Vékonyréteg -lítium -niobát (LN) fotodetektor

Vékonyréteg -lítium -niobát (LN) fotodetektor

A lítium-niobát (LN) egyedi kristályszerkezete és gazdag fizikai hatásai, például nemlineáris hatások, elektro-optikai hatások, piroelektromos hatások és piezoelektromos hatások. Ugyanakkor előnyei vannak a szélessávú optikai átláthatósági ablaknak és a hosszú távú stabilitásnak. Ezek a tulajdonságok az integrált fotonika új generációjának fontos platformjává teszik. Az optikai eszközökben és az optoelektronikus rendszerekben az LN jellemzői gazdag funkciókat és teljesítményt nyújthatnak, elősegítve az optikai kommunikáció, az optikai számítástechnika és az optikai érzékelő mezők fejlesztését. A lítium -niobát gyenge abszorpciós és szigetelési tulajdonságai miatt azonban a lítium -niobát integrált alkalmazása továbbra is szembesül a nehéz kimutatás problémájával. Az utóbbi években az ezen a területen szereplő jelentések elsősorban a hullámvezető integrált fotodetektorokat és a heterojunktív fotodetektorokat tartalmazzák.
A lítium-niobáton alapuló hullámvezető integrált fotodetektor általában az optikai kommunikációs C-sávra összpontosít (1525-1565Nm). A funkció szempontjából az LN elsősorban a vezetett hullámok szerepét játszik, míg az optoelektronikus detektálási funkció elsősorban félvezetőkre, például szilíciumra, III-V csoport keskeny sávos félvezetőkre és kétdimenziós anyagokra támaszkodik. Egy ilyen architektúrában a fényt alacsony veszteséggel rendelkező lítium -niobát -optikai hullámvezetőkön keresztül továbbítják, majd a fotoelektromos hatások (például a fotokonduktivitás vagy a fotovoltaikus hatások) alapú más félvezető anyagok által felszívják, hogy növeljék a hordozó koncentrációját, és átalakítsák azt elektromos jelekké. Az előnyök a nagy működési sávszélesség (~ GHz), az alacsony működési feszültség, a kis méret és a fotonikus chip integrációval való kompatibilitás. A lítium -niobát és a félvezető anyagok térbeli elválasztása miatt azonban, bár mindegyikük saját funkcióit látja el, az LN csak a hullámok irányításában játszik szerepet, és más kiváló idegen tulajdonságok nem használtak jól. A félvezető anyagok csak a fotoelektromos átalakításban szerepelnek, és nincs egymáshoz való kiegészítés, ami viszonylag korlátozott működési sávot eredményez. A konkrét megvalósítás szempontjából a fényforrásból a lítium -niobát optikai hullámvezetőhöz való kapcsolódása jelentős veszteségeket és szigorú folyamatigényeket eredményez. Ezenkívül a kapcsolási régióban a félvezető eszköz csatornájára besugárzott fény tényleges optikai teljesítménye nehéz kalibrálni, ami korlátozza annak kimutatási teljesítményét.
A hagyományosfotodetektorokA képalkotó alkalmazásokhoz általában félvezető anyagokon alapulnak. Ezért a lítium -niobát esetében a gyenge fényelnyelés sebessége és a szigetelő tulajdonságai kétségtelenül nem részesítik előnyben a fotodetektor kutatói, sőt a terület nehéz pontja is. Az utóbbi években a heterojunktus technológia fejlesztése azonban reményt hozott a lítium -niobát alapú fotodetektorok kutatására. Az erős fényelnyeléssel vagy kiváló vezetőképességgel rendelkező egyéb anyagok heterogén módon integrálhatók a lítium -niobátba, hogy kompenzálják a hiányosságokat. Ugyanakkor a spontán polarizáció által kiváltott lítium -niobát piroelektromos tulajdonságait szerkezeti anizotrópiának köszönhetően úgy lehet szabályozni, hogy hőre konvertálva könnyű besugárzás alatt, ezáltal megváltoztatva az optoelektronikus kimutatás piroelektromos tulajdonságait. Ennek a hőhatásnak a szélessávú és az önvezetés előnyei vannak, és jól kiegészíthetők és más anyagokkal összeolvadhatók. A termikus és fotoelektromos effektusok szinkron felhasználása új korszakot nyitott a lítium -niobát alapú fotodetektorok számára, lehetővé téve az eszközök számára, hogy mindkét hatás előnyeit kombinálják. A hiányosságok pótlására és az előnyök kiegészítő integrációjának elérése érdekében ez egy kutatási hotspot az utóbbi években. Ezenkívül az ionimplantáció, a zenekarmérnöki és a hibás tervezés felhasználása szintén jó választás a lítium -niobát kimutatásának nehézségének megoldására. A lítium -niobát magas feldolgozási nehézsége miatt azonban ez a mező továbbra is nagy kihívásokkal néz szembe, mint például az alacsony integráció, a tömb képalkotó eszközök és a rendszerek, valamint a nem megfelelő teljesítmény, amelynek nagy kutatási értéke és helye van.

Az 1. ábra, az LN sávszélességben lévő hibás energiaállapotok felhasználásával, mint elektron donorközpontok, szabad töltéshordozókat állítanak elő a vezetőképes sávban látható fény gerjesztés mellett. Összehasonlítva a korábbi piroelektromos LN fotodetektorokkal, amelyek általában körülbelül 100 Hz -es válaszsebességre korlátozódtak, ezLN fotodetektorgyorsabb válaszsebessége akár 10 kHz -ig. Eközben ebben a munkában kimutatták, hogy a magnéziumionok adalékolt LN -je akár 10 kHz -es válasz mellett elérheti a külső fénymodulációt. Ez a munka elősegíti a nagy teljesítményű ésnagysebességű LN fotodetektorokA teljesen működőképes, egycsipes integrált LN fotonikus chipek felépítésében.
Összefoglalva: a kutatási területvékonyréteg -lítium -niobate fotodetektorokfontos tudományos jelentőséggel bír és óriási gyakorlati alkalmazási potenciállal rendelkezik. A jövőben a technológia fejlesztésével és a kutatás elmélyítésével a vékonyréteg -lítium -niobát (LN) fotodetektorok fejlődnek a magasabb integráció felé. A különböző integrációs módszerek kombinálása a nagyteljesítményű, gyors válasz és a széles sávú, vékonyrétegű lítium-niobát-fotodetektorok minden szempontból valósággá válik, amely nagymértékben elősegíti a on-chip integráció és az intelligens érzékelő mezők fejlesztését, és további lehetőségeket kínál a A fotonikai alkalmazások új generációja.