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 посторонних атомов, 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.
Фото Дианы Хомяковой.
«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.
Вакуумный фотодиод – сборка из источника
и детектора спин-поляризованных свободных электронов.
Фото Дианы Хомяковой.
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.
Авторы: Диана Хомякова, Полина
Щербакова.
Источник: «Наука в Сибири».