Тънкослоен фотодетектор от литиев ниобат (LN)
Литиевият ниобат (LN) има уникална кристална структура и богати физични ефекти, като нелинейни ефекти, електрооптични ефекти, пироелектрични ефекти и пиезоелектрични ефекти. В същото време, той има предимствата на широколентов оптичен прозорец на прозрачност и дългосрочна стабилност. Тези характеристики правят LN важна платформа за новото поколение интегрирана фотоника. В оптичните устройства и оптоелектронните системи, характеристиките на LN могат да осигурят богати функции и производителност, насърчавайки развитието на оптичните комуникации, оптичните изчисления и оптичното сензорно поле. Въпреки това, поради слабите абсорбционни и изолационни свойства на литиевия ниобат, интегрираното приложение на литиевия ниобат все още е изправено пред проблема с трудното откриване. През последните години докладите в тази област включват главно вълноводни интегрирани фотодетектори и хетеропреходни фотодетектори.
Интегрираният фотодетектор с вълновод, базиран на литиев ниобат, обикновено е фокусиран върху оптичната комуникационна C-лента (1525-1565nm). По отношение на функцията, LN играе главно ролята на насочващи вълни, докато оптоелектронната функция за детектиране разчита главно на полупроводници като силиций, полупроводници с тясна забранена зона от III-V група и двуизмерни материали. В такава архитектура светлината се предава през оптични вълноводи от литиев ниобат с ниски загуби и след това се абсорбира от други полупроводникови материали, базирани на фотоелектрични ефекти (като фотопроводимост или фотоволтаични ефекти), за да се увеличи концентрацията на носителите и да се преобразува в електрически сигнали за изход. Предимствата са висока работна честотна лента (~GHz), ниско работно напрежение, малък размер и съвместимост с интеграцията на фотонни чипове. Въпреки това, поради пространственото разделяне на литиевия ниобат и полупроводниковите материали, въпреки че всеки от тях изпълнява свои собствени функции, LN играе роля само във насочването на вълните, а други отлични външни свойства не са добре използвани. Полупроводниковите материали играят роля само във фотоелектрическото преобразуване и нямат комплементарно свързване помежду си, което води до относително ограничена работна лента. По отношение на специфичната имплементация, свързването на светлината от светлинния източник към оптичния вълновод от литиев ниобат води до значителни загуби и строги изисквания към процеса. Освен това, действителната оптична мощност на светлината, облъчена върху канала на полупроводниковото устройство в областта на свързване, е трудна за калибриране, което ограничава нейната производителност при откриване.
ТрадиционниятфотодетекториИзползваните за изображения приложения обикновено са базирани на полупроводникови материали. Следователно, ниската степен на поглъщане на светлина и изолационните свойства на литиевия ниобат несъмнено го правят непредпочитан от изследователите на фотодетектори и дори труден въпрос в областта. Развитието на хетеропреходната технология през последните години обаче даде надежда на изследванията на фотодетектори на базата на литиев ниобат. Други материали със силно поглъщане на светлина или отлична проводимост могат да бъдат хетерогенно интегрирани с литиев ниобат, за да компенсират неговите недостатъци. В същото време, индуцираните от спонтанна поляризация пироелектрични характеристики на литиевия ниобат, дължащи се на неговата структурна анизотропия, могат да бъдат контролирани чрез преобразуване в топлина под светлинно облъчване, като по този начин се променят пироелектричните характеристики за оптоелектронно детектиране. Този термичен ефект има предимствата на широколентовия и самозадвижващ се ефект и може да се допълва добре и да се комбинира с други материали. Синхронното използване на термични и фотоелектрични ефекти откри нова ера за фотодетекторите на базата на литиев ниобат, позволявайки на устройствата да комбинират предимствата на двата ефекта. И за да компенсира недостатъците и да постигне допълваща интеграция на предимствата, той е гореща точка на изследванията през последните години. Освен това, използването на йонна имплантация, лентово инженерство и дефектно инженерство също е добър избор за решаване на трудността при откриване на литиев ниобат. Въпреки това, поради високата сложност на обработката на литиевия ниобат, тази област все още е изправена пред големи предизвикателства, като ниска интеграция, устройства и системи за изобразяване с масиви и недостатъчна производителност, което има голяма изследователска стойност и пространство.
Фигура 1, използваща дефектните енергийни състояния в забранената зона на LN като електронодонорни центрове, показва, че свободните носители на заряд се генерират в проводимата зона при възбуждане с видима светлина. В сравнение с предишни пироелектрични LN фотодетектори, които обикновено бяха ограничени до скорост на реакция от около 100Hz, този...LN фотодетекторима по-бърза скорост на реакция до 10kHz. Междувременно, в тази работа беше демонстрирано, че LN, легиран с магнезиеви йони, може да постигне външна светлинна модулация с реакция до 10kHz. Тази работа насърчава изследванията върху високопроизводителни ивисокоскоростни LN фотодетекторив конструирането на напълно функционални едночипови интегрирани LN фотонни чипове.
В обобщение, областта на изследване натънкослойни фотодетектори от литиево-ниобатима важно научно значение и огромен практически потенциал за приложение. В бъдеще, с развитието на технологиите и задълбочаването на изследванията, тънкослойните фотодетектори от литиев ниобат (LN) ще се развиват към по-висока интеграция. Комбинирането на различни методи за интеграция за постигане на високопроизводителни, бързо реагиращи и широколентови тънкослойни фотодетектори от литиев ниобат във всички аспекти ще стане реалност, което значително ще насърчи развитието на интеграция на чипове и интелигентни сензорни полета и ще предостави повече възможности за новото поколение фотонни приложения.
Време на публикуване: 17 февруари 2025 г.