В Институте физики
полупроводников им. А.В. Ржанова СО РАН создают новые квантовые материалы для
спинтроники и оптоэлектроники, квантовые точки и разрабатывают технологию
синтеза кристаллических пленок на основе нитрида галлия алюминия для
промышленных транспортных систем и линий связи. Разработки ученых нужны в том
числе для создания квантового компьютера и развития искусственного интеллекта.
«Мы живем в эпоху
цифровой трансформации, когда все меняется. Мы быстро привыкаем к цифре вокруг
нас (интернет, компьютеры), это все базируется на элементной базе, развитию
которой посвящено основное направление деятельности нашего института. Он
выполняет работу по развитию и совершенствованию электронной компонентной базы
будущего, закладывает фундамент, на основании которого в дальнейшем развиваются
новые направления. С другой стороны, ИФП СО РАН активно участвует в работах, связанных
со стратегией научно-технологического развития страны. Совместно с индустриальными
партнерами мы выполняем промышленно-ориентированные проекты, обкатываем
технологии, передаем материалы», — рассказывает директор ИФП СО РАН академик
Александр Васильевич Латышев.
Ученые молодежной
лаборатории аммиачной молекулярно-лучевой эпитаксии GaN гетероструктур на
подложках кремния для силовых и СВЧ транзисторов ИФП СО РАН разрабатывают
полупроводниковые структуры для электронной промышленности. В условиях
сверхвысокого вакуума, который обеспечивает отсутствие инородных тел,
специалисты выращивают высококристалличные полупроводниковые пленки
накремниевых подложках. За основу взят нитрид галлия, материал, обладающий
особенным строением кристалла и уникальными свойствами. Он может применяться
при высоких температурах, выдерживает большое напряжение, ток.
В молодежной лаборатории аммиачной молекулярно-лучевой эпитаксии GaN гетероструктур
на подложках кремния для силовых и СВЧ транзисторов
«Наша задача —
создать технологию нитрида галлия алюминия на кремниевых подложках. Вся
микроэлектроника сейчас построена на кремнии. Хотелось бы внедрять новые
материалы с новыми свойствами уже в развитую, отработанную кремниевую технологию»,
— рассказывает заведующий лабораторией кандидат физико-математических наук
Денис Сергеевич Милахин.
Альтернативное
направление нитридной технологии — СВЧ-электроника. Она применяется в
телекоммуникационных системах, космической связи, системах 5G и 6G. Задача
лаборатории — развить ее на кремнии, и в России эта проблема не решена до сих пор.
Отсюда и интерес индустриальных партнеров к этим разработкам. Технология
сложная, потому что кремний и нитрид галлия — инородные материалы. Вырастить
один инородный материал на другом, сформировать и расположить атомы в нужном
порядке, чтобы кристаллические решетки согласовались, тяжело.
«Трудно сделать
этот материал совершенным. Если пленки разные по параметрам решетки и разному
расстоянию между атомами, они получаются очень напряженными. В результате
возникают дефекты и трещины, что уже не актуально для приборного применения. Мы
хотим развивать технологию постепенно. Начали с зародышевых слоев, в этом году
отрабатываем буферные, они отвечают за снижение дефектов. Следующий этап —
финальные слои, в которых находится двумерный электронный газ. Он отвечает за
перенос тока в транзисторе», — делится Денис Сергеевич.
Полупроводниковые
структуры, разработанные в молодежной лаборатории, передадут индустриальным
партнерам, а они уже сделают транзисторы. «Индустриальные партнеры редко
вкладываются в зарождение технологий. Обычно предприятия и заводы
заинтересованы в приобретении готовой продукции, а у нас получается интересный
симбиоз», — комментирует Денис Милахин.
Молодежная
лаборатория была создана по инициативе Департамента стратегического развития
Министерства науки и высшего образования РФ в рамках проекта «Наука и
университеты». Таких лабораторий в прошлом году было создано порядка
шестидесяти. Две из них находятся в Институте физики полупроводников им. А. В.
Ржанова СО РАН.
В лаборатории
физики и технологии гетероструктур ИФП СО РАН разрабатывают новые квантовые
материалы и наносистемы для твердотельной и вакуумной спинтроники и
оптоэлектроники. Проект выполняется по совместному гранту Российского научного
фонда и Правительства Новосибирской области. Ожидается, что вакуумные полупроводниковые
спинтронные устройства будут обладать большим быстродействием и меньшим
энергопотреблением, чем существующая сегодня электроника.
«Спинтронные
устройства являются одним из способов реализации квантовых компьютеров для создания
систем искусственного интеллекта и квантовых вычислений. Наша работа по этому
проекту делится на две части. Во-первых, мы можем работать со спином так
называемого свободного электрона, то есть электрона в вакууме. Здесь интерес
представляет создание как источников, так и детекторов таких электронов», —
объясняет младший научный сотрудник ИФП СО РАН Владимир Андреевич Голяшов.
Для работы со
спином электрона в вакууме нужны огромные установки. Однако проблема в том, что
в них источники спин-поляризованных электронов живут крайне мало. Ученые ИФП СО
РАН предложили создавать маленькие вакуумные диоды — они представляют из себя
керамический корпус, на который прикреплены в стеклах гетерсоструктуры,
разделенные вакуумным промежутком.
По словам
сотрудников лаборатории, такие детекторы уже можно применять в исследовательских
установках, например для изучения различных материалов. «С помощью созданного
диода мы исследовали так называемые мультищелочные фотокатоды. Это материалы,
которые широко используются в качестве фотокатодов для фотоэлектронных
умножителей на ускорителях. Но раньше никто не думал, что в них может быть
спиновая поляризация. Мы сделали такие фотокатоды, измерили с помощью нашего
детектора и оказалось, что они дают огромную спиновую поляризацию при комнатной
температуре и при этом являются более долгоживущими, чем многие другие
источники спинполяризованных электронов. Сейчас наш фотокатод рассматривается
для применения на Супер чарм-тау фабрике, которую разрабатывает Институт
ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН», — рассказывает Владимир Голяшов.
Вторая часть
работы сотрудников лаборатории физики и технологии гетероструктур ИФП СО РАН
связана с исследованием твердотельных систем. Ученые занимаются поиском систем
с необычными электронными свойствами, для этого нужны материалы, которые бы
такими свойствами обладали. Недавно были открыты такие системы как
топологические изоляторы — формально это изоляторы, на поверхности которых
из-за квантовых эффектов появляются проводящие поверхностные состояния,
обладающие интересными свойствам. Например, в них направление движения
электронов выстраивается по спину, то есть они автоматически становятся
поляризованными. Это довольно широкий класс материалов: селениды висмунта, теллуриды
висмута, свинец-олово-теллур, ртуть-теллур и т.д.
«Основная проблема
этих материалов в том, что они довольно “грязные”, и существует не так много
методов, которые позволили бы получить гетероструктуры на их основе для
испытания конкретных приборов, — отмечает Владимир Голяшов. — Мы пытаемся
выращивать слоистые материалы типа теллурида, селенида висмута с помощью метода
молекулярно-лучевой эпитаксии. Основная задача — получить тонкие слои этих
материалов с хорошими свойствами». Выращенные материалы ученые исследуют с
помощью методов электронной спектроскопии, которые позволяют заглянуть внутрь
кристалла и понять, как устроена его электронная структура.
Также в
лаборатории молекулярно-лучевой эпитаксии соединений A3B5 ИФП СО РАН, в том
числе по заказу промышленности, разрабатывают гетероструктуры и электронную
компонентную базу для радиофотоники и волоконно-оптической техники. Оптоволокно
имеет множество преимуществ перед обычными системами связи: способность без
усилителей передавать сигнал на большие расстояния, быстродействие, малый вес,
устойчивость к помехам.
«Мы занимаемся
разработкой отечественной компонентной базы. Для этого нужен лазер, как
источник излучения, модулятор и фотоприемник. В настоящий момент уже создан
СВЧ-фотодиод, продолжается разработка модулятора, и буквально два месяца назад
мы получили региональный грант РНФ (финансирование будет осуществляться
совместно с правительством НСО) на создание лазера на квантовых точках.
Фактически после завершения всех этих проектов мы будем иметь отечественную
компонентную базу для импортозамещения и создания устройств радиофотоники и
волоконной техники», — рассказывает старший научный сотрудник ИФП СО РАН
кандидат физико-математических наук Дмитрий Владимирович Гуляев.
Во всем мире в
промышленности для создания лазеров на 1,55 мкм в качестве активной среды
используются квантовые ямы. Однако в настоящий момент все возможности для
дальнейшего улучшения характеристик таких лазеров практически исчерпаны.
Поэтому ученые ИФП СО РАН создают их на основе среды с квантовыми точками. Это
должно обеспечить улучшение таких характеристик лазера, как пороговый ток,
температурная стабильность, ток насыщения, коэффициент усиления. Первый шаг,
над которым сейчас работают исследователи, — разработка активной среды для
лазеров с квантовыми точками, то есть создание искусственного кристалла.