Александр Леонидович Асеев — один из основателей направления исследований элементарных структурных процессов в объеме полупроводников. Конечно, сложно понять, что скрывается за этими процессами. Однако ежедневно мы используем то, что возникло благодаря полупроводникам и их дальнейшему развитию — наши смартфоны. Сегодня специалисты работают на атомарном уровне и ищут способы воздействия на атомы, с тем, чтобы полупроводники были более функциональными. Дело ученого продолжают молодые сотрудники лаборатории нанодиагностики и нанолитографии. А сам Александр Леонидович активно работает со студентами Новосибирского государственного университета и помогает представителям отечественного промышленного сектора.
Александр Леонидович Асеев — доктор физико-математических наук, академик РАН, экс-председатель Сибирского отделения Российской академии наук, главный научный сотрудник Института физики полупроводников им. А. В. Ржанова СО РАН.
— Александр Леонидович, вы стояли у истоков создания лаборатории нанодиагностики и нанолитографии. Расскажите, какие задачи стояли перед вами тогда?
— Что такое полупроводники и микроэлектроника? В 2000 году вместе с нашим выдающимся ученым Жоресом Алферовым Нобелевскую премию получил американский физик Джек Килби «за личный вклад в изобретение интегральной схемы». Работая над схемой, он сформулировал тезисы интеграции: все компоненты схемы, в том числе резисторы и конденсаторы, можно выполнить из полупроводника на одном кристалле, добавив лишь соединительные перемычки. Первые схемы на основе кремниевых элементов были очень простыми, но уже заменяли огромные электронные устройства, в которых до этого использовались громоздкие и ненадежные радиолампы.
Направление микроэлектроники развивалось эволюционным путем, пока не встала задача, связанная с оборонной промышленностью и управлением ракетами. Те же ЭВМ на радиолампах, которые занимали целые комнаты, в космос не отправишь. А к тому времени уже появились первые спутниковые программы, программы полетов на Луну и так далее. Поэтому полупроводниковые схемы стали крайне востребованы, поскольку во много раз уменьшали габариты приборов.
В дальнейшем это направление получило бурное развитие, когда из сферы оборонной промышленности и освоения космоса перешло в нашу повседневную жизнь. Самый простой пример — наши современные телефоны и другие гаджеты. Если раньше речь шла о производстве небольшого количества электронных систем и транзисторов, то сейчас на каждого жителя Земли приходится несколько миллиардов полупроводниковых транзисторов.
За более чем полвека информационные технологии совершили колоссальный рывок. Если сопоставлять прогресс, который произошел в микроэлектронике, с прогрессом в автомобилестроении, то можно представить автомобиль, который на одной заправке может проехать расстояние от Земли до Луны. И стоил бы он несколько центов вместо нескольких тысяч долларов.
Такое развитие микроэлектроники объясняется углублением в область нано- и микро-размеров. Схемы становились все меньше и меньше. При этом возникло колоссальное количество проблем, связанных с процессом работы. Достаточно одному атому переместиться или встроиться не туда, как все труды идут насмарку.
Поэтому во всем мире развернулась настоящая гонка производственных полупроводниковых технологий. Наша страна, прямо скажем, в ней отстала, в том числе из-за особенностей плановой системы. В данном случае свободная конкуренция оказалась более эффективной.
Тем не менее, в Советском Союзе было создано несколько полупроводниковых центров, например, в Зеленограде (известной как отечественная Кремниевая долина). Новосибирск был восточным форпостом советской электроники. Здесь были созданы три мощных предприятия, которые в основном работали на оборонный комплекс. Крупные предприятия создавались в Киеве, функционировал большой завод в Воронеже.
Причем, надо сказать, это особенно подчеркивал наш нобелевский лауреат Жорес Алферов, пусть мы и отставали от Соединенных Штатов Америки и Японии в области электроники, но все же были третьими в мире.
Например, известная система ПВО Москвы работает полностью на полупроводниковых элементах. Задача была поставлена — не пропустить ни один летающий объект, что было реализовано со стопроцентной надежностью.
Чтобы наука могла обеспечивать упомянутые производственные задачи, в советское время было создано три Института физики полупроводников. Один — в Киеве. Второй — в Вильнюсе, и третий здесь, в Новосибирске, — наш Институт физики полупроводников РАН, ныне носящий имя его основателя академика А.В. Ржанова.
Этот мощный научный центр в Сибири, в котором мы находимся, был создан, в том числе из-за стремления рассредоточить науку. Институт физики полупроводников с самого начала оказался на переднем крае нового направления. Наш директор, академик Анатолий Васильевич Ржанов, работал тогда в ФИАНе, а задание заняться полупроводниками он получил от президента Академии Наук СССР, академика Сергея Ивановича Вавилова. Ржанов, наверное, одним из первых в мире понял, что работать надо на упреждение, и изучать поверхность, границы раздела, заниматься наноструктурными объектами.
Так, в Институте стало развиваться важное направление, связанное с изучением поверхности. Что такое поверхность? Поверхность — это эфемерная структура, тончайшая прослойка между разными веществами атомной толщины. На самом деле о поверхности любого твердого тела к началу работ в этой области практически ничего не было известно, или были только отрывочные и бессистемные данные. В Институте за время его работы создан мощный и уникальный комплекс методов изучения атомной структуры и электронных свойств поверхности полупроводников. Можно сказать, что я и многие из моих коллег посвятили всю жизнь получению точных количественных данных о том, что происходит на поверхности на атомном уровне. Эти данные крайне востребованы при производстве полупроводников, ведь необходимо правильно организовать технологические процессы и не загубить деньги и материалы. Полупроводники — очень дорогостоящее изделие, а рентабельность появляется только при массовом производстве.
В нашей лаборатории при изучении и диагностике поверхностей и границ раздела мы используем электронную микроскопию всех видов: просвечивающую, сканирующую, туннельную, отражательную. Помимо микроскопического диагностического комплекса, который сегодня очень востребован, мы применяем методы нанотехнологий, такие как электронная, ионная и зондовая литография, для манипуляций с поверхностью полупроводниковых объектов на нано- и атомном уровнях.
Венец достижений мнститута в этой области — разработка и создание установок для выращивания гетероэпитаксиальных структур кадмий-ртуть-теллур. На их основе создаются фотоприемные полупроводниковые матрицы, рекордно больших размеров, чувствительные в инфракрасной области спектра. Это один из лучших результатов за многие годы, потому что вся эта техника и диагностические методы созданы полностью силами института.
В нашей лаборатории кроме собственных разработок, таких как сверхвысоковакуумная система отражательной электронной микроскопии, используется и самая современная импортная техника. С помощью работающего в лаборатории комплекса методов нанотехнологий и нанодиагностики из молекулярных электронных и ионных пучков послойно создают полупроводниковые наноструктуры нужной конфигурации.
Другая важная область исследований посвящена фотонике, то есть использованию фотонов для обработки информации. Один из важнейших результатов работы сотрудников института с участием нашей лаборатории состоит в разработке сверхминиатюрных полупроводниковых лазеров на квантовых ямах и квантовых точках, способных генерировать отдельные фотоны или пары запутанных фотонов для квантовой криптографии и систем квантовых вычислений. Это, в том числе, приближает всех нас к созданию квантового компьютера.
Мы выполняем задачи и в области СВЧ-техники. Любой телефон включает высокочувствительный транзистор на квантовых ямах арсенида галлия с высокоподвижным электронным газом высокой концентрации. В такой квантовой яме реализована очень тонкая нанотехнологическая разработка. Для производителей важно получить максимальную чувствительность к радиоволнам, а значит должна быть очень высокая концентрация высокоподвижных электронов. Обычными методами этого добиться нельзя, ведь для получения электронов нужно очень много атомов, которые отдают электроны в полупроводник. Электроны генерируются примесными атомами, в результаты электроны рассеиваются на атомах примеси и становятся менее подвижными. Электронов становится много, но они малоподвижны, то есть никакого увеличения чувствительности не происходит. Так вот, методами молекулярно-лучевой эпитаксии создают структуру, где слой высокоподвижного двумерного газа отделен от слоя атомов примеси. В результате электроны «сваливаются» в квантовую яму, где атомы примеси отсутствуют. Там они свободно передвигаются и обеспечивают экстремально высокую чувствительность наших телефонов. Собственно, благодаря этому научному и технологическому достижению, в числе прочих, мобильные телефоны достигли «карманного» формата. Это, наверное, классический пример высоких полупроводниковых технологий в нашей повседневной жизни.
Сейчас мы разрабатываем высокочувствительные сенсоры биологических молекул, бактерий и вирусов на основе так называемых нанопроволочных транзисторов с открытым затвором. Такие транзисторы очень чувствительны к химическому составу газовых сред и биологических жидкостей. Стоит подышать на эту структуру, как она тут же регистрирует с очень высокой точностью и чувствительностью, каким воздухом вы выдыхаете, что у вас происходит в желудочно-кишечном тракте. Есть ли отклонения и так далее.
Недавно появилось новое важное направление, связанное с вирусами. Сегодняшняя пандемия указывает на актуальность исследований в этой области. Встает задача регистрировать вирусы в очень малых количествах, чтобы предотвратить их проникновение в организм. Мы активно сотрудничаем с нашими биологами, в том числе из соседнего с нашим Академгородком Центра вирусологии и биотехнологий «Вектор».
Задача на самом деле нетривиальная. Необходимо очень точно определить, действительно ли перед нами вирус, а не безвредная бактерия. Для этого биологи конструируют маркеры, которые устанавливаются на поверхность нанопроволочного транзистора. При захвате осаждаемого на поверхность вируса маркером и их объединении изменяется электрический ток нанотранзистора, что сигнализирует о наличии вируса.
Думается, что совсем скоро в каждом доме появится система диагностики, которая будет ежедневно следить за состоянием нашего организма. Это будущее медицины, которое также тесно связано с полупроводниками.
Большие перспективы связаны с развитием спинтроники — раздела квантовой электроники, занимающейся изучением спинового токопереноса. На самом деле электрон для наномира достаточно тяжелая и неповоротливая частица. Например, чтобы управлять электроном, нужны энергии, сравнимые с долями электрон-вольт. А чтобы изменить спин электрона, нужна энергия сопоставимая с 0,00001 электрон-вольта. Спинтроника обещает переворот в электронике, связанный с меньшими энергозатратами, большим быстродействием и дальнейшей миниатюризацией электронных устройств,
В полупроводниковые технологии вкладывают сегодня много средств, триллионы долларов по всему миру. Поскольку научное сообщество осознает их универсальность и востребованность.
— Какие эффекты порождает наномир?
— Приведу примеры из других областей. Например, при работе с металлами проявляется поразительный эффект памяти формы. Стоит нагреть ранее деформированную металлическую деталь, как она тут же восстанавливает свою форму. Такой эффект часто используют при конструировании космической техники.
Существуют, скажем, сверхпластичные материалы. Обычная металлическая деталь при попытке ее как-то удлинить или сжать просто разрушится. У наноструктурированных определенным образом материалов степень деформации составляет до 500%. То есть можно в пять раз растянуть алюминиевый стержень, и он останется целым.
Наномир предлагает множество разных применений, о которых мы пока еще не догадываемся. Предсказывать другие возможные эффекты практически невозможно, поскольку объем информации, который нужно иметь ввиду, чтобы описать эти системы, растет по экспоненте.
Прямо сейчас мы ищем новые элементы памяти для хранения данных, чей объем также стремительно растет. Кстати, в 90-е годы единственным географически близким к нам микроэлектронным предприятием, которое активно внедряло научные разработки, была фирма Самсунг в Корее. Компания активно сотрудничала и с нами. Если вы покупаете терабитную флешку в магазине фирмы Самсунг, там с вероятностью 100% стоят смоделированные и рассчитанные с помощью сотрудников нашего института структуры.
Наши разработки востребованы и среди отечественных предприятий: в Зеленограде, Новосибирске, Томске, Омске, Красноярске. Поэтому мы чувствуем интерес к нашим технологиям и уверенно смотрим в будущее.
— Вы сформировали очень сильную школу молодых ученых. Гордитесь?
— Конечно. Кстати, нынешний директор института и бывший заведующий это лабораторией после меня, академик Александр Латышев когда-то был моим студентом, а затем одним из ведущих сотрудников лаборатории и института. Заведующий лабораторией, которую ранее возглавлял я и затем Александр Латышев, Дмитрий Щеглов — тоже очень способный молодой человек.
Правда, мне наших ведущих сотрудников и руководителей мучительно жалко, поскольку сегодня к академикам и ученым в целом не относятся с должным уважением, как раньше. Сегодня больше ценятся менеджеры, способные разбираться с деньгами и понимать крайне непоследовательную политику нашей власти по отношению к науке. С этим связаны свои сложности при работе в науке и, в частности, в академических институтах.
Хотя со сложностями сталкивались и мы в свое время. Так, в одной из комнат лаборатории стоит уникальный японский микроскоп, который наш институт приобрел в 1989 году. Счет на его оплату был оплачен в декабре 1989 года Внешэкономбанком Советского Союза одним из последних. Чтобы этот счет был оплачен, я лично затратил три года. Но он пришел — один из лучших приборов в мире. До сих пор работает, вот уже 30 лет.
— А как вы его доставили сюда?
— Это была целая история. Во-первых, мы участвовали в его упаковке на территории фирмы-изготовителя. Я сам провел в Токио три недели и понял, что японское предприятие работает по принципам советской структуры. Работа кончается, но никто не уходит, все собираются в «кружки качества». Повсюду висят ящики для подачи рационализаторских предложений. Работа ведется с энтузиазмом и чувством ответственности. Все это характеризует и нас, несмотря на то, что многое уже безвозвратно утеряно.
После сборки микроскоп морем перевезли во Владивосток. Однако потом мне пришлось следить, чтобы все погрузили и правильно оформили, поскольку приоритет уже отдавался перевозке подержанных японских автомобилей. Стало трудно объяснять, что такое современный электронный микроскоп. Короче говоря, это была очень волнующая эпопея. Нам очень сильно помогли наши коллеги из Дальневосточного отделения РАН, и в итоге все завершилось благополучно.
— Над чем вы работаете сегодня?
— Сейчас я активно вовлечен в работу с биосенсорами и элементами памяти. Мы с коллегами пытаемся найти какие-то просветы в бесчисленном количестве вариантов их создания и практического применения.
Раньше административная деятельность отнимала почти все мое время. И я почти не занимался молодежью. Сейчас я стараюсь уделять больше внимание молодым ученым, аспирантам, с которыми работаю, в том числе, в Аналитическом и технологическом исследовательском центре коллективного пользования на базе физфака Новосибирского государственного университета, включающем и центр коллективного пользования в области нанотехнологий и нанодиагностики.
Второе важное для меня направление — это работа с предприятиями, как бы это не было сложно. Промышленный сектор находится в худшем положении, чем наука, поскольку у науки есть бюджет, пусть и небольшой, но гарантированный. Промышленный сектор такого лишен. Поэтому они очень рассчитывают на науку, ведь без опережающих данных и исследований, происходит отставание. Поэтому я выбрал для себя три предприятия, с которыми мы активно сотрудничаем: Научно-исследовательский институт молекулярной электроники в Зеленограде — ведущую организацию по электронике в стране. Это предприятие реализует очень серьезную программу федерального значения, которая организована при поддержке президента страны. В 2019 году я выступал с обзорным докладом на представительном форуме с участием руководителей отрасли и ведущих предприятий в Крыму. Вообще в подобных совещаниях члены Академии наук участвуют не часто. Между тем, я стараюсь работать с производственниками, разбираться в их проблемах, искать направления, в которых мы можем быть полезными.
Второе предприятие — Новосибирский завод полупроводниковых приборов с ОКБ, которые также нуждается в передовых результатах. Например, в Институте разработали материал для создания большеформатных фотоприемных матриц инфракрасного диапазона. На сегодняшний день это крайне востребованные системы. Их используют, в том числе для спутникового мониторинга земной поверхности. Отмечу, что в мире всего несколько стран могут создавать подобного рода матричные элементы и системы для дальнего инфракрасного излучения: США, Германия, Франция, Япония, Китай и Россия.
Третье предприятие — Омский НИИ приборостроения — ведущая организация по разработке и созданию систем профессиональной связи разных типов, от охранной до спутниковой. Это достаточно успешное предприятие, которое обеспечено заказами и крайне нуждается в полупроводниковых технологиях, чтобы развивать производство.
Должен похвастаться, что в 2019 году я исполнил свою давнюю мечту и поставил личный рекорд — сделал четыре пленарных доклада на международных конференциях по нанотехнологиям в Риме, Дубае, Крыму (Алушта) и в своем родном городе Улан-Удэ (с выездными заседаниями на Байкале).
Горжусь тем, что по представлению родного для меня Отделения нанотехнологий и информационных технологий РАН я удостоен Золотой медали им. К.А. Валиева в области микро- и наноэлектроники в 2021 году за цикл работ «Полупроводниковые наноструктуры для современной электроники». Академик К.А. Валиев был выдающимся специалистом в микроэлектронике, одним из создателей центра отечественного микроэлектроники в Зеленограде, организатором Физико-технологического института РАН, внес большой вклад в разработку теоретических основ квантовых вычислений и путей их практической реализации. Тесная работа с Камилем Ахметовичем в течение многих лет оказала большое влияние на успехи нашей лаборатории и нашего института в целом.
