Регистрация ультрафиолетового излучения необходима для исследования космоса, а также решения критически важных задач в области энергетики и промышленной безопасности. Однако большинство современных датчиков легко выводятся из строя внешними воздействиями. Молодой учёный Томского государственного университета Дмитрий Алмаев в рамках стартап-проекта создает «солнечно-слепой» УФ-фотоприемник нового поколения на основе оксида галлия. Устройство сможет работать в самых жестких условиях – от раскаленных ракетных двигателей до Арктики.
– «Солнечно-слепой» диапазон ультрафиолетового спектра – это излучение с длиной волны от 200 до 280 нанометров. Излучение этой части спектра практически полностью поглощается озоновым слоем Земли, поэтому у поверхности планеты его естественный фоновый уровень равен нулю, – объясняет руководитель проекта, младший научный сотрудник Центра «Перспективные технологии в микроэлектронике» (ПТМ) ТГУ Дмитрий Алмаев. – Если прибор фиксирует сигнал в этом диапазоне, это гарантированно означает наличие искусственного или опасного источника – например, открытого пламени, электрической дуги или факела ракетного двигателя.
Такие датчики от природы не реагируют на солнечный свет, что полностью исключает ложные срабатывания. В качестве альтернативы привычному кремнию (Si) и нитриду галлия-алюминия (AlGaN) ученые ТГУ используют моноклинный оксид галлия (β-Ga2O3).
Главное преимущество этого полупроводника – ультраширокая запрещённая зона (4,7–4,9 эВ). Простыми словами, благодаря особенностям кристалла материал физически реагирует только на высокоэнергетические УФ-кванты и абсолютно «не видит» обычный видимый свет. Это позволяет отказаться от использования сложных и дорогих оптических фильтров, без которых традиционные кремниевые датчики «слепнут» на Солнце. Кроме того, оксид галлия сохраняет химическую и термическую стабильность в широком диапазоне температур и в условиях радиации.
– Главной проблемой оксида галлия долгое время оставалась высокая инерционность: датчики на его основе реагировали на появление УФ-света слишком медленно, – говорит Дмитрий Алмаев. – Мы планируем решить эту проблему за счет комбинации физики широкозонных полупроводников и классической схемотехники.
Согласно техзаданию, готовое устройство будет компактной печатной платой, на которой размещены: кристалл оксида галлия на прозрачной подложке из оксида алюминия, усилитель, компаратор, стабилизаторы питания. Все технологические этапы изготовления фоточувствительного элемента выполняются на базе Центра ПТМ ТГУ, что локализует производство и существенно снижает затраты на реализацию прибора. Цена готового изделия может быть уменьшена до 300 процентов по сравнению с зарубежными аналогами.
Сфера применения нового фотоприемника охватывает сразу несколько высокотехнологичных отраслей. Для предприятий нефтегазового сектора это возможность безаварийного контроля факельных установок и мгновенного обнаружения пожаров без риска ложных тревог от солнца. В аэрокосмической отрасли прибор поможет контролировать горение топлива при испытаниях ракетных двигателей, работать в системах астронавигации и мониторинга озонового слоя.
– Наряду с этим новый тип «солнечно-слепых» УФ-датчиков перспективен для создания систем защищённой оптической связи, где сигнал невозможно перехватить и заглушить стандартными средствами создания электромагнитных помех, – добавляет автор проекта. – В медицине этот инструмент обеспечит точный контроль интенсивности в аппаратах ультрафиолетовой терапии и диагностику биологических тканей.
Добавим, что в настоящее время на российском рынке отсутствуют готовые коммерческие фотоприемники на основе оксида галлия. Запуск отечественного производства позволит закрыть потребности оборонно-промышленного комплекса, космонавтики и тяжелой промышленности, обеспечив полную независимость от зарубежных компонентов.
Фото пресс-службы ТГУ.
