Напомним, что в предыдущей части статьи мы рассказали о первой российской технологии получения карбида кремния – кристаллического материала для микроэлектроники, которую разработали ученые Института проблем машиноведения РАН.

Руководитель лаборатории структурных и фазовых превращений в конденсированных средах ИПМаш РАН Сергей Кукушкин рассказал, почему это изобретение станет новым шагом в развитии отечественной микроэлектроники, и в чем состоит преимущество разработки по сравнению с аналогами. А также подробно описал, как вырастить пленку карбида кремния высокой степени совершенства. Читайте первую часть статьи на нашем сайте в разделе «Наука в деталях». (гиперссылка)

– В чем состоит практическая польза или финальная цель данной разработки? Насколько это направление уникально и занимается кто-либо подобным в стране и мире?

– Нам удалось открыть новый метод синтеза полупроводниковых пленок. Выращенные на основе данной технологии пленки карбида кремния могут быть использованы для различных приложений в микро- и оптоэлектронике. Например, их можно дорастить по стандартной технологии до нужной толщины и использовать для создания мощных и сверхмощных транзисторов, так необходимых для развития силовой электроники. На поверхности наших пленок можно выращивать, и мы уже это с успехом делаем, такие полупроводники, как нитрид галлия, который широко используется при создании светодиодов и осветительных приборов нового поколения. Часто бывает, что работающий над решением какой-нибудь проблемы ученый ищет одни свойства изучаемого им объекта, а в процессе работы совершенно неожиданно открываются новые стороны изучаемого им явления, о которых он даже и не догадывался. Так произошло и с нами.

Оказалось, что переходное между кремнием и карбидом кремния вещество обладает рядом новых уникальных свойств. Основной обличительной особенностью карбида кремния, выращенного на кремнии, разработанным россиянами методом заключается в том, что в процессе образования карбида кремния происходит очень сильное сдавливание атомов кремния, лежащих на границе раздела карбид кремния – кремний. Давление, которое возникает при этом, может достигать порядка полутора миллионов атмосфер. Это сжатие атомов кремния возникает потому, что объем кремниевой решетки в два раза превышает объем решетки карбида кремния. Когда атом углерода встает на место кремниевой вакансии в этот момент и образуется слой карбида кремния. При этом происходит «схлопывание» верхнего слоя пленки. Это событие очень кратковременно. Процесс схлопывания длится не более десятитысячных долей секунды, но именно в этот момент карбид кремния и приобретает новые уникальные свойства, которые отсутствует в обычном, выращенном стандартным образом карбиде кремния.  В этот момент слой карбида кремния вместе с подложкой кремния становится новым, ранее неизвестным и отсутствующим в природе полупроводником.

– Поэтому данный карбид кремния, полученный, разработанным нами способом, мы стали назвать не просто карбидом кремния, а карбидом кремния, полученным методом согласованного замещения атомов. Что же происходит в процессе схлопывания? Над ответом на этот вопрос мы бились несколько лет. Оказалось, что при схлопывании, во-первых, часть атомов кремния «выбрасывается» из пленки карбида кремния. При этом в пленке карбида кремния на месте атомов кремния образуется много пустых мест или как их называют физики – кремниевых вакансий. Во-вторых, как уже говорилось, кремний подвергается аномально сильному сжатию со стороны карбида кремния. В результате этих процессов карбид кремния вместе с кремниевой подложкой приобретает определенные магнитные свойства, в частности, в слабых магнитных полях он намагничивается, а на границе раздела карбид кремния – кремний образуются тонкий слой с полуметаллическими свойствами, которые кардинально отличаются от свойств, как карбида кремния, так и кремния. Этот слой приобрел совершенно особые, новые оптические и электрические свойства. Таким образом, нам удалось получить совершенно новое вещество. Его свойства мы только-только начали изучать. Этот материал может оказать кардинальное влияние на многие аспекты физики и химии полупроводников. 

В настоящее время огромное внимание уделяется поиску новых материалов, обеспечивающих эффективную генерацию спин-поляризованного тока при комнатной температуре, т.е. так называемых новых материалов для спинтроники. К началу XXI века стало ясно, что наиболее подходящими материалами для спинтроники могут быть не идеальные кристаллы, а кристаллы, содержащие вакансии, в частности, кремниевая вакансия в карбиде кремния SiC. В настоящее время вакансий с нужными свойствами получается только при облучении карбида кремния потоками высокоэнергетических частиц. При этом они образуются в недостаточном для работы приборов количестве, порядка 10⁸-10¹² в кубическом сантиметре.

– В 2021-22 годах в нашей лаборатории была впервые разработана технология (данная технология является существенным развитием метода замещения атомов), позволяющая получать требуемые кремниевые вакансии в SiC в нужном количестве 10²⁰-10²¹ кб.см, т.е. в 10¹⁰ раз больше, чем при стандартных методиках! Ключевая идея новой технологии состоит в том, что кремниевые вакансии создаются не в самом карбиде кремния, а в кремниевой подложке, что несопоставимо проще и лишь затем верхняя часть кремния с вакансиями превращается в эпитаксиальный слой карбида кремния. Исследования, проведенные нами, показали, что данный материал может обеспечить высокую плотность спин-поляризованного тока, т.е. является коммерчески пригодным и может быть очень перспективным материалом для создания квантовых компьютеров. Кроме того, на основе этого материала можно сделать весьма чувствительные магнетометры и много других приборов.

Таким образом, ипмашевские ученые разработали новый, отличный от всех существующих методик и технологий метод синтеза нового полупроводникового материала. Его удивительной особенностью является то, что он может проявлять свойства, как стандартного карбида кремния, так и совершенно новые и весьма необычные свойства, что делает этот материал, материалом будущего.

– Разработанная нами в ИПМаш РАН и ООО «НТЦ НТ», технология позволяет создать в России новое высокотехнологическое производство нового полупроводникового материала. В случае создания на основе данной технологии промышленного производства можно существенно развить одну из высокотехнологических областей не только микроэлектроники, но и спинтроники. В этих областях Россия могла бы занять лидирующее положение, оставив далеко позади все ведущие в области микроэлектроники страны мира. Этой областью является организация производства пластин монокристаллических слоев карбида кремния на кремнии, по предлагаемой новой технологии – синтеза слоев карбида кремния на кремнии методом замещения атомов. Развитие производственной базы на основе данной технологии позволило бы России не плестись в «хвосте» у ведущих мировых производителей полупроводниковых приборов, а самой выступить в качестве технологического лидера в данной области.

– Открытия делаются в одиночку или с Вами работает команда соратников? Какие трудности и нерешенные проблемы возникли в процессе?

–  На мой взгляд, это происходит по-разному. Идеи, как правило, приходят только в одну голову. Один из величайших математиков, Анри Пуанкаре, долго пытался получить решение одного математического уравнения, но оно никак ему не давалось. Он решил прервать свое занятие и оправился в геологическую экспедицию. Там он практически забыл задачу и не вспоминал о ней. И именно в экспедиции ему неожиданно пришло решение. С открытием метода роста карбида кремния при помощи замещения атомов произошло нечто подобное. Однажды к нам обратился один крупный бизнесмен, владеющий акциями одного полупроводникового завода и решил внедрить в свое производство ряд новшеств. Мы предложили ему заняться полупроводниковыми приборами на основе нитрида галлия на кремнии. О карбиде кремния мы в то время еще не знали и прикладными вопросами не интересовались. В конце концов, длительные переговоры и притирки друг к другу подошли к концу. Начался этап заключения хозяйственного договора. Ознакомившись с научной литературой на эту тему, мы поняли, что ситуация не простая. На западе этой проблемой занимаются ведущие фирмы уже долгое время. А воз и ныне там! Единственное, что мы поняли, что кремний нужно покрыть слоем монокристаллического карбида кремния. Ни установки для роста, ни оборудования у нас в то время не было. Мы нашли пару необходимых нам установок в соседних институтах. Попробовали на них вырастить карбид кремния на кремнии. Не получилось. А договор мы уже заключили! Я был подавлен. И вот однажды, мне неожиданно пришла мысль. Она буквально «впилась» в мою голову. Будто голос говорил: «Приложи пластину из графита к кремнию». Эта фраза повторилась и повторялась. Я, как химик, знал, что при температуре чуть выше тысячи градусов по Цельсию реакция между графитом и кремнием практически не идет или идет очень медленно. Ну, а о высоком качестве слоя и мечтать при таком походе не приходилось.  Но мысль или голос не отставал. Тогда я обратился к своему другу-химику, у которого была печь, в которой можно было сделать такой опыт. Он сказал, что делать не будет, поскольку это не возможно и ничего не получиться, а я, как доктор наук, не должен был этого и говорить. Я и сам понимал, что это глупость. И все же мне удалось его уговорить, поскольку я сказал, что иначе у меня будет провал с хоздоговором. Прошло некоторое время. Он мне позвонил и говорит, что он ничего не может понять, но пластина покрылась каким-то веществом. Я отдал пластину кремния с неизвестным слоем на исследование и это оказался карбид кремния. Да еще с намеками на ориентированный рост. Мы начали экспериментировать, менять условия, но не понимали, почему растет карбид кремния, хотя тенденцию к улучшению его качества мы нащупали. Мы придумали некоторую экзотическую модель и опубликовали статью. Потом оказалось, что эта модель частично подтверждается, но только частично. Удивительно, но, в то время, я не удосужился проверить какой вакуум в печи у моего приятеля. Он говорил, что хороший. По условиям договора, в это же самое время мы собирали вакуумную печь у себя в институте. После запуска печи измерили степень глубины вакуума. Действительно глубокий. Загрузили образцы и начали выращивать. Однако карбид кремния не вырос. Тогда мы поняли, что в печи у моего приятеля, был плохой вакуум. В камеру поступал кислород из воздуха. Он реагировал с графитом, в результате в печи образовывались: угарный и углекислый газы. Они взаимодействовали с кремнием, в результате чего образовался карбид кремня. Позже мы во всем разобрались, создали полную теорию этого процесса и стали проводит синтез карбида кремния в атмосфере угарного газа без всякого графита. Научились управлять ростом карбида кремния и получать пленки для различных применений. Смог бы я один довести первоначально расплывчатую, неожиданно пришедшую мысль о росте карбида кремния до совершенства? Честно отвечу. Нет не смог бы! Во-первых, когда я понял, что для роста карбида кремния на кремнии нужно приложить углерод к кремнию, сотрудник моей лаборатории, мой соратник и друг, доктор физ–мат наук Андрей Осипов полностью меня поддержал. Совместно с ним и с моим товарищем, у которого была печь, и о котором я говорил выше, доктором химических наук Сергеем Гордеевым выполнили первые опыты по росту карбида кремния. Осипов внес огромный вклад в разработку теории и глубинное понимание процессов, протекающих при росте карбида кремния на кремнии. Позже, когда мы решили начать конструировать и собирать установку для роста карбида кремния у себя в лаборатории нам помог талантливый, совершенно неординарный физик–экспериментатор, кандидат физико–математических наук Николай Феоктистов. Это он, не веривший в начале работы в данный способ роста, полностью разработал и собрал установку, позволяющую выращивать пленки карбида кремния на кремнии методом замещения атомов. Ничего бы мы нам не удалось сделать без его помощи и участия. Без первоначальной помощи бизнесмена, о котором я говорил выше, мы вообще бы не начали заниматься этой проблемой. Без финансовой, а особенно моральной поддержки моего друга Андрея Лукьянова нам бы пришлось очень не просто развивать эту тему. Сильно ускорились наши исследования после создания «Научно-Технического Центра «Новые технологии» (ООО «НТЦ НТ»), генеральным директором которого является Геннадий Святец. В последнее время у меня появились молодые ученые, которые активно включились в продолжение наших исследований. Данная задача – многоплановая. Она включает и теорию, и эксперимент, и технологию. Поэтому одному невозможно было придать «огранку» первоначально увиденному явлению и придать ему законченную форму.

– И если говорить обычным языком для читателей, не погруженных в тонкости физики и смежных направлений, как Ваша разработка может повлиять на повседневную жизнь человека?

– Я уже говорил, что пленки таких материалов как нитриды галлия и алюминия, карбида кремния позволяют создавать полупроводниковые приборы, обладающие значительными преимуществами по сравнению с приборами, производимыми в настоящее время с использованием традиционных полупроводниковых материалов, таких как кремний. Так, например, скорость обработки информации в компьютере, в котором будут использоваться нитрид галлия, во много раз выше, чем в настоящее время. Значительно расширится возможности сотовой телефонии. Приборы, в которых используется карбид кремния, будут работать при значительно более высоких температурах, чем приборы, изготовленные на основе кремния. Поэтому отпадет необходимость в их охлаждении. Пленки нитрида галлия являются основой при изготовлении белых светодиодов, которые еще совсем недавно пришли на смену традиционным лампам накаливания. Они могут обеспечивать работу современных электронных и оптоэлектронных приборов в условиях повышенных температур и высоких мощностей дозы ионизирующих излучений. На их основе сейчас изготавливают транзисторы, работающие в высокочастотном диапазоне. На сегодняшний день нитрид галлия является незаменимым материалом для создания передовой электроники в таких областях, как силовая электроника и при создании компонентов для систем связи поколения 5G, спутниковой связи, радиоэлектронных изделий специального назначения, оптоэлектроники, спутниковых систем радиосвязи, радиолокационных систем гражданского и военного назначения.

Без использования промежуточного буферного слоя карбида кремния, сложно получить хорошего качества пленки нитрида галлия на кремнии. В процессе выращивания нитрида галлия, которое осуществляется при высокой температуре происходит химическое взаимодействие атомов галлия с кремнием, которое существенно портит и кремний, и сам слой нитрида галлия, делая его непригодным для дальнейшего использования. Кроме того, «укладка» атомов в кремнии и нитриде галлия существенно отличаются друг от друга. Это как строить дом из кирпичей разного размера. При таком строительстве дом получится неустойчивым и вскоре развалится. Укладка атомов в карбиде кремния и в нитриде галлия, хотя и различается, но различается она незначительно. Карбид кремния химический стойкое вещество и при температурах роста нитрида галлия с галлием не реагирует, т.е. карбид кремния защищает кремний от химического взаимодействия с галлием, что весьма важно. Так, что при создании нового типа полупроводниковых приборов на кремнии он незаменим, считает наш собеседник.

– Конкретным примером использования нашей разработки является создание совместно с Научно-технологическим центром микроэлектроники и субмикронных гетероструктур Российской академии наук (НТЦ микроэлектроники РАН) Центром микроэлектроники РАН, ФТИ первых отечественных микрочипов для микросветодиодов (micro LED) толщиной порядка 5-20 мкм на основе гетероструктуры, состоящей из слоев нитрида галлия индия и алюминия, сформированной на кремнии с буферным слоем карбида кремния. Это отрывает беспрецедентные возможности для создания отечественного производства микро-светодиодов (micro LED), для экранов ноутбуков, телевизоров, смартфонов, приборов военного применения и новых приборов для освещения. Микросветодиоды могут быть сделаны очень маленьких размеров. На стандартных подложках сапфира невозможно сделать светодиоды меньше определенного размера, поскольку разрезают подложки из сапфира с гетероструктурами лазером. В процессе резки на чипы сапфир плавится и его капли портят чип. Кремниевая подложка с гетероструктурой легко режется алмазной пилой. На рисунке 1  приведена фотография лабораторного макета первого в мире готового микросветодиода, изготовленного на LED-гетероструктуре, выращенной на карбиде кремния синтезированным на кремнии методом согласованного замещения атомов.

Оказалось, что слои карбид кремния на кремнии, созданные при помощи данного метода, обладают рядом уникальных физических свойств. Так, на их основе могут быть созданы терагерцовые приемники и излучали, работящие в диапазоне частот 0,12 и 3,4. ТГц на подложках SiC/Si. На основе этих структур доктором физико-математических наук, профессором Николаем Баграевым был создан медицинский прибор «сжигающий» избыточный сахар у людей, болеющих диабетом и организовано его производство небольшими партиями. На следующем (а) рисунке приведено изображение терагерцового прибора «Сжигатель сахара», на рисунке (b) приведено изображение фиксации блока прибора на руке пациента. Кроме того, использование данного прибора помогает больным восстановится после перенесенных инсультов и инфарктов.

– Что необходимо именно сейчас для успешного результата?

– Для меня, как ученого, он уже получен. Мы окрыли новый метод роста, и создали новый материал. Обнаружили, что материал, созданный нами, обладает новыми уникальными свойствами. Чем глубже мы изучаем эти свойства, тем больше мы понимаем, что перед нами открылось научное Эльдорадо. Для познания свойств этого материала нам пришлось заняться практически большинством разделов физики твердого тела, узнать и открыть много нового в химии твердого тела, химии твердофазных реакции. Глубоко изучить кристаллофизику, оптику материалов, механику деформируемого твердого тела, разобраться в квантовой химии и новейших методах моделирования структуры материалов. Материал лишь только-только приоткрыл нам свои тайны. Если понимать под успешным результатом внедрение в производство, то у меня к этому двойственное отношение. Приятно, конечно, чтобы твое детище стало нужным людям. Это крайне важно, поскольку только в этом случае можно с уверенностью сказать, что материал действительно создан, поскольку на его основе появились новые приборы и устройства, востребованные обществом. Внедрение в производство должны осуществлять другие люди. Делать это должны специалисты, профессионалы, высококвалифицированные инженеры.

Не можем не согласиться с нашим собеседником. У ученых другой тип мышления. Им интересно двигаться по пути изучения свойств материала все дальше и дальше, а для создания производства нужно остановиться и начать двигаться в другом направлении. Наступает такой момент, когда изобретатель материала может быть лишь консультантом у инженера, создающего производство. Разработка отчуждается от своего создателя и начинает жить своей жизнью.

В третьей части интервью мы расскажем, какую помощь в разработках ученым оказывает государство и какие сейчас проблемные аспекты стоят перед российской и мировой наукой, решение которых дало бы существенный толчок к развитию новых технологий и появлению инновационных изобретений.