirmed that the voltage applied from the interdigital transducer for surface acoustic wave induction proceeds in the form of an elastic wave that contracts and expands according to the wavelength due to the piezoelectric phenomenon, and is then transferred 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.10 is a frequency response characteristic of the high frequency filter of FIG. 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 a mode due to the interface phenomenon, and has a transfer function close to 0 for other frequencies. Therefore, it can be confirmed that only the signal in the frequency band near the natural frequency is filtered out and 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.11 is a simulation result showing the displacement field distribution in units of one wavelength of the periodic interdigital transducer of the high frequency filter according to the second embodiment of the present invention. A structure in which 20 nm thick crystalline hexagonal boron nitride is placed on an insulating substrate made of silicon dioxide (SiO 2 ), and two electrodes with both height and width of 20 nm are arranged at intervals of 55 nm form one cycle. For the structure of Fig. 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.12 is a simulation result of arranging interdigital transducers in pairs for surface acoustic wave induction and surface acoustic wave detection of a high frequency filter with respect to 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 8 metal electrodes, and the left side is for surface acoustic wave induction and the right side is for surface acoustic wave detection. Compared to the simulation of FIG. 11 in which the cycle is repeated infinitely, when the number of electrodes is finite as shown in FIG. 12, the natural frequency of the system is changed due to interference with the interface and adjacent interdigital transducers. The natural frequency of the simulation structure of FIG. 12 reached 22.505 GHz and decreased compared to 24.062 GHz, but the fundamental frequency was close to Ka-Band and showed superior performance compared to other materials. In addition, the frequency can be further improved by adjusting the size, interval, and period of the electrodes, and in the case of harmonics, it is possible to operate at a frequency corresponding to 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.13 is a frequency response characteristic of the high-frequency filter of FIG. 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 the signal in the frequency band near the natural frequency is filtered out and 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. 14 is a table comparing natural frequencies of two-dimensional crystalline hexagonal boron nitride and a conventional surface acoustic wave device material according to a second embodiment of the present invention. Two-dimensional crystalline hexagonal crystal system with significantly higher phase speed compared to lithium niobate (LiNbO 3 ), lithium tantalate (LiTaO 3 ), zinc oxide (ZnO), and aluminum nitride (AlN), which are widely used in conventional surface acoustic wave devices In the case of a surface acoustic wave device using boron nitride, the fundamental wave natural frequency can be identified in the Ka-band frequency band. This is due to the phase velocity of the two-dimensional crystalline hexagonal boron nitride reaching 19000 m/s in the in-plane direction due to the excellent elastic modulus and the two-dimensional device characteristics. The contrast wavelength is lengthened.
도 15는 밀도범함수이론으로 계산된 음향 양자의 분산 관계 즉, 파수와 에너지와의 관계를 나타내는 그래프이다.15 is a graph showing the relationship between the dispersion of sound quantum calculated by the density functional theory, that is, the relationship between wavenumber 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 FIG. 15, the atomic weight of boron and nitrogen for calculation was used as a value according to the average ratio of isotopes existing in nature, and the slope of the dispersion of the Longitudinal Acoustic Wave (LA) is the velocity of the sound wave. to be. LO means a longitudinal optical wave, and TA and TO mean a transverse acoustic wave and a transverse acoustic wave in the in-plane direction, respectively. ZA and ZO indicate a transverse sound wave and a transverse light wave in the out-of-plane direction, respectively.
도 15를 참조하면, 인플레인 방향에서 위상속도는 19000 m/s에 이르는 것을 알 수 있다. Referring to FIG. 15 , it can be seen that the phase velocity 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.Theoretically, if the period of the interdigital transducer in proportion to the wavelength is further reduced, the natural frequency can be improved, but the natural frequency cannot be increased indefinitely due to problems such as manufacturing process or crystal defects. As described above, there is a technical limit to reproducibly mass-producing an array of uniform electrodes with a period of 100 nm or less, so a high phase speed is very important for a surface acoustic wave device operating in a tens of GHz band. Boron offers an optimal solution.
제 3 실시예third embodiment
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.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 and an interdigital transducer for input and interdigital transducer for output according to a third embodiment of the present invention. This is an example of using a pair as a unidirectional channel. One interdigital transducer is used for both input and output purposes to form a bidirectional channel, or two unidirectional channels are combined to form a bidirectional channel. Multiple channels can be bundled to form a multi-channel high-speed input/output bus.
제 4 실시예4th embodiment
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. 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 arranging two interdigital transducers facing each other to induce a surface acoustic wave from both sides, a standing wave of the surface acoustic wave can be formed. Formed around the boron surface. The
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 by at least two surface acoustic waves and a potential barrier around the two-dimensional crystalline hexagonal boron nitride surface by the standing waves, Charge confinement by exciting the same potential barrier from the barrier to the surrounding semiconductor or metalloid material. Accordingly, the information processing device according to the present invention can store and read the intrinsic energy and spin state of the constrained charge.
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.Thereafter, by slowly advancing the period or standing wave of the standing wave, interaction can be induced by lowering the potential barrier between the confined charges, and the charges can be moved. 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.18 is a conceptual diagram in which the quantum and spin information processing apparatus is expanded to a two-dimensional form in the one-dimensional surface acoustic wave described in FIG. 16 of the present invention. Spin and quantum information processing using quantum wells generated by two-dimensional standing waves generated by two-dimensionally arranging multiple interdigital transducers and charges confined thereto are possible.
Claims (15)
상기 기판은 2차원 결정질 육방정 질화붕소층을 포함하며,
상기 표면탄성파 장치의 표면탄성파는 상기 2차원 결정질 육방정 질화붕소 층을 통하여 전달되는 것을 특징으로 하는 표면탄성파 장치용 기판.As a substrate for surface acoustic wave devices,
The substrate includes a two-dimensional crystalline hexagonal boron nitride layer,
The surface acoustic wave of the surface acoustic wave device is a substrate for a surface acoustic wave device, characterized in that transmitted through the two-dimensional crystalline hexagonal boron nitride layer.
상기 2차원 결정질 육방정 질화붕소층은 인프레인-플레인(In-plane) 방향의 19000m/s에 이르는 위상속도가 가능한 것을 특징으로 하는 표면탄성파 장치.The method of claim 1,
The two-dimensional crystalline hexagonal boron nitride layer is a surface acoustic wave device, characterized in that the phase speed of up to 19000 m / s in the in-plane direction is possible.
상기 2차원 결정질 육방정 질화붕소층에서 붕소의 동위원소의 함량에 따라 상기 2차원 결정질 육방정 질화붕소층에서 표면탄성파의 감쇠 수준이 결정되는 것을 특징으로 하는 표면탄성파 장치.The method of claim 1,
The surface acoustic wave device, characterized in that the attenuation level of the surface acoustic wave 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.
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 장치.A surface acoustic wave device comprising:
Board;
an input transducer laminated on the substrate to induce a surface acoustic wave; and
It is laminated on the substrate and includes an output transducer for detecting the surface acoustic wave induced from the substrate,
The substrate is a surface acoustic wave device, characterized in that it comprises a two-dimensional crystalline hexagonal boron nitride.
상기 기판은 지지기판; 및 상기 지지기판 상의 2차원 결정질 육방정 질화붕소층을 포함하는 것을 특징으로 하는 표면탄성파 장치.5. The method of claim 4,
The substrate may include a support substrate; and a two-dimensional crystalline hexagonal boron nitride layer on the support substrate.
상기 입력 트랜스듀서 및 출력 트랜스듀서는 인터디지털 타입 트랜스듀서인 것을 특징으로 하는 표면탄성파 장치.5. The method of claim 4,
The surface acoustic wave device, characterized in that the input transducer and the output transducer is an interdigital type transducer.
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.7. The method of claim 6,
The input transducer induces a surface acoustic wave by applying a potential difference to cause regular contraction and expansion in the two-dimensional crystalline hexagonal boron nitride layer,
The output transducer reads the potential difference of the two-dimensional crystalline hexagonal boron nitride layer caused by the surface acoustic wave device.
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.5. The method of claim 4,
The input transducer or output transducer is 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 grade ceramic, doped Si, Ge, III-V compound semiconductor, and a surface acoustic wave device comprising 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.5. The method of claim 4,
The support substrate does not affect the insulation of the two-dimensional crystalline hexagonal boron nitride layer stacked thereon, and exposing all or part of the stacked two-dimensional crystalline hexagonal boron nitride layer to the upper or lower portion of the support substrate Surface acoustic wave device, characterized in that the form.
상기 표면탄성파 장치는 중심 주파수가 26.5 GHz ~ 40 GHz 내에 있는 것을 특징으로 하는 표면탄성파 장치.10. The method according to any one of claims 4 to 9,
The surface acoustic wave device is a surface acoustic wave device, characterized in that the center frequency is within 26.5 GHz ~ 40 GHz.
상기 인터디지털 입력 트랜스듀서 및 출력 트랜스듀서는 쌍으로 복수 개 구성되며, 한 상의 입력 및 출력 트랜스듀서 각각의 치수는 상이할 수 있는 것을 특징으로 하는 표면탄성파 장치.7. The method of claim 6,
A surface acoustic wave device, characterized in that the interdigital input transducer and the output transducer are configured as a plurality of pairs, and the dimensions of each of the input and output transducers of one phase 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.
14. The method of claim 13, wherein the quantum and spin information processing device comprises:
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, characterized in that the quantum and spin information is stored and read by using the spin and the intrinsic energy state of the charge constrained by the local potential barrier of an 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 |