Fotodetector cu peliculă subțire de niobat de litiu (LN)

Fotodetector cu peliculă subțire de niobat de litiu (LN)

Niobatul de litiu (LN) are o structură cristalină unică și efecte fizice bogate, cum ar fi efecte neliniare, efecte electro-optice, efecte piroelectrice și efecte piezoelectrice. În același timp, are avantajele ferestrei de transparență optică cu bandă largă și a stabilității pe termen lung. Aceste caracteristici fac din LN o platformă importantă pentru noua generație de fotonică integrată. În dispozitivele optice și sistemele optoelectronice, caracteristicile LN pot oferi funcții și performanțe bogate, promovând dezvoltarea comunicațiilor optice, a calculului optic și a câmpurilor de detectare optică. Cu toate acestea, din cauza proprietăților slabe de absorbție și izolare ale niobatului de litiu, aplicarea integrată a niobatului de litiu se confruntă încă cu problema detectării dificile. În ultimii ani, rapoartele în acest domeniu includ în principal fotodetectoare integrate cu ghid de undă și fotodetectoare cu heterojuncțiune.
Fotodetectorul integrat cu ghid de undă bazat pe niobat de litiu este de obicei concentrat pe banda C a comunicațiilor optice (1525-1565nm). În ceea ce privește funcția, LN joacă în principal rolul de unde ghidate, în timp ce funcția de detectare optoelectronică se bazează în principal pe semiconductori precum siliciu, semiconductori cu bandă interzisă îngustă din grupa III-V și materiale bidimensionale. Într-o astfel de arhitectură, lumina este transmisă prin ghiduri de undă optice din niobat de litiu cu pierderi reduse, apoi absorbită de alte materiale semiconductoare pe baza efectelor fotoelectrice (cum ar fi fotoconductivitatea sau efectele fotovoltaice) pentru a crește concentrația purtătorilor de lumină și a o converti în semnale electrice pentru ieșire. Avantajele sunt lățimea de bandă de funcționare mare (~GHz), tensiunea de funcționare scăzută, dimensiunile mici și compatibilitatea cu integrarea cipurilor fotonice. Cu toate acestea, din cauza separării spațiale dintre niobatul de litiu și materialele semiconductoare, deși fiecare își îndeplinește propriile funcții, LN joacă doar un rol în ghidarea undelor, iar alte proprietăți străine excelente nu au fost bine utilizate. Materialele semiconductoare joacă doar un rol în conversia fotoelectrică și nu au cuplaj complementar unul cu celălalt, rezultând o bandă de funcționare relativ limitată. În ceea ce privește implementarea specifică, cuplarea luminii de la sursa de lumină la ghidul de undă optic din niobat de litiu are ca rezultat pierderi semnificative și cerințe stricte de proces. În plus, puterea optică reală a luminii iradiate pe canalul dispozitivului semiconductor în regiunea de cuplare este dificil de calibrat, ceea ce limitează performanța de detectare a acestuia.
TradiționalulfotodetectoareMaterialele utilizate pentru aplicații de imagistică se bazează de obicei pe materiale semiconductoare. Prin urmare, rata redusă de absorbție a luminii și proprietățile izolatoare ale niobatului de litiu îl fac, fără îndoială, să nu fie preferatul cercetătorilor în domeniul fotodetectorilor și chiar să fie un punct dificil în domeniu. Cu toate acestea, dezvoltarea tehnologiei heterojuncțiunii în ultimii ani a adus speranță cercetării fotodetectorilor pe bază de niobat de litiu. Alte materiale cu absorbție puternică a luminii sau conductivitate excelentă pot fi integrate eterogen cu niobatul de litiu pentru a compensa deficiențele sale. În același timp, caracteristicile piroelectrice induse de polarizarea spontană a niobatului de litiu, datorită anizotropiei sale structurale, pot fi controlate prin conversia în căldură sub iradiere cu lumină, modificând astfel caracteristicile piroelectrice pentru detectarea optoelectronică. Acest efect termic are avantajele benzii largi și ale autoacționării și poate fi bine complementat și fuzionat cu alte materiale. Utilizarea sincronă a efectelor termice și fotoelectrice a deschis o nouă eră pentru fotodetectorii pe bază de niobat de litiu, permițând dispozitivelor să combine avantajele ambelor efecte. Și pentru a compensa deficiențele și a realiza o integrare complementară a avantajelor, este un punct fierbinte de cercetare în ultimii ani. În plus, utilizarea implantării ionice, a ingineriei de benzi și a ingineriei defectelor este, de asemenea, o alegere bună pentru a rezolva dificultatea detectării niobatului de litiu. Cu toate acestea, din cauza dificultății ridicate de procesare a niobatului de litiu, acest domeniu se confruntă încă cu provocări majore, cum ar fi integrarea scăzută, dispozitivele și sistemele de imagistică matriceală și performanța insuficientă, ceea ce are o valoare și un spațiu de cercetare deosebite.

Figura 1, utilizând stările energetice ale defectelor din banda interzisă LN ca centre donoare de electroni, purtătorii de sarcină liberi sunt generați în banda de conducție sub excitație cu lumină vizibilă. Comparativ cu fotodetectoarele LN piroelectrice anterioare, care erau de obicei limitate la o viteză de răspuns de aproximativ 100 Hz, aceastaFotodetector LNare o viteză de răspuns mai rapidă de până la 10 kHz. Între timp, în această lucrare, s-a demonstrat că LN dopat cu ioni de magneziu poate realiza o modulație externă a luminii cu un răspuns de până la 10 kHz. Această lucrare promovează cercetarea privind performanța înaltă șifotodetectoare LN de mare vitezăîn construcția de cipuri fotonice LN integrate pe un singur cip, complet funcționale.
În concluzie, domeniul de cercetare alfotodetectoare cu peliculă subțire de niobat de litiuare o semnificație științifică importantă și un potențial enorm de aplicații practice. În viitor, odată cu dezvoltarea tehnologiei și aprofundarea cercetării, fotodetectoarele cu peliculă subțire de niobat de litiu (LN) se vor orienta către o integrare superioară. Combinarea diferitelor metode de integrare pentru a obține fotodetectoare cu peliculă subțire de niobat de litiu de înaltă performanță, cu răspuns rapid și bandă largă în toate aspectele va deveni realitate, ceea ce va promova considerabil dezvoltarea integrării pe cip și a câmpurilor de detectare inteligente și va oferi mai multe posibilități pentru noua generație de aplicații fotonice.