В рамках круглого стола «Широкозонные
полупроводниковые и родственные материалы» форума «Микроэлектроника 2025»
директор Физико-технического института им. А.Ф. Иоффе РАН (Санкт-Петербург)
член-корреспондент РАН Сергей Иванов подробно рассказал о текущих разработках
института в области широкозонной фотоники и электроники на основе перспективных
материалов: нитрида галлия (GaN), карбида кремния (SiC) и оксида галлия (Ga₂O₃).
Открывая выступление, Сергей Иванов напомнил о
стремительном переходе мирового научного сообщества широкозонных
полупроводников А2В6 к исследованию нитридных материалов в конце 1990-х
годов после технологического прорыва сотрудника компании Nichia Суджи Накамуры
(Япония), после чего ФТИ РАН также включился в исследования в этой области. С
2005 года основные усилия были сосредоточены на плазменно-активированной
эпитаксии нитридов алюминия-галлия (AlGaN) для создания полупроводниковых
устройств, работающих в среднем ультрафиолетовом (УФ) диапазоне. «Тогда
мы составили план, включающий стандартные задачи: эпитаксиальный рост, изучение
структурных, оптических и электрофизических свойств, а далее углубление в
различные типы конструкций наногетероструктур: сверхрешёток, сверхтонких (1-2
монослоя) квантовых ям и др. Ну и в итоге, разработка цикла ростовых и
постростовых технологий операций, изготовление экспериментальных образцов УФ-С
излучателей и солнечно-слепых фотоприёмников», — пояснил учёный. Большая
часть этих задач, по его словам, выполнена на уровне УГТ 3-4, теперь стоит
новая — проведение НИОКР для передачи этих технологий российским
квалифицированным заказчиками и внедрения результатов разработок УФ-С фотоники,
которые пока, к сожалению, в нашей стране большим спросом не пользуются.
Вместе с тем, создание УФ-С и УФ-В светодиодов и
солнечно-слепых фотодиодов (рабочая длина волны короче 290 нм) на основе
нитридов алюминия-галлия — это общемировой научно-технологический тренд с
ростом объёма рынка на 25 % ежегодно, продолжил учёный. Области их применения
весьма обширны: оптическая дезинфекция воды/воздуха/поверхностей вместо
небезопасных ртутных ламп, активная и пассивная оптическая локация источников
УФ-С излучения, помехозащищённая связь в условиях непрямой видимости,
люминесцентный анализ веществ воздействием УФ-С излучения и др. Сотрудники ФТИ
РАН занимаются созданием эффективных светоизлучающих структур для УФ-диапазона,
в частности, им удалось вырастить на подложках сапфира уникальные активные
структуры с несколькими сотнями одинаковых сверхтонких квантовых ям толщиной 1
или 2 двухатомных слоя Ga-N, внедрённых в матрицу чистого AlN, которые способны
перекрывать излучением спектральный диапазон 230-280 нм. При возбуждении таких
структур электронным пучком совместно с коллегами из Троицкого
обособленного подразделения ФИАН достигнуты рекордные мощности излучения —
десятки ватт в импульсе, и до 200 мВт при непрерывном излучении, «что
недостижимо для традиционных светодиодов — 20 мВт максимум», — отметил
докладчик. Параметры же фотодиодных приемников, созданных в ФТИ РАН,
соответствуют мировому коммерческому уровню.
Также Сергей Иванов упомянул работы с широкозонным
оксидом галлия (Ga₂O₃), отметив их бурное развитие
в мире за последние 10 лет и значительные преимущества этого материала, например,
более высокое пробивное напряжение. «Но есть и низкая теплопроводность,
и сложности p-легирования», — сообщил он. В этой связи в ФТИ РАН
разработана технология роста объёмных кристаллов оксида галлия с использованием
отечественного оборудования АО «ЭЗАН» и уникальная для РФ капельная (mist) CVD
эпитаксия, позволяющая выращивать как плёнки Ga₂O₃,
так и их комплиментарных твёрдых растворов оксида галлия-хрома (CrGa)₂O₃, восприимчивых к p-легированию
атомами меди, что открывает возможности создания более эффективных
гетероструктурных фотодиодов и увеличения напряжения пробоя силовых p-n диодов
на основе оксида галлия.
И наконец, Сергей Иванов отметил существенный задел
и экспертный уровень учёных ФТИ РАН в исследованиях карбида кремния (SiC) и
технологии силовых диодов Шоттки на его основе, что позволило Институту стать
участником большого отечественного проекта по разработке технологии
производства приборов силовой электроники на основе SiC, осуществляя научное и
диагностическое сопровождение этих разработок.
В заключение Сергей Иванов поблагодарил коллег из
научных организаций и промышленных предприятий, с которыми ведётся
сотрудничество по всем перечисленным направлениям, и особо отметил совместные
проекты по AlGaN с лабораторией нобелевского лауреата Хироси Амано (Япония),
лидера направления УФ-C лазерных диодов в мире, и белорусскими учёными
Института физики НАНБ, а также сотрудничество с НИТУ МИСИС и ТУСУР в области
оксида галлия.