Тенкофилмски литиум ниобат (LN) фотодетектор

Тенкофилмски литиум ниобат (LN) фотодетектор

Литиум ниобатот (LN) има единствена кристална структура и богати физички ефекти, како што се нелинеарни ефекти, електрооптички ефекти, пироелектрични ефекти и пиезоелектрични ефекти. Во исто време, има предности на широкопојасен оптички прозорец за транспарентност и долгорочна стабилност. Овие карактеристики го прават LN важна платформа за новата генерација на интегрирана фотоника. Во оптичките уреди и оптоелектронските системи, карактеристиките на LN можат да обезбедат богати функции и перформанси, промовирајќи го развојот на оптичката комуникација, оптичкото пресметување и оптичките сензорски полиња. Сепак, поради слабите апсорпциони и изолациски својства на литиум ниобатот, интегрираната примена на литиум ниобатот сè уште се соочува со проблемот на тешко откривање. Во последниве години, извештаите во оваа област главно вклучуваат фотодетектори интегрирани со брановоди и фотодетектори со хетероспојки.
Фотодетекторот интегриран со брановиден систем базиран на литиум ниобат обично е фокусиран на оптичкиот комуникациски C-опсег (1525-1565 nm). Во однос на функцијата, LN главно игра улога на водени бранови, додека функцијата на оптоелектронско откривање главно се потпира на полупроводници како што се силициум, полупроводници со тесен енергетски јаз од III-V група и дводимензионални материјали. Во таква архитектура, светлината се пренесува преку оптички брановидни системи од литиум ниобат со мали загуби, а потоа се апсорбира од други полупроводнички материјали врз основа на фотоелектрични ефекти (како што се фотоспроводливост или фотоволтаични ефекти) за да се зголеми концентрацијата на носители и да се конвертира во електрични сигнали за излез. Предностите се висок работен пропусен опсег (~GHz), низок работен напон, мала големина и компатибилност со интеграцијата на фотонски чипови. Сепак, поради просторната одвоеност на литиум ниобатот и полупроводничките материјали, иако секој од нив ги извршува своите функции, LN игра улога само во водењето на брановите, а другите одлични туѓи својства не се добро искористени. Полупроводничките материјали играат улога само во фотоелектричната конверзија и немаат комплементарно спојување едни со други, што резултира со релативно ограничен работен опсег. Во однос на специфичната имплементација, спојувањето на светлината од изворот на светлина до оптичкиот брановоден литиум ниобат резултира со значителни загуби и строги барања за процесот. Покрај тоа, вистинската оптичка моќност на светлината озрачена врз каналот на полупроводничкиот уред во регионот на спојување е тешко да се калибрира, што ги ограничува неговите перформанси на детекција.
ТрадиционалниотфотодетекториМатеријалите што се користат за апликации за снимање обично се базираат на полупроводнички материјали. Затоа, за литиум ниобатот, неговата ниска стапка на апсорпција на светлина и изолациските својства несомнено го прават неомилен кај истражувачите на фотодетектори, па дури и тешка точка во оваа област. Сепак, развојот на технологијата за хетероспојување во последниве години донесе надеж во истражувањето на фотодетекторите базирани на литиум ниобат. Други материјали со силна апсорпција на светлина или одлична спроводливост можат хетерогено да се интегрираат со литиум ниобат за да се компензираат неговите недостатоци. Во исто време, пироелектричните карактеристики на литиум ниобат предизвикани од спонтана поларизација поради неговата структурна анизотропија може да се контролираат со претворање во топлина под светлосно зрачење, со што се менуваат пироелектричните карактеристики за оптоелектронско откривање. Овој термички ефект има предности на широкопојасен и самоуправувачки материјал и може добро да се надополни и спои со други материјали. Синхроното користење на термички и фотоелектрични ефекти отвори нова ера за фотодетекторите базирани на литиум ниобат, овозможувајќи им на уредите да ги комбинираат предностите на двата ефекти. И за да се надоместат недостатоците и да се постигне комплементарна интеграција на предностите, тој е истражувачко жариште во последниве години. Покрај тоа, користењето на јонска имплантација, лентно инженерство и дефектно инженерство е исто така добар избор за решавање на тешкотиите при откривање на литиум ниобат. Сепак, поради големата тешкотија при обработка на литиум ниобат, оваа област сè уште се соочува со големи предизвици како што се ниска интеграција, уреди и системи за снимање низи и недоволни перформанси, што има голема истражувачка вредност и простор.

Слика 1, користејќи ги енергетските состојби на дефекти во рамките на LN енергетскиот јаз како центри за донација на електрони, се генерираат слободни носители на полнеж во спроводливиот опсег под побудување од видлива светлина. Во споредба со претходните пироелектрични LN фотодетектори, кои обично беа ограничени на брзина на одговор од околу 100Hz, оваLN фотодетекторима поголема брзина на одговор до 10kHz. Во меѓувреме, во оваа работа, беше демонстрирано дека LN допиран со магнезиумски јони може да постигне модулација на надворешна светлина со одговор до 10kHz. Оваа работа го промовира истражувањето за високо-перформансни ивисокобрзински LN фотодетекториво конструкцијата на целосно функционални едночипни интегрирани LN фотонски чипови.
Накратко, полето на истражување натенкофилмски литиум ниобатни фотодетекториима важно научно значење и огромен потенцијал за практична примена. Во иднина, со развојот на технологијата и продлабочувањето на истражувањата, тенкослојните фотодетектори со литиум ниобат (LN) ќе се развиваат кон повисока интеграција. Комбинирањето на различни методи на интеграција за постигнување на високо-перформансни, брз одзив и широкопојасни тенкослојни фотодетектори со литиум ниобат во сите аспекти ќе стане реалност, што во голема мера ќе го промовира развојот на интеграција на чип и интелигентни сензорски полиња и ќе обезбеди повеќе можности за новата генерација на фотонски апликации.