Открыта новая эра в развитии микроэлектроники.
В мире полупроводниковых технологий карбид кремния (SiC) считается одним из самых перспективных материалов. Благодаря своей исключительной твердости, термостойкости и способности работать на высоких частотах он незаменим в производстве мощных светодиодов, высоковольтных диодов и других ключевых компонентов современной электроники. Однако широкому распространению карбида кремния препятствует то, что традиционные методы его производства крайне дороги. Мировой монополист в этой области - американская компания Cree. Кстати, технология производства объемных кристаллов, которую она использует, была разработана в СССР, в ЛЭТИ. Но внедрить ее на родине не удалось.
Сейчас Россия получила возможность не повторить ошибку прошлого и перехватить мировое лидерство в этой области. Разработан принципиально новый, более дешевый и эффективный метод получения высококачественных пленок карбида кремния. Сложную научно-техническую проблему решил заслуженный деятель науки РФ, доктор физико-математических наук Сергей КУКУШКИН (на снимке), руководитель лаборатории структурных и фазовых превращений в конденсированных средах Института проблем машиноведения РАН (Санкт-Петербург). Важнейшую роль в развитии и внедрении новой прорывной технологии играет Российский научный фонд.
«Поиск» попросил ученого рассказать о своей работе.
– Сергей Арсеньевич, на недавней пресс-конференции, посвященной итогам деятельности РНФ в 2025 году, директор Санкт-Петербургского научного фонда Юрий Снисаренко, говоря об успешных проектах, прежде всего назвал ваш - разработку технологии создания новой подложечной платформы для производства гетероструктур широкозонных полупроводниковых материалов для микрооптоэлектроники на основе подложки нанокарбида кремния на кремний. Проект выполняется во взаимодействии с технологическим партнером, и результатом его станет переход от единичных лабораторных образцов к технологическому масштабируемому решению. Наверное, этому предшествовали многие годы работы? Как все начиналось?
– Конечно, на пустом месте ничего не бывает. Где-то в 2004 году мы заинтересовались технологией получения новых полупроводниковых материалов - пленок нитрида галлия, нитрида алюминия, карбида кремния… К нам обратился бизнесмен, решивший внедрить в производство ряд новшеств. Мы предложили ему заняться полупроводниковыми приборами на основе нитрида галлия на кремнии.
Привлекало то, что полупроводниковые приборы на основе этих новых материалов обладают большими преимуществами по сравнению с теми, что производятся с использованием традиционных полупроводников. Так, например, электроника на основе нитрида галлия в компьютере во много раз повысит скорость обработки информации. Расширятся возможности сотовой телефонии. Пленки нитрида галлия - основа для изготовления белых светодиодов. И многого другого.
Мы заключили хоздоговор, начали изучать научную литературу. И обнаружили, что на Западе этой проблемой уже многие годы занимаются ведущие фирмы. Безрезультатно.
А проблема была в том, что подложкой для таких пленок служили нарезанные крупные монокристаллы карбида кремния или сапфира. И те, и другие очень дорогие. Карбид кремния - один из самых твердых материалов на Земле, он очень трудно поддается механической обработке и резке, что делает производство громоздким, энергозатратным и экономически неэффективным.
Но дело не только в его высокой стоимости. Один из недостатков монокристаллического карбида кремния как подложки для нитрида галлия - несовпадение расстояния между атомами подложки и пленки. Небольшое - всего 3% - но этого достаточно для образования заметного количества дефектов в гетероструктурах. Для создания наиболее сильноточных приборов такие полупроводники не годятся.
Сотрудники лаборатории за работой по измерению оптических свойств пленок карбида кремния на кремнии. Фото предоставлено С.Кукушкиным
Было ясно, что кардинальным решением могло бы быть получение дешевого карбида кремния на кремниевых подложках. Стоимость самих таких подложек невысока. Оптоэлектронику на основе нитрида галлия несложно интегрировать с кремниевой, а сегодня вся мировая электронная промышленность подстроена под выпуск кремниевых пластин. Выращивание пленок карбида кремния на кремнии позволило бы, не перевооружая основную производственную базу, получать электронные приборы и на новом материале.
Словом, требовалось разработать метод выращивания монокристаллических пленок карбида кремния на кремнии с низкой плотностью дефектов. Но ни установок для роста кристаллов, ни оборудования у нас не было. Нашли пару установок в соседних институтах. Пробовали на них вырастить карбид кремния на кремнии. Не получилось. А договор мы уже заключили!
– А понятно было, почему не получилось?
– Очень сильно отличаются кристаллические решетки кремния и карбида кремния (рассогласование - более 19%), существенная разница в коэффициентах термического расширения (около 8%). Все это приводит к появлению большого количества дефектов. Пробовали самые разные способы их устранения - безуспешно.
– Как же удалось решить эту проблему? Вопрос, который иногда задают дети на встречах с учеными: как сделать открытие?
– Мы понимали, что традиционные пути не для нас. Как я уже говорил, у нас не было дорогостоящего экспериментального оборудования. А кроме того, мы отдавали себе отчет в том, что вряд ли нам удалось бы догнать ведущие мировые центры, которые этой проблемой занимались десятилетия.
Пригодились фундаментальные знания в области теории фазовых превращений.
Мы рассчитали теоретически, что часть атомов в кристаллической решетке кремния можно заменить на углерод, то есть сразу превратить кремний в карбид кремния без его разрушения. Таким образом, образуется новое вещество, сформированное на основе кристаллической решетки кремния, но содержащее вакансии (пустоты на месте удаленных атомов) и атомы углерода. Время существования такого материала коротко, но его достаточно, чтобы на поверхности кремниевой подложки образовалась пленка из карбида кремния толщиной 100-200 нанометров.
Теперь нужно было придумать, как на практике доставить атом углерода внутрь кристаллической решетки кремния и одновременно с этим удалить только один соседний атом кремния.
Необходимо было найти такое химическое вещество, в результате взаимодействия с которым в решетку кремния внедрился бы атом углерода, но так, чтобы химическая реакция не протекала сразу до получения карбида кремния, а сначала образовалась бы промежуточная структура.
Таким веществом оказался… угарный газ.
Решение нашлось, можно сказать, случайно. У меня в голове бесконечно крутилась мысль: а что если приложить пластину графита к кремнию и нагреть? Может, возникнет диффузия… Хотя как химик я знал, что при температуре выше тысячи градусов по Цельсию реакция между графитом и кремнием практически не идет. Однако мысль не оставляла. Тогда я обратился к своему другу-химику: в его лаборатории была печь, в которой можно было провести такой опыт. Он отказывался, говорил, что это глупая идея, но потом все же согласился. А через некоторое время позвонил, изумленный, и сообщил, что пластина покрылась каким-то веществом. Я отдал ее на исследование. Этим веществом оказался карбид кремния. Вот была радость! Хотя мы сами не понимали, каким образом все произошло. Стали экспериментировать, менять условия…
Одновременно делали вакуумную печь у себя в институте. Вспоминаю, как работавший у меня в лаборатории талантливый ученый-экспериментатор с большим опытом в области выращивания пленок, собирая установку, ворчал: «Да не может этого быть! Попусту тратим время и деньги». И вот печь запущена. Измерили степень глубины вакуума. Действительно, глубокий. Загрузили образцы, запустили процесс… И о ужас! Пленка карбида кремния не выросла.
Стали разбираться. И оказалось, что в первом случае в печи был плохой вакуум. В камеру поступал кислород воздуха. Он вступал в реакцию с графитом, и в результате образовывались угарный газ и углекислый газ, которые взаимодействовали с кремнием, в результате чего и образовался карбид кремния.
Позже мы досконально разобрались в химии, физике, кристаллографии, в механике этого процесса. В общем, пришлось глубоко погрузиться в самые разные научные области. Стали проводить синтез карбида кремния в атмосфере угарного газа безо всякого графита, научились управлять его ростом и получать пленки для различных применений. Расплывчатую, показавшуюся вначале глупой идею о росте карбида кремния на кремнии довели до полной теории этого процесса, а теорию - до производства. Так впервые был разработан способ получения карбида кремния на кремнии, отличающийся от всех существующих в мире. Он получил название «метод согласованного замещения атомов».
Суть проста: обычная кремниевая пластина помещается в камеру с монооксидом углерода (угарным газом). Атомы углерода из газа проникают в кристаллическую решетку кремния и аккуратно замещают часть атомов кремния, образуя прямо внутри решетки монокристаллический слой карбида кремния. Благодаря тому, что новая пленка вырастает из самого кремния, проблема несоответствия кристаллических решеток решается естественным образом, а дефекты сводятся к минимуму.
– Вы наверняка работали не один. Кто входит в вашу команду?
– Одной из причин получения такого прорывного результата стало то, что удалось сформировать компактный коллектив, в котором есть теоретики, глубоко знающие и понимающие физику, химию роста кристаллов и пленок, владеющие методами компьютерного моделирования. А также, что очень важно, талантливые экспериментаторы и технологи с золотыми руками. Много открытий мы сделали, изучая свойства нового материала - карбида кремния, полученного согласованным замещением атомов. Пишутся дипломы, диссертации.
– Молодежь тоже с вами работает?
– Да, конечно. Молодежь у нас замечательная. Один из моих учеников получает стипендию Президента РФ для аспирантов, 75 тысяч рублей - это одна из самых престижных форм поддержки молодых ученых в России. Скоро защищает кандидатскую. Еще один сотрудник, 34 года, вот-вот выйдет на защиту докторской. Но вот что я хотел бы заметить, пользуясь случаем. Вы знаете, что сегодня без участия молодых специалистов ученому, перешагнувшему «рубеж молодости», грант не получить. Цель благая - закрепить молодых людей в науке. Но ведь зачастую для решения поставленных задач ученому столько молодых не нужно, достаточно одного-двух способных ребят.
На мой взгляд, не важно, молодой ты или «старый» (то есть старше 35-40 лет). Есть у тебя результаты, добро пожаловать в команду. Нет - учись, развивайся, работай, думай. Установки для синтеза карбида кремния на кремнии создают мои друзья и коллеги возрастом около 60. Как мы шутим, «старая гвардия». Когда мы только начинали разрабатывать наш метод, нам было под сорок. То есть понадобилось порядка семнадцати лет после окончания вуза, чтобы достичь достаточно высокого профессионального уровня. Когда я, будучи выпускником Ленинградского технологического института, попал в ФТИ им. А.Ф.Иоффе, руководитель лаборатории поручил мне вырастить один очень нужный для практики кристалл. Как это делать, никто тогда не понимал. Сам он при этом занимался совершенно другой темой. Мне пришлось учиться все делать самому. Не знаю, что бы из меня получилось без этого опыта. С молодежью нужно не нянчиться, как это происходит сейчас, а предоставлять ей больше возможностей для самостоятельной работы.
– Кто поддерживает ваши исследования?
– Поверив в нас, Санкт-Петербургское отделение РАН выделило средства на приобретение дорогостоящих приборов. В 2017 году нами был создан НТЦ «Новые технологии». С тех пор ход исследований значительно ускорился. С 2014 года нас постоянно поддерживает Российский научный фонд. Последний грант получили уже в этом году, на реализацию проекта с длинным названием: «Разработка технологии создания новой платформы для производства гетероструктур широкозонных полупроводниковых материалов для микросветодиодов, диодов Шоттки и других электронных элементов на основе подложки нанокарбида кремния на кремнии» (№26-93-20004). Он стал естественным продолжением предыдущего, поддержанного в 2023 году проекта «Разработка подложек кубического карбида кремния на кремнии (3C-SiC/Si) для роста транзисторных гетероструктур Ga(Al)N с высокой подвижностью заряда (HEMT)» (№26-93-20004).
– Какие конкретно результаты ожидаются?
– Мы разрабатываем универсальную платформу для электронных приборов на гетероструктурах, полученных путем выращивания буферного слоя карбида кремния на кремнии и формировании на его основе слоев других широкозонных полупроводников на кремнии. Эту платформу смогут использовать предприятия - производители гетероэпитаксиальных структур и силовой электроники на основе нитрида галлия: АО «Эпиэл», АО «НИИМЭ», АО «НПП Салют» и др. Проект финансируется тремя сторонами - РНФ, регионом (Санкт-Петербургским научным фондом) и производственным партнером.
– А находит ли ваше открытие применение уже сейчас?
– Конкретный пример использования нашей разработки - создание совместно с Научно-технологическим центром микроэлектроники и субмикронных гетероструктур РАН (НТЦ микроэлектроники РАН) и Физико-техническим институтом им. А.Ф.Иоффе первых отечественных микрочипов для микросветодиодов (Micro LED). Это открывает беспрецедентные возможности для создания отечественного производства микросветодиодов, которые будут раз в десять дешевле стандартных. Они нужны для дисплеев со сверхвысоким разрешением для ноутбуков, телевизоров, смартфонов, приборов военного применения. Можно делать светодиоды ранее недостижимого малого размера.
А еще оказалось, что слои карбида кремния, созданные нашим методом, обладают рядом уникальных физических свойств, изучением которых мы продолжаем заниматься. Например, на основе этого нового материала могут быть созданы терагерцовые приемники и излучатели. И уже создаются. Так, доктор физико-математических наук Николай Баграев, ведущий научный сотрудник ФТИ им. А.Ф.Иоффе, который на полставки ведущего научного сотрудника работает и в моей лаборатории, создал медицинский прибор, используя микроэлектронику на базе карбида кремния на кремнии. Прибор крепится на руке и запускает целый каскад биохимических реакций на клеточном уровне, «сжигает» избыточный сахар у людей, болеющих диабетом, а также способствует восстановлению пациентов после перенесенных инсультов и инфарктов. Н.Баграев активно сотрудничает с Национальным медицинским исследовательским центром им. В.А.Алмазова.
Еще более широкие перспективы применения у нового метода в будущем. Это создание радиационно-стойкой электроники для работы в экстремальных условиях: в космическом пространстве, на атомных электростанциях, в солнечной энергетике. Технология согласованного замещения атомов может стать основой для создания нового поколения солнечных батарей, способных работать в самых жестких климатических условиях.
На мой взгляд, экономический эффект нашего открытия трудно переоценить. По сути, это скачок на новый уровень в мировой электронике. Вот что значит не следовать в фарватере мировых лидеров, а двигаться самостоятельно. Россия может занять лидирующее положение в области организации производства пластин монокристаллических слоев карбида кремния на кремнии.
Наталия БУЛГАКОВА
Обложка: фото предоставлено С.Кукушкиным
