Dunnefilmlithiumniobaat (LN) fotodetector

Dunnefilmlithiumniobaat (LN) fotodetector

Lithiumniobaat (LN) heeft een unieke kristalstructuur en een rijke fysische werking, zoals niet-lineaire, elektro-optische, pyro-elektrische en piëzo-elektrische effecten. Tegelijkertijd biedt het de voordelen van een breedbandig optisch transparantievenster en stabiliteit op lange termijn. Deze eigenschappen maken LN tot een belangrijk platform voor de nieuwe generatie geïntegreerde fotonica. In optische apparaten en opto-elektronische systemen kunnen de eigenschappen van LN rijke functies en prestaties bieden, wat de ontwikkeling van optische communicatie, optische computing en optische sensortechnologie bevordert. Vanwege de zwakke absorptie- en isolatie-eigenschappen van lithiumniobaat kampt de geïntegreerde toepassing van lithiumniobaat echter nog steeds met het probleem van moeilijke detectie. De laatste jaren omvatten rapporten op dit gebied voornamelijk fotodetectoren die in golfgeleiders zijn geïntegreerd en heterojunctie-fotodetectoren.
De geïntegreerde fotodetector met golfgeleider op basis van lithiumniobaat is meestal gericht op de optische communicatie C-band (1525-1565 nm). Qua functionaliteit vervult LN voornamelijk de rol van geleide golven, terwijl de opto-elektronische detectiefunctie voornamelijk berust op halfgeleiders zoals silicium, halfgeleiders met een smalle bandgap 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 ladingsconcentratie te verhogen en deze om te zetten in elektrische signalen voor uitvoer. De voordelen zijn een hoge bandbreedte (~GHz), een lage bedrijfsspanning, een klein formaat en compatibiliteit met fotonische chipintegratie. Door de ruimtelijke scheiding van lithiumniobaat en halfgeleidermaterialen, hoewel ze elk hun eigen functies vervullen, speelt LN echter alleen een rol bij het geleiden van golven en zijn andere uitstekende externe eigenschappen nog 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, resulteert de koppeling van licht van de lichtbron aan de optische golfgeleider van lithiumniobaat in aanzienlijke verliezen en strenge proceseisen. Bovendien is het werkelijke optische vermogen van het licht dat op het halfgeleiderkanaal in het koppelingsgebied wordt gestraald, moeilijk te kalibreren, wat de detectieprestaties beperkt.
De traditionelefotodetectorenVoor beeldvorming gebruikte materialen zijn meestal gebaseerd op halfgeleidermaterialen. Lithiumniobaat, met zijn lage lichtabsorptie en isolerende eigenschappen, is daarom ongetwijfeld niet favoriet bij onderzoekers naar fotodetectoren en vormt zelfs een lastig punt in het veld. De ontwikkeling van heterojunctietechnologie in de afgelopen jaren heeft echter hoop gegeven aan het onderzoek naar fotodetectoren op basis van lithiumniobaat. Andere materialen met sterke lichtabsorptie of uitstekende geleidbaarheid kunnen heterogeen worden geïntegreerd met lithiumniobaat om de tekortkomingen te compenseren. Tegelijkertijd kunnen de door spontane polarisatie geïnduceerde pyro-elektrische eigenschappen van lithiumniobaat, dankzij de structurele anisotropie, worden gecontroleerd door omzetting in warmte onder invloed van licht, waardoor de pyro-elektrische eigenschappen voor opto-elektronische detectie veranderen. Dit thermische effect heeft de voordelen van breedband en zelfsturendheid en kan goed worden aangevuld en samengevoegd met andere materialen. Het synchrone 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 complementaire integratie van voordelen te bereiken, is het de afgelopen jaren een hotspot voor onderzoek geworden. Daarnaast is het gebruik van ionenimplantatie, bandengineering en defectengineering ook een goede keuze om de moeilijkheid van het detecteren van lithiumniobaat op te lossen. Vanwege de hoge verwerkingsmoeilijkheden van lithiumniobaat kampt dit vakgebied echter nog steeds met grote uitdagingen, zoals beperkte integratie, array-imagingapparaten en -systemen en onvoldoende prestaties, wat een grote onderzoekswaarde en ruimte biedt.

Figuur 1, waarbij de defectenergietoestanden binnen de LN-bandgap als elektrondonorcentra worden gebruikt, genereert vrije ladingsdragers in de geleidingsband onder excitatie met zichtbaar licht. Vergeleken met eerdere pyro-elektrische LN-fotodetectoren, die doorgaans beperkt waren tot een responssnelheid van ongeveer 100 Hz, is ditLN-fotodetectorheeft een snellere responssnelheid tot 10 kHz. In dit werk is aangetoond dat magnesiumion-gedoteerde LN externe lichtmodulatie kan bereiken met een respons tot 10 kHz. Dit werk bevordert het onderzoek naar hoogwaardige enhogesnelheids-LN-fotodetectorenbij de constructie van volledig functionele, op één chip geïntegreerde LN-fotonische chips.
Samenvattend kan gesteld worden dat het onderzoeksgebied vandunnefilmlithiumniobaatfotodetectorenheeft een belangrijke wetenschappelijke betekenis en een enorm potentieel voor praktische toepassingen. In de toekomst, met de ontwikkeling van technologie en de verdieping van onderzoek, zullen dunnefilmlithiumniobaat (LN) fotodetectoren zich ontwikkelen naar een hogere mate van integratie. Het combineren van verschillende integratiemethoden om in alle opzichten hoogwaardige, snelle respons en breedbandige dunnefilmlithiumniobaat fotodetectoren te bereiken, zal werkelijkheid worden. Dit zal de ontwikkeling van on-chip integratie en intelligente sensortechnologieën aanzienlijk bevorderen en meer mogelijkheden bieden voor de nieuwe generatie fotonicatoepassingen.