In den Manganaten können kleine Änderungen von externen Feldern die elektronischen, magnetischen und strukturellen Eigenschaften drastisch beeinflussen. In dieser Arbeit wird der Einfluss von elektrischen Feldern und Licht auf den elektrischen Transport in Manganatschichten analysiert. Durch elektrische Feldern können die Widerstände des Manganats remanent und reversibel zwischen verschiedenen Widerstandsniveaus in Abhängigkeit von der Polarität und der Größe des elektrischen Feldes eingestellt werden. Dieser, auch als bipolares Widerstandsschalten bezeichnete Effekt, wird in nanokolumnaren Lanthan und Strontium dotierten Manganatschichten mittels leitfähiger Rasterkraftmikroskopie und in mittels Elektronenstrahllithographie präparierten Mikrostrukturen studiert. Des Weiteren wird der Einfluss von Laseranregungen auf die erste und dritte harmonische Spannung in einer Lanthan und Barium dotierten Manganatschicht untersucht.

The downscaling of transistors is assumed to come to an end within the next years, and the semiconductor nonvolatile memories are facing the same physical downscaling challenge. Therefore, it is necessary to consider new computing paradigms and new memory concepts. Resistive switching devices (also referred to as memristive switches) are two-terminal passive device, which offer a nonvolatile switching behavior by applying short bias pulses. They have been considered as one of the most promising candidates for next generation memory and nonvolatile logic applications. They provide the possibility to carry out the information processing and storage simultaneously using the same resistive switching device. This dissertation focuses on the fabrication and characterization of BiFeO3 (BFO)-based metal-insulator-metal (MIM) devices in order to exploit the potential applications in nonvolatile memory and nonvolatile reconfigurable logics. Electroforming-free bipolar resistive switching was observed in MIM structures with BFO single layer thin film. The resistive switching mechanism is understood by a model of a tunable bottom Schottky barrier. The oxygen vacancies act as the mobile donors which can be redistributed under the writing bias to change the bottom Schottky barrier height and consequently change the resistance of the MIM structures. The Ti atoms diffusing from the bottom electrode act as the fixed donors which can effectively trap and release oxygen vacancies and consequently stabilize the resistive switching characteristics. The resistive switching behavior can be engineered by Ti implantation of the bottom electrodes. MIM structures with BiFeO3/Ti:BiFeO3 (BFO/BFTO) bilayer thin films show nonvolatile resistive switching behavior in both positive and negative bias range without electroforming process. The resistance state of BFO/BFTO bilayer structures depends not only on the writing bias, but also on the polarity of reading bias. For reconfigurable logic applications, the polarity of the reading bias can be used as an additional logic variable, which makes it feasible to program and store all 16 Boolean logic functions simultaneously into the same single cell of BFO/BFTO bilayer MIM structure in three logic cycles. / Die Herunterskalierung von Transistoren für die Informationsverarbeitung in der Halbleiterindustrie wird in den nächsten Jahren zu einem Ende kommen. Auch die Herunterskalierung von nichtflüchtigen Speichern für die Informationsspeicherung sieht ähnlichen Herausforderungen entgegen. Es ist daher notwendig, neue IT-Paradigmen und neue Speicherkonzepte zu entwickeln. Das Widerstandsschaltbauelement ist ein elektrisches passives Bauelement, in dem ein der Widerstand mittels elektrischer Spannungspulse geändert wird. Solche Widerstandsschaltbauelemente zählen zu den aussichtsreichsten Kandidaten für die nächste Generation von nichtflüchtigen Speichern sowie für eine rekonfigurierbare Logik. Sie bieten die Möglichkeit zur gleichzeitigen Informationsverarbeitung und -speicherung. Der Fokus der vorliegenden Arbeit liegt bei der Herstellung und der Charakterisierung von BiFeO 3 (BFO)-basierenden Metal-insulator-Metall (MIM) Strukturen, um zukünftig deren Anwendung in nichtflüchtigen Speichern und in rekonfigurierbaren Logikschaltungen zu ermöglichen. Das Widerstandsschalten wurde in MIM-Strukturen mit einer BFO-Einzelschicht untersucht. Ein besonderes Merkmal von BFO-basierten MIM-Strukturen ist es, dass keine elektrische Formierung notwendig ist. Der Widerstandsschaltmechnismus wird durch das Modell einer variierten Schottky-Barriere erklärt. Dabei dienen Sauerstoff-Vakanzen im BFO als beweglichen Donatoren, die unter der Wirkung eines elektrischen Schreibspannungspulses nichtflüchtig umverteilt werden und die Schottky-Barriere des Bottom-Metallkontaktes ändern. Dabei spielen die während der Herstellung von BFO substitutionell eingebaute Ti-Donatoren in der Nähe des Bottom-Metallkontaktes eine wesentliche Rolle. Die Ti-Donatoren fangen Sauerstoff-Vakanzen beim Anlegen eines positiven elektrischen Schreibspannungspulses ein oder lassen diese beim Anlegen eines negativen elektrischen Schreibspannungspules wieder frei. Es wurde gezeigt, dass die Ti-Donatoren auch durch Ti-Implantation der Bottom-Elektrode in das System eingebracht werden können. MIM-Strukturen mit BiFeO 3 /Ti:BiFeO 3 (BFO/BFTO) Zweischichten weisen substitutionell eingebaute Ti-Donatoren sowohl nahe der Bottom-Elektrode als auch nahe der Top-Elektrode auf. Sie zeigen nichtflüchtiges, komplementäres Widerstandsschalten mit einer komplementär variierbaren Schottky-Barriere an der Bottom-Elektrode und an der Top-Elektrode ohne elektrische Formierung. Der Widerstand der BFO/BFTO-MIM-Strukturen hängt nicht nur von der Schreibspannung, sondern auch von der Polarität der Lesespannung ab. Für die rekonfigurierbaren logischen Anwendungen kann die Polarität der Lesespannung als zusätzliche Logikvariable verwendet werden. Damit gelingt die Programmierung und Speicherung aller 16 Booleschen Logik-Funktionen mit drei logischen Zyklen in dieselbe BFTO/BFO MIM-Struktur.

The downscaling of transistors is assumed to come to an end within the next years, and the semiconductor nonvolatile memories are facing the same physical downscaling challenge. Therefore, it is necessary to consider new computing paradigms and new memory concepts. Resistive switching devices (also referred to as memristive switches) are two-terminal passive device, which offer a nonvolatile switching behavior by applying short bias pulses. They have been considered as one of the most promising candidates for next generation memory and nonvolatile logic applications. They provide the possibility to carry out the information processing and storage simultaneously using the same resistive switching device. This dissertation focuses on the fabrication and characterization of BiFeO3 (BFO)-based metal-insulator-metal (MIM) devices in order to exploit the potential applications in nonvolatile memory and nonvolatile reconfigurable logics. Electroforming-free bipolar resistive switching was observed in MIM structures with BFO single layer thin film. The resistive switching mechanism is understood by a model of a tunable bottom Schottky barrier. The oxygen vacancies act as the mobile donors which can be redistributed under the writing bias to change the bottom Schottky barrier height and consequently change the resistance of the MIM structures. The Ti atoms diffusing from the bottom electrode act as the fixed donors which can effectively trap and release oxygen vacancies and consequently stabilize the resistive switching characteristics. The resistive switching behavior can be engineered by Ti implantation of the bottom electrodes. MIM structures with BiFeO3/Ti:BiFeO3 (BFO/BFTO) bilayer thin films show nonvolatile resistive switching behavior in both positive and negative bias range without electroforming process. The resistance state of BFO/BFTO bilayer structures depends not only on the writing bias, but also on the polarity of reading bias. For reconfigurable logic applications, the polarity of the reading bias can be used as an additional logic variable, which makes it feasible to program and store all 16 Boolean logic functions simultaneously into the same single cell of BFO/BFTO bilayer MIM structure in three logic cycles. / Die Herunterskalierung von Transistoren für die Informationsverarbeitung in der Halbleiterindustrie wird in den nächsten Jahren zu einem Ende kommen. Auch die Herunterskalierung von nichtflüchtigen Speichern für die Informationsspeicherung sieht ähnlichen Herausforderungen entgegen. Es ist daher notwendig, neue IT-Paradigmen und neue Speicherkonzepte zu entwickeln. Das Widerstandsschaltbauelement ist ein elektrisches passives Bauelement, in dem ein der Widerstand mittels elektrischer Spannungspulse geändert wird. Solche Widerstandsschaltbauelemente zählen zu den aussichtsreichsten Kandidaten für die nächste Generation von nichtflüchtigen Speichern sowie für eine rekonfigurierbare Logik. Sie bieten die Möglichkeit zur gleichzeitigen Informationsverarbeitung und -speicherung. Der Fokus der vorliegenden Arbeit liegt bei der Herstellung und der Charakterisierung von BiFeO 3 (BFO)-basierenden Metal-insulator-Metall (MIM) Strukturen, um zukünftig deren Anwendung in nichtflüchtigen Speichern und in rekonfigurierbaren Logikschaltungen zu ermöglichen. Das Widerstandsschalten wurde in MIM-Strukturen mit einer BFO-Einzelschicht untersucht. Ein besonderes Merkmal von BFO-basierten MIM-Strukturen ist es, dass keine elektrische Formierung notwendig ist. Der Widerstandsschaltmechnismus wird durch das Modell einer variierten Schottky-Barriere erklärt. Dabei dienen Sauerstoff-Vakanzen im BFO als beweglichen Donatoren, die unter der Wirkung eines elektrischen Schreibspannungspulses nichtflüchtig umverteilt werden und die Schottky-Barriere des Bottom-Metallkontaktes ändern. Dabei spielen die während der Herstellung von BFO substitutionell eingebaute Ti-Donatoren in der Nähe des Bottom-Metallkontaktes eine wesentliche Rolle. Die Ti-Donatoren fangen Sauerstoff-Vakanzen beim Anlegen eines positiven elektrischen Schreibspannungspulses ein oder lassen diese beim Anlegen eines negativen elektrischen Schreibspannungspules wieder frei. Es wurde gezeigt, dass die Ti-Donatoren auch durch Ti-Implantation der Bottom-Elektrode in das System eingebracht werden können. MIM-Strukturen mit BiFeO 3 /Ti:BiFeO 3 (BFO/BFTO) Zweischichten weisen substitutionell eingebaute Ti-Donatoren sowohl nahe der Bottom-Elektrode als auch nahe der Top-Elektrode auf. Sie zeigen nichtflüchtiges, komplementäres Widerstandsschalten mit einer komplementär variierbaren Schottky-Barriere an der Bottom-Elektrode und an der Top-Elektrode ohne elektrische Formierung. Der Widerstand der BFO/BFTO-MIM-Strukturen hängt nicht nur von der Schreibspannung, sondern auch von der Polarität der Lesespannung ab. Für die rekonfigurierbaren logischen Anwendungen kann die Polarität der Lesespannung als zusätzliche Logikvariable verwendet werden. Damit gelingt die Programmierung und Speicherung aller 16 Booleschen Logik-Funktionen mit drei logischen Zyklen in dieselbe BFTO/BFO MIM-Struktur.

Memristor, defined as a two-terminal device which exhibits a pinched hysteresis loop in the current-voltage characteristics, is a main component of the resistive random access memory. Both memristor and memristive phenomena, known also as resistive switching (RS), have been thoroughly investigated in the past nearly two decades. This dissertation investigates YMnO3 thin films and explores a new concept concerning utilization of multiferroic properties for activation and/or enhancement of RS. It is hypothesized that the charged domain walls and/or vortex cores in YMnO3 thin films can act as an effective nanoscale features which support formation of the conductive filaments and, in consequence, enable development of an electroforming-free memristive structure. Results of the electrical characterization of YMnO3-based metal-insulator-metal structures indicate that hexagonal YMnO3 films deposited on metal-coated oxide substrate exhibit electroforming-free unipolar resistive switching (URS) while orthorhombic YMnO3 films grown on the doped oxide substrate show bipolar resistive switching (BRS). Observed URS is assigned to the formation and rupture of conductive, metallic-like filaments induced by the thermo-chemical phenomena. Results of polarity-dependent studies reveal that formation of conductive filaments proceeds in the electrostatic discharge event which is followed by their irreversible rupture during the reset process. Main properties of the observed URS include very good retention of programmed states, large memory window (between 10E+2 and 10E+4), high voltage and current required for set and reset, respectively, and low endurance. BRS is attributed to the complementary electronic and ionic processes within the p-n junction formed at the interface between p-YMnO3 and n-type oxide substrate. Results of ferroelectric characterization reveal that resistively switching YMnO3 films do not exhibit ferroelectric properties. Therefore, observed RS in YMnO3-based structures can not be directly related to the presence of charged domain walls and/or multiferroic vortex cores. Prospective functionality extension of YMnO3-based memristive devices is developed and presented on the example of photodetecting properties of metal-YMnO3-insulator-semiconductor stacks. Studies conducted within the framework of this doctoral dissertation investigate the resistive switching behaviour of YMnO3-based junctions. Obtained results contribute to the better understanding of the resistive switching and failure mechanisms in ternary oxides, and provide hints toward device engineering. / Der Memristor ist definiert als eine Zweipol-Vorrichtung, die eine hysteretische Strom-Spannungs-Charakteristik aufweist. Memristoren sind nichtflüchtige Widerstandsspeicher, deren elektrischer Widerstand mittels elektrischer Spannungspulse verändert werden kann. Sowohl Memristoren als auch memristive Widerstandsschalter (RS) werden seit mehr als zwei Jahrzehnten intensiv untersucht. Diese Dissertation untersucht YMnO3-Dünnschichten mit zirkularen Vorderseiten-Elektroden und unstrukturierten Rückseiten-Elektroden und erforscht ein neues Konzept über die Nutzung der multiferroischen Eigenschaften für die Aktivierung und/oder Verbesserung des memristiven Verhaltens. Es wird angenommen, dass die geladenen Domänenwände und/oder Vortices in YMnO3-Dünnschichten die Bildung leitfähiger Filamente wirksam unterstützt und folglich die Entwicklung eines neuartigen, formierungs-freiem Widerstandsspeichersermöglicht. Die Ergebnisse der elektrischen Charakterisierung von YMnO3-basierten Widerstandsschalter zeigen unipolares RS (URS), wenn eine metallische Rückseitenelektrode verwendet wird und bipolares RS (BRS), wenn als Rückseitenelektrode ein metallisch leitendes Oxid-Substrat verwendet werden. Das URS wird als thermochemisches RS klassifiziert und mit der Bildung und Auflösung metallisch leitender Filamente korreliert. Das BRS wird auf das Einfangen/Freigeben von Defekten in der Raumladungszone des YMnO3 im pn-Übergang von p-YMnO3/n-Nb:SrTiO3-Strukturen zurückgeführt. Die wichtigsten Eigenschaften des formierungsfreien URS sind die sehr gute Retention der programmiertenWiderstandszustände, große Speicherfenster (zwischen 10E+2 und 10E+4), die hohe Schreibspannung für den Set-Prozess und der hohe Schreibstrom für den Reset-Prozess. Die Endurance ist aufgrund der Degradation des Vorderseiten-Elektrode gering. Die Ergebnisse des polaritätsabhängigen Widerstandsschaltens zeigen, dass der Set-Prozess mit elektrostatischer Entladung einhergeht. Die ferroelektrische Charakterisierung zeigt, dass die YMnO3–Dünnfilme keine ferroelektrischen Eigenschaften aufweisen. Daher kann das beobachtete URS nicht direkt auf die Anwesenheit von geladenen Domänenwände und Vortices zurückgeführt werden. Darüberhinaus wurden die photodetektierenden Eigenschaften von Metall-YMnO3-Isulator-Halbleiter-Stacks als potenzielle Erweiterung der Funktionalität von YMnO3-basierten memristiven Bauelementen vorgestellt und vorgeschlagen. Im Rahmen der vorliegenden Dissertation wurde das Widerstandsschalten von multiferroischen, YMnO3-basierten Widerstandsschaltern untersucht. Die erhaltenen Ergebnisse tragen zu einem besseren Verständnis des Widerstandsschaltens von multiferroischen Materialien bei.