On the use of multilayer hexagonal boron nitride as dielectric in micro/nano-electronic devices

Abstract

[eng] Electronic devices are becoming increasingly essential for our work and life. The downscaling process of electronic devices, as well as the development of new devices for artificial intelligence and internet of things, are boosting the demand of advanced electronic devices. In this context, dielectric materials are essential building blocks of many electronic devices, as they enable key functionalities like capacitance and memristive effect. Currently, the dielectric materials most employed by the semiconductor industry (such as high-k materials) face performance and reliability challenges that endanger the correct development of future memory and computing devices. For this reason, a new generation of dielectric materials is desired to overcome the current demands. Twodimensional (2D) materials are considered promising candidates for next-generation electronic devices. In particular, hexagonal boron nitride (h-BN) is a 2D layered material with one of the largest band gaps (5.9 eV), which enables its use as gate insulator of a transistor or a resistive switching layer in memristors. In this work, we study the dielectric performance of multilayer mechanically exfoliated h-BN stacks in several types of devices. First, we explore the performance of defect-free mechanically exfoliated multilayer h-BN as gate dielectric material. Second, we explore the performance of defect-rich multilayer h-BN stacks, produced via chemical vapor deposition (CVD), as resistive switching layer in memristors with vertical metal-insulator-metal (MIM) structure. And third, we have explored the performance of one-transistor-one-memristor (1T1M) cells – the building block of memristive circuits for information storage and computation – fabricated by connecting a MoS2 transistor to a h-BN memristor. In this doctoral thesis, we present valuable data to understand the properties of h- BN, as well as its potential for applications in the field of micro/nano-electronics. The data contained in this document may be of great help of other researchers and engineers devoted to the development of post-silicon electronics, and they should contribute to a faster development of such technologies for the benefit of mankind.

[cat] Els dispositius electrònics són cada cop més essencials per a la nostra feina i la nostra vida. El procés de miniaturització dels dispositius electrònics estan augmentant la demanda de dispositius electrònics avançats. En aquest context, els materials dielèctrics són components essencials de molts dispositius electrònics, ja que permeten funcionalitats clau com la capacitat i l'efecte memristiu. Actualment, els materials dielèctrics més utilitzats per la indústria dels semiconductors (com els materials d'alta permitivitat) s'enfronten a reptes de rendiment i fiabilitat que posen en perill el desenvolupament correcte de futurs dispositius de memòria i informàtica. Per aquest motiu, es necessita una nova generació de materials dielèctrics per superar les exigències actuals. Els materials bidimensionals (2D) es consideren candidats prometedors per a dispositius electrònics de nova generació. En particular, el nitrur de bor hexagonal (h-BN) és un material en capes 2D amb una de les bandes prohibides més grans (5,9 eV), que permet el seu ús com a aïllant de porta d'un transistor o una capa de aïllant resistiva en memristors. En aquest treball, estudio el rendiment dielèctric de multicapes de h-BN exfoliades mecànicament en diversos tipus de dispositius. En primer lloc, explorem el rendiment del h-BN multicapa exfoliat mecànicament sense defectes com a material dielèctric de la porta. En segon lloc, explorem el rendiment de les piles h-BN multicapa riques en defectes, produïdes mitjançant deposició química de vapor (CVD), com a capa de commutació resistent en memristors amb estructura vertical metall-aïllant-metall (MIM). I en tercer lloc, hem explorat el rendiment de les cèl·lules d'un transistor-unmemristor (1T1M) fabricades connectant un transistor MoS2 a un memristor h-BN. En aquesta tesi doctoral presentem dades valuoses per entendre les propietats de l'h-BN, així com el seu potencial d'aplicacions en el camp de la micro/nanoelectrònica. Les dades contingudes en aquest document poden ser de gran ajuda per a altres investigadors i enginyers dedicats al desenvolupament de l'electrònica post-silici, i haurien de contribuir a un desenvolupament més ràpid d'aquestes tecnologies en benefici de la humanitat.