Tynnfilms litiumniobat (LN) fotodetektor

Tynnfilms litiumniobat (LN) fotodetektor

Litiumniobat (LN) har en unik krystallstruktur og rike fysiske effekter, som ikke-lineære effekter, elektrooptiske effekter, pyroelektriske effekter og piezoelektriske effekter. Samtidig har det fordelene med bredbåndet optisk transparensvindu og langsiktig stabilitet. Disse egenskapene gjør LN til en viktig plattform for den nye generasjonen av integrert fotonikk. I optiske enheter og optoelektroniske systemer kan LNs egenskaper gi rike funksjoner og ytelse, noe som fremmer utviklingen av optisk kommunikasjon, optisk databehandling og optiske sensorfelt. På grunn av de svake absorpsjons- og isolasjonsegenskapene til litiumniobat står imidlertid den integrerte anvendelsen av litiumniobat fortsatt overfor problemet med vanskelig deteksjon. I de senere år har rapporter på dette feltet hovedsakelig omfattet bølgelederintegrerte fotodetektorer og heterojunksjonsfotodetektorer.
Den bølgelederintegrerte fotodetektoren basert på litiumniobat fokuserer vanligvis på det optiske kommunikasjonsbåndet C (1525-1565 nm). Når det gjelder funksjon, spiller LN hovedsakelig rollen som guidede bølger, mens den optoelektroniske deteksjonsfunksjonen hovedsakelig er avhengig av halvledere som silisium, III-V-gruppe halvledere med smalt båndgap og todimensjonale materialer. I en slik arkitektur overføres lys gjennom optiske bølgeledere av litiumniobat med lavt tap, og absorberes deretter av andre halvledermaterialer basert på fotoelektriske effekter (som fotokonduktivitet eller fotovoltaiske effekter) for å øke bærerkonsentrasjonen og konvertere den til elektriske signaler for utgang. Fordelene er høy driftsbåndbredde (~GHz), lav driftsspenning, liten størrelse og kompatibilitet med fotonisk chipintegrasjon. På grunn av den romlige separasjonen av litiumniobat og halvledermaterialer, selv om de hver utfører sine egne funksjoner, spiller LN imidlertid bare en rolle i å lede bølger, og andre utmerkede fremmedegenskaper har ikke blitt godt utnyttet. Halvledermaterialer spiller bare en rolle i fotoelektrisk konvertering og mangler komplementær kobling med hverandre, noe som resulterer i et relativt begrenset driftsbånd. Når det gjelder spesifikk implementering, resulterer koblingen av lys fra lyskilden til den optiske bølgelederen av litiumniobat i betydelige tap og strenge prosesskrav. I tillegg er den faktiske optiske effekten til lyset som bestråles på halvlederenhetens kanal i koblingsområdet vanskelig å kalibrere, noe som begrenser deteksjonsytelsen.
Det tradisjonellefotodetektorerBrukt til bildebehandlingsapplikasjoner er vanligvis basert på halvledermaterialer. Derfor gjør den lave lysabsorpsjonshastigheten og isolerende egenskapene for litiumniobat det utvilsomt ikke foretrukket av fotodetektorforskere, og til og med et vanskelig punkt i feltet. Utviklingen av heterojunksjonsteknologi de siste årene har imidlertid gitt håp til forskningen på litiumniobatbaserte fotodetektorer. Andre materialer med sterk lysabsorpsjon eller utmerket konduktivitet kan integreres heterogent med litiumniobat for å kompensere for manglene. Samtidig kan de spontane polarisasjonsinduserte pyroelektriske egenskapene til litiumniobat på grunn av dets strukturelle anisotropi kontrolleres ved å konvertere til varme under lysbestråling, og dermed endre de pyroelektriske egenskapene for optoelektronisk deteksjon. Denne termiske effekten har fordelene med bredbånd og selvdrift, og kan godt komplementeres og fusjoneres med andre materialer. Den synkrone utnyttelsen av termiske og fotoelektriske effekter har åpnet en ny æra for litiumniobatbaserte fotodetektorer, noe som gjør det mulig for enheter å kombinere fordelene med begge effektene. Og for å kompensere for manglene og oppnå komplementær integrering av fordeler, har det vært et forskningsfokus de siste årene. I tillegg er bruk av ionimplantasjon, båndteknikk og defektteknikk også et godt valg for å løse vanskeligheten med å detektere litiumniobat. På grunn av den høye prosesseringsvanskeligheten til litiumniobat står dette feltet imidlertid fortsatt overfor store utfordringer som lav integrasjon, array-avbildningsenheter og -systemer og utilstrekkelig ytelse, noe som har stor forskningsverdi og plass.

Figur 1, der defektenergitilstandene i LN-båndgapet brukes som elektrondonorsentre, genereres frie ladningsbærere i ledningsbåndet under eksitasjon av synlig lys. Sammenlignet med tidligere pyroelektriske LN-fotodetektorer, som vanligvis var begrenset til en responshastighet på rundt 100 Hz, har denneLN-fotodetektorhar en raskere responshastighet på opptil 10 kHz. Samtidig ble det i dette arbeidet vist at magnesiumiondopet LN kan oppnå ekstern lysmodulasjon med en respons på opptil 10 kHz. Dette arbeidet fremmer forskningen på høy ytelse oghøyhastighets LN-fotodetektoreri konstruksjonen av fullt funksjonelle enkeltbrikkeintegrerte LN-fotoniske brikker.
Oppsummert, forskningsfeltet tiltynnfilm litiumniobat fotodetektorerhar viktig vitenskapelig betydning og et enormt praktisk anvendelsespotensial. I fremtiden, med utviklingen av teknologi og fordypning av forskning, vil tynnfilmslitiumniobat (LN)-fotodetektorer utvikles mot høyere integrasjon. Kombinasjonen av ulike integrasjonsmetoder for å oppnå høy ytelse, rask respons og bredbånds tynnfilmslitiumniobat-fotodetektorer i alle aspekter vil bli en realitet, noe som i stor grad vil fremme utviklingen av integrasjon på brikken og intelligente sensorfelt, og gi flere muligheter for den nye generasjonen fotoniske applikasjoner.