Dunnefilm lithiumniobaat (LN) fotodetector
Lithiumniobaat (LN) heeft een unieke kristalstructuur en een breed scala aan fysische effecten, zoals niet-lineaire effecten, elektro-optische effecten, pyro-elektrische effecten en piëzo-elektrische effecten. Tegelijkertijd heeft het de voordelen van een breed optisch transparantievenster en langdurige stabiliteit. Deze eigenschappen maken LN een belangrijk platform voor de nieuwe generatie geïntegreerde fotonica. In optische apparaten en opto-elektronische systemen kunnen de eigenschappen van LN zorgen voor een breed scala aan functies en prestaties, wat de ontwikkeling van optische communicatie, optische computertechnologie en optische sensoren bevordert. Vanwege de zwakke absorptie- en isolatie-eigenschappen van lithiumniobaat blijft de geïntegreerde toepassing ervan echter een probleem van moeilijke detectie. Recente publicaties op dit gebied omvatten voornamelijk golfgeleider-geïntegreerde fotodetectoren en heterojunctie-fotodetectoren.
De golfgeleider-geïntegreerde fotodetector op basis van lithiumniobaat is doorgaans gericht op de optische communicatie C-band (1525-1565 nm). Qua functie speelt LN voornamelijk de rol van geleidende golven, terwijl de opto-elektronische detectiefunctie hoofdzakelijk afhankelijk is van halfgeleiders zoals silicium, smalbandige halfgeleiders uit de III-V-groep en tweedimensionale materialen. In een dergelijke architectuur wordt licht met weinig verlies door optische golfgeleiders van lithiumniobaat geleid en vervolgens geabsorbeerd door andere halfgeleidermaterialen op basis van foto-elektrische effecten (zoals fotogeleiding of fotovoltaïsche effecten) om de ladingsdragerconcentratie te verhogen en om te zetten in elektrische signalen voor uitvoer. De voordelen zijn een hoge werkbandbreedte (~GHz), lage werkspanning, klein formaat en compatibiliteit met fotonische chipintegratie. Door de ruimtelijke scheiding van lithiumniobaat en halfgeleidermaterialen, hoewel ze elk hun eigen functie vervullen, speelt LN echter alleen een rol in het geleiden van golven en worden andere uitstekende eigenschappen van de halfgeleiders niet optimaal benut. Halfgeleidermaterialen spelen alleen een rol bij foto-elektrische conversie en missen complementaire koppeling met elkaar, wat resulteert in een relatief beperkte werkingsband. Wat de specifieke implementatie betreft, leidt de koppeling van licht van de lichtbron naar de lithiumniobaat optische golfgeleider tot aanzienlijke verliezen en strenge proceseisen. Bovendien is het moeilijk om het werkelijke optische vermogen van het licht dat op het halfgeleiderkanaal in het koppelingsgebied valt te kalibreren, wat de detectieprestaties beperkt.
De traditionelefotodetectorenDe materialen die voor beeldvormingstoepassingen worden gebruikt, zijn meestal gebaseerd op halfgeleidermaterialen. Lithiumniobaat is daarom, vanwege zijn lage lichtabsorptie en isolerende eigenschappen, niet erg populair bij onderzoekers op het gebied van fotodetectoren en vormt zelfs een lastig punt. De recente ontwikkeling van heterojunctietechnologie biedt echter hoop voor onderzoek naar fotodetectoren op basis van lithiumniobaat. Andere materialen met een sterke lichtabsorptie of uitstekende geleidbaarheid kunnen heterogeen met lithiumniobaat worden geïntegreerd om de tekortkomingen ervan te compenseren. Tegelijkertijd kunnen de spontane polarisatie-geïnduceerde pyro-elektrische eigenschappen van lithiumniobaat, als gevolg van de structurele anisotropie, worden gecontroleerd door ze onder lichtbestraling om te zetten in warmte, waardoor de pyro-elektrische eigenschappen voor opto-elektronische detectie veranderen. Dit thermische effect heeft als voordelen een brede bandbreedte en zelfsturing, en kan goed worden aangevuld en gecombineerd met andere materialen. Het gelijktijdige gebruik van thermische en foto-elektrische effecten heeft een nieuw tijdperk ingeluid voor fotodetectoren op basis van lithiumniobaat, waardoor apparaten de voordelen van beide effecten kunnen combineren. Om de tekortkomingen te compenseren en een complementaire integratie van voordelen te bereiken, is dit de laatste jaren een belangrijk onderzoeksgebied. Daarnaast is het gebruik van ionenimplantatie, bandstructuurmanipulatie en defectmanipulatie een goede optie om de moeilijkheid van het detecteren van lithiumniobaat op te lossen. Vanwege de hoge verwerkingsmoeilijkheid van lithiumniobaat staat dit vakgebied echter nog steeds voor grote uitdagingen, zoals een lage integratiegraad, array-beeldvormingsapparaten en -systemen, en onvoldoende prestaties. Dit biedt echter een grote onderzoekswaarde en veel ruimte voor onderzoek.
Figuur 1 laat zien dat, door gebruik te maken van de defectenergiestaten binnen de LN-bandkloof als elektronendonorcentra, vrije ladingsdragers in de geleidingsband worden gegenereerd onder excitatie met zichtbaar licht. In vergelijking met eerdere pyroelektrische LN-fotodetectoren, die doorgaans een beperkte responsnelheid van ongeveer 100 Hz hadden, biedt deze fotodetector een veel hogere responsnelheid.LN-fotodetectorheeft een snellere respons tot wel 10 kHz. In dit onderzoek is bovendien aangetoond dat met magnesiumionen gedoteerd LN externe lichtmodulatie kan bereiken met een respons tot 10 kHz. Dit werk bevordert het onderzoek naar hoogwaardige ensnelle LN-fotodetectorenbij de constructie van volledig functionele, geïntegreerde LN-fotonische chips op één chip.
Samenvattend is het onderzoeksgebied vandunnefilm lithiumniobaat fotodetectorenHet heeft een belangrijke wetenschappelijke betekenis en een enorm potentieel voor praktische toepassingen. In de toekomst zullen dunnefilm lithiumniobaat (LN) fotodetectoren, met de ontwikkeling van technologie en de verdieping van onderzoek, zich verder ontwikkelen naar een hogere integratiegraad. Het combineren van verschillende integratiemethoden om hoogwaardige, snel reagerende en breedbandige dunnefilm lithiumniobaat fotodetectoren te realiseren, zal in alle opzichten werkelijkheid worden. Dit zal de ontwikkeling van on-chip integratie en intelligente sensoren sterk bevorderen en meer mogelijkheden bieden voor de nieuwe generatie fotonica-toepassingen.
Geplaatst op: 17 februari 2025