Введение
Научно-техническая революция в конце 20-го века, ознаменовавшая начало эпохи тотальной коммуникации, связана, в первую очередь, с полупроводниками, так как они являются ее технологическим фундаментом. Более того, именно один из полупроводников, кремний (Si), является в двадцать первом веке материалом номер один, потому что элементная база всей современной электроники, начиная с суперкомпьютеров и кончая мобильными устройствами в руках каждой домохозяйки, представляет собой сверхбольшие интегральные схемы, ключевым и основным элементом которых являются кремниевые полевые транзисторы нанометровых размеров. К сказанному можно добавить, что произошедшая на наших глазах революция в производстве осветительных устройств, когда на смену лампам накаливания и газоразрядным светильникам пришли светодиодные источники освещения, также вызвана достижениями в физике и технологии полупроводников.
С другой стороны, многие выдающиеся открытия в физике последних десятилетий были сделаны именно в полупроводниковых системах. Достаточно вспомнить целочисленный и дробный квантовый эффект Холла, глубина и общефизическое значение которых такова, что они демонстрируют абсолютно уникальное событие в истории нобелевских премий: две нобелевские премии были присуждены за эффекты, иллюстрирующиеся одной экспериментальной зависимостью. Также нельзя не вспомнить всем известный графен, который представляет собой первый двумерный полупроводник, и так называемые топологические изоляторы, являющиеся, с одной стороны, новыми разновидностями полупроводников, а с другой – реализацией новых квантовых состояний вещества.
Сказанного выше более чем достаточно, чтобы прийти к выводу о том, что современная физика полупроводников оказалась в начале 21-го века самой актуальной физической дисциплиной с точки зрения как прикладной, так и фундаментальной физики.
История создания кафедры
Кафедра физики полупроводников была основана в 1963 г. академиком Анатолием Васильевичем Ржановым, который руководил кафедрой более 25 лет. Основные спецкурсы читали А.В. Ржанов, А.Ф. Кравченко, А.В. Чаплик, С.В. Богданов и Ф.Л. Эдельман. В 1972 году учебный план кафедры существенно перерабатывается; студентам предлагаются новые спецкурсы: «Оптические явления в полупроводниках» (К.К. Свиташев), «Акустика кристаллов» (И.Б. Яковкин), «Электрон-фононные взаимодействия в полупроводниках» (С.В. Богданов), «Микроэлектроника» (С.П. Синица), «Неустойчивости тока в полупроводниках» (П.А. Бородовский). В начале восьмидесятых добавились курсы «Электронные свойства неупорядоченных полупроводников» (Э.М. Баскин) и «Радиационная физика полупроводников» (Н.Н. Герасименко).
С 1990 по 2010 годы кафедрой руководил заслуженный деятель науки РФ д.ф.-м.н. профессор Александр Сергеевич Терехов. В этот период была проведена кардинальная перестройка учебного плана. Теперь он включал общие спецкурсы: «Введение в специальность» (А.С. Терехов), «Кристаллофизика полупроводников» (С.И. Чикичев), «Теория твердого тела» (А.В. Чаплик), «Физика полупроводниковых тонких слоев и низкоразмерных систем» (Д.З. Квон). По всем общим спецкурсам были введены семинарские занятия. В учебный план были также добавлены спецкурсы более узкого профиля: «Радиационная физика полупроводников» (А.В. Двуреченский), «Физическая акустика твердого тела» (Д.В. Петров), «Электронные свойства полупроводников с примесями и дефектами (Э.М. Баскин).
Переход НГУ на двухуровневую систему образования в 1994 году вносит дополнительные изменения в учебный план. Были введены новые спецкурсы для магистрантов: «Оптические процессы в полупроводниках» (В.Л. Альперович), «Физические основы нанотехнологии» (А.В. Двуреченский), «Гетероэпитаксия» (А.В. Латышев), «Квантовый транспорт в низкоразмерных структурах» (А.Г. Погосов), «Нанодиагностика» (А.В. Латышев).
С 2010 года кафедра физики полупроводников, уже под руководством академика А.В. Латышева, продолжает работу на основе тех же принципов, которые заложил академик А.В. Ржанов и творчески развил профессор А.С. Терехов. В 2016 году в учебном плане появились ещё два новых спецкурса, направленных на углубленное изучение основ физики и технологии современных полупроводниковых приборов: «Полупроводниковая электроника» (Д.Р. Исламов) и «Полупроводниковая оптоэлектроника» (Г.Э. Шайблер). В настоящее время на кафедре работают А.В. Чаплик, А.В. Двуреченский, З.Д. Квон, В.Л. Альперович, А.Г. Погосов, О.Е. Терещенко, Л.С. Брагинский, А.В. Ненашев, Д.Р. Исламов, Г.Э. Шайблер, Е.Е. Родякина, Д.М. Казанцев и А.С. Петров.
А.В. Ржанов
А.С. Терехов
А.В. Латышев
Специализация и учебные курсы кафедры
Программы обучения на кафедре предусматривают получение студентами базовых знаний по физике конденсированного состояния, физики полупроводников и диэлектриков, а также необходимых умений и навыков научно-исследовательской работы с использованием современных полупроводниковых технологий. Обучение начинается в 5-м семестре с годового курса «Введение в физику полупроводников», который преподают профессор В.Л. Альперович и доцент А.В. Ненашев. Цель курса - познакомить студентов с основными идеями, методами и явлениями физики кристаллических твердых тел: металлов, диэлектриков и полупроводников и, тем самым, подготовить к углубленному изучению отдельных разделов физики полупроводников при дальнейшем обучении на кафедре. Изложение основ физики твердого тела невозможно без использования идей и принципов квантовой механики и статистической физики. Поскольку систематическое изучение этих дисциплин начинается только на 3-м курсе, необходимые для изучения зонной теории твердых тел сведения по квантовой механике и статистической физике излагаются на качественном уровне, без привлечения сложного математического аппарата. Большое внимание уделено центральным идеям физики кристаллических твердых тел: о симметрии кристаллов и квазичастицах. В рамках этого курса, наряду с лекциями и семинарами, в 5-м семестре организуются ознакомительные экскурсии в лаборатории института, которые проводят ведущие научные сотрудники вместе с преподавателями. Это помогает студентам выбрать задачи и руководителей для выполнения научной работы в лабораториях института.
В течение 6-го и 7-го семестров профессор О.Е. Терещенко преподает годовой курс «Кристаллофизика полупроводников», который посвящен изучению атомной и электронной структуры кристаллов, основ их физико-химических свойств, а также знакомству с современными методами исследования структуры и электронных свойств твердых тел. В программу курса включены основные вопросы кристаллофизики и кристаллохимии полупроводников: строение атомов и молекул; механизм образования и типы химических связей; теория кристаллических решеток и методы их классификации; теория обратной решетки; зонная структура кристаллов; рост объемных кристаллов и тонких пленок; методы экспериментального определения кристаллических структур с помощью дифракции рентгеновских лучей и электронов; атомная структура и электронные свойства поверхности полупроводников.
На 4-м курсе преподаются еще два годовых курса. Профессор З.Д. Квон читает курс «Физика полупроводниковых тонких слоев и низкоразмерных систем». Первая часть этого курса посвящена изложению сначала физики приповерхностных слоев пространственного заряда в полупроводниках, а затем структур металл - диэлектрик - полупроводник (МДП) и приборов на их основе, прежде всего, прибора зарядового сдвига и МДП‑транзистора. В МДП-транзисторе в 1966 г. была впервые реализована двумерная электронная система, т.е. он сыграл уникальную роль не только в развитии полупроводниковой индустрии, но и в рождении нового фундаментального направления физики конденсированного состояния — физики низкоразмерных электронных систем. Все открытия физики полупроводников последних 50 лет связаны с рождением и развитием этого направления. Квантовый эффект Холла, дробный квантовый эффект Холла, гетероструктуры— вот неполный список этих открытий, удостоенных Нобелевской премии по физике. Основные идеи и понятия физики низкоразмерных электронных систем являются предметом второй части курса. Здесь рассматриваются энергетический спектр и плотность состояний двумерных, одномерных (квантовые проволоки) и нульмерных (квантовые точки) систем; явления локализации электронов и модель Андерсона; переход металл — диэлектрик; когерентные явления при рассеянии электронов и слабая локализация; влияние магнитного поля на низкоразмерные системы: эффект Ааронова — Бома, аномальное магнитосопротивление, квантование Ландау, осцилляции Шубникова — де Гааза, квантовый эффект Холла; графен, топологический изолятор, двумерный полуметалл.
Академик А.В. Чаплик и доцент Л.С. Брагинский преподают годовой курс «Теория твердого тела», который является базовым для понимания электронных свойств металлов, диэлектриков и полупроводников, а также функционирования приборов на их основе. В первой части курса изучаются динамика решетки (фононный спектр кристалла, теплоемкость, роль ангармонизма); электронные спектры (зонная теория) твердых тел (теорема Блоха, квазиимпульс, приближения слабой и сильной связи, эффективная масса, k-p-метод, локализованные состояния электронов в кристаллах) и явления, обусловленные электрон-электронным взаимодействием (статическое и динамическое экранирование, плазменные колебания и затухание Ландау, диэлектрическая проницаемость, переход Мотта, вигнеровская кристаллизация). Во второй части изучается теория кинетических явлений в твердых телах (кинетическое уравнение Больцмана, время релаксации импульса, электро- и теплопроводность, термоэлектрические эффекты, рассеяние электронов на примесях и фононах, электрон-электронное рассеяние, фононная теплопроводность, а также кинетические явления в магнитном поле: эффект Холла, магнетосопротивление, квантовые гальваномагнитные эффекты). Далее рассматриваются оптические явления в твердых телах (решеточное поглощение и комбинационное рассеяние света, поляритоны, поглощение свободными носителями заряда, межзонное поглощение, экситоны, переходы примесь — зона).
В магистратуре, с 1-го по 3-й семестр на кафедре преподается восемь полугодовых спецкурсов. Курс «Оптические процессы в полупроводниках» (профессор В.Л. Альперович) посвящен основам физики взаимодействия электромагнитного излучения с твердыми телами, знакомству с оптическими методами исследования полупроводников, а также с принципами работы полупроводниковых фотоприемников и светоизлучающих приборов. Вначале обсуждается соотношение между феноменологическим и микроскопическим подходами к описанию оптических свойств вещества; далее изучаются микроскопические механизмы поглощения света в полупроводниках (межзонные оптические переходы, экситонные эффекты, поглощение света на колебаниях решетки и на свободных носителях заряда, оптические переходы с участием примесных уровней); процессы с участием неравновесных носителей заряда (внутренний и внешний фотоэффект, излучательная рекомбинация электронов и дырок); оптические явления в полупроводниковых микроструктурах – квантовых ямах и сверхрешетках. Наряду с традиционными фотоэффектами, рассмотрены оптическая ориентация спинов и выстраивание импульсов электронов, горячая поляризованная фотолюминесценция, фототоки на баллистических и горячих электронах, а также основанные на этих явлениях спектроскопические методы исследования энергетического спектра и механизмов рассеяния импульса, энергии и спина электронов.
Чл.-корр. РАН, профессор А.В. Двуреченский преподаёт курсы «Радиационная физика полупроводников» и «Физические основы нанотехнологии». Цель курса «Радиационная физика полупроводников» – дать базовые знания по основным понятиям, законам и теории микроскопического описания механизмов потерь энергии быстрых частиц при движении в твердом теле. В курсе рассматриваются: образование первично смещенных атомов мишени и последующий процесс передачи энергии атомам вещества; формирование комплексов элементарных дефектов и определение их атомной и электронной конфигурации; явление каналирования ионов в кристалле; анализ состава и структуры материалов с помощью радиационных методов (спектрометрии обратного резерфордовского рассеяния и каналирования); использование радиационных методов (ионного и нейтронного легирования, ионного травления, термического и лазерного отжига) в современной микро- и наноэлектронике. Зачем нужен этот курс: 1) в современном аналитическом оборудовании электронные, ионные, рентгеновские (синхротронные) и лазерные пучки широко используются для исследования структуры и состава материала; 2) тот же набор радиационных воздействий применяется для управления функциональными характеристиками материалов и приборов на их основе.
Задача курса «Физические основы нанотехнологии» — дать базовые знания по основным разделам нанотехнологии полупроводников: методам и подходам, обеспечивающим создание структур, содержащих элементы размерами нанометрового диапазона (1–100 нм), приводящими к принципиально новым свойствам и характеристикам; методам формирования наноструктур на поверхности полупроводниковых кристаллов в рамках развития технологии молекулярно-лучевой эпитаксии, эпитаксии из металлоорганических соединений; нанесению металлических и диэлектрических пленок при физическом, химическом и плазменном осаждении материалов, оптической, электронной, рентгеновской и ионной литографии, плазменном и ионном анизотропном селективном травлении; использованию методов и подходов нанотехнологии в современной микро- и наноэлектронике.
Академик А.В. Латышев преподаёт курсы «Гетероэпитаксия» и «Нанодиагностика». Цель курса «Гетероэпитаксия» — дать магистрантам базовые знания по некоторым разделам физики кристаллизации, физики твердого тела и физики полупроводников для понимания структурных процессов, протекающих на поверхности кристалла при сублимации, эпитаксиальном росте, термическом отжиге и фазовых переходах, необходимые для осуществления фундаментальных и прикладных исследований в области физики конденсированных сред и физического материаловедения, физики и технологии твердотельных низкоразмерных систем, физических основ полупроводниковых нанотехнологий. В курсе рассматриваются термодинамика поверхности однокомпонентных и многокомпонентных кристаллов, равновесная форма кристалла (теорема Вульфа, поверхностное натяжение, фазовый переход порядок — беспорядок, структура атомных ступеней), поверхностная диффузия, механизмы и кинетика роста кристаллов, термодинамические и кинетические аспекты нестабильности поверхностной морфологии (эшелонирование ступеней, взаимодействие с дефектами и дислокациями, эффект Швёбеля).
Курс «Нанодиагностика» направлен на формирование у студентов базовых знаний о современных методах диагностики и развитие навыков проведения самостоятельных исследований структуры, химического состава, оптических и электрофизических свойств поверхности твердого тела, микро- и наносистем, умения анализировать информацию и использовать ее для качественных и количественных характеристик исследуемых объектов, ознакомление с основами метрологии твердотельных низкоразмерных систем и развитием физических основ полупроводниковых нанотехнологий. В курсе рассматриваются методы измерений состава, структуры и геометрических размеров наноматериалов и наноструктур; разработка стандартных образцов и методик измерений для обеспечения единства измерений в нанометровом диапазоне; взаимодействие электронного пучка с полупроводником (упругое и неупругое рассеяние, дифракция быстрых и медленных электронов); методы сканирующей электронной микроскопии и ионной микроскопии, просвечивающей и отражательной электронной микроскопии, сканирующей зондовой микроскопии (туннельная и атомно-силовая микроскопия, оптическая микроскопия ближнего поля); оптические методы: эллипсометрия, инфракрасная спектроскопия, Фурье-спектроскопия, спектроскопия комбинационного рассеяния света; методы электронной спектроскопии: Оже-спектроскопия и рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия; рентгеновские дифракционные методы.
Курс «Квантовый транспорт в низкоразмерных полупроводниковых структурах» преподаёт профессор А.Г. Погосов. Цель спецкурса — обучение студентов основам современных теорий, описывающих квантовый электронный транспорт в низкоразмерных полупроводниковых системах, знакомство с кинетическими явлениями, обусловленными интерференцией электронных волн, корреляционными эффектами, с методами и подходами, использующимися для их описания. Спецкурс состоит из семи разделов, в которых отражены различные типы квантового электронного транспорта в полупроводниковых структурах пониженной размерности. Основная идея курса — изучение кинетических явлений и эффектов, выходящих за рамки квазиклассического подхода и одноэлектронной зонной теории. Существенное внимание уделено квантовым кинетическим явлениям в полупроводниковых структурах малых размеров — наноструктурах. Эти явления относятся к числу наиболее ярких и интенсивно исследуемых транспортных свойств систем пониженной размерности. Спецкурс включает знакомство с технологией изготовления наноструктур и техникой низкотемпературного эксперимента; квантовые интерференционные явления в неупорядоченных проводниках; баллистический транспорт в низкоразмерных системах; транспорт в сильном магнитном поле (краевые токовые состояния и квантовый эффект Холла); одноэлектронный транспорт (квантовые точки и туннельные нанопереходы, кулоновская блокада, одноэлектронный транзистор); дробный квантовый эффект Холла.
Курс «Полупроводниковая электроника», который преподаёт доцент Д.Р. Исламов, посвящен технологии создания и физическим принципам работы полупроводниковых приборов. Программа курса включает основные физические явления, лежащие в основе работы полупроводниковых приборов; зонные диаграммы и вольт-амперные характеристики контакта металл-полупроводник и p-n-перехода; принципы работы диода и стабилитрона; гетеропереходы; принцип действия, характеристики и эквивалентные схемы полевых транзисторов на структурах металл-диэлектрик-полупроводник (МДП); комплементарные МДП схемы; принцип работы биполярных транзисторов; другие приборы на основе p-n-переходов (тиристоры, симисторы, варикапы, p-i-n-диоды); технологию производства полупроводниковых интегральных схем; полупроводниковые датчики (магнитного поля, давления, температуры); флеш-память (принцип действия, ресурс, скорость чтения и записи); основы цифровой электроники (ключ, инвертор, базовые логические элементы, синхронные и асинхронные схемы, сдвиговый регистр). Особое внимание уделяется компоновке элементной базы в микросхемах для конструирования сложных аналоговых и цифровых схем, а также современным проблемам в развитии технологии интегральных схем (планарная технология, трехмерная технология, металлизация, low-κ диэлектрики).
Спецкурс «Полупроводниковая оптоэлектроника», который преподаёт доцент Г.Э. Шайблер, даёт студентам базовые знания, умения и навыки по устройству, принципам работы, областям применения полупроводниковых оптоэлектронных приборов. Спецкурс начинается с изучения основных излучающих полупроводниковых приборов — светодиодов и лазеров. Особое внимание уделяется технологии и параметрам современных белых светодиодов, основу которых составляет синий светодиод на гетеропереходе нитрида галлия GaN c твердым раствором InGaN. Далее рассматриваются полупроводниковые фотоприемники: фоторезисторы, фотодиоды, ПЗС-матрицы, КМОП-матрицы, а также солнечные элементы и полупроводниковые фотокатоды с отрицательным электронным сродством. Проводится обзор полупроводниковых приборов СВЧ и терагерцового диапазона, систем волоконно-оптической связи. Рассматриваются основные характеристики приборов, которые приводятся в технической документации («даташите»). Рассматриваются технологии, используемые при изготовлении приборов, а также основные электрические схемы подключения приборов.
В четвертом семестре магистратуры учебных курсов нет; он целиком посвящен научно-исследовательской работе в лабораториях института, подготовке и защите магистерской диссертации.
Научно-исследовательская работа студентов проводится на протяжении всего периода обучения. Два раза в семестр студенты готовят краткие письменные отчеты (с оценкой руководителя) и выступают на заседаниях кафедры с устным отчетом о ходе и результатах научной практики в лабораториях. Наличие публикации по результатам научно-исследовательской работы является необходимым условием для успешной защиты магистерской диссертации и получения рекомендации в аспирантуру.
Научно-исследовательская работа в ИФП СО РАН
Научно-исследовательская работа студентов проводится в базовом институте кафедры –Институте физики полупроводников им. А.В. Ржанова Сибирского отделения Российской академии наук (ИФП СО РАН, сайт: http://www.isp.nsc.ru). ИФП СО РАН, созданный в 1964 году, в настоящее время состоялся как признанный междисциплинарный исследовательский центр, интегрированный в международное научное сообщество, который совмещает достижения в области фундаментальных исследований с практической реализацией высокотехнологических инновационных разработок, востребованных современной экономикой, и с подготовкой высококвалифицированных научных исследователей и инженерно-технических специалистов.
ИФП СО РАН имеет существенный задел в области выполнения больших академических или промышленно-ориентированных проектов; имеет высококвалифицированных специалистов с многолетним опытом выполнения научно-исследовательских проектов. Он обладает целым набором самого современного научного, технологического и диагностического оборудования; имеет опыт обслуживания этого оборудования, включая сервисные процедуры. В ИФП СО РАН накоплен огромный опыт по подготовке кадров высшей квалификации, начиная с аспирантуры. В результате он выпустил в свет сотни кандидатов и десятки докторов наук. Институт связан с ведущими предприятиями высокотехнологической промышленности в Сибирском регионе и России в целом, с Федеральными министерствами и ведомствами [1].
Институт занимает ведущие позиции в области физики полупроводников, физики конденсированного состояния, физики и технологии низкоразмерных систем, опто-, нано- и акустоэлектроники, сенсорики, однофотоники и одноэлектроники, квантовой электроники, спинтроники. Основные фундаментальные достижения Института связаны с исследованием атомных процессов и электронных явлений на поверхности полупроводников и границах раздела полупроводниковых структур, квантовых эффектов в структурах пониженной размерности, в том числе, в эпитаксиальных сверхрешетках и гетероструктурах с квантовыми ямами [2]. Важными представляются работы Института по разработке элементной компонентной базе перспективной электронной техники нового поколения устройств нано- и оптоэлектроники, основанных на использовании низкоразмерных структур, в которых за счет перехода к системам нанометрового масштаба начинает проявляться квантово-механическая природа квазичастиц в твердом теле.
Для изучения электронных процессов в низкоразмерных системах в Институте разработана технология получения эпитаксиальных полупроводниковых структур с двумерным электронным газом. Такие структуры представляют собой потенциальную яму на основе многослойной эпитаксиальной пленки из атомно-чистых материалов с совершенными структурными границами и удаленным легированием, чтобы исключить взаимодействие с примесью. На основе гетероструктур AlGaAs/GaAs изготовлены затворно-управляемые интерферометры, имеющие электронное кольцо с рекордно малым эффективным радиусом 90-130 нм.
Суперкомпьютерное моделирование наносистем в двумерном электронном газе с электростатическими барьерами выявило ряд особенностей электронного транспорта, определяемый квантовой механикой и позволило вычислительно восстановить экспериментально невидимые картины удерживающего потенциала, геометрию электронных систем, а также квантовые и одноэлектронные явления, происходящие внутри устройств.
ИФП СО РАН входит в число лидеров по разработке технологии молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ) – одной из основных технологий современной физики полупроводников и полупроводниковой электроники, представляющей собой процесс послойного, контролируемого эпитаксиального роста различных соединений на уровне одного монослоя. Преимущества МЛЭ базируется на создании резких границ раздела за счет низкой скорости роста и резкого изменения потоков, недоступных в других технологиях. Использование в технологии МЛЭ атомарно-чистых исходных материалов в условиях сверхвысокого вакуума (лучшего, чем в окружающем нас космосе), даёт возможность создания материалов и структур с новыми, не существующими в природе свойствами [3].
Предельным случаем систем с пониженной размерностью являются нульмерные системы, состоящие из массива атомных кластеров или островков нанометровых размеров в полупроводниковой матрице. Дискретный спектр энергетических состояний в таких кластерах подобен энергетическому спектру отдельных атомов, что позволяет говорить об «искусственных атомах», несмотря на большое количество атомов в кластерах (островках). Такие кластеры получили название «квантовые точки». Предсказываемое теоретически и наблюдаемое экспериментально квантование энергетического спектра носителей заряда (дырок) в квантовых точках германия формирует особенности в транспорте носителей заряда, вольт-фарадных характеристиках и фотопроводимости структур с квантовыми точками [4].
В Институте реализованы экспериментальные образцы лазеров с вертикальным резонатором, которые отличаются от обычных полосковых полупроводниковых лазеров расположением брэгговских зеркал лазерного резонатора параллельно плоскости полупроводниковой пластины. Структура содержит более тысячи слоев AlxGa1-xAs и обеспечивает высокую добротность микрорезонатора. Ожидается использование полученных излучателей одиночных фотонов с токовой накачкой на основе микрорезонаторных структур с InAs квантовыми точками малой плотности при создании в будущем систем квантовых вычислений, квантовой криптографии и миниатюрных атомных стандартов частоты нового поколения.
Одним из самых заметных достижений ИФП СО РАН является разработка технологии МЛЭ высококачественных структур с HgTe квантовыми ямами. Следует отметить, что подобная технология существует в мире еще только в одном месте – в Вюрцбургском университете. Замечательным свойством HgTe квантовых ям является тот факт, что в формировании их энергетического спектра ключевая роль принадлежит релятивистским эффектам. Благодаря им в зависимости от толщины указанных ям в них можно реализовать целый набор уникальных квантовых систем. При определенной толщине квантовой ямы ширина запрещенной зоны становится равной нулю, а электроны и дырки становятся безмассовыми дираковскими фермионами. Квантовые ямы с инвертированной зонной структурой являются двумерными топологическими изоляторами. В квантовой яме, изготовленной на основе теллурида ртути, обнаружена новая низкоразмерная система – двумерный полуметалл, состоящий из легких высокоподвижных электронов и более тяжелых и низкоподвижных дырок. В отличие от традиционных трехмерных полуметаллов, таких как висмут, сурьма или графит, в двумерном полуметалле простым изменением затворного напряжения можно получить любое соотношение между концентрацией двумерных электронов и дырок. В указанной системе предсказано и наблюдается целый ряд новых явлений, вызванных взаимодействием электронов и дырок [5]. Также следует отметить, что на основе указанной технологии в ИФП СО РАН получены трехмерные топологические изоляторы, обладающие рекордно высокими подвижностями поверхностных дираковских фермионов. Именно благодаря этому достижению впервые был проведен эксперимент по прямому наблюдению жесткой связи импульса и спина - наиболее фундаментальному свойству всех трехмерных топологических изоляторов [6].
Интерес к изучению узкозонных полупроводниковых соединений А5В6 (Bi2Te3, Bi2Se3 и др.), названных трехмерными топологическими изоляторами, связан с проявлением этими соединениями уникальных физических свойств, открытых несколько лет назад. Эти соединения являются новым классом квантовых материалов, демонстрирующих поведение подобное квантовому эффекту Холла, где роль внешнего магнитного поля играет спин-орбитальное взаимодействие.
Данные материалы имеют запрещенную зону в объёме, т.е. являются объёмными изоляторами, поверхность которых становится проводником за счет сильного спин-орбитального взаимодействия, вследствие чего возникают спин-расщепленные поверхностные состояния [7].
В течение последних десятилетий основные усилия физиков и технологов были направлены на разработку методов и подходов, позволяющих запининговать вихри сверхпроводящего материала и, таким образом, получить материал, способный оставаться сверхпроводящим в сильных магнитных полях. В ИФП СО РАН предложен способ локализации вихрей в наносистемах и перехода в бездиссипативное состояние в относительно высоких магнитных полях [8].
Фундаментальные свойства носителей заряда и квантовый транспорт в наносистемах становятся зависящими не только от размерности, но и реальной структуры материала, связанной с технологией изготовления. Для разработки действующих макетов электронных приборов и устройств в Институте организован замкнутый полный цикл «изготовление - характеризация», который позволяет оперативно находить оптимальные технологические решения для создания твердотельных приборов нового поколения. Разрабатываемые подходы базируются на создании модельных квантовых систем с последующим экспериментальным анализом, численным моделированием и теоретическими расчетами оптических и электронных характеристик. Управление атомными и электронными процессами и поиск путей их реализации является главной проблемой на современном этапе развитии твердотельных технологий. Развитие этой области открыло возможности конструирования методами зонной инженерии и инженерии волновых функций наноструктур с электронным спектром и свойствами, определяемыми квантово-механической природой элементарных возбуждений в твердом теле.
Среди наиболее выдающихся достижений за последние годы в области опто- и фотоэлектроники можно выделить разработку технологии получения полупроводниковых слоев на основе соединений кадмий-ртуть-теллур (КРТ), которое является основным материалом современной микрофотоэлектроники [9]. Создавая варизонные структуры на основе КРТ, были разработаны физические основы детекторной структуры для фотоприемных устройств нового поколения. Линейчатые и матричные фотоприемники на основе ГЭС КРТ МЛЭ предназначены для оснащения инфракрасных тепловизионных систем, применяемых в военной области, медицине, электроэнергетики, наземном, воздушном и водном транспорте, металлургическом и нефтехимическом производствах и строительстве.
Разработанные в Институте уникальные полупроводниковые эмиттеры холодных фотоэлектронов были успешно использованы в международном научном эксперименте, «моделирующим» атомные процессы в ранней вселенной. Этот эксперимент проводился в Институте ядерной физики (Гейдельберг, Германия) [10].
Одно из направлений института связано с квантовыми технологиями. Это требует консолидации усилий физиков и технологов, теоретиков и экспериментаторов, инженеров и специалистов вычислительных технологий. Имеющийся задел у кафедры в изучении квантовых свойств гетероэпитаксиальных структур, полупроводниковых технологиях, квантовой оптике и квантовой информатике, устройствах квантовой криптографии, квантовой сенсорики позволяют надеяться на прорывные результаты в области квантовых технологий.
- Юбилейный сборник избранных трудов Института физики полупроводников им. А. В. Ржанова СО РАН (1964-2014) Отв.ред. А.В.Латышев, А.В.Двуреченский, А.Л.Асеев. – Новосибирск: Параллель, 2014, 844 с
- Latyshev A. V., Dvurechenskii A. V., Aseev A. L. Advances in Semiconductor Nanostructures: Growth, Characterization, Properties and Applications. Elsevier Inc, 2017. 527 p
- Latyshev A. V., Fedina L. I., Rogilo D. I., Sitnikov S. V., Kosolobov S. S. Atomically Controlled Silicon Surface. Novosibirsk: Parallel, 2016. 220 p
- Pchelyakov O. P., Dvurechensky A. V., Latyshev A.V., Aseev A.L. Ge/Si heterostructures with coherent Ge quantum dots in silicon for applications in nanoelectronics // Semiconductor Science and Technology. 2011. Vol. 26, Is. 1, P. 14-27
- Gusev G.M., Olshanetsky E. B., Kvon Z. D., Mikhailov N. N., Dvoretsky S. A., and Portal J. C. Quantum Hall Effect near the Charge Neutrality Point in a Two-Dimensional Electron-Hole System // Phys. Rev. Lett. 2010. Vol. 104, P.166401-166404
- Maier H., Ziegler J., Fischer R., Kozlov D., Kvon Z.D., Mikhailov N., Dvoretsky S.A., Weiss D. Ballistic Geometric Resistance Resonances In A Single Surface Of A Topological Insulator // Nature Communications. 2018. Vol. 9. P. 584
- Reimann J., Schlauderer S., Schmid C.P., Langer F., Baierl S., Kokh K.A., Tereshchenko O.E., Kimura A., Lange C., Güdde J., Höfer U., Huber R. Subcycle Observation of Lightwave-driven Dirac Currents In A Topological Surface Band // Nature. 2018. Vol. 562. H. 396-400
- Córdoba R., Baturina T.I., Sesé J., Mironov A.Yu., J.M. de Teresa, Ibarra M.R., Nasimov D.A., Gutakovskii A.K.,.Latyshev A.V, Guillamón I., Suderow H., Viera S.,.Baklanov M.R, Palacios J.J., Vinokur V.M., Nature Communications 4, 1437, 2013
- Фотоприемные устройства на основе эпитаксиальныой системы кадмий-ртуть-теллур, Отв. редактор А.Л.Асеев – Новосибирск: Издательство СО РАН, 2012. 258с
- Novotný O., Wilhelm P., Paul D., Kálosi Á., Saurabh S., Becker A., Blaum K., George S., Göck J., Grieser M., Grussie F., R. von Hahn, Krantz C., Kreckel H., Meyer C., Mishra P.M., Muell D., Nuesslein F., Orlov D.A., Rimmler M., Schmidt V.C., Shornikov A., Terekhov A.S., Vogel S., D. Zajfman, Wolf A. Quantum-state–selective electron recombination studies suggest enhanced abundance of primordial HeH+ // Science. 2019. Vol. 365, Is. 6454, P. 676-679
Образовательные задачи
Основная задача кафедры физики полупроводников – подготовка специалистов высшей категории для проведения научных исследований на мировом уровне с применением современных методов исследований в области физики конденсированного состояния, физики полупроводников и диэлектриков, физики твердого тела, физики низкоразмерных систем, опто- и наноэлектроники, микросенсорики, твердотельной нанофотоники, квантовой электроники и квантовых технологий.
Все выпускники кафедры получают знания и навыки по физико-химическим основам микро, опто, и наноэлектроники, осваивают современные полупроводниковые технологии, включая технологии эпитаксиального роста тонких пленок, комплексной диагностики систем пониженной размерности, наноструктурирования и полупроводниковых нанотехнологий.
Система подготовки специалистов - трехуровневая: первая ступень - основное базовое четырехлетнее образование завершается защитой квалификационной работы бакалавра; вторая - двухгодичная магистратура, с защитой магистерской диссертации; третья – четырехгодичная аспирантура, с защитой выпускной квалификационной работы, которая может быть основой диссертации на соискание степени кандидата физико-математических наук по соответствующим специальностям.
Выпускники кафедры являются подготовленными научными исследователями, способными решать физическими методами современные научные задачи, имеющие навыки преподавать дисциплины физико-математического профиля в ВУЗах и колледжах. Лучшие выпускники магистратуры проходят обучение в аспирантуре и могут защитить диссертацию на соискание степени кандидата физико-математических наук.
Подготовка специалистов на кафедре реализуется известными российскими научными школами, получившими мировое признание. Высокий уровень подготовки специалистов на кафедре физики полупроводников обеспечивается оптимальным выбором обновляемых спецкурсов, правильным сочетанием экспериментальных и теоретических методов с широким использованием компьютерной техники современного научного и технологического оборудования, учебной литературы.
В настоящее время студенты проводят исследования атомных процессов и электронных явлений на поверхности полупроводников и границах раздела полупроводниковых структур, квантовых эффектов в структурах пониженной размерности, в том числе, в эпитаксиальных сверхрешетках и гетероструктурах с квантовыми ямами и квантовыми точками, исследуют квантовые свойства гетероэпитаксиальных структур и их приложения для получения нового поколения наноэлектроники и систем оптоэлектроники; создают и исследуют новые материалы для электроники, в том числе СВЧ-электроники, силовой электроники и сенсорики, изучают графен, слоистые полупроводники, срощенные структуры А3В5 - кремний, тонкие слои кремния на изоляторе, кристаллы алмаза и алмазоподобные пленки; разрабатывают полупроводниковые наносистемы для нано- и биосенсоров; проводят исследования в области квантовой информатики и сенсорики. Наши студенты разрабатывают физико-химические основы для технологий получения новых материалов электроники будущего. В числе приоритетных направлений - развитие электронной компонентной базы на новых физических принципах и переход от двумерной к трехмерной схемотехнической архитектуре.
Студенты, специализирующиеся на кафедре физики полупроводников, в дополнение к имеющимся традиционным возможностям использования уникального аналитического и технологического оборудования в ИФП СО РАН, имеют возможность работать на современном экспериментальном оборудовании ведущих мировых производителей в центре коллективного пользования диагностическим оборудованием (ЦКП «Наноструктуры», http://www.isp.nsc.ru/ckp) при ИФП СО РАН для выполнения исследований в рамках дипломных и диссертационных работ.
Справочная информация
Базовый институт кафедры: Институт физики полупроводников им. А.В. Ржанова (ИФП СО РАН). Преподаватели кафедры являются сотрудниками этого Института, в нём же проходит и учебный процесс.
Обучение на кафедре начинается в пятом семестре с годового курса «Введение в физику полупроводников», который преподают профессор Виталий Львович Альперович и доцент Алексей Владимирович Ненашев. В рамках этого курса, наряду с лекциями и семинарами, в пятом семестре организуются ознакомительные экскурсии в лаборатории Института, которые проводят, вместе с преподавателями, ведущие научные сотрудники. Это помогает студентам выбрать задачи и руководителей для выполнения научной работы в лабораториях Института. В течение шестого и седьмого семе-стров профессор Олег Евгеньевич Терещенко преподаёт годовой курс «Кристаллофизика полупроводников». На четвертом курсе, в седьмом и восьмом семестрах, преподаются ещё два годовых курса: «Физика полупроводниковых тонких слоев и низкоразмерных систем» (преподаватель: профессор Квон Зе Дон) и «Теория твердого тела» (преподаватели: академик Александр Владимирович Чаплик и доцент Леонид Семенович Брагинский).
Научно-исследовательская практика студентов в лабораториях Института начинается с выполнения и защиты на кафедре курсовой работы в шестом семестре. В связи с этим, необходимо не позднее начала шестого семестра (желательно уже в пятом семестре) выбрать лабораторию, научного руководителя и тему курсовой работы. Для выбора могут оказаться полезными сведения об исследованиях, недавних научных результатах и публикациях сотрудников ИФП СО РАН, которые можно найти на сайте Института: www.isp.nsc.ru/nauka (вкладки «Основные результаты» и «Публикации»). На сайте есть также телефоны и адреса электронной почты сотрудников: www.isp.nsc.ru/home/telefonny
На четвертом курсе, в течение двух семестров, выполняется квалификационная бакалаврская работа. Два раза в семестр сту-денты четвертого курса готовят краткие письменные отчеты (с оценкой руководителя) и выступают на заседаниях кафедры с устным отчетом о ходе и результатах научной практики в лабораториях. Все студенты 4 курса обязаны подать заявку на участие (до середины февраля) и выступить (в апреле) на проводимой в НГУ Международной научной студенческой конференции (МНСК). Студенты, успешно выступившие на МНСК, освобождаются от устного отчета (предзащиты) по бакалаврской работе в конце апреля.
Защита бакалаврской работы проходит в первой половине июня, на заседании Государственной аттестационной комиссии.
С первого по третий семестр магистратуры на кафедре преподаётся восемь полугодовых спецкурсов. В первом семестре преподаются два курса: «Оптические процессы в полупроводниках» (преподаватель: профессор Виталий Львович Альперович) и «Радиационная физика полупроводников» (чл.-корр. РАН Анатолий Васильевич Двуреченский). Во втором семестре преподаются три курса: «Физические основы нанотехнологии» (чл.-корр. РАН Анатолий Васильевич Двуреченский); «Полупроводниковая электроника» (доцент Дамир Ревинирович Исламов) и «Гетероэпитаксия» (академик РАН Александр Васильевич Латышев). В третьем семестре тоже три курса: «Нанодиагностика» (академик РАН Александр Васильевич Латышев); «Квантовый транспорт в низкоразмерных полупроводниковых структурах» (профессор Артур Григорьевич Погосов) и «Полупроводниковая оптоэлектро-ника» (старший преподаватель Генрих Эрнстович Шайблер). В четвёртом семестре учебных курсов нет; этот семестр целиком посвящен научно-исследовательской работе в лабораториях Института, подготовке и защите магистерской диссертации.
Научно-исследовательская работа магистрантов в лабораториях Института проводится на протяжении всего периода обучения в магистратуре. В конце каждого семестра, в декабре и мае, магистранты готовят краткие письменные отчеты (с оценкой научного руководителя) и выступают на заседаниях кафедры с устным отчетом о ходе и результатах научной практики в лабораториях. Кроме того, в третьем семестре, в начале ноября, проводится дополнительный промежуточный отчет о ходе выполнения научно-исследовательской работы. Всем студентам 2 курса магистратуры необходимо подать заявку на участие (до середины февраля) и выступить (в апреле) на проводимой в НГУ Международной научной студенческой конференции (МНСК). Студенты, успешно выступившие на МНСК, освобождаются от устного отчета (предзащиты) по магистерской работе в конце апреля.
Защита магистерской диссертации проходит в июне, на заседании Государственной аттестационной комиссии. Наличие научной публикации по результатам научно-исследовательской работы (как минимум, тезисов доклада на МНСК) является необходимым условием для успешной защиты магистерской диссертации и получения рекомендации в аспирантуру.
Адреса корпусов Института:
• Административный корпус (АК): Новосибирск, пр. академика Лаврентьева, 13.
• Лабораторно-технологический корпус (ЛТК): Новосибирск, ул. академика Ржанова, 2.
• Термостатированный корпус (ТК): Новосибирск, ул. Пирогова, 30.
