Побег из запрещенный зоны

Ирик Имамутдинов
14 апреля 2008, 00:00

Небольшая исследовательская компания «Иоффе-ЛЕД», основываясь на достижениях советской школы в области полупроводниковых гетероструктур, разработала лучшие в мире свето- и фотодиоды инфракрасного диапазона излучения

«А вы знаете, что знаменитая формула Макса Планка возникла из решения им прикладной задачи, поставленной фирмой, производящей осветительные лампы?» — спрашивает Борис Матвеев, иллюстрируя свой рассказ о жесткой взаимосвязи фундаментальных и прикладных исследований в полупроводниковой физике. Про Планка где-то в популярной статье писали, что он и представить себе не мог, что его теория будет использована для создания новых типов осветительных приборов. Имелись в виду рожденные квантовой теорией светодиоды и лазеры. Оказывается, сама теория появилась в 1900 году в ходе наблюдений за обычным светильником, выполняемых по заказу какого-то любопытного заводского технолога, когда ученый пришел к теоретическому выводу о соотношении между температурой тела и испускаемым этим телом излучением (за что Планк в 1915 году и получил Нобелевскую премию в области физики).

Возглавляемая Борисом Матвеевым группа входит в лабораторию инфракрасной оптоэлектроники санкт-петербургского Физико-технического института имени Абрама Иоффе, научным руководителем которого является другой нобелевский лауреат Жорес Алферов. Группа образовалась еще в 70-х, и раньше ее называли просто по имени руководителя: группой Талалакина, потом группой Матвеева. Но 2001 году ей придумали экспортное название, которое на русский язык благозвучно перевести трудно: Mid-IR Diode Optopair Group (MIRDOG) — группа диодных оптических пар (оптопар) среднего спектра инфракрасного излучения. Оптопары потому, что группой исследуются и разрабатываются светодиоды — приборы на основе полупроводников, преобразующих электрический ток в световое излучение, и фотодиоды — в них, наоборот, излучение превращается в электрический сигнал. Эти два прибора и составляют оптопару, чаще всего они используются в газоанализаторах для оптического анализа химических веществ. В самом Физтехе матвеевских сотрудников называют просто мирдогами.

 pic_text1 Фото: Александр Крупнов
Фото: Александр Крупнов

В 2005 году они образовали фирму «Иоффе-ЛЕД» (LED — Light Emitting Diod, светодиод), а год назад проект компании «Иммерсионные свето- и фотодиоды среднего инфракрасного диапазона (длина волны 3–6 мкм)» победил в Конкурсе русских инноваций, организованном нашим журналом, в номинации «Лучший перспективный проект». Экспертному совету конкурса проект приглянулся потому, что «Иоффе-ЛЕД» действительно делает очень хорошие приборы. По словам генерального директора компании Максима Ременного, несколько лет назад лазерные диоды компании были признаны Джерри Маером, руководителем отделения квантовой оптоэлектроники Naval Research Laboratory (исследовательская лаборатория американского военно-морского флота), лучшими в мире.

С практической точки зрения частотный диапазон инфракрасного излучения 3–6 мкм интересен тем, что здесь лежат наиболее сильные полосы поглощения многих газов. Наибольшая интенсивность поглощения в среднем диапазоне инфракрасных длин волн характерна для метана, формальдегида и других углеводородов, окиси и двуокиси углерода, окисей серы и азота. Говоря другими словами, с помощью диодных пар «Иоффе-ЛЕД» можно создать чувствительные и быстродействующие аналитические приборы для обнаружения различных газов, с которыми приходится сталкиваться человеку в различных областях жизни.

Отрава для монахов

По словам Бориса Матвеева, в основе успеха исследовательской деятельности его группы сплав основных достижений советских ученых в оптической электронике: исследования в области так называемых материалов A3B5 — полупроводников из соединения элементов III и V групп таблицы Менделеева; разработки в области эпитаксиального роста гетероструктур и наработки в области их фотолитографической обработки, — то есть там, где как раз преуспели предшественники Матвеева из ленинградского Физико-технического института, а затем и он сам со своей группой.

Систематическое изучение полупроводников было начато в СССР в ЛФТИ в начале 30-х под руководством Абрама Федоровича Иоффе. Полупроводниковыми исследованиями занимались многие крупные советские ученые. Этой областью интересовался Игорь Курчатов, классические результаты по полупроводам принадлежат Якову Френкелю. Олег Лосев, сотрудник Нижегородской лаборатории, в конце 20-х годов открыл явление электролюминесцентного свечения полупроводников и по сути дал старт развитию эпохи оптоэлектроники. То есть долгие годы советская физика действительно была на высоте.

В 1947 году американцы получили первый транзистор на кремнии. К середине века стало ясно, что основной игрок полупроводникового мира кремний (кстати, приборы на его основе и сейчас занимают 90% рынка) — это материал, который не годится для оптоэлектроники, потому что имеет очень низкий квантовый выход, говорит Матвеев, и на нем в принципе невозможно сделать источники излучения. В послевоенные годы ученые ленинградского Физтеха Нина Горюнова и Анатолий Регель и немного позднее Генрих Велькер в Германии предсказали возможность создания целого класса искусственных полупроводников на основе соединений A3В5 со свойствами, пригодными для создания оптических полупроводниковых устройств, работающих в широком спектре диапазона. Важнейшая особенность полупроводников А3В5 — их оптические свойства, которых лишен кремний. Благодаря таким материалам в общем-то и оказалось возможным создать полупроводниковый лазер, который сегодня применяется везде — от волоконно-оптической связи до проигрывателей компакт-дисков.

Нина Горюнова, возившаяся по поручению академика Иоффе где-то на задворках полупроводниковых исследований (она работала с так называемым серым оловом — бесперспективным полупроводником, наскребывая «оловянную чуму» со старинных потиров в запасниках Эрмитажа ), первой нашла пути синтеза искусственных полупроводников. Пришла она к ним через бесполезные, по мнению безоглядно увлеченных кремнием и германием физиков, химические опыты «по соединению грязи с грязью», которые вызывали у ее коллег первое время только насмешки. Таким образом, в традиционной цепочке получения нового знания «физика (эффект + теория) — материал — изделие» исследования переместились на второе — технологическое звено. В 1950 году Горюнова получила антимонит индия, то есть соединение индия и сурьмы (антимонитом сурьму называли потому, что по легенде в средние века ею травились монахи, от англ. monk), которое благодаря низкой температуре реакции оказалось наиболее подходящим для синтеза A3В5 с точки зрения технологий того времени. Полученный материал действительно оказался полупроводником, и его начали активно изучать.

Если брать историю проекта ab ovo, рассказывает Матвеев, то стартовым можно назвать 1955 год. В это время в Физтехе была создана группа A3В5, двумя годами позже преобразованная в лабораторию электронных полупроводников. Руководить ею поставили Дмитрия Наследова, родоначальника целой научной школы, разработавшего технологию получения монокристаллов арсенидов галлия и индия и электронно-дырочных переходов (р-n-переходов) на их основе. В его лаборатории разрабатывали технологии получения таких полупроводников и осваивали методы объемной кристаллизации: зонной плавки (очистки) и метод вытягивания кристаллов по Чохральскому. Именно Наследов принял решение поддержать работы Горюновой по антимониту индия и расширить их на весь класс материалов. Он первым настаивал на изучении возможностей легированных (тогда их называли просто «грязными») соединений A3В5 прямозонных полупроводников с высоким квантовым выходом излучательной рекомбинации (материалов для будущих свето-, фотодиодов и лазеров). Позже в лаборатории Наследова стали развиваться два основных направления — арсенида галлия и арсенида индия. И достаточно успешно: еще при Наследове были сделаны и светодиоды, и лазеры. Годы спустя в группе Талалакина-Матвеева долгое время работала Нонна Зотова, бывшая аспирантка Наследова. Она стала одним из разработчиков первых в мире инфракрасных лазеров на основе легированного арсенида индия и, в свою очередь, научным руководителем будущего директора «Иоффе-ЛЕД» Максима Ременного.

Упущенный приоритет

В начале 60-х годов заместитель Дмитрия Наследова Александр Рогачев с коллегами изучали электролюминесценцию (свечение) p-n-переходов в арсениде галлия и были озадачены не находившим объяснения сужением спектра излучения при больших токах. Это было первым в мире наблюдением стимулированного излучения в полупроводниках и безусловным шагом, прямо ведущим к созданию полупроводниковых лазеров. При подготовке очередной статьи (это было в январе 1962-го), буквально перед самой отправкой ее в печать, Рогачев вспомнил про соотношения Эйнштейна для спонтанного и вынужденного излучения и предложил добавить в статью в качестве возможного объяснения экспериментальных данных начало вынужденного (стимулированного) излучения, но этим и ограничился.

 pic_text2 Фото: Александр Крупнов
Фото: Александр Крупнов

Надо заметить, что, по воспоминаниям Жореса Алферова, когда американцы прочли эту статью, то здорово занервничали, ведь в разработках в области оптоэлектроники наши и американские ученые тогда шли ноздря в ноздрю. Им представлялось, что в статье по соображениям секретности наши ученые описали не все полученные эффекты и СССР на грани создания первого в мире полупроводникового лазера. Но в действительности в то время Александр Рогачев и его коллеги еще не знали о принципах работы квантовых генераторов, созданных незадолго до этого у нас в Физическом институте Академии наук (Николаем Басовым и Александром Прохоровым) и в США (Чарльзом Таунсом). По словам Матвеева, Рогачеву и его коллегам тогда не хватило самой малости до большого открытия. Нужно было «всего лишь» сделать два скола на полупроводниковом образце, получив таким образом резонаторы, и затем провести дополнительные измерения. Прочитав физтеховскую статью, это сделали как раз американцы (их статья вышла в июне 1962-го), закрепив тем самым за США приоритет создания полупроводникового лазера, а заодно еще раз доказав важность не только широкого физического, но и технического образования.

Борис Матвеев рассказывает, что Рогачев сам видел одну из причин своей «оплошности», стоившей ему Нобелевской премии, в том, что он был по образованию чересчур чистым университетским физиком и ему недоставало инженерных знаний. Рогачев говорил потом Матвееву и другим своим ученикам, что «что бы там ни говорили, но физика полупроводников — это, конечно же, прежде всего прикладная наука. На самом деле полупроводник — это материал, из которого в будущем будет сделан прибор, а фундаментальные исследования — это изучение каких-то новых явлений и эффектов, которые еще пока не применены ни в каком приборе, а значит, без технологической подготовки в полупроводниковой оптоэлектронике не обойтись.

Schlumberger буквально заставляла не привыкших оформлять свои авторские права физтеховцев писать патенты

Гомо и гетеро

В 1960-х годах было принято постановление Совмина СССР о развитии приборов на основе арсенида и фосфида галлия. Одним из важных катализаторов развития полупроводниковой техники, по словам историка науки Юрия Носова, становились военные: полупроводниковая инфракрасная техника все эффективнее демонстрировала военным свои чудодейственные возможности, необходимые в первую очередь для противосамолетных тепловых головок самонаведения и приборов ночного видения. Использование в том числе такой техники, к примеру, в советских системах ПВО, работавших во Вьетнаме, привело к чудовищным потерям американских ВВС и в итоге стало немаловажным фактором, поспособствовавшим подписанию Парижского мира в 1973 году. Но это если забежать вперед, в 70-е, а в начале 60-х развитие оптоэлектроники стало стопориться из-за нескольких естественнонаучных препятствий.

Одна из проблем прямо вытекала из собственно физических свойств полупроводников, рассказывает Борис Матвеев. Дело в том, что спектр излучения у полупроводников принципиально узкий, и выбор определенных материалов, например, арсенида индия, определял инфракрасный спектральный диапазон приборов, сделанных на его основе. Надо было расширять спектр. К тому же появившиеся в начале 60-х годов полупроводниковые лазеры и светодиоды могли работать только при температуре жидкого азота или даже еще более низкой.

В 1963 году группа Жореса Алферова сформулировала возможность применения в полупроводниковой электронике так называемых гетероструктур на основе А3В5. Это позволяло создавать полупроводниковые приборы с различными техническими характеристиками. Лазер, созданный на основе таких гетероструктур, уже может генерить при комнатной температуре, и, как рассказал Жорес Алферов в интервью нашему журналу (см. «В силиконовой тени», «Эксперт» № 30 за 2000 год), «мы сделали комнатный лазер в шестьдесят восьмом году, а в семидесятом добились непрерывного режима его работы». Именно этому достижению советских физиков мы обязаны миллиардами светодиодных и лазерных устройств, работающих сейчас в компьютерной, телекоммуникационной технике, бытовой и промышленной электронике.

Как выяснили советские исследователи, получение гетероструктур с нужными свойствами возможно только в случае почти идеального взаимного расположения ячеек кристаллических решеток двух разных веществ. Это стало осуществимым лишь с развитием эпитаксиальных (послойных) способов изготовления полупроводников. В полупроводниковой электронике стараются работать с монокристаллами, и гетероструктура, получаемая эпитаксией, едина с точки зрения связей кристаллической структуры. При этом гетероэпитаксия позволяет наносить множество слоев с разными свойствами, чтобы управлять электронными и оптическими процессами в полупроводниках. В Физтехе было разработано сразу несколько технологий послойного наращивания гетероструктур эпитаксиальным способом. Алексей Гореленок запатентовал метод эпитаксиального выращивания кристаллов из различных материалов в открытой системе, группа Алферова занималась так называемой жидкофазной эпитаксией. Массово заменять старые установки стали уже в 70-х годах, рассказывает Борис Матвеев, «уже на моей памяти, а я пришел в институт в 1975 году, резали автогеном установку выращивания методом Чохральского и заменяли на установки жидкофазной эпитаксии». Эту технологию виртуозно освоил еще один яркий физтеховец Георгий Талалакин, предшественник Матвеева на «посту» руководителя группы и его учитель, гордившийся тем, что его называли хорошим технологом, и умевший вырастить правильно легированный монокристалл хорошего качества, нужной толщины и чистоты. Разработанные технологии шли в промышленность, и в советское время образовался изрядный запас легированного арсенида индия, которым и сейчас пользуется компания «Иоффе-ЛЕД», подбирая нужный материал для своих изделий.

Упертый диапазон

Кадровые и технологические вложения сделали СССР к 80-х годам ведущей оптоэлектронной державой мира. Еще при Наследове были сделаны светодиоды с длиной волны 3,5 мкм, но они работали на криогенном охлаждении. Преимущества среднего ИК-диапазона для анализа состава углеводородов и некоторых других газов считались очевидными, и требовались светодиоды с длиной волны от 4 мкм, работающие при комнатной температуре. В 1975 году Киевский ВНИИАП (Всесоюзный научно-исследовательский институт аналитического приборостроения) пролоббировал правительственное постановление о создании таких газоанализаторов, предназначенных прежде всего для обнаружения шахтного метана и углекислого газа. ФТИ получил 1 млн рублей на НИР — немалые по тем временам деньги на изучение возможностей создания свето- и фотодиода для такого прибора. В результате появился первый в мире светодиод для средней ИК-области спектра, работающий при комнатной температуре, а в 1989 году — первый в мире полупроводниковый лазер в этом диапазоне, работающий при азотном охлаждении. Но до сборки промышленных приборов на заводе дело так и не дошло.

В 80-х годах это были лучшие устройства в мире в своем классе, и, как только запахло коммерческой оттепелью, свето- и фотодиоды пошли на экспорт, в основном их покупали заграничные университеты. Сначала этим делом промышляли комсомольцы, потом Жорес Алферов для упорядочивания институтского экспорта создал на паях с австрийцами совместное предприятия «Техноэксан» (только в статусе СП можно было продавать электронную технику за границу). В 1989 году через это СП Матвеев получил за четыре проданных в Дублинский университет диода огромную по тем временам сумму 1600 долларов — и тут же потратил на поездку на конференцию американской оптической ассоциации SPI. Операции через физтеховскую фирму не раз выручали сотрудников института в 90-х годах, запомнившихся как сплошная борьба за выживание. Самым тяжелым был 1996 год: в течение нескольких месяцев в институте не платили зарплату, кто-то из коллег Матвеева выращивал кроликов, а сам он нашел дело, которое неожиданно оказалось прибыльным на фоне институтских заработков, — продавал самодельные расписания в электричках. Тем не менее все продолжали исследования в физтеховских лабораториях.

В 1997 году в институт пришло письмо с неопределенными обещаниями и просьбой рассмотреть возможность производства светодиодов, работающих при повышенных до 80 градусов температурах. Несостоявшийся клиент затем куда-то запропастился, но задача показалась ученым интересной — ведь в лучшие для оптоэлектроники времена только-только создали светодиоды, работающие при комнатной температуре. В итоге в европейском отраслевом журнале Sensors and Activators появилась статья, как выяснилось позднее, не оставшаяся незамеченной.

В 1999 году институт посетили представители транснациональной компании Schlumberger, мониторившей сохранившиеся советские технологии применительно к своим технологическим нуждам. Руководство Физтеха пошло на встречу с представителями компании скорее из вежливости, недоумевая, что нужно нефтяной сервисной компании (и, кстати, производителю различного аналитического оборудования). Выяснилось, они знали о работах по публикации в журнале, так как их интересовали высокотемпературные источники и приемники излучения в средней ИК-области. Компания занималась бурением нефтяных скважин, и приборы им были нужны для объективного анализа химического состава газов в глубинах скважин.

Нашли и приемлемую форму сотрудничества: Schlumberger оформила свои инвестиции в Физтех через российско-американский CRDF (Civilian R&D Foundation — фонд, ориентированный на поддержку гражданских фундаментальных и прикладных исследований), так вышло меньше волокиты с перечислением денег и покупкой оборудования. По словам Максима Ременного (он пришел в группу в 1999 году после защиты диссертации), в отличие от многих других охотников за технологиями у Schlumberger были очень льготные условия — от физтеховцев требовалась только публикация полученных результатов. Главное, группа вновь собралась для научных исследований. Уже в 2001-м она получила премию Физико-технического института за работу «Диодные пары источник-приемник отрицательного и положительного контраста для диапазона 3–6 мкм», которая по сути является основой нынешних успехов «Иоффе-ЛЕД».

Schlumberger буквально заставляла не привыкших оформлять свои авторские права физтеховцев писать патенты. По договору с компанией интеллектуальная собственность разделялась между двумя сторонами. В течение четырех лет группа работала над решением поставленных задач, получая от 25 тыс. до 40 тыс. долларов ежегодно (нужно помнить, тогда это были еще приличные деньги), помимо денег была возможность постоянного общения с коллегами-учеными из научно-исследовательского центра Schlumberger во время пребывания в Ричфилде.

Во время работы с Schlumberger и вырисовалась итоговая конструкция прибора. Первое ноу-хау заключалось в умении вырастить правильную гетероструктуру на сильнолегированных подложках арсенида индия с большой широтой запрещенной зоны (то есть с возможностью выхода большей части излучения). Это позволило реализовать конструкцию так называемого флип-чипа, то есть такого чипа, у которого излучающая поверхность находится не со стороны активной зоны, как у обычных светодиодов, а со стороны подложки, на которой были выращены другие гетерослои. Во-вторых, Наталья Ильинская, один из лучших в стране, по мнению коллег, специалист по фотолитографии, нашла изощренный способ химического травления выращенной гетероструктуры, давший возможность освободить подложку светодиода от электрических контактов, тем самым увеличив его излучение (и детекторную чувствительность фотодиода). Наконец, одна фишка, придумали матвеевцы, — способ «приклеивания» иммерсионной линзы с помощью оптического клея с тем же показателем преломления, что и у самой линзы (тогда больше излучение фотонов за пределы прибора). В итоге излучательная способность у новых светодиодов (и обнаружительная — у фотодиодов) увеличилась почти в десять раз по сравнению с предыдущим поколением приборов.

Отрицательная люминесценция

Работа с Schlumberger закончилась, но до коммерческой кондиции приборы доведены еще не были, и исследователям в группе пришлось искать новые инвестиции. Тогда они вышли на Фонд поддержки малых форм предприятий в научно-технической сфере, которым руководил Иван Бортник. Фонд поддерживает институтские коллективы по программе «Старт», стимулируя ученых создавать исследовательские компании и коммерциализировать свои наработки. В новообразованные малые предприятия (с максимумом участия юридического лица в 25%, к примеру, в «Иоффе-ЛЕД» они принадлежат Физтеху), в первый год фонд инвестирует 750 тыс. рублей, на второй — 1 млн, но с условием (оно одинаково для всех стартовцев), что другой миллион вложит частный инвестор. Для «Иоффе-ЛЕД» таким инвестором стал питерский «Пром-инжиниринг», разработчик электроники и комплексных систем управления для автоматизации производства полимерной продукции. На основе физтеховских диодов они создают датчики толщины органических пленок (как и многие углеводороды, полиэтилен имеет фундаментальную полосу поглощения в средней ИК-области спектра около 3 мкм). Родственная по физтеху «ФТИ-Дивикам» на основе иммерсионных оптопар разрабатывает систему пирометрического контроля температуры удаленных слаборазогретых тел и капнографы — хайтечное оборудование для медицинских клиник, предназначенное для скоростного измерения концентрации углекислого газа в выдохе больного. Компания «Мета» из Жигулевска начала промышленный выпуск приборов на иммерсионных диодах для анализа содержания алкоголя в выдохе водителя, уже заинтересовавших гаишников и самих водителей. Многие свето- и фотодиоды покупаются с целью изучения характеристик и возможного последующего применения в конечных потребительских приборах, что означает отложенный спрос. К тому же, по данным European Gas Sensors and Analysers Market, рынок промышленных газовых сенсоров оценивался в 2006 году в 250 млн долларов, 29% этого рынка составляет оборот инфракрасных сенсоров. Причем это стоимость конечных приборов, а доля поставщиков элементной базы еще меньше. В случае удачного закрепления на рынке обороты «Иоффе-ЛЕД» могут составить сотни тысяч долларов. Этого будет более чем достаточно для «выживания в профессии, в науке», как определил текущие задачи своего институтского бизнеса Борис Матвеев.

Вместе с коллегами он мечтает приступить к более интенсивным исследованиям явления так называемой отрицательной люминесценции полупроводников, приоритет в открытии которой принадлежит нашей стране. За достижения в этой области Владимир Иванов-Омский, Борис Матвеев, Владимир Смирнов, Николай Стусь получили в прошлом году престижную научную премию Френкеля. Сейчас этими исследованиями заинтересовались военные, потому что им важно, что в результате применения полупроводников с отрицательной люминесценцией можно уменьшить светимость спутников в ИК-диапазоне.