極薄CaFイオン性結晶の誘電特性

Dielectric Properties of Ultrathin CaF Ionic Crystals.

• Chao Wen
• Alexander G Banshchikov
• Yury Y Illarionov
• Werner Frammelsberger
• Theresia Knobloch
• Fei Hui
• Nikolai S Sokolov
• Tibor Grasser
• Mario Lanza

抄録

機械的に剥離された二次元六方晶窒化ホウ素(h-BN)は、クリーンなファンデルワールス界面を形成するため、現在、ナノエレクトロニクスデバイスにおいてグラフェンや二次元遷移金属二価コゲナイドと相互作用する誘電体材料として好まれています。しかし、h-BNは低い誘電率（≈3.9）を持っており、超微細化されたデバイスでは、高いリーク電流と早期の絶縁破壊の結果となっています。さらに、化学気相成長法などのスケーラブルな方法でh-BNを合成するには、非常に高い温度（900℃以上）が必要であり、結果として得られるh-BNスタックは、その均質性と誘電率を低下させる数原子幅のアモルファス領域を豊富に含んでいます。ここでは、極薄フッ化カルシウム(CaF)イオン結晶がこれらの問題を緩和するための優れた解決策となり得ることを示した。導電性原子間力顕微鏡を用いてサンプルの異なる位置に3000以上の傾斜電圧応力といくつかの電流マップを印加することにより、極薄CaFはSiO、TiO、h-BNよりもはるかに優れた誘電性能（すなわち、均質性、漏れ電流、誘電強度）を示すことが統計的に実証されました。この主な理由は、CaF の立方晶構造が連続しており、広い領域に欠陥がなく、電気的に弱いスポットが形成されないことにあります。

Mechanically exfoliated 2D hexagonal boron nitride (h-BN) is currently the preferred dielectric material to interact with graphene and 2D transition metal dichalcogenides in nanoelectronic devices, as they form a clean van der Waals interface. However, h-BN has a low dielectric constant (≈3.9), which in ultrascaled devices results in high leakage current and premature dielectric breakdown. Furthermore, the synthesis of h-BN using scalable methods, such as chemical vapor deposition, requires very high temperatures (>900 °C) , and the resulting h-BN stacks contain abundant few-atoms-wide amorphous regions that decrease its homogeneity and dielectric strength. Here it is shown that ultrathin calcium fluoride (CaF ) ionic crystals could be an excellent solution to mitigate these problems. By applying >3000 ramped voltage stresses and several current maps at different locations of the samples via conductive atomic force microscopy, it is statistically demonstrated that ultrathin CaF shows much better dielectric performance (i.e., homogeneity, leakage current, and dielectric strength) than SiO , TiO , and h-BN. The main reason behind this behavior is that the cubic crystalline structure of CaF is continuous and free of defects over large regions, which prevents the formation of electrically weak spots.

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