Исследование, которое ведет кандидат физико-математических наук Павел Середин, получило недавно весомую поддержку — грант Российского фонда фундаментальных исследований. Молодой ученый занимает должность старшего научного сотрудника на кафедре физики твердого тела и наноструктур Воронежского государственного университета (ВГУ). Под его руководством в совместной лаборатории ВГУ и Физико-технического института (ФТИ) им. А.Ф.Иоффе идет работа над созданием недорогих технологий, которые позволят улучшить свойства полупроводниковых материалов для современной опто-электроники.
— Известно, что оптические каналы связи обладают очень высокой информационной емкостью, — рассказывает Павел Владимирович в интервью для “Поиска”. — Оптоэлектронные приборы обеспечивают высокоскоростную передачу больших массивов данных, динамическое и долговременное их хранение, сверхбыструю обработку и высококачественное отображение сигналов. Однако развитие оптоэлектроники сдерживается отсутствием эффективного источника света — светодиода или лазера. Объясняется это тем, что кремний (основной материал современной микроэлектроники) не способен эффективно излучать свет. И в настоящее время активно изучаются возможные способы улучшения его светоизлучающей способности. Один из них — создание полупроводников на основе трехвалентных (галлий, индий, алюминий) и пятивалентных (фосфор, мышьяк) химических элементов, так называемая AIIIBV-технология. Но, несмотря на ряд преимуществ, она имеет один существенный недостаток: слишком высокую цену. Микросхемы, изготовленные из таких полупроводников, стоят примерно в 100 раз дороже традиционных.
Наша исследовательская группа уже достаточно давно занимается изучением эпитаксиальных (слоистых кристаллов из различных элементов) гетероструктур на основе полупроводниковых твердых растворов AIIIBV (то есть состоящих из атомов 3-й и 5-й групп таблицы Менделеева). Напомню, что гетероструктуры — это полупроводниковые материалы с несколькими гетеропереходами (контактами двух различных по химическому составу полупроводников). Уникальность свойств многослойных гетероструктур определяется атомными и электронными процессами, протекающими как в самих слоях, так и на границах между ними. Происходит постоянная модернизация технологий получения этих структур одновременно с развитием прецизионных (точных) методов диагностики и теории.
Наибольшее распространение эпитаксиальные многослойные гетероструктуры на основе AIIIBV твердых растворов — алюминий-галий-мышьяк (AlGaAs), алюминий-индий-мышьяк (AlInAs), индий-галлий-мышьяк (InGaAs), галлий-индий-фосфор (GaInP) — нашли в таких областях, как волоконно-оптические линии связи, солнечные фотопреобразователи электрической энергии, полупроводниковые лазеры, и других. Наши исследования в этом направлении уже отмечены различными наградами, поддержаны грантами, в том числе такими престижными, как гранты РФФИ, Президента РФ для молодых ученых.
В последнее время еще одним активно развиваемым нами направлением стало получение и исследование наноструктур на основе кремния. Мысли о том, что стоит объединить направления наших исследований, появлялись давно, но лишь в прошлом году во время завершения работы над докторской диссертацией, посвященной тонким структурным и оптическим свойствам гетероструктур на основе AIIIBV, пришло стойкое понимание того, куда нужно двигаться дальше.
Мы создали целую серию экспериментальных наработок в обеих развиваемых нами областях: методики получения наноразмерных объектов и принципы моделирования физических процессов в полупроводниковой технологии, позволяющие выявлять оптимальные для практического применения режимы получения полупроводниковых наноструктур. Все эти наработки необходимо реализовывать, поэтому мы решили активизировать свои усилия в направлении интеграции AIIIBV и кремниевых технологий.
Немаловажным побуждающим мотивом исследований стала также необходимость разработки новой элементной базы для микромеханики, опто-, нано- и микроэлектроники.
— В чем смысл интеграции AIIIBV и кремниевых технологий?
— Серьезным барьером на пути повышения темпов развития оптоэлектронной промышленности и солнечной фотоэнергетики становится относительно высокая себестоимость конечного продукта, так как основными материалами для производства такого рода высокоэффективных устройств служат полупроводники AIIIBV, в которые входят такие дорогие элементы, как галлий и индий. Полупроводниковые твердые растворы на основе соединений AIIIBV обеспечивают преимущество перед кремниевой электроникой благодаря целому ряду свойств, но технология производства AIIIBV-компонентов и устройств на их основе недешевая. Кроме того, такие приборы и устройства потребляют больше энергии, чем их кремниевые аналоги. Поэтому один из наиболее высокоперспективных способов улучшения характеристик создаваемых приборов, снижения их энергопотребления, повышения эффективности, уменьшения издержек их производства — объединение оптических функциональных элементов AIIIBV на кремниевом чипе (светодиоды и инжекционные лазеры, СВЧ-приборы, солнечные батареи, фотоприемники). Это позволит еще больше миниатюризировать полупроводниковые системы за счет очень высокой интеграционной плотности и создавать однокристальные решения для целой системы (так называемые системы на кристалле). Конструирование уникальных оптических функциональных элементов — наногетероструктур на основе соединений AIIIBV — и их интеграция на кремниевом чипе высокоперспективны, это заветная мечта оптического сообщества.
Конечно, тема не нова, и нельзя утверждать, что мы здесь пионеры. Исследования набирают обороты за рубежом в лабораториях крупных корпораций, специализирующихся в области производства электроники. (В России такие работы на экспериментальном уровне, можно сказать, не ведутся). Получен ряд результатов, внедренных в производство, но, что основные фундаментальные проблемы AIIIBV/Si-технологий решены, сказать нельзя. Словом, у нас есть над чем работать.
— Как вы проводите свои исследования? С кем сотрудничаете?
— Наши исследования проходят в тесной кооперации с коллегами из лаборатории полупроводниковой люминесценции и инжекционных излучателей ФТИ, с которыми мы имеем давние и очень теплые научные отношения. Начало сотрудничеству было положено нобелевским лауреатом академиком Жоресом Алфёровым и профессором ВГУ Эвелиной Домашевской при непосредственном участии ведущего научного сотрудника ФТИ профессора Ивана Арсентьева. Это научное сотрудничество активно развивается при поддержке заведующего лабораторией профессора Ильи Тарасова. Ряд экспериментов мы планируем провести совместно с нашими зарубежными коллегами из Технологического института в городе Карлсруэ (Германия), они предоставляют нам свое оборудование. Сейчас же основная работа проводится в стенах кафедры физики твердого тела и наноструктур Воронежского госуниверситета.
— Что уже сделано на данный момент, какие получены результаты?
— Сегодня мы заняты разработкой и оптимизацией технологии создания матриц пористого кремния, а также совершенствуем технологию получения буферных слоев на его основе — переходной области для более качественного роста с помощью методов эпитаксии твердых растворов на основе AIIIBV на кремнии. Плодотворно в этом направлении работает участник нашей группы, научный сотрудник кафедры физики твердого тела и наноструктур Александр Леньшин, которого можно без преувеличения назвать одним из ведущих специалистов в этой области.
— Какие работы планируете провести на средства гранта?
— Возможности, которые мы получаем благодаря их использованию весьма обширны. Открывается перспектива успешно решить нашу основную задачу — установить закономерности и особенности функционирования образцов наногетероструктур AIIIBV, интегрированных с кремнием. Предстоит провести их диагностику, исследовать свойства, установить атомное, электронно-энергетическое строение, определить электрофизические характеристики. И конечно же планируем разработать промышленную технологию создания таких наногетероструктур.
— А что дальше? Что в будущем ожидать от этих технологий?
— Цель любого исследования, на мой взгляд, не только в том, чтобы достичь поставленных задач. Они потом могут пылиться на полках в виде отчетов. В полученных данных должно быть нечто такое, что открывает перспективы для нового поиска, появления технических средств с необычными свойствами. В будущем, мы считаем, было бы заманчиво отработать технологию формирования на кремниевых подложках наногетероструктур AIIIBV, полученных за счет управляемой самоорганизации, самосборки и самоупорядочения.
Мы очень надеемся, что задачи, которые нам удастся решить в ходе выполнения проекта, поддержанного грантом Российского фонда фундаментальных исследований, лягут в основу технологии создания оптоэлектронных компонентов и фотоэлектрических преобразователей на основе AIIIBV/Si-структур, что обеспечит им конкурентное преимущество по сравнению с традиционными материалами оптоэлектроники.
Беседовал Василий ЯНЧИЛИН
Фото из архива П.Середина
Нет комментариев