Физики Томского госуниверситета преодолели ключевой недостаток оксида галлия. Специалисты создали ультрафиолетовый фотодетектор, быстродействие которого выросло более чем в 1000 раз. Это открывает путь к быстрым и защищенным системам передачи данных через атмосферу, сообщает пресс-служба вуза.
Сотрудники Центра «Перспективные технологии в микроэлектронике» ТГУ работали с оксидом галлия (Ga₂O₃). Этот материал считается идеальным для таких приборов: он термически и химически стабилен, не требует дорогих оптических фильтров, а его производство проще и дешевле, чем у других широкозонных полупроводников. Однако у него был серьезный минус — 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 изучили свойства вертикальных фотодиодов Шоттки, где на подложку оксида галлия наносится слой платины. Обычно для ускорения движения носителей заряда на прибор подают внешнее напряжение, но эксперименты радиофизиков ТГУ привели к неожиданному результату.
«Выяснилось, что наивысшую скорость прибор демонстрирует вообще без внешнего напряжения (при так называемом нулевом смещении). 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», — рассказал один из авторов статьи, заведующий кафедрой полупроводниковой электроники радиофизического факультета ТГУ, старший научный сотрудник Центра «Перспективные технологии в микроэлектронике» (ПТМ) ТГУ Виктор Копьев.
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.
«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. Если создать датчик, чувствительный только к этой узкой полосе спектра, он не будет «слепнуть» на ярком солнце и реагировать на обычный свет», — пояснил ученый.
Любой зафиксированный этим датчиком сигнал гарантированно означает наличие искусственного источника, например, вспышки пламени, искрения высоковольтной линии или специального передатчика информации, такого как ультрафиолетовый лазер.
Как отмечают исследователи ТГУ, главное практическое применение разработанных ими микросекундных ультрафиолетовых 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, ультрафиолетовое 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.
