Épitaxie de nitrure de bore hexagonal 2D sur épigraphène pour l'électronique

2D Hexagonal boron nitride epitaxy on epigraphene for electronics

• Auteur / Autrice : Vishnu Ottapilakkal
• Direction : Abdallah Ougazzaden, Suresh Sundaram
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 08/11/2024
• Etablissement(s) : Université de Lorraine
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale C2MP - Chimie mécanique matériaux physique (Lorraine ; 2018-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : GeorgiaTech-CNRS (Metz)
• Jury : Président / Présidente : Germano Montemezzani
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Abdallah Ougazzaden, Suresh Sundaram, Maria Tchernycheva, Guillaume Cassabois, Bérangère Hyot, Julien Brault
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Maria Tchernycheva, Guillaume Cassabois

Mots clés

Mots clés contrôlés

Graphène

Hétérostructures

Épitaxie

Nitrure de bore

Matériaux

Nanoélectronique

Mots clés libres

Nitrure de Bore

Épitaxie

Électronique

Epigraphène

Boron nitride

Epitaxy

Electronics

Epigraphene

Résumé

Au cours des dernières années, l'importance de nanoélectronique a augmenté avec la demande pour des dispositifs plus petits et plus efficaces. Les technologies traditionnelles basées sur le silicium rencontrent des défis, notamment pour la réduction de la taille des transistors tout en maintenant leur performance. Les longueurs de canal plus courtes améliorent la vitesse et la densité des dispositifs, mais entraînent des problèmes tels que l'électromigration, les fuites et la charge thermique. Le graphène, un matériau bidimensionnel, offre une solution grâce à sa haute mobilité des porteurs, sa conductivité thermique et sa stabilité, ce qui en fait une alternative prometteuse au silicium. L'utilisation des propriétés du graphène pourrait surmonter les limitations du silicium, permettant le développement de nanoélectroniques de prochaine génération avec de meilleures performances et évolutivité. Le graphène monolayer est généralement produit par des méthodes d'exfoliation, mais celles-ci introduisent souvent des défauts et des contaminants, dégradant ses propriétés électriques et limitant la production à grande échelle. La déposition chimique en phase vapeur (CVD) offre une solution plus efficace, mais peut encore introduire des défauts, tandis que la réduction de l'oxyde de graphène entraîne trop d'imperfections pour la nanoélectronique. Le graphène épitaxial (epigraphène) offre des propriétés de transport supérieures pour les dispositifs haute performance, mais, comme tout graphène, il est sensible aux conditions environnementales et nécessite une passivation efficace. Le nitrure de bore hexagonal (h-BN) est un matériau de passivation prometteur en raison de sa compatibilité structurelle avec le graphène. Bien que les méthodes conventionnelles de transfert de h-BN introduisent des défauts, l'épitaxie en phase vapeur métal-organiques (MOVPE) permet une croissance directe sur l'épigraphène, résolvant ces problèmes. Cette thèse examine la croissance de couches minces de h-BN sur divers substrats d'épigraphène (monocouche, multicouche et motifé) en utilisant l'épitaxie de van der Waals, en mettant l'accent sur leurs applications potentielles dans les transistors à couche mince (TFT). L'étude se divise en trois domaines clés : d'abord, nous avons exploré la croissance MOVPE de couches de h-BN (jusqu'à 20 nm) sur de l'épigraphène monocouche et multicouche sur carbure de silicium (SiC), en examinant les faces terminées au silicium (face Si) et au carbone (face C). Les deux substrats ont montré des caractéristiques de surface similaires, et le recuit thermique a amélioré la qualité cristalline sans compromettre l'intégrité de l'hétérostructure h-BN/épigraphène jusqu'à 1550 degrés. Deuxièmement, nous avons exploré la croissance sélective de h-BN de haute qualité sur l'épigraphène motifé en gravant pour ne conserver que les motifs de graphène souhaités avant la croissance de h-BN. Cette méthode a contribué à réduire la formation de particules et les dommages comparés aux techniques de motifage post-dépôt conventionnelles. Enfin, des dispositifs TFT ont été fabriqués à partir de ces hétérostructures après avoir étudié diverses méthodes de gravure (CF4, XeF2, SF6) pour éliminer le h-BN et établir des contacts avec l'épigraphène. Les caractérisations électriques préliminaires ont montré des variations de résistance avec les champs magnétiques, bien que la résistance de contact ait été plus élevée que prévu. Cette recherche fournit une technique prometteuse pour produire des couches de h-BN de haute qualité sur des dispositifs à base de graphène, ouvrant la voie à de nouveaux avancements tout en identifiant les domaines à améliorer.

In this century, the importance of nanoelectronics has grown with the demand for smaller, more efficient devices. Traditional silicon-based technologies face challenges, particularly in scaling down transistors while maintaining performance. Shorter channel lengths improve speed and device density but lead to issues like electromigration, leakage, and thermal load. Graphene, a two-dimensional material, offers a solution due to its high carrier mobility, thermal conductivity, and stability, making it a promising alternative to silicon. Utilizing graphene's properties could overcome silicon's limitations, enabling next-generation nanoelectronics with better performance and scalability. Monolayer graphene is typically produced via exfoliation methods, but these often introduce defects and contaminants, degrading its electrical properties and limiting large-scale production. Chemical vapor deposition (CVD) offers a more scalable solution but can still introduce defects, while reducing graphene oxide leads to too many imperfections for nanoelectronics. Epitaxial graphene (epigraphene) offers superior transport properties for high-performance devices but, like all graphene, is sensitive to environmental factors and requires effective passivation. Hexagonal boron nitride (h-BN) is a promising passivation material due to its structural compatibility with graphene. While conventional methods of h-BN transfer introduce defects, metal-organic vapor phase epitaxy (MOVPE) allows direct growth on epigraphene, solving these issues. This thesis investigates the growth of thin h-BN layers on various epigraphene substrates (monolayer, multilayer, and patterned) using van der Waals epitaxy, with a focus on their potential applications in thin-film transistors (TFTs). The study is divided into three key areas: First, we explored the MOVPE growth of h-BN layers (up to 20 nm) on monolayer and multilayer epigraphene on silicon carbide (SiC), examining the silicon-terminated (Si-face) and carbon-terminated (C-face) faces. Both substrates exhibited similar surface characteristics, and thermal annealing was found to improve crystal quality without compromising the integrity of the h-BN/epigraphene heterostructure up to 1550 degrees. Second, we explored the selective growth of high quality h-BN over patterned epigraphene by etching to retain only the desired graphene patterns prior to h-BN growth. This method helped in reducing particle formation and damage compared to conventional post-deposition patterning techniques. Finally, TFT devices were fabricated from these heterostructures after investigating various etching methods (CF4, XeF2, SF6) to remove h-BN and establish contact with the underlying epigraphene. Preliminary electrical characterizations showed changes in resistance with magnetic fields, although contact resistance was higher than anticipated. This research provides a promising technique for producing high-quality h-BN layers on graphene-based devices, paving the way for further advancements while identifying areas for improvement.