4.2 Факультет Полупроводниковых материалов и приборов(пмп)

Предисловие : Предлагаемая ниже статья написана реальными основателями факультета ПМП, просуществовавшего в МИСИС до 2006г,т.е 44года, и сохраняющего свой учебно-методический и научный потенциал в составе Института Новых Материалов и Нанотехнологий. Время написания статьи-ориентировочно 1997-1998г. К сожалению авторы ушли из жизни и многие реорганизационные события позднейшего времени не отражены в статье.

С.С. Горелик, А.А. Блистанов, В.В. Крапухин

В 1962 г. в МИСиС был создан единственный в стране факультет полупроводниковых материа­лов и приборов (ПМП). Разнообразие физических эффектов, используемых в электронной технике, непрерывно расширяет номенклатуру материалов, уже­сточает прецизионные требования к их составу и структуре. Высокая чув­ствительность функциональных свойств полупроводниковых матери­алов к структурным дефектам тре­бует глубокого понимания их пове­дения, усложняющегося по мере дальнейшей миниатюризации ком­понентов твердотельной электрони­ки.

Принципиальная особенность по­лупроводниковой электроники со­стоит в том, что производство мате­риалов и создаваемых на их основе приборов и схем все больше слива­ется в единый технологический про­цесс.

В отличие от металловедения, ко­торое как научная дисциплина фор­мировалось в течение длительного времени полупроводни­ковая электроника зародилась только в конце 40-х годов XX века как результат достижений в области теоретической и экспериментальной физики и ме­таллургии высоко чистых монокристаллов ,

До создания факультета ПМП инженеров-иссле­дователей в области физического металловедения и физико-химических основ металлургии с хорошими теоретическими знаниями готовили на физико-хи­мическом факультете Института стали и ряде подразделений Института цветных металлов и золота. Под руководством проф. Н.Н. Мурача в 1956 г. были начаты исследования поликристаллического кремния. В том же году в МИЦМиЗ была создана и хорошо оснащена проблемная лаборатория чистых металлов и полупроводников. Заведующим лабораторией был доцент В.В. Крапухин, научными руководителями - профессора Н.Н. Мурач и Н.Н. Сирота.

В 1959 г. началась подготовка дипломников из числа студентов старших курсов МИЦМиЗ, впоследствии ставших крупными специалистами в области технологии полупроводниковых материалов.

Основное ядро коллектива, которому была поручена организация нового факультета ПМП, составляли член-корр. АН СССР А.И. Беляев, заведовавший кафедрой легких металлов на факультете МЦМ, С.С. Горелик, ранее работавший на кафедре рентгенографии и физики металлов — первый декан факультета ПМП, профессора В.В. Крапухин, А.Н. Крестовников — крупный специалист в области термодинамики , заведовавший кафедрой физической химии MИЦМиЗ, А.П. Любимов, возглавлявший кафедру физики факультета ФХ , М.П. Шаскольская, доцент кафедры физики, до этого много лет работавшая в Институте кристаллографии АН СССР.

К организации факультета ПМП были также приглашены из других организаций Москвы специалисты в области полупроводниковой электроники: П.С. Киреев, Я.А. Федотов, М.М. Самохвалов, Г.А.Кубецкий, Ю.М. Попов, А.П. Ландсман, Л.А. Петров, Ю.С. Акимов.

К началу учебных занятий (1 октября 1962 г.) на факультете ПМП уже работали следующие профилирующие кафедры":

1. производства чистых металлов и полупроводни­ковых материалов (зав. кафедрой А.И. Беляев); 2) физико-химических исследований процессов полу­чения полупроводников (А.Н. Крестовников); 3) кри­сталлографии (М.П. Шаскольская); 4) эксперимен­тальной физики и физики твердого тела (ЭФиФТТ) (А.П. Любимов); 5) физики полупроводников (ФПП) (П.С. Киреев); 6) материаловедения полупроводников (МПП) (М.М. Самохвалов, с 1964 г. С.С.Горелик); 7) полупроводниковых приборов (ПП) (Я.А. Федотов); 8) проблемная ла­боратория (А.В. Ванюков). Инженеров электронной техники готовили по трем специальностям: технология материалов электронной техники(группыМЭТ), полупроводники и диэлектрики(группы ДИЭП, позже ПД), полупроводниковые приборы(ПП). В учебные планы были включены курсы физической химии, кристаллографии, квантовой и статистической физики, физики полупровод­ников, материаловедения полупроводников, технологии полупроводниковых материалов, физики и технологии полупроводниковых приборов.

" В 1970 г. кафедры 1 и 2 были объединены в кафедру "Физическая химия и технология полупроводниковых материалов зав. кафедрой проф. В.В. Крапухин, а с 1985 г. — проф.Л.М. Летюк. В 1969 г. кафедра 4 была объединена с кафедрой кристаллографии; с 1982 г. зав. кафедрой — проф. А.А. Блистанов. В 1968 г. кафедра 5 вошла в состав кафедры "Полупроводниковые приборы" с общим названием кафедра "Физика полупроводников и полупроводниковой электроники"; зав кафедрой — проф. С.А. Медведев, а с 1977 г. — проф.Е.А. Ладыгин.

Научные школы и направления исследований ка­федры формировали по-разному. На кафедрах, перешедших из МИЦМиЗ, в основном продолжались исследования в уже сложившихся направлениях. На остальных кафедрах в первые годы исследования охватили большое число конкретных проблем электронной техники. Это позволило специалистам в области металлов и сплавов быстро освоить особенности материалов и устройств электронной техники, явлений и процессов, протекающих в них, создать лекционные курсы, опирающиеся не только на литературные данные, но и на собственные экспериментальные результаты. Большую помощь в оснащении кафедр и лабораторий факультета оказали ведущие НИИ электронной промышленности Москвы. Массовое вовлечение студентов и аспирантов в научно-исследовательскую работу привело к тому, что число аспирантов на факультете уже в 1963 г. превысило 100 человек.

На основе оригинальных курсов лекций и лабораторных практикумов, были написаны новые учебники по специальным дисциплинам и монографии [1— 13] как правило, не имеющие аналогов в мировой литературе. По этим учебникам готовили специалистов электронной техники во многих вузах страны, Важную роль в формировании материаловедческой направленности при подготовке инженеров электронной техники сыграли созданный С.С. Гореликом совместно с М.Я. Дашевским курс "Материаловедение полупроводников и диэлектриков" и напи­санный ими учебник того же названия. В нем отра­жены физико-химические отличия полупроводников и диэлектриков от металлов: показаны влияния ха­рактера химических связей на структуру и свойства полупроводников и диэлектриков, особенности поведения в них при­месей и структурных дефектов, их электрическая активность.

Уже через несколько лет после со­здания факультета многие его пре­подаватели защитили докторские дис­сертации и получили звания профес­соров. Среди них П.С. Киреев, Я.А. Федотов, М.П. Шаскольская, В.В. Крапухин, Ю.Д. Чистяков, А.А. Блистанов, В.Т. Бублик, А.А. Галаев, М.Я. Дашевский, Л.М. Летюк.

Научная школа кафедры "Материаловедение по­лупроводников" сложилась под руководством проф. С.С. Горелика и при активном участии его учеников и ближайших сотрудников — В.Т. Бублика, А.А. Галаева, М.Я. Дашевского, Л.М. Летюка, каждый из которых со временем создал и возглавил свои на­правления в рамках этой школы.

Научная деятельность на кафедре велась в следу­ющих направлениях:

изучение механизма фазовых и структурных пре­вращений в важнейших полупроводниковых матери­алах и компонентах схем на разных стадиях их полу­чения;

исследование роли в этих превращениях структур­ных дефектов, прежде всего точечных (с учетом их особенностей в полупроводниковых материалах), и упругих напряжений в тонкопленочных композици­ях; разработка на этой базе принципиальных основ новых технологий получения материалов и компо­нентов с улучшенными рабочими характеристиками и технико-экономическими показателями.

Под руководством Е.А. Ладыгина развивалось научное направление "Физика и технология лучевых процес­сов микро и оптоэлектроники". Лучевые процессы, основанные на использовании высокоэнергетичных частиц (электронов, протонов и др.), ускоренных ионов, лазерных и фотонных пуч­ков, универсальны и эффективны в различных типах микроэлектронных структур на основе как простых , так и сложных полупроводников.

Использование процессов, прин­ципиально отличающихся от равно­весных, потребовало создания слож­ной экспериментальной и аналити­ческой базы. За короткий срок на кафедре были созданы новые лаборатории: быстрых электронов на базе линейного ускорителя ЭЛУ-6 (энергия электронов 6 МэВ), ионной имплантации на базе ускорителя НУЕ-350 (любые типы изотопно чистых ионов с энергией до 350 кэВ), гамма-обработки на базе установки МPX-Y-ЗО (энергия квантов 1,25 МэВ), электронной литографии, лазерной и фотонной обработки.

Коллектив кафедры разработал основы "радиационного" материаловедения различных полупроводнико­вых материалов и неоднородных структур, изучая кинетику накопления, физическую природу, энергетический спектр, рекомбинационные и фотоэлектрические параметры, термостабильность и другие характеристики глубоких центров для нескольких сотен полупроводниковых структур. На этой основе разработаны конкретные лучевые процессы, с применением которых отечественной промышленностью изготовлено не­сколько миллиардов приборов и микросхем.

При подготовке специалистов по технологии материалов твердотель­ной электроники фундаментальный характер в значительной степени сло­жился благодаря физико-химическим разработкам А.Н. Крестовникова. Учебники и несколько томов спра­вочника термодинамических свойств металлов, полупроводников и их со­единений, подготовленные АН. Крестовниковым, широко используют­ся в научных работах его учеников. Выделим наиболее важные науч­ные направления.

Очистка веществ методом хими­ческих транспортных реакций (ХТР). А.И. Беляев, Л.А. Фирсанова, С.А. Ершова изучали химический меха­низм реакций переноса, термодина­мику процесса на примере элемен­тов III и IV групп периодической таб­лицы Д.И. Менделеева. Предложена классификация процессов ХТР. Техно­логия получения высокочистого алюминия внедрена на Волховском алюминиевом заводе. Результаты ис­следований нашли широкое применение при разра­ботке процессов парофазной эпитаксии соединений AⁿⁱB^v при освоении технологии микроэлектроники.

Получение высокочистых веществ по "хлоридной" технологии. В.В. Крапухин, И.А. Соколов, В.Н. Чер­няев с сотрудниками изучали термодинамику и ки­нетику процессов глубокой очистки веществ ректи­фикацией и восстановление элементов из их соединений водородом. Исследования равновесия жидкость — пар , кине­тики процессов в колонных массообменных аппара­тах, термодинамики многоступенчатых процессов во­дородного восстановления элементов и их кинетики на базе термодинамики необратимых процессов обобщены в нескольких учебниках [5,6]. Разработка основ процесса эпитак­сии. В период становления техноло­гий микроэлектроники Ю.Д. Чистя­ков с сотрудниками предложил гипо­тезу механизма формирования эпитаксиального слоя через жидкую фазу, образующуюся на подложке вследствие взаимодействия оксидов примесей и основного материала. Термодинамичес­кие расчеты и ряд оригинальных экс­периментов подтвердили справедливость гипотезы в определенных случаях эпитаксии

. Фун­даментальные исследования этих процессов позво­лили установить механизмы процессов роста, влия­ние параметров процесса на свойства композиций, создать математические модели процессов. Получен­ные изопериодные гетерокомпозиции использованы для создания приборов с высокой обнаружительной способностью и высоким отношением сигнал/шум.

Л.В. Кожитов с сотрудниками исследовали физико-хи­мические основы процесса жидкофазной эпитаксии кремния. Данные о растворимости, вязкости, элект­ропроводности, плотности, диффузии в расплавах кремний — легирующий элемент — металл — ра­створитель, смачивании раствором — расплавом крем­ниевой подложки легли в основу разработанной тех­нологии. Низкие температуры процесса, высокая чи­стота и однородность по составу эпитаксиальных слоев выгодно отличают ее от парофазной эпитаксии с хи­мическим осаждением. Для реализации процесса в промышленности создана высокопроизводительная ус­тановка, получены авторские свидетельства.

В создании эффективных "термо-электрических" преобразовавателей уча-ствовал ряд кафедр. На кафедре ФХиТПП Ю.Г.Полистанский, с сотрудниками изучали условия синтеза соединений, их легирование различными элементами, кристаллизацию из жидкой и паровой фаз. Разработанная технология миниатюрных преобразователей позволила организовать серийный их выпуск в МИСиС и на других предприятиях. Годы, прошедшие со дня образования факультета ПМП, полностью подтвердили правильность выбора профиля выпускаемых специалистов. Они отличаются от выпускников других вузов, готовящих специалистов электронной техники, углубленной материаловедческой подготовкой. Это отвечает требованиям и тенденциям развития этой передовой отрасли техники.