A3B5: Новгородские учёные делают микроэлектронику чувствительнее и устойчивее к высоким температурам

В НовГУ создана лаборатория «Новые материалы». Она войдёт в состав Новгородской технической школы. До введения здания НТШ в эксплуатацию лаборатория будет работать на территории университета. В ней занимаются разработкой полупроводниковых фотоприёмников, микро- и наноэлектронных приборов СВЧ и силовой электроники на основе новых материалов.

«Глаза» пожарных датчиков и систем слежения

Более 50 лет новгородские учёные занимаются полупроводниковыми приёмниками оптического излучения. Разработанные компоненты использовались при создании первого в СССР тепловизора, в авиационных системах зондирования поверхности Земли, головках самонаведения ракет «воздух-земля», пультах дистанционного управления телевизорами. Сотрудники Политехнического института разрабатывали систему зрения для комплексов обнаружения летательных и космических аппаратов на больших расстояниях по программе «ОСА». В настоящее время фотоприёмниками из НовГУ комплектуются пожарные датчики в поездах РЖД.

— Приёмники оптического излучения — это «глаза» оптоэлектронных систем, — говорит заведующий кафедрой общей и экспериментальной физики, профессор Валерий Гаврушко. — Для реализации каждой новой технической задачи — обнаружения, сопровождения цели, анализа изображения — требуется разработка оптимального приёмника, имеющего свой диапазон спектральной чувствительности, конфигурацию приёмных площадок, конструкцию.

Универсального фотоприёмника не существует. Поэтому наше направление актуально всегда, — подчёркивает учёный.

В полупроводниковой электронике в основном используется кремниевая технология. Но фотоприёмники на кремнии могут работать в узком спектральном интервале — чуть шире, чем видит глаз человека. Для работы в других оптических диапазонах необходимо использовать целый набор полупроводниковых материалов — германий, антимонид индия, арсенид индия, полупроводниковые твёрдые растворы.

Валерий Гаврушко курирует направление полупроводниковых фотоприёмников в лаборатории «Новые материалы».

Замерить дозу ультрафиолета

Сейчас коллектив занят разработкой компонентов для создания тестеров качества искусственных источников света и датчиков дозы солнечного излучения.

— Энергосберегающие лампы и LED-приборы излучают ультрафиолетовый свет, — поясняет Валерий Гаврушко. — Потом с помощью люминофора он преобразуется в видимый. Иногда это делается не очень качественно. Много ультрафиолета может уходить, если люминофор низкого уровня. Такой свет влияет на расширение зрачка. Это вредно для зрения и может приводить к бессоннице. Наличие излучения с длиной волны менее 400 нанометров, как показывают медицинские исследования, является крайне нежелательным.

Лаборатория будет работать над двухцветными фотоприёмниками. Они позволят определять соотношение ультрафиолетового излучения и видимого света. Готовый тестер по размеру будет как смартфон. Аналоги у него существуют, но они очень дороги.

— Качественный ультрафиолетовый фотоприёмник на основе карбида кремния может стоить тысячи долларов, — рассуждает Валерий Гаврушко. — Мы будем использовать традиционный кремний и работать по серийной технологии. Это позволит значительно снизить стоимость прибора. Кремниевые приёмники хорошо чувствуют излучение в видимом и инфракрасном диапазоне, но не предназначены для ультрафиолетового излучения. Однако мы изменили спектральную характеристику таким образом, чтобы увеличить чувствительность в одном диапазоне и убрать в другом. Мы научились технологически формировать нужную спектральную характеристику. Есть возможность чётко с помощью оригинального кремниевого приёмника выделять ультрафиолетовый диапазон.

Эти же дифференциальные фотоприёмники планируют использовать в коммерческих датчиках доз солнечного излучения. Такое устройство отдыхающий сможет взять с собой на пляж. В определённый момент оно просигнализирует, что пора уйти с солнца.

Расширяя возможности создания аппаратуры

Традиционные для электроники материалы работоспособны при температуре до +125 °С. При перегреве техника выходит из строя. Использование новых материалов позволяет существенно расширить температурный диапазон применения изделий.

— Мы проводили анализ микроструктур на основе нитрида галлия, — говорит инженер лаборатории «Новые материалы» Геннадий Гудков. — При нагреве до +300 °С он оставался вполне работоспособен в то время как традиционный кремний выходит из строя при +125 °С.

Структуры на основе нитрида галлия и других соединений A3B5 открывают новые перспективы в развитии силовой, высокочастотной электроники и фотоники.

— Эти материалы расширяют возможности по сравнению с кремнием, — объясняет заведующий кафедрой физики твёрдого тела и микроэлектроники, профессор Борис Селезнев. — Кремний — основной массовый материал микроэлектроники, номенклатура всех приборов, всех интегральных микросхем, которые используются в производстве бытовой электроники. Но необходимо расширять возможности применения. Материалы A3B5 имеют специфическую энергетическую структуру. Такие соединения существенно расширяют возможности создания специальной аппаратуры в самых разных областях — силовой, оптической и сверхвысокочастотной электронике, а также в фотонике.

Без таких разработок немыслима современная наноэлектроника: серийное производство транзисторов, диодов, лазеров для передачи данных в оптоволоконных системах связи, газовых датчиков.

— Основное назначение разработок — улучшение характеристик полупроводниковых материалов, которые используются на всех этапах производства радиоэлектронных изделий, — подчёркивает заведующий лабораторией «Новые материалы», профессор Максим Захаров. — Ни одно современное электронное изделие без них не обходится. Разработки могут сделать выше их быстродействие, расширить температурный интервал эксплуатации. Их можно продавать как технологии, сырьевую базу.

В тесном контакте с промышленностью

Лаборатория новых материалов будет сотрудничать с ОКБ «Планета», НПП «Планета-Аргалл», Московским заводом «Сапфир», Ленинградским оптико-механическим объединением. Частично команда будет укомплектована штатными сотрудниками «Планеты».

Для исследования новых материалов и перспективных разработок нужны атомные микроскопы, толщинометры, оборудование для технологической обработки в газовых средах — отжига, внедрения примесей, спектрометры, монохроматоры, полезные измерители, источники питания, осциллографы и другая аппаратура. Со временем эта аппаратура появится в лаборатории.

— Прикладные, а тем более фундаментальные исследования требуют времени, — говорит заведующий лабораторией Максим Захаров. — Новые материалы — это не просто синтез, а в том числе исследования, изменение свойств и, наконец, применение. За один год получить серьёзный результат практически невозможно, даже если есть существенный задел. У нас есть краткосрочная трёхлетняя и среднесрочная пятилетняя программы.

Руководство и сотрудники лаборатории верят, что в стенах НТШ будут получены значительные результаты для российской полупроводниковой промышленности.