«Поддержка фундаментальной науки не мешает развитию прикладной»

Где у ученых «долина смерти», чему японцы аплодируют стоя и за что Запад трижды может наложить санкции, рассказывает директор Института физики полупроводников Сибирского отделения РАН академик Александр Латышев. Но первый вопрос к нему: нужны ли вообще академические институты?

Выйти из полноэкранного режима

Развернуть на весь экран

— Институты как центры компетенции всегда важны, вне всякого сомнения. Но сейчас особенно. С моей точки зрения, это связано с тем, что академические институты имеют существенный задел в области выполнения больших академических или промышленно ориентированных проектов. Второе: в институтах аккумулировано дорогостоящее оборудование — технологическое, научное, диагностическое. Очень важно наличие всего этого комплекса. В-третьих, в институте работают люди с многолетним опытом проведения исследований и умеющие обслуживать эти сложные установки. Причем установки зачастую другие, не такие, как в промышленности. Например, у наших индустриальных партнеров они ориентированы на типовые технологические операции, автоматически загружаются, там поддерживаются стабильные во времени режимы, но в более узких температурных интервалах.

А у нас все не так. Иногда это просто штучное оборудование, изготовленное по нашим заказам, но у него более широкий функционал. Мы можем нагревать подложки до разных температур, напускать различные газы и т. д. Эта гибкость в проведении экспериментов, которая есть у наших установок, нами же зачастую и созданных, очень важна. Еще очень важны ремонт оборудования, сертификация, калибровка. Всем этим академические институты обладают в полной мере.

«Обеспечить технологический суверенитет»

— А как же внедрение в промышленность?

— Сейчас инновационный бизнес и академическая наука должны идти рядом, опираться друг на друга. Ведь задачи у них одинаковые, а возможности разные. Для ученых важно получить желаемый результат, и не обсуждается вопрос о коэффициенте выхода готовых изделий, который, как правило, у нас очень низкий. Технологии как таковой у исследователя может и не быть: мы на несовершенном оборудовании научились делать единичные экземпляры, продемонстрировали их работоспособность. Мы сделали тысячу, чтобы выбрать пять штук, которые заработают. Понятно, почему так: у нас отсутствует необходимое технологическое оборудование, нет химически чистых материалов, наконец, нет чистых помещений. Да, мы что-то создаем, но этого недостаточно, а надо, чтобы технология была работоспособной по-настоящему. Поэтому тесная связь между промышленностью, индустриальным партнером и наукой сейчас чрезвычайно важна, причем и тем, и другим, ведь задача перед нами общая: добиваться того, чтобы обеспечить технологический суверенитет России.

— Что у вас в институте делается в этом направлении?

— Многое. Традиционный лаврентьевский «треугольник», который опирался на науку, производство и образование, сейчас еще подкрепляется региональной властью. Она обратила внимание на науку. Это, например, выражается в реальном софинансировании проектов, которые поддержаны Российским научным фондом. Поскольку деньги сюда входят еще и региональные, то проекты ориентированы на региональную промышленность. Главное, что выделенные гранты позволяют продвигать проекты от стадии идеи до создания опытного образца взаимовыгодно для науки и бизнеса.

— Российский научный фонд решил сделать так называемые технологические проекты, когда промышленность диктует свои интересы, а наука их выполняет. Это правильно? Как вы считаете?

— Да, мне эта идея нравится. Только промышленность ничего не диктует — она сформулировала свои конкретные проблемы, сказала, что ей требуется, а мы уже предлагаем под это свои решения. После этого РНФ отбирает те проекты, которые они посчитали значимыми, и появилось то, чего давно уже не было,— «портфель заказов» от государства. Другими словами, прорывные технологические проекты РНФ, сформулированные в интересах инновационного бизнеса, обеспечивают «коммуникационные мосты» между наукой и промышленностью. Такой мостик показывает, как это может развиваться. И это совершенно нормально.

— А как же фундаментальная наука?

— Обеспечить программу фундаментальных исследований — важнейшая задача государства. Вообще, это удел богатых и технологически сильных стран — поддерживать науку, развивать ее. Потому что бессмысленно в слабой и голодной стране заниматься синхротронами и коллайдерами.

Но поддержка фундаментальной науки не мешает развитию прикладной, даже наоборот: накопленные фундаментальной наукой знания всегда находится, как применить на практике. К тому же перед нами также стоит задача доведения фундаментальных исследований до конкретных прикладных инновационных разработок, востребованных современной экономикой.

В нашем институте такой опыт тоже есть. Мы дружим с индустриальными партнерами, у нас их много. Там, конечно, тоже есть свои проблемы, но важно, что сейчас в академических институтах задачи инновационного бизнеса можно и нужно решать.

Еще один важный проект в рамках нацпроекта «Наука и университеты» — создание молодежных лабораторий.

«Работать на конкретного партнера»

— Знаю, вы их тоже создаете.

— Как мне кажется, это очень хорошая идея, состоящая в том, что молодым людям (не совсем «зеленым» — кандидатам наук, уже «созревшим») было предложено сформировать свои небольшие коллективы. Ставка делалась на то, что, защитив диссертацию, можно немного или даже кардинально изменить направление исследований. То, что надо для промышленности.

Составив проект, обсудив предложения, потенциальные заведующие лабораториями выходили на конкурсную площадку — сначала дистанционно, потом те, кто прошел первый тур, ехали в Москву. Был очень жесткий отбор, причем отбирали не только ученые, но и в большей степени представители промышленности. Главная задача конкурсных комиссий — вычленить те проекты, которые реально необходимы для усиления технологического арсенала России.

— Такие проекты набрались?

— Да. У нас сформированы две лаборатории, их возглавляют два кандидата физико-математических наук, очень хорошие ребята — Максим Аксенов и Денис Милахин. Год прошел, и уже видно, что они понимают всю степень ответственности, видят перспективу. Перед ними поставлена жесткая задача — работать на конкретного индустриального партнера и проводить исследования на мировом уровне в области физики. У них задача непростая: с одной стороны, надо статьи писать, с другой — выполнять конкретную, ориентированную на промышленного партнера работу.

— Что за лаборатории, чем они занимаются?

— Они связаны с новой элементной базой для микроэлектроники на основе СВЧ, твердотельной нанофотоники и т. д. Еще значимо то, что допускается трудоустройство представителей индустриальных партнеров в этот проект. Получается связь не на уровне «генеральный директор — директор академического института».

Ведь раньше как бывало? Пришли, поговорили, договорились, разошлись — а дальше может не сложиться. А это на уровне более низкого звена, когда заведующий лабораторией с руководителем отдела сотрудничают, человек получает ежедневную информацию, что и как мы делаем. Задача ставится не просто эффект получить, а так, чтобы потом это подошло коллегам—индустриальным партнерам. Это работает и может себя хорошо зарекомендовать, потому что реально виден механизм.

— Значит, промышленность сама вам делает заказы. Но ведь у вас полно своих идей. Вы их не можете предложить?

— Как раз и можем, и делаем это. Мы как-то задумались, что, когда пытаемся коммерциализировать что-то, часто натыкаемся на «долину смерти» — так мы называем трудности преодоления между бизнесом и наукой. Не потому что желания нет, а потому что есть разные проблемы. И тогда мы подумали: а если мы вместо цепочки «идея—технология—материал—изделие—выход на глобальный рынок», где всегда что-то меняется или ломается, разработаем новую технологию, новый материал, и с этим материалом выйдем не на глобальный, а на локальный рынок, где сидят наши предприятия, в том числе и предприятия российской электроники? В этом случае мы выполняем договоры поставки по техническим условиям промышленных предприятий.

— Вышли?

— Да. Мы создали новый материал — гетероструктуры, основа — эпитаксиальные технологии. Мы развиваем одну из основных технологий современной полупроводниковой электроники — технологию молекулярно-лучевой эпитаксии. Это самая топовая полупроводниковая технология, которая позволяет проводить инженерию необходимых физических свойств и создание материалов, не существующих в природе. В основе метода — возможность создания резкой границы раздела (разных полупроводниковых слоев) за счет низкой скорости роста и резкого изменения потоков при соблюдении атомарной чистоты материалов в условиях сверхвысокого вакуума — лучше, чем окружающее нас космическое пространство. Получается, что в особо чистых условиях происходит осаждение и рост кристаллической пленки на подложку. Причем этот процесс контролируется открытием и закрытием заслонки. Это можно делать очень быстро, за счет чего можно быстро менять концентрацию материала. В промышленности обычно для этого использовались газы, а газ быстро не напустишь, да и не удалишь. В случае вакуумной эпитаксии все просто: есть нагретый источник, и из него летят атомы. Управляя заслонками, можно создавать сложные эпитаксиальные структуры, содержащие тысячи слоев.

— Для чего их используют?

— С этими пластинами, содержащими многослойные гетероэпитаксиальные пленки арсенида галлия (GaAs) с двумерным электронным газом и высокой подвижностью, мы выходим на торги и поставляем промышленности, которая из них изготавливает изделия для элементной базы СВЧ, радиофотоники, полупроводниковых лазеров, монолитных интегральных схем и т. д. Таким образом, институт выступает поставщиком полупроводниковых подложек для предприятий российской электроники.

Важно, что полупромышленное оборудование и технологии разработаны в Институте физики полупроводников СО РАН по заказам промышленных предприятий.

Кстати, мы в Сибири единственные, на кого трижды наложены санкции,— США, Канадой и Японией. По-видимому, они отслеживают, чем мы занимаемся.

«Это же невозможно!»

Выйти из полноэкранного режима

Развернуть на весь экран

— Как вы считаете, что в вашем институте самое главное, самое уникальное?

— На этот вопрос я отвечу не задумываясь — люди! Уникальные специалисты, замечательные и неповторимые. Оборудование или технологию можно купить, можно разработать и сделать самим. Идею тоже можно как-то развить. А вот люди, которые погружаются в эту проблему, всегда на вес золота. Ученые, с одной стороны, ранимые, переживающие за свои научные результаты люди, а с другой стороны, перед ними стоит серьезная проблема: есть установившаяся парадигма, к которой все привыкли и которую надо сломать. Когда ты нашел что-то новое, ты туда двигаешься, а тебе говорят: «Да ты что, этого же нельзя делать, это невозможно!»

— У вас такое было?

— Не раз! Могу привести пример: написали статью с идеей, которая была для нас очевидна и понятна, мы ее отправили в англоязычный журнал, а ее вернули! С комментарием: «Этого не может быть, потому что не может быть никогда». А речь шла об открытии нового эффекта, который нам все-таки удалось донести до сознания мирового сообщества. Кстати, эта работа нашего института сегодня одна из самых цитируемых.

— О чем идет речь?

— Это эффект электромиграции атомов на поверхности кремния. Если в вакууме взять прямоугольную пластинку кремния, приложить к торцам электрические контакты и начать нагревать прямым пропусканием постоянного тока, то оказывается, что атомы под действием тока мигрируют. О том, что они имеют заряд, никто не знал. И когда мы говорили, что на поверхности есть заряд, нам не верили.

Получив отказ в одном журнале, мы послали эту статью в самый топовый журнал того времени в этой области — Surface Science. Один рецензент разнес статью, сказал, что эффект обусловлен остаточной атмосферой в нашей сверхвысоковакуумной камере. Действительно, наша самодельная вакуумная камера, встроенная в колонну электронного микроскопа, конструкционно имела два отверстия для ввода и вывода электронного пучка. В институте был устаревший микроскоп еще на электронных лампах. Нам разрешили сверлить в нем дырки, для того чтобы поместить установку молекулярно-лучевой эпитаксии в колонну микроскопа. Если бы мне сейчас поставили такую задачу, я бы от нее отказался, сказал, что этого нельзя сделать. А тогда рискнули — решили не откачивать остаточные газы из вакуумной камеры, а все замораживать, используя жидкий азот. Даже жидким гелием пытались — работало, но сложность экспериментов увеличивалась десятикратно.

— А второй рецензент?

— Второй тоже не верил, но задал очень много дополнительных вопросов, и мы на них ответили. И он написал, что не верит в обнаруженный эффект, но авторы очень убедительно доказывают свою правоту: статью следует опубликовать. Первый рецензент согласился с мнением второго, что статью можно публиковать. Опубликовали.

Японские ученые в предельно высоком вакууме добросовестно повторили наши эксперименты. Один в один. Со ссылкой на нас. И у них все работало, значит, мы правы. А у физиков же как: если вы что-то открыли и написали, это не признается, пока в независимом эксперименте в другой лаборатории мира не получили то же самое. Потом все стали перепроверять свои работы с учетом открытого нами эффекта. А в это время мы выполнили несколько новых пионерских работ, результаты для которых были получены на переделанном электронном микроскопе. К нам приезжали работать на нем ученые Германии, Англии, Италии, Болгарии. Этот микроскоп — единственный в мире с такими уникальными характеристиками и возможностями. Он и сейчас у нас работает. В мире было три таких микроскопа, которые каждая команда переделывала сама.

Япония была первой, мы — вторыми, а третьими были французы. В Японии и Франции профессора ушли на пенсию, а микроскопы выкинули. Так у них принято.

— А вы не выкинули?

— Когда у нас были кооперативы, мы хотели такие микроскопы продавать совместно с производителями. Не пошло. Тут получилось так, что я поехал в Токийский технологический университет, где был переделанный микроскоп. Увидел, как все там работает. Понял, что у нас не так все плохо, как мы думали. И там оценили наш уровень. Я съездил на фирму «Джеол», которая производила электронные микроскопы, в том числе наш старый ламповый. Меня попросили прочитать лекцию для сотрудников. Рассказал, что мы делали. Они сидели, открыв рты, а когда я сказал, на каком микроскопе мы это сделали, не поверили. Ко мне подошел организатор лекции и переспросил еще раз: «На каком микроскопе получены эти результаты?» Когда я все объяснил, зал в 40–50 человек встал и долго аплодировал. С таким древним микроскопом такое сделали! Они были потрясены. После этого меня пригласили на встречу с гендиректором фирмы. Предложили остаться там на работу.

— Почему не остались?

— Я хотел вернуться, создать свою научную школу и работать здесь.

Телескоп для изучения микрокосмоса

— И у вас это получилось. Что представляет собой ваша научная школа, если не брать количество защищенных диссертаций?

— Как бы сформулировать… Понимаете, когда только начинаешь в науке, очень важно получить свои новые результаты, какой-то эффект, собственный. Зацепиться. Я стараюсь создать командную работу внутри коллектива, но очень внимательно отношусь к молодым ребятам. Иногда обнаруженный ими эффект совсем небольшой, но я его «раздуваю», хвалю — и человек начинает работать совершенно по-другому! Когда он по-настоящему войдет в тему, его уже не надо подгонять, а иногда надо и останавливать — например, чтобы защитил кандидатскую диссертацию или даже докторскую.

Что такое наша научная школа? Это затемненные комнаты, заставленные громоздким научным оборудованием, где есть электронный микроскоп, подсвечивающийся циферблатами, контрольными фотодиодами и большим светящимся «иллюминатором», в который сосредоточенно наблюдают молодые ученые, имя которым — микроскописты. Это будни наших молодых физиков, проникающих в самые сокровенные тайны кристалла. Внутри этой научной школы разработан и создан уникальный метод, который сегодня не имеет аналогов не только в России, но и в мире.

Этот метод, созданный на базе старого электронного микроскопа много лет назад, до сих пор восхищающего своими возможностями,— сверхвысоковакуумная отражательная электронная микроскопия. Благодаря высокому пространственному разрешению визуализации структурных процессов при высоких температурах и широким возможностям проведения экспериментов метод можно назвать своего рода телескопом для изучения реальных процессов в микрокосмосе.

Вот космос манит многих. Что там? А тут не макрокосмос, а микрокосмос внутри кристалла. Микроскописта, работающего этим методом, можно сравнить с космонавтом, который наблюдает с орбиты планеты за процессами, происходящими на ней.

— И что же он там видит?

— Мы не видим движение отдельного атома — слишком быстро он бегает, а видим результат изменения рельефа поверхности растущего кристалла из-за движения большого количества отдельных атомов. А главное, что микроскопист может всем этим управлять. Это таинство захватывает, увлекает, погружает в недра знаний о кристаллах. Вот такая живописная картина!

— Чувствуете себя немного богом?

— Наверное, не богом, но любой исследователь любит свой объект исследования. Если раз увидите — это захватывает навсегда. Когда мы микроскоп модернизировали, по одиннадцать статей в год выдавали! От ученого за два года одну статью требовали, а тут одиннадцать в год! За нами это закрепилось. Мы открыли много новых эффектов.

— Каких именно?

— В 2016 году отмечалось 65 лет создания теории роста эпитаксиальных структур — это классические теоретические работы, получившие название теории Бартена, Кабрера и Франка. Эти ученые работали независимо, но вместе заложили фундамент и создали блестящую теорию роста. В честь юбилея председатель международного научного совета по росту кристаллов, на тот момент японский профессор Уваха, написал обобщающую статью: «В начале ХХI века основное понимание роста кристаллов базировалось на теории БКФ. В настоящее время модернизированная 15 работами теория БКФ является современным фундаментом для изучения роста кристаллов». В числе этих 15 работ есть и моя, совместная с академиком Александром Асеевым, работа.

«Пришла налоговая и говорит: заплатите!»

Выйти из полноэкранного режима

Развернуть на весь экран

— Знаю, у вас девять патентов на изобретения. Расскажите о самых значимых.

— Могло быть много больше. Там тоже целая беда. Мы эти патенты оформляем, а оцениваем дешево, хотя, может, они и очень важны. А почему? Лет 15–20 назад рассматривалась возможность создать некое предприятие совместное с «Роснано». Мы переоценили некоторые наши патенты, а на следующий год пришла налоговая и говорит: «Заплатите налог на прибыль». А нам это не под силу.

— То есть невыгодно их дорого оценивать?

— Разорительно! Как правило, патент — это то, что может как-то использоваться. Вот с Дмитрием Щегловым, заместителем директора по развитию ИФП СО РАН, был отработан патент по литографии с помощью атомно-силовой микроскопии, когда можно иголочкой создавать разные нанообъекты электроники или нанофотоники на поверхности полупроводника. Мы его передали государству, а у Роспатента его выкупил «Самсунг». Их цель была простая: чтобы его нельзя было использовать кому-то еще. Они его тут же перезапатентовали во многих странах.

— По дешевке купили у вас и продают дорого…

— Увы! То же самое делает «Интел». Но не будем о грустном. Расскажу лучше о новых научных направлениях в институте. Сейчас наблюдается тенденция применения фотонных технологий в наноэлектронике. Всем хочется иметь элементную базу в виде крошечных компактных лазеров, фотоприемников, модуляторов, переключателей, фазовращателей и т. д.

— Зачем?

— Сейчас же проблема какая: научились делать очень быстрые процессоры, которые для увеличения скорости обработки информации объединяют в группы, а электрические линии, по которым сигнал приходит,— медленные. Поэтому появилась тенденция слияния наноэлектроники с твердотельной нанофотоникой. Фотон — сверхбыстрый, в отличие от «ленивого» электрона, который медленно двигается, хотя и летит с бешеной для себя скоростью. Но фотон-то двигается со скоростью света. Кроме того, у электрона масса есть, а у фотона — нет. Поэтому выигрыш существенный.

Институт разрабатывает элементную базу для этого. Например, чтобы такой лазер создать, надо вырастить больше тысячи эпитаксиальных слоев. Причем каждый слой должен быть определенной толщины и заданного химического состава. Если чуть сбился где-то, да еще дефект какой появился,— все, он уже не работает.

Полупроводниковые лазеры с вертикальным резонатором относятся к числу наиболее миниатюрных лазерных излучателей, разработанных к настоящему времени. Их характерные размеры — единицы микрометров. Важно, чтобы такой сверхминиатюрный лазер работал на заданной длине волны излучения. А это уже настоящая топовая технология. Их применение открывает перспективы существенно улучшить характеристики большого числа телекоммуникационных и навигационных устройств. Такие лазеры разработаны в группе главного научного сотрудника ИФП СО РАН Владимира Гайслера с целью замещения аналога производства США и в настоящее время переданы на апробирование индустриальным партнерам.

Следующая задача: сейчас у квантовой физики появился запрос на излучатели одиночных фотонов. Это теоретический предел фотоники, своего рода олимп оптоэлектроники, когда излучатель выстреливает ровно один фотон. Не серию фотонов, а строго по одному. Сейчас устройство, которое стреляет, у нас сделано.

«Квантовую механику не обманешь»

— Каким образом можно такую систему создать?

— Для этого надо было сначала создать изолированную квантовую систему, эффективно ее накачать, а потом еще без потерь собрать излучение, которое там будет работать. Задача архисложная. Но ее решили. Конечно, необходимо оптимизировать и доработать, чтобы сделать технологию. Я уже говорил: у нас нет необходимого технологического оборудования, нет «чистых» условий, где-то трещина, где-то пылинка попадает… Разработанные миниатюрные излучатели одиночных фотонов могут использоваться в системах квантовой коммуникации на базе криптографии, квантовых компьютеров и квантовой сенсорики, а также миниатюрных атомных стандартах частоты нового поколения.

— Это и есть основа для квантовой криптографии?

— Да, это самая защищенная связь на сегодняшний день. В однофотонных системах квантовой связи обеспечивается абсолютная защищенность информации, основанная на законах квантовой механики. А квантовую механику не обманешь. Но для систем квантовой связи нужны и детекторы фотонов. В лаборатории Валерия Преображенского разработан детектор одиночных фотонов на основе лавинного фотодиода, работающего в гейгеровском режиме счета. Фотоприемник показал хорошие характеристики, и сейчас решаем проблему корпусирования. Уже на этом этапе работы есть заказчик, готовый наладить внедрение в серийное производство. Эту тему курирует лично президент РАН академик Геннадий Красников.

Еще из недавних разработок. Очень важно иметь широкополосные СВЧ-диоды. В России такого нет. В лаборатории Константина Журавлева наладили производство мелких серий. Мы разработали структуру, передали на предприятие. В прошлом году передали 25 мощных фотодиодов разным организациям для создания модулей высокоэффективных изделий радиофотоники. В этой же лаборатории разработаны гетероструктуры с высокоподвижным двумерным электронным газом для малошумящих СВЧ-транзисторов со сверхмалым энергопотреблением. И таких примеров много.

— Для чего это важно?

— Для развития современной импортозамещающей элементной базы, а в целом — для технологического суверенитета России. Когда сейчас говорят про импортозамещение, то самое проблемное — микроэлектроника. Но сам факт, что мы такие задачи смогли выполнить, очень важен. Речь идет про импортозамещение изделий, которые очень нужны. Непростая задача. Но процесс идет. И я уверен — все у нас получится.

Беседу вела Наталия Лескова