Фотодетектор на основе тонкой пленки ниобата лития (LN).
Ниобат лития (LN) обладает уникальной кристаллической структурой и богатым набором физических эффектов, таких как нелинейные, электрооптические, пироэлектрические и пьезоэлектрические эффекты. Одновременно с этим он обладает преимуществами широкого диапазона оптической 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 широкий спектр функций и производительности, способствуя развитию оптической связи, оптических вычислений и оптического зондирования. Однако из-за слабых поглощающих и изоляционных свойств ниобата лития его интегрированное применение по-прежнему сталкивается с проблемой затрудненного обнаружения. В последние годы в этой области в основном рассматриваются волноводные интегрированные фотодетекторы и гетеропереходные фотодетекторы.
Интегрированный волноводный фотодетектор на основе ниобата лития обычно ориентирован на оптический диапазон связи C (1525-1565 нм). С точки зрения функциональности, ниобат лития в основном выполняет роль волноводного распространения, в то время как оптоэлектронная функция обнаружения в основном основана на полупроводниках, таких 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 фотоэлектрические эффекты) для увеличения концентрации носителей заряда и преобразования их в электрические сигналы для вывода. Преимуществами являются высокая рабочая полоса пропускания (~ ГГц), низкое рабочее напряжение, малый размер и совместимость с интеграцией фотонных чипов. Однако из-за пространственного разделения ниобата лития и полупроводниковых материалов, хотя каждый из них выполняет свои функции, ниобат лития играет только роль волноводного распространения, и другие его превосходные свойства используются недостаточно эффективно. Полупроводниковые материалы играют роль только в фотоэлектрическом преобразовании и не обладают комплементарной связью друг с другом, что приводит к относительно ограниченному рабочему диапазону. С точки зрения конкретной реализации, связь света от источника света с оптическим волноводом из ниобата лития приводит к значительным потерям и жестким технологическим требованиям. Кроме того, фактическую оптическую мощность света, падающего на канал полупроводникового прибора в области связи, сложно откалибровать, что ограничивает его детектирующие характеристики.
традиционныйфотодетекторыФотодетекторы, используемые в приложениях для визуализации, обычно основаны на полупроводниковых материалах. Поэтому низкая скорость поглощения света и изоляционные свойства ниобата лития делают его, несомненно, не самым предпочтительным материалом для исследователей фотодетекторов, и даже сложной задачей в этой области. Однако развитие гетеропереходных технологий в последние годы вселило надежду в исследования фотодетекторов на основе ниобата лития. Другие материалы с сильным поглощением света или превосходной проводимостью могут быть гетерогенно интегрированы с ниобатом лития для компенсации его недостатков. В то же время, пироэлектрические характеристики ниобата лития, обусловленные спонтанной поляризацией и его структурной анизотропией, могут контролироваться путем преобразования в тепло под воздействием света, тем самым изменяя пироэлектрические характеристики для оптоэлектронного обнаружения. Этот тепловой эффект обладает преимуществами широкополосности и самоподдержания, и 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 создавать устройства, сочетающие в себе преимущества обоих эффектов. Для компенсации недостатков и достижения взаимодополняющей интеграции преимуществ, это направление исследований стало одним из наиболее актуальных в последние годы. Кроме того, использование ионной имплантации, зонной инженерии и инженерии дефектов также является хорошим вариантом 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, недостаточная производительность устройств и систем визуализации на основе массивов, что создает большую исследовательскую ценность и открывает большие перспективы.
На рисунке 1 показано, что при использовании дефектных энергетических состояний в запрещенной зоне ниобата лития в качестве центров-доноров электронов в зоне проводимости генерируются свободные носители заряда при возбуждении видимым светом. По сравнению с предыдущими пироэлектрическими фотодетекторами на основе ниобата лития, которые обычно были ограничены скоростью отклика около 100 Гц, этотФотодетектор LNОбладает более высокой скоростью отклика, достигающей 10 кГц. В то же время, в данной работе было продемонстрировано, что легированный ионами магния ниобатиан может обеспечивать внешнюю модуляцию света с частотой отклика до 10 кГц. Эта работа способствует исследованиям в области высокопроизводительных устройств.высокоскоростные фотодетекторы на основе ниобата литияпри создании полностью функциональных однокристальных интегрированных фотонных чипов на основе ниобата лития.
В заключение, область исследованийтонкопленочные фотодетекторы на основе ниобата литияОбладает важным научным значением и огромным потенциалом практического применения. В будущем, с развитием технологий и углублением исследований, тонкопленочные фотодетекторы на основе ниобата лития (LN) будут развиваться в направлении большей интеграции. Сочетание различных методов интеграции для достижения высокой производительности, быстрого отклика и широкополосности тонкопленочных фотодетекторов на основе ниобата лития во всех аспектах станет реальностью, что значительно будет способствовать развитию внутрикристальной интеграции и интеллектуальных сенсорных технологий, а также откроет больше возможностей для нового поколения фотонных приложений.
Дата публикации: 17 февраля 2025 г.