In niobium oxide-based capacitors non-linear switching characteristics can be observed if the oxide properties are adjusted accordingly. Such non-linear threshold switching characteristics can be utilized in various non-linear circuit applications, which have the potential to pave the way for the application of new computing paradigms. Furthermore, the non-linearity also makes them an interesting candidate for the application as selector devices e.g. for non-volatile memory devices. To satisfy the requirements for those two areas of application, the threshold switching characteristics need to be adjusted to either obtain a maximized voltage extension of the negative differential resistance region in the quasi-static I-V characteristics, which enhances the non-linearity of the devices and results in improved robustness to device-to-device variability or to adapt the threshold voltage to a specific non-volatile memory cell. Those adaptations of the threshold switching characteristics were successfully achieved by deliberate modifications of the niobium oxide stack. Furthermore, the impact of the material stack on the dynamic behavior of the threshold switches in non-linear circuits as well as the impact of the electroforming routine on the threshold switching characteristics were analyzed. The optimized device stack was transferred from the micrometer-sized test structures to submicrometer-sized devices, which were packaged to enable easy integration in complex circuits. Based on those packaged threshold switching devices the behavior of single as well as of coupled relaxation oscillators was analyzed. Subsequently, the obtained results in combination with the measurement results for the statistic device-to-device variability were used as a basis to simulate the pattern formation in coupled relaxation oscillator networks as well as their performance in solving graph coloring problems. Furthermore, strategies to adapt the threshold voltage to the switching characteristics of a tantalum oxide-based non-volatile resistive switch and a non-volatile phase change cell, to enable their application as selector devices for the respective cells, were discussed.:Abstract I Zusammenfassung II List of Abbrevations VI List of Symbols VII 1 Motivation 1 2 Basics 5 2.1 Negative differential resistance and local activity in memristor devices 5 2.2 Threshold switches as selector devices 8 2.3 Switching effects observed in NbOx 13 2.3.1 Threshold switching caused by metal-insulator transition 13 2.3.2 Threshold switching caused by Frenkel-Poole conduction 18 2.3.3 Non-volatile resistive switching 32 3 Sample preparation 35 3.1 Deposition techniques 35 3.1.1 Evaporation 35 3.1.2 Sputtering 36 3.2 Micrometer-sized devices 36 3.3 Submicrometer-sized devices 37 3.3.1 Process flow 37 3.3.2 Reduction of the electrode resistance 39 3.3.3 Transfer from structuring via electron beam lithography to structuring via laser lithography 48 3.3.4 Packaging procedure 50 4 Investigation and optimization of the electrical device characteristic 51 4.1 Introduction 51 4.2 Measurement setup 52 4.3 Electroforming 53 4.3.1 Optimization of the electroforming process 53 4.3.2 Characterization of the formed filament 62 4.4 Dynamic device characteristics 67 4.4.1 Emergence and measurement of dynamic behavior 67 4.4.2 Impact of the dynamic device characteristics on quasi-static I-V characteristics 70 5 Optimization of the material stack 81 5.1 Introduction 81 5.2 Adjustment of the oxygen content in the bottom layer 82 5.3 Influence of the thickness of the oxygen-rich niobium oxide layer 92 5.4 Multilayer stacks 96 5.5 Device-to-device and Sample-to-sample variability 110 6 Applications of NbOx-based threshold switching devices 117 6.1 Introduction 117 6.2 Non-linear circuits 117 6.2.1 Coupled relaxation oscillators 117 6.2.2 Memristor Cellular Neural Network 121 6.2.3 Graph Coloring 127 6.3 Selector devices 132 7 Summary and Outlook 138 8 References 141 9 List of publications 154 10 Appendix 155 10.1 Parameter used for the LT Spice simulation of I-V curves for threshold switches with varying oxide thicknesses 155 10.2 Dependence of the oscillation frequency of the relaxation oscillator circuit on the capacitance and the applied source voltage 156 10.3 Calculation of the oscillation frequency of the relaxation oscillator circuit 157 10.4 Characteristics of the memristors and the cells utilized in the simulation of the memristor cellular neural network 164 10.5 Calculation of the impedance of the cell in the memristor cellular network 166 10.6 Example graphs from the 2nd DIMACS series 179 11 List of Figures 182 12 List of Tables 194

Ces dernières années ont vu l'émergence de nouveaux composants micro-ondes, les micro-commutateurs MEMS RF, possédant des performances très attrayantes pour de nombreux domaines d'application : spatial, automobile, téléphonie mobile& Cependant, une problématique majeure retarde actuellement leur industrialisation : leur fiabilité. Ce manuscrit de thèse a pour but principal de mettre en place les procédures d'investigation de la fiabilité des MEMS RF comprenant le développement des outils matériels et méthodologiques permettant d'analyser et de modéliser les phénomènes régissant la fiabilité de ces composants. Le premier chapitre effectue un état de l'art critique des bancs de tests et des résultats publiés par les laboratoires internationaux travaillant sur la fiabilité des MEMS RF. Le second chapitre détaille le banc de fiabilité développé dans le cadre de nos travaux. Nous présentons les différentes parties le constituant ainsi que les mesures des propriétés des MEMS RF qu'elles permettent d'effectuer en vue d'analyser leur fiabilité. Le troisième chapitre se focalise sur la méthodologie mise en place en vue d'étudier la fiabilité des micro-commutateurs capacitifs. Cette méthodologie est basée sur la détection et l'analyse des modes de défaillance d'une part et sur la modélisation du mécanisme de défaillance d'autre part. Nous proposons ainsi un modèle du chargement du diélectrique, principale cause de défaillance de ce type de composants, et introduisons un facteur de mérite de la fiabilité des MEMS RF permettant une évaluation comparative de leur durée de vie. Dans un quatrième chapitre, nous présentons les trois axes de recherche sur lesquels des études préliminaires ont été effectuées en vue d'améliorer la fiabilité des MEMS RF capacitifs : l'optimisation technologique, l'optimisation de la commande et l'optimisation de la topologie des micro-commutateurs

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Die Bestrahlung von tetraedrisch amorphen Kohlenstoff (ta-C) mit schnellen schweren Ionen führt zur Bildung von mikroskopischen elektrisch leitfähigen Ionenspuren mit Durchmessern um 10 nm. Dieses Phänomen ist auf das sp² zu sp³ Hybridisierungsverhältnis des amorphen Kohlenstoffes zurückzuführen. Das einschlagende Ion deponiert eine große Menge Energie innerhalb des Spurvolumens, so dass eine Materialtransformation hin zu höheren sp² Hybridisierung stattfindet. Hierdurch wird die elektrische Leitfähigkeit der Ionenspur stark erhöht. Dieser Effekt kann durch die Zugabe von Verunreinigungen wie Kupfer verstärkt werden. Das Ziel dieser Arbeit ist die umfassende Analyse des elektrischen Verhaltens von ta-C mit besonderen Augenmerk auf die Auswirkungen von Kupferverunreinigungen und Ionenspuren. Der Effekt von Kupferverunreinigungen auf das wichtige Hybridisierungsverhältnis vom amorphen Kohlenstoff wird vermessen. Darüber hinaus wurden alle Proben elektrisch mit makroskopischen Kontakten im Temperaturbeireich von 20 K bis 380 K analysiert. Mikroskopisch wurden einzelne leitfähige Ionenspuren mit Hilfe von atomarer Kraftmikroskopie betrachtet. Die statistische Verteilung der Spureigenschaften in Kohlenstofffilmen mit verschiedenen Kupferkonzentrationen werden verglichen, um die Spurbildung besser zu verstehen. Die normalisierten durchschnittlichen Spurleitfähigkeiten aus mikroskopischen und makroskopischen Messungen werden verglichen. Hierbei kann die Zuverlässigkeit der beiden experimentellen Methoden bewertet werden und mögliche Fehlerquellen ausfindig gemacht werden. Schließlich wird ein Konzept für eine Anwendung unterbrochener Ionenspuren gezeigt.