Tenkovrstvý fotodetektor z lithium-niobátu (LN)

Tenkovrstvý fotodetektor z lithium-niobátu (LN)

Niobát lithný (LN) má jedinečnou krystalovou strukturu a bohaté fyzikální efekty, jako jsou nelineární efekty, elektrooptické efekty, pyroelektrické efekty a piezoelektrické efekty. Zároveň má výhody širokopásmového optického okna průhlednosti a dlouhodobé stability. Díky těmto vlastnostem je LN důležitou platformou pro novou generaci integrované fotoniky. V optických zařízeních a optoelektronických systémech mohou vlastnosti LN poskytovat bohaté funkce a výkon, což podporuje rozvoj optické komunikace, optických výpočtů a optického snímání. Vzhledem k slabým absorpčním a izolačním vlastnostem niobátu lithného se však integrované použití niobátu lithného stále potýká s problémem obtížné detekce. V posledních letech se zprávy v této oblasti zabývají především fotodetektory integrovanými do vlnovodů a heterojunkčními fotodetektory.
Integrovaný fotodetektor s vlnovodem na bázi niobátu lithného se obvykle zaměřuje na optické komunikační pásmo C (1525-1565 nm). Z hlediska funkce hraje niobát lithný (LN) hlavně roli vedených vln, zatímco optoelektronická detekční funkce se spoléhá hlavně na polovodiče, jako je křemík, polovodiče III-V skupiny s úzkým zakázaným pásmem a dvourozměrné materiály. V takové architektuře je světlo propouštěno optickými vlnovody z niobátu lithného s nízkými ztrátami a poté absorbováno jinými polovodičovými materiály na základě fotoelektrických efektů (jako je fotovodivost nebo fotovoltaické efekty), čímž se zvyšuje koncentrace nosičů náboje a převádí se na elektrické signály pro výstup. Výhodami jsou vysoká provozní šířka pásma (~ GHz), nízké provozní napětí, malá velikost a kompatibilita s integrací fotonického čipu. Vzhledem k prostorovému oddělení niobátu lithného a polovodičových materiálů, ačkoli každý z nich plní své vlastní funkce, však LN hraje roli pouze ve vedení vln a další vynikající cizí vlastnosti nebyly dobře využity. Polovodičové materiály hrají roli pouze ve fotoelektrické konverzi a chybí jim vzájemná komplementární vazba, což má za následek relativně omezené provozní pásmo. Z hlediska konkrétní implementace vede vazba světla ze světelného zdroje na optický vlnovod z niobátu lithného k významným ztrátám a přísným procesním požadavkům. Kromě toho je obtížné kalibrovat skutečný optický výkon světla ozařovaného na kanál polovodičového zařízení v oblasti vazby, což omezuje jeho detekční výkon.
TradičnífotodetektoryPoužívané pro zobrazovací aplikace jsou obvykle založeny na polovodičových materiálech. Proto je niobát lithný kvůli své nízké míře absorpce světla a izolačním vlastnostem nepochybně neoblíbený u výzkumníků fotodetektorů a dokonce představuje obtížné místo v oboru. Vývoj technologie heterogenních přechodů v posledních letech však přinesl naději do výzkumu fotodetektorů na bázi niobátu lithného. Jiné materiály se silnou absorpcí světla nebo vynikající vodivostí mohou být heterogenně integrovány s niobátem lithným, aby se kompenzovaly jeho nedostatky. Zároveň lze řídit pyroelektrické vlastnosti niobátu lithného indukované spontánní polarizací v důsledku jeho strukturní anizotropie přeměnou na teplo za světelného záření, čímž se mění pyroelektrické vlastnosti pro optoelektronickou detekci. Tento tepelný efekt má výhody širokopásmového a samočinného řízení a lze jej dobře doplňovat a kombinovat s jinými materiály. Synchronní využití tepelných a fotoelektrických efektů otevřelo novou éru pro fotodetektory na bázi niobátu lithného a umožnilo zařízením kombinovat výhody obou efektů. A aby se vyrovnaly nedostatky a dosáhlo se doplňkové integrace výhod, stal se v posledních letech výzkumným bodem. Kromě toho je dobrou volbou pro řešení obtíží s detekcí niobátu lithného využití iontové implantace, pásového inženýrství a inženýrství defektů. Vzhledem k vysoké obtížnosti zpracování niobátu lithného však tato oblast stále čelí velkým výzvám, jako je nízká integrace, zobrazovací zařízení a systémy s maticovým polem a nedostatečný výkon, což má velkou výzkumnou hodnotu a prostor pro výzkum.

Na obrázku 1, kde jsou jako elektronová donorová centra použity stavy defektní energie v pásmu LN, se při excitaci viditelným světlem generují volné nosiče náboje ve vodivostním pásmu. Ve srovnání s předchozími pyroelektrickými LN fotodetektory, které byly obvykle omezeny na rychlost odezvy kolem 100 Hz, se tento...LN fotodetektormá rychlejší rychlost odezvy až 10 kHz. V této práci bylo zároveň prokázáno, že LN dopovaný ionty hořčíku může dosáhnout externí modulace světla s odezvou až 10 kHz. Tato práce podporuje výzkum vysoce výkonných avysokorychlostní LN fotodetektorypři konstrukci plně funkčních jednočipových integrovaných fotonických čipů LN.
Stručně řečeno, oblast výzkumutenkovrstvé fotodetektory z niobátu lithiamá důležitý vědecký význam a obrovský praktický aplikační potenciál. V budoucnu se s rozvojem technologií a prohlubováním výzkumu tenkovrstvé fotodetektory na bázi lithium-niobátu (LN) budou vyvíjet směrem k vyšší integraci. Kombinace různých integračních metod pro dosažení vysoce výkonných, rychlých a širokopásmových tenkovrstvých fotodetektorů na bázi lithium-niobátu ve všech aspektech se stane realitou, což výrazně podpoří rozvoj integrace na čipu a inteligentních snímacích polí a poskytne více možností pro novou generaci fotonických aplikací.