Halbleitermaterialien sind in den elektrischen Anwendungen der heutigen Zeit unerlässlich geworden. In dieser Arbeit wird der Fokus auf die Untersuchung der elektrischen und thermischen Eigenschaften von zwei Halbleiterklassen gelegt. Zum einen wird mit -Ga2O3 ein Mitglied der Klasse der transparenten leitfähigen Oxide untersucht.Hier wurden die elektrischen Eigenschaften von dünnen Schichten (Dicke von 28nm-225nm) und Volumenkristallen temperaturabhängig untersucht.Dabei zeigt sich bei Volumenkristallen und mindestens 150nm dicken Schichten eine Steigerung der elektrischen Leitfähigkeit bis 100K durch die Streuung von Elektronen an Störstellen und bei Temperaturen über 100K wieder ein Abfall der elektrischen Leitfähigkeit durch Elektron-Phonon-Wechselwirkung. Die Untersuchung der thermische Leitfähigkeit von beta-Ga2O3 zeigt ein anisotropes Verhalten mit minimalen Werten in [100]-Richtung und maximalen Werten in [010]-Richtung. Die Temperaturabhängigkeit der thermischen Eigenschaften zeigt eine Verringerung der thermischen Leitfähigkeit und der thermischen Diffusivität mit steigender Temperatur. Eine zweite untersuchte Materialklasse ist die der Kesterite. Zu dieser Kristallstruktur wurden zwei Elementkonfigurationen untersucht, Kupfer-Zink-Zinn-Sulfid und Kupfer- Zink-Zinn-Selenid. Der Transport bei Raumtemperatur und darunter findet über verschiedene Tunnelprozesse lokalisierter Ladungsträger statt. Zusätzlich wird auf die Veränderung der elektrischen Eigenschaften durch die Kristallinität und Komposition eingegangen. Die thermischen Eigenschaften zeigen analog zum beta-Ga2O3 eine Dominanz der Phonon-Phonon-Umklapp-Streuung bei hohen Temperaturen, während bei niedrigen Temperaturen Streuung an Störstellen und Grenzflächen vorherrscht. Methodisch zeigt diese Arbeit unterschiedlichste Messmethoden zur Charakterisierung der elektrischen und thermischen Eigenschaften, welche die Standardmethoden sowohl nutzen, als auch sinnvoll erweitern. / Semiconductors are essential for electronic applications nowadays. Here, the electrical and thermal properties of two semiconductor classes with huge application potential are investigated. As a transparent conducting oxide beta-Ga2O3 is investigated. In this work, the temperature dependent electrical properties were investigated for bulk materials and thin films. An increase in the electrical conductivity until 100K is found through electron-impurity-scattering and a decrease at higher temperatures through electron-phonon-scattering for for films with a thickness of at least 150nm. The investigation of the thermal properties of -Ga2O3 show an anisotropy for the different crystal orientations with minimal primary axis values for the [100]-direction and maximal values for the [010]-direction. The temperature-dependence of the thermal properties shows a decease in conductivity and diffusivity for increasing temperature. For temperatures over 150K phonon-phonon-Umklapp-scattering can explain the measured values. For low temperatures phonon-impurity scattering is most likely the dominant scattering mechanism. A second investigated material class are kesterites. For this crystal structure two configurations were investigated, copper-zinc-tin-sulfide and copper-zinc-tin-selenide. The electrical properties show semiconducting characteristics with p-type conduction. The transport processes are defined through localised thermal activated tunneling within the band gap. Other reductions of the mobility are found by the crystalinity and the composition of the materials. The thermal properties show dominant phonon-phonon- Umklapp-scattering at higher temperatures and phonon-impurity-scattering for lower temperatures in a similar way as in beta-Ga2O3. This work shows new implemented measurement methods for investigating electrical and thermal properties as extentions to common methods.

Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Bewertung des Breitband-Halbleiters ß-Ga2O3 für die Hochleistungselektronik. Daher sind Schichten, die mit metallorganischer Gasphasenepitaxie (MOVPE) gewachsen sind, und Volumenkristalle, die mit der Czochralski-Methode gewachsen sind, elektrisch und optisch charakterisiert. Dabei werden die grundlegenden Eigenschaften des Materials untersucht und mit den theoretischen Vorhersagen verglichen. Der Einfluss und die Bildung von Defekten werden untersucht. Zu Beginn zeigten die MOVPE-gewachsenen Schichten ungünstige elektrische Eigenschaften, da sie bei niedrigeren Dotierungskonzentrationen vollständig kompensiert wurden und bei höheren Ladungsträgerkonzentrationen eine geringere Ladungsträgerbeweglichkeit aufwiesen. Ein quantitatives Modell des schädlichen Einflusses inkohärenter Zwillingsgrenzen auf elektrische Eigenschaften wird entwickelt, das zeigt, dass die Verhinderung der Bildung von diesen der Schlüssel zur Verbesserung des Materials ist. Die Dichte der inkohärenten Zwillingsgrenzen wurde um 4 Größenordnungen reduziert, was zu einer verbesserten Ladungsträgerbeweglichkeit führte. Dies bietet eine vielversprechende Perspektive für den Einsatz von ß-Ga2O3 in zukünftiger Leistungselektronik. Ramanspektroskopische Untersuchungen an hoch n-dotierten Kristallen zeigen die Bildung eines Störstellenbandes, geben Einblicke in die effektivmasseartige Donatornatur von Si und Sn und zeigen zusätzliche Raman-verbotene, longitudinale Phononen-Plasmonmoden durch Streuung durch Fluktuationen der freien Ladungsträgerdichte. Die relative statische Dielektrizitätskonstante von ß-Ga2O3 senkrecht zu den Ebenen (100), (010) und (001) wird auf 10,2, 10,87 bzw. 12,4 bestimmt, die eine zuverlässige Grundlage für die Simulation und Konstruktion von Bauelementen bilden. Die Erzeugung von heller, roter Elektrolumineszenz (EL) in Sperrrichtung betriebenen Schottky-Barrieredioden auf der Basis von mit Cr und Si co-dotierten Kristallen wird gezeigt. Die EL von Cr ist repräsentativ für die Fähigkeit, die lumineszierenden Zustände anderer Übergangsmetalle anzuregen. Solche lichtemittierenden Schottky-Barrieredioden können ein neues Anwendungsgebiet von ß-Ga2O3 eröffnen. / This thesis deals with the evaluation of the wide band gap semiconductor ß-Ga2O3 for high power electronics. Therefore, layers grown with metal-organic vapor phase epitaxy (MOVPE) and bulk crystals grown by Czochralski method are electrically and optically characterized. Hereby, the fundamental properties of the material are investigated and compared with the theoretical predictions. The influence and formation of defects are investigated. At the beginning the MOVPE grown layers showed unfavorable electrical properties as they were fully compensated at lower doping concentrations and showed lowered mobility at higher charge carrier concentrations. A quantitative model of the detrimental influence of incoherent twin boundaries on electrical properties is developed showing that the prevention of the formation of these is the key to improve the material. The density of incoherent twin boundaries was reduced by 4 orders of magnitude resulting in improved charge carrier mobility. This provides a promising outlook for the use of ß-Ga2O3 in future power electronics. Raman spectroscopic investigations of highly n-type doped crystals reveal the formation of an impurity band, give insight in the effective-mass like donor nature of Si and Sn, and show additional Raman forbidden, longitudinal phonon plasmon modes due to free-electronic-charge density fluctuations scattering. The relative static dielectric constant of ß-Ga2O3 perpendicular to the planes (100), (010), and (001) is determined to 10.2, 10.87, and 12.4, respectively, which give a reliable basis for the simulation and design of devices. The generation of bright, red electroluminescence (EL) in reverse biased Schottky barrier diodes based on crystals co-doped with Cr and Si is shown. The EL of Cr is representative of the ability to excite the luminescent states of other transition metals. Such light emitting Schottky barrier diodes may open up a new application field of ß-Ga2O3.

Der zunehmende Bedarf nach digitalen Speichermedien macht die Erforschung von neuen Materialien für zukünftige Technologien von nichtflüchtigen Speichern nötig. Hierfür eignen sich zum Beispiel Metall-Nanopartikel, die in organischen Halbleiterschichten eingebettet sind. Aufgrund der bistabilen Schaltbarkeit der Leitfähigkeit von Metall-Nanopartikeln lassen sie sich in Abhängigkeit der elektrischen Umgebungsbedingungen entweder in einen niedrig- oder einen hochleitenden Zustand schalten. Bisher wurden verschiedene Modelle entwickelt, um den Schaltmechanismus von Speichern mit einem organischen Matrixmaterial zu erklären, jedoch fehlt bislang ein konsistentes Bild zum Verständnis des Schaltvorgangs. Die vorliegende Arbeit  untersucht die Rolle des Raumladungsfeldes ausgehend von Metall-Nanopartikeln in Bauelementen. Dazu wurde eine Reihe von Experimenten zur Bestimmung der elektronischen und elektrischen Eigenschaften durchgeführt, um die tatsächliche Rolle des Raumladungsfeldes aufzuklären. Mit Hilfe von Röntgen- und UV-Photoelektronenspektroskopie wurde die Wechselwirkung zwischen den Metall-Nanopartikeln und den prototypischen organischen Halbleiterschichten detailliert untersucht. Unter Verwendung der bereits untersuchten Materialien wurden Bauelemente hergestellt und charakterisiert. Die Ergebnisse zeigen, dass der allgemein vorgeschlagene Mechanismus bezüglich der Aufladung/Entladung von Metall-Nanopartikeln als Ursache für die elektrische Bistabiliät in einem zweipoligen Bauteil ausgeschlossen werden kann. Stattdessen stützt dieses Ergebnis den alternativen Mechanismus der Filamentbildung. Zur Untersuchung der Skalierbarkeit der Speicher im Nanometerbereich wurden die Strukturen durch das Abscheiden der Materialien bei streifendem Einfall präpariert. Die entsprechenden Nanospeicher wurden elektrisch charakterisiert und zeigten Bistabilität. Folglich sind diese Nanspeicher besonders attraktiv für zukünftige Technologien in Hinblick auf hohe Speicherdichten. / The increasing need to store digital information has triggered research into the exploration of new materials for future non-volatile memory (NVM) technologies. For instance, metal nanoparticles (MNPs) embedded into organic semiconductors are suitable for novel memory applications because they were found to display bistable resistive switching. Different switching models were hitherto developed to explain the fundamental mechanisms at work in resistive NVMs. This thesis explores specifically the role of space-charge field due to the charging of MNPs as rationale for resistive switching in two-terminal devices. A series of experiments on the electronic and electrical properties of devices were conducted in order to reveal whether this mechanism is, indeed, at play in resistance switching. Photoelectron spectroscopy provided detailed information about the interaction between gold nanoparticles (AuNPs) with prototypical organic semiconductors used in optoelectronics. The study of the electronic valence structures provided evidence of a space-charge due to the charging of AuNPs. Furthermore, it is found that charge-neutrality of AuNPs can be dynamically re-established upon illumination, through electron transfer from excitons. Devices were built with the same materials investigated by photoemission spectroscopy and electrical characterization was conducted. Despite the previously demonstrated ability to optically change the charging state of the AuNPs, the devices do not display any bistability. This finding provides evidence that the commonly proposed charging/decharging mechanism of MNPs can be excluded as cause for electrical bistability in NVM devices. In order to explore the scaling of resistive NVMs into the nanometric range, glancing angle deposition technique was employed. The nano-NVMs were electrically characterized and it is proved to manifest resistive bistability. These finding make nano-NVMs highly appealing for future high-density memory technology.