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.

Die vorliegende Arbeit ist eine umfassende Studie über das Wachstum mittels Molekularstrahlepitaxie (MBE) und die gemessenen Seebeck Koeffizienten und Lochtransport Eigenschaften von p‑Typ Oxiden, eine Materialklasse welche die optische Transparenz und die einstellbare Leitfähigkeit verbindet. Insbesondere, Nickeloxid (NiO) und Zinnmonoxid (SnO) wurden mittels plasmaunterstützter MBE unter Einsatz von einer Metall‑Effusionszelle und einem Sauerstoffplasma gewachsen. Für das NiO Wachstum wurden vor allem die Wachstumsgrenzen bei hohen Temperaturen festgelegt, welche von der Substratstabilität im Falle von Magnesiumoxid und Galliumnitrid abhängen. Es wird die Möglichkeit der Qualitätsbewertung mittels Ramanspektroskopie für Natriumchlorid-Strukturen gezeigt. Untersuchung der NiO Dotierung durch Oberflächen-Akzeptoren und der damit verbundenen Oberflächen‑Loch‑Anreicherungsschicht offenbart eine neue Dotierungsmöglichkeit für p‑leitende Oxide im Allgemeinen. Die metastabile Phase des SnO wird mittels PAMBE unter Verwendung bekannter Wachstumskinetik von Zinndioxid und verschiedener in‑situ Methoden stabilisiert, die anwendungsrelevante thermische Stabilität wird untersucht. Anschließende ex‑situ Charakterisierungen durch XRD und Ramanspektroskopie identifizieren das kleine Wachstumsfenster für das epitaktische Wachstum von SnO. Elektrische Messungen bestätigen die p‑Typ Ladungsträger mit vielversprechenden Löcherbeweglichkeiten welche auch für Hall Messungen zugänglich sind. Temperaturabhängige Hall Messungen zeigen einen bandähnlichen Transport welcher auf eine hohe Qualität der gewachsenen Schichten hindeutet. Die Funktionalität der gewachsenen Schichten wird durch verschiedene Anwendungen nachgewiesen. Zum Beispiel werden pn‑Heteroübergänge wurden durch das heteroepitaktische Wachstum der SnO Schichten auf einem Galliumoxid-Substrat erlangt. Die ersten bisher berichteten SnO-basierten pn‑Übergänge mit einem Idealitätsfaktor unter zwei wurden erreicht. / This thesis presents a comprehensive study on the growth by molecular beam epitaxy (MBE) and the measured Seebeck coefficients and hole transport properties of p‑type oxides, a material class which combines transparency and tunable conductivity. Specifically, Nickel oxide (NiO) and tin monoxide (SnO) were grown by plasma‑assisted MBE using a metal effusion cell and an oxygen plasma. For NiO growth, the focus lies on high temperature growth limits which were determined by the substrate stability of magnesium oxide and gallium nitride. Quality evaluation by Raman spectroscopy for rock‑salt crystal structures is demonstrated. Investigations of NiO doping by surface acceptors and the related surface hole accumulation layer reveal a new doping possibility for p‑type oxides in general. The meta‑stable SnO is stabilized by PAMBE utilizing known growth kinetics of tin dioxide and various in‑situ methods, its application-relevant thermal stability is investigated. Following ex‑situ characterizations by XRD and Raman spectroscopy identify secondary phases and a small growth window for the epitaxial growth of SnO. Electrical measurements confirm the p‑type carriers with promising hole mobilities accessible to Hall measurements. Temperature dependent Hall measurements show band‑like transport indicating a high quality of the grown layers. The functionality of the grown layers is proven by various applications. For example, pn‑heterojunctions were achieved by heteroepitaxial growth of the SnO layers on gallium oxide substrates. The first reported SnO based pn‑junction with an ideality factor below two is accomplished.

Diese Arbeit präsentiert eine umfassende in-situ Studie zur thermischen Ausdehnung von β-Ga2O3 im Temperaturbereich von Raumtemperatur (RT) bis 1200 K sowie zum Wachstum dünner Ga2O3 Schichten durch plasmaunterstützte Molekularstrahlepitaxie (MBE). Hierfür kamen synchrotron-basierte hochauflösende Röntgenbeugung (HRXRD) sowie die Beugung hochenergetischer Elektronen bei Reflexion (RHEED) zum Einsatz. Die dadurch erhaltenen Resultate gestatten detaillierte quantitative Aussagen zu den Ausdehnungskoeffizienten (CTE) von β-Ga2O3 und ein tieferes Verständnis des Wachstumsprozesses von Ga2O3 sowohl im Rahmen der Homo- als auch der Heteroepitaxie. / This thesis presents a comprehensive in-situ study on the thermal expansion of beta-Ga2O3 from room temperature (RT) to 1200 K, and the thin film growth of Ga2O3 as carried out by oxygen plasma assisted molecular beam epitaxy (MBE) using synchrotron-based high-resolution x-ray diffraction (HRXRD) and reflection high-energy electron diffraction (RHEED). The obtained results provide a quantitative analysis on the coefficients of thermal expansion (CTE) of beta-Ga2O3, and a deeper understanding in the growth process of Ga2O3 in both homoepitaxy and heteroepitaxy.