Tankoslojni fotodetektor litijevega niobata (LN)

Tankoslojni fotodetektor litijevega niobata (LN)

Litijev niobat (LN) ima edinstveno kristalno strukturo in bogate fizikalne učinke, kot so nelinearni učinki, elektrooptični učinki, piroelektrični učinki in piezoelektrični učinki. Hkrati ima prednosti širokopasovnega optičnega okna prosojnosti in dolgoročne stabilnosti. Zaradi teh lastnosti je LN pomembna platforma za novo generacijo integrirane fotonike. V optičnih napravah in optoelektronskih sistemih lahko lastnosti LN zagotavljajo bogate funkcije in zmogljivosti, kar spodbuja razvoj optičnih komunikacij, optičnega računalništva in optičnega zaznavanja. Vendar pa se zaradi šibkih absorpcijskih in izolacijskih lastnosti litijevega niobata integrirana uporaba litijevega niobata še vedno sooča s težavo težkega zaznavanja. V zadnjih letih poročila na tem področju vključujejo predvsem fotodetektorje, integrirane v valovod, in fotodetektorje s heterospojnicami.
Integrirani fotodetektor valovoda na osnovi litijevega niobata je običajno osredotočen na optični komunikacijski C-pas (1525–1565 nm). Kar zadeva funkcijo, LN igra predvsem vlogo vodenih valov, medtem ko se funkcija optoelektronskega zaznavanja v glavnem opira na polprevodnike, kot so silicij, polprevodniki III–V skupine z ozkim pasovnim razmikom in dvodimenzionalni materiali. V takšni arhitekturi se svetloba prenaša skozi optične valovodnike litijevega niobata z majhnimi izgubami, nato pa jo absorbirajo drugi polprevodniški materiali na podlagi fotoelektričnih učinkov (kot so fotoprevodnost ali fotovoltaični učinki), da se poveča koncentracija nosilcev in se pretvori v električne signale za izhod. Prednosti so visoka delovna pasovna širina (~ GHz), nizka delovna napetost, majhna velikost in združljivost z integracijo fotonskih čipov. Vendar pa zaradi prostorske ločitve litijevega niobata in polprevodniških materialov, čeprav vsak opravlja svojo funkcijo, LN igra le vlogo pri vodenju valov, druge odlične tuje lastnosti pa niso bile dobro izkoriščene. Polprevodniški materiali igrajo le vlogo pri fotoelektrični pretvorbi in nimajo komplementarne sklopitve med seboj, kar ima za posledico relativno omejen delovni pas. Kar zadeva specifično izvedbo, sklopitev svetlobe iz svetlobnega vira na optični valovod iz litijevega niobata povzroča znatne izgube in stroge procesne zahteve. Poleg tega je dejansko optično moč svetlobe, ki seva na kanal polprevodniške naprave v območju sklopitve, težko kalibrirati, kar omejuje njeno zmogljivost zaznavanja.
TradicionalnifotodetektorjiUporabljajo se za slikovne aplikacije, običajno na osnovi polprevodniških materialov. Zato litijev niobat zaradi nizke stopnje absorpcije svetlobe in izolacijskih lastnosti nedvomno ni priljubljen med raziskovalci fotodetektorjev in je celo težavna točka na tem področju. Vendar pa je razvoj tehnologije heterospojnic v zadnjih letih prinesel upanje v raziskave fotodetektorjev na osnovi litijevega niobata. Drugi materiali z močno absorpcijo svetlobe ali odlično prevodnostjo se lahko heterogeno integrirajo z litijevim niobatom, da se nadomestijo njegove pomanjkljivosti. Hkrati je mogoče spontano polarizacijo inducirane piroelektrične lastnosti litijevega niobata zaradi njegove strukturne anizotropije nadzorovati s pretvorbo v toploto pod svetlobnim obsevanjem, s čimer se spremenijo piroelektrične lastnosti za optoelektronsko zaznavanje. Ta toplotni učinek ima prednosti širokopasovnosti in samodejnega krmiljenja ter se lahko dobro dopolnjuje in združuje z drugimi materiali. Sočasna uporaba toplotnih in fotoelektričnih učinkov je odprla novo dobo za fotodetektorje na osnovi litijevega niobata, kar omogoča napravam, da združijo prednosti obeh učinkov. Da bi nadomestili pomanjkljivosti in dosegli komplementarno integracijo prednosti, je v zadnjih letih postal raziskovalna vroča točka. Poleg tega je uporaba ionske implantacije, pasovnega inženiringa in inženiringa defektov prav tako dobra izbira za rešitev težav pri odkrivanju litijevega niobata. Vendar pa se to področje zaradi velike težavnosti obdelave litijevega niobata še vedno sooča z velikimi izzivi, kot so nizka integracija, naprave in sistemi za slikanje z nizi ter nezadostna zmogljivost, kar ima veliko raziskovalno vrednost in prostor.

Na sliki 1, kjer so kot donorski centri elektronov uporabljena stanja defektne energije znotraj pasovne vrzeli LN, se v prevodnem pasu ob vzbujanju z vidno svetlobo ustvarijo prosti nosilci naboja. V primerjavi s prejšnjimi piroelektričnimi fotodetektorji LN, ki so bili običajno omejeni na odzivno hitrost okoli 100 Hz, taLN fotodetektorima hitrejši odzivni čas do 10 kHz. Medtem je bilo v tem delu dokazano, da lahko z magnezijevimi ioni dopirani LN doseže zunanjo modulacijo svetlobe z odzivom do 10 kHz. To delo spodbuja raziskave visokozmogljivih invisokohitrostni LN fotodetektorjipri konstrukciji popolnoma funkcionalnih integriranih fotonskih čipov LN z enim čipom.
Skratka, raziskovalno področjetankoslojni fotodetektorji litijevega niobataima pomemben znanstveni pomen in ogromen praktični potencial uporabe. V prihodnosti se bodo z razvojem tehnologije in poglabljanjem raziskav tankoslojni fotodetektorji litijevega niobata (LN) razvijali v smeri večje integracije. Kombiniranje različnih metod integracije za doseganje visokozmogljivih, hitrih odzivnih in širokopasovnih tankoslojnih fotodetektorjev litijevega niobata v vseh pogledih bo postalo resničnost, kar bo močno spodbudilo razvoj integracije na čipu in inteligentnih senzorskih polj ter zagotovilo več možnosti za novo generacijo fotonskih aplikacij.