До последнего времени Россия жила в «супермаркете технологий и готовых научных решений». На это летом 2023 г. обращали внимание и глава государства В.В. Путин, выступая на заседании Форума будущих технологий «Вычисления и связь. Квантовый мир», и президент Российской академии наук Г.Я. Красников на площадке Петербургского международного экономического форума. Теперь «супермаркет» закрыт, нужны собственные решения, а в контексте внешнеполитической ситуации особенно важны разработки и научная продукция в области электроники и полупроводников: в частности информационные и телекоммуникационые технологии, компьютеры и системы связи различного назначения, составляющие основу оборонного производства.
Александр Леонидович Асеев
Фото: Николай Малахин / «Научная Россия»
В аналогичной ситуации страна существовала во второй половине ХХ в.: холодная война требовала от ученых отечественной высокотехнологичной продукции. В Советском Союзе, а позже в России эти задачи решал Институт физики полупроводников им. А.В. Ржанова (ИФП) СО РАН, организованный в 1962 г., один из трех специализированных академических институтов, открытых в СССР. Сегодня он единственный, оставшийся в России. Два других до сих пор работают в Киеве и Вильнюсе. Наряду с ИФП СО РАН в этой области активно работают академические и инновационные организации, созданные в Санкт-Петербурге на основе открытий и разработок нобелевского лауреата академика Ж.И. Алферова. В течение многих лет Жорес Иванович был почетным председателем ученого совета ИФП СО РАН, что оказало громадное влияние на развитие современных полупроводниковых технологий в институте.
Институт физики полупроводников СО РАН
Фото: Николай Малахин / «Научная Россия»
О разработках в области физики полупроводников, практическом применении таких технологий в современных условиях и роли Института физики полупроводников им. А.В. Ржанова СО РАН корреспондент портала «Научная Россия» поговорил с академиком Александром Леонидовичем Асеевым. Ученый бóльшую часть жизни работает в институте, начинал научную карьеру стажером-исследователем, затем возглавлял его в течение 15 лет.
Александр Леонидович Асеев ― академик, доктор физико-математических наук. В 1998–2013 гг. ― директор Института физики полупроводников им. А.В. Ржанова. В 2008–2017 гг. ― председатель Сибирского отделения РАН и вице-президент РАН. В настоящее время А.Л. Асеев продолжает работать в Институте физики полупроводников им. А.В. Ржанова СО РАН в должности главного научного сотрудника и одновременно преподает на физическом факультете Новосибирского государственного университета. По инициативе А.Л. Асеева в 2012 г. в СО РАН был организован Центр фундаментальных и прикладных работ для обороны и безопасности.
«Когда я учился в школе и университете, все ждали новых прорывных результатов в создании источников энергии, в том числе термоядерных, и развития в области космических технологий и полетов к другим небесным телам. Но прогресс пошел в другом направлении: ошеломляющий прорыв произошел в информационных технологиях, во всем, что связано с электроникой и полупроводниками. Вторая половина ХХ в. прошла под флагом развития микроэлектроники», ― вспоминает А.Л. Асеев.
По закону Мура каждые два года количество транзисторов на квадратный дюйм интегральных схем увеличивается в два раза. Это значит, что на меньших объемах записывается все больше информации и увеличивается производительность. Это кремниевая электроника, в основе которой лежат МОП-транзисторы (структуры «металл — оксид — полупроводник»). В современных устройствах на одном квадратном сантиметре площади располагаются миллиарды таких транзисторов, а когда их число достигнет триллиона, говорит А.Л. Асеев, появится искусственный интеллект, о котором сегодня так много говорят.
Актуальные исследования и разработки Института физики полупроводников тесно связаны с предприятиями оборонно-промышленного комплекса. На первом месте здесь стоит область электроники, связанная с радиосвязью, основанной на сверхвысокочастотных транзисторах. Исследования в этой области А.Л. Асеев назвал бескрайними. Александр Леонидович по понятным причинам в разговоре не углублялся в технические подробности, но рассказал об отдельных направлениях работы.
Бортовые системы связи, установленные на технике, защищенные каналы, в том числе для военных и правительства, спутниковая и мобильная связь ― все это работает на полупроводниках. Сюда же относятся средства радиоэлектронной борьбы, радиоэлектронного противодействия, радиоэлектронной разведки: возможность заглушить определенные каналы или разрушить связь с дронами. И в этой же области полупроводниковых технологий находятся системы ПВО и радиолокации. В частности, это активные фазированные антенные решетки, установленные за носовым обтекателем самолетов: матрица из множества излучающих полупроводниковых элементов, которая формирует пучок радиоволн, сканирующих все, что находится впереди самолета.
Самолет МИГ-35 со снятым носовым обтекателем. Авиасалон МАКС-2019
Фото: Александр Бурмистров / «Научная Россия»
Активная фазированная антенная решетка, установленная за носовым обтекателем МИГ-35. Авиасалон МАКС-2019
Фото: Александр Бурмистров / «Научная Россия»
«В системах радиосвязи, включая мобильную связь, а также системы радиоэлектронной борьбы и радиоэлектронной разведки, ключевыми выступают полупроводники на наногетероструктурах и полупроводниковые структуры, использующие квантовый эффект. Это высокочувствительные транзисторы с высокой подвижностью электронов (High Electron Mobility Transistor) на основе арсенида галлия (GaAs)», ― уточнил Александр Леонидович. Подробнее о таких полупроводниковых технологиях ученый ранее рассказывал в интервью «Научной России».
«Мы выполняем задачи и в области СВЧ-техники. Любой телефон включает высокочувствительный транзистор на квантовых ямах арсенида галлия с высокоподвижным электронным газом высокой концентрации. В такой квантовой яме реализована очень тонкая нанотехнологическая разработка. Для производителей важно получить максимальную чувствительность к радиоволнам, а значит, должна быть очень высокая концентрация высокоподвижных электронов. Обычными методами этого добиться нельзя, ведь для получения электронов нужно очень много атомов, которые отдают электроны в полупроводник. Электроны генерируются примесными атомами, в результате они рассеиваются на заряженных атомах примеси и становятся менее подвижными. Электронов становится много, но никакого увеличения чувствительности не происходит. Так вот, методами молекулярно-лучевой эпитаксии создают структуру, где слой высокоподвижного двумерного газа отделен от слоя атомов примеси. В результате электроны ”сваливаются” в квантовую яму, где атомы примеси отсутствуют. Там они свободно передвигаются и обеспечивают экстремально высокую чувствительность наших сотовых телефонов. Собственно, благодаря этому научному и технологическому достижению мобильные телефоны в числе прочих достигли карманного формата. Это, наверное, классический пример высоких полупроводниковых технологий в нашей повседневной жизни». — Из интервью с А.Л. Асеевым «Управляя поверхностью» для портала «Научная Россия», февраль 2021 г.
Ученый подчеркивает, что ключевые элементы полупроводниковых технологий всегда были отечественными, в том числе в период существования «научного супермаркета». А для решения актуальных задач, особенно связанных с оборонной промышленностью, требуется искать новые научные подходы, связанные с элементной базой. В частности, идет перестройка полупроводниковых структур с арсенида галлия на нитрид галлия — соединение галлия и азота (GaN), позволяющее работать с большими мощностями, увеличивать чувствительность и расширять диапазон радиочастот. Второе направление связано с развитием радиофотоники, с помощью которой радиосигналы возможно преобразовать в фотонные сигналы и увеличить скорость обработки информации.
«Это тяжелая, дорогостоящая и сложная в освоении наука. Широко развить ее при отдельных заводах невозможно, поэтому мы разрабатываем и выращиваем полупроводниковые наногетероструктуры, поступающие затем на предприятия ОПК. Наш институт крайне востребован в области изготовления сначала пилотных образцов, а затем и серий полупроводниковых структур», ― рассказывает Александр Леонидович и отмечает, что институт во многих направлениях остается лидером не только в России, но и в мире.
Фундаментальные и прикладные разработки Института физики полупроводников им. А.В. Ржанова СО РАН лежат в основе создания технологии молекулярно-лучевой эпитаксии, с помощью которой создаются элементы транзисторов для систем СВЧ-связи, состоящие из множества моноатомных слоев. Серьезным достижением в этой области А.Л. Асеев называет отечественное производство материала кадмий-ртуть-теллур, имеющего рекордные характеристики по фиксации тепловых волн инфракрасного диапазона. Это основа отечественных тепловизионных систем. Подобную технологию имеют только несколько стран в мире.
Последние годы популярные разработки физиков связаны с квантовыми компьютерами и системами квантовой криптографии. В этой области сибирские ученые создали абсолютно передовые технологи. «Наравне с созданием элементов для систем радиоэлектронного противодействия, связи и инфракрасной техники мы выпускаем элементную базу для квантовых технологий. В нашем институте разработано два ключевых элемента в этой области. Первый ― это источник одиночных фотонов: изящная и уникальная разработка, но очень трудоемкая. Полупроводниковая структура этого элемента состоит из тысяч слоев моноатомной толщины, и мы гордимся, что способны создавать это в нашем институте. А второе направление ― это детекторы одиночных фотонов, в создании которых мы тоже добиваемся успехов. Поэтому у нас есть серьезная основа для разработки и создания элементной базы в области квантовых технологий», ― рассказал А.Л. Асеев.
В последние годы Институт физики полупроводников им. А.В. Ржанова находится под санкциями США, Канады и Японии. Александр Леонидович Асеев оценивает это как высокий уровень признания со стороны зарубежных конкурентов: «Это все равно что в Советском Союзе получить, например, ордена Ленина и Трудового Красного Знамени. Значит, мы работаем в правильном направлении».