Tynn film litium niobate (ln) fotodetektor

Tynn film litium niobate (ln) fotodetektor

Litium niobate (LN) har en unik krystallstruktur og rike fysiske effekter, for eksempel ikke-lineære effekter, elektrooptiske effekter, pyroelektriske effekter og piezoelektriske effekter. Samtidig har det fordelene med bredbånd optisk gjennomsiktighetsvindu og langsiktig stabilitet. Disse egenskapene gjør LN til en viktig plattform for den nye generasjonen integrert fotonikk. I optiske enheter og optoelektroniske systemer kan egenskapene til LN gi rike funksjoner og ytelse, og fremme 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 fremdeles overfor problemet med vanskelig deteksjon. De siste årene inkluderer rapporter på dette feltet hovedsakelig bølgeleder integrerte fotodetektorer og heterojunksjonsfotodetektorer.
Bølgelederen integrerte fotodetektor basert på litiumniobat er vanligvis fokusert på den optiske kommunikasjonen C-båndet (1525-1565NM). Når det gjelder funksjon, spiller LN hovedsakelig rollen som guidede bølger, mens den optoelektroniske deteksjonsfunksjonen hovedsakelig er avhengig av halvledere som silisium, III-V-gruppen smale bandgap-halvledere og todimensjonale materialer. I en slik arkitektur overføres lys gjennom litiumniobatoptiske bølgeledere med lavt tap, og deretter absorbert av andre halvledermaterialer basert på fotoelektriske effekter (for eksempel fotokonduktivitet eller fotovoltaiske effekter) for å øke bærerkonsentrasjonen og konvertere den til elektriske signaler for output. Fordelene er høy driftsbåndbredde (~ GHz), lav driftsspenning, liten størrelse og kompatibilitet med fotonisk brikkeintegrasjon. På grunn av den romlige separasjonen av litiumniobat- og halvledermaterialer, selv om de hver utfører sine egne funksjoner, spiller LN bare en rolle i å veilede bølger og andre utmerkede utenlandske egenskaper ikke har blitt godt brukt. 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 litium niobat optisk bølgeleder i betydelige tap og strenge prosessbehov. I tillegg er den faktiske optiske kraften til lyset bestrålet på halvlederenhetskanalen i koblingsregionen vanskelig å kalibrere, noe som begrenser deteksjonsytelsen.
Det tradisjonelleFotodetektorerBrukes til avbildningsapplikasjoner er vanligvis basert på halvledermaterialer. Derfor, for litiumniobat, gjør dets lavlysabsorpsjonshastighet og isolerende egenskaper det utvilsomt ikke foretrukket av fotodetektorforskere, og til og med et vanskelig punkt i feltet. Imidlertid har utviklingen av heterojunksjonsteknologi de siste årene brakt håp til forskning av litiumniobatbaserte fotodetektorer. Andre materialer med sterk lysabsorpsjon eller utmerket konduktivitet kan integreres heterogent med litiumniobat for å kompensere for manglene. Samtidig induserte den spontane polarisasjonen pyroelektriske egenskaper ved litiumniobat på grunn av dens strukturelle anisotropi kan 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 selvkjøring, og kan godt kompletteres og smeltes sammen med andre materialer. Den synkrone utnyttelsen av termiske og fotoelektriske effekter har åpnet en ny epoke for litiumniobatbaserte fotodetektorer, slik at enheter kan kombinere fordelene ved begge effektene. Og for å gjøre opp for manglene og oppnå komplementær integrering av fordeler, er det et forskningshotspot de siste årene. I tillegg er bruk av ionimplantasjon, båndteknikk og defektingeniør også et godt valg for å løse vanskeligheten med å oppdage litiumniobat. På grunn av den høye prosesseringsvanskeligheten med litiumniobat, står imidlertid dette feltet overfor store utfordringer som lav integrasjon, matrise -avbildningsenheter og systemer, og utilstrekkelig ytelse, som har stor forskningsverdi og plass.

Figur 1, ved bruk av defektenergitilstander innenfor LN -bandgap som elektrondonorsentre, genereres frie ladningsbærere i ledningsbåndet under synlig lyseksitasjon. Sammenlignet med tidligere pyroelektriske LN -fotodetektorer, som vanligvis var begrenset til en responshastighet på rundt 100Hz, detteLN fotodetektorHar en raskere responshastighet på opptil 10 kHz. I mellomtiden ble det i dette arbeidet demonstrert at magnesiumion -dopet 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 funksjonell enkeltbrikke integrerte LN-fotoniske brikker.
Oppsummert, forskningsfeltet tiltynn film litium niobate fotodetektorerhar viktig vitenskapelig betydning og enormt praktisk anvendelsespotensial. I fremtiden, med utvikling av teknologi og utdyping av forskning, vil tynnfilm litium niobate (LN) fotodetektorer utvikle seg mot høyere integrasjon. Å kombinere forskjellige integrasjonsmetoder for å oppnå høy ytelse, rask respons og bredbånd tynnfilm litiumniobatfotodetektorer i alle aspekter vil bli en realitet, noe som i stor grad vil fremme utviklingen av integrering og intelligent sensingfelt, og gi flere muligheter for den chip-integrasjonen og intelligente sensingfeltene, og gi flere muligheter for den Ny generasjon fotonikkapplikasjoner.