Институт прикладной физики имени Фраунгофера

Институт прикладной физики имени Фраунгофера (нем. Fraunhofer-Institut für Angewandte Festkörperphysik, IAF) — научно-исследовательское учреждение в составе Общества имени Фраунгофера (Fraunhofer-Gesellschaft), крупнейшей европейской организации прикладных исследований. Институт специализируется на разработке и создании оптоэлектронных, электронных и микроэлектронных компонентов на основе полупроводниковых материалов, в первую очередь нитрида галлия (GaN) и арсенида галлия (GaAs). Основные направления деятельности включают лазерные диоды, светодиоды, транзисторы высокой подвижности электронов (HEMT), детекторы излучения и интегральные схемы для радиочастотной и силовой электроники. Институт расположен во Фрайбурге-им-Брайсгау (земля Баден-Вюртемберг, Германия). Основан в 1957 году, современное название и профиль получил в 1971 году.

История

Институт ведёт свою историю с 1957 года, когда в рамках Общества имени Фраунгофера был создан Исследовательский центр по физике твёрдого тела (Forschungsstelle für Festkörperphysik). Первоначально он занимался фундаментальными исследованиями свойств полупроводников. В 1971 году центр был реорганизован в Институт прикладной физики твёрдого тела (Fraunhofer-Institut für Angewandte Festkörperphysik). В 1977 году институт переехал в новое здание на улице Туллаштрассе (Tullastraße) во Фрайбурге, где находится по настоящее время.

В 1980-е годы институт сосредоточился на эпитаксиальных технологиях и создании гетероструктур на основе арсенида галлия. В 1990-е годы были разработаны первые в Европе транзисторы на основе нитрида галлия (GaN-HEMT) для мощных СВЧ-усилителей. В 2000-е годы институт начал активно развивать направление квантовых технологий и детекторов одиночных фотонов. В 2010-е годы были созданы промышленные технологии выращивания кристаллов алмаза для электроники и оптики. В 2020 году институт запустил пилотную линию по производству GaN-силовых транзисторов на 200-миллиметровых пластинах.

Структура и руководство

Институт входит в состав Общества имени Фраунгофера (Fraunhofer-Gesellschaft), которое является некоммерческой организацией, финансируемой за счёт государственных субсидий (около 30 % бюджета) и контрактных исследований (около 70 %). Институт возглавляет директор, назначаемый правлением Общества. По состоянию на 2025 год директором института является профессор Оливер Амбакер (Oliver Ambacher), специалист в области полупроводниковой электроники. Штат института насчитывает около 300 сотрудников, включая научных работников, инженеров, техников и аспирантов.

Научные отделы

Институт состоит из нескольких научных отделов, каждый из которых специализируется на определённом направлении:

Эпитаксия и наноструктуры — разработка методов молекулярно-лучевой эпитаксии (MBE) и газофазной эпитаксии из металлоорганических соединений (MOCVD) для выращивания полупроводниковых гетероструктур.
Высокочастотная электроника — создание транзисторов и интегральных схем для диапазона частот от 1 ГГц до 1 ТГц на основе GaN и GaAs.
Оптоэлектроника — разработка лазерных диодов, светодиодов и фотодетекторов для видимого, инфракрасного и ультрафиолетового диапазонов.
Силовая электроника — проектирование и изготовление мощных GaN-транзисторов и диодов для преобразователей напряжения, инверторов и зарядных устройств.
Квантовые технологии — создание детекторов одиночных фотонов, источников запутанных фотонов и квантовых сенсоров на основе полупроводниковых наноструктур.
Технология алмаза — выращивание синтетических монокристаллов алмаза методом химического осаждения из газовой фазы (CVD) и их применение в электронике и оптике.

Основные направления исследований

Полупроводниковые материалы

Институт является одним из мировых лидеров в области эпитаксиального выращивания полупроводниковых гетероструктур. Основные материалы:

Нитрид галлия (GaN) — широкозонный полупроводник (ширина запрещённой зоны 3,4 эВ), используемый для создания мощных высокочастотных транзисторов, светодиодов синего и ультрафиолетового диапазона, а также силовых ключей. Институт разрабатывает GaN-структуры на подложках из карбида кремния (SiC), кремния (Si) и сапфира.
Арсенид галлия (GaAs) — используется для создания лазерных диодов, фотодетекторов и транзисторов для диапазона частот до 100 ГГц. Институт разрабатывает гетероструктуры на основе GaAs/AlGaAs, GaAs/InGaP и GaAs/InGaAs.
Фосфид индия (InP) — применяется для создания лазеров и фотодетекторов телекоммуникационного диапазона (1,3–1,6 мкм).
Алмаз — синтетический монокристаллический алмаз, легированный бором или азотом, используется для создания высоковольтных диодов, детекторов радиации и теплопроводящих подложек.

Высокочастотная электроника

Институт разрабатывает транзисторы с высокой подвижностью электронов (HEMT) на основе GaN и GaAs для работы в диапазоне частот от 1 ГГц до 1 ТГц. Эти устройства применяются в:

Радиолокационных станциях (РЛС) военного и гражданского назначения (например, для систем управления воздушным движением).
Системах спутниковой связи (Ku-, Ka- и Q-диапазоны).
Беспроводных сетях 5G/6G (базовые станции, маломощные ретрансляторы).
Измерительной технике (анализаторы спектра, генераторы сигналов).

Институт создал рекордные по мощности GaN-HEMT-транзисторы с выходной мощностью более 100 Вт на частоте 10 ГГц и коэффициентом усиления более 15 дБ.

Оптоэлектроника

Институт разрабатывает лазерные диоды и светодиоды на основе GaN, GaAs и InP. Основные продукты:

Лазерные диоды — для накачки твёрдотельных лазеров, оптической связи, лидаров (LIDAR) и медицинских приборов. Институт создал лазеры с мощностью до 10 Вт в непрерывном режиме на длине волны 808 нм и 980 нм.
Светодиоды — ультрафиолетовые (UV) светодиоды на основе GaN для обеззараживания воды и воздуха, а также для фотолитографии. Институт разработал UV-C светодиоды с мощностью более 100 мВт на длине волны 265 нм.
Фотодетекторы — лавинные фотодиоды (APD) и фотодиоды Шоттки для детектирования слабых оптических сигналов в диапазоне от 200 нм до 2,5 мкм.

Силовая электроника

Институт разрабатывает GaN-транзисторы (HEMT и MIS-HEMT) и диоды Шоттки для силовой электроники. Эти устройства характеризуются высокой эффективностью (КПД > 95%), малыми размерами и способностью работать при высоких температурах (до 200 °C). Применяются в:

Импульсных источниках питания (блоки питания для серверов, ноутбуков, смартфонов).
Инверторах для электромобилей и гибридных автомобилей.
Преобразователях напряжения для солнечных электростанций и ветрогенераторов.
Зарядных устройствах для аккумуляторов (быстрая зарядка).

Институт создал GaN-транзисторы с напряжением пробоя до 1200 В и током до 50 А.

Квантовые технологии

Институт разрабатывает детекторы одиночных фотонов на основе лавинных фотодиодов (SPAD) и сверхпроводниковых нанопроволок (SNSPD). Эти устройства используются в:

Квантовой криптографии (распределение квантовых ключей).
Квантовых вычислениях (считывание кубитов).
Биомедицинской визуализации (флуоресцентная микроскопия, позитронно-эмиссионная томография).

Институт создал SPAD-детекторы с временным разрешением менее 50 пикосекунд и эффективностью детектирования более 50% на длине волны 850 нм.

Технология алмаза

Институт выращивает синтетические монокристаллы алмаза методом CVD (химическое осаждение из газовой фазы). Алмаз используется для:

Высоковольтных диодов и транзисторов (напряжение пробоя до 10 кВ).
Детекторов радиации (нейтронов, гамма-излучения, альфа-частиц).
Теплопроводящих подложек для мощных полупроводниковых приборов (теплопроводность алмаза до 2000 Вт/(м·К)).
Оптических окон и линз для инфракрасного диапазона.

Институт разработал технологию выращивания алмазных пластин диаметром до 100 мм.

Применение и сотрудничество

Институт выполняет контрактные исследования для промышленных компаний и государственных организаций. Основные заказчики:

Аэрокосмическая и оборонная промышленность — Airbus, Thales, BAE Systems, DLR (Германский центр авиации и космонавтики).
Автомобильная промышленность — Bosch, Continental, Daimler, Volkswagen.
Телекоммуникации — Nokia, Ericsson, Deutsche Telekom.
Медицинская техника — Siemens Healthineers, Carl Zeiss Meditec.
Энергетика — Siemens Energy, ABB, RWE.

Институт участвует в крупных европейских и немецких научно-технических программах, таких как:

ECSEL (Electronic Components and Systems for European Leadership) — европейская программа по развитию электронной компонентной базы.
GaN4AP (GaN for Advanced Power Electronics) — проект по созданию GaN-силовой электроники.
Quantera — европейская программа по квантовым технологиям.
Diamond — проект по разработке алмазной электроники.

Критика и ограничения

Как и другие институты Общества имени Фраунгофера, IAF критикуется за:

Высокую зависимость от государственного финансирования — около 30% бюджета института составляют субсидии из федерального и земельного бюджетов, что делает его уязвимым к сокращению государственных расходов.
Недостаточную коммерциализацию — некоторые технологии, разработанные в институте (например, GaN-транзисторы для силовой электроники), не находят массового применения из-за высокой стоимости производства и конкуренции со стороны кремниевых приборов.
Этические вопросы — разработки института в области оборонной электроники (например, GaN-транзисторы для РЛС) могут использоваться в военных целях, что вызывает критику со стороны пацифистских организаций.

Источники

Fraunhofer IAF. «Fraunhofer-Institut für Angewandte Festkörperphysik IAF». — Fraunhofer-Gesellschaft, 2024.
Ambacher, O. et al. «GaN-based high electron mobility transistors for high-power and high-frequency applications». — Proceedings of the IEEE, 2010.
Fraunhofer IAF. «Annual Report 2023». — Fraunhofer IAF, 2024.
Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF). «Forschungsbericht 2022: Fraunhofer-Gesellschaft». — BMBF, 2023.
Kneissl, M. et al. «UV-C LEDs based on GaN: state of the art and future prospects». — Journal of Applied Physics, 2020.
Fraunhofer IAF. «Diamond electronics: from lab to fab». — Fraunhofer IAF, 2022.

BFOmetr — база данных и аналитика по компаниям России.

На главную BFOmetr →