Fotodetektor od tankog filma litijum niobata (LN)

Fotodetektor od tankog filma litijum niobata (LN)

Litijum niobat (LN) ima jedinstvenu kristalnu strukturu i bogate fizičke efekte, kao što su nelinearni efekti, elektrooptički efekti, piroelektrični efekti i piezoelektrični efekti. Istovremeno, ima prednosti širokopojasnog optičkog prozora transparentnosti i dugoročne stabilnosti. Ove karakteristike čine LN važnom platformom za novu generaciju integrirane fotonike. U optičkim uređajima i optoelektronskim sistemima, karakteristike LN mogu pružiti bogate funkcije i performanse, promovirajući razvoj optičke komunikacije, optičkog računarstva i optičkih senzorskih polja. Međutim, zbog slabih apsorpcijskih i izolacijskih svojstava litijum niobata, integrirana primjena litijum niobata i dalje se suočava s problemom teške detekcije. Posljednjih godina, izvještaji u ovoj oblasti uglavnom uključuju fotodetektore integrirane u valovod i fotodetektore s heterospojem.
Integrisani fotodetektor talasovoda baziran na litijum niobatu obično je fokusiran na optički komunikacijski C-pojas (1525-1565nm). Što se tiče funkcije, LN uglavnom igra ulogu vođenih talasa, dok se funkcija optoelektronske detekcije uglavnom oslanja na poluprovodnike poput silicija, poluprovodnika III-V grupe sa uskim energetskim razmakom i dvodimenzionalnih materijala. U takvoj arhitekturi, svjetlost se prenosi kroz optičke talasovode litijum niobata sa malim gubicima, a zatim je apsorbuju drugi poluprovodnički materijali bazirani na fotoelektričnim efektima (kao što su fotoprovodljivost ili fotonaponski efekti) kako bi se povećala koncentracija nosioca i pretvorila u električne signale za izlaz. Prednosti su visoka radna širina (~GHz), nizak radni napon, mala veličina i kompatibilnost sa integracijom fotonskog čipa. Međutim, zbog prostorne odvojenosti litijum niobata i poluprovodničkih materijala, iako svaki od njih obavlja svoje funkcije, LN igra ulogu samo u vođenju talasa, a druga odlična strana svojstva nisu dobro iskorištena. Poluprovodnički materijali igraju ulogu samo u fotoelektričnoj konverziji i nemaju komplementarno međusobno spajanje, što rezultira relativno ograničenim radnim opsegom. Što se tiče specifične implementacije, spajanje svjetlosti iz izvora svjetlosti na optički talasovod od litijum niobata rezultira značajnim gubicima i strogim procesnim zahtjevima. Osim toga, stvarnu optičku snagu svjetlosti koja ozračuje kanal poluprovodničkog uređaja u području spajanja je teško kalibrirati, što ograničava njene performanse detekcije.
TradicionalnifotodetektoriMaterijali koji se koriste za primjenu u snimanju obično se zasnivaju na poluprovodničkim materijalima. Stoga, litijum niobat, zbog svoje niske stope apsorpcije svjetlosti i izolacijskih svojstava, nesumnjivo nije omiljen među istraživačima fotodetektora, pa čak predstavlja i tešku tačku u ovoj oblasti. Međutim, razvoj tehnologije heterospoja posljednjih godina donio je nadu u istraživanje fotodetektora na bazi litijum niobata. Drugi materijali sa jakom apsorpcijom svjetlosti ili odličnom provodljivošću mogu se heterogeno integrirati s litijum niobatom kako bi se kompenzirali njegovi nedostaci. Istovremeno, spontana polarizacija inducirana piroelektričnim karakteristikama litijum niobata, zbog njegove strukturne anizotropije, može se kontrolirati pretvaranjem u toplinu pod svjetlosnim zračenjem, čime se mijenjaju piroelektrične karakteristike za optoelektronsku detekciju. Ovaj termalni efekat ima prednosti širokog pojasa i samopogona, te se može dobro nadopuniti i spojiti s drugim materijalima. Sinhronizirano korištenje termalnih i fotoelektričnih efekata otvorilo je novu eru za fotodetektore na bazi litijum niobata, omogućavajući uređajima da kombiniraju prednosti oba efekta. A kako bi se nadoknadili nedostaci i postigla komplementarna integracija prednosti, to je istraživačka žarišna tačka posljednjih godina. Pored toga, korištenje jonske implantacije, inženjeringa traka i inženjeringa defekata također je dobar izbor za rješavanje poteškoća detekcije litijum niobata. Međutim, zbog velike složenosti obrade litijum niobata, ovo područje se i dalje suočava s velikim izazovima kao što su niska integracija, uređaji i sistemi za snimanje nizova i nedovoljne performanse, što ima veliku istraživačku vrijednost i prostor.

Na slici 1, koristeći energetska stanja defekta unutar LN zabranjene zone kao centre donora elektrona, slobodni nosioci naboja se generiraju u provodnoj zoni pod pobudom vidljivom svjetlošću. U poređenju s prethodnim piroelektričnim LN fotodetektorima, koji su obično bili ograničeni na brzinu odziva od oko 100 Hz, ovaj...LN fotodetektorima bržu brzinu odziva do 10 kHz. U međuvremenu, u ovom radu je pokazano da LN dopiran magnezijumskim ionima može postići vanjsku modulaciju svjetlosti s odzivom do 10 kHz. Ovaj rad promovira istraživanje visokoperformansnih ibrzih LN fotodetektorau konstrukciji potpuno funkcionalnih integriranih LN fotonskih čipova s ​​jednim čipom.
Ukratko, istraživačko poljeFotodetektori od tankog filma litijum-niobataima važan naučni značaj i ogroman potencijal praktične primjene. U budućnosti, s razvojem tehnologije i produbljivanjem istraživanja, tankoslojni fotodetektori litijum niobata (LN) će se razvijati prema većoj integraciji. Kombinovanje različitih metoda integracije radi postizanja visokoperformansnih, brzog odziva i širokopojasnih tankoslojnih fotodetektora litijum niobata u svim aspektima postat će stvarnost, što će uveliko promovirati razvoj integracije na čipu i inteligentnih senzorskih polja, te pružiti više mogućnosti za novu generaciju fotoničkih aplikacija.