Tankoslojni fotodetektor litij-niobata (LN)

Tankoslojni fotodetektor litij-niobata (LN)

Litijev niobat (LN) ima jedinstvenu kristalnu strukturu i bogate fizičke učinke, poput nelinearnih učinaka, elektrooptičkih učinaka, piroelektričnih učinaka i piezoelektričnih učinaka. Istovremeno, ima prednosti širokopojasnog optičkog prozora prozirnosti i dugoročne stabilnosti. Ove karakteristike čine LN važnom platformom za novu generaciju integrirane fotonike. U optičkim uređajima i optoelektroničkim sustavima, karakteristike LN-a mogu pružiti bogate funkcije i performanse, potičući razvoj optičke komunikacije, optičkog računarstva i optičkih senzorskih područja. Međutim, zbog slabih apsorpcijskih i izolacijskih svojstava litijevog niobata, integrirana primjena litijevog niobata i dalje se suočava s problemom teškog otkrivanja. Posljednjih godina izvješća u ovom području uglavnom uključuju fotodetektore integrirane u valovod i fotodetektore s heterospojnicama.
Integrirani fotodetektor valovoda baziran na litijevom niobatu obično je usmjeren na optički komunikacijski C-pojas (1525-1565 nm). Što se tiče funkcije, LN uglavnom igra ulogu vođenih valova, dok se funkcija optoelektroničke detekcije uglavnom oslanja na poluvodiče poput silicija, poluvodiča III-V skupine s uskim energetskim razmakom i dvodimenzionalnih materijala. U takvoj arhitekturi, svjetlost se prenosi kroz optičke valovode litijevog niobata s malim gubitkom, a zatim je apsorbiraju drugi poluvodički materijali na temelju fotoelektričnih efekata (kao što su fotovodljivost ili fotonaponski efekti) kako bi se povećala koncentracija nosioca i pretvorila u električne signale za izlaz. Prednosti su visoka radna propusnost (~GHz), nizak radni napon, mala veličina i kompatibilnost s integracijom fotonskog čipa. Međutim, zbog prostorne odvojenosti litijevog niobata i poluvodičkih materijala, iako svaki obavlja svoje funkcije, LN igra ulogu samo u vođenju valova, a druga izvrsna strana svojstva nisu dobro iskorištena. Poluvodički materijali igraju ulogu samo u fotoelektričnoj pretvorbi i nemaju komplementarno spajanje jedno s drugim, što rezultira relativno ograničenim radnim pojasom. Što se tiče specifične implementacije, spajanje svjetlosti iz izvora svjetlosti na optički valovod od litijevog niobata rezultira značajnim gubicima i strogim procesnim zahtjevima. Osim toga, stvarnu optičku snagu svjetlosti ozračene na kanal poluvodičkog uređaja u području spajanja teško je kalibrirati, što ograničava njegovu učinkovitost detekcije.
Tradicionalnifotodetektorikorišteni za primjenu u snimanju obično se temelje na poluvodičkim materijalima. Stoga, litijev niobat, zbog svoje niske stope apsorpcije svjetlosti i izolacijskih svojstava, nesumnjivo nije omiljen među istraživačima fotodetektora, pa čak i predstavlja tešku točku u tom području. Međutim, razvoj tehnologije heterospoja posljednjih godina donio je nadu u istraživanje fotodetektora na bazi litijevog niobata. Drugi materijali s jakom apsorpcijom svjetlosti ili izvrsnom vodljivošću mogu se heterogeno integrirati s litijevim niobatom kako bi se kompenzirali njegovi nedostaci. Istovremeno, spontana polarizacija inducirana piroelektričnim karakteristikama litijevog niobata zbog njegove strukturne anizotropije može se kontrolirati pretvaranjem u toplinu pod svjetlosnim zračenjem, čime se mijenjaju piroelektrične karakteristike za optoelektronsku detekciju. Ovaj toplinski učinak ima prednosti širokog pojasa i samopogona te se može dobro nadopuniti i spojiti s drugim materijalima. Sinkrono korištenje toplinskih i fotoelektričnih efekata otvorilo je novo doba za fotodetektore na bazi litijevog niobata, omogućujući uređajima da kombiniraju prednosti oba efekta. A kako bi se nadoknadili nedostaci i postigla komplementarna integracija prednosti, to je istraživačka žarišna točka posljednjih godina. Osim toga, korištenje ionske implantacije, inženjerstva pojaseva i inženjerstva defekata također je dobar izbor za rješavanje poteškoća detekcije litijevog niobata. Međutim, zbog velike složenosti obrade litijevog niobata, ovo područje se i dalje suočava s velikim izazovima poput niske integracije, uređaja i sustava za snimanje nizova te nedovoljnih performansi, što ima veliku istraživačku vrijednost i prostor.

Na slici 1, koristeći energetska stanja defekta unutar LN zabranjenog pojasa kao centre donora elektrona, slobodni nosioci naboja generiraju se u vodljivom pojasu pod pobudom vidljivom svjetlošću. U usporedbi s prethodnim piroelektričnim LN fotodetektorima, koji su obično bili ograničeni na brzinu odziva od oko 100 Hz, ovajLN fotodetektorima bržu brzinu odziva do 10 kHz. U međuvremenu, u ovom radu je pokazano da LN dopiran magnezijevim ionima može postići vanjsku modulaciju svjetlosti s odzivom do 10 kHz. Ovaj rad potiče istraživanje visokoučinkovitih ibrzih LN fotodetektorau konstrukciji potpuno funkcionalnih integriranih LN fotonskih čipova s ​​jednim čipom.
Ukratko, istraživačko područjetankoslojni fotodetektori litij-niobataima važno znanstveno značenje i ogroman praktični potencijal primjene. U budućnosti, razvojem tehnologije i produbljivanjem istraživanja, tankoslojni fotodetektori litijevog niobata (LN) razvijat će se prema većoj integraciji. Kombiniranje različitih metoda integracije kako bi se postigli visokoučinkoviti, brzi odzivni i širokopojasni tankoslojni fotodetektori litijevog niobata u svim aspektima postat će stvarnost, što će uvelike potaknuti razvoj integracije na čipu i inteligentnih senzorskih polja te pružiti više mogućnosti za novu generaciju fotoničkih primjena.