Tyndfilms lithiumniobat (LN) fotodetektor

Tyndfilms lithiumniobat (LN) fotodetektor

Lithiumniobat (LN) har en unik krystalstruktur og rige fysiske effekter, såsom ikke-lineære effekter, elektrooptiske effekter, pyroelektriske effekter og piezoelektriske effekter. Samtidig har det fordelene ved et bredbåndsoptisk transparensvindue og langsigtet stabilitet. Disse egenskaber gør LN til en vigtig platform for den nye generation af integreret fotonik. I optiske enheder og optoelektroniske systemer kan LN's egenskaber give rige funktioner og ydeevne, hvilket fremmer udviklingen af ​​optisk kommunikation, optisk databehandling og optiske sensorfelter. På grund af lithiumniobats svage absorptions- og isoleringsegenskaber står den integrerede anvendelse af lithiumniobat dog stadig over for problemet med vanskelig detektion. I de senere år har rapporter på dette område primært omfattet bølgelederintegrerede fotodetektorer og heterojunction-fotodetektorer.
Den bølgelederintegrerede fotodetektor baseret på lithiumniobat fokuserer normalt på det optiske kommunikations-C-bånd (1525-1565 nm). 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 halvledere med smalt båndgab og todimensionelle materialer. I en sådan arkitektur transmitteres lys gennem lithiumniobat optiske bølgeledere med lavt tab og absorberes derefter af andre halvledermaterialer baseret på fotoelektriske effekter (såsom fotokonduktivitet eller fotovoltaiske effekter) for at øge bærerkoncentrationen og konvertere den 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 lithiumniobat og halvledermaterialer, selvom de hver især udfører deres egne funktioner, spiller LN dog kun en rolle i at styre bølger, og andre fremragende fremmede 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 den specifike implementering resulterer koblingen af ​​lys fra lyskilden til den optiske lithiumniobatbølgeleder i betydelige tab og strenge proceskrav. Derudover er den faktiske optiske effekt af det lys, der bestråles på halvlederenhedens kanal i koblingsområdet, vanskelig at kalibrere, hvilket begrænser dens detektionsevne.
Den traditionellefotodetektorerBruges til billeddannelsesapplikationer er normalt baseret på halvledermaterialer. Derfor gør dets lave lysabsorptionshastighed og isolerende egenskaber lithiumniobat det utvivlsomt til et mindre populært produkt blandt fotodetektorforskere og endda til et vanskeligt punkt inden for feltet. Udviklingen af ​​heterojunction-teknologi i de senere år har imidlertid bragt håb til forskningen i lithiumniobatbaserede fotodetektorer. Andre materialer med stærk lysabsorption eller fremragende ledningsevne kan integreres heterogent med lithiumniobat for at kompensere for dets mangler. Samtidig kan de spontant polarisationsinducerede pyroelektriske egenskaber ved lithiumniobat på grund af dets strukturelle anisotropi kontrolleres ved at omdanne det til varme under lysbestråling, hvorved de pyroelektriske egenskaber for optoelektronisk detektion ændres. Denne termiske effekt har fordelene ved bredbånd og selvstyring og kan godt suppleres og fusioneres med andre materialer. Den synkrone udnyttelse af termiske og fotoelektriske effekter har åbnet en ny æra for lithiumniobatbaserede 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 til at løse vanskeligheden ved at detektere lithiumniobat. På grund af lithiumniobats store behandlingsvanskeligheder står dette felt dog stadig over for store udfordringer såsom lav integration, array-billeddannelsesenheder og -systemer samt utilstrækkelig ydeevne, hvilket har stor forskningsværdi og plads.

Figur 1, hvor defektenergitilstandene inden for LN-båndgabet bruges som elektrondonorcentre, genereres frie ladningsbærere i ledningsbåndet under excitation af synligt lys. Sammenlignet med tidligere pyroelektriske LN-fotodetektorer, som typisk var begrænset til en responshastighed på omkring 100 Hz, er denneLN fotodetektorhar en hurtigere responshastighed på op til 10 kHz. Samtidig blev det i dette arbejde vist, at magnesiumion-doteret LN kan opnå ekstern lysmodulation med en respons på op til 10 kHz. Dette arbejde fremmer forskningen i højtydende oghøjhastigheds LN-fotodetektoreri konstruktionen af ​​fuldt funktionelle enkeltchip-integrerede LN fotoniske chips.
Kort sagt, forskningsfeltet fortyndfilms lithium niobat fotodetektorerhar vigtig videnskabelig betydning og et enormt praktisk anvendelsespotentiale. I fremtiden, med udviklingen af ​​teknologi og uddybning af forskningen, vil tyndfilms-lithiumniobat (LN) fotodetektorer udvikle sig mod højere integration. Kombinationen af ​​forskellige integrationsmetoder for at opnå højtydende, hurtige og bredbåndede tyndfilms-lithiumniobat fotodetektorer i alle aspekter vil blive en realitet, hvilket i høj grad vil fremme udviklingen af ​​on-chip integration og intelligente sensorfelter og give flere muligheder for den nye generation af fotoniske applikationer.