Ученые Института физики полупроводников им. А.В. Ржанова СО РАН создают новые технологии и материалы для устройств силовой электроники, отечественную электронно-компонентную базу для волоконно-оптических линий связи, систем передачи данных через открытое пространство, занимаются фундаментальными исследованиями свойств новых полупроводниковых материалов, которые могут оказаться перспективными для электроники будущего.
Вышеперечисленные работы выполняются в молодежных лабораториях Института, созданных по инициативе Министерства науки и высшего образования России в 2022 году, в интересах промышленных предприятий. А также ведутся при поддержке Российского научного фонда (РНФ) и Правительства Новосибирской области.
Подробности журналисты и представители Министерства науки и инновационной политики Новосибирской области узнали во время пресс-тура в ИФП СО РАН.
«Институт физики полупроводников — это междисциплинарный центр, интегрированный в международное научное сообщество, который выполняет работу по развитию и совершенствованию электронно-компонентной базы будущего, закладывает фундамент, на котором развиваются новые направления. С другой стороны, Институт активно участвует в решении задач, связанных со стратегией технологического развития: мы ведем промышленно-ориентированные проекты, которые выполняем вместе с индустриальными партнерами, где апробируем определенные технологии. Мы передаем промышленным партнерам полупроводниковые материалы, на которых они делают изделия, делаем изделия вместе с ними. В результате вносим вклад в экономику.
Для нас очень важная задача — получить портфель заказов от промышленности. Федеральная и региональная власть помогает сократить дистанцию между наукой и индустрией — этому способствует и появление молодежных лабораторий, и грантовая поддержка. В молодежных лабораториях формируются тесные контакты между промышленниками и научными сотрудниками, причем на уровне исполнителей, что эффективно для решения конечных задач. Специалистам этих подразделений предстоит создать продукт, необходимый промышленности, и заключение об успешности выполнения работы будут давать именно индустриальные партнеры.
Грантовая поддержка (выделяемая РНФ и Правительством НСО) позволяет начинать новые проекты в интересах технологического развития Новосибирской области. Мы участвуем и в программах импортозамещения: это не подразумевает повторения того, что сделано в других странах, мы разрабатываем сами, свое, используя иные подходы, оборудование, которое есть у нас и у индустриальных партнеров. Институт гордится тем, что активно работает с промышленными предприятиями», — подчеркнул на встрече с корреспондентами директор ИФП СО РАН Александр Васильевич Латышев.
Министр науки и инновационной политики Новосибирской области Вадим Витальевич Васильев отметил высокий уровень оснащенности института современным оборудованием: «Это позволяет молодым ученым оставаться здесь — в стране, в Новосибирске, работать на самой современной технологической базе, делать прорывные открытия. Любому исследователю важно иметь доступ к наиболее современным технологиям, оборудованию, чтобы его проект мог быть на фронтире мировой науки.
В ИФП СО РАН мы увидели несколько проектов, которые претендуют на мировое лидерство. На уровне страны — здесь ключевая точка по микроэлектронике, по фотонике, вокруг этой точки, возможно, будет разрастаться промышленный комплекс. Он уже есть, так как существуют предприятия, тесно работающие с Институтом. Новосибирск, в первую очередь благодаря ИФП СО РАН, благодаря промышленным предприятиям, играет серьезную роль в области оптики, фотоники и здесь есть хороший потенциал для развития».
Спинтронные устройства — шаг к новой электронике
В ИФП СО РАН сегодня выполняются четыре проекта при поддержке РНФ и Правительства НСО, один из них — «Создание новых квантовых материалов и наносистем для твердотельной и вакуумной спинтроники и оптоэлектроники».
«Это проект фундаментальных исследований, который направлен на создание устройств спинтроники. Спинтроника — область науки, которая изучает возможность практического применения такой внутренней степени свободы электрона, как спин. Мы работаем как со свободными электронами, в вакууме, так и с электронами, которые находятся внутри кристалла в твердотельной системе, и исследуем спиновые эффекты в ней. Работа с электроном в вакууме или со спином электрона в вакууме — это сложная задача, требующая огромных вакуумных установок. Нам же удалось разработать и сделать миниатюрные вакуумные спин-поляризованными свето- и фотодиоды, которые позволяют изучать спиновую поляризацию (устанавливать направление спина электрона)», — рассказал один из исполнителей проекта, научный сотрудник лаборатории физики и технологии гетероструктур ИФП СО РАН кандидат физико-математических наук Владимир Андреевич Голяшов.
Владимир добавил, что созданный научной группой совместно с новосибирским предприятием ЗАО “Экран ФЭП” мультищелочной источник спин-поляризованных электронов, может быть востребован на проектируемом коллайдере «Супер чарм-тау фабрика».
«Кроме того, в рамках нашего проекта мы исследуем новые материалы –топологические изоляторы, которые способны проводить по своей поверхности спин-поляризованный ток. Спинтронные устройства, использующие такой ток, интересны, в частности, для создания квантового компьютера. Мы в своей работе исследуем топологические изоляторы — тонкие пленки на основе телллуридов висмута, их сложно вырастить, но нам это удается сделать методом молекулярно-лучевой эпитаксии. Но пленки еще надо исследовать: мы выясняем, как они устроены, смотрим их электронную, зонную структуру», — добавил молодой ученый.
Все начинается с материала
В современном мире большая часть электронных устройств изготавливается с применением полупроводниковых материалов. Для этого необходимо синтезировать качественные полупроводниковые материалы с заданными свойствами. Разработкой технологии роста полупроводникового материала – нитрида галлия, используемого в устройствах силовой и СВЧ электроники, занимается молодежная лаборатория аммиачной молекулярно-лучевой эпитаксии GaN гетероструктур на подложках кремния для силовых и СВЧ-транзисторов. Первые этапы разработки технологии уже успешно пройдены.
«Технология роста нитридных гетероструктур на подложках кремния очень сложна, исследования активно ведутся во всем мире, при этом промышленная технология роста структур GaN-на-Si в России на данным момент не поставлена в российской промышленности. Основная трудность состоит в том, чтобы вырастить кристалл нитрида галлия высокого качества на подложке кремния и связана с тем, что у этих кристаллов сильно отличаются параметры решеток и коэффициенты температурного расширения. За первый год (2022) существования молодежной лаборатории мы отработали начальные стадии зарождения слоев, в этом году — перешли к созданию буферных слоев — они должны быть с минимальным количеством дефектов, с высоким кристаллическим совершенством. Нам удалось отработать данные технологические этапы, и сейчас мы заняты подготовкой публикаций для подачи в высокорейтинговые научные издания — это часть отчётности по государственному заданию.
В следующем году перед нами будут стоять не менее сложные задачи — отработка верхних слоев структуры, в которых будет располагаться двумерный электронный газ, слой, по которому протекает ток в транзисторе. Между контактами будущего транзистора должен протекать ток высокой плотности. Нам нужно отработать технологию и вырастить структуры с требуемыми характеристиками под заданные индустриальными партнерами параметры транзистора», — прокомментировал задачи подразделения заведующий лабораторией кандидат физико-математических наук Денис Сергеевич Милахин.
Он добавил, что нитрид галлия выдерживает большие температуры, поэтому способен работать при больших токах, а также является радиационно-стойким материалом. Поэтому нитрид галлия все чаще находит применение в силовой электронике, высоковольтных источниках питания, носимых зарядных устройствах, преобразователях напряжения и уже давно занимает свою нишу в СВЧ-электронике — системах связи 5G, 6G.
Вырастить материал — первая часть, вторая — сделать прибор
Молодежная лаборатория физико-технологических основ создания фотоприёмных устройств на основе полупроводников A3B5 ИФП СО РАН разрабатывает макеты чипов лавинных высокоскоростных фотодиодов. Такие устройства применяются для построения оптоволоконных линий связи и систем передачи данных через открытое пространство.
«Синтез материала — это только первый этап создания полупроводникового устройства. Дальше, чтобы получить прибор, проводится большое количество операций на пластине. Наша лаборатория специализируется на разработке технологии изготовления приборных полупроводниковых структур, значительная часть которых — дискретные (отдельные) фотодиоды.
Фотодиод на линиях связи нужен, чтобы принять информацию, закодированную в световом сигнале — “перевести” свет в электрический ток, который, в свою очередь, будет обработан процессором, вычислительным устройством конечного пользователя.
Лаборатория была создана во многом благодаря тому, что в Институте накоплен большой опыт создания фотоприемных устройств на основе полупроводников A3B5: мы разработали технологию и изготавливаем бескорпусные мощные СВЧ-фотодиоды и лавинные фотодиоды для гейгеровского режима. В рамках текущих задач нам необходимо разработать технологию изготовления макетов лавинных фотодиодов для линейного режима, которые тоже применяются в линиях связи, но к ним предъявляются другие требования, у них иная конструкция, отличается состав полупроводниковых слоев. Характеристики определяются требованиями промышленного партнера. Сейчас мы запускаем первые пробные технологические маршруты изготовления данных фотодиодов», — рассказал заведующий лабораторией кандидат физико-математических наук Максим Сергеевич Аксенов.
Денис Милахин и Максим Аксенов
Обе молодежные лаборатории начали работу в 2022 году и были созданы на конкурсной основе, в рамках проекта «Наука и университеты», по инициативе департамента стратегического развития Министерства науки и высшего образования РФ, в интересах промышленных предприятий. Всего в России учреждено около 60 таких лабораторий по направлению «Микроэлектроника».
Источник света — источник информации
Информация по волоконно-оптическим линиям связи (оптоволокну) передается с помощью света. Свет определенной длины волны излучает лазер, в сравнении с передачей данных посредством электрического тока по медному коаксиальному кабелю это дает выигрыш в скорости, помехоустойчивости и экономии веса — оптоволокно легче металлического кабеля. Старший научный сотрудник лаборатории молекулярно-лучевой эпитаксии соединений A3B5 ИФП СО РАН кандидат физико-математических наук Дмитрий Владимирович Гуляев занимается разработкой лазера на квантовых точках на диапазон излучения 1,55 микрон. На этой длине волны наименьшие потери сигнала в оптоволокне.
«Чтобы реализовать все преимущества волоконно-оптических линий связи, нужно обладать специализированной компонентной базой. Отечественной компонентной базы в настоящий момент практически нет, и ее разработкой занимается наша лаборатория. Основные элементы — лазер (источник излучения), модулятор, кодирующий информацию и фотоприёмник (фотодиод), который переводит информацию из световой волны в электронный сигнал. К сегодняшнему дню мы уже разработали СВЧ-фотодиод на 40 гигагерц, продолжается разработка электрооптического модулятора и буквально два месяца назад проект по созданию лазера на квантовых точках получил поддержку РНФ и Правительства Новосибирской области.
В промышленности во всем мире такие лазеры разрабатываются на основе квантовых ям. Однако сейчас все возможности улучшения характеристик лазеров на квантовых ямах исчерпаны. Поэтому единственный путь усовершенствования — использовать в качестве активной среды квантовые точки. Упрощенно говоря, квантовые ямы — это искусственные кристаллы, квантовые точки — искусственные атомы, из которых мы конструируем кристаллы с нужными нам свойствами. Активная среда на квантовых точках может дать улучшение таких характеристик лазера, как пороговый ток, коэффициент усиления, температурная стабильность, токи насыщения.
Решение этой проблемы — не простая задача: требуется вырастить бездефектный кристалл, с массивом квантовых точек, заданного размера и свойств», — подчеркнул Дмитрий Гуляев.
На первом этапе проекта ученые рассчитывают создать полупроводниковый материал (массив квантовых точек на основе соединений индий-галлий-алюминий-мышьяк на подложке из фосфида индия), на втором — провести исследование его характеристик, тестирование лазера.
Пресс-служба ИФП СО РАН
Фото В.Трифутина (2-5,7), Н.Дмитриевой (1,6)