Зовет гетеропереход. На базе питерского Политеха создан консорциум по микроэлектронике

В предисловии к монографии нобелевского лауреата Жореса Алфёрова «Физика и жизнь» его близкий друг и соратник академик Борис Захарченя пишет: «Идея использования гетеропереходов в полупроводниковой электронике была давно высказана, но многочисленные попытки реализовать ее были безуспешны. Причина была в сложности создания гетероперехода, близкого к идеальному, т. е. такого, где размеры элементарных ячеек кристаллических решеток разных полупроводников, составляющих переход, практически совпадали бы. Именно за это, казалось бы, безнадежное дело взялся Жорес. Поиски были трудными. Более всего подходили полупроводники А3B5, представляющие собой химические соединения III и V групп таблицы Менделеева. После того как Жорес с командой своих сотрудников сделал первый лазер на гетеропереходе, он говорил мне: “Боря, я гетеропереходирую всю полупроводниковую микроэлектронику!” Вслед за лазером на гетеропереходах были созданы многие другие приборы, вплоть до преобразователей солнечной энергии». Идею «гетеропереходирования» микроэлектроники подхватили ученики и преемники Жореса Алфёрова – участники проекта «Фотоника и наноэлектроника – основа единого информационного пространства» программы развития «Приоритет 2030» Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого. Для его реализации сформирован консорциум, который возглавил директор университетского Института электроники и телекоммуникаций (ИЭиТ) доктор технических наук, профессор Александр Коротков. В составе консорциума четыре рабочие группы, две из которых представляют Политех, еще по одной делегировали Научно-технологический центр (НТЦ) микроэлектроники и субмикронных гетероструктур РАН и любимое детище Жореса Алфёрова Академический университет (АУ), ныне носящий его имя. Проект предусматривает создание передовой электронной компонентной базы и отечественных технологий производства приборов на основе гетероструктур А3В5 с характеристиками мирового уровня. Партнеры совместно и каждый по-своему преодолевают сложности гетероперехода и обмениваются обретенным опытом. “Одна из ключевых проблем нашей экономики – серьезное отставание как в компонентной, так и в технологической базе микроэлектроники. Наш проект призван восполнить эти пробелы, используя гетероструктуры А3В5, причем не только уже апробированный арсенид галлия, но и перспективные нитрид-галлиевые соединения. По некоторым исследованиям в этой области мы находимся на фронтире, сложнее обстоит с внедрением. Усугублять отставание ни в коем случае нельзя, иначе оно может стать необратимым. В конечном счете должны быть разработаны устройства для телекоммуникационных систем пятого поколения (5G) и преобразования солнечной энергии (фотовольтаика), – поясняет научный руководитель проекта Александр Коротков. – Квалификация специалистов, нацеленных на разработку конкретной технологии и получение продукции, в этих областях выходит на передний план. Синергетический эффект в рамках совместного проекта позволяет нам расширить диапазон применения своих знаний и навыков, решать новые задачи – непростые и с научной, и с технической точки зрения. Это своего рода интеллектуальная диверсификация”. Органичность альянса хорошо видна на примере взаимодействия Политехнического и Академического университетов. Сказались и общность тематики (нанотехнологии плюс микроэлектроника), и территориальная близость кампусов, и знаковые пересечения научных биографий. Ректор Академического университета Жорес Алфёров долгое время был деканом организованного им в Политехе физико-технического факультета и научным руководителем ИЭиТ, где также можно встретить его учеников. Руководитель одной из групп консорциума доктор физико-математических наук директор Высшей инженерно-физической школы ИЭиТ Иван Мухин образно называет себя «алфёровским внуком». В самом деле, учился в лицее «Физико-техническая школа», в магистратуре и аспирантуре Академического университета (в промежутке был бакалавриат физико-технического факультета СПбПУ), с 2015 года возглавляет лабораторию возобновляемых источников энергии АУ, которую передал ему Жорес Иванович, оставшийся в ней главным научным сотрудником. В свою очередь, руководитель проектной группы из Академического университета, и. о. ректора вуза доктор физико-математических наук, профессор Алексей Филимонов читает четверокурсникам СПбПУ курс «Специальные вопросы микро- и нанотехнологий». “Ядро обоих вузов – сильные физико-математические научные школы, в обоих создана уникальная образовательная среда, рассчитанная на раннее погружение школьников, студентов и аспирантов, только у наших соседей – в науку, а у нас еще и в производство, – формулирует ректор Политехнического академик РАН Андрей Рудской. – Недаром в нашей программе «Приоритет 2030» целый раздел посвящен кооперации с Академическим университетом: это и система профориентации одаренных российских школьников, и совместные магистерские и аспирантские программы, и освоение научно-технологических заделов, в том числе в области полупроводниковой микроэлектроники”. Незаменим в этом партнерстве и НТЦ микроэлектроники, созданный в 1991 году по инициативе Ж.И.Алфёрова при Физико-техническом институте им. А.Ф.Иоффе РАН для доведения фундаментальных исследований в области микро- и оптоэлектроники до уровня ОКР. Сегодня НТЦ изучает и совершенствует базовые эпитаксиальные способы выращивания и диагностики полупроводниковых наногетероструктур, с последующей разработкой приборов и продвижением их в промышленность. Ученые центра также преуспели в синтезе и исследовании нового типа полупроводниковых гетероструктур – квантовых точек и создании лазеров на их основе. “Наш вклад в проект – это численное моделирование приборов и расчет их характеристик, в частности, вертикально-излучающих лазеров и СВЧ-транзисторов, которые находят широкое применение в устройствах передачи и обработки информации. Этап моделирования – важнейший при разработке сложных гетероструктурных приборов, поскольку они состоят из большого числа слоев разных материалов и представляют собой единый полупроводниковый «пирог». До его непосредственного изготовления методами эпитаксиальных технологий должны быть рассчитаны все характеристики индивидуальных слоев, требуемые для реализации свойств конечного прибора. За первый год работы мы провели расчеты гетероструктурных полевых транзисторов на основе соединений нитрида галлия и вертикально-излучающих лазеров в инфракрасном диапазоне. Планируем эксперименты по эпитаксиальному выращиванию и исследованию свойств этих структур”, – говорит директор Центра, один из плеяды учеников Жореса Алфёрова и, что символично, лауреат премии правительства Санкт-Петербурга 2021 года им. Ж.И.Алфёрова за цикл работ «Полупроводниковые наногетероструктуры для СВЧ-электроники», член-корреспондент РАН Виктор Устинов. “Мы первыми в России начали использовать технологию газофазной эпитаксии, создаем для нее оборудование. Она предполагает использование газов, в т. ч. небезопасных, например, водорода. В университетах использовать водород нельзя, поэтому наши разработки Политех может брать на вооружение уже в готовом виде”, – дополняет директора его заместитель доктор технических наук Андрей Цацульников. К слову, наследник Жореса Алфёрова по прямой: закончил основанную им первую базовую кафедру оптоэлектроники ФТИ им. А.Ф.Иоффе РАН в Университете «ЛЭТИ», работал в его лаборатории в Физтехе. В группу Академического университета входит проректор вуза по научной работе член-корреспондент РАН Антон Егоров, тоже ученик Жореса Алфёрова со студенческой скамьи. Он разработал технологию синтеза полупроводниковых твердых растворов с минимальной (в отличие от применяемого в НТЦ микроэлектроники нитрида галлия) концентрацией азота. Инъекция атомарного азота позволила получать кристаллы с требуемой длиной волны. В итоге на основе модифицированных гетероструктур А3В5-N впервые были созданы эффективные вертикально-излучающие лазеры для систем оптической связи диапазона 1300 нм. “В рамках совместного проекта с Политехом мы разрабатываем новые концепции лазеров для высокоскоростной передачи данных, – уточняет Антон Егоров. – Идем от концепции к конструкции кристалла, затем пытаемся этот кристалл материализовать, после чего превратить в прибор и исследовать его характеристики и возможности применения. В частности, разработали и готовимся запатентовать новую конструкцию вертикально-излучающего лазера с гибридной накачкой (электрической и оптической), т. е. с более высоким коэффициентом усиления света. В перспективе такая комбинация позволит повысить и выходную оптическую мощность, и быстродействие лазера (скорость передачи данных), а также процент годности готовых приборов. С помощью программы «Приоритет 2030» эта перспектива должна стать реальностью”. Первая задача группы, которую возглавляет профессор СПбПУ и АУ Иван Мухин, – численное моделирование режимов работы оптоэлектронных устройств на основе материалов А3В5 с прицелом на разработку и исследование солнечных элементов, фотодиодов ближнего ИК-диапазона, источников терагерцового излучения. Расчетным путем определяются оптимальный состав и толщины слоев гетероструктур, уровни их легирования, обеспечивающие предельные характеристики будущих приборов. Следующий шаг – синтез этих материалов, превращение их в приборные прототипы и измерение конечных параметров, таких как КПД солнечных элементов. “Для создания прототипов солнечных элементов мы намерены получать планарные (многослойные) гетероструктуры на подложках с помощью молекулярно-пучковой эпитаксии, развитой в Алфёровском университете, – рассказывает Иван Мухин. – После этого методами жидкостной химии гетероструктура будет отделена от жесткой подложки и перенесена на гибкий полимерный носитель. Такой подход позволит улучшить механические свойства элементов, что может быть востребовано, например, для бортовых источников питания беспилотников. Применительно к фотодетекторам также хотим использовать классическую эпитаксию для синтеза гетероструктур, однако не планарных, а в виде массива нитевидных нанокристаллов, или нанопроволок. За счет своей уникальной геометрии они эффективно поглощают падающее излучение, что позволит увеличить чувствительность будущих изделий. Разработка цифровых моделей исходных гетероструктур А3В5, которой сейчас занимаются наши сотрудники, как раз и поможет создать оптимальный дизайн кристаллов для дальнейшего синтеза приборных структур”. Еще одной группе из Политеха (руководит ею директор Высшей школы электроники и микросистемной техники ИЭиТ кандидат физико-математических наук, доцент Вера Лобода) предстоит разработка Process Design Kit. Это набор файлов и моделей, необходимый для производства микроэлектронных изделий на конкретной отечественной фабрике, с учетом ее технологических особенностей, ключ к импортозамещению. А пока в фокусе внимания группы – образовательная составляющая проекта. Разработаны и введены с сентября этого года две магистерские программы по направлению «Электроника и наноэлектроника». Одна реализуется совместно с ЦНИИ «Электроприбор», АУ им. Ж.И.Алфёрова и Высшей школой механики и процессов управления СПбПУ, другая – с группой компаний «ЯДРО». Такое широкое вовлечение организаций-партнеров в учебный процесс, считает Вера Лобода, существенно повысит уровень профессиональных компетенций выпускников. Принцип сквозной подготовки кадров распространяется и на школьное образование. В рамках программы «Приоритет 2030» минувшим летом состоялась первая «Школа юного физика-экспериментатора». Базой для ее проведения послужила научная лаборатория по работе с одаренными детьми и талантливой молодежью, созданная в Академическом университете совместно с СПбПУ. Преподают в ней сотрудники лицея «Физико-техническая школа» и Центра высшего образования АУ им. Ж.И.Алфёрова. Десятидневная школа была призвана расширить арсенал знаний и умений старшеклассников из Санкт-Петербурга и Белгорода в прикладной физике и инженерии, что вполне удалось. Под руководством заведующего кафедрой общей физики АУ доктора физико-математических наук Романа Полозкова и кураторов из научной лаборатории учащиеся своими руками создали достаточно сложные экспериментальные устройства. Решено сделать такие школы ежегодными. В рамках той же программы в научной лаборатории АУ прошла подготовка школьников к Международной олимпиаде по экспериментальной физике и престижной конференции для учащихся «Сахаровские чтения». Около 200 ребят из России и других стран в течение двух дней представляли экспертам из академических и университетских центров Санкт-Петербурга свои работы в секциях физики, математики, программирования, биологии, истории и литературы. И. о. ректора университета профессор Алексей Филимонов очень надеется увидеть юных участников этих неординарных событий среди студентов АУ и Политеха. Как видно, роли рабочих групп консорциума четко расписаны, но их сотрудничество органично, и жестких границ между ними нет: дело-то общее не на один год. “На финише хотелось бы создать некую библиотеку, содержащую набор стандартных верифицированных компонентов, из которых, как из кирпичиков, можно построить здание, то или иное микро­электронное изделие, – размышляет профессор Александр Коротков. – К примеру, известно, что приемопередатчик для связи или радиолокации – это набор определенных блоков. А мы их уже заранее разработали, эти кристаллики в микроэлектронном исполнении хранятся в нашей библиотеке. Когда поступает задача, мы «снимаем с полки» нужные компоненты и передаем заказчику вместе с файлом, в котором прописан технологический процесс изготовления кристалла на фабрике. В регионе есть предприятия, способные подхватить наши разработки, это прежде всего петербургская «Светлана» и новгородская «Планета»; при поддержке Минпромторга и Минобрнауки мы могли бы упрочить наши связи2. Масштабирование проекта с вовлечением индустриальных партнеров – фирменный стиль Политехнического, имеющего огромный опыт внедрения собственных разработок. Можно не сомневаться, что так будет и на этот раз. Аркадий Соснов На снимке: Жорес Алфёров и Андрей Рудской на «теплоходной» конференции по нанотехнологиям. (Фото из книги «Калитка имени Алфёрова», 2010 год) The post Зовет гетеропереход. На базе питерского Политеха создан консорциум по микроэлектронике appeared first on Поиск - новости науки и техники.