Fotodetektor z cienkowarstwowego niobianu litu (LN)
Niobian litu (LN) charakteryzuje się unikalną strukturą krystaliczną i bogatymi efektami fizycznymi, takimi jak efekty nieliniowe, elektrooptyczne, piroelektryczne i piezoelektryczne. Jednocześnie charakteryzuje się szerokopasmowym oknem przezroczystości optycznej i długotrwałą stabilnością. Te cechy czynią LN ważną platformą dla nowej generacji zintegrowanej fotoniki. W urządzeniach optycznych i systemach optoelektronicznych właściwości LN mogą zapewnić bogate funkcje i wydajność, promując rozwój komunikacji optycznej, obliczeń optycznych i dziedzin czujników optycznych. Jednak ze względu na słabe właściwości absorpcyjne i izolacyjne niobianu litu, zintegrowane zastosowanie niobianu litu nadal napotyka problem trudnej detekcji. W ostatnich latach doniesienia w tej dziedzinie obejmują głównie fotodetektory zintegrowane z falowodem i fotodetektory heterozłączowe.
Zintegrowany fotodetektor z falowodem, oparty na niobianu litu, jest zazwyczaj skoncentrowany na paśmie C komunikacji optycznej (1525-1565 nm). Funkcjonalnie, LN pełni głównie rolę fal kierowanych, podczas gdy funkcja detekcji optoelektronicznej opiera się głównie na półprzewodnikach, takich jak krzem, półprzewodniki z wąską przerwą energetyczną grupy III-V oraz materiały dwuwymiarowe. W takiej architekturze światło jest przesyłane przez światłowody z niobianu litu o niskiej stratności, a następnie absorbowane przez inne materiały półprzewodnikowe wykorzystujące efekty fotoelektryczne (takie jak fotoprzewodnictwo lub efekty fotowoltaiczne) w celu zwiększenia koncentracji nośników i przekształcenia ich w sygnały elektryczne na wyjściu. Zaletami są wysoka szerokość pasma roboczego (~GHz), niskie napięcie robocze, niewielkie rozmiary i kompatybilność z integracją układów fotonicznych. Jednakże, ze względu na przestrzenne rozdzielenie niobianu litu i materiałów półprzewodnikowych, mimo że każdy z nich pełni swoją własną funkcję, LN odgrywa jedynie rolę przewodnictwa fal, a inne doskonałe właściwości obce nie zostały dobrze wykorzystane. Materiały półprzewodnikowe odgrywają rolę jedynie w konwersji fotoelektrycznej i nie posiadają komplementarnego sprzężenia między sobą, co skutkuje stosunkowo ograniczonym pasmem roboczym. W kontekście konkretnej implementacji, sprzężenie światła ze źródła światła do światłowodu z niobianu litu powoduje znaczne straty i rygorystyczne wymagania procesowe. Ponadto, rzeczywista moc optyczna światła padającego na kanał elementu półprzewodnikowego w obszarze sprzężenia jest trudna do kalibracji, co ogranicza jego wydajność detekcji.
TradycyjnyfotodetektoryMateriały wykorzystywane w obrazowaniu są zazwyczaj oparte na materiałach półprzewodnikowych. Dlatego też, w przypadku niobianu litu, jego niski współczynnik absorpcji światła i właściwości izolacyjne sprawiają, że niewątpliwie nie jest on preferowany przez badaczy fotodetektorów, a wręcz stanowi trudny punkt odniesienia w tej dziedzinie. Jednak rozwój technologii heterozłącz w ostatnich latach przyniósł nadzieję badaniom nad fotodetektorami opartymi na niobianu litu. Inne materiały o silnej absorpcji światła lub doskonałej przewodności można heterogenicznie integrować z niobianem litu, aby skompensować jego wady. Jednocześnie, właściwości piroelektryczne niobianu litu indukowane spontaniczną polaryzacją, wynikające z jego anizotropii strukturalnej, można kontrolować poprzez przekształcanie ich w ciepło pod wpływem promieniowania świetlnego, zmieniając w ten sposób właściwości piroelektryczne w detekcji optoelektronicznej. Ten efekt termiczny ma zalety szerokopasmowego i samonapędzającego się sygnału, a także może być dobrze uzupełniany i łączony z innymi materiałami. Synchroniczne wykorzystanie efektów termicznych i fotoelektrycznych otworzyło nową erę dla fotodetektorów opartych na niobianie litu, umożliwiając urządzeniom łączenie zalet obu tych efektów. Aby zrekompensować niedociągnięcia i osiągnąć komplementarną integrację zalet, jest to obecnie gorący obszar badań. Ponadto, wykorzystanie implantacji jonów, inżynierii pasmowej i inżynierii defektów to również dobry wybór, aby rozwiązać problem z wykrywaniem niobianu litu. Jednak ze względu na wysoki poziom trudności w przetwarzaniu niobianu litu, dziedzina ta wciąż stoi przed poważnymi wyzwaniami, takimi jak niska integracja, urządzenia i systemy obrazowania matrycowego oraz niewystarczająca wydajność, co ma dużą wartość badawczą i wymaga dużej przestrzeni.
Rysunek 1, wykorzystując stany energii defektów w przerwie energetycznej LN jako centra donorowe elektronów, pokazuje, że swobodne nośniki ładunku są generowane w paśmie przewodnictwa pod wpływem wzbudzenia światłem widzialnym. W porównaniu z poprzednimi piroelektrycznymi fotodetektorami LN, które zazwyczaj były ograniczone do szybkości reakcji około 100 Hz, tenFotodetektor LNma szybszą prędkość reakcji do 10 kHz. W tej pracy wykazano, że LN domieszkowany jonami magnezu może osiągnąć zewnętrzną modulację światła z częstotliwością reakcji do 10 kHz. Niniejsza praca promuje badania nad wysokowydajnymi iszybkie fotodetektory LNw budowie w pełni funkcjonalnych, zintegrowanych, jednoprocesorowych układów fotonicznych LN.
Podsumowując, obszar badańcienkowarstwowe fotodetektory z niobianu lituMa istotne znaczenie naukowe i ogromny potencjał zastosowań praktycznych. W przyszłości, wraz z rozwojem technologii i pogłębianiem badań, cienkowarstwowe fotodetektory z niobianu litu (LN) będą ewoluować w kierunku wyższej integracji. Łączenie różnych metod integracji w celu uzyskania wysokiej wydajności, szybkiej reakcji i szerokopasmowego działania cienkowarstwowych fotodetektorów z niobianu litu pod każdym względem stanie się rzeczywistością, co znacząco przyspieszy rozwój integracji on-chip i inteligentnych pól czujnikowych, a także stworzy więcej możliwości dla nowej generacji zastosowań fotonicznych.
Czas publikacji: 17-02-2025