Functional properties of K0.5Na0.5NbO3 based devices fabricated by pulsed laser deposition and rapid thermal processing

This thesis work was carried out at PoliFAB, the micro and nanotechnology center of the Politecnico di Milano with the help and support of STMicroelectronics. This joint research project was aimed at the study and improvement at the functional properties of potassium sodium niobate (K0.5Na0.5NbO3), which is a lead-free piezolectric material that is promising, in terms of performances, to substitute the more popular lead-based functional materials used today, as lead titanate zirconate (PZT). The European Community is aiming to eliminate toxic elements, such as lead, from electronic devices by the end of 2025; the research and the study of those lead-free materials is thus crucial. The development of a stable and repeatable process to use those materials is mandatory to be able to meet the next safety standards. In addition, as the absence of harmful elements for the human body make them interesting for bio-applications. However, one major issue of KNN films with respect to PZT is its tendency to not be able to exploit the piezoelectric effect effectively due to a non-negligible current leakage which is promoted by the loss of alkaline elements during the deposition process and by oxygen vacancies in the film. In this work, KNN thin films were grown by the Pulsed Laser Deposition (PLD) technique on Pt(111)/TiO2/SiO2/Si substrates. The crystal orientation, morphology, stoichiometry, and other properties of the films were characterized. In addition, to test for the piezoelectric performance of the KNN films, a cantilever design was modelled and simulated using a finite element analysis software (FEA). This cantilever structure was at the end realized and characterized but due to the leakage issues the piezoelectric performances were poor. A particular attention was also directed to the electrical conduction mechanism in the obtained Metal-Insulator-Metal (MIM) stacks; in detail the impact on the current leakage of different metals used as top contacts was evaluated and the found rectifying behavior was associated with oxygen vacancies at the metal-KNN interface. This Schottky diode was in the end demonstrated. Finally, with the aim of reducing alkaline and oxygen vacancies to decrease leakage currents, Rapid Thermal Processing (RTA) of KNN was studied with overall good results on stoichiometry conservation.

Questo lavoro di tesi è stato svolto presso PoliFAB, il centro di micro e nanotecnologie del Politecnico di Milano con l'aiuto e il supporto di STMicroelectronics. Questo progetto di ricerca è stato finalizzato allo studio e al miglioramento delle proprietà funzionali del niobato di potassio e sodio (K0.5Na0.5NbO3), che è un materiale piezoelettrico senza piombo che potrebbe sostituire in termini di prestazioni, i più diffusi materiali piezoelettrici a base di piombo oggi utilizzati, come per esempio il titanato di piombo zirconato (PZT). La Comunità Europea punta a eliminare gli elementi tossici, come il piombo, dai dispositivi elettronici entro la fine del 2025; la ricerca e lo studio di questi materiali ``lead-free'' è quindi cruciale. Lo sviluppo di un processo stabile e ripetibile per utilizzare questi materiali è obbligatorio per poter soddisfare i prossimi standard di sicurezza. Inoltre, l'assenza di elementi nocivi per l'organismo umano li rende interessanti per le bioapplicazioni. Tuttavia, uno dei principali problemi del KNN rispetto al PZT è la sua tendenza a non essere in grado di sfruttare efficacemente l'effetto piezoelettrico a causa di una dispersione di corrente non trascurabile che è promossa dalla perdita di elementi alcalini durante il processo di deposizione e dalle vacanze di ossigeno nel film. In questo lavoro, film sottili di KNN sono stati cresciuti mediante la tecnica Pulsed Laser Deposition (PLD) su substrati Pt(111)/TiO2/SiO2/Si. Sono stati caratterizzati l'orientamento cristallino, la morfologia, la stechiometria e altre proprietà dei film ottenuti. Inoltre, tramite un software simulativo a elementi finiti è stato modellato un ``cantilever'' per testare le prestazioni piezoelettriche dei film KNN. Questa struttura è stata infine realizzata e caratterizzata ma a causa dei problemi di dispersione di corrente le prestazioni piezoelettriche sono risultate scarse. Una particolare attenzione è stata poi rivolta anche al meccanismo di conduzione elettrica negli stack Metallo-Isolante-Metallo (MIM) ottenuti; in dettaglio è stato valutato l'impatto sulla dispersione di corrente di diversi metalli utilizzati come contatti elettrici superiori e il comportamento rettificante trovato è stato associato alle vacanze di ossigeno all'interfaccia metallo-KNN. Questo comportamento è stato collegato con la presenta di un diodo di tipo Schottky. Infine, con l'obiettivo di ridurre le vacanze alcaline e di ossigeno, per ridurre le perdite di corrente, è stato utilizzato un diverso tipo di trattamento termico; in particolare un Rapid Thermal Processing (RTA). Questo processo ha portato a buoni risultati sulla conservazione della stechiometria ideale del film.