Тонкопленочный фотодетектор на основе ниобата лития (LN)
Ниобат лития (LN) обладает уникальной кристаллической структурой и богатыми физическими эффектами, такими как нелинейные эффекты, электрооптические эффекты, пироэлектрические эффекты и пьезоэлектрические эффекты. В то же время он обладает преимуществами широкополосного оптического окна прозрачности и долговременной стабильности. Эти характеристики делают LN важной платформой для нового поколения интегрированной фотоники. В оптических устройствах и оптоэлектронных системах характеристики LN могут обеспечить богатые функции и производительность, способствуя развитию областей оптической связи, оптических вычислений и оптических датчиков. Однако из-за слабых поглощающих и изоляционных свойств ниобата лития комплексное применение ниобата лития по-прежнему сталкивается с проблемой сложного обнаружения. В последние годы отчеты в этой области в основном включают волноводные интегрированные фотодетекторы и гетеропереходные фотодетекторы.
Интегрированный волноводный фотодетектор на основе ниобата лития обычно ориентирован на оптический коммуникационный C-диапазон (1525–1565 нм). Функционально LN в основном играет роль направляющих волн, в то время как функция оптоэлектронного детектирования в основном опирается на полупроводники, такие как кремний, узкозонные полупроводники III–V групп и двумерные материалы. В такой архитектуре свет передается через оптические волноводы из ниобата лития с низкими потерями, а затем поглощается другими полупроводниковыми материалами, работающими на фотоэлектрических эффектах (таких как фотопроводимость или фотовольтаика), для увеличения концентрации носителей заряда и преобразования их в электрические сигналы для вывода. Преимуществами являются широкая рабочая полоса пропускания (~ ГГц), низкое рабочее напряжение, малые размеры и совместимость с интеграцией фотонных чипов. Однако из-за пространственного разделения ниобата лития и полупроводниковых материалов, хотя каждый из них выполняет свои собственные функции, LN играет только роль направляющих волн, а другие превосходные свойства других материалов не нашли должного применения. Полупроводниковые материалы играют роль только в фотоэлектрическом преобразовании и не обладают комплементарной связью друг с другом, что приводит к относительно ограниченной рабочей полосе. С точки зрения конкретной реализации, связь света от источника света с оптическим волноводом на основе ниобата лития приводит к значительным потерям и строгим технологическим требованиям. Кроме того, фактическую оптическую мощность света, излучаемого на канал полупроводникового прибора в области связи, сложно откалибровать, что ограничивает его детектирующие характеристики.
ТрадиционныйфотодетекторыМатериалы, используемые для визуализации, обычно основаны на полупроводниковых материалах. Поэтому ниобат лития, благодаря своей низкой скорости поглощения света и изоляционным свойствам, несомненно, не пользуется популярностью у исследователей фотодетекторов и даже представляет собой сложную задачу. Однако развитие технологии гетеропереходов в последние годы вселило надежду в исследования фотодетекторов на основе ниобата лития. Другие материалы с высоким поглощением света или превосходной проводимостью могут быть гетерогенно интегрированы с ниобатом лития, чтобы компенсировать его недостатки. В то же время, пироэлектрические характеристики ниобата лития, вызванные спонтанной поляризацией и обусловленные его структурной анизотропией, можно контролировать, преобразуя их в тепло под действием света, тем самым изменяя пироэлектрические характеристики для оптоэлектронного детектирования. Этот тепловой эффект обладает преимуществами широкополосности и самовозбуждения, а также может быть хорошо дополнен и объединен с другими материалами. Синхронное использование теплового и фотоэлектрического эффектов открыло новую эру для фотодетекторов на основе ниобата лития, позволяя устройствам сочетать преимущества обоих эффектов. Чтобы компенсировать недостатки и добиться взаимодополняющей интеграции преимуществ, в последние годы эта область исследований стала актуальной. Кроме того, использование ионной имплантации, зонной инженерии и инженерии дефектов также является хорошим выбором для решения проблемы обнаружения ниобата лития. Однако из-за высокой сложности обработки ниобата лития эта область по-прежнему сталкивается с серьезными проблемами, такими как низкая степень интеграции, необходимость в устройствах и системах визуализации с использованием матриц, а также недостаточная производительность, что имеет большое исследовательское значение и требует значительных ресурсов.
На рисунке 1, используя энергетические состояния дефектов в запрещенной зоне LN в качестве центров донора электронов, при возбуждении видимым светом в зоне проводимости генерируются свободные носители заряда. По сравнению с предыдущими пироэлектрическими фотодетекторами на LN, которые обычно ограничивались скоростью отклика около 100 Гц, этотфотодетектор LNИмеет более высокую скорость отклика до 10 кГц. Кроме того, в данной работе было продемонстрировано, что жидкий азот, легированный ионами магния, может обеспечить внешнюю модуляцию света с частотой отклика до 10 кГц. Эта работа способствует исследованиям в области высокопроизводительных ивысокоскоростные LN-фотодетекторыв создании полнофункциональных однокристальных интегрированных LN-фотонных чипов.
Подводя итог, можно сказать, что область исследованийтонкопленочные фотодетекторы на основе ниобата литияИмеет важное научное значение и огромный потенциал практического применения. В будущем, по мере развития технологий и углубления исследований, тонкоплёночные фотодетекторы на основе ниобата лития (LN) будут развиваться в сторону более высокой степени интеграции. Сочетание различных методов интеграции для достижения высокой производительности, быстрого отклика и широкополосности тонкоплёночных фотодетекторов на основе ниобата лития во всех аспектах станет реальностью, что значительно ускорит развитие области внутрикристальной интеграции и интеллектуальных датчиков, а также откроет новые возможности для нового поколения приложений фотоники.
Время публикации: 17 февраля 2025 г.