Tenký film Littium Niobate (LN)

Tenký film Littium Niobate (LN)

Lítium niobate (LN) má jedinečnú kryštálovú štruktúru a bohaté fyzikálne účinky, ako sú nelineárne účinky, elektrooptické účinky, pyroelektrické účinky a piezoelektrické účinky. Zároveň má výhody okna so širokopásmovým optickou transparentnosťou a dlhodobú stabilitu. Tieto charakteristiky robia z LN dôležitou platformou pre novú generáciu integrovanej fotoniky. V optických zariadeniach a optoelektronických systémoch môžu charakteristiky LN poskytovať bohaté funkcie a výkon, čo propaguje vývoj optických komunikácií, optických výpočtov a optických polí. Avšak v dôsledku slabých absorpčných a izolačných vlastností lítium niobate, integrovaná aplikácia lítium niobate stále čelí problému zložitej detekcie. V posledných rokoch správy v tejto oblasti zahŕňajú hlavne vlnovody integrované fotodetektory a heterojunkčné fotodetektory.
Integrovaný fotodetektor vlnovodu založený na niobáte lítium sa zvyčajne zameriava na optickú komunikáciu C-pásma (1525-1565nm). Pokiaľ ide o funkciu, LN hrá hlavne úlohu vedených vĺn, zatiaľ čo funkcia optoelektronickej detekcie sa spolieha hlavne na polovodiče, ako sú kremík, polovodiče úzkeho bandgap skupiny III-V a dvojrozmerné materiály. V takejto architektúre sa svetlo prenáša prostredníctvom optických vlnovodov lítium niobate s nízkou stratou a potom sa absorbuje inými polovodičovými materiálmi založenými na fotoelektrických účinkoch (ako je fotokonduktivita alebo fotovoltaické účinky), aby sa zvýšila koncentrácia nosiča a previedla ich na elektrické signály na výstup. Výhodou sú vysoká prevádzková šírka pásma (~ GHz), nízke prevádzkové napätie, malá veľkosť a kompatibilita s integráciou fotonických čipov. Avšak v dôsledku priestorovej separácie lítium niobate a polovodičových materiálov, hoci každý z nich vykonáva svoje vlastné funkcie, hrá iba úlohu pri vedení vĺn a iných vynikajúcich zahraničných vlastností. Polovodičové materiály hrajú úlohu iba pri fotoelektrickej konverzii a chýbajú vzájomne komplementárne spojenie, čo vedie k relatívne obmedzenému operačnému pásmu. Pokiaľ ide o konkrétnu implementáciu, spojenie svetla zo zdroja svetla po optický vlnovod lítium niobate vedie k významným stratám a prísnym požiadavkám na procesy. Okrem toho je ťažké kalibrovať skutočnú optickú silu svetla ožiareného na kanáli polovodičového zariadenia v spojovacej oblasti, čo obmedzuje jeho detekčný výkon.
TradičnýfotodetektoryPoužíva sa na zobrazovacie aplikácie zvyčajne založené na polovodičových materiáloch. Preto pre niobate lítium, jeho nízka absorpčná rýchlosť a izolačné vlastnosti ho robia nepochybne uprednostňovaní výskumníkmi fotodetektora a dokonca aj ťažkým bodom v teréne. Vývoj heterojunkčnej technológie v posledných rokoch však priniesol nádej na výskum fotodetektorov založených na niobáte lítium. Ostatné materiály so silnou absorpciou svetla alebo vynikajúcou vodivosťou môžu byť heterogénne integrované s lítium niobate, aby sa kompenzovali jeho nedostatky. Zároveň spontánna polarizácia vyvolaná pyroelektrické charakteristiky lítium niobate v dôsledku jeho štrukturálnej anizotropie môže byť regulovaná prevodom na teplo pri ožiarení svetlom, čím sa zmení pyroelektrické vlastnosti optolektronickej detekcie. Tento tepelný efekt má výhody širokopásmového pripojenia a samostatnej jazdy a môže byť dobre doplnený a fúzovaný s inými materiálmi. Synchrónne využitie tepelných a fotoelektrických efektov otvorilo novú éru pre fotodetektory na báze lítium niobate, čo umožňuje zariadeniam kombinovať výhody oboch účinkov. A aby sa nahradil nedostatky a dosiahol doplnkovú integráciu výhod, v posledných rokoch je to výskumný hotspot. Okrem toho je dobrou voľbou na vyriešenie obtiažnosti detekcie lítium niobátu aj využitie iónovej implantácie, pásmového inžinierstva a inžinierstva defektov. Avšak z dôvodu vysokých problémov s spracovaním lítium niobate, toto pole stále čelí veľkým výzvam, ako sú nízka integrácia, zobrazovacie zariadenia a systémy poľa a nedostatočný výkon, ktorý má veľkú výskumnú hodnotu a priestor.

Obrázok 1, s použitím defektných energetických stavov v LN Bandgap ako elektrónových donorových centrách sa nosiče voľného náboja generujú v vodivom pásme pri excitácii viditeľného svetla. V porovnaní s predchádzajúcimi pyroelektrickými LN fotodetektormi, ktoré boli zvyčajne obmedzené na rýchlosť odozvy okolo 100 Hz, to jeLN fotodetektormá rýchlejšiu rýchlosť odozvy až 10 kHz. Medzitým sa v tejto práci preukázalo, že LN dopované iónom horčíka môže dosiahnuť moduláciu vonkajšieho svetla s odozvou až 10 kHz. Táto práca podporuje výskum vysokej výkonnosti avysokorýchlostné LN fotodetektoryPri konštrukcii plne funkčných integrovaných LN fotonických čipov s jedným čipom.
Stručne povedané, oblasť výskumutenký film lítium niobate fotodetektorymá dôležitý vedecký význam a obrovský praktický aplikačný potenciál. V budúcnosti sa s vývojom technológie a prehĺbením výskumu vyvinie fotodetektory tenkého filmu lítium Niobate (LN) smerom k vyššej integrácii. Kombinácia rôznych metód integrácie na dosiahnutie vysoko výkonnej, rýchlej reakcie a širokopásmového tenkého filmu Fotodetektory lítium niobate vo všetkých aspektoch sa stane realitou, ktorá výrazne podporuje vývoj integrácie na čipoch a inteligentných snímacích polia Nová generácia aplikácií fotoniky.