В середине мая 2024 года лаборатория электроники «ФлексЛаб» (совместный проект Северо-Западного наноцентра, Группы «Роснано» и Университета ИТМО) заявила о разработке фотонной интегральной схемы с высокой степенью интеграции управляющих устройств, не имеющей аналогов в мире. Эта разработка позволяет объединить все блоки управления сенсора на монолитной основе, что минимизирует необходимость закупки дорогостоящих внешних микросхем для обеспечения работы электронного устройства. На создание фотонной интегральной схемы у команды разработчиков ушло 1,5 года. Пилотный образец был произведен на мощностях Российского Центра Гибкой электроники (входит в группу «ТехноСпарк»). Об устройстве уникальной интегральной схемы «Хайтеку» рассказали ее создатели - ведущий инженер-конструктор компании «ФлексЛаб» Павел Новоселов и кандидат химических наук, ведущий инженер компании «ФлексЛаб» Мария Санджиева.
Что такое тонкопленочная матрица фоточувствительных элементов? Каков принцип ее работы и функции? Какие решения на сегодняшний момент лидируют по использованию в мире?
Матрица фоточувствительных элементов — это монолитное или гибридное устройство (чип), состоящее из множества распределенных фоточувствительных элементов, которые преобразуют фотоны в электроны. Обычно такие матрицы фоточувствительных элементов или матричные фотоприемные устройства (МФПУ) применяют для медицины (датчики рентегновского излучения) и биометрии (сканеры отпечатка пальцев), а также других цифровых приемниках изображения. Такие МФПУ являются активными интегральными схемами и содержат большое число компонентов. Принято считать, что интегральные схемы должны быть миниатюрными. В случае интегральных схем для рентгеноскопии это не так. Такие интегральные схемы могут иметь очень большую площадь. Размер 100 мм x 300 мм является обычным для целого ряда изделий. Важно понимать, что самое важное не внешний размер интегральной схемы, а минимальный размер транзисторов или фотодиодов, которые используется в ней.
Расскажите, пожалуйста, о последней разработке «ФлексЛаб». В чем ее уникальность на мировом уровне? Какие конкретно управляющие устройства интегрированы в схему и что они делают?
Лаборатория электроники «ФлексЛаб» (входит в Северо-Западный Центра Трансфера Технологий) совместно со специалистами Физико-Технического Факультета Университета ИТМО разработала активную гибридную интегральную схему на тонкопленочных транзисторах для использования в качестве сенсора для рентгеноскопии. Главное отличие этой микросхемы заключается в том, что нам удалось интегрировать блок управления сканированием строк матрицы и блок мультиплексоров столбцов на подложку микросхемы вместе с матрицей фотодиодов, которая отвечает за преобразование фотонов в электроны. Это позволило существенно снизить себестоимость микросхемы и повысить её надёжность. Для производства спроектированной микросхемы использовалась технологическая линия по производству IGZO транзисторов РЦГЭ в городе Троицк.
Опишите, пожалуйста, особенности архитектуры вашего фотосенсора.
Архитектура микросхемы играет решающую роль для получения необходимых электрических характеристик и оптимизации её себестоимости. Особенность нашей архитектуры в новом принципе конвейеризации данных считываемых с матрицы фотодиодов. Такая конвейеризация позволяет уменьшить число внешних (дорогостоящих) интегральных схем сопряжения в несколько раз. Для некоторых типов сенсоров можно уменьшить число внешних микросхем в 10 раз.
Более того, следует отметить, что мы применяем растворную технологию печати для изготовления фотодиодной матрицы. Такой уникальный подход оказалось возможным использовать только благодаря разработке технологии органических фотодиодов, которые по спектральной чувствительности достигли параметров фотодиодов на основе кристаллического кремния (0,3-0,4 А/Вт при 510 нм).
Что дает высокая степень интеграции управляющих устройств?
Мы называем нашу гибридную микросхему — матрицей фоточувствительных элементов с высокой степенью интеграции. И это совершенно естественно и справедливо. Наши конкуренты не нашли способ интегрировать блок сканирования строк матрицы и мультиплексор. Они производят только сами матрицы фотодиодов, которые требуют использования дополнительных внешних микросхем. Высокая степень интеграции позволяет повысить надёжность системы и снизить её себестоимость в 5 раз для некоторых видов сенсоров, которые используют наши интегральные схемы.
Из каких стран традиционно поставляются подобные устройства в Россию? Какие направления удастся импортозаместить?
Матрицы для рентгеноскопии без интегрированных блоков управления поставляются из Тайваня (Chimea Innolux) и Китая (BOE). Технологическая линия в Троицке способна произвести до 70% поставляемых на наш рынок сенсоров при использовании наших наработок в области проектирования фоточувствительных матриц на тонкопленочных транзисторах.
Какую долю зарубежных поставок сможет импртозаместить ваша компания?
Флекслаб — это центр дизайна (проектирования) фоточувствительных матриц на тонкопленочных транзисторах. Производство будет происходить в Троицке на технологической линии РЦГЭ. По нашим оценкам, в краткосрочной перспективе возможно заместить до 70% импортных матриц. Полное замещение возможно в течении 5 — 7 лет.
Какова сфера применения вашей разработки? Что, помимо экономии, даст ее внедрение?
Наши интегральные схемы необходимы для производства отечественных рентгеновских аппаратов. Это означает, что мы получаем технологический суверенитет в важнейшем сегменте электроники.
Ранее директор компании «ФлексЛаб» Андрей Сибряев так описывал сферу применения новой разработки:
«На российском рынке наша разработка будет интересна производителям медицинского оборудования, предприятиям авиастроительной отрасли, производителям и провайдерам IoT. Все эти компании используют, преимущественно, зарубежные комплектующие и ищут возможности перехода на отечественную электронную компонентную базу. Наше технологическое решение полностью удовлетворяет этот запрос: разработанный сенсор с интегрированными блоками управления не только способствует решению задач импортозамещения, но и создает задел для технологического лидерства страны в сегменте микроэлектроники».