Тонкоплівковий фотодетектор з ніобату літію (LN)
Ніобат літію (LN) має унікальну кристалічну структуру та багатий спектр фізичних ефектів, таких як нелінійні ефекти, електрооптичні ефекти, піроелектричні ефекти та п'єзоелектричні ефекти. Водночас він має переваги широкосмугового оптичного вікна прозорості та довготривалої стабільності. Ці характеристики роблять LN важливою платформою для нового покоління інтегрованої фотоніки. В оптичних пристроях та оптоелектронних системах характеристики LN можуть забезпечити багатий функціонал та продуктивність, сприяючи розвитку галузей оптичного зв'язку, оптичних обчислень та оптичного зондування. Однак, через слабкі поглинальні та ізоляційні властивості ніобату літію, комплексне застосування ніобату літію все ще стикається з проблемою складного виявлення. В останні роки звіти в цій галузі в основному стосуються інтегрованих фотодетекторів з хвилеводами та фотодетекторів з гетеропереходом.
Інтегрований хвилеводний фотодетектор на основі ніобату літію зазвичай зосереджений на оптичному зв'язку C-діапазону (1525-1565 нм). З точки зору функції, LN в основному відіграє роль спрямованих хвиль, тоді як функція оптоелектронного детектування в основному спирається на напівпровідники, такі як кремній, напівпровідники III-V групи з вузькою забороненою зоною та двовимірні матеріали. У такій архітектурі світло проходить через оптичні хвилеводи з ніобату літію з низькими втратами, а потім поглинається іншими напівпровідниковими матеріалами на основі фотоелектричних ефектів (таких як фотопровідність або фотоелектричні ефекти) для збільшення концентрації носіїв та перетворення їх на електричні сигнали для виходу. Перевагами є висока робоча смуга пропускання (~ ГГц), низька робоча напруга, малий розмір та сумісність з інтеграцією фотонних чіпів. Однак, через просторове розділення ніобату літію та напівпровідникових матеріалів, хоча кожен з них виконує свої власні функції, LN відіграє лише роль у спрямованні хвиль, а інші чудові сторонні властивості не були добре використані. Напівпровідникові матеріали відіграють лише роль у фотоелектричному перетворенні та не мають комплементарного зв'язку один з одним, що призводить до відносно обмеженої робочої смуги. Що стосується конкретної реалізації, зв'язок світла від джерела світла до оптичного хвилеводу з ніобату літію призводить до значних втрат та суворих вимог до процесу. Крім того, фактичну оптичну потужність світла, що випромінюється на канал напівпровідникового приладу в області зв'язку, важко калібрувати, що обмежує його ефективність виявлення.
Традиційнийфотодетекторивикористовуються для візуалізації, зазвичай базуються на напівпровідникових матеріалах. Тому ніобат літію через свою низьку швидкість поглинання світла та ізоляційні властивості, безсумнівно, не є популярним серед дослідників фотодетекторів, і навіть є складним завданням у цій галузі. Однак розвиток технології гетеропереходів в останні роки вселив надію на дослідження фотодетекторів на основі ніобату літію. Інші матеріали з сильним поглинанням світла або відмінною провідністю можуть бути гетерогенно інтегровані з ніобатом літію, щоб компенсувати його недоліки. Водночас, піроелектричні характеристики, викликані спонтанною поляризацією, ніобату літію завдяки його структурній анізотропії, можна контролювати, перетворюючи їх на тепло під дією світлового опромінення, тим самим змінюючи піроелектричні характеристики для оптоелектронного детектування. Цей тепловий ефект має переваги широкосмугового та самокерованого режиму, і може добре доповнюватися та поєднуватися з іншими матеріалами. Синхронне використання теплових та фотоелектричних ефектів відкрило нову еру для фотодетекторів на основі ніобату літію, дозволяючи пристроям поєднувати переваги обох ефектів. А щоб компенсувати недоліки та досягти додаткової інтеграції переваг, він став дослідницькою гарячою точкою останніх років. Крім того, використання іонної імплантації, зонної інженерії та дефектної інженерії також є гарним вибором для вирішення проблеми виявлення ніобату літію. Однак, через високу складність обробки ніобату літію, ця галузь все ще стикається з серйозними проблемами, такими як низька інтеграція, пристрої та системи візуалізації масивів, а також недостатня продуктивність, що має велику дослідницьку цінність та простір.
На рисунку 1, де енергетичні стани дефектів у забороненій зоні LN використовуються як електронодонорні центри, вільні носії заряду генеруються в зоні провідності під час збудження видимим світлом. Порівняно з попередніми піроелектричними фотодетекторами LN, які зазвичай обмежувалися швидкістю відгуку близько 100 Гц, цейФотодетектор LNмає швидшу швидкість відгуку до 10 кГц. Тим часом, у цій роботі було продемонстровано, що легований іонами магнію LN може досягати зовнішньої модуляції світла з частотою відгуку до 10 кГц. Ця робота сприяє дослідженням високопродуктивних тависокошвидкісні фотодетектори LNу побудові повнофункціональних однокристальних інтегрованих фотонних мікросхем LN.
Коротко кажучи, сфера дослідженнятонкоплівкові фотодетектори з ніобату літіюмає важливе наукове значення та величезний потенціал практичного застосування. У майбутньому, з розвитком технологій та поглибленням досліджень, тонкоплівкові фотодетектори на основі ніобату літію (LN) розвиватимуться в напрямку вищої інтеграції. Поєднання різних методів інтеграції для досягнення високопродуктивних, швидкодіючих та широкосмугових тонкоплівкових фотодетекторів на основі ніобату літію в усіх аспектах стане реальністю, що значно сприятиме розвитку інтеграції на кристалах та інтелектуальних сенсорних полів, а також надасть більше можливостей для нового покоління фотонних застосувань.
Час публікації: 17 лютого 2025 р.