Институт физики полупроводников

Институт физики полупроводников — научно-исследовательское учреждение, занимающееся фундаментальными и прикладными исследованиями в области физики полупроводников, полупроводниковых материалов, наноструктур и микроэлектроники. В России и странах постсоветского пространства существует несколько организаций с таким названием, наиболее известными из которых являются Институт физики полупроводников им. А. В. Ржанова Сибирского отделения Российской академии наук (ИФП СО РАН, Новосибирск) и Институт физики полупроводников Национальной академии наук Украины (ИФП НАН Украины, Киев). Данная статья посвящена преимущественно ИФП СО РАН как одному из ведущих академических институтов России в данной области.

История

Основание и первые годы

Институт физики полупроводников СО РАН был основан в 1964 году в Новосибирском научном центре (Академгородок) как самостоятельное подразделение Сибирского отделения АН СССР. Инициатором создания выступил академик Анатолий Васильевич Ржанов, который стал первым директором института и руководил им до 1992 года. Первоначально институт создавался для развития исследований в области физики твёрдого тела, полупроводниковых материалов и технологий микроэлектроники, что было актуально в связи с бурным развитием вычислительной техники и радиоэлектроники в СССР.

В первые годы институт занимался изучением электронных свойств полупроводников, разработкой методов получения чистых монокристаллов кремния и германия, а также исследованием процессов эпитаксии. В 1967 году при институте был создан Специальный конструкторско-технологический институт прикладной микроэлектроники (СКТИ ПМ), который занимался внедрением разработок в промышленность.

Развитие в 1970–1980-е годы

В 1970-е годы институт активно развивал направление физики поверхности и тонких плёнок. Были созданы уникальные вакуумные установки для молекулярно-лучевой эпитаксии, что позволило выращивать высококачественные гетероструктуры. В 1975 году институт получил статус головной организации по проблеме «Физика полупроводников» в рамках АН СССР. В 1980-е годы здесь были разработаны первые в СССР полупроводниковые лазеры на основе гетероструктур, а также созданы технологии получения арсенида галлия (GaAs) и фосфида индия (InP).

Постсоветский период

После распада СССР институт столкнулся с сокращением бюджетного финансирования и оттоком кадров. Тем не менее, в 1990-е годы удалось сохранить основные научные школы и лаборатории. В 1997 году институту было присвоено имя основателя — академика А. В. Ржанова. В 2000-е годы началось активное обновление приборной базы, в том числе за счёт грантов Российского фонда фундаментальных исследований (РФФИ) и Российского научного фонда (РНФ). В 2013 году институт вошёл в состав Федерального исследовательского центра «Институт физики полупроводников им. А. В. Ржанова СО РАН» (ФИЦ ИФП СО РАН), объединив несколько научных подразделений.

Структура и направления деятельности

Основные лаборатории и отделы

Институт включает более 20 научных лабораторий, сгруппированных по нескольким тематическим направлениям:

• Лаборатория физики полупроводниковых приборов — занимается исследованием квантовых эффектов в наноструктурах, разработкой полевых транзисторов и фотоприёмников.
• Лаборатория молекулярно-лучевой эпитаксии — выращивает гетероструктуры для лазеров и светодиодов.
• Лаборатория физики поверхности — изучает адсорбцию, катализ и электронные свойства поверхностей полупроводников.
• Лаборатория рентгеновской и электронной микроскопии — обеспечивает диагностику материалов с атомным разрешением.
• Лаборатория физики низкоразмерных систем — исследует квантовые точки, квантовые ямы и сверхрешётки.

Фундаментальные исследования

Основные направления фундаментальных исследований включают:

• Электронные и оптические свойства полупроводниковых наноструктур.
• Физика поверхностных явлений и границ раздела.
• Квантовая теория твёрдого тела и моделирование электронных свойств.
• Исследование дефектов и примесей в полупроводниках.
• Физика полупроводниковых гетероструктур и сверхрешёток.

Прикладные разработки

Институт активно занимается прикладными работами, в том числе:

• Разработка технологии выращивания монокристаллов кремния, арсенида галлия, нитрида галлия (GaN) и других материалов.
• Создание полупроводниковых лазеров для оптической связи и медицинской техники.
• Разработка фотоприёмников для инфракрасного и ультрафиолетового диапазонов.
• Проектирование и изготовление микроэлектронных компонентов для космической и оборонной промышленности.
• Разработка датчиков газа, температуры и давления на основе полупроводниковых структур.

Ключевые достижения

Научные результаты

За годы работы институт получил ряд значимых результатов:

• В 1970-е годы впервые в СССР реализована молекулярно-лучевая эпитаксия гетероструктур на основе арсенида галлия.
• Разработаны и изготовлены первые отечественные полупроводниковые лазеры непрерывного действия (1980-е годы).
• Созданы технологии получения сверхрешеток с квантовыми ямами для оптоэлектроники.
• В 2000-е годы получены рекордные значения подвижности электронов в двумерном электронном газе на гетероструктурах AlGaAs/GaAs.
• Разработаны методы синтеза нанокристаллов кремния для фотоники.

Патенты и лицензии

Институт ежегодно получает десятки патентов на изобретения в области полупроводниковых материалов и приборов. Часть разработок лицензирована промышленным предприятиям, в том числе:

• Технология выращивания монокристаллов GaN для светодиодов.
• Метод изготовления фотоприёмников на основе квантовых точек.
• Способ создания полевых транзисторов с высокой подвижностью электронов (HEMT).

Образовательная деятельность

Институт тесно связан с Новосибирским государственным университетом (НГУ) и Новосибирским государственным техническим университетом (НГТУ). На базе института действуют базовые кафедры:

• Кафедра физики полупроводников физического факультета НГУ.
• Кафедра микроэлектроники факультета радиотехники и электроники НГТУ.

Сотрудники института читают лекции, руководят курсовыми и дипломными работами, а также аспирантами. Ежегодно институт выпускает до 20 кандидатов наук.

Международное сотрудничество

Институт поддерживает научные связи с ведущими мировыми центрами физики полупроводников, включая:

• Институт физики твёрдого тела Общества Макса Планка (Штутгарт, Германия).
• Лабораторию микроэлектроники и нанотехнологий (CNRS, Франция).
• Университет Тохоку (Сендай, Япония).
• Институт полупроводников Академии наук Китая (Пекин).

Совместные проекты реализуются в рамках программ РНФ, РФФИ, а также международных грантов (например, INTAS, CRDF).

Материально-техническая база

Институт располагает уникальным оборудованием, включая:

• Установки молекулярно-лучевой эпитаксии (MBE) производства Riber и Veeco.
• Сканирующие электронные микроскопы (SEM) и просвечивающие электронные микроскопы (TEM) с атомным разрешением.
• Рентгеновские дифрактометры для анализа кристаллической структуры.
• Оптические спектрометры для исследования фотолюминесценции и комбинационного рассеяния.
• Чистые комнаты класса 1000 и 100 для сборки и тестирования приборов.

Критика и проблемы

Как и многие академические институты России, ИФП СО РАН сталкивается с рядом проблем:

• Старение приборной базы — часть оборудования была приобретена в 1990-е годы и требует замены.
• Отток молодых кадров в коммерческий сектор и за рубеж.
• Недостаточное финансирование фундаментальных исследований в сравнении с западными аналогами.
• Бюрократические сложности при оформлении грантов и отчётности.

Тем не менее, институт сохраняет лидирующие позиции в ряде направлений, особенно в области эпитаксии и физики низкоразмерных систем.

Известные сотрудники

• Анатолий Васильевич Ржанов (1920–2000) — основатель и первый директор института, академик АН СССР, специалист по физике полупроводников.
• Владимир Петрович Попов (род. 1938) — доктор физико-математических наук, заведующий лабораторией, автор работ по квантовым точкам.
• Александр Георгиевич Мильвов (род. 1945) — член-корреспондент РАН, специалист по эпитаксии гетероструктур.

Интересные факты

• В 1970-е годы в институте была разработана технология получения «бескислородного» кремния, который использовался в космической электронике.
• На базе института в 1980-е годы создан первый в СССР полупроводниковый лазер с непрерывной накачкой, работавший при комнатной температуре.
• В 2010 году институт совместно с НГУ запустил программу «Нанотехнологии и микроэлектроника», в рамках которой студенты проходят практику на оборудовании института.

Источники

• Официальный сайт Института физики полупроводников им. А. В. Ржанова СО РАН (раздел «История»).
• А. В. Ржанов. «Физика полупроводников в Сибири: становление и развитие». — Новосибирск: Изд-во СО РАН, 1995.
• Годовые отчёты ИФП СО РАН за 2000–2023 годы.
• Материалы конференции «Физика полупроводников: фундаментальные и прикладные аспекты» (Новосибирск, 2022).
• Данные из базы Scopus по публикациям сотрудников института.