Основа цифровой электроники — бистабильные, то есть имеющие два стабильных состояния, элементы.

Аэростаты для Венеры

На Венере температура и давление в среднем 462°C и 92 атм. В таких условиях выживание аппаратуры становится главной проблемой. Пока для аппаратов, которые садились на Венеру, рекорд — 127 минут (аппарат «Венера-13», 1982 год). Разумеется, ведутся работы по созданию высокотемпературной техники и, в частности, электроники не на кремнии, а на карбиде кремния (SiC). Разработка такой техники — весьма интересная область и сама по себе, и потому, что она переплетена с продвижением в обычной электронике. Однако удобнее было работать технике, которую доставили на Венеру аппараты «Вега-1» и «Вега-2» (1985 год). Эта аппаратура находилась на аэростатных зондах, плавала в атмосфере на высотах 50—55 км и проработала 46 часов, после чего и началась активная разработка подобных проектов.

Исследователи из НПО Лавочкина (г. Химки) опубликовали аналитический обзор таких проектов, и вот их выводы. Условия в атмосфере сильно меняются с высотой, поэтому проекты надо сравнивать, разделив их на группы, относящиеся к разным высотам. Наиболее интересен диапазон 48—65 км, где вода может быть жидкостью и можно надеяться обнаружить жизнь. Для таких и бoльших высот рассматривается тонкий и мягкий баллон с гелием. Для плавания на высотах 65—85 км с полезной нагрузкой 9 кг диапазон параметров таков: вес баллона 0,5—10 кг, диаметр 5—22 м. Альтернативное решение — баллон фиксированного объёма и избыточного давления — было успешно испытано как раз на аппаратах «Вега-1» и «Вега-2». Газ — гелий, общая масса около 21 кг, включая гондолу с аппаратурой массой 6,7 кг. Возможны варианты с регулированием объёма или количества газа в баллоне избыточного давления, а также с нагревом газа и переходами жидкости в газ и обратно. Все варианты работоспособны, они универсальнее, но сложнее в реализации. Рассмотрены проекты аэростатов с движителем, проекты для полётов на малых высотах, а также проекты аэростата для всплытия со «взлётной ракетой» для доставки образцов из атмосферы и почвы на Землю.

Седых О. Ю. и др. Аналитический обзор разработок аэростатических зондов для Венеры. Космическая техника и технологии, 2024, № 2(45), с. 37.

Бериллий для нитрида алюминия

Для создания оптоэлектроники нужен материал, из которого можно получать монокристаллические подложки диаметром не менее 2 дюймов, прозрачный в желаемом диапазоне частот и допускающий легирование и n-типа, и p-типа. Естественно, хочется иметь такие материалы для возможно более широкого диапазона частот. Перспективными для применения в ультрафиолете, а также в качестве материала высокочастотных и силовых приборов являются полупроводники семейства нитридов третьей группы Периодической таблицы (InN, GaN, AlN) и их твёрдые растворы (AlGaN, InGaN). Например, сильная сторона нитрида алюминия AlN — широкая запрещённая зона 6,1 эВ, из него получают монокристаллические подложки диаметром даже 4 дюйма. Естественные примеси (Si, O) в нём создают проводимость n-типа, которую можно регулировать, однако с проводимостью p-типа дело обстоит сложнее. Ситуация похожа на ситуацию с GaN, который нашёл себе применение только после того, как была подобрана p-примесь (Mg) и технология её введения. Для AlN использование магния в качестве примеси не подходит, в том числе и потому, что из-за разницы в размере иона его растворимость в AlN мала.

Исследователи из ФТИ им. А. Ф. Иоффе РАН (Санкт-Петербург) решили попробовать легировать AlN бериллием — атомные радиусы Be и Al отличаются лишь на 5,5%. Они измерили коэффициент диффузии при 1700—2100°C и продолжительности отжига 0,5—10 ч, который оказался равен 10^-7—10^-6 см²/с. В отличие от выполненных ранее работ авторы применили для легирования высокотемпературную диффузию при 1700—1800°C. Получается, что введение бериллия этим методом действительно создаёт центры для реализации проводимости p-типа и не уменьшает прозрачность AlN.

Мохов Е. Н. и др. Высокотемпературная диффузия бериллия в AlN как направление решения проблемы легирования p-типа и снижения интенсивности оптического поглощения. ФТТ, 2025, вып. 6, с. 940.

Переключатель из диоксида ванадия

Основа цифровой электроники — бистабильные, то есть имеющие два стабильных состояния, элементы. Классическое решение — реле или схемы на электронных лампах и транзисторах, у которых два устойчивых состояния. Другой путь — использовать вещества, имеющие два устойчивых состояния, например, совершающие обратимый фазовый переход. Перспективный материал — диоксид ванадия VO₂ со сверхбыстрым (до 26 фс), обратимым фазовым переходом полупроводник–металл. Переход происходит при 68°C, при этом проводимость изменяется в 10³ раз. Тонкие поликристаллические плёнки VO₂ технологичны и дёшевы, но при фазовом переходе постоянная решётки (размер её элементарных ячеек) изменяется на 1%, в плёнке возникают механические напряжения, образуются трещины. Нанокристаллы VO₂ переносят многократные переключения, но технология плёнок из таких кристаллов разработана плохо. И неизвестно, как будут работать в таком режиме одиночные нанокристаллы.

Вольт-амперная характеристика сплошной поликристаллической плёнки VO₂ и массива нанокристаллов VO₂ с 40% заполнения кристаллами поверхности подложки. Вертикальная стрелка показывает величину скачка тока при переключении. Рисунок из реферируемой статьи.

Исследователи из Института физики полупроводников им. А. В. Ржанова СО РАН, Новосибирского государственного университета и Института неорганической химии им. А. В. Николаева СО РАН (г. Новосибирск) разработали технологию плёнок из нанокристаллов VO₂ и изучили их свойства. Оказалось, что пороговая мощность на одно резистивное переключение (то есть управляемое напряжением или током изменение сопротивления материала) снижается при переходе от сплошной плёнки VO2 к массиву нанокристаллов в 20 раз и достигает 50 мкВт. Затрачиваемая на переключение мощность в нанокристаллах на 4—5 порядков меньше, чем в сплошных плёнках за счёт снижения отвода джоулева тепла при переключениях. Параметры переключения стабильны при 1010 переключениях (для испытания при многократных переключениях были измерены электрические характеристики в импульсном режиме — при треугольном сигнале частотой 100 кГц).

Капогузов К. Е. и др. Энергоэффективные и стабильные резистивные переключения в нанокристаллах диоксида ванадия. ФТП, 2025, вып. 3, с. 123.

№12, 2025