Fotodetector cu film subțire de litiu niobate (LN)

Fotodetector cu film subțire de litiu niobate (LN)

Niobatul de litiu (LN) are o structură de cristal 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 stabilitatea pe termen lung. Aceste caracteristici fac din LN o platformă importantă pentru noua generație de fotonice integrate. În dispozitivele optice și sistemele optoelectronice, caracteristicile LN pot oferi funcții și performanțe bogate, promovând dezvoltarea comunicării optice, a calculului optic și a câmpurilor de detectare optică. Cu toate acestea, din cauza proprietăților slabe de absorbție și izolație ale niobatului de litiu, aplicarea integrată a niobatului de litiu se confruntă în continuare cu problema detectării dificile. În ultimii ani, rapoartele din acest domeniu includ în principal fotodetectoare integrate pentru ghiduri de undă și fotodetectoare heterojuncție.
Fotodetector integrat cu ghid de undă bazat pe niobat de litiu este de obicei axat pe banda C de comunicare optică (1525-1565nm). În ceea ce privește funcția, LN joacă în principal rolul undelor ghidate, în timp ce funcția de detectare optoelectronică se bazează în principal pe semiconductori, cum ar fi siliciu, grupuri de bandgap înguste, și materiale bidimensionale. Într -o astfel de arhitectură, lumina este transmisă prin ghiduri de undă optice cu niobat de litiu cu pierderi scăzute, apoi absorbite de alte materiale semiconductoare bazate pe efecte fotoelectrice (cum ar fi fotoconductivitate sau efecte fotovoltaice) pentru a crește concentrația purtătorului și a o transforma în semnale electrice pentru ieșire. Avantajele sunt lățime de bandă de funcționare ridicată (~ GHz), tensiune de funcționare scăzută, dimensiuni mici și compatibilitate cu integrarea fotonică a cipurilor. Cu toate acestea, datorită separarii spațiale a materialelor de niobat de litiu și semiconductor, deși fiecare îndeplinește propriile funcții, LN joacă doar un rol în ghidarea undelor și alte proprietăți străine excelente nu au fost bine utilizate. Materialele semiconductoare joacă doar un rol în conversia fotoelectrică și nu au cuplare complementară între ele, rezultând o bandă de operare relativ limitată. În ceea ce privește implementarea specifică, cuplarea luminii de la sursa de lumină la ghidul de undă optic niobat de litiu are ca rezultat pierderi semnificative și cerințe stricte ale procesului. În plus, puterea optică reală a luminii iradiată pe canalul de dispozitiv semiconductor din regiunea de cuplare este dificil de calibrat, ceea ce limitează performanța de detectare a acestuia.
TradiționalfotodetectoareUtilizate pentru aplicațiile imagistice se bazează de obicei pe materiale semiconductoare. Prin urmare, pentru niobatul de litiu, rata sa de absorbție a luminii scăzute și proprietățile izolatoare o fac, fără îndoială, nu favorizată de cercetătorii de fotodetector și chiar de un punct dificil în domeniu. Cu toate acestea, dezvoltarea tehnologiei de heterojuncție în ultimii ani a adus speranță cercetării fotodetectoarelor bazate pe niobat cu litiu. Alte materiale cu absorbție puternică a luminii sau o conductivitate excelentă pot fi integrate în mod heterogen cu niobatul de litiu pentru a compensa neajunsurile sale. În același timp, polarizarea spontană a indus caracteristicile piroelectrice ale niobatului de litiu datorită anisotropiei sale structurale pot fi controlate prin transformarea la căldură sub iradiere ușoară, schimbând astfel caracteristicile piroelectrice pentru detectarea optoelectronică. Acest efect termic are avantajele bandei largi și ale conducerii de sine și poate fi bine completat și fuzionat cu alte materiale. Utilizarea sincronă a efectelor termice și fotoelectrice a deschis o nouă eră pentru fotodetectoarele bazate pe litiu niobat, permițând dispozitivelor să combine avantajele ambelor efecte. Și pentru a compensa neajunsurile și pentru a obține o integrare complementară a avantajelor, este un punct de cercetare în ultimii ani. În plus, utilizarea implantării ionice, a ingineriei benzilor 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 în continuare cu provocări mari, cum ar fi integrarea scăzută, dispozitive și sisteme imagistice pentru matrice și performanțe insuficiente, care are o valoare și spațiu de cercetare deosebită.

Figura 1, folosind stările de energie a defectelor din banda LN ca centre de donatori de electroni, transportatorii de încărcare liberă sunt generați în banda de conducere sub excitație de lumină vizibilă. În comparație cu fotodetectoarele anterioare Piricectrice LN, care au fost de obicei limitate la o viteză de răspuns de aproximativ 100Hz, 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 obține modularea luminii externe cu un răspuns de până la 10kHz. Această lucrare promovează cercetarea privind performanța șiFotodetectoare LN de mare vitezăÎn construcția de cipuri fototonice integrate cu un singur cip complet funcțional.
În rezumat, domeniul de cercetare alFotodetectoare niobate de litiu subțireAre o semnificație științifică importantă și un potențial practic de aplicare practic. În viitor, odată cu dezvoltarea tehnologiei și aprofundarea cercetării, se vor dezvolta fotodetectoare cu litiu subțire de litiu niobate (LN) pentru o integrare mai mare. Combinarea diferitelor metode de integrare pentru a realiza un răspuns rapid, și cu bandă largă, fotodetectoare niobate de litiu subțire cu bandă subțire în toate aspectele vor deveni o realitate, ceea ce va promova foarte mult dezvoltarea integrării pe cip și a câmpurilor de detectare inteligentă și va oferi mai multe posibilități pentru Noua generație de aplicații fotonice.