Boron Nitride (BN) is a two dimensional insulator with excellent chemical, thermal, mechanical, and optical properties, which make it especially attractive for logic device applications. Nevertheless, its insulating properties and reliability as a dielectric material have never been analyzed in-depth. Here, we present the first thorough characterization of BN as dielectric film using nanoscale and device level experiments complementing with theoretical study. Our results reveal that BN is extremely stable against voltage stress, and it does not show the reliability problems related to conventional dielectrics like HfO2, such as charge trapping and detrapping, stress induced leakage current, and untimely dielectric breakdown. Moreover, we observe a unique layer-by-layer dielectric breakdown, both at the nanoscale and device level. These findings may be of interest for many materials scientists and could open a new pathway towards two dimensional logic device applications.

1.
G.
Giovannetti
,
P. A.
Khomyakov
,
G.
Brocks
,
P. J.
Kelly
, and
J.
van den Brink
,
Phys. Rev. B
76
,
73103
(
2007
).
2.
Z.
Liu
,
Y. J.
Gong
,
W.
Zhou
,
L. L.
Ma
,
J. J.
Yu
,
J. C.
Idrobo
,
J.
Jung
,
A. H.
MacDonald
,
R.
Vajtai
,
J.
Lou
, and
P. M.
Ajayan
,
Nat. Commun.
4
,
2541
(
2013
).
3.
L. H.
Li
,
J.
Cervenka
,
K.
Watanabe
,
T.
Taniguchi
, and
Y.
Chen
,
ACS Nano
8
,
1457−1462
(
2014
).
4.
N.
Guo
,
J. Q.
Wei
,
Y.
Jia
,
H. H.
Sun
,
Y. H.
Wang
,
K. H.
Zhao
,
X. L.
Shi
,
L. W.
Zhang
,
X. M.
Li
,
A. Y.
Cao
,
H. W.
Zhu
,
K. L.
Wang
, and
D. H.
Wu
,
Nano Res.
6
,
602
610
(
2013
).
5.
G. H.
Lee
,
Y. J.
Yu
,
X.
Cui
,
N.
Petrone
,
C. H.
Lee
,
M. S.
Choi
,
D. Y.
Lee
,
C.
Lee
,
W. J.
Yoo
,
K.
Watanabe
,
T.
Taniguchi
,
C.
Nuckolls
,
P.
Kim
, and
J.
Hone
,
ACS Nano
7
,
7931
7936
(
2013
).
6.
M. V.
Kamalakar
,
A.
Dankert
,
J.
Bergsten
,
T.
Ive
, and
S. P.
Dash
, “
Enhanced tunnel spin injection into graphene using chemical vapor deposited hexagonal boron nitride
,”
Sci. Rep.
4
,
6146
(
2014
).
7.
I.
Meric
,
C. R.
Dean
,
N.
Petrone
,
L.
Wang
,
J.
Hone
,
P.
Kim
, and
K. L.
Shepard
,
Proc. IEEE
101
,
1609
1619
(
2013
).
8.
K.
Watanabe
,
T.
Taniguchi
, and
H.
Kanda
,
Nat. Mater.
3
,
404
409
(
2004
).
9.
L.
Song
,
L. J.
Ci
,
H.
Lu
,
P. B.
Sorokin
,
C. H.
Jin
,
J.
Ni
,
A. G.
Kvashnin
,
D. G.
Kvashnin
,
J.
Lou
,
B. I.
Yakobson
, and
P. M.
Ajayan
,
Nano Lett.
10
,
3209
3215
(
2010
).
10.
K. K.
Kim
,
A.
Hsu
,
X. T.
Jia
,
S. M.
Kim
,
Y. M.
Shi
,
M.
Dresselhaus
,
T.
Palacios
, and
J.
Kong
,
ACS Nano
6
,
8583
8590
(
2012
).
11.
M. S.
Bresnehan
,
M. J.
Hollander
,
M.
Wetherington
,
M.
LaBella
,
K. A.
Trumbull
,
R.
Cavallero
,
D. W.
Snyder
, and
J. A.
Robinson
,
ACS Nano
6
,
5234
5241
(
2012
).
12.
E.
Kim
,
T. H.
Yu
,
E. S.
Song
, and
B.
Yu
,
Appl. Phys. Lett.
98
,
262103
(
2011
).
13.
K. K.
Kim
,
A.
Hsu
,
X. T.
Jia
,
S. M.
Kim
,
Y. M.
Shi
,
M.
Hofmann
,
D.
Nezich
,
J. F.
Rodriguez-Nieva
,
M.
Dresselhaus
,
T.
Palacios
, and
J.
Kong
,
Nano Lett.
12
,
161
166
(
2012
).
14.
K.
Onishi
,
R. N.
Choi
,
C. S.
Kang
,
H. J.
Cho
,
Y. H.
Kim
,
R. E.
Nieh
,
J.
Han
,
S. A.
Krishnan
,
M. S.
Akbar
, and
J. C.
Lee
,
IEEE Trans. Electron. Dev.
50
,
1517
1524
(
2003
).
15.
A.
Lipp
,
K. A.
Schwetz
, and
K.
Hunold
,
J. Eur. Ceram. Soc.
5
,
3
9
(
1989
).
16.
E.
Hemandez
,
C.
Goze
,
P.
Bernier
, and
A.
Rubio
,
Phys. Rev. Lett.
68
,
4502
4505
(
1998
).
17.
R. V.
Gorbachev
,
I.
Riaz
,
R. R.
Nair
,
R.
Jalil
,
L.
Britnell
,
B. D.
Belle
,
E. W.
Hill
,
K. S.
Novoselov
,
K.
Watanabe
,
T.
Taniguchi
,
A. K.
Geim
, and
P.
Blake
,
Small
7
,
465
468
(
2011
).
18.
D. B.
Farmer
,
H. Y.
Chiu
,
Y. M.
Lin
,
K. A.
Jenkins
,
F.
Xia
, and
P.
Avouris
,
Nano Lett.
9
,
4474
4478
(
2009
).
19.
S.
Kim
,
J.
Nah
,
I.
Jo
,
D.
Shahrjerdi
,
L.
Colombo
,
Z.
Yao
,
E.
Tutuc
, and
S. K.
Banerjee
,
Appl. Phys. Lett.
94
,
062107
(
2009
).
20.
I.
Meric
,
C. R.
Dean
,
A. F.
Young
,
N.
Baklitskaya
,
N. J.
Tremblay
,
C.
Nuckolls
,
P.
Kim
, and
K. L.
Shepard
,
Nano Lett.
11
,
1093
1097
(
2011
).
21.
S.
McDonnell
,
B.
Brennan
,
A.
Azcatl
,
N.
Lu
,
H.
Dong
,
C.
Buie
,
J.
Kim
,
C. L.
Hinkle
,
M. J.
Kim
, and
R. M.
Wallace
,
ACS Nano
7
,
10354
10361
(
2013
).
22.
F.
Chen
,
J.
Xia
,
D. K.
Ferry
, and
N.
Tao
,
Nano Lett.
9
(
7
),
2571
2574
(
2009
).
23.
B.
Lee
,
G.
Mordi
,
M. J.
Kim
,
Y. J.
Chabal
,
E. M.
Vogel
,
R. W.
Wallace
,
K. J.
Cho
,
L.
Colombo
, and
J.
Kim
,
Appl. Phys. Lett.
97
,
043107
(
2010
).
24.
G. H.
Lee
,
Y. J.
Yu
,
C.
Lee
,
C.
Dean
,
K. L.
Shepard
,
P.
Kim
, and
J.
Hone
,
Appl. Phys. Lett.
99
,
243114
(
2011
).
25.
L.
Britnell
,
R. V.
Gorbachev
,
R.
Jalil
,
B. D.
Belle
,
F.
Schedin
,
M. I.
Katsnelson
,
L.
Eaves
,
S. V.
Morozov
,
A. S.
Mayorov
,
N. M. R.
Peres
,
A. H. C.
Neto
,
J.
Leist
,
A. K.
Geim
,
L. A.
Ponomarenko
, and
K. S.
Novoselov
,
Nano Lett.
12
,
1707−1710
(
2012
).
26.
Q. C.
Li
,
X. L.
Zou
,
M. X.
Liu
,
J. Y.
Sun
,
Y. B.
Gao
,
Y.
Qi
,
X. B.
Zhou
,
B. I.
Yakobson
,
Y. F.
Zhang
, and
Z. F.
Liu
,
Nano Lett.
15
(
9
),
5804
5810
(
2015
).
27.
P. Y.
Huang
,
C. S.
Ruiz-Vargas
,
A.
Zande
,
W. S.
Whitney
,
M. P.
Levendorf
,
J. W.
Kevek
,
S.
Garg
,
J. S.
Alden
,
C. J.
Hustedt
,
Y.
Zhu
,
J.
Park
,
P. L.
McEuen
, and
D. A.
Muller
,
Nature
469
,
389
392
(
2011
).
28.
Y. L.
Huang
,
Y.
Chen
,
W.
Zhang
,
S. Y.
Quek
,
C. H.
Chen
,
L. J.
Li
,
W. T.
Hsu
,
W. H.
Chang
,
Y. J.
Zheng
,
W.
Chen
, and
A. T. S.
Wee
,
Nat. Commun.
6
,
6298
(
2015
).
29.
Y.
Liu
,
X.
Zou
, and
B. I.
Yakobson
,
ACS Nano
6
,
7053
7058
(
2012
).
30.
X. L.
Zou
,
Y. Y.
Liu
, and
B. I.
Yakobson
,
Nano Lett.
13
,
253−258
(
2013
).
31.
Y.
Hattori
,
T.
Taniguchi
,
K.
Watanabe
, and
K.
Nagashio
,
ACS Nano
9
,
916
921
(
2015
).
32.
See supplementary material at http://dx.doi.org/10.1063/1.4939131 for: (i) dielectric strength of BN in the literatures, (ii) statistical analysis of the insulating (multilayer) areas in the CAFM current maps, and (iii) simulation of tunneling current through atomically thin BN films.
33.
M.
Lanza
,
Y.
Wang
,
A.
Bayerl
,
T.
Gao
,
M.
Porti
,
M.
Nafria
,
H.
Liang
,
G.
Jing
,
Z.
Liu
,
Y.
Zhang
,
Y.
Tong
, and
H.
Duan
,
J. Appl. Phys.
113
,
104301
(
2013
).
34.
L.
Larcher
,
IEEE Trans. Electron Devices
50
,
1246
1253
(
2003
).
35.
L.
Vandelli
,
A.
Padovani
,
L.
Larcher
,
R. G. C.
Southwick
 III
,
B.
Knowlton
, and
G.
Bersuker
,
IEEE Trans. Electron Devices
58
,
2878
2887
(
2011
).
36.
C. B.
Duke
,
Tunneling in Solids
(
Academic Press
,
New York
,
1969
), Chap. 19.
37.
P.
Sutter
,
J.
Lahiri
,
P.
Zahl
,
B.
Wang
, and
E.
Sutter
,
Nano Lett.
13
,
276
281
(
2013
).
38.
L.
Aguilera
,
M.
Porti
,
M.
Nafria
, and
X.
Aymerich
,
IEEE Electron Device Lett.
27
,
157−159
(
2006
).
39.
V.
Iglesias
,
J.
Martin-Martinez
,
M.
Porti
,
R.
Rodriguez
,
M.
Nafria
,
X.
Aymerich
,
T.
Erlbacher
,
M.
Rommel
,
K.
Murakami
,
A. J.
Bauer
,
L.
Frey
, and
G.
Bersuker
,
Microelectron. Eng.
109
,
129−132
(
2013
).
40.
T. T.
Tan
,
Z. T.
Liu
,
H.
Tian
, and
W. T.
Liu
,
Mater. Sci. Eng. B
171
,
159
161
(
2010
).
41.
L.
Aguilera
,
M.
Porti
,
M.
Nafría
, and
X.
Aymerich
,
Microelectron. Reliab.
45
,
1390
1393
(
2005
).

Supplementary Material

You do not currently have access to this content.