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.