Tenkovrstvový fotodetektor z niobátu lítia (LN)

Tenkovrstvový fotodetektor z niobátu lítia (LN)

Niobičnan lítny (LN) má jedinečnú kryštálovú štruktúru a bohaté fyzikálne efekty, ako sú nelineárne efekty, elektrooptické efekty, pyroelektrické efekty a piezoelektrické efekty. Zároveň má výhody širokopásmového optického okna priehľadnosti a dlhodobej stability. Vďaka týmto vlastnostiam je LN dôležitou platformou pre novú generáciu integrovanej fotoniky. V optických zariadeniach a optoelektronických systémoch môžu vlastnosti LN poskytovať bohaté funkcie a výkon, čo podporuje rozvoj optickej komunikácie, optických výpočtov a optického snímania. Avšak kvôli slabým absorpčným a izolačným vlastnostiam niobičnanu lítneho sa integrované využitie niobičnanu lítneho stále stretáva s problémom zložitej detekcie. V posledných rokoch sa správy v tejto oblasti zaoberajú najmä fotodetektormi integrovanými do vlnovodu a fotodetektormi s heterojunkciou.
Integrovaný fotodetektor vlnovodu založený na niobátu lítnom sa zvyčajne zameriava na optické komunikačné pásmo C (1525 – 1565 nm). Z hľadiska funkcie hrá LN hlavne úlohu riadených vĺn, zatiaľ čo optoelektronická detekčná funkcia sa spolieha najmä na polovodiče, ako je kremík, polovodiče III – V skupiny s úzkym zakázaným pásmom a dvojrozmerné materiály. V takejto architektúre sa svetlo prenáša cez optické vlnovody na báze niobátu lítneho s nízkou stratou a potom sa absorbuje inými polovodičovými materiálmi na základe fotoelektrických efektov (ako je fotovodivosť alebo fotovoltaické efekty), čím sa zvyšuje koncentrácia nosičov a premieňa sa na elektrické signály na výstup. Výhodami sú vysoká prevádzková šírka pásma (~ GHz), nízke prevádzkové napätie, malá veľkosť a kompatibilita s integráciou fotonického čipu. Avšak kvôli priestorovému oddeleniu niobátu lítneho a polovodičových materiálov, hoci každý z nich vykonáva svoje vlastné funkcie, hrá LN iba úlohu pri vedení vĺn a ďalšie vynikajúce cudzie vlastnosti neboli dobre využité. Polovodičové materiály hrajú úlohu iba pri fotoelektrickej konverzii a chýba im komplementárna väzba, čo vedie k relatívne obmedzenému prevádzkovému pásmu. Z hľadiska konkrétnej implementácie vedie väzba svetla zo svetelného zdroja na optický vlnovod z niobátu lítia k značným stratám a prísnym procesným požiadavkám. Okrem toho je ťažké kalibrovať skutočný optický výkon svetla ožiareného na kanál polovodičového zariadenia v oblasti väzby, čo obmedzuje jeho detekčný výkon.
TradičnýfotodetektoryPoužívané na zobrazovacie aplikácie sú zvyčajne založené na polovodičových materiáloch. Preto nízka miera absorpcie svetla a izolačné vlastnosti niobátu lítia nepochybne robia jeho nevyužívaným zdrojom u výskumníkov fotodetektorov a dokonca ho robia problematickým bodom v tejto oblasti. Vývoj technológie heterogénnych prechodov však v posledných rokoch priniesol nádej do výskumu fotodetektorov na báze niobátu lítia. Iné materiály so silnou absorpciou svetla alebo vynikajúcou vodivosťou sa dajú heterogénne integrovať s niobátom lítia, aby sa kompenzovali jeho nedostatky. Zároveň je možné kontrolovať pyroelektrické vlastnosti indukované spontánnou polarizáciou niobátu lítia v dôsledku jeho štrukturálnej anizotropie premenou na teplo pod svetelným žiarením, čím sa menia pyroelektrické vlastnosti pre optoelektronickú detekciu. Tento tepelný efekt má výhody širokopásmového a samočinného riadenia a možno ho dobre dopĺňať a kombinovať s inými materiálmi. Synchrónne využitie tepelných a fotoelektrických efektov otvorilo novú éru pre fotodetektory na báze niobátu lítia, čo umožňuje zariadeniam kombinovať výhody oboch efektov. A aby sa vykompenzovali nedostatky a dosiahla sa komplementárna integrácia výhod, je v posledných rokoch výskumným bodom. Okrem toho je dobrou voľbou na riešenie problému s detekciou niobátu lítia využitie iónovej implantácie, pásového inžinierstva a inžinierstva defektov. Vzhľadom na vysokú náročnosť spracovania niobátu lítia však táto oblasť stále čelí veľkým výzvam, ako je nízka integrácia, zobrazovacie zariadenia a systémy s matricami a nedostatočný výkon, čo má veľkú výskumnú hodnotu a priestor.

Obrázok 1, s použitím energetických stavov defektov v pásme LN ako centier donorov elektrónov, ukazuje, že voľné nosiče náboja sa generujú vo vodivostnom pásme pri excitácii viditeľným svetlom. V porovnaní s predchádzajúcimi pyroelektrickými LN fotodetektormi, ktoré boli typicky obmedzené na rýchlosť odozvy okolo 100 Hz, tento...LN fotodetektormá rýchlejšiu rýchlosť odozvy až do 10 kHz. Medzitým sa v tejto práci preukázalo, že LN dopovaný iónmi horčíka dokáže dosiahnuť externú moduláciu svetla s odozvou až do 10 kHz. Táto práca podporuje výskum vysokovýkonných avysokorýchlostné LN fotodetektorypri konštrukcii plne funkčných jednočipových integrovaných fotonických čipov LN.
Stručne povedané, oblasť výskumutenkovrstvové fotodetektory na báze niobátu lítiamá dôležitý vedecký význam a obrovský praktický aplikačný potenciál. V budúcnosti sa s rozvojom technológie a prehlbovaním výskumu tenkovrstvové fotodetektory na báze niobátu lítia (LN) budú vyvíjať smerom k vyššej integrácii. Kombinácia rôznych integračných metód na dosiahnutie vysokovýkonných, rýchlo odozvy a širokopásmových tenkovrstvových fotodetektorov na báze niobátu lítia vo všetkých aspektoch sa stane realitou, čo výrazne podporí rozvoj integrácie na čipe a inteligentných snímacích polí a poskytne viac možností pre novú generáciu fotonických aplikácií.