CC BY
154
Полупроводниковые приборы
А. Л. Тер-Мартиросян,
к. т. н., генеральный директор ЗАО «Полупроводниковые приборы», национальный эксперт РФ по лазерам и лазерным технологиям
ЗАО «Полупроводниковые приборы» имеет собственное уникальное оборудование и производственные помещения для обеспечения полного цикла производства мощных лазерных диодов, лазерных линеек и модулей, медицинских лазерных аппаратов и твердотельных лазеров с диодной накачкой. Наша продукция и технологии используются в различных областях науки и техники включая накачку твердотельных лазеров, медицину, беспроводную связь, обработку материалов, охранные системы, автоматику и робототехнику, спектроскопию и т. д.
ЗАО «Полупроводниковые приборы» (ЗАО «ПП») было основано в декабре 1991 года. Основными направлениями деятельности фирмы являются разработка новых полупроводниковых нанотехнологий, производство мощных полупроводниковых лазерных диодов и приборов на их основе. Большинство сотрудников — высококвалифицированные специалисты в области физики твердого тела, физики полупроводников и полупроводниковых технологий, имеющие многолетний опыт научной работы в учреждениях РАН.
Для создания производства полупроводниковых лазеров был использован комплексный подход: разработаны собственная оригинальная конструкция полупроводникового лазерного излучателя и воспроизводимая технология изготовления лазерных диодов, на основе малогабаритного вакуумного оборудования создан постростовой технологический комплекс и налажено собственное производство различных дополнительных устройств (блоков питания, оптических головок и др).
Производство ЗАО «Полупроводниковые приборы»
ATC-SD has own unique facilities and performs a full-cycleproduction of high power laser diodes, arrays and modules, drivers, laser medical devices and diode pumped solid state lasers. Our products and technology are used in a variety of high-tech applications including solid state laser pumping, medicine, space communications, material processing, beacon and illumination, alarm systems, automation and robotics, spectroscopy etc.
Отличные технические характеристики, высокая надежность и доступная цена изготавливаемых приборов позволили сразу же привлечь внимание потребителей и уверенно выйти сначала на российский рынок, а с 1993 года и на зарубежный. Ориентация на отечественного потребителя позволяет оперативно отслеживать конъюнктуру спроса и дает возможность, как выполнять заказы специалистов с большим опытом работы в области лазерной техники, так и решать в ходе выполнения заказа проблемы, неизбежно возникающие у разработчиков, пришедших из смежных областей.
Специально разработанная конструкция лазерного диода (патент РФ № 2110874) позволяет ЗАО «ПП» выпускать приборы, по своим техническим характеристикам не уступающие лучшим из серийных зарубежных моделей. Продукция фирмы также прошла независимое тестирование в ряде российских и зарубежных фирм. Результаты подтвердили высокую надежность выпускаемых изделий и соответствие их самым высоким мировым стандартам.
Мощные лазерные диоды производства ЗАО «ПП» нашли применение в медицине (терапии, хирургии, онкологии, косметологии), автоматических средствах связи, в полиграфии, для обработки материалов и научного приборостроения, однако основной областью их применения является накачка твердотельных лазеров. Твердотельные лазеры с ламповой накачкой (ТЛЛН), используемые для обработки материалов, разделения изотопов, в измерительных приборах, управляемом термоядерном синтезе и военных применениях, морально устаревают, за рубежом производство ТЛЛН практически полностью
ИННОВАЦИИ № 6 (116), 2008
ИННОВАЦИИ № 6 (116), 2008
прекращено. На их смену пришли твердотельные лазеры с полупроводниковой (диодной) накачкой (ТЛПН), которые обладают существенно более высокими КПД и надёжностью, лучшими массогабаритными показателями, отсутствием высокого напряжения питания и водяного охлаждения. Приборы на основе мощных лазерных диодов и ТЛПН принадлежат к приоритетным направлениям развития науки, техники и технологии РФ и относятся к целому ряду критических технологий РФ:
► технологии создания интеллектуальных систем навигации и управления (системы обеспечения безопасности движения на железнодорожном транспорте, спутниковые системы навигации, системы картографирования местности в интересах РАО ЕЭС и т. д.);
► системы мониторинга и прогнозирования состояния атмосферы и гидросферы (лазерные датчики высоты плотности облаков для оснащения аэродромов);
► технологии снижения риска и уменьшения последствий природных и техногенных катастроф (системы на основе ТЛПН для обнаружения утечек газа с использованием регистрации излучения комбинационного рассеяния);
► технологии противодействия терроризму (системы облучения террористов лазерным излучением с временной потерей зрения, безопасной для человека)
► базовые и критические военные и специальные технологии (лазерные дальномеры для бортовых оптико-локационных станций, системы лазерного наведения для высокоточного оружия, системы имитации стрельбы, системы подсветки для приборов ночного видения, лазерные взрыватели).
Лазерные диоды ЗАО «ПП» производятся на основе наноразмерных InAlGaAs гетероструктур, полученных методом МВЕ или MOCVD. Данные технологии позволяют очень точно контролировать толщину выращиваемых слоев и соответственно воспроизводимость параметров изготавливаемых приборов. Применение гетероструктур с квантовыми ямами (толщина активного слоя 70-150 ангстрем) позволяет снизить плотность порогового тока и увеличить выходную оптическую мощность. Лазеры напаиваются на теплоотвод эпитаксиальными слоями вниз, что позволяет улучшить отвод тепла и обеспечить более высокую выходную оптическую мощность. Каждый лазерный диод проходит тестирование (наработку) в течение 250-500 часов в непрерывном режиме. Данная процедура позволяет выбрать наиболее надежные образцы.
Возможность использования лазерных диодов ЗАО «ПП» в самых разнообразных системах обеспечивается за счет различных вариантов поставки. Лазеры могут поставляться на открытом теплоотводе (С-шоип^ Ь-раск^е), а также в герметичных корпусах типа АТС, ТО-3. Лазеры на открытом теплоотводе позволяют получить доступ непосредственно к лазерному кристаллу. Такая конфигурация наиболее предпочтительна для покупателей занимающихся
научными исследованиями когда герметизация изделия, в составе которого работает лазерный диод осуществляется самим пользователем. Герметичный корпус АТС позволяет работать с лазерным диодом без дополнительного теплоотвода в импульсном и в некоторых случаях в непрерывном режиме. Малое тепловое сопротивление такого корпуса позволяет снизить разницу температур между лазером и внешней поверхностью корпуса. ТО-3 корпус включает в себя термохолодильник Пельтье и терморезистор, что позволяет поддерживать постоянную рабочую температуру и полностью соответствует международным стандартам.
ЗАО «ПП» освоило выпуск более 30 моделей мощных лазерных излучателей и различных вспомогательных устройств, специализируясь на лазерных диодах и модулях непрерывного режима работы (до 8 Вт), а также лазерных линейках квазинепрерывного режима (импульсного режима с небольшой скважностью). Длины волн выпускаемых лазерных диодов 670, 810, 940 и 980 нм, ширина спектральной линии 2-3 нм, эффективность более 45%, срок службы более 10000 часов.
Большим спросом пользуется на рынке лазерная система, впервые предложенная ЗАО «ПП» в 1997 г. и включающая в себя мощный лазерный диод, охлаждающую головку и источник питания (драйвер). Драйвер изготовлен на основе микропроцессора, и
включает генератор тока, систему термостабилизации и систему защиты диода от бросков напряжения в питающей сети. Компактность, удобство в эксплуатации и небольшая цена обеспечили большую привлекательность лазерных систем для исследователей и разработчиков лазерного оборудования. ЗАО «ПП» производит комплектацию лазерных систем большим количеством аксессуаров в соответствии с требованиями заказчиков (волоконнооптические адапторы, специальные оптические насадки и т. д.).
В последнее время ЗАО «ПП» впервые в России разработало и изготовило новый вид изделий оптоэлектроники — полупроводниковые лазерные матрицы с выходной оптической мощностью более 5,0 кВт (длина волны генерации 808 нм) в квазинепрерыв-ном режиме работы, основанных на использовании в составе одного изделия различного количества (до 60 шт.) конструктивных элементов — лазерных линеек. Это значительно увеличивает универсальность излучателя, возможность быстрой адаптации к конструктивным и технологическим требованиям заказчиков, что обеспечит применимость лазерных матриц для накачки твердотельных лазеров самых различных конструкций. Реализация этого проекта позволяет не только создать новое поколение отечественных приборов на основе ТЛПН для широкого применения,
но и провести за короткое время модернизацию уже существующих образцов таких приборов. В настоящее время в рамках данной работы уже создан и успешно прошел испытания твердотельный лазер с диодной накачкой для оптической локации и информационных систем с энергией излучения до 150 мДж и длиной волны 1,06 мкм.
Начиная с 1999 г. ЗАО «ПП» выпускает медицинские лазерные аппараты, собираемые на базе мощных лазерных диодов собственного производства. Использование высокоинтенсивного лазерного излучения возможно для лечения различных заболеваний в онкологии, в оториноларингологии, в хирургии, в дерматологии, в гинекологии, в проктологии и в косметологии, ЛОР. В настоящее время базовая модель — медицинский лазерный аппарат «Аткус-15» с выходной мощностью до 15 Вт в непрерывном режиме имеет сертификат соответствия № 4070922 и разрешен к применению в медицине Минздравом РФ. Конструкция аппарата защищена 3 полезными моделями РФ. Основные области применения — онкология; хирургия; высокоинтенсивная терапия верхних и нижних дыхательных путей, ротовой полости и глотки; гинекология; урология; гастроэнтерология; дерматология и косметология. Компактность, простота обслуживания, отсутствие водяного охлаждения и возможность оказывать термическое воздействие на глубоко расположенные биообъекты позволяют использовать аппарат для бесконтактной и интерстициальной коагуляции, иссечения и гипертермии тканей как при стационарном, так и амбулаторном лечении.
Лазерный аппарат «Аткус-15» можно использовать не только как режущий скальпель (хирургия), но и как облучающий инструмент (при уменьшении мощности излучения), что весьма актуально для эндоскопии, поскольку это дает возможность избежать больших открытых операций. Для пациентов существенным является тот факт, что непосредственная операционная нагрузка на организм значительно снижается и оперативное вмешательство может быть осуществлено амбулаторно или с пребыванием в стационаре в течение нескольких дней. К преимуществам применения аппарата «Аткус-15» относятся также малая степень механического травмирования прилегающих областей и сведение к минимуму кровотечения во время операций.
Совместно с НИИ онкологии им. Н. Н. Петрова РАМН (Санкт-Петербург) был разработан уникальный метод селективной лазерной гипертермии (патенты РФ №№ 2122452, 2134603) для лечения онкологических заболеваний. Селективная лазерная гипертермия относится к терапевтическим методам лечения и отличается рядом преимуществ по сравнению с известными на настоящий момент способами: хирургия, лучевая терапия, химиотерапия. Метод основан на избирательном (селективном) воздей-
ствии лазерного излучения аппарата «Аткус-15» на пораженную и здоровую ткань. Дозированное оптическое воздействие лазерного луча вызывает перегрев злокачественной опухоли и поражение раковых клеток без изменения здоровой ткани. Периодическое повторение оптического воздействия ведет к отмиранию злокачественной ткани.
Широкое внедрение новых лазерных медицинских технологий в России в значительной степени сдерживается отсутствием на рынке доступных по цене медицинских лазерных аппаратов. Аппараты западного производства имеют выходную мощность более 20 Вт и стоят $30-80 тыс., что является недоступным для абсолютного большинства российских потребителей. На российском рынке имеются несколько малых предприятий, которые предлагают медицинские лазеры мощностью 15 Вт и более по цене $12-15 тыс.
В связи с этим ЗАО «Полупроводниковые приборы» вывело на российский рынок новое поколение медицинских лазерных аппаратов «Латус», изготовленных по единой электронно-оптической блок-схеме на основе мощных лазерных диодов российского производства. Использование уникальной схемы суммирования излучения полупроводниковых лазеров, переход на новую элементную базу, использование высокоэффективных мощных лазерных диодов, выпускаемых ЗАО «Полупроводниковые приборы», и узкая медицинская специализация каждого прибора позволило в несколько раз уменьшить массу и габариты приборов, а также снизить цену на аппараты до $3,5-6 тыс. «Латус» — это современные медицинские лазеры с широким спектром применения — для гипертермии (в том числе интерстициальной); фотоди-намической терапии; коагуляции и иссечения тканей. Аппарат имеет сертификат соответствия Госстандарта РФ № РОСС RU. ВОО363, № 7206320 и разрешен к применению в медицине Минздравом РФ.
Приборы серии «Латус» имеют следующие конкурентные преимущества:
► низкая цена, доступная для муниципальных медицинских учреждений РФ, мелких частных клиник и физических лиц;
► малый срок окупаемости (5-8 месяцев, в зависимости от модели);
► наличие утвержденных МЗ РФ методик применения в хирургии, гинекологии, проктологии, онкологии и оториноларингологии;
► наличие собственного производства и ремонтной базы, что для покупателя становится более предпочтительным по сравнению с импортными ана-лагами.
► компактность и мобильность (вес 4-5 кг);
► возможность применения, как в амбулаторных условиях, так и при выезде врача на дом. Высокая мощность излучения (до 30 Вт) аппарата позволяет использовать методы интерстициально лечения ряда онкологических заболеваний. Удаление опухолей хирургическим лазером уменьшает число рецидивов и осложнений, сокращает сроки заживления ран, позволяет обеспечить одноэтапность процедуры и дает хороший косметический эффект. Опе-
ИННОВАЦИИ № 6 (116), 2008
ИННОВАЦИИ № 6 (116), 2008
ративное вмешательство больные переносят легко, а при правильном ведении раны послеоперационный период протекает быстро и практически без болевого синдрома.
Медицинский лазер «Латус» с выходной мощностью 1, 2, 3 или 5 Вт и длиной волны 661±5 нм и предназначен для лечения онкологических и ряда других заболеваний методом фотодинамической терапии (ФДТ). Фотодинамическая терапия (ФДТ) является сравнительно новым методом лечения, основанном на применении лекарственных препаратов — фотосенсибилизаторов (веществ, чувствительных к свету) и низкоинтенсивного лазерного излучения с длиной волны, соответствующей пику поглощения фотосенсибилизатора. Несмотря на то, что исследования в области применения ФДТ ведутся уже много лет, применение этого метода в лечебной практике сдерживалось отсутствием достаточно эффективных нетоксичных препаратов. Новые возможности в развитии методов фотодинамической терапии появились на основе разработки российских ученых — фотосенсибилизатора второго поколения под зарегистрированным названием «Фотодитазин» — органического соединения соли хлорина Е6, полученного путем сложной многоэтапной переработки хлорофилла водоросли БрииНпа рМе^э Gom Geitleri на основе запатентованной технологии.
Фотодинамичекая терапия (ФДТ) — двухкомпонентный метод лечения. Одним компонентом является препарат — фотосенсибилизатор — вещество, взаимодействующее со светом определенной длины волны и обладающее способностью накапливаться (тропностью) в опухолевых и других быстро профилирующих тканях. Вторым компонентом ФДТ является низкоэнергетическое световое излучение, длина волны которого соответствует пику поглощения данного фотосенсибилизатора. Источником такого излучения могут быть универсальные или специализированные лазеры, либо специальные источники света на сверх ярких диодах. Под влиянием светового излучения в тканях организма развивается фотохимическая реакция с выделением синглетного кислорода и активных радикалов, которые являются цито-токсическими агентами для быстроразмножающих-ся клеток и тканей с высокой пролиферативной активностью.
Преимущества фотодинамической терапии при лечении онкозаболеваний ярко проявляются, когда хирургическая операция невозможна из-за тяжелых сопутствующих заболеваний или значительной распространенности опухоли. ФДТ избирательно разрушает раковые клетки и не повреждает нормальные здоровые ткани, в том числе каркасные структуры тканей и органов — коллагеновые волокна. Благодаря этому, после проведенной терапии и разрушении
опухоли нормальные клетки при своем размножении заполняют обнажившийся каркас органа. Это особенно важно при ФДТ тонкостенных и трубчатых органов (бронхи, трахея, желудок, кишки, пищевод, мочевой пузырь). ФДТ позволяет также избежать системного (общего) неблагоприятного воздействия на организм, как, например, при химиотерапии, локализуя действие света на пораженных участках. При проведении ФДТ по радикальной программе у больных первичным и рецидивным раком кожи полная резорбция достигалась в 90% случаев, при лечении опухолей органов дыхания полная и частичная резорбция констатировалась у более 70% больных. Высокая эффективность ФДТ с использованием «Фотодитази-на» показана при лечении заболеваний гинекологического профиля — фоновых и предраковых заболеваний шейки матки.
Применение ФДТ для лечения злокачественных новообразований открывает дополнительные возможности для врачей-онкологов. В первую очередь это касается больных, по тем или иным причинам не подлежащих радикальному хирургическому лечению. Применение ФДТ в детской терапии: например лечение угревой сыпи или проблемной кожи, что является возрастными явлениями и может быть многолетней проблемой у подростков.
Также данный высокотехнологичный метод широко может использоваться в стоматологии, и имеет ряд существенных преимуществ перед традиционными методами лечения. Исключается необходимость применения антисептических препаратов и антибиотиков, что предотвращает возникновение нежелательных побочных эффектов у пациента, вплоть до возникновения и дальнейшего развития аллергических реакций на применяемые антибиотики. Как правило, при использовании врачом технологии ФДТ отпадает необходимость в хирургических методах лечения, например пародонтита.
Указанный метод дает уникальную возможность эффективного лечения целого ряда опухолей, а также в травматологии и косметологии что позволяет использовать его как в крупных государственных, так и в небольших частных клиниках.
На сегодняшний день ЗАО «ПП» представляет собой научно-техническую фирму европейского уровня. Наличие собственной технологической базы, высокая квалификация персонала, многолетний опыт работы в области создания лазерных диодов ближнего ИК-диапазона спектра и профессиональный менеджмент позволяют фирме эффективно разрабатывать новые типы полупроводниковых технологий, осваивать изготовление новых светоизлучающих приборов и, находясь на передовом рубеже науки и техники, вносить свой вклад в развитие российской оптоэлектроники
