Defect engineering of hexagonal boron nitride for electronic applications

Abstract

Hexagonal boron nitride, a 2D insulator with a large band gap (5.5~6.0 eV), has been used in electrical and optical devices that use defects, such as single photon emitters and memristors. Defect controlling and formation are vital because defects are significant components in defining the optical and electrical characteristics of 2D materials. However, the defect has a great effect on the 2D device; there are few studies on the electric-optic properties of hBN induced by the defect. In this thesis, I systematically investigated the comprehensive properties such as mechanical, optical and electrical of the hBN by using oxygen plasma treatment. I demonstrated that the characteristics of hBN can be controlled using our plasma process. For the first time, I observed a large PL spectrum range of defective hBN using a 325 nm laser. The DFT calculation revealed that the kinds of oxygen-related defects fit well with the PL data. I also demonstrated that plasma-treated hBN's band gap was changed from 5.7 eV to 4.5 eV. 2D materials are easily oxidized and degraded by moisture or oxygen in the atmosphere because the ultrathin has a high environmental sensitivity. Therefore, to fabricate 2D materials-based devices with high device stability and performance, clean interfaces of the 2D channel layer must be achieved through effective passivation. The hBN has been used as a passivation layer for 2D device. Therefore, hBN-encapsulated device requires contact process to connect metal electrode and channel. Various contact processes have been studied, such as edge contact, graphene etch stop, and transferred via contact. However, these process methods have disadvantages such as oxidation, physical damage of 2D channel during device fabrication. In this thesis, I propose a new contact method for field-effect transistors (FETs) of 2D materials using conductive filament (CF) paths induced by defect. After oxygen plasma treatment on hBN, an electric field was repeatedly applied to form CF paths. As a result, the metal and the 2D channel (graphene and MoS2) were directly connected. The FETs with CF contacts showed low contact resistance and high stability.

2차원 물질 중 넓은 밴드갭(5.5~6.0 eV)을 가진 육방정계 질화붕소는 우수한 절연 특성 때문에 전기 광학소자의 기판과 배리어 층으로 많은 연구가 진행되어 왔다. 최근에는 육방정계 질화붕소 내부에 존재하는 결함을 이용하여 싱글 포톤 에미터나 멤리스터 같은 메모리 소자에 관한 연구가 조명을 받고 있다. 이처럼 결함의 생성과 제어는 2차원 물질의 전기광학적 특성을 결정하는데 중요한 인자이다. 그러나 결함이 재료 특성을 결정하는 중요한 인자임에도 불구하고 결함에 의해 나타나는 육방정계 질화붕소의 전기광학적 특성 변화에 대한 연구는 미흡하다. 본 논문에서는 산소 플라즈마 장비를 이용하여 육방정계 질화붕소에 결함을 형성시켜 결함에 의한 전기적 광학적 특성변화를 다양한 측정 방법으로 관찰하였다. 325nm 파장의 레이저를 가진 라만 측정 장비로 photo luminescence(PL)를 확인하여 다양한 종류의 결함의 생긴 것을 확인하였다. DFT 계산을 통해 결함의 종류를 확인하고 PL 측정값과 매칭시켰다. 또한, 산소 플라즈마에 의해 형성된 결함 패스는 hBN의 밴드갭을 5.7 eV에서 4.5 eV까지 감소시켰다. 2차원 물질은 대기 중에서 산소와 수분 등에 의해 쉽게 산화되거나 데미지를 받는다. 이런 이유로 2D 물질을 이용한 전기 광학소자는 소자의 안정성을 위해 패시베이션 공정이 필수적이며 육방정계 질화붕소는 2D 소자의 이상적인 패시베이션 재료로 사용되어 왔다. 패시베이션 공정으로 인해 2D 소자는 컨택 공정을 통해 메탈과 채널을 연결시켜야 한다. 우리는 hBN으로 인캡된 그패핀과 MoS2 소자를 제작하여 전기특성을 확인하였다. 산소 플라즈마 처리를 통해 hBN에 결함을 형성시키고 반복적이 전압 인가를 통해 메탈과 채널 사이에 전도성 패스가 형성하였다. 결과적으로 전도성 패스를 이용한 소자는 기존 보고된 소자와 동등한 전기적 특성을 보여주었다. 우리의 연구 결과는 이상적인 2D 소자를 구현하는데 있어 유용하고 새로운 컨택 공정을 제시하였다.