Tynd film lithium niobate (LN) fotodetektor
Lithium niobate (LN) har en unik krystalstruktur og rige fysiske effekter, såsom ikke-lineære effekter, elektro-optiske effekter, pyroelektriske effekter og piezoelektriske effekter. På samme tid har det fordelene ved bredbånds optisk gennemsigtighedsvindue og langvarig stabilitet. Disse egenskaber gør LN til en vigtig platform for den nye generation af integreret fotonik. I optiske enheder og optoelektroniske systemer kan egenskaberne ved LN give rige funktioner og ydeevne og fremme udviklingen af optisk kommunikation, optisk computing og optiske sensingfelter. På grund af de svage absorptions- og isoleringsegenskaber ved lithium niobat står den integrerede anvendelse af lithium niobat imidlertid stadig over for vanskelig detektion. I de senere år inkluderer rapporter på dette område hovedsageligt bølgeleder integrerede fotodetektorer og heterojunktionsfotodetektorer.
Bølgelederens integrerede fotodetektor baseret på lithium niobat er normalt fokuseret på den optiske kommunikation C-bånd (1525-1565nm). Med hensyn til funktion spiller LN hovedsageligt rollen som guidede bølger, mens den optoelektroniske detektionsfunktion hovedsageligt er afhængig af halvledere, såsom silicium, III-V-gruppe smalle båndgap halvledere og to-dimensionelle materialer. I en sådan arkitektur overføres lys gennem lithium niobate optiske bølgeledere med lavt tab og absorberes derefter af andre halvledermaterialer baseret på fotoelektriske effekter (såsom fotoledningsevne eller fotovoltaiske effekter) for at øge bærekoncentrationen og omdanne det til elektriske signaler til output. Fordelene er høj driftsbåndbredde (~ GHz), lav driftsspænding, lille størrelse og kompatibilitet med fotonisk chipintegration. På grund af den rumlige adskillelse af lithium niobat- og halvledermaterialer, selvom de hver især udfører deres egne funktioner, spiller LN kun en rolle i at vejlede bølger og andre fremragende udenlandske egenskaber er ikke blevet udnyttet godt. Halvledermaterialer spiller kun en rolle i fotoelektrisk konvertering og mangler komplementær kobling med hinanden, hvilket resulterer i et relativt begrænset driftsbånd. Med hensyn til specifik implementering resulterer koblingen af lys fra lyskilden til lithium niobate optisk bølgeleder i betydelige tab og strenge procesbehov. Derudover er den faktiske optiske kraft af lyset, der er bestrålet på halvlederenhedskanalen i koblingsregionen, vanskelig at kalibrere, hvilket begrænser dens detektionsydelse.
Den traditionellefotodetektorerBruges til billeddannelsesapplikationer er normalt baseret på halvledermaterialer. Derfor for lithium niobat gør dens lave lysabsorptionshastighed og isolerende egenskaber det utvivlsomt ikke foretrukket af fotodetektorforskere og endda et vanskeligt punkt i marken. Imidlertid har udviklingen af heterojunction -teknologi i de senere år bragt håb til forskningen af lithium niobatbaserede fotodetektorer. Andre materialer med stærk lysabsorption eller fremragende ledningsevne kan integreres heterogent med lithium niobat for at kompensere for dens mangler. På samme tid kan den spontane polarisering inducerede pyroelektriske egenskaber ved lithium niobat på grund af dens strukturelle anisotropi kontrolleres ved konvertering til varme under let bestråling og derved ændre de pyroelektriske egenskaber for optoelektronisk detektion. Denne termiske effekt har fordelene ved bredbånd og selvkørsel og kan være godt komplementeret og smeltet sammen med andre materialer. Den synkrone anvendelse af termiske og fotoelektriske effekter har åbnet en ny æra for lithium -niobatbaserede fotodetektorer, hvilket gør det muligt for enheder at kombinere fordelene ved begge effekter. Og for at kompensere for manglerne og opnå komplementær integration af fordele, er det et forskningshotspot i de senere år. Derudover er anvendelsen af ionimplantation, båndteknik og defektteknik også et godt valg at løse vanskeligheden ved at detektere lithium niobat. På grund af den høje behandlingsvanskelighed af lithium niobat står dette felt stadig over for store udfordringer, såsom lav integration, array -billeddannelsesenheder og systemer og utilstrækkelig ydelse, som har stor forskningsværdi og plads.
Figur 1 ved hjælp af defektenergilater inden for LN -båndgap som elektrondonorcentre genereres frie ladningsbærere i ledningsbåndet under synlig lys excitation. Sammenlignet med tidligere pyroelektriske LN -fotodetektorer, som typisk var begrænset til en responshastighed på omkring 100Hz, detteLn fotodetektorHar en hurtigere responshastighed på op til 10 kHz. I mellemtiden blev det i dette arbejde demonstreret, at magnesiumion -dopet LN kan opnå ekstern lysmodulation med et respons på op til 10 kHz. Dette arbejde fremmer forskningen om højtydende ogHøjhastigheds LN-fotodetektorerI konstruktionen af fuldt funktionel enkelt-chip integrerede LN-fotoniske chips.
Sammenfattende forskningsfeltet fortynd film lithium niobate fotodetektorerhar vigtig videnskabelig betydning og enormt praktisk anvendelsespotentiale. I fremtiden, med udviklingen af teknologi og uddybning af forskning, vil den tynde film Lithium Niobate (LN) fotodetektorer udvikle sig mod højere integration. Ved at kombinere forskellige integrationsmetoder for at opnå højtydende, hurtig respons og tyndt film med bredbånd lithium niobate fotodetektorer i alle aspekter vil blive en realitet, som i høj grad vil fremme udviklingen af on-chip integration og intelligente sensingfelter, og giver flere muligheder for den Ny generation af fotonikapplikationer.
Posttid: Feb-17-2025