In recent years, ultra-wide bandgap semiconductors have increasingly moved into scientific focus due to their outstanding material properties, making them promising candidates for future applications within high-power electronics or solar-blind photo detectors. The group-III-sesquioxides can appear in various polymorphs, which influences, for instance, the energy of the optical bandgap. In gallium oxide, the optical bandgap ranges between 4.6 and 5.3 eV depending on the polymorph. For each polymorph it can be increased or decreased by alloying with aluminum oxide (8.8 eV) or indium oxide (2.7–3.75 eV), respectively, enabling bandgap engineering and thus leading to an extended application field. For this purpose, an overview of miscibility limits, the variation of bandgap and lattice constants as a function of the alloy composition are reviewed for the rhombohedral, monoclinic, orthorhombic and cubic polymorph. Further, the effect of formation and desorption of volatile suboxides on growth rates is described with respect to chemical trends of the discussed ternary materials.

Die vorliegende Arbeit präsentiert eine erste umfassende Wachstumsstudie, und erste quantitative Wachstumsmodelle, von Gruppe-III und IV Oxiden synthetisiert mit sauerstoffplasmaunterstützter Molekularstrahlepitaxie (MBE). Diese entwickelten Modelle beinhalten kinetische und thermodynamische Effekte. Die erworbenen Erkenntnisse sind auf fundamentale Wachstumsprozesse in anderen Syntheseverfahren übertragbar, wie zum Beispiel der Laserdeposition oder metallorganische Gasphasenepitaxie. Die Wachstumsraten und Desorptionsraten werden in-situ mit Laser-Reflektometrie bzw. Quadrupol-Massenspektrometrie (QMS) bestimmt. Es werden die transparenten halbleitenden Oxide Ga2O3, In2O3 und SnO2 untersucht. Es ist bekannt, dass sich das Wachstum von Gruppe-III und IV Oxiden, aufgrund der Existenz von Suboxiden, fundamental von anderen halbleitenden Materialien unterscheidet. Es stellt sich heraus, dass die Wachstumsrate der untersuchten binären Oxide durch die Formierung und Desorption von Suboxiden flussstöchiometrisch und thermisch limitiert ist. Es werden die Suboxide Ga2O für Ga2O3, In2O für In2O3 und SnO für SnO2 identifiziert. Ein Suboxid ist ein untergeordneter Oxidationszustand, und es wird gezeigt, dass die untersuchten Oxide über einen Zwei-Stufen-Prozess gebildet werden: vom Metall zum Suboxid, und weiterer Oxidation vom Suboxid zum thermodynamisch stabilen festen Metalloxid. Dieser Zwei-Stufen-Prozess ist die Basis für die Entwicklung eines ersten quantitativen, semiempirschen MBE-Wachstumsmodells für binare Oxide die Suboxide besitzen. Dieses Model beschreibt und erklärt die gemessenen Wachstumsraten und Desorptionsraten. Es wird die Kinetik und Thermodynamik des ternären Oxidsystems (InxGa1−x)2O3 untersucht. Die gemittelten Einbauraten von In und Ga in ein makroskopisches Volumen von (InxGa1−x)2O3 Dünnschichten werden ex-situ mit energiedispersiver Röntgenspektroskopie gemessen. Diese Einbauraten werden systematisch analysiert und im Rahmen kinetischer und thermodynamischer Grenzen beschrieben. Es wird gezeigt, dass Ga den In-Einbau in (InxGa1−x)2O3 aufgrund seiner stabileren Ga–O Bindungen thermodynamisch verhindert. In diesen Zusammenhang wird ein neuer katalytisch-tensidischer Effekt des In auf den Einbau von Ga gefunden. Eine Folge dieses katalytisch-tensidischen Effektes ist die Formierung der thermodynamisch, metastabilen hexagonalen Ga2O3 phase mit sehr hoher Kristallqualität. Ein thermodynamisch induziertes, kinetisches Wachstumsmodel für (InxGa1−x)2O3 wird entwickelt, mit dem sich alle makroskopischen Metall-Einbauraten und Desorptionsraten vorhersagen lassen. Mögliche (InxGa1−x)2O3 Strukturen gewachsen mit MBE werden mittels Röntgenkristallographie bestimmt. Mit Hilfe der Röntgenstrukturanalyse wird ein erster makroskopischer Ansatz zur Bestimmung der mikroskopischen In Konzentration X in möglichen (InXGa1−X)2O3 Phasen hergeleitet. Es werden Löslichkeitsgrenzen von In bzw. Ga in monoklinem und kubischem (InXGa1−X)2O3 bestimmt. / The present thesis presents a first comprehensive growth investigation and first quantitative growth models of group-III and IV oxides synthesized by oxygen plasma-assisted molecular beam epitaxy (MBE). The developed models include kinetic and thermodynamic effects. The obtained findings are generally valid for fundamental growth processes in other growth techniques, such as pulsed laser deposition and metal-organic vapor phase-epitaxy. The growth rates and desorption rates are measured in-situ by laser reflectometry and quadrupole mass spectrometry (QMS), respectively. The binary transparent semiconducting oxides Ga2O3, In2O3, and SnO2 are investigated. It is known that the growth of group-III and IV oxides is fundamentally different as compared to other semiconductor compounds and due to the existence of suboxides. It is found that the growth rate of the binary oxides investigated is flux-stoichiometrically and thermally limited by the formation and desorption of their respective suboxide. These suboxides are identified as Ga2O for Ga2O3, In2O for In2O3, and SnO for SnO2. A suboxide is a lower oxidation state, and it is shown, that the investigated oxides grow via a two-step oxidation process. That means, all metal oxidizes to the suboxide, and the suboxide can be further oxidized to the thermodynamic stable solid metal-oxide. This two-step oxidation process is the basis for the development of a first quantitative semi-empirical MBE growth model which predicts and explains the measured growth rates and desorption rates, for binary oxides possessing suboxides. The kinetics and thermodynamics of the ternary oxide system (InxGa1−x)2O3, grown by MBE, is investigated. The average In and Ga incorporation rates into a macroscopic volume of (InxGa1−x)2O3 are measured ex-situ by energy dispersive X-ray spectroscopy. These incorporation rates are systematically analyzed and explained in the framework of kinetic and thermodynamic limitations. It is shown that Ga thermodynamically inhibits the incorporation of In into (InxGa1−x)2O3 due to its stronger Ga–O bonds. In this context, a new catalytic-surfactant effect of In on the formation of Ga2O3 is found. As a consequence of this catalytic-surfactant effect the metastable hexagonal Ga2O3 with very high crystal quality is formed. A thermodynamically induced kinetic growth model for (InxGa1−x)2O3 MBE is developed. It predicts all macroscopic metal incorporation rates and desorption rates. Possible (InxGa1−x)2O3 phases grown by MBE are investigated by X-ray crystallography. By means of X-ray diffraction analysis, a first macroscopic approach to determine the microscopic In concentration X in possible (InXGa1−X)2O3 phases is derived. The solubility limits of In and Ga in monoclinic and cubic (InXGa1−X)2O3 phases, respectively, are identified.

La mémoire NAND Flash représente une part importante dans le marché des circuits intégrés et a bénéficié de la traditionnelle miniaturisation de l’industrie des sémiconducteurs lui permettant un niveau d’intégration élevé. Toutefois, cette miniaturisation semble poser des sérieux problèmes au-delà du noeud 22 nm. Dans un souci de dépasser cette limite, des solutions mémoires alternatives sont proposées parmi lesquelles la mémoire résistive (RRAM) se pose comme un sérieux candidat pour le remplacement de NAND Flash. Ainsi, dans cette thèse nous essayons de répondre à des nombreuses questions ouvertes sur les dispositifs RRAM à base d’oxyde d’hafnium (HfO2) en particulier en adressant le manque de compréhension physique détaillée sur leur fonctionnement et leur fiabilité. L’impact de la réduction de taille des RRAM, le rôle des électrodes et le processus de formation et de diffusion des défauts sont étudiés. L’impact de l’alliage/dopage de HfO2 avec d’autres matériaux pour l’optimisation des RRAM est aussi abordé. Enfin, notre étude tente de donner quelques réponses sur la formation du filament conducteur, sa stabilité et sa possible composition. / Among non-volatile memory technologies, NAND Flash represents a significant portion in the IC market and has benefitted from the traditional scaling of semiconductor industry allowing its high density integration. However, this scaling seems to be problematic beyond the 22 nm node. In an effort to go beyond this scaling limitation, alternative memory solutions are proposed among which Resistive RAM (RRAM) stands out as a serious candidate for NAND Flash replacement. Hence, in this PhD thesis we try to respond to many open questions about RRAM devices based on hafnium oxide (HfO2), in particular, by addressing the lack of detailed physical comprehension about their operation and reliability. The impact of scaling, the role of electrodes, the process of defects formation and diffusion are investigated. The impact of alloying/doping HfO2 with other materials for improved RRAM performance is also studied. Finally, our study attempts to provide some answers on the conductive filament formation, its stability and possible composition.

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit dem Wachstum von BaSnO3/LaInO3 (BSO/LIO) Schichten mittels Plasma-unterstützter Molekularstrahlepitaxie (PAMBE). Für die Realisierung der BSO/LIO Heterostruktur müssen zuvor Wege für ein stabiles Herstellungsverfahren sowohl der BSO als auch der LIO Schichten gefunden werden. Aus diesem Grund beschäftigt sich der erste Teil dieser Arbeit mit den Herausforderungen der Suboxidbildung und Suboxidquellen. Das Wissen um Suboxide ist alt, aber es wurde bisher nicht stark in der Anwendung der Oxid-MBE berücksichtig oder benutzt. Engagierte Studien werden in dieser Arbeit durchgeführt, die zeigen, dass bei Suboxidquellen wie z.B. der Mischung aus SnO2 und Sn sich die Einbaukinetik gegenüber einer elementaren Quelle (z.B. Zinn) vereinfacht. Die in dieser Arbeit herausgearbeitete Effizienz der Mischquellen hat bereits dazu geführt, dass weitere Oxide wie Ga2O3 und SnO mit Hilfe von Suboxid-MBE gewachsen wurden. Im zweiten Teil dieser Arbeit werden die entwickelten Quellen genutzt und die BSO und LIO Wachstumsparameter bestimmt, sowie deren Abhängigkeit im Kontext von thermodynamischen Ellinghamdiagrammen diskutiert. Die Besonderheit beim BSO Wachstum liegt dabei auf der Verwendung einer Mischquelle bestehend aus SnO2 + Sn wodurch SnO Suboxid gebildet wird, welches zum Wachstum beiträgt. Ein zwei-dimensionalen Elektronengas an der Grenzfläche der BSO/LIO Heterostruktur wird realisiert durch gezielte Grenzflächenterminierung mit Hilfe einer Zellverschlusssequenz. Durch die Kontrolle der Grenzflächenterminierung im Monolagenbereich können Ladungsträgerkonzentrationen im Bereich um 3 - 5 × 1013 cm−2 und Beweglichkeiten μ > 100 cm2/Vs zuverlässig und reproduzierbar realisiert werden. / The present work investigates the growth of BaSnO3/LaInO3 (BSO/LIO) heterostructures using plasma-assisted molecular beam epitaxy (PA-MBE). Prior to the realization of the BSO/LIO heterostructure, ways for stable and reliable growth of both BSO and LIO layers have to be developed. Therefore, the first part of this thesis addresses the challenges of suboxide formation and suboxide sources. The knowledge about suboxides is rather old, however, so far it is barely considered or used in oxide MBE. Dedicated studies performed in this thesis show that for suboxide sources such as a mixture of SnO2 and Sn the growth kinetics simplify compared to an elemental source (e.g., Sn). The efficiency of mixed sources, that is worked out in this thesis, already led to the growth of other oxides such as Ga2O3 or SnO using suboxide MBE. In the second part of this thesis growth parameters for BSO and LIO, using the developed sources, are determined and their dependence in the context of thermodynamic Ellingham diagrams is discussed. The growth of BSO is realized by the use of a mixed source consisting of SnO2 + Sn, which forms SnO suboxide that is contributed to the growth. A two-dimensional electron gas at the interface of the BSO/LIO heterostructure is realized by engineering the interface termination using a controlled cell shutter sequence. By controlling the interface termination down to mono layer precision, charge carrier densities in the range of 3 - 5 × 1013 cm−2 and mobilities μ > 100 cm2/Vs can be achieved reliably and reproducibly.