Vékonyrétegű lítium-niobát (LN) fotodetektor

Vékonyrétegű lítium-niobát (LN) fotodetektor

A lítium-niobát (LN) egyedi kristályszerkezettel és gazdag fizikai hatásokkal rendelkezik, mint például nemlineáris effektusok, elektrooptikai effektusok, piroelektromos effektusok és piezoelektromos effektusok. Ugyanakkor szélessávú optikai átlátszósági ablakkal és hosszú távú stabilitással rendelkezik. Ezek a tulajdonságok teszik az LN-t fontos platformmá az integrált fotonika új generációjához. Optikai eszközökben és optoelektronikai rendszerekben az LN tulajdonságai gazdag funkciókat és teljesítményt biztosíthatnak, elősegítve az optikai kommunikáció, az optikai számítástechnika és az optikai érzékelő mezők fejlődését. A lítium-niobát gyenge abszorpciós és szigetelő tulajdonságai miatt azonban a lítium-niobát integrált alkalmazása továbbra is nehézkes detektálással küzd. Az elmúlt években az ezen a területen megjelent jelentések főként hullámvezető integrált fotodetektorokról és heteroátmenetes fotodetektorokról szólnak.
A lítium-niobát alapú hullámvezetős integrált fotodetektor általában az optikai kommunikációs C-sávra (1525-1565 nm) összpontosít. Funkcióját tekintve az LN főként a vezetett hullámok szerepét tölti be, míg az optoelektronikai detektálási funkció főként félvezetőkre, például szilíciumra, III-V csoportú keskeny tiltott sávú félvezetőkre és kétdimenziós anyagokra támaszkodik. Egy ilyen architektúrában a fényt alacsony veszteséggel lítium-niobát optikai hullámvezetőkön keresztül vezetik át, majd más félvezető anyagok elnyelik a fotoelektromos hatások (például a fotovezetés vagy a fotovoltaikus hatások) alapján, hogy növeljék a vivőkoncentrációt, és elektromos jelekké alakítsák a kimenethez. Az előnyök a nagy üzemi sávszélesség (~GHz), az alacsony üzemi feszültség, a kis méret és a fotonikus chip integrációval való kompatibilitás. A lítium-niobát és a félvezető anyagok térbeli elválasztása miatt azonban, bár mindegyik ellátja a saját funkcióját, az LN csak a hullámok vezetésében játszik szerepet, és más kiváló idegen tulajdonságait nem használták ki jól. A félvezető anyagok csak a fotoelektromos átalakításban játszanak szerepet, és hiányzik belőlük a kiegészítő csatolás egymással, ami viszonylag korlátozott működési sávot eredményez. A konkrét megvalósítás szempontjából a fényforrásból a lítium-niobát optikai hullámvezetőbe történő fénycsatolás jelentős veszteségeket és szigorú folyamatkövetelményeket eredményez. Ezenkívül a félvezető eszköz csatornájára a csatolási tartományban besugárzott fény tényleges optikai teljesítménye nehezen kalibrálható, ami korlátozza az érzékelési teljesítményét.
A hagyományosfotodetektorokA képalkotó alkalmazásokban használt anyagok általában félvezető anyagokon alapulnak. Ezért a lítium-niobát alacsony fényelnyelési sebessége és szigetelő tulajdonságai kétségtelenül nem teszik a fotodetektor-kutatók kedvencévé, sőt, nehéz ponttá teszik a területen. Az utóbbi években a heteroátmenet-technológia fejlődése azonban reményt adott a lítium-niobát alapú fotodetektorok kutatásába. Más, erős fényelnyeléssel vagy kiváló vezetőképességgel rendelkező anyagok heterogén módon integrálhatók a lítium-niobáttal, hogy kompenzálják a hiányosságait. Ugyanakkor a lítium-niobát spontán polarizáció által kiváltott piroelektromos tulajdonságai, amelyek szerkezeti anizotrópiájának köszönhetők, fénybesugárzás hatására hővé alakíthatók, ezáltal megváltoztatva a piroelektromos jellemzőket az optoelektronikai detektáláshoz. Ez a termikus hatás szélessávú és önvezető tulajdonságokkal rendelkezik, és jól kiegészíthető és kombinálható más anyagokkal. A termikus és fotoelektromos hatások egyidejű kihasználása új korszakot nyitott a lítium-niobát alapú fotodetektorok számára, lehetővé téve az eszközök számára, hogy mindkét hatás előnyeit ötvözzék. A hiányosságok pótlása és az előnyök kiegészítő integrációjának elérése érdekében az utóbbi években kutatási gócponttá vált. Ezenkívül az ionimplantáció, a sávmérnökség és a hibamérnökség alkalmazása is jó választás a lítium-niobát kimutatásának nehézségeinek megoldására. A lítium-niobát magas feldolgozási nehézségei miatt azonban ez a terület továbbra is nagy kihívásokkal néz szembe, mint például az alacsony integráció, a tömbképalkotó eszközök és rendszerek, valamint az elégtelen teljesítmény, ami nagy kutatási értékkel és térrel bír.

Az 1. ábrán az LN tiltott sávon belüli hibaenergia-állapotokat elektrondonor központokként használva látható fény gerjesztése alatt szabad töltéshordozók keletkeznek a vezetési sávban. A korábbi piroelektromos LN fotodetektorokhoz képest, amelyek jellemzően 100 Hz körüli válaszsebességre korlátozódtak, ez aLN fotodetektorakár 10 kHz-es válaszidőt is elérhet. Eközben ebben a munkában kimutatták, hogy a magnéziumionnal adalékolt lángócukor akár 10 kHz-es külső fénymodulációt is képes elérni. Ez a munka elősegíti a nagy teljesítményű ésnagy sebességű LN fotodetektoroka teljesen működőképes, egycsipbe integrált LN fotonikus chipek építésében.
Összefoglalva, a kutatási területvékonyrétegű lítium-niobát fotodetektorokfontos tudományos jelentőséggel és hatalmas gyakorlati alkalmazási potenciállal rendelkezik. A jövőben, a technológia fejlődésével és a kutatás elmélyülésével, a vékonyrétegű lítium-niobát (LN) fotodetektorok a nagyobb integráció felé fognak fejlődni. A különböző integrációs módszerek kombinálása a nagy teljesítményű, gyors válaszidejű és szélessávú vékonyrétegű lítium-niobát fotodetektorok elérése érdekében minden szempontból valósággá válik, ami nagymértékben elősegíti a chipre integrált integráció és az intelligens érzékelési területek fejlődését, és több lehetőséget biztosít az új generációs fotonikai alkalmazások számára.