Танкослојни фотодетектор литијум-ниобата (LN)
Литијум ниобат (LN) има јединствену кристалну структуру и богате физичке ефекте, као што су нелинеарни ефекти, електрооптички ефекти, пироелектрични ефекти и пиезоелектрични ефекти. Истовремено, има предности широкопојасног оптичког прозора транспарентности и дугорочне стабилности. Ове карактеристике чине LN важном платформом за нову генерацију интегрисане фотонике. У оптичким уређајима и оптоелектронским системима, карактеристике LN могу да обезбеде богате функције и перформансе, промовишући развој оптичке комуникације, оптичког рачунарства и оптичког сензорског поља. Међутим, због слабих апсорпционих и изолационих својстава литијум ниобата, интегрисана примена литијум ниобата се и даље суочава са проблемом тешке детекције. Последњих година, извештаји у овој области углавном укључују фотодетекторе интегрисане у таласоводе и фотодетекторе са хетероспојом.
Фотодетектор интегрисан у таласоводу базиран на литијум ниобату обично је фокусиран на оптички комуникациони C-опсег (1525-1565nm). Што се тиче функције, LN углавном игра улогу вођених таласа, док се функција оптоелектронске детекције углавном ослања на полупроводнике као што су силицијум, полупроводници са уским енергетским процепом III-V групе и дводимензионални материјали. У таквој архитектури, светлост се преноси кроз оптичке таласоводе литијум ниобата са малим губицима, а затим је апсорбују други полупроводнички материјали засновани на фотоелектричним ефектима (као што су фотопроводљивост или фотонапонски ефекти) како би се повећала концентрација носилаца и претворила у електричне сигнале за излаз. Предности су висок радни пропусни опсег (~GHz), низак радни напон, мала величина и компатибилност са интеграцијом фотонског чипа. Међутим, због просторног раздвајања литијум ниобата и полупроводничких материјала, иако сваки обавља своје функције, LN игра улогу само у вођењу таласа, а друга одлична страна својства нису добро искоришћена. Полупроводнички материјали играју улогу само у фотоелектричној конверзији и немају комплементарно спрезање једни са другима, што резултира релативно ограниченим радним опсегом. Што се тиче специфичне имплементације, спрезање светлости од извора светлости до оптичког таласоводa од литијум-ниобата резултира значајним губицима и строгим захтевима процеса. Поред тога, стварну оптичку снагу светлости која зрачи на канал полупроводничког уређаја у области спрезања је тешко калибрисати, што ограничава њене перформансе детекције.
ТрадиционалнифотодетекториКоришћени за примене снимања обично се заснивају на полупроводничким материјалима. Стога, литијум ниобат, због своје ниске стопе апсорпције светлости и изолационих својстава, несумњиво није фаворизован од стране истраживача фотодетектора, па чак и представља тешку тачку у овој области. Међутим, развој технологије хетероспоја последњих година донео је наду у истраживање фотодетектора на бази литијум ниобата. Други материјали са јаком апсорпцијом светлости или одличном проводљивошћу могу се хетерогено интегрисати са литијум ниобатом како би се надокнадили његови недостаци. Истовремено, спонтано поларизационе пироелектричне карактеристике литијум ниобата, због његове структурне анизотропије, могу се контролисати претварањем у топлоту под светлосним зрачењем, чиме се мењају пироелектричне карактеристике за оптоелектронску детекцију. Овај термички ефекат има предности широког опсега и самопогона, и може се добро допунити и спојити са другим материјалима. Синхрона употреба термичких и фотоелектричних ефеката отворила је нову еру за фотодетекторе на бази литијум ниобата, омогућавајући уређајима да комбинују предности оба ефекта. А да би се надокнадили недостаци и постигла комплементарна интеграција предности, то је истраживачка жаришта последњих година. Поред тога, коришћење јонске имплантације, инжењеринга трака и инжењеринга дефеката је такође добар избор за решавање тешкоћа детекције литијум ниобата. Међутим, због велике тежине обраде литијум ниобата, ова област се и даље суочава са великим изазовима као што су ниска интеграција, уређаји и системи за снимање низова и недовољне перформансе, што има велику истраживачку вредност и простор.
На слици 1, користећи енергетска стања дефекта унутар LN забрањене зоне као центре донора електрона, слободни носиоци наелектрисања се генеришу у проводној зони под побудом видљивом светлошћу. У поређењу са претходним пироелектричним LN фотодетекторима, који су обично били ограничени на брзину одзива од око 100Hz, овајЛН фотодетекторима бржу брзину одзива до 10 kHz. У међувремену, у овом раду је показано да LN допирани јонима магнезијума може постићи спољашњу модулацију светлости са одзивом до 10 kHz. Овај рад промовише истраживање високоперформансних ифотодетектори велике брзине LNу конструкцији потпуно функционалних једночипних интегрисаних ЛН фотонских чипова.
Укратко, област истраживањаТанкослојни фотодетектори литијум-ниобатаима важан научни значај и огроман потенцијал практичне примене. У будућности, са развојем технологије и продубљивањем истраживања, танкослојни фотодетектори литијум ниобата (LN) ће се развијати ка већој интеграцији. Комбиновање различитих метода интеграције ради постизања високоперформансних, брзог одзива и широкопојасних танкослојних фотодетектора литијум ниобата у свим аспектима постаће стварност, што ће значајно промовисати развој интеграције на чипу и интелигентних сензорских поља, и пружити више могућности за нову генерацију фотонских примена.
Време објаве: 17. фебруар 2025.