Ключевые научные направления СПбАУ РАН им. Ж. И. Алферова соответствуют соответствуют приоритетным направлениям научно-технологического развития Российской Федерации (а, б, в, д, е), в их числе: физика полупроводников, полупроводниковая фотоника и оптоэлектроника (эпитаксиальные технологии и наногетероструктуры, в том числе в гибком исполнении; сверхкомпактные полупроводниковые источники света, в том числе с однофотонной статистикой излучения, полупроводниковые волноводные интегральные схемы); нанобиотехнологии и микрофлюидные технологии (клеточный инжиниринг и разработка лекарственных систем, лаборатория на чипе, сенсорика, аналитическое приборостроение).
Развитие научной школы академика Ж. И. Алферова по физике полупроводников и нанотехнологиям включает направления научных исследований в области развития материальной базы микроэлектроники, фотоники и оптоэлектроники, нанобиотехнологий и биомедицины, которые являются приоритетными к проведению в СПбАУ РАН им. Ж. И. Алферова в ближайшей перспективе и могущими придать импульс развитию науки и технологий в нашей стране в целом, в том числе:
- Физика полупроводников и нанотехнологии (разработка элементной базы микро- и оптоэлектроники нового поколения, создание гибридных оптоэлектронных структур (перовскиты, интеграция с полупроводниками), исследования наногетероструктур для лазеров, фотодетекторов и светодиодов)
- Оптоэлектроника и фотоника (разработка фотонных интегральных схем (ФИС) и компактных источников излучения, технологии квантовой коммуникации (источники одиночных фотонов))
- Нанобиотехнологии и микрофлюидные системы (создание «лабораторий-на-чипе» для биомедицинских применений, разработка биосенсоров, нанопоровых мембран и микрофлюидных платформ).
- Биомедицинские технологии и биоэлектроника (клеточный инжиниринг, гибкие биоэлектроды, лекарственные системы, проекты в области искусственной сетчатки и доставки лекарств)
Некоторые результаты 2024 года
Направленное излучение высокой мощности микролазеров на квантовых точках InGaAs/GaAs большой плотности
Коллектив: Лаборатория нанофотоники (руководители: Максимов М.В., Зубов Ф.И.).
Описание:
В настоящее время недостатки подавляющего большинства типов микролазеров связаны с малой мощностью и большой расходимостью излучения. Разработаны полудисковые микролазеры диаметром 200 мкм, работающие в непрерывном (134 мВт) и импульсном (1,6 Вт) режимах. Конструкция включает оптимизированную гетероструктуру InGaAs/GaAs, что позволяет минимизировать паразитные оптические моды и улучшить тепловое управление. Максимальный КПД достиг 20%, а предельная температура генерации — 113°C.
Применение:
Интеграция в фотонные схемы для медицинских лабораторий-на-чипе, микроосвещение, оптическая связь на короткие дистанции, оптическая накачка других оптоэлектронных приборов.
Локальные источники оптического излучения, управляемые внешними электрическими сигналами и интегрированные в оптические волноводы с малыми потерями
Коллектив: Лаборатория возобновляемых источников энергии (Мухин И.С., Лебедев Д.В., Соломонов Н.А., Федоров В.В., Шаров В.А., Школдин В.А.).
Описание:
Ключевыми компонентами фотонных интегральных схем являются компактные оптические источники излучения и нановолноводы. Полупроводниковые наноструктуры А3В5 являются наиболее перспективной материальной платформой для таких компонентов из-за высокой эффективности люминесценции и высокого показателя преломления. При этом требуется решение проблемы эффективного ввода излучения в волновод. В данной работе использовались нитевидные нанокристаллы (ННК) GaP с различными типами легирования (GaP:Si или GaP:Be) в качестве оптических волноводов с непосредственно интегрированными электрически управляемыми источниками света. К одиночным ННК формировался туннельный контакт и возбуждалась электролюминесценция. Такой подход обеспечивал как связь источника и волновода, так и изучение оптических свойств ННК на нанометровом масштабе.
Применение:
Компоненты фотонных интегральных схем для квантовых вычислений и телекоммуникаций.
Новые наноструктурированные InGaN материалы для источников видимого света
Коллектив: Лаборатория эпитаксиальных нанотехнологий (Цырлин Г.Э., Гридчин В.О., Резник Р.Р., Котляр К.П., Лендяшова В.В.).
Описание:
Разработка новых эффективных материалов на основе полупроводниковых соединений InGaN для создания излучателей света в видимом диапазоне, а также оптоэлектронных сверхвысокочастотных и высокотемпературных приборов – актуальная задача на протяжении последних лет. Такой материал обладает широким диапазоном запрещенной зоны от 0,7 эВ (для InN) до 3,4 эВ (для GaN), что может быть достигнуто путем изменения мольной доли индия в твёрдом растворе. Благодаря этому, InGaN наноструктуры являются перспективными для создания излучателей в видимом диапазоне. В проведенной работе создана воспроизводимая технология получения непланарных InGaN наноструктур контролируемой геометрии и широкого диапазона химических составов в процессе роста методом молекулярно-пучковой эпитаксии.
Применение:
Излучатели света в видимом диапазоне, оптоэлектронные сверхвысокочастотные и высокотемпературные приборы.
Фотодетекторы c высокой фоточувствительностью в диапазоне длин волн 2,0—2,6 мкм на основе эпитаксиальных гетероструктур InGa(Al)As/InP
Коллектив: Лаборатория наноэлектроники (Соболев М.С., Василькова К.Ю., Шубина О.В., Баранцев Е.В., Пирогов Л.Я., Карачинский И.И., Новиков И.И.).
Описание:
Благодаря сравнительно высоким значениям фоточувствительности и обнаружительной способности, фотодетекторы коротковолнового ИК диапазона на основе полупроводниковых гетероструктур InGa(Al)As на подложках фосфида индия (InP) вызывают интерес исследователей во всем мире. Эпитаксиальная технология InGa(Al)As/InP позволяет достичь высокого кристаллического совершенства слоев и гетерограниц, а для изготовления на данных гетероструктурах кристаллов фотодиодов применяется зрелая технология пост-ростовой обработки. На основе полученных гетероструктур стандартными методами фотолитографии изготовлены экспериментальные образцы кристаллов pin-фотодиодов и экспериментальные образцы pin-фотодиодов коротковолнового ИК диапазона (2,0-2,6) мкм в корпусе с линзой.
Применение:
Мультиспектральные камеры, обнаружение газов.
Источники одиночных фотонов на основе квантовых точек А3В5 в теле нитевидных нанокристаллов, и фотонные интегральные схемы на основе планарных слоев GaP на подложках сапфира как элементная база для систем квантового распределения ключей и квантовых вычислений
Коллектив: Совместный проект лабораторий эпитаксиальных нанотехнологий и возобновляемых источников энергии.
Описание:
Ведущиеся разработки направлены на создание источников одиночных фотонов (ИОФ), обладающих характеристиками, необходимыми для их практического применения в системах квантового распределения (КРК) как по волоконным, так и атмосферным каналам. ИОФ реализуются на основе наноразмерных вставок из узкозонных материалов в теле нитевидных нанокристаллов из широкозонных соединений (изменяя толщину вставки, можно варьировать длину волны излучения). Данные ИОФ могут быть интегрированы с полупроводниковыми оптическими нано- и микроструктурами, а также ФИС на основе слоев GaP. Спектральный диапазон ИОФ лежит в диапазоне 650-900 нм и 1300-1550 нм. ИОФ характеризуется яркостью не менее 105 отсчетов в секунду и степенью однофотонности выше 80%. Эти характеристики, а также модульная реализация в виде ФИС позволят использовать данный продукт в качестве альтернативы источникам одиночных фотонов на основе ослабленных когерентных импульсов, обеспечивая более высокую степень защищенности коммуникационного канала.
Применение:
Квантовое распределение ключей, защищенные коммуникационные системы.
Светоизлучающие микроструктуры GaP/GaP(N,As), формируемые на кремниевой подложке, для микродисплейных устройств нового поколения
Коллектив: Лаборатория возобновляемых источников энергии.
Описание:
Проект направлен на разработку светоизлучающей полупроводниковой матрицы на основе системы материалов GaP/GaP(N,As), работающей в красно-оранжевом спектральном диапазоне, для ее последующей потенциальной интеграции с управляющей КМОП-транзисторной интегральной схемой. Предполагаемая интеграция обеспечит технологическую базу для создания микродисплеев нового поколения на основе объединения А3В5 и Si технологий. В качестве светоизлучающих структур используются p-i-n светодиоды GaP/GaP(N,As)/GaP, сформированные в виде микротекстурированных тонких пленок (технология сверху-вниз), синтезированных и отделенных от вспомогательных Si подложек.
Применение:
Микродисплеи нового поколения.
