Преодоление «долины смерти». Как физики соединяют науку и промышленность

Ученые Института физики полупроводников им. А.В. Ржанова СО РАН рассказали на форуме «Золотая Долина» в Новосибирском госуниверситете о наработанном опыте применения исследовательских разработок в индустрии, представив как недавно появившиеся, так и неоднократно апробированные институтом подходы.

Речь шла о преодолении «долины смерти» между научными разработками и их промышленным применением, способах выхода на индустрию, получении обратной связи, разработке и отладке технологических процессов на пути к готовым изделиям.

В работе двух пленарных заседаний и секции «Приборостроение и машиностроение» приняли участие директор ИФП СО РАН академик РАН Александр Васильевич Латышев, заместитель директора кандидат физико-математических наук Георгий Юрьевич Сидоров, заведующий молодежной лабораторией кандидат физико-математических наук Денис Сергеевич Милахин. В презентации молодежных лабораторий на главной сцене форума участвовали Денис Милахин и заведующий лабораторией физико-технологических основ создания фотоприёмных устройств на основе полупроводников A3B5 ИФП СО РАН кандидат физико-математических наук Максим Сергеевич Аксенов.

На первом пленарном заседании «Запросы реального сектора экономики на создание новых технологий», которое модерировал Александр Латышев, обсуждались ключевые вопросы взаимодействия науки и промышленности.

Руководитель департамента инновационного развития АО «Объединённая двигателестроительная корпорация» Евгений Олегович Павлов рассказал о роли кооперации в инновационном развитии двигателестроительной отрасли, обозначив текущие вызовы и подходы к развитию сотрудничества. Виктор Васильевич Славянцев, руководитель проектов высшей категории инновационного развития госкорпорации «Ростех» представил онлайн доклад, в котором осветил вопросы технологического суверенитета через призму научно-технологического развития. Особое внимание он уделил важности прогнозирования научно-технологического развития на уровне страны, отметив, что проект прогноза НТР, представленный Российской академией наук еще в 2008 году, являлся наиболее приемлемым.

Вице-президент по технологиям АФК «Система» Анна Валерьевна Коротченкова рассказала о форматах партнерства бизнеса и науки на примере АФК «Система». Она отметила, что у компании существует три типа направлений, для которых могут потребоваться наукоемкие решения. Это текущие операционные задачи, запрос на новые технологии и продукты (в горизонте 3-5 лет) и долгосрочные инвестиционные проекты. Спикер подчеркнула важность интеграции научных проектов в бизнес-процессы корпорации.

Константин Юрьевич Котляров, руководитель по научно-исследовательской работе АО «АвтоВАЗ», поделился опытом внедрения искусственного интеллекта на предприятии, отметив ключевые моменты: важность правильной постановки задач, ориентации на потребительский запрос и необходимость создания новой ценности для потребителя.

Ян Витаутасович Зубавичус, доктор физико-математических наук заместитель директора ЦКП «СКИФ», представил информацию о возможностях центра для промышленных предприятий. Особое внимание было уделено станциям первой очереди и их потенциальному применению в реальном секторе экономики. Среди примеров использования синхротронного источника для решения технологических задач, ученый отметил проект, выполняемый совместно с ИФП СО РАН и промышленным партнером — осуществление неразрушающей визуализации (с нанометровым разрешением) устройств микроэлектроники.

Сергей Викторович Кривальцевич, заместитель генерального директора Омского НИИ приборостроения, исполняющий обязанности директора Института радиофизики и физической электроники Омского научного центра СО РАН подчеркнул важность синхронизации работы университетов и предприятий при совместных разработках. Он отметил несколько успешных приемов, которые позволяют быстро внедрять разработки: поддержание контактов с научной общественностью разных городов через систему научных семинаров, поездок, конференций, проведение конференций и семинаров на собственной площадке, проведение совместных (с вузами и НИИ) работ по уникальным научным направлениям.

Лев Сергеевич Носенко, генеральный директор АО «Новосибирский завод радиодеталей “Оксид”», подчеркнул, что половина задач предприятия связана со снижением стоимости продукции. Для решения этой задачи разрабатываются новые материалы, не имеющие в составе драгоценных металлов. В частности, в сотрудничестве с Новосибирским госуниверситетом было получено решение — создан высокоомный резистор с использованием перовскитов.

По итогам проведенного заседания модератор А.В. Латышев резюмировал: участники дискуссии представили анализ текущих проблем, сформулировали ключевые запросы к партнерам, продемонстрировали успешные кейсы из практики, а также выразили высокую заинтересованность в развитии сотрудничества.

Преодоление «долины смерти»: успешный опыт ИФП СО РАН

На втором пленарном заседании доклады касались научных разработок для индустрии. Одна из ключевых проблем — так называемая «долина смерти» между научными разработками и их промышленным применением.

Об опыте Института физики полупроводников СО РАН в преодолении этого разрыва рассказал заместитель директора ИФП СО РАН кандидат физико-математических наук Георгий Сидоров: «Проблема здесь видна сразу. Университеты и научные организации на шкале TRL или УГТ (уровня готовности технологий) располагаются в цифрах от одного до трех, а индустрия начинается от восьми. Вот эта мертвая долина и является главным барьером», — отметил ученый.

По его словам, решение проблемы ИФП СО РАН видит в том, чтобы по итогам ОКР (опытно-конструкторских работ) находить способы выхода с продукцией на индустриального потребителя и поставлять ему малые серии разработанных образцов. «Поставка позволяет провести апробацию продукции на реальных изделиях, в реальных индустриальных условиях, которые нам как институту-разработчику, недоступны. Мы получаем дополнительную обратную связь, на основе которой можем внести корректировку в техническую, контрактную документацию и доработать нашу технологию до того уровня, который готова воспринимать индустрия», — объяснил Георгий Сидоров.

Конечно, для индустрии такой вариант – не самый выгодный, поскольку ведет к дополнительным издержкам. Но, по мнению ученого, это единственный способ сократить «долину смерти» и обеспечить внедрение разработок в производство.

Институт физики полупроводников накопил большой опыт в реализации такого подхода. Например, при становлении и развитии технологии молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ) для производства полупроводниковых материалов в институте создана собственная линейка установок, а также ряд другого оборудования, которое обеспечивает контроль ростовых процессов, в том числе в режиме реального времени.

«Технологический уровень, который мы смогли достичь, достаточно высок. Иллюстрацией может служить разработанная нами по заказу ПАО «Ракетно-космическая корпорация “Энергия” им. С. П. Королёва» установка молекулярно-лучевой эпитаксии, которая прошла все наземные испытания и предназначена для эпитаксии в открытом космосе», — подчеркнул Георгий Сидоров.

Кроме того, институт создает большое количество полупроводниковых материалов, которые поставляются промышленным потребителям.

Комплекс установок молекулярно-лучевой эпитаксии, разработанный в ИФП СО РАН, фото Виктора Яковлева

Замдиректора ИФП СО РАН привел в пример работы института по созданию полупроводниковых материалов для СВЧ-электроники. Когда были получены первые приборные структуры, институт начал активно искать потребителей, чтобы провести апробацию технологии. Несмотря на то, что по некоторым параметрам материалы уступали импортным аналогам, обратная связь позволила дорабатывать технологию. В результате, в последние годы наблюдается взрывной рост объема поставок этих материалов.

Для другой разработки — источника одиночных фотонов, находящегося сейчас на стадии опытного образца, ИФП СО РАН ищет индустриального партнера, который мог бы апробировать устройство в своих изделиях.

Наиболее полный цикл работ с потребителем реализован институтом при создании инфракрасных детекторов на основе соединений А₂B₆. Здесь пройден путь от разработки эпитаксиального оборудования до изготовления финальных изделий — охлаждаемых инфракрасных фотоприемных устройств. На каждом этапе ИФП СО РАН поставлял малые серии разработок промышленным партнерам для испытаний и получения обратной связи.

«Результатом являются мелкосерийно выпускаемые сложные технологические изделия. Одно из них — высокоскоростной инфракрасный детектор, который можно использовать для мониторинга быстротекущих процессов, скорость считывания составляет 10 килогерц, позволяет наблюдать быстродвижущиеся объекты. Так, например, можно контролировать состояние, температуру колесных пар поездов, лопаток турбин, точность мониторинга температур при этом очень высокая и на ранней стадии можно определять технические сбои и проблемы», — продолжил Г.Ю. Сидоров. Он также отметил, что Институт физики полупроводников движется в сторону создания компактных носимых устройств на базе ИК-детекторов для медицинской термографии.

По мнению эксперта, для преодоления «долины смерти» и эффективного внедрения научных разработок в промышленность необходима поддержка государства. Георгий Сидоров привел пример Китая, где правительство поставило четкую стратегию: каждую разработку своих НИИ оно скупало определенным тиражом и направляло потенциальным потребителям. В результате за 15 лет китайские приборы догнали, а некоторых случаях опередили, российские и европейские аналоги. «Я считаю, что государство хотя бы в рамках тех опытно-конструкторских работ, которые оно ставит научно-исследовательским институтам, могло бы реализовывать закупку малых серий и стимулировать их внедрение в промышленность», — заключил исследователь.

Участники секции отметили, что текущая ситуация создает новые возможности для развития отечественных технологий и углубления сотрудничества между наукой и промышленностью.

Создание технологии по запросу индустрии

В молодежной лаборатории ИФП СО РАН ведется разработка технологии производства полупроводниковых гетероструктур на основе нитрида галлия и нитрида алюминия. Эти материалы находят широкое применение в силовой и СВЧ-электронике. Подразделение создавалось Минобрнауки России на конкурсной основе, в рамках национального проекта «Наука и университеты».

«Идея данного конкурса была в том, чтобы собрать пул задач у предприятий и подключить к решению этих задач ведущие научно-исследовательские институты», — отметил руководитель лаборатории аммиачной молекулярно-лучевой эпитаксии GaN гетероструктур на подложках кремния для силовых и СВЧ транзисторов кандидат физико-математических наук Денис Сергеевич Милахин.

Сотрудниками нового подразделения стали молодые исследователи, а также соисполнители от предприятий-партнеров: АО «Зеленоградский нанотехнологический центр» и АО «НПП “Исток” им. Шокина». Первый партнер видит применение нитридных гетероструктур в высоковольтных блоках питания постоянного тока и AC-DC преобразователях, системах беспроводной зарядки электроники. Второй представитель промышленности специализируется на разработке систем связи, систем 5G и 6G.

Для реализации проекта ученые использовали современное оборудование института, а также диагностические комплексы для контроля качества пленок в процессе роста. Кроме того, были задействованы ресурсы Центра коллективного пользования ИФП СО РАН «Наноструктуры», включающего атомно-силовые, сканирующие электронные и просвечивающие электронные микроскопы и комплекс оборудования для ближнепольной микроскопии и спектроскопии компании Horiba, установку фотоэлектронной спектроскопии с угловым разрешением.

«Современная приборная база существенно помогла в разработке технологии. Наша задача была за два с небольшим года отработать этапы роста гетероструктуры, и мы с ней справились. Каждый этап отдельно был реализован, подкреплен публикацией наших исследований в рецензируемых научных журналах, — рассказал Денис Сергеевич, — Мы получили гетероструктуры на подложках кремния и карбида кремния с параметрами двумерного электронного газа, сопоставимыми с мировым уровнем. Сейчас они переданы на апробацию предприятиям-партнерам для изготовления экспериментальных СВЧ- и силовых транзисторов, а технология их производства планируется к внедрению».

Ответ на запрос промышленности: отечественные фотодиоды для линий связи

Другая молодежная лаборатория ИФП СО РАН, тоже созданная в рамках конкурса 2022 года, и работающая в интересах индустриального партнера, фокусируется на создании кристаллов (чипов) лавинных фотодиодов — как для оптоволоконных линий связи, так и для передачи данных в открытом пространстве.

Для этого ученые решают несколько задач: с одной стороны, разрабатывают дизайн послойного состава гетероструктур (полупроводникового материала), которые требуются для фотоприемного устройства. С другой — разрабатывают топологию: общие размеры кристалла (чипа), внешний вид, геометрию контактов, отрабатывают процессы фотолитографии, химического и плазмохимического травления материала, режимы осаждения металлических и диэлектрических покрытий.

«Процесс изготовления фотоприемных устройств включает более 20-30 технологических операций. В упрощенном виде этапы выглядят следующим образом: производится синтез гетероструктуры, изготовление кристалла, тестирование. Важна обратная связь от индустриального партнера: процесс может длительно повторяться на каком-то этапе, пока не достигнет хорошего результата, устраивающего промышленность. Все перечисленное мы проводим в ИФП СО РАН, а на выходе получаем технологию как готовый продукт. Ее можно внедрять, работая с конкретными заказчиками, дальше возникают вопросы стоимости, адаптируемости, масштабируемости, решаемые по-разному в каждом отдельном случае», — пояснил заведующий лабораторией физико-технологических основ создания фотоприёмных устройств на основе полупроводников A₃B₅ кандидат физико-математических наук Максим Сергеевич Аксенов.

Другой вариант взаимодействия с индустрией — путь к готовому продукту. «Именно готовый продукт всем и нужен, в нашем случае речь идет о фотодиоде, уже в корпусе, и желательно с усилителем. Поэтому требуется корпусирование, тестирование и опять обратная связь. На выходе получаем изделие — фотодиод, который можно вставить в оптоволоконные линии связи.

Здесь очень удобно привлекать технологических партнеров, потому что мы сталкиваемся с отдельной областью знаний, не связанной напрямую с технологией изготовления чипа. В частности, изготовление корпуса и само корпусирование — сложная отрасль, требующая специфических компетенций и оборудования», — отметил Максим Сергеевич.

Лаборатория опирается на уже наработанный опыт ИФП СО РАН в области создания разных типов фотоприемных устройств, включая СВЧ-pin фотодиоды, мощные СВЧ-фотодиоды с барьерами Шоттки и однофотонные лавинные фотодиоды.

Именно фотодиоды (фотоприемные устройства) определяют скорость преобразования оптического сигнала в электрический, что необходимо для обработки информации в современных компьютерных системах.

«Использование оптоволоконных технологий имеет существенные преимущества перед традиционными СВЧ-трактами: низкие потери при передаче сигнала, высокая пропускная способность и значительное снижение веса оборудования», — подчеркнул заведующий лабораторией.

Результаты ряда исследований, выполненных сотрудниками молодежной лаборатории, опубликованы в ведущих научных журналах и представлены на конференциях. Планируется расширение сотрудничества с промышленными партнерами для решения вопросов масштабирования, адаптируемости технологии, получения готовых изделий, а также их тестирования.

Справка: Научно-производственный форум «Золотая Долина» (31 октября-1 ноября) организован Новосибирским государственным университетом второй раз. Мероприятие призвано стимулировать развитие российской науки, инноваций и промышленности, укрепляя связи между академической средой и реальным сектором экономики. Программа форума включала деловую часть — пленарные заседания и секции по разным тематикам; выставку проектов, технологий и разработок; переговоры (площадку для подписания соглашений и договоров между участниками форума); и культурно-развлекательную программу с научным оттенком.

Фото на обложке: форум «Золотая долина», фото пресс-службы НГУ. Все снимки предоставлены пресс-службой ИФП СО РАН