Fotodetector de película fina de niobato de litio (LN)

Fotodetector de película fina de niobato de litio (LN)

O niobato de litio (LN) ten unha estrutura cristalina única e ricos efectos físicos, como efectos non lineais, efectos electroópticos, efectos piroeléctricos e efectos piezoeléctricos. Ao mesmo tempo, ten as vantaxes dunha xanela de transparencia óptica de banda ancha e estabilidade a longo prazo. Estas características fan do LN unha plataforma importante para a nova xeración de fotónica integrada. Nos dispositivos ópticos e sistemas optoelectrónicos, as características do LN poden proporcionar funcións e rendemento ricos, promovendo o desenvolvemento dos campos da comunicación óptica, a computación óptica e a detección óptica. Non obstante, debido ás débiles propiedades de absorción e illamento do niobato de litio, a aplicación integrada do niobato de litio aínda se enfronta ao problema da detección difícil. Nos últimos anos, os informes neste campo inclúen principalmente fotodetectores integrados de guía de ondas e fotodetectores de heterounión.
O fotodetector integrado de guía de ondas baseado en niobato de litio adoita centrarse na banda C de comunicación óptica (1525-1565 nm). En termos de función, o LN desempeña principalmente o papel de ondas guiadas, mentres que a función de detección optoelectrónica baséase principalmente en semicondutores como o silicio, semicondutores de banda estreita do grupo III-V e materiais bidimensionais. Nunha arquitectura deste tipo, a luz transmítese a través de guías de ondas ópticas de niobato de litio con baixa perda e logo é absorbida por outros materiais semicondutores baseándose en efectos fotoeléctricos (como a fotocondutividade ou os efectos fotovoltaicos) para aumentar a concentración de portadores e convertela en sinais eléctricos para a saída. As vantaxes son o alto ancho de banda operativo (~GHz), a baixa tensión de funcionamento, o pequeno tamaño e a compatibilidade coa integración de chips fotónicos. Non obstante, debido á separación espacial do niobato de litio e os materiais semicondutores, aínda que cada un realiza as súas propias funcións, o LN só desempeña un papel na guía de ondas e outras excelentes propiedades estranxeiras non foron ben utilizadas. Os materiais semicondutores só desempeñan un papel na conversión fotoeléctrica e carecen de acoplamento complementario entre si, o que resulta nunha banda operativa relativamente limitada. En termos de implementación específica, o acoplamento da luz da fonte de luz á guía de ondas óptica de niobato de litio resulta en perdas significativas e requisitos de proceso estritos. Ademais, a potencia óptica real da luz irradiada no canal do dispositivo semicondutor na rexión de acoplamento é difícil de calibrar, o que limita o seu rendemento de detección.
O tradicionalfotodetectoresOs materiais empregados para aplicacións de imaxe adoitan basearse en materiais semicondutores. Polo tanto, no caso do niobato de litio, a súa baixa taxa de absorción de luz e as súas propiedades illantes fan que, sen dúbida, non sexa o favorito dos investigadores de fotodetectores e mesmo sexa un punto difícil no campo. Non obstante, o desenvolvemento da tecnoloxía de heteroxunción nos últimos anos trouxo esperanza á investigación de fotodetectores baseados en niobato de litio. Outros materiais con forte absorción de luz ou excelente condutividade poden integrarse heteroxeneamente co niobato de litio para compensar as súas deficiencias. Ao mesmo tempo, as características piroeléctricas inducidas pola polarización espontánea do niobato de litio debido á súa anisotropía estrutural poden controlarse converténdoas en calor baixo irradiación de luz, cambiando así as características piroeléctricas para a detección optoelectrónica. Este efecto térmico ten as vantaxes da banda ancha e da autoalimentación, e pode complementarse e fusionarse ben con outros materiais. A utilización síncrona dos efectos térmicos e fotoeléctricos abriu unha nova era para os fotodetectores baseados en niobato de litio, o que permite aos dispositivos combinar as vantaxes de ambos os efectos. E para compensar as deficiencias e lograr a integración complementaria das vantaxes, é un tema candente de investigación nos últimos anos. Ademais, a utilización da implantación de ións, a enxeñaría de bandas e a enxeñaría de defectos tamén é unha boa opción para resolver a dificultade de detectar o niobato de litio. Non obstante, debido á alta dificultade de procesamento do niobato de litio, este campo aínda se enfronta a grandes desafíos, como a baixa integración, os dispositivos e sistemas de imaxe de matriz e o rendemento insuficiente, o que ten un gran valor de investigación e espazo.

Figura 1, usando os estados de enerxía de defecto dentro da banda prohibida LN como centros doantes de electróns, xéranse portadores de carga libres na banda de condución baixo excitación de luz visible. En comparación cos fotodetectores LN piroeléctricos anteriores, que normalmente estaban limitados a unha velocidade de resposta duns 100 Hz, esteFotodetector de LNten unha velocidade de resposta máis rápida de ata 10 kHz. Mentres tanto, neste traballo, demostrouse que o LN dopado con ións de magnesio pode lograr unha modulación da luz externa cunha resposta de ata 10 kHz. Este traballo promove a investigación sobre alto rendemento efotodetectores LN de alta velocidadena construción de chips fotónicos LN integrados dun só chip totalmente funcionais.
En resumo, o campo de investigación defotodetectores de película fina de niobato de litioten unha importante importancia científica e un enorme potencial de aplicación práctica. No futuro, co desenvolvemento da tecnoloxía e a profundización da investigación, os fotodetectores de película fina de niobato de litio (LN) evolucionarán cara a unha maior integración. A combinación de diferentes métodos de integración para lograr fotodetectores de película fina de niobato de litio de alto rendemento, resposta rápida e banda ancha en todos os aspectos converterase nunha realidade, o que promoverá enormemente o desenvolvemento da integración no chip e dos campos de detección intelixentes, e proporcionará máis posibilidades para a nova xeración de aplicacións fotónicas.