Радиофизики ТГУ в тысячу раз ускорили работу солнечно-слепого УФ-приемника

Радиофизики Томского государственного университета (ТГУ) разработали ультрафиолетовый фотодетектор на основе оксида галлия, который в определенном режиме работы оказался более чем в тысячу раз быстрее аналогичных устройств. Вместо сотен миллисекунд или нескольких секунд прибор реагирует на излучение и восстанавливается за микросекунды. Это открывает путь к созданию быстродействующих и защищенных систем передачи информации через атмосферу в ультрафиолетовом диапазоне.

Солнечно-слепой диапазон ультрафиолета охватывает длины волн от 200 до 280 нанометров. Озоновый слой практически полностью блокирует такое солнечное излучение, поэтому у поверхности Земли его естественный фон близок к нулю.

«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», — пояснил один из авторов разработки, заведующий кафедрой полупроводниковой электроники радиофизического факультета ТГУ, старший научный сотрудник Центра «Перспективные технологии в микроэлектронике» ТГУ Виктор Копьев.



Такие приемники могут использоваться для обнаружения пламени, искрения на высоковольтных линиях или работы специальных передатчиков, например УФ-лазеров. Одним из перспективных материалов для подобных устройств считается оксид галлия Ga₂O₃. Он отличается высокой термической и химической стабильностью, а его производство проще и дешевле, чем многих других широкозонных полупроводников. Однако у оксида галлия есть серьезный недостаток — низкое быстродействие. Отклик на вспышку света и последующее восстановление прибора занимает 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. 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 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.

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.

Источник: Официальный ресурс Министерства образования и науки Российской Федерации