Tunnfilms litiumniobat (LN) fotodetektor

Tunnfilms litiumniobat (LN) fotodetektor

Litiumniobat (LN) har en unik kristallstruktur och rika fysikaliska effekter, såsom ickelinjära effekter, elektrooptiska effekter, pyroelektriska effekter och piezoelektriska effekter. Samtidigt har det fördelarna med bredbandigt optiskt transparensfönster och långsiktig stabilitet. Dessa egenskaper gör LN till en viktig plattform för den nya generationen av integrerad fotonik. I optiska enheter och optoelektroniska system kan LN:s egenskaper ge rika funktioner och prestanda, vilket främjar utvecklingen av optisk kommunikation, optisk beräkning och optiska sensorfält. På grund av litiumniobats svaga absorptions- och isoleringsegenskaper står den integrerade tillämpningen av litiumniobat dock fortfarande inför problemet med svårigheter vid detektion. Under senare år har rapporter inom detta område huvudsakligen omfattat vågledarintegrerade fotodetektorer och heterojunction-fotodetektorer.
Den vågledarintegrerade fotodetektorn baserad på litiumniobat är vanligtvis inriktad på det optiska kommunikations-C-bandet (1525-1565 nm). Funktionellt spelar LN huvudsakligen rollen som styrda vågor, medan den optoelektroniska detekteringsfunktionen huvudsakligen förlitar sig på halvledare som kisel, III-V-gruppens smala bandgaphalvledare och tvådimensionella material. I en sådan arkitektur överförs ljus genom litiumniobatoptiska vågledare med låg förlust och absorberas sedan av andra halvledarmaterial baserat på fotoelektriska effekter (såsom fotokonduktivitet eller fotovoltaiska effekter) för att öka bärarkoncentrationen och omvandla den till elektriska signaler för utmatning. Fördelarna är hög driftsbandbredd (~GHz), låg driftsspänning, liten storlek och kompatibilitet med fotoniska chipintegrationer. På grund av den rumsliga separationen mellan litiumniobat och halvledarmaterial, även om de var och en utför sina egna funktioner, spelar LN dock bara en roll i att styra vågor och andra utmärkta främmande egenskaper har inte utnyttjats väl. Halvledarmaterial spelar bara en roll i fotoelektrisk omvandling och saknar komplementär koppling med varandra, vilket resulterar i ett relativt begränsat driftsband. När det gäller den specifika implementeringen resulterar kopplingen av ljus från ljuskällan till litiumniobatoptiska vågledaren i betydande förluster och strikta processkrav. Dessutom är den faktiska optiska effekten hos ljuset som bestrålas på halvledarkomponentkanalen i kopplingsområdet svår att kalibrera, vilket begränsar dess detekteringsprestanda.
Det traditionellafotodetektorerDe material som används för avbildningstillämpningar är vanligtvis baserade på halvledarmaterial. Därför gör litiumniobats låga ljusabsorptionshastighet och isolerande egenskaper att det utan tvekan inte är populärt bland fotodetektorforskare, och till och med är en svår punkt inom området. Utvecklingen av heterojunction-teknik under senare år har dock gett hopp åt forskningen kring litiumniobatbaserade fotodetektorer. Andra material med stark ljusabsorption eller utmärkt konduktivitet kan integreras heterogent med litiumniobat för att kompensera för dess brister. Samtidigt kan de spontant polarisationsinducerade pyroelektriska egenskaperna hos litiumniobat på grund av dess strukturella anisotropi kontrolleras genom att omvandlas till värme under ljusbestrålning, vilket förändrar de pyroelektriska egenskaperna för optoelektronisk detektion. Denna termiska effekt har fördelarna med bredband och självstyrning, och kan väl kompletteras och sammansmältas med andra material. Den synkrona användningen av termiska och fotoelektriska effekter har öppnat en ny era för litiumniobatbaserade fotodetektorer, vilket gör det möjligt för enheter att kombinera fördelarna med båda effekterna. Och för att kompensera för bristerna och uppnå kompletterande integration av fördelar har det varit ett forskningsfokusområde under senare år. Dessutom är användningen av jonimplantation, bandteknik och defektteknik också ett bra val för att lösa svårigheten att detektera litiumniobat. På grund av litiumniobats höga bearbetningssvårigheter står detta område dock fortfarande inför stora utmaningar såsom låg integration, array-avbildningsenheter och -system samt otillräcklig prestanda, vilket har stort forskningsvärde och utrymme.

Figur 1, där defektenergitillstånden inom LN-bandgapet används som elektrondonatorcentra, genereras fria laddningsbärare i ledningsbandet under excitation av synligt ljus. Jämfört med tidigare pyroelektriska LN-fotodetektorer, som vanligtvis var begränsade till en svarshastighet på cirka 100 Hz, har dennaLN-fotodetektorhar en snabbare svarshastighet på upp till 10 kHz. Samtidigt visades det i detta arbete att magnesiumjondopad LN kan uppnå extern ljusmodulering med ett svar på upp till 10 kHz. Detta arbete främjar forskningen om högpresterande ochhöghastighets LN-fotodetektoreri konstruktionen av fullt fungerande integrerade LN-fotoniska chips med ett chip.
Sammanfattningsvis, forskningsområdet förtunnfilms litiumniobat fotodetektorerhar viktig vetenskaplig betydelse och enorm praktisk tillämpningspotential. I framtiden, med teknikutvecklingen och fördjupad forskning, kommer tunnfilmslitiumniobat (LN)-fotodetektorer att utvecklas mot högre integration. Att kombinera olika integrationsmetoder för att uppnå högpresterande, snabba och bredbandiga tunnfilmslitiumniobat-fotodetektorer i alla aspekter kommer att bli verklighet, vilket i hög grad kommer att främja utvecklingen av integrerad chip och intelligenta sensorfält, och ge fler möjligheter för den nya generationen fotonikapplikationer.