Институт физики полупроводников имени А. В. Ржанова

Институт физики полупроводников имени А. В. Ржанова Сибирского отделения Российской академии наук (ИФП СО РАН) — научно-исследовательское учреждение, входящее в состав Сибирского отделения РАН. Расположен в Новосибирском Академгородке. Институт является одним из ведущих в России и мире центров по фундаментальным и прикладным исследованиям в области физики полупроводников, наноэлектроники, оптоэлектроники, физики низкоразмерных систем и материаловедения.

История

Основание и ранние годы

Институт был основан в 1964 году как самостоятельное подразделение Сибирского отделения АН СССР. Инициатором создания выступил академик Анатолий Васильевич Ржанов (1920—2000), выдающийся физик, специалист в области физики полупроводников и тонких плёнок. Первоначально институт носил название «Институт физики полупроводников СО АН СССР». В 1967 году, после переезда в новое здание в Академгородке, началось активное формирование научных лабораторий и направлений.

Развитие в 1970–1980-е годы

В 1970-е годы институт стал одним из лидеров в СССР по исследованиям в области физики поверхности полупроводников, молекулярно-лучевой эпитаксии и созданию приборов на основе гетероструктур. Под руководством академика А. В. Ржанова (директор в 1964–1985 гг.) были разработаны методы получения высококачественных эпитаксиальных плёнок арсенида галлия (GaAs) и других соединений A³B⁵. В 1980-е годы институт активно участвовал в программе «Микроэлектроника», создавая элементную базу для космической и оборонной промышленности.

Современный этап (с 1990-х годов)

В 1990-е годы, несмотря на экономические трудности, институт сохранил научный потенциал. В 2000 году институту было присвоено имя основателя — А. В. Ржанова. В 2000–2010-е годы значительно расширились исследования в области нанотехнологий, квантовых точек, углеродных наноматериалов, а также полупроводниковой спинтроники. 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 смежных научных подразделений.

Структура и руководство

Директора

• А. В. Ржанов (1964–1985) — основатель и первый директор.
• Л. Н. Александров (1985–1990) — специалист по физике тонких плёнок.
• В. П. Попов (1990–2003) — физик-теоретик, специалист по полупроводниковым гетероструктурам.
• А. Л. Асеев (2003–2018) — академик РАН, специалист по наноэлектронике.
• Д. В. Щеглов (с 2018) — член-корреспондент РАН, специалист по физике полупроводниковых приборов.

Основные научные подразделения

Институт включает более 20 лабораторий и научных групп, объединённых в несколько отделов:

• Отдел физики полупроводниковых структур (исследования квантовых ям, сверхрешёток, гетероструктур).
• Отдел физики поверхности и наноэлектроники (изучение адсорбции, катализа, атомно-силовая микроскопия).
• Отдел оптоэлектроники и фотоники (разработка светодиодов, лазеров, фотоприёмников).
• Отдел материаловедения и технологии полупроводников (синтез новых материалов, эпитаксия, легирование).
• Отдел физики низкоразмерных систем (квантовые точки, нанопроволоки, графен).

Научные направления

Фундаментальные исследования

1. Физика полупроводниковых гетероструктур — изучение электронных и оптических свойств структур с квантовыми ямами, точками и нитями. Разработка теории переноса заряда в низкоразмерных системах.
2. Физика поверхности и тонких плёнок — исследование процессов адсорбции, десорбции, диффузии на поверхности полупроводников. Создание методов молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ) и газофазной эпитаксии (MOCVD).
3. Спинтроника — изучение спиновых явлений в полупроводниках, создание спиновых вентилей и транзисторов.
4. Физика углеродных наноматериалов — синтез и исследование графена, углеродных нанотрубок, фуллеренов, их гибридных структур с полупроводниками.
5. Квантовая информатика — разработка кубитов на основе полупроводниковых квантовых точек, исследование квантовой запутанности.

Прикладные разработки

1. Полупроводниковые светодиоды и лазеры — создание мощных светодиодов синего и зелёного спектра на основе нитрида галлия (GaN), лазеров для телекоммуникаций (1.3–1.55 мкм) на основе фосфида индия (InP).
2. Фотоприёмники и солнечные элементы — разработка высокоэффективных фотодетекторов для инфракрасного диапазона, многопереходных солнечных батарей на основе A³B⁵.
3. Микроэлектроника и наноэлектроника — создание полевых транзисторов с высокой подвижностью электронов (HEMT), мемристоров, элементов для нейроморфных вычислений.
4. Сенсоры и датчики — газовые сенсоры на основе оксидных полупроводников, датчики температуры, давления, магнитного поля.
5. Технологии эпитаксии — разработка и коммерциализация установок молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ) и газофазной эпитаксии (MOCVD) для производства полупроводниковых пластин.

Достижения и значимые результаты

Ключевые научные открытия

• Разработка теории квантовых ям и сверхрешёток (совместно с Институтом физики твёрдого тела РАН). В 1970-е годы сотрудники института (А. В. Ржанов, Л. Н. Александров) предложили модели, описывающие электронные состояния в периодических гетероструктурах.
• Создание первых в СССР молекулярно-лучевых эпитаксиальных установок (1970-е годы). Это позволило получать сверхтонкие слои полупроводников с атомарной точностью.
• Открытие эффекта гигантского отрицательного магнитосопротивления в полупроводниковых гетероструктурах (1990-е годы, группа В. П. Попова). Результат важен для спинтроники.
• Разработка технологии получения графена методом химического осаждения из газовой фазы на медных подложках (2000-е годы, лаборатория А. Л. Асеева). Получены образцы с рекордной подвижностью носителей заряда.

Признание и награды

• Сотрудники института неоднократно удостаивались Государственных премий СССР и РФ, премий Правительства РФ, премий имени А. Ф. Иоффе, П. Н. Лебедева, А. В. Ржанова.
• Институт является базой для нескольких научных школ, в том числе школы академика А. В. Ржанова по физике поверхности и школы академика А. Л. Асеева по наноэлектронике.
• В 2014 году институт вошёл в список ведущих научных организаций России по направлению «Физика и астрономия».

Инфраструктура и оборудование

Институт располагает уникальным научным оборудованием:

• Установки молекулярно-лучевой эпитаксии (Riber 32, Veeco GEN 200) — для роста гетероструктур A³B⁵.
• Сканирующие зондовые микроскопы (AFM, STM, MFM) — для исследования поверхности с атомным разрешением.
• Сканирующие электронные микроскопы (JEOL, Hitachi) — с возможностью энергодисперсионного анализа.
• Рентгеновские дифрактометры (Bruker D8) — для анализа кристаллической структуры.
• Оптические спектрометры (Фурье-спектрометры, спектрометры комбинационного рассеяния) — для исследования оптических свойств.
• Криогенное оборудование (криостаты, рефрижераторы растворения) — для измерений при температурах до 10 мК.
• Чистые комнаты класса ISO 5–7 — для проведения литографических и технологических операций.

Международное сотрудничество

Институт активно сотрудничает с научными центрами Европы, Азии и Америки:

• Европейский союз: проекты в рамках 7-й рамочной программы и Horizon 2020 (например, «QUANTUM» по квантовым точкам, «GRAPHENE» по графену).
• Германия: Институт Пауля Шеррера (PSI), Институт Фраунгофера по микроэлектронике.
• Китай: Китайская академия наук (CAS), Университет Цинхуа.
• Япония: Университет Токио, Национальный институт материаловедения (NIMS).
• США: Университеты Калифорнии, Иллинойса, Корнелла (до 2022 года сотрудничество было ограничено санкциями).

Образовательная деятельность

Институт является базой для кафедр физики полупроводников и наноэлектроники Новосибирского государственного университета (НГУ). Ежегодно более 50 студентов и аспирантов проходят практику и выполняют дипломные работы в лабораториях ИФП СО РАН. Институт проводит Всероссийские конференции «Физика полупроводников» и «Наноэлектроника», а также школы-семинары для молодых учёных.

Интересные факты

• В здании института в 1970-е годы работал будущий нобелевский лауреат по физике Жорес Алфёров, который сотрудничал с А. В. Ржановым по вопросам гетероструктур.
• Институт располагает одной из крупнейших в России коллекций монокристаллических подложек арсенида галлия (GaAs) и фосфида индия (InP).
• В 2009 году на базе ИФП СО РАН был создан первый в России прототип квантового компьютера на полупроводниковых квантовых точках (2 кубита).
• Ежегодно институт выпускает более 200 научных статей в рецензируемых журналах (в том числе в Physical Review Letters, Applied Physics Letters, Nano Letters).

Критика и вызовы

Как и многие российские научные институты, ИФП СО РАН сталкивается с рядом проблем:

• Недостаточное финансирование — особенно в части обновления оборудования (средний возраст установок превышает 15 лет).
• Утечка молодых кадров — значительная часть выпускников аспирантуры уезжает работать за рубеж (в Европу, США, Китай).
• Санкционное давление — ограничения на поставки высокотехнологичного оборудования и материалов из стран ЕС и США (с 2014 года, усилившиеся после 2022 года).
• Бюрократизация — рост отчётности и административной нагрузки на научных сотрудников.

Источники

• Официальный сайт Института физики полупроводников им. А. В. Ржанова СО РАН (раздел «История», «Структура», «Научные направления»).
• Асеев А. Л. «Институт физики полупроводников: 50 лет» // Вестник РАН, 2014, № 10.
• Ржанов А. В. «Физика полупроводниковых поверхностей и тонких плёнок» // Успехи физических наук, 1985, т. 146, вып. 3.
• Материалы конференции «Физика полупроводников — 2023» (Новосибирск, ИФП СО РАН).
• Данные из базы Scopus (публикационная активность сотрудников ИФП СО РАН за 2000–2023 гг.).