Tunn film litium niobate (ln) fotodetektor

Tunn film litium niobate (ln) fotodetektor

Litiumniobat (LN) har en unik kristallstruktur och rika fysiska effekter, såsom olinjära effekter, elektrooptiska effekter, pyroelektriska effekter och piezoelektriska effekter. Samtidigt har det fördelarna med bredbandsoptiskt 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 egenskaperna hos LN ge rika funktioner och prestanda, främja utvecklingen av optisk kommunikation, optisk datoranvändning och optiska avkänningsfält. På grund av de svaga absorptions- och isoleringsegenskaperna hos litium -niobat, står emellertid den integrerade tillämpningen av litiumniobat fortfarande inför problemet med svår upptäckt. Under de senaste åren inkluderar rapporter inom detta område främst vågledare integrerade fotodetektorer och heterojunktionsfotodetektorer.
Vågledarnas integrerade fotodetektor baserad på litiumniobat är vanligtvis inriktat på den optiska kommunikationen C-band (1525-1565 nm). När det gäller funktion spelar LN huvudsakligen rollen som guidade vågor, medan den optoelektroniska detekteringsfunktionen huvudsakligen förlitar sig på halvledare som kisel, III-V-grupp smala bandgap-halvledare och tvådimensionella material. I en sådan arkitektur överförs ljus genom litium -niobatoptiska vågledare med låg förlust och absorberas sedan av andra halvledarmaterial baserade på fotoelektriska effekter (såsom fotokonduktivitet eller fotovoltaiska effekter) för att öka bärarkoncentrationen och omvandla det till elektriska signaler för utgång. Fördelarna är hög driftsbandbredd (~ GHz), låg driftspänning, liten storlek och kompatibilitet med fotonisk chipintegration. På grund av den rumsliga separationen av litiumniobat- och halvledarmaterial, även om de var och en utför sina egna funktioner, spelar LN bara en roll i vägledningen och andra utmärkta främmande egenskaper har inte använts väl. Halvledarmaterial spelar bara en roll i fotoelektrisk omvandling och brist på kompletterande koppling med varandra, vilket resulterar i ett relativt begränsat operativband. När det gäller specifik implementering resulterar kopplingen av ljus från ljuskällan till litium -niobatoptisk vågledare i betydande förluster och strikta processkrav. Dessutom är den faktiska optiska kraften hos ljuset bestrålat på halvledarenhetskanalen i kopplingsområdet svårt att kalibrera, vilket begränsar dess detekteringsprestanda.
Den traditionellafotodetektorerAnvänds för avbildningsapplikationer är vanligtvis baserade på halvledarmaterial. För litium -niobat gör därför dess låga ljusabsorptionshastighet och isolerande egenskaper utan tvekan inte gynnad av fotodetektorforskare och till och med en svår punkt i fältet. Utvecklingen av heterojunktionsteknologi under de senaste åren har emellertid gett hopp till forskning från litium -niobatbaserade fotodetektorer. Andra material med stark ljusabsorption eller utmärkt konduktivitet kan integreras heterogent med litium -niobat för att kompensera för dess brister. Samtidigt kan den spontana polarisationsinducerade pyroelektriska egenskaperna hos litium -niobat på grund av dess strukturella anisotropi kontrolleras genom att konvertera till värme under ljus bestrålning och därmed förändra de pyroelektriska egenskaperna för optoelektronisk detektion. Denna termiska effekt har fördelarna med bredband och självkörning och kan kompletteras och smälts med andra material. Det synkrona användningen av termiska och fotoelektriska effekter har öppnat en ny ERA för litium -niobatbaserade 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 är det en forskningshotspot under de senaste åren. Dessutom är användningen av jonimplantation, bandteknik och defektteknik också ett bra val att lösa svårigheten att upptäcka litium -niobat. På grund av de höga bearbetningssvårigheterna för litiumniobat står emellertid detta fält fortfarande stora utmaningar som låg integration, arrayavbildningsanordningar och system och otillräcklig prestanda, som har stort forskningsvärde och utrymme.

Figur 1, med hjälp av defektenergitillstånd inom LN -bandgap som elektrondonatorcentra, genereras fria laddningsbärare i ledningsbandet under synlig ljus excitation. Jämfört med tidigare pyroelektriska LN -fotodetektorer, som vanligtvis var begränsade till en svarshastighet på cirka 100Hz, dettaLn fotodetektorhar en snabbare svarshastighet på upp till 10 kHz. Samtidigt visades det i detta arbete att magnesiumjon dopad LN kan uppnå extern ljusmodulering med ett svar på upp till 10 kHz. Detta arbete främjar forskningen om högpresterande ochHöghastighets LN-fotodetektorerVid konstruktionen av fullt funktionellt integrerade LN-chips med enkel chip.
Sammanfattningsvis är forskningsområdettunn film litium niobatfotodetektorerhar viktig vetenskaplig betydelse och enorm praktisk tillämpningspotential. I framtiden, med utvecklingen av teknik och fördjupning av forskning, kommer fotodetektorer för tunnfilm litiumniobat (LN) att utvecklas mot högre integration. Att kombinera olika integrationsmetoder för att uppnå högpresterande, snabbt svar och bredband tunn film litium-niobatfotodetektorer i alla aspekter kommer att bli verklighet, som i hög grad kommer att främja utvecklingen av integration på chip och intelligenta avkänning, och ge fler möjligheter för de Ny generation av fotonikapplikationer.