Лаборатория функциональной электроники

Задача лаборатории – развитие прикладных и фундаментальных научных исследований и разработка конкурентоспособных наукоёмких технологий полупроводниковых материалов, наноструктур и элементов для крупных промышленных, spin-off компаний и бизнес-структур, работающих в области передовых технологий.

Основные направления исследований:

  • Исследование закономерностей и разработка конкурентоспособных технологий в области полупроводниковых наноструктур и координатных детекторов для ускорительных центров физики частиц, физики высоких энергий и цифровых диагностических систем различного назначения, с характеристиками, превышающими мировые аналоги.
  • Исследование физико-технологических основ и условий использования разбавленных магнитных материалов А3В5 и полупроводниковых наноструктур в качестве материала для создания элементов спинтроники.
  • Развитие оригинальных методов исследования электрофизических свойств и характеристик сверхбыстрых процессов в полупроводниковых низкоразмерных структурах, наногетероструктурах с множественными квантовыми ямами и полупроводниковых элементах электронной компонентной базы при оптическом возбуждении ультракороткими лазерными импульсами.
  • Исследование и разработка полупроводниковых материалов, структур и элементов для развития метода эмиссионной терагерцовой спектроскопии, связанной с когерентным оптическим возбуждением и детектированием временных профилей импульсов терагерцового излучения.
  • Исследование закономерностей и разработка высокочувствительных сенсоров различных внешних воздействий и сенсоров следов биохимических процессов на основе наноструктурированных металлооксидных плёнок и структур, сформированных на родственных полупроводниковых подложках.
  • Исследование закономерностей и разработка материалов, структур, элементов и МИС элементов и формирователей для различных устройств силовой импульсной техники пикосекундного быстродействия и приёмопередающих модулей сверхширокополосной радиолокации.

Коллективом лаборатории функциональной электроники (ЛФЭ) выполнен большой объём исследований по модификации свойств арсенида галлия при легировании примесями с глубокими уровнями. Созданы полупроводниковые полуизолирующие структуры, компенсированные примесными нанокластерами переходной группы Fe Периодической таблицы, с характеристиками, превышающими лучшие мировые аналоги. На основе структур разработан широкий спектр полупроводниковых приборов функциональной электроники различного назначения: УФ-фотоприёмники, ИК-преобразователи, импульсные лавинные S-диоды пикосекундного быстродействия, детекторы ионизирующих излучений. Созданы и выведены на мировой рынок не имеющие мировых аналогов матричные детекторы ионизирующих излучений с числом пикселей (768*512), используемые для регистрации синхротронного излучения, в экспериментальной физике высоких энергий, в системах формирования цифрового цветового изображения в рентгеновских и гамма-лучах медицинского, научного и промышленного назначения.

Кроме того, сотрудниками ЛФЭ выполнен и систематизирован большой объём научных исследований по синтезу и росту широкого спектра полупроводниковых кристаллов нелинейной оптики. Разработаны физико-технологические основы создания полупроводниковых элементов генерации и приёма излучения терагерцового диапазона и устройств на их основе.

Результаты работы, превосходящие мировой уровень:

  • Выполнены фундаментальные исследования компенсации проводимости арсенида галлия примесными нанокластерами. Создана не имеющая мировых аналогов лабораторная технология изготовления детекторных наноструктур на основе GaAs, компенсированного примесными нанокластерами с характеристиками, превышающими мировые аналоги: диаметр до трёх дюймов (европейский стандарт), толщина до 1,0 мм, удельное сопротивление более 5*108 Ом*см, µτ≥10-4 см2/В для подложек HEMT технологий, сенсоров, преобразователей и фотоприёмников широкого спектрального диапазона. Технология охраняется в режиме коммерческой тайны, оформлено ноу-хау, в соответствии с приказом ректора № 213 от 26.03.2014 поставлено на учёт.
  • Разработана лабораторная технология изготовления методами монолитных интегральных схем (МИС) арсенид галлиевых координатных (микрополосковых и пиксельных) детекторов с рабочей площадью до 25 см2, числом элементов в микрополосковом детекторе до 1024 и в пиксельном детекторе до (768*512). Технология охраняется в режиме коммерческой тайны, оформлено ноу-хау, в соответствии приказом ректора № 213 от 26.03.2014 поставлено на учёт.

Текущие исследования

  • Исследование закономерностей и разработка лабораторной технологии изготовления детекторных наноструктур на основе GaAs, компенсированного примесными нанокластерами с характеристиками, превышающими мировые аналоги: диаметр до 4-х дюймов (мировой стандарт), толщина до 1,2 мм, удельное сопротивление более 5*108 Ом*см, µτ≥10-4 см2/В для подложек HEMT технологий, сенсоров, преобразователей и фотоприёмников широкого спектрального диапазона.
  • Исследование закономерностей и разработка лабораторной технологии изготовления методами монолитных интегральных схем (МИС) арсенид галлиевых координатных (микрополосковых и пиксельных) детекторов с рабочей площадью до 50 см2, числом элементов в микрополосковом детекторе до 2048 и в пиксельном детекторе до (1024 х1024).
  • Моделирование физических процессов и исследование экспериментальных закономерностей процессов транспорта и сбора заряда в зависимости от конструктивно-технологических параметров наноструктур и МИС арсенид галлиевых координатных детекторов.
  • Моделирование физических процессов, разработка конструктивно-технологических принципов и исследование экспериментальных закономерностей лабораторных образцов многоэлементных детекторов ионизирующих излучений с внутренним усилением.
  • Моделирование физических процессов, синтез, рост и экспериментальное исследование электрофизических характеристик полупроводниковых кристаллов сложного состава (CdTe, CdZnTe, TlBr, GaSe ZnSe, AgGa2Se4 и др.) для использования их в качестве детекторов ионизирующих излучений, сцинтиллирующих материалов детекторов, кристаллов и элементов нелинейной оптики. 
  • Разработка технологии, изготовление и исследование опытных образцов детекторов и элементов нелинейной оптики.

Сферы применения разработок

Потребителями сенсоров и ПД, разработанных и изготовленных в ЛФЭ ТГУ, является значительное количество мелких и средних зарубежных фирм, ведущих разработки цифровых радиографических диагностических и информационных систем различного функционального назначения в области передовых научных исследований, медицины, промышленности, экологии и безопасности. Независимые испытания лабораторных образцов созданных ПД были проведены в ряде крупнейших мировых научных центров:

  • DESY (Deutche Electronen Synchrotron, Hamburg, Germany);
  • RAL (Rutherford Appleton Laboratory, Oxford, UK);
  • ESRF (European Synchrotron Radiation Facility, Grenoble, France);
  • PSI (Paul Sherrer Institute, Villingen, Switzerland);
  • Stanford University (USA);
  • ОИЯИ (Объединённый институт ядерных исследований, Дубна, РФ). 

Установлено, что объединение в линейку матричных детекторов (HPAD) является революцией в области регистрации фотонов синхротронного излучения и рентгеновских источников на свободных электронах (XFEL). HPAD являются детекторами будущего, обусловливая несколько порядков улучшения характеристик в сравнении с существующими детекторами на основе ПЗС-камер, сцинтилляционных и кремниевых детекторов.

ЛФЭ ТГУ разрабатывает конструкции и технологии, изготавливает мелкие серии и поставляет лабораторные образцы матричных сенсоров зарубежным партнёрам под имеющиеся в мире чипы электроники Pilatus, Medipix, Hexitec и др.. В крупные научные центры, известные и spin-off зарубежные компании:

  • Dectris Ltd. (Baden, Switzerland);
  • XCounter Ltd. (Stockholm, Sweden);
  • MARS Ltd. (Christchurch, New Zealand);
  • Samsung (South Korea)

поставляются опытные образцы радиационностойких матричных сенсоров и детекторов различных конструктивных модификаций с характеристиками, превосходящими лучшие зарубежные аналоги, для применения в современных физических экспериментах и в цифровой диагностической аппаратуре медико-биологического и технического назначения.

Руководители лаборатории

Руководитель лаборатории
Толбанов Олег Петрович, доктор физико-математических наук, профессор
Тел.: +7 (3822) 425 290   email: top@mail.tsu.ru

Партнеры