Ученые Томского государственного университета сделали важный шаг в развитии отечественной фотоники и беспроводных технологий. Им удалось преодолеть ключевой недостаток одного из самых перспективных полупроводников – оксида галлия. Сотрудники Центра «Перспективные технологии в микроэлектронике» ТГУ создали ультрафиолетовый фотодетектор, быстродействие которого при определенном режиме работы выросло сразу на три порядка величины – более чем в 1 000 раз. Это открывает путь к созданию быстродействующих и защищенных систем передачи информации через атмосферу в ультрафиолетовом диапазоне. Результаты исследования представлены в журнале «Физика и техника полупроводников».
Озоновый слой в верхних слоях атмосферы Земли эффективно фильтрует ультрафиолетовое излучение Солнца в диапазоне длин волн 200–280 нанометров. Для физиков этот диапазон называется «солнечно-слепым». У поверхности нашей планеты естественный фоновый уровень такого излучения практически равен нулю, – поясняет один из авторов статьи, заведующий кафедрой полупроводниковой электроники радиофизического факультета ТГУ, старший научный сотрудник Центра «Перспективные технологии в микроэлектронике» (ПТМ) ТГУ Виктор Копьев. – Если создать датчик, чувствительный только к этой узкой полосе спектра, он не будет «слепнуть» на ярком cолнце и реагировать на обычный свет.
Любой зафиксированный этим датчиком сигнал гарантированно означает наличие искусственного источника, например, вспышки пламени, искрения высоковольтной линии или специального передатчика информации, такого как УФ-лазер.
Оксид галлия (Ga2O3) считается идеальным материалом для таких приборов. Он является термически и химически стабильным, не требует дорогостоящих оптических фильтров, а главное – производить его значительно проще и дешевле, чем другие широкозонные полупроводники.
Главным недостатком оксида галлия является низкое быстродействие – отклик на вспышку света и последующее восстановление прибора занимали от сотен миллисекунд до нескольких секунд. Для систем быстрой передачи данных это слишком долго. Исследователи ТГУ смогли решить эту техническую проблему. Они изучили свойства вертикальных фотодиодов Шоттки, где на подложку оксида галлия наносится слой платины. Из физики полупроводников известно: чтобы ускорить движение носителей заряда и повысить быстродействие прибора, на него нужно подать внешнее напряжение. Однако эксперименты радиофизиков ТГУ привели к неожиданному результату.
Выяснилось, что наивысшую скорость прибор демонстрирует вообще без внешнего напряжения (при так называемом нулевом смещении), – рассказывает Виктор Копьев. – За счет собственного встроенного электрического поля, возникающего на границе платины и оксида галлия, фотодетектор срабатывает и полностью восстанавливается за микросекунды – 4,4 микросекунды на отклик и 1,4 микросекунды на релаксацию.
Наблюдаемый эффект связан с тем, что приложенное напряжение распределяется не только в области пространственного заряда (ОПЗ) барьера Шоттки, но и в объеме подложки. В результате возникает фототок, который образуется как за счет фотодиодного механизма генерации и разделения носителей заряда в ОПЗ, так и благодаря фоторезистивному эффекту, что замедляет работу прибора.
Как отмечают исследователи ТГУ, главное практическое применение разработанных ими микросекундных УФ-детекторов – высокоскоростная защищенная связь в атмосфере. Передатчик кодирует данные в виде микросекундных импульсов ультрафиолетового света, а фотодиод на оксиде галлия мгновенно их считывает. В отличие от привычных радиоволн, предложенное решение способно работать в условиях сильных электромагнитных помех. Кроме этого, УФ-излучение эффективно рассеивается в атмосфере, поэтому возможно построение линии связи вне прямой видимости. При этом система работает идеально даже в самый ясный солнечный день.
Новая технология будет востребована для решения разных задач, например, скрытой связи между беспилотниками, роботами или автомобилями в условиях радиопомех. Наряду с этим результат исследований радиофизиков ТГУ позволит обеспечивать мгновенное детектирование пробоев высоковольтных линий и возгораний на объектах нефтегазового комплекса.
Отметим, благодаря тому, что подложки оксида галлия подходят для массового промышленного производства, разработка ученых ТГУ имеет высокий потенциал для импортозамещения и быстрого внедрения в реальный сектор экономики.
Центр «Перспективные технологии в микроэлектронике» ТГУ имеет лидирующие позиции в создании сенсоров и детекторов для разных областей – от установок класса мегасайенс до медицинского и промышленного оборудования. На базе центра созданы детекторы, которые установлены на Большом адронном коллайдере, крупнейших исследовательских установках в Германии, Японии и других странах. Ученые центра совместно с коллегами из ИЯФ СО РАН разработали и произвели первый детектор для самого современного источника синхротронного излучения класса 4+ СКИФ, который сейчас строится под Новосибирском.
В 2026 году ТГУ в рамках пилотного проекта по трансформации системы высшего образования запустил новую образовательную программу на стыке радиофизики, материаловедения и ИТ. Университет готовит специалистов, необходимых для развития отечественной электроники. Именно она является ключом к технологическому суверенитету, поскольку собственные решения снижают зависимость от импорта, усиливают безопасность и надежность критической инфраструктуры. Среди промышленных партнеров новой программы ТГУ – ведущие организации, занимающиеся разработкой и производством полупроводников и сенсоров.
Фото пресс-службы ТГУ
Источник: Минобрнауки России
