В России разработали отечественные кремниевые лавинные фотодиоды — датчики, передающие изображение с разрешением 500 на 700 пикселей. Они основаны на современной кремниевой планарной технологии, позволяющей производить их по низкой цене и обеспечить массовое внедрение. Разработку и испытания ведут специалисты Центрального научно-исследовательского института «Электрон» (Санкт-Петербург).

Современный лавинный фотодиод представляет собой полупроводниковый фотоприемник, выполненный по правилам и нормам нанометровой планарной кремниевой технологии. Это твердотельный элемент фотоники, интегрированный в сверхбольшую (до 1 млн элементов в кристалле) интегральную схему, рассматриваемый как аналог вакуумного фотоэлектронного умножителя.

Что это за технология? В отличие от обычных фотодиодов, лавинные фотодиоды способны усиливать фототок генерируемых неравновесных носителей. Принцип их работы заключается в преобразовании света в электрический сигнал и его последующем лавинном умножении — управляемом увеличении количества зарегистрированных фотоэлектронов. Это позволяет регистрировать малые световые мощности (менее 1 нВт), недоступные для других полупроводниковых фотоприемников. Планарная технология изготовления подразумевает создание структур на поверхности кремниевой подложки с использованием методов фотолитографии, что обеспечивает высокую воспроизводимость и низкую себестоимость массового производства. Создание подобных структур является путем достижения фоточувствительной электронной компонентной базы с большой радиационной стойкостью и способностью работать при высоких температурах.

Где их используют? Лавинные фотодиоды применяются там, где необходимо обнаруживать слабые источники света, движущиеся с высокой скоростью. Матричные фотодиоды с успехом используются в современных научных и измерительных приборах, лазерных дальномерах, лидарах (системах лазерного сканирования и построения трехмерных карт пространства), космической, медицинской и специальной технике. В частности, лидары, которые интегрируются в автомобили и средства сближения для измерения дистанции в режиме реального времени, основаны именно на кремниевых структурах. Фотодиоды также применяются для обнаружения следов свечения элементарных частиц в оптических материалах, свечения в микробиологических объектах, а также для регистрации сигналов в оптоволоконной связи.

Новая российская разработка базируется на современной кремниевой планарной технологии, что позволяет производить конечный продукт по выгодным ценам. Сегодня на рынке представлены импортные компоненты — цена некоторых кремниевых лавинных фотодиодов зарубежного производства может начинаться от 54 рублей за штуку при крупных оптовых партиях. Но сложные специализированные модули иностранного производства могут стоить от 11000 рублей. Разработка в России собственной планарной технологии призвана обеспечить конкурентоспособную цену для массового рынка лидаров и систем технического зрения.

Если взглянуть на мировой рынок лавинных фотодиодов, то на нем работают несколько крупных иностранных компаний. Среди них Luna Optoelectronics (Advanced Photonix) — крупный поставщик оптоэлектронных решений, включая широкополосные лавинные фотодиоды. Китайская компания Lingming Optoelectronics производит однофотонные лавинные диоды (SPAD) для автомобилей, смартфонов и робототехники. PD-LD Inc. предлагает кремниевые лавинные фотодиоды с активной зоной 500 и 230 микрон. Также на рынке представлены решения от Hamamatsu Photonics (Япония), First Sensor (Германия) и ON Semiconductor (США). Объем мирового рынка лавинных фотодиодов в 2024 году оценивался в 300 млн долларов США (24 млрд рублей) с прогнозом роста в 2 раза к 2033 году.

После завершения разработки российских кремниевых лавинных фотодиодов в ЦНИИ «Электрон» начнется выпуск опытной партии, сертификация и подготовка к выводу продукта на рынок. Разработка позволит российскому производителю выйти на рынок передовой фоточувствительной электронной компонентной базы для лидарных систем и составить конкуренцию иностранной продукции.

Михаил Петровский, использовано фото ЦНИИ «Электрон»