Светодиоды и лазеры: как в Беларуси создают новейшие электронные компоненты

В прошлом году Минск и Москва подписали соглашение о сотрудничестве в сфере микроэлектроники. Главная задача – делать свое, чтобы заместить импортное.

Так, к примеру, появился ноутбук под отечественным брендом Horizont. Белорусских компонентов в нем пока лишь 30%, но это только начало, уверяют разработчики. Ведь сегодня продукция белорусских предприятий электронной промышленности востребована практически везде – от бытовой техники до армии и космоса.

С чего начинается производство транзисторов для любой электроники и где находится единственный в стране ростовой реактор для изготовления "прозрачных" полупроводников, применяемых для создания нового поколения транзисторов – в материале Sputnik.

История белорусской микроэлектроники началась в 60-е годы прошлого столетия. В Минске было открыто конструкторское бюро точного электронного машиностроения – ныне это производственный холдинг ОАО "Планар". Здесь разрабатывали оборудование для производства полупроводниковых компонентов и микросхем, которые поставлялись по всему Советскому Союзу. В это же время были введены в строй "Завод полупроводниковых приборов" им. Ф. Э. Дзержинского и завод "Транзистор".

После распада Союза электронную промышленность удалось сохранить только в Беларуси, признавался президент страны Александр Лукашенко, хотя уже не было ни советского госфинансирования, ни прежнего сбыта продукции. Со временем поставки удалось наладить в Россию и Китай, а отрасль – не просто сохранить, а модернизировать.

В середине 1990-х белорусские ученые из Института физики им. Б.И. Степанова НАН Беларуси начали сотрудничать с немецкими коллегами из института полупроводниковой техники в городе Ахен. Западных исследователей интересовала тема полупроводниковых лазеров, которой наши физики тогда интенсивно занимались (достаточно вспомнить нобелевские разработки Жореса Алферова и российский ученых), а белорусских – технологии роста полупроводников методом осаждения металлорганических соединений из газообразной фазы.

В итоге в 2002 году ученые из обеих стран первыми в мире смогли вырастить на подложках кремния полупроводниковые слои нитрида галлия и квантовые ямы на его основе лазерного качества, что открыло новые перспективы в интеграции традиционной кремниевой и широкозонной микроэлектроники. Об этом достижении писали даже мировые СМИ.

В это же время Институт физики НАН Беларуси начал тесно сотрудничать с еще одним представителем международно-признанной школы роста полупроводников – Физико-техническим институтом им. Иоффе РАН. Были созданы первые на территории СНГ экспериментальные образцы солнечнослепых ультрафиолетовых фотоприемников и ультрафиолетовых светодиодов.

В 2000-х белорусская электронная промышленность развивалась медленно, но уверенно. Производствам удалось увеличить выпуск продукции и нарастить экспорт, а науке – достичь новых высот в сфере нано- и микроэлектроники.

В современной истории белорусская наука взяла курс на импортозамещение. В 2017 году, еще до введения западных санкций, в Институте физики НАН Беларуси был запущен единственный в стране реактор, с помощью которого можно вырастить сложные широкозонные полупроводниковые структуры для опто-, СВЧ и силовой электроники. Построили его из российских комплектующих.

Говоря научным языком, это установка молекулярно-пучковой эпитаксии. В сверхвысоком вакууме на сапфировую подложку, которая разогревается до 1000 градусов, попадают потоки различных элементов – в данном случае алюминия, галлия и индия, а также азотная плазма или аммиак. В результате на подложке вырастает "пирог" – так называемые гетероструктуры.

"Необходимо отметить, что нитрид галлия является широкозонным полупроводником и прозрачен в видимой области спектра. Поэтому и сами слои нитрида галлия и гетероструктуры ("пирог слоев различного состава") на его основе выглядят как слои очень прозрачного стекла, в отличие от кремния, который выглядит как черная пластина", – по-научному вводит в курс дела исполняющий обязанности заведующего центром "Широкозонная нано- и микроэлектроника" Института физики НАН Беларуси Евгений Луценко.

После выращивания гетероструктуры поступают в ОАО "Минский НИИ радиоматериалов" или в холдинг ОАО "ИНТЕГРАЛ", где на них отрабатывают новые технологии создания мощных СВЧ и силовых транзисторов, в перспективе будет освоено их производство.

По словам научного сотрудника центра Алексея Войниловича, в зависимости от размера пластины гетероструктуры из нее можно изготовить несколько тысяч миниатюрных транзисторов.

О необходимости иметь новые собственные технологии в электронной промышленности говорят в последнее время часто. Этот вопрос стал более чувствительным в 2022 году, когда Запад задействовал санкционные рычаги против Беларуси и России. После чего власти двух стран обозначили приоритетную для всех сфер задачу – создавать свое.

"Технологию нужно иметь у себя дома – это и стало побудительным мотивом к созданию этой установки еще до введения санкций. Можно сказать, что именно благодаря ей произошел новый этап развития отечественной силовой электроники, поступательно развивается СВЧ-электроника", – отмечает Евгений Луценко.

По его словам, в ближайшее время благодаря новым разработкам белорусских ученых можно будет решить многие насущные вопросы в отрасли.

"Дело в том, что мощные СВЧ-транзисторы (они применяются в производстве сотовых станций, спутников, радиостанций и другой передающей технике – Sputnik) производятся сейчас за рубежом. Но это производство можно в перспективе наладить и у нас. Силовые транзисторы – очень актуальный вопрос, они нужны практически везде. Особенно новое поколение – маленькие массы и размеры не только самих транзисторов, но и устройств, созданных с их применением. Это актуально для беспилотников, космоса, авиации, электромобилей, электротранспорта и так далее", – констатирует физик.

В сентябре прошлого года Беларусь и Россия подписали соглашение в сфере микроэлектроники. И "Интеграл", и "Планар" ожидает серьезная технологическая модернизация, чтобы, во-первых, нарастить объемы производства микросхем и других электронных компонентов, ориентированных как на Россию, так и на белорусский рынок. При этом изделия предполагается выпускать с новыми характеристиками, новыми классами точности. В этой связи существенно повышается роль науки.

"Последние года три, наверное, мы стали решать больше задач, непосредственно связанных с производством. Началась практическая работа. Если раньше это была только характеризация, затем первые попытки роста гетероструктур, то сейчас уже четкая направленность на производство", – поясняет Евгений Луценко.

В данный момент белорусские ученые-физики задействованы в работе над пятью проектами в сфере электроники. Один из них по линии Союзного государства – разработка новых эффективных люминофоров и перспективных осветительных устройств. Ученые вместе с ОАО "Руденск" и Центром светодиодных и оптоэлектронных технологий НАН Беларуси уже начали работать над созданием лазерных излучателей для автомобильных фар. Предполагается, что в будущем вся автомобильная оптика будет содержать лазерные источники света.

Еще одно задание научно-технической программы Союзного государства звучит так – разработка базовой технологии перспективных широкозонных нитридных гетероструктур и создание на их основе образцов оптоэлектронных устройств различного назначения. Речь идет об ультрафиолетовых фотодиодах и УФ фотоприемниках.

И если в разработке УФ фотодиодов во всем мире сейчас идет высочайшая конкуренция (что обусловлено перспективами их массового применения для дезинфекции, обеззараживания вирусов и непосредственного воздействия на белок и ДНК), то УФ-фотоприемники – сфера конкурентоспособная для белорусских разработчиков. Они востребованы для ультрафиолетовой дозиметрии, сенсорики, скрытой связи, охраны периметра, а также для систем активной защиты. В реализации этого задания будет принимать участие белорусский завод "Интеграл".

Помимо двух союзных заданий в сфере микроэлектроники, в рамках госпрограммы выполняются два мероприятия по созданию технологий молекулярно-пучковой эпитаксии гетероструктур на основе нитрида галлия, разработке и изготовлению на их основе мощных СВЧ-транзисторов и нового поколения транзисторов силовой электроники.

Эти мероприятия осуществляются при непосредственном участии производителей СВЧ-микросхем – Минского НИИ радиоматериалов и силовой электроники и "Интеграла".

Для мощных СВЧ-транзисторов рынки традиционные – в основном это радиолокационная техника, получившая развитие в активных фазированных антенных решетках и их цифровых разновидностях для новых поколений самолетов, кораблей, 5G и 6G радиовышки мобильной связи, спутниковые и наземные СВЧ телекоммуникации.

Для нового поколения силовых транзисторов рынки только формируются и бурно развиваются. Эти электронные компоненты актуальны для беспилотных летательных аппаратов, авиации, моторизированных платформ, робототехники, электромобилей и электротранспорта, гаджетов – в общем там, где масса и габариты имеют значение.

"А поскольку нитрид галлия является широкозонным полупроводником, его радиационная, химическая, термическая и механическая стойкость намного превышает стойкость кремния. И поэтому наиболее широко раскрыть свой потенциал поколение силовых транзисторов сможет в космических и экстремальных условиях эксплуатации", – подчеркивают в Институте физики НАН.

Также, по словам Евгения Луценко, многолетний белорусский опыт в характеризации широкозонных гетероструктур, приобретенный с немецкими и российскими коллегами, интересен Индии. Кроме того, тамошние ученые пользуются опытом и уникальным оборудованием, созданным в Институте физики для характеризации своих разработок широкозонных гетероструктур в рамках текущего контракта.

Недавно в Беларуси была утверждена программа развития микроэлектронной промышленности до 2030 года. За это время республика собирается минимум в три раза увеличить объем выручки от продажи микроэлектроники.

Как заявлял вице-премьер страны Петр Пархомчик, суммарный объем выручки от реализации продукции отечественной микроэлектроники и электронного машиностроения к 2025 году вырастет до 200 млн долларов. К 2030-му прибыль достигнет 330-350 млн.

Увеличивать выручку белорусским предприятиям электронной промышленности будет помогать Россия: уже формируется список необходимых соседней стране электронных компонентов, согласована дорожная карта развития микроэлектронного производства.