In dieser Arbeit sind Dielektrika mit hoher relativer Permittivität untersucht worden, welche eine Anwendung in dynamischen Halbleiter-Speicherzellen (DRAM) zum Ziel haben. Sie unterstützen das Weiterführen der fortschreitenden Miniaturisierung der Speicherzellen bzw. der Erhöhung der Speicherdichten und dienen als Alternative zu den bisherigen Standardmaterialien SiO2 und Si3N4. Als Herstellungsmethoden für mehrkomponentige Oxide wurden zum einen die Molekularstrahl-Deposition und zum anderen die Ko-Sputterdeposition gewählt, da sie eine sehr große Flexibilität bei der Wahl der abscheidbaren Elemente und Oxide bieten sowie eine hohe Ratenstabilität und Reinheit versprechen. Hierfür wurden Prozesse zur simultanen Abscheidung dünner Schichten aus mehreren Quellen entwickelt und optimiert. Als neuartige Dielektrika wurden ZrO2 und SrZrO3 hergestellt und untersucht. Hierbei wurden besonders die dielektrischen und kristallographischen Eigenschaften in Abhängigkeit von der Stöchiometrie umfangreich analysiert. Die maximale erreichte Dielektrizitäszahl des ZrO2 betrug ca. 30 und die des SrZrO3 ca. 31. Es wurde dargelegt, dass die Dielektrizitätszahl des ZrO2 unter bestimmten Umständen von der Schichtdicke im Bereich von 5 bis 50 nm abhängig ist. Dies konnte durch die Beimischung von Sr erfolgreich stabilisiert werden. Die für DRAM-Anwendungen zum Teil zu hohen Leckstromdichten konnten durch die Entwicklung eines neuen Ausheilverfahrens deutlich verbessert werden. Aufgrund der hohen Dielektrizitätszahl in Verbindung mit gesenkten Leckströmen konnte für ZrO2 eine minimale kapazitätsäquivalente Dicke von CET = 1,2 nm und für SrZrO3 eine CET = 1,4 nm erreicht werden, welche der DRAM-Grenze für Leckstromdichten von J = 100 nA/cm² genügen. Diese Werte sind deutlich geringer als die dünnsten, theoretisch möglichen Schichten des klassischen SiO2 und Si3N4, wodurch sowohl ZrO2 als auch SrZrO3 ihr Potential, als Alternative für Speicheranwendungen zu dienen, unterstreichen. / In this work, dielectrics with a high relative permittivity were investigated, which are intended for the application in dynamic random access memory cells (DRAM). Their successful implementation ensures the continuation of the ongoing scaling of memory devices, thus increasing the storage density. They serve as alternative for the standard materials SiO2 and Si3N4. In order to to grow multi-component oxides, molecular beam deposition as well as co-sputter deposition were chosen, given their high flexibility to evaporate various elements and oxides. Additionally, both hold their promise of a good control of the growth rate and high purity. Therefore processes were developed and optimized for growing thin films by using multiple sources simultaneously. The alternative dielectrics ZrO2 and SrZrO3 were fabricated and analysed. Especially, the dependency of the dielectric and crystallographic properties on the stoichiometry were evaluated comprehensively. The highest achieved relative permittivity for ZrO2 and SrZrO3 were approx. 30 and 31, respectively. Under specific and controllable circumstances, the relative permittivity of ZrO2 was found to depend on the film thickness in the range of 5 to 50 nm. However, the admixture of Sr stabilises the relative permittivity. In some cases, the leakage current densities of ZrO2 and SrZrO3 films were too high for DRAM applications. It was possible to decrease those currents drastically by developing a new healing process. The high permittivity in addition with the improved leakage current densities led in the case of ZrO2 to a minimum capacitance equivalent thickness of CET = 1.2 nm and in the case of SrZrO3 to a CET = 1.4 nm, which fulfill the DRAM leakage current density limit of J = 100 nA/cm². Those values are much lower than the thinnest theoretically possible films of the conventional SiO2 or Si3N4. Therefore, ZrO2 and SrZrO3 accentuate their potential for memory applications.

Thesis advisor: Baldassare Di Bartolo / Thesis advisor: Pradip Bakshi / The search for multicolored light produced by some IR laser-excited luminescent nano-powders has revealed, for laser power exceeding a threshold value, the emission of white light (WL) with black-body characteristics. I am directing my research to the study of the physical parameters that may influence the threshold power of the laser and the efficiency of the WL emission. A typical compound that I will investigate will consist of nano-powders of SrZrO3 doped with Yb. The parameters of relevance may include Yb concentration, pressure, temperature, size of nano-crystals, exciting power and wavelength of the laser, dynamical parameters such as decay and build-up patterns. The aim of my research will be both theoretical and experimental: theoretical for I will try to uncover the mechanism of the WL production and experimental for the possible application as efficient light sources of systems similar to the ones that I will investigate (oxide nano-powders doped with lanthanide or transition metal ions). The “new” light sources in the market (fluorescence lights sources, and LED lamps) beat the Edison bulbs in efficiency, but they do not produce the black-body emission of the Edison bulbs that is most pleasing to the eye. The search for efficient black-body type of sources is still on and we want to be a part of it. / Thesis (PhD) — Boston College, 2021. / Submitted to: Boston College. Graduate School of Arts and Sciences. / Discipline: Physics.

Cette étude porte sur des oxydes TiO2, SrTiO3 et SrZrO3 déficients en oxygène ou dopés par des ions de métaux de transition. Nous avons préparé des échantillons sous forme de polycristaux, de monocristaux et de films minces. Leurs propriétés structurelles, physiques et électroniques ont été mesurées à l’aide de techniques sensibles aux volumes (diffraction des rayons X, magnétométrie SQUID, résonance paramagnétique électronique) ou sensibles aux surfaces (spectroscopie de photoémission, spectroscopie d’absorption X). Les mesures de RPE et au SQUID permettent non seulement d’obtenir leurs propriétés magnétiques mais également la valence des ions Cr dopant. Nous avons ainsi pu établir les paramètres clés qui contrôlent la valence des ions chrome lors de la synthèse. Des phases secondaires telles que SrCrO4 peuvent se former quand les échantillons sont synthétisés dans des atmosphères riches en oxygène. Les propriétés de films SrZrO3 dopés au chrome sont également discutées. Leurs conditions de préparation influencent non seulement le comportement des ions chrome mais également celui de la commutation de résistivité. Ce dernier semble dépendre de la chimie de surface des films. L’accumulation d’ions Cr3+ au voisinage de la surface fournit une interface propre exempte d’oxydes non stœchiométriques. Cette terminaison nette de l’interface a pour résultat de bonnes performances de la commutation de résistivité. / In this study, the oxygen-deficient TiO2, SrTiO3 systems and transition metal ion (Cr or V) doped TiO2, SrTiO3 and SrZrO3 systems have been investigated. We prepared samples as polycrystals, single crystals and thin films for various desires. Their structural, physical and electronic properties were measured by bulk-sensitive techniques (X-Ray Diffraction, SQUID and Electro Paramagnetic Resonance) or surface-sensitive techniques (Photoemission spectroscopy and X-ray absorption spectroscopy). The measurement of SQUID and EPR showed not only their magnetic properties but also the valence state of Cr dopant. We verified the valence state of Cr ions in oxides and found the key parameters of sample synthesis which control the valence state of Cr ions. Segregated phases such as SrCrO4 were formed when the samples were synthesized under O2 rich environment. The surface properties of Cr doped SrZrO3 films are also discussed. We found the synthesis conditions which influence on not only the behavior of Cr ions but also the resistive-switching behaviors. Various resistive-switching behaviors seem to depend on the surface chemistry of films. We found that the accumulation of Cr3+ on film surface provides a clean interface without any non-stoichiometric oxides and that this sharp interface termination results in a good performance of resistive-switching.