Физика сложных полупроводниковых соединений и структур

ФИЗИКА СЛОЖНЫХ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ СОЕДИНЕНИЙ И СТРУКТУР

Основатель

( гг.), д. техн. н., профессор.

Руководитель научно-педагогического коллектива

, д. ф.-м. н, профессор, почетный работник высшего образования РФ.

Факультет, кафедра (лаборатория)

Сибирский физико-технический институт (СФТИ) Томского госуниверситета, лаборатория физики полупроводников, лаборатория эпитаксиальных структур, лаборатория физики полупроводниковых приборов, лаборатория полупроводникового материаловедения, отдел теоретической физики.

Физический факультет, кафедра физики полупроводников.

Радиофизический факультет, кафедра полупроводниковой электроники.

Направление научных исследований коллектива

–  Теоретические и экспериментальные исследования процессов роста, легирования и образования дефектов при молекулярно-лучевой и газофазовой эпитаксии сложных полупроводников и полупроводниковых наноструктур, разработка физических и математических моделей указанных процессов, установление взаимосвязей между условиями роста и свойствами материалов и структур.

–  Теоретические исследования электронных состояний в сложных полупроводниках и полупроводниковых наноструктурах, разработка физических и математических моделей для описания квантовых процессов в сверхрешетках, резонансно-туннельных структурах, анализ их оптических и транспортных характеристик.

–  Теоретические и экспериментальные исследования электронной структуры собственных и примесных точечных дефектов, примесно-дефектных кластеров и механизмов формирования барьеров на межфазных границах в полупроводниках, изучение транспортных и оптических характеристик дефектных материалов.

–  Изучение влияния внешних воздействий (освещения, облучения, состава газовой среды и др.) на электронные процессы, протекающие в полупроводниковых структурах.

–  Разработка технологий и создание производства квантово-чувствительных детекторных структур, работающих в режиме идентификации и счета квантов и заряженных частиц, для использования в ядерной физике, медицине (рентгеновская и g-диагностика), промышленности (методы неразрушающего контроля).

–  Разработка физико-химических и технологических основ создания новой элементной базы нелинейной и интегральной оптики ИК-диапазона. Разработка физико-химических основ получения и управления свойствами бинарных и тройных полупроводниковых соединений (A3B6, и др) для нелинейной оптики среднего ИК-диапазона.

По рубрикатору ГРНТИ

29.19 – Физика твердых тел.

По рубрикатору ВАК

01.04.10 – Физика полупроводников.

01.04.07 – Физика конденсированного состояния.

Направление подготовки инженеров, бакалавров и магистров

010400 – Физика.

010600 – Физика твердого тела (физика конденсированного состояния).

013800 – Радиофизика и электроника.

510400 – Физика, 511500 – Радиофизика.

510403 – Физика конденсированного состояния вещества.

510404 – Физика полупроводников и микроэлектроника.

510416 – Физика современных радиоэлектронных технологий.

Состав коллектива

Всего – 54, в том числе:

докторов наук – 11,

кандидатов наук – 14.

Ведущие представители коллектива

, д. физ.-мат. н., профессор.

, д. физ.-мат. н., профессор.

, д. физ.-мат. н., профессор.

, д. физ.-мат. н., профессор.

, д. физ.-мат. н., профессор.

История становления научно-педагогического коллектива

Основатель школы, (), окончил физико-математический факультет ТГУ по специальности «Физика» (специализация «оптика») в 1941 г. Работал в СФТИ, участвовал в Великой Отечественной войне ( гг.). После демобилизации продолжил работу в СФТИ в лаборатории физики диэлектриков. Исследования свойств стекла, керамики и их спаев с металлами явились основой кандидатской («Электропроводность стекол в высоких электрических полях», 1950 г.) и докторской диссертаций («Исследования по физике спая», 1959 г.). В 1950 г. перешел на преподавательскую работу в университет на кафедру физики диэлектриков (зав. кафедрой – ), где читал лекции по физике полупроводников и полупроводниковых приборов. С 1958-го по 1964 г. - зав. кафедрой полупроводников и диэлектриков ТГУ.

С полупроводниковыми материалами начал работать, будучи студентом кафедры оптики и спектроскопии, когда под руководством проф. изучал люминесценцию касситерита (SnO2). Производственную практику проходил в лаборатории акад. в Физико-техническом институте (Ленинград), где его научным руководителем был . Посещение научных семинаров, личное обаяние , дух творчества, царивший в лаборатории, оказали огромное влияние на практиканта, приехавшего из далекой Сибири, пробудили интерес к полупроводникам.

В 1954 г. в СФТИ по инициативе и при активной поддержке директора института была открыта лаборатория полупроводников, в состав которой перешли ведущие сотрудники лаборатории электрофизики. В лаборатории полупроводников были сформированы научные группы по технологии выращивания монокристаллов полупроводников (, в последующем дважды лауреат Государственных премий за разработки в области технологии получения сложных полупроводников), изучению физических свойств полупроводников (), физике полупроводниковых приборов (), методам исследования структуры (), полупроводниковым пленкам (). Со временем состав лаборатории пополнился выпускниками кафедры полупроводников, а лаборатория полупроводников СФТИ была преобразована в отдел физики полупроводников (1973).

Уже на первом этапе к новому направлению подключились кафедра аналитической химии (), где разрабатывались методы химического анализа полупроводников () и методы защиты поверхности полупроводников (), лаборатория теоретической физики (зав. ), где велись работы по расчету структуры энергетических зон полупроводников. Были установлены рабочие контакты со специалистами по электронике () и кристаллографии (). В 1957-м в ТГУ были открыты проблемные лаборатории физики полупроводников (на РФФ) и химии полупроводников (на ХФ).

Таким образом, уже к концу 1950-х в Томске возник неформальный научно-учебный коллектив, способный решать серьезные задачи в области физики и техники полупроводников, неформальным лидером которого являлся Преснов разработана технология выращивания монокристаллов и эпитаксиальных слоев GaAs, изготовления диодов на его основе по заказам оборонных предприятий Москвы и Ленинграда. Разрабатывались технологии очистки веществ, химического анализа высокочистых веществ, способы модификации свойств полупроводников, оригинальные способы формирования контактов металлов с полупроводниками и способы стабилизации поверхности полупроводников.

В то время Томск был единственным городом за Уралом, где проводились научные исследования по физике и технологии полупроводников, велась подготовка специалистов в этой области. Вопреки общей тенденции перехода от Германия к кремнию, а затем уже к более сложным полупроводникам, томские исследователи сразу перешли к арсениду галлия - новому, тогда еще совершенно не изученному материалу. Первое помещение по синтезу и кристаллизации GaAs размещалось под крыльцом корпуса СФТИ на площади Революции (ныне Новособорная площадь). Уже в 1962 г. в ТГУ была организована Всесоюзная научная конференция по физике поверхностных и контактных явлений в полупроводниках. В дальнейшем Томск стал местом регулярного проведения всесоюзных и российских научных конференций по арсениду галлия (1965, 1968, 1974, 1978, 1982, 1987, 1999, 2002 гг.), в которых участвовали ведущие специалисты и ученые из разных городов страны.

понимал, что научные разработки могут быть реализованы только при условии внедрения в промышленное производство. Поэтому немало усилий было приложено, чтобы организовать в Томске отраслевой институт соответствующего профиля. В 1960 г. Госкомитетом по радиоэлектронике СМ СССР было принято решение о строительстве в Томске специализированного НИИ, включающего опытное производство полупроводниковых приборов. В 1964 г. предприятие а/я 85 (с 1966 г. - НИИ полупроводниковых приборов) Министерства электронной промышленности СССР вступило в число действующих. был назначен директором и работал на этой должности до перехода в Одесский университет в 1968 г. Под его руководством в НИИПП было сформировано основное научно-производственное направление, ориентированное на использование арсенида галлия и его аналогов в излучающих и СВЧ-приборах. Были выполнены разработки ряда приборов, налажен их выпуск.

За прошедшие годы исследователями Томского госуниверситета и НИИ ПП защищено более 20 докторских и 100 кандидатских диссертаций по специальности «Физика полупроводников».

Основные научные результаты, полученные коллективом в течение последних пяти лет

Проведено систематическое исследование кинетики роста и легирования, формирования структурных и примесных неоднородностей эпитаксиальных слоев полупроводниковых соединений А3В5 (GaAs, InAs, InP, InGaAs) в условиях газофазовой и низкотемпературной молекулярно-лучевой эпитаксии. Созданы физические модели процессов кристаллизации и легирования при росте эпитаксиальных слоев с учетом влияния сурфактантов и легирующих примесей. Результаты используются при технологических разработках приборных структур (ИФП СО РАН, г. Новосибирск; », г. Томск).

На основе концепции локальной электронейтральности полупроводникового кристалла разработана количественная модель для расчета электрофизических характеристик полупроводников, подвергнутых воздействию высокоэнергетической радиации. Выявлены физико-химические закономерности свойств родственных материалов, проведены обобщение и систематизация экспериментальных и расчетных данных для совокупности облученных полупроводниковых материалов.

С использованием методов псевдопотенциала и огибающих функций разработан подход для теоретического изучения электронных состояний в варизонных полупроводниках и гетероструктурах. На его основе построены модели электронных процессов в ряде наноструктур из полупроводников А3В5, изучены состояния кластеров в сложных полупроводниках.

Разработаны физические и технологические основы создания новой элементной базы нелинейной и интегральной оптики среднего ИК-диапазона на основе соединений А2В4С52. Создана технология производства таких кристаллов, кристаллы выпускаются по заявкам зарубежных фирм (США, Индия).

На основе полупроводниковых соединений А3В5 с глубокими центрами созданы приборные структуры нового типа и на их основе – приборы в дискретном и интегральном исполнении: детекторы заряженных частиц, гамма - и рентгеновского излучения, фотоприемники видимого и ИК-диапазона, быстродействующие формирователи импульсов с пикосекундными фронтами. Создана технология производства таких устройств, поставки - по заказам зарубежных фирм (Швейцария, Швеция, Великобритания).

Изучены закономерности взаимодействия газовой атмосферы с полупроводниковыми структурами на основе Si, полупроводников AШВV и окисных полупроводников. Практическим результатом данных исследований явилось создание серии газовых сенсоров. Создана технология производства газочувствительных датчиков в совокупности с аппаратурой обработки сигнала, устройства поставляются отечественным заказчикам.

Признание результатов исследований международным научным сообществом: 1) участие научно-педагогического коллектива в выполнении Российских и международных программ и проектов (в период гг. - два гранта INTAS, 2 проекта МНТЦ, 2 проекта ФЦП «Интеграция», 12 грантов РФФИ, 6 грантов МОПО); 2) выступления с докладами, в том числе по приглашениям, на отечественных и международных (в Англии, Германии, Италии, Египте, Словакии и др.) конференциях.

Патенты - 3.

Важнейшие публикации коллектива

Монографии – 1, учебники – 2, в т. ч. с грифом министерства – 1, статьи – 209, в т. ч. в центральных журналах – 174.

1.  Bobrovnikova I. A., Lavrent'eva L. G., Ruzaikin M. P.et. al Doping and impurity-vacancy complex formation during vapour phase epitaxy of gallium arsenide // J. Cryst. Growth. 1992. Vol.123. P. 529-536.

2.  Brudnyi V. N., Gradoboev A. V., Peshev V. V. The broad midgap deep-level transient spectroscopy band in proton (65 MeV) and fast neutron-irradiated n-GaAs // Phys. stat. sol. (b). 1999. Vol. 212, № 2. P.229-239.

3.  Budnitsky D. L., V. P. Germogenov, S. M. Guschin, A. A. Larionov, L. P. Porokhovnichenko, A. I. Potapov, O. P.Tolbanov, Vorobiev A. P. Epitaxial structures based on compensated GaAs for gamma - and X - ray detectors // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research. Section A. 2001. V. 466, № 1. P. 33-38.

4.  Chaldyshev V. V., Bobrovnikova I. A., Lavrent'eva L. G. et al. Vapour phase epitaxial grown GaAs films with a very deep level concentration // J. Cryst. Growth. 1995. V. 146. P. 246-250.

5.  Filimonov S. N., Hervieu Yu. Yu. Growth kinetics in surfactant mediated MBE: effect of blocking of kinks // Phys. Low-Dim. Structures. 2000. № 1/2. P. 81-92.

6.  Khludkov S. S., Koretskaya O. B., Okaevitch L. S., Potapov A. I., Tolbanov O. P. Investigation of transport and charge collection in particle detectors based on compensated GaAs // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research, A. 1998. Vol. 410. P. 36-40.

7.  Khludkov S. S., Stepanov V. E., Tolbanov O. P.. Radiation hardness of semiconductor detectors for high-energy // Physics J. Phys. D. 1996. Vol. 29. P. .

8.  Lavrent'eva L. G. Anisotropic phenomena in GaAs growth processes in vapour deposition systems // Thin Solid Films. 1980. Vol. 66. P.71-84.

9.  , , , Якубеня  и свойства эпитаксиальных слоев GaAs и InGaAs, выращенных методом молекулярно-лучевой эпитаксии при низких температурах // Изв. вузов. Физика. 1998. Т.41, № 9. С. 37-45.

10.  , Караваев механизмов рассеяния электронов в свехрешетке GaAs/Al(x)Ga(1-x)As с легированными квантовыми ямами при продольном токопереносе в области сильных электрических полей и низких температур // Физика и техника полупроводников. 1999. Т. 33, № 4. С. 438-444.

11.  , , Суржиков дефектообразование в электрических полях. Новосибирск: Наука, 20с.

12.  , , Лаврентьева сложных полупроводниковых кристаллов и структур. // Изв. вузов. Физика, 1998. Т. 41, № 8. С. 26-38.

13.  Гаман полупроводниковых приборов: Учебное пособие. Томск: Изд-во НТЛ, 20с.

14.  , . Резонансное туннелирование электронов через тонкий барьер с плавным потенциалом на гетерограницах GaAs/AlAs(001) // Физика твердого тела, 2000. Т. 42, № 4. С. 752-758.

15.  , , Будницкий -галлиевые структуры с глубокими центрами и детекторы ионизирующих излучений на их основе // Изв. вузов. Физика. 1998. Т. 41. C. 39-43.

Участие в течение последних трех лет в

научно-технических программах:

федеральных – 2,

межвузовских – 3.

Международных проектах – 2.

Победы в конкурсе грантов – 12.

Подготовка кадров высшей квалификации за последние девять лет

Всего аспирантов – 15, из других вузов – 2.

Всего докторантов – 22, из других вузов – 9.

Защит докторских – 14. Защит кандидатских – 12.

Общественное признание научно-педагогического коллектива

Международные и государственные премии, научные медали

- медаль Циолковского (Роскосмос)

- почетный знак «За отличные успехи в работе» (Минвуз СССР).

Медали и дипломы выставок, конференций и т. д.

Дипломы выставок:

Российская венчурная ярмарка-выставка, Санкт-Петербург, 4-5 октября 2001 г.

VI Международная выставка-конгресс «Высокие технологии, инновации, инвестиции», Санкт-Петербург, 12-15 июня 2001 г.

Межрегиональная выставка «Материально-технологическая база создания системы мониторинга окружающей среды», Красноярск, 2-4 апреля 2001 г.

Международная выставка-ярмарка «Экспо-уголь 2001», Кемерово, 10-13 сентября 2001 г.

VI научно-практическая выставка-ярмарка «Интеграция 2001», Томск, 27-29 ноября 2001 г.

Членство в различных российских и зарубежных научных организациях

Члены исследовательского коллектива RD-8 в центре европейских ядерных исследований (Женева).

- член корреспондент РАЕН.

- действительный член РАЕН, член Азиатско-Тихоокеанской академии материалов.

Почетные звания

- почетный работник высшего образования РФ.

- заслуженный работник высшей школы РФ.

- заслуженный работник высшей школы РФ.

- Изобретатель СССР.

- Изобретатель СССР.

Связь с другими организациями

Российская академия наук

Институт физики полупроводников СО РАН (г. Новосибирск), в последние 5 лет взаимодействие в рамках проектов «Академический университет» ФЦП «Государственная поддержка интеграции высшего образования и фундаментальной науки на гг.» и «Академический университет» ФЦП «Интеграция науки и высшего образования России на годы»;

Институт физики прочности и материаловедения СО РАН (г. Томск);

Институт неорганической химии СО РАН (г. Новосибирск) – совместные исследования с 1972 г.;

Физико-технический институт им. РАН (г. Санкт-Петербург) – совместные исследования с 1992 г.

Отраслевые научные организации

, Томск (Департамент промышленности РФ), совместные исследования и технические разработки, с 1964 г.

Институт физики высоких энергий (г. Протвино) (Минатом).

Высшие учебные заведения

Томский политехнический университет, совместные исследования с 1999 г.

Университет Глазго (Великобритания), совместные исследования с 1999 г.

Университет Удине (Италия), совместные исследования с 1999 г.

Деятельность научно-педагогического коллектива в области

Открытия новых специальностей

Открыт филиал кафедры физики полупроводников ТГУ при ИФП СО РАН (г. Новосибирск).

Создания новых учебных дисциплин

Физика МДП-структур и приборов на их основе.

Низкоразмерные полупроводниковые структуры и их свойства.

Полупроводниковые детекторы излучений и заряженных частиц.

Современные методы исследования структуры и состава твердых тел.

Компьютерные технологии в науке и образовании.

Компьютерное моделирование в физике полупроводников.

Электрофизические и оптические свойства полупроводниковых сверхрешеток и структур с квантовыми ямами.

Теория сверхпроводимости.

Физика неупорядоченных полупроводников.

Теория дефектов в полупроводниках.

Разработки учебных программ

Проекты типовых программ для Учебно-методического объединения «Физика» университетов России по дисциплинам:

«Физика твердых тел» (профессор ),

«Твердотельная электроника» (профессор ),

«Физическая химия» (профессор ).

Организации симпозиумов, конференций

Всесоюзные и российские конференции по исследованию арсенида галлия (Томск: 1964, 1968, 1970, 1978, 1982, 1987, 1999, 2002 гг.).

Российская научная студенческая конференция по физике твердого тела (Томск: 1988, 1990, 1992, 1994, 1996, 1998, 2000, 2002 гг.).

Материально-техническая база, имеющаяся в распоряжении коллектива

Для выполнения фундаментальных исследований, решения прикладных задач и обеспечения учебного процесса исполнители располагают современной научно-исследовательской и учебной базой.

Локальная компьютерная сеть СФТИ ТГУ и набор вычислительных средств для проведения теоретических расчетов, включающих более десяти персональных компьютеров типа Pentium, соединенных с высокопроизводительным компьютером А-2100 вычислительного центра ТГУ. Для информационного обеспечения используется сеть Internet, базы данных библиотеки ТГУ. Для выполнения расчетов и обработки данных коллектив располагает пакетами прикладных программ и базами данных по различным характеристикам материалов.

Комплекс установок по выращиванию монокристаллов и эпитаксиальных полупроводниковых структур, включая установки газофазной (ГФЭ) и жидкофазной (ЖФЭ) эпитаксии полупроводников;

Комплекс установок для анализа структуры и состава материала, границ раздела и ростовых поверхностей (рентгенографические дифрактометры, растровые и просвечивающие электронные микроскопы, сканирующие туннельные и атомно-силовые микроскопы, масс-спектрометры вторичных ионов, Оже - и оптические спектрометры); комплекс установок по исследованию электрических, фотоэлектрических, оптических, рекомбинационных, спектрометрических, шумовых, частотных, спектральных характеристик, емкостной спектроскопии глубоких уровней.

Комплекс технологического и измерительного оборудования, необходимого для проведения НИР, ОКР, изготовления опытных партий и производства малых серий ряда полупроводниковых приборов в дискретном и интегральном исполнении: детекторов заряженных частиц, гамма - и рентгеновского излучения, датчиков газов и температуры, фотоприемников видимого и ближнего ИК диапазона, быстродействующих формирователей электрических импульсов с пикосекундными фронтами.

Контактные адреса и телефоны

Томск, пр. Ленина, 36. Томский госуниверситет.

Телефоны (382-2)- , E-mail *****@