Российские ученые создают новую компонентную базу для энергоэффективной электроники. В Санкт-Петербурге впервые вырастили кристаллы оксида галлия, легированные железом, в Красноярском крае исследовали наночастицы оксида меди, а СПбГЭТУ «ЛЭТИ» разработал прототип силового транзистора на карбиде кремния. Отдельные коллективы работают над схемами для связи нового поколения и материалами для дисплеев.
Эти проекты находятся на разных стадиях. Одни результаты пока имеют лабораторный статус, другие уже предполагают адаптацию технологии под производственные возможности российских предприятий. Для конструкторских бюро это означает появление новых материалов, из которых в перспективе можно создавать электрические устройства, силовые модули, элементы памяти и оборудование для машиностроения.
Магнитный оксид галлия для энергонезависимой памяти
Исследователи СПбГЭТУ «ЛЭТИ», Физико-технического института имени А.Ф. Иоффе Российской академии наук и Санкт-Петербургского государственного университета впервые синтезировали монокристаллы оксида галлия, сильно легированные железом. Образцы проявили признаки магнитного упорядочения при комнатной температуре.
Для спинтроники нужны полупроводники, которые позволяют управлять одновременно электрическими и магнитными характеристиками. Такой подход открывает путь к созданию новых типов памяти с высокой энергонезависимостью и меньшим потреблением энергии. Оксид галлия рассматривают как перспективную замену кремнию в силовой электронике, где требуется работать с высокими напряжениями и снижать потери.
Кристаллы получили раствор-расплавным методом. Исходными компонентами стали расплав смеси оксидов молибдена и галлия, а также гидроксид железа. Ученые использовали специальную камеру. Рентгеновская дифракция показала, что железо частично замещает галлий в кристаллической решетке, не меняя ее строения.
Магнитные свойства измерили на вибрационном магнитометре. Затем поведение материала воспроизвели с помощью микромагнитного моделирования и оригинальной теоретической модели. Расчеты позволили предположить, что магнитное упорядочение сосредоточено в узкой области у границы двойникования, где концентрация железа, вероятно, выше.
В перспективе такой материал может стать основой электронных приборов, работающих по принципам спинтроники. Разработчики связывают его применение с быстрой коммутацией энергии в линиях высокого напряжения и магнитным хранением данных на одном кристалле.
Силовой транзистор на карбиде кремния
В СПбГЭТУ «ЛЭТИ» разработали отечественный прототип полевого транзистора на основе карбида кремния на 1,7 кВ. Компонент предназначен для перспективной силовой электроники. В отличие от кремниевых аналогов карбид кремния способен работать при более высоких температурах и напряжениях без потери электрических свойств.
Разработанная топология и технологический маршрут изготовления могут адаптироваться к производственным возможностям российских предприятий. Это важная особенность для постановки компонента на производство: конструкция должна соответствовать не только расчетным параметрам, но и доступному оборудованию, материалам и технологическим операциям.
Эксперименты показали, что при соответствующей коммутации, эффективном теплоотводе и высоковольтной защите прототипы способны работать при напряжениях более 15 кВ и на более высоких частотах, чем кремниевые аналоги. Карбид кремния также обеспечивает меньшие потери мощности при переключениях, более высокую скорость работы и меньший размер кристалла при эквивалентном напряжении пробоя.
Потенциальный спектр применения включает автомобиле-, двигателе-, самолетостроение и машиностроение, а также космическую технику, беспилотники и медицинское оборудование. Такой компонент можно использовать в инверторах и преобразователях энергии, системах связи пятого поколения, электромобилях и зарядных станциях.
СПбГЭТУ «ЛЭТИ» и ГК «Элемент» уже запустили совместное предприятие «ЛЭТИЭЛ» по разработке компонентов на основе карбида кремния. При поддержке Минобрнауки они организовали дизайн-центр по проектированию.
Нейроморфная схема для позиционирования в помещении
Команда НИИ телекоммуникаций ВШЭ создала кремниевую нейроморфную схему, работающую в терагерцовом диапазоне. Это аналоговая вычислительная система. Она обрабатывает сигналы непосредственно на физическом уровне, без оцифровки и обращения к классической архитектуре процессоров.
Такое устройство потребляет меньше энергии и проще в производстве, чем оптические аналоги. Испытания провели в обычном офисном пространстве. Исследователи моделировали разные сценарии движения объектов и отслеживали их сигналом на частоте 150 гигагерц.
По итогам тестов точность позиционирования достигла 99%, а задержки остались минимальными. Схема рассчитана на системы, которые одновременно передают сигналы и определяют положение объектов, их движение и изменения окружающей среды. Пока это лабораторный результат, но разработка формирует основу для устройств связи следующего поколения.
Материалы для дисплеев и сверхпроводящей техники
Ученые МГУ имени М.В. Ломоносова, Института синтетических полимерных материалов имени Н.С. Ениколопова Российской академии наук и Новосибирского института органической химии имени Н.Н. Ворожцова совместно с коллегами из Гронингенского университета создали материал для светотранзисторных дисплеев.
В таких экранах один слой материала совмещает функции диода и транзистора. Он испускает свет при прохождении электрического тока и одновременно управляет этим током. Матрица представляет собой тонкую однослойную пленку толщиной около 10 нм. Она может быть прозрачной, гибкой и излучать поляризованный свет в нужном направлении.
Исследователи изменили молекулярную структуру вещества так, чтобы увеличить выход света. В микрокристаллах молекулы расположены таким образом, что усиливают свечение. По оценке авторов, устройства на основе материала смогут быть ярче и экономичнее аналогов. Следующий этап включает создание эффективного органического двумерного транзистора, органического лазера с электрическим питанием и изучение стабильности светотранзисторов.
Еще один проект реализовали специалисты Сибирского федерального университета и Федерального исследовательского центра Красноярского научного центра СО РАН. Они синтезировали наночастицы оксида меди, которые могут стать основой сверхпроводящего материала при комнатной температуре и выше.
Нанопорошок получили методом вакуумного плазменно-дугового испарения. Он обеспечивает осаждение тонких пленок в вакууме с помощью плазменного разряда. Частицы приобретают магнитные свойства в определенном диапазоне магнитных полей, начиная с более 3 кЭ. Сейчас ученым нужно объединить наночастицы в единый материал. Только после этого можно будет проверить, проявит ли он свойства сверхпроводника при комнатной температуре.
Что разработки дают промышленному проектированию
Новые материалы не заменяют комплект конструкторской документации, но меняют требования к нему. При переходе от лабораторного образца к изделию потребуется описать конструкцию, состав, технологический маршрут изготовления, режимы работы, теплоотвод, защиту и условия применения.
Для силовых компонентов особенно важны электрические и температурные режимы. Для магнитных кристаллов потребуется зафиксировать состав и особенности размещения активной области. Для дисплеев нужно будет описать тонкопленочную структуру, электроды и параметры излучающего слоя. В каждом случае разработка изделия начинается с подтвержденных характеристик материала и заканчивается комплектом КД для изготовления и испытаний.
Какой проект быстрее дойдет до производства? На этот вопрос корпус источников не дает ответа. Известно только, что прототип транзистора уже можно адаптировать к возможностям российских предприятий, а схема ВШЭ пока остается лабораторным результатом.
Ключевые параметры российских разработок
| Разработка | Ключевая особенность | Перспективное применение |
|---|---|---|
| Оксид галлия с железом | Магнитное упорядочение при комнатной температуре | Память, спинтроника, силовая электроника |
| Транзистор на карбиде кремния | Номинал 1,7 кВ, работа прототипов при напряжениях более 15 кВ | Инверторы, преобразователи, транспорт, двигатели |
| Кремниевая нейроморфная схема | Точность позиционирования 99% при частоте 150 гигагерц | Связь и определение объектов в помещениях |
| Органический светотранзисторный материал | Однослойная пленка толщиной около 10 нм | Дисплеи, источники света, органические лазеры |
| Наночастицы оксида меди | Магнитные свойства при полях более 3 кЭ | Сверхпроводящие материалы и электротехника |
Частые вопросы
Что именно разработали российские ученые для энергоэффективной электроники?
В корпусе описаны несколько разработок: кристаллы оксида галлия с железом, силовой транзистор на карбиде кремния, нейроморфная схема, материал для органических дисплеев и наночастицы оксида меди.
Можно ли уже запускать производство транзистора на карбиде кремния?
Источники сообщают, что оригинальные топология и технологический маршрут изготовления могут быть адаптированы к производственным возможностям российских предприятий. О полноценном серийном производстве прототипа сведений нет.
При какой температуре проявляет магнитные свойства оксид галлия с железом?
Кристаллы проявили признаки магнитного упорядочения при комнатной температуре.
Где планируют использовать транзистор на карбиде кремния?
Среди перспективных областей названы автомобиле-, двигателе-, самолетостроение и машиностроение, космическая техника, беспилотники и медицинское оборудование.
Какую точность показала схема для связи нового поколения?
Во время испытаний в офисном помещении точность позиционирования достигла 99% при использовании сигнала частотой 150 гигагерц.
Позиция экспертов Реестр Гарант
Российские разработки охватывают сразу несколько уровней электронной техники: от материала и кристалла до транзистора, схемы и готовой архитектуры дисплея. Для перехода к промышленному изделию потребуется подтвердить характеристики образцов, закрепить конструкцию и технологию в КД, а затем провести испытания. Наиболее конкретно к производственной адаптации сейчас описан прототип транзистора на карбиде кремния.