Resumen
El desarrollo de materiales novedosos con propiedades extraordinarias puede resolver o al menos mejorar los retos a los que la sociedad
se enfrenta hoy día, incluyendo energía, clima y salud. La integración de dichos materiales con la tecnología dominante permite
beneficiarse de sus fortalezas a corto plazo y de manera rentable. El proyecto METALONIC se centra en el RETO Energía Segura, Limpia
y Eficiente y se aborda desde el programa TEC (Tecnología Electrónica y de las Comunicaciones). METALONIC mejorará las
prestaciones y funcionalidad de los dispositivos electrónicos y fotónicos integrados, introduciendo en la Tecnología de Silicio a dos
familias de óxidos de metales de transición muy prometedoras y versátiles: i) Óxidos Transparentes y Conductores (TCO) como el Óxido
de Zinc (ZnO) y aleaciones relacionadas (XZnO) y ii) Materiales de Cambio de Fase (PCM) como el Dióxido de Vanadio (VO2) y
compuestos relacionados (VOx).
ZnO y VO2 muestran excelentes prestaciones eléctricas y ópticas, y serán disruptivos para nanoelectrónica beyond CMOS (TCOs y
PCMs para memristores), energía fotovoltaica (TCOs y heterouniones p-n para células solares), optoelectrónica (TCOs para LEDs y
displays) y nanofotónica de silicio (TCOs y PCMs para conmutadores e interconexiones ópticas). Su introducción en tecnología de Si
contribuiría a dispositivos mejorados en prestaciones, miniaturización, coste y consumo de energía. Además, ZnO y VO2 son materiales
abundantes, baratos y limpios con el entorno. Implementaremos METALONIC en 3 fases:
1. Desarrollo de procesos de depósito de materiales para ZnO y VO2 sobre Si utilizando sputtering y evaporación por haz de electrones
como métodos baratos y eficientes de producción sobre substratos de área grande. Obtendremos materiales policristalinos,
transparentes, con bajo dopaje de fondo y alta movilidad. Los métodos de depósito MBE y ALD se consideran a través de colaboraciones
externas para evaluación comparativa. Se realizará el dopaje de ZnO tipo n con Al y Sn y se intentará el dopaje de tipo p con N y Mg.
2. Demostración de dispositivos de test: i) Conmutadores electrónicos de ZnO y VO2 con un metal (memristores), tamaño nanométrico,
consumo ultrabajo (~pJ/bit) y rápidos (>1GHz); ii) Contactos y ventanas TCO de ZnO (y aleaciones) con transparencia >90% y alta
conductividad (>10^4 ohms·cm) para células solares y LEDs y iii) ZnO y VO2 para conmutadores ópticos de ultrabajo consumo en guías
de onda de silicio híbridas.
3. Prueba de principio de dispositivos funcionales: i) Apilamientos MIM y configuraciones en cruz de memristores como memorias no
volátiles; ii) Homouniones p-n de ZnO y heterouniones XZnO/Si para células solares transparentes y fotodetectores UV; y iii) Moduladores
electro-ópticos y fotodetectores basados en heterouniones AZO/Si y VO2/Si con un consumo ultrabajo (<100 fJ/bit) y frecuencia de
operación alta (>1GHz).
Finalmente exploraremos: i) Integración del modulador y el fotodetector para interconexiones ópticas de nueva generación; ii)
Compatibilidad en el procesado de VO2 y ZnO con CMOS a baja temperatura para la fabricación de memorias sobre la metalización
(BEOL); iii) Integración de los TCOs en células solares y en LEDs de GaN y iv) Sostenibilidad y coste reducido para la transferencia a
empresas de baja capitalización.
El proyecto contempla colaboración externa con KU Leuven, el Instituto Jean Lamour de Nancy, el CIMAP-CNRS de Caen y el Ion Beam
Physics Institute de Dresden
