Fotodetektor cienkowarstwowy z niobianu litu (LN)
Niobian litu (LN) ma unikalną strukturę krystaliczną i bogate efekty fizyczne, takie jak efekty nieliniowe, efekty elektrooptyczne, efekty piroelektryczne i efekty piezoelektryczne. Jednocześnie ma zalety szerokopasmowego okna przezroczystości optycznej i długoterminowej stabilności. Te cechy sprawiają, że LN jest ważną platformą dla nowej generacji zintegrowanej fotoniki. W urządzeniach optycznych i systemach optoelektronicznych cechy LN mogą zapewnić bogate funkcje i wydajność, promując rozwój komunikacji optycznej, obliczeń optycznych i pól wykrywania optycznego. Jednak ze względu na słabe właściwości absorpcyjne i izolacyjne niobianu litu, zintegrowane zastosowanie niobianu litu nadal napotyka problem trudnego wykrywania. W ostatnich latach raporty w tej dziedzinie obejmują głównie zintegrowane fotodetektory falowodowe i fotodetektory heterozłączowe.
Zintegrowany fotodetektor falowodu na bazie niobianu litu jest zwykle skupiony na paśmie komunikacji optycznej C (1525-1565 nm). Pod względem funkcji LN odgrywa głównie rolę fal prowadzonych, podczas gdy funkcja detekcji optoelektronicznej opiera się głównie na półprzewodnikach, takich jak krzem, półprzewodniki z wąską przerwą pasmową grupy III-V i materiały dwuwymiarowe. W takiej architekturze światło jest przesyłane przez światłowody niobianu litu o niskiej stracie, a następnie absorbowane przez inne materiały półprzewodnikowe oparte na efektach fotoelektrycznych (takich jak fotoprzewodnictwo lub efekty fotowoltaiczne), aby zwiększyć koncentrację nośników i przekształcić je w sygnały elektryczne do wyjścia. Zaletami są wysoka szerokość pasma roboczego (~GHz), niskie napięcie robocze, niewielki rozmiar i kompatybilność z integracją chipów fotonicznych. Jednak ze względu na przestrzenne rozdzielenie niobianu litu i materiałów półprzewodnikowych, chociaż każdy z nich pełni swoje własne funkcje, LN odgrywa rolę tylko w prowadzeniu fal, a inne doskonałe właściwości obce nie zostały dobrze wykorzystane. Materiały półprzewodnikowe odgrywają rolę tylko w konwersji fotoelektrycznej i nie mają komplementarnego sprzężenia ze sobą, co skutkuje stosunkowo ograniczonym pasmem roboczym. Jeśli chodzi o konkretną implementację, sprzężenie światła ze źródła światła do światłowodu niobianu litu powoduje znaczne straty i surowe wymagania procesowe. Ponadto rzeczywista moc optyczna światła napromieniowanego na kanał urządzenia półprzewodnikowego w obszarze sprzężenia jest trudna do skalibrowania, co ogranicza jego wydajność wykrywania.
Tradycyjnyfotodetektorystosowane w zastosowaniach obrazowania są zazwyczaj oparte na materiałach półprzewodnikowych. Dlatego w przypadku niobianu litu jego niski współczynnik absorpcji światła i właściwości izolacyjne sprawiają, że niewątpliwie nie jest on faworyzowany przez badaczy fotodetektorów, a nawet stanowi trudny punkt w tej dziedzinie. Jednak rozwój technologii heterozłączy w ostatnich latach przyniósł nadzieję badaniom fotodetektorów opartych na niobianu litu. Inne materiały o silnym pochłanianiu światła lub doskonałej przewodności można heterogenicznie integrować z niobianem litu, aby zrekompensować jego niedociągnięcia. Jednocześnie spontaniczne właściwości piroelektryczne niobianu litu wywołane polaryzacją ze względu na jego anizotropię strukturalną można kontrolować, przekształcając je w ciepło pod wpływem napromieniowania światłem, zmieniając w ten sposób właściwości piroelektryczne w celu wykrywania optoelektronicznego. Ten efekt termiczny ma zalety szerokopasmowego i samonapędzającego się, i może być dobrze uzupełniany i łączony z innymi materiałami. Synchroniczne wykorzystanie efektów termicznych i fotoelektrycznych otworzyło nową erę dla fotodetektorów opartych na niobianu litu, umożliwiając urządzeniom łączenie zalet obu efektów. Aby zrekompensować niedociągnięcia i osiągnąć uzupełniającą integrację zalet, jest to gorący punkt badawczy w ostatnich latach. Ponadto wykorzystanie implantacji jonów, inżynierii pasmowej i inżynierii defektów jest również dobrym wyborem, aby rozwiązać trudności związane z wykrywaniem niobianu litu. Jednak ze względu na wysokie trudności w przetwarzaniu niobianu litu, ta dziedzina nadal stoi przed dużymi wyzwaniami, takimi jak niska integracja, urządzenia i systemy obrazowania matrycowego oraz niewystarczająca wydajność, co ma dużą wartość badawczą i przestrzeń.
Rysunek 1, wykorzystujący stany energii defektów w przerwie energetycznej LN jako centra donorów elektronów, wolne nośniki ładunku są generowane w paśmie przewodnictwa pod wpływem wzbudzenia światłem widzialnym. W porównaniu do poprzednich piroelektrycznych fotodetektorów LN, które były zwykle ograniczone do szybkości reakcji około 100 Hz, tenFotodetektor LNma szybszą prędkość reakcji do 10 kHz. Tymczasem w tej pracy wykazano, że LN domieszkowany jonami magnezu może osiągnąć zewnętrzną modulację światła z odpowiedzią do 10 kHz. Ta praca promuje badania nad wysokowydajnymi ifotodetektory LN o dużej prędkościw budowie w pełni funkcjonalnych, zintegrowanych, jednoprocesorowych układów scalonych fotonicznych LN.
Podsumowując, obszar badańcienkowarstwowe fotodetektory niobianu lituma ważne znaczenie naukowe i ogromny potencjał zastosowań praktycznych. W przyszłości, wraz z rozwojem technologii i pogłębianiem badań, cienkowarstwowe fotodetektory niobianu litu (LN) będą się rozwijać w kierunku większej integracji. Łączenie różnych metod integracji w celu uzyskania wysokiej wydajności, szybkiej reakcji i szerokopasmowych cienkowarstwowych fotodetektorów niobianu litu we wszystkich aspektach stanie się rzeczywistością, co znacznie przyspieszy rozwój integracji na chipie i inteligentnych pól wykrywania oraz zapewni więcej możliwości dla nowej generacji zastosowań fotonicznych.
Czas publikacji: 17-02-2025