До единичных фотонов -

27 января 2023

Премию Национальной академии наук Беларуси 2022 года в области физико-математических наук за цикл работ «Разработка и исследование высокочувствительных фотоприемных устройств на основе кремния» получили специалисты филиала НТЦ «Белмикросистемы» – главный конструктор направления опто- и фотоэлектроники Владимир Цымбал и заместитель начальника отдела ТО-1 Алла Лемешевская. Узнали у них подробности этого перспективного проекта.

Специфика и сфера применения

«Интеграл» уже довольно давно разрабатывает изделия опто- и фотоэлектроники: pin-фотодиоды и линейки на их основе, квадрантные и лавинные фотодиоды, ПЗС матрицы и т.п. Эти изделия широко используются в разных областях, где есть потребность в регистрации различных оптических излучений: в медицине, биологии, атомной физике, а также в изделиях специального назначения, – вводит в курс дела Владимир Сергеевич. – Более пяти лет назад возникла идея разработать конструкцию и технологию изготовления так называемых кремниевых фотоумножителей (SiФЭУ). Это приборы, которые позволяют регистрировать очень слабые оптические излучения, вплоть до единичных фотонов. Для сравнения: коэффициент усиления в лавинном фотодиоде, который разработали ранее – порядка 100, а в кремниевых фотоумножителях – от сотен тысяч до 1,5-2 миллионов».

Высокочувствительные фотоприемные устройства на основе кремния являются отличной альтернативой вакуумным фотоэлектронным умножителям (ФЭУ), у которых есть ряд «слабых мест»: большие габариты – несколько кубических дециметров, высокое напряжение питания – около 1 000 В, невозможность использовать их в магнитных полях. Кремниевые фотоумножители при сравнимой чувствительности к слабым излучениям с вакуумными ФЭУ имеют ряд преимуществ: малые габариты и массу (объем корпусированного прибора составляет доли кубического сантиметра, при использовании поверхностного монтажа – еще меньше), низкие питающие напряжения (около 30-50 В). А главное преимущество – эти приборы нечувствительны к магнитным полям», – поясняет Алла Михайловна.

Какова сфера применения кремниевых фотоумножителей? Специалисты «Белмикросистем» перечисляют: научные исследования, в частности, в области физики, биологии. В медицине эти изделия применяются в позитронно-эмиссионных томографах, что позволяет значительно уменьшить дозу облучения. Важнейшее направление для кремниевых ФЭУ, а также для новых, разработанных в 2022 году 16-ти пиксельных линеек лавинных фотодиодов, – использование в ЛИДАРах. «Интеграл» сотрудничает с унитарным предприятием «НТЦ «ЛЭМТ», которое сейчас изготавливает лазерные дальномеры на базе наших лавинных фотодиодов и ведет разработку ЛИДАРа на них.

Командная работа, долгосрочный проект

Третьим лауреатом премии в составе коллектива авторов стала заместитель заведующего лабораторией фотоэлектроники ГНПО «Оптика, оптоэлектроника и лазерная техника» Виктория Малютина-Бронская. Именно эта организация выполнила разработку методик измерений фотоэлектрических параметров кремниевых фотоумножителей и провела нестандартные измерения и исследования.

Сотрудники «Интеграла» в свою очередь разработали конструкцию и технологию изготовления кремниевых фотоумножителей, технологическую документацию, сделали и исследовали опытные образцы приборов. «Это командная работа, в которой было задействовано много людей, – подчеркивает А. Лемешевская. – Например, инженер I категории Александр Смирнов занимался приборно-технологическим моделированием, ведущий конструктор отделения «Т» филиала НТЦ «Белмикросистемы» Виталий Зайцев разрабатывал и вносил изменения в топологию. Мы использовали техрешения на базе ранее разработанных интеграловских технологий».

«Теперь основная задача – наладить выпуск изделий в серийном производстве, – подытоживает В. Цымбал. – Спрос на кремниевые фотоумножители немалый, также востребованы схемы обработки сигналов с выхода кремниевых умножителей».