Тонкопленочный фотодетектор на основе ниобата лития (LN)
Ниобат лития (LN) имеет уникальную кристаллическую структуру и богатые физические эффекты, такие 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 оптической связи, оптических вычислений и оптических сенсорных полей. 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). С точки зрения функции LN в основном играет роль направляемых волн, в то время как функция оптоэлектронного обнаружения в основном полагается на полупроводники, такие как кремний, узкозонные полупроводники III-V группы и двумерные материалы. В такой архитектуре свет передается через оптические волноводы из ниобата лития с низкими потерями, а затем поглощается другими полупроводниковыми материалами на основе фотоэлектрических эффектов (таких как фотопроводимость или фотогальванические эффекты) для увеличения концентрации носителей и преобразования их в электрические сигналы для вывода. Преимуществами являются высокая рабочая полоса пропускания (~ ГГц), низкое рабочее напряжение, небольшой размер 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 внешние свойства не были хорошо использованы. Полупроводниковые материалы играют роль только в фотоэлектрическом преобразовании и не имеют комплементарной связи друг с другом, что приводит к относительно ограниченной рабочей полосе. С точки зрения конкретной реализации, связь света от источника света с оптическим волноводом из ниобата лития приводит к значительным потерям и строгим требованиям к процессу. Кроме того, фактическую оптическую мощность света, излучаемого на канал полупроводникового устройства в области связи, трудно откалибровать, что ограничивает его производительность обнаружения.
Традиционныйфотодетекторыиспользуемые для визуализации приложений, как правило, основаны на полупроводниковых материалах. Поэтому, что касается ниобата лития, его низкая скорость поглощения света и изолирующие свойства делают его, несомненно, не любимым исследователями фотодетекторов и даже сложной точкой в этой области. Однако развитие технологии гетеропереходов в последние годы принесло надежду на исследование фотодетекторов на основе ниобата лития. Другие материалы с сильным поглощением света или превосходной проводимостью могут быть гетерогенно интегрированы с ниобатом лития, чтобы компенсировать его недостатки. В то же время, индуцированные спонтанной поляризацией пироэлектрические характеристики ниобата лития из-за его структурной анизотропии можно контролировать путем преобразования в тепло при облучении светом, тем самым изменяя пироэлектрические характеристики для оптоэлектронного обнаружения. Этот тепловой эффект имеет преимущества широкополосности и самовозбуждения и может хорошо дополняться и объединяться с другими материалами. Синхронное использование тепловых и фотоэлектрических эффектов открыло новую эру для фотодетекторов на основе ниобата лития, позволяя устройствам сочетать преимущества обоих эффектов. И чтобы компенсировать недостатки и достичь дополнительной интеграции преимуществ, в последние годы это исследовательская горячая точка. Кроме того, использование ионной имплантации, зонной инженерии и дефектной инженерии также является хорошим выбором для решения проблемы обнаружения ниобата лития. Однако из-за высокой сложности обработки ниобата лития эта область по-прежнему сталкивается с большими проблемами, такими как низкая интеграция, устройства и системы визуализации массивов и недостаточная производительность, что имеет большую исследовательскую ценность и пространство.
Рисунок 1, используя дефектные энергетические состояния в запрещенной зоне LN в качестве центров донора электронов, свободные носители заряда генерируются в зоне проводимости при возбуждении видимым светом. По сравнению с предыдущими пироэлектрическими фотодетекторами LN, которые обычно были ограничены скоростью отклика около 100 Гц, этотФотодетектор LNимеет более высокую скорость отклика до 10 кГц. Между тем, в этой работе было продемонстрировано, что легированный ионами магния LN может достигать внешней световой модуляции с откликом до 10 кГц. Эта работа способствует исследованию 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, с развитием технологий и углублением исследований, тонкопленочные фотодетекторы на основе ниобата лития (LN) будут развиваться в направлении более высокой интеграции. Объединение различных методов интеграции для достижения высокопроизводительных, быстродействующих и широкополосных тонкопленочных фотодетекторов на основе ниобата лития во всех аспектах станет реальностью, что значительно поспособствует развитию интеграции на кристалле и интеллектуальных областей зондирования, а также предоставит больше возможностей для нового поколения приложений фотоники.
Время публикации: 17 февр. 2025 г.