Член-корреспондент РАН Сергей Иванов рассказал о достижениях в области широкозонных полупроводниковых материалов

В рамках круглого стола «Широкозонные полупроводниковые и родственные материалы» форума «Микроэлектроника 2025» директор Физико-технического института им. А.Ф. Иоффе РАН (Санкт-Петербург) член-корреспондент РАН Сергей Иванов подробно рассказал о текущих разработках института в области широкозонной фотоники и электроники на основе перспективных материалов: нитрида галлия (GaN), карбида кремния (SiC) и оксида галлия (Ga₂O₃).

Открывая выступление, Сергей Иванов напомнил о стремительном переходе мирового научного сообщества широкозонных полупроводников А²В⁶ к исследованию нитридных материалов в конце 1990-х годов после технологического прорыва сотрудника компании Nichia Суджи Накамуры (Япония), после чего ФТИ РАН также включился в исследования в этой области. С 2005 года основные усилия были сосредоточены на плазменно-активированной эпитаксии нитридов алюминия-галлия (AlGaN) для создания полупроводниковых устройств, работающих в среднем ультрафиолетовом (УФ) диапазоне. «Тогда мы составили план, включающий стандартные задачи: эпитаксиальный рост, изучение структурных, оптических и электрофизических свойств, а далее углубление в различные типы конструкций наногетероструктур: сверхрешёток, сверхтонких (1-2 монослоя) квантовых ям и др. Ну и в итоге, разработка цикла ростовых и постростовых технологий операций, изготовление экспериментальных образцов УФ-С излучателей и солнечно-слепых фотоприёмников», — пояснил учёный. Большая часть этих задач, по его словам, выполнена на уровне УГТ 3-4, теперь стоит новая — проведение НИОКР для передачи этих технологий российским квалифицированным заказчиками и внедрения результатов разработок УФ-С фотоники, которые пока, к сожалению, в нашей стране большим спросом не пользуются.

Вместе с тем, создание УФ-С и УФ-В светодиодов и солнечно-слепых фотодиодов (рабочая длина волны короче 290 нм) на основе нитридов алюминия-галлия — это общемировой научно-технологический тренд с ростом объёма рынка на 25 % ежегодно, продолжил учёный. Области их применения весьма обширны: оптическая дезинфекция воды/воздуха/поверхностей вместо небезопасных ртутных ламп, активная и пассивная оптическая локация источников УФ-С излучения, помехозащищённая связь в условиях непрямой видимости, люминесцентный анализ веществ воздействием УФ-С излучения и др. Сотрудники ФТИ РАН занимаются созданием эффективных светоизлучающих структур для УФ-диапазона, в частности, им удалось вырастить на подложках сапфира уникальные активные структуры с несколькими сотнями одинаковых сверхтонких квантовых ям толщиной 1 или 2 двухатомных слоя Ga-N, внедрённых в матрицу чистого AlN, которые способны перекрывать излучением спектральный диапазон 230-280 нм. При возбуждении таких структур электронным пучком совместно с коллегами из Троицкого обособленного подразделения ФИАН достигнуты рекордные мощности излучения — десятки ватт в импульсе, и до 200 мВт при непрерывном излучении, «что недостижимо для традиционных светодиодов — 20 мВт максимум», — отметил докладчик. Параметры же фотодиодных приемников, созданных в ФТИ РАН, соответствуют мировому коммерческому уровню.

Также Сергей Иванов упомянул работы с широкозонным оксидом галлия (Ga₂O₃), отметив их бурное развитие в мире за последние 10 лет и значительные преимущества этого материала, например, более высокое пробивное напряжение. «Но есть и низкая теплопроводность, и сложности p-легирования», — сообщил он. В этой связи в ФТИ РАН разработана технология роста объёмных кристаллов оксида галлия с использованием отечественного оборудования АО «ЭЗАН» и уникальная для РФ капельная (mist) CVD эпитаксия, позволяющая выращивать как плёнки Ga₂O₃, так и их комплиментарных твёрдых растворов оксида галлия-хрома (CrGa)₂O₃, восприимчивых к p-легированию атомами меди, что открывает возможности создания более эффективных гетероструктурных фотодиодов и увеличения напряжения пробоя силовых p-n диодов на основе оксида галлия.

И наконец, Сергей Иванов отметил существенный задел и экспертный уровень учёных ФТИ РАН в исследованиях карбида кремния (SiC) и технологии силовых диодов Шоттки на его основе, что позволило Институту стать участником большого отечественного проекта по разработке технологии производства приборов силовой электроники на основе SiC, осуществляя научное и диагностическое сопровождение этих разработок.

В заключение Сергей Иванов поблагодарил коллег из научных организаций и промышленных предприятий, с которыми ведётся сотрудничество по всем перечисленным направлениям, и особо отметил совместные проекты по AlGaN с лабораторией нобелевского лауреата Хироси Амано (Япония), лидера направления УФ-C лазерных диодов в мире, и белорусскими учёными Института физики НАНБ, а также сотрудничество с НИТУ МИСИС и ТУСУР в области оксида галлия.