Fotodetector de niobat de liti (LN) de pel·lícula fina

Fotodetector de niobat de liti (LN) de pel·lícula fina

El niobat de liti (LN) té una estructura cristal·lina única i rics efectes físics, com ara efectes no lineals, efectes electroòptics, efectes piroelèctrics i efectes piezoelèctrics. Al mateix temps, té els avantatges de la finestra de transparència òptica de banda ampla i l'estabilitat a llarg termini. Aquestes característiques fan del LN una plataforma important per a la nova generació de fotònica integrada. En dispositius òptics i sistemes optoelectrònics, les característiques del LN poden proporcionar funcions i rendiment rics, promovent el desenvolupament de la comunicació òptica, la computació òptica i els camps de detecció òptica. Tanmateix, a causa de les febles propietats d'absorció i aïllament del niobat de liti, l'aplicació integrada del niobat de liti encara s'enfronta al problema de la detecció difícil. En els darrers anys, els informes en aquest camp inclouen principalment fotodetectors integrats de guia d'ones i fotodetectors d'heterounió.
El fotodetector integrat de guia d'ones basat en niobat de liti se sol centrar en la banda C de comunicació òptica (1525-1565 nm). Pel que fa a la funció, el LN juga principalment el paper d'ones guiades, mentre que la funció de detecció optoelectrònica es basa principalment en semiconductors com el silici, semiconductors de banda estreta del grup III-V i materials bidimensionals. En aquesta arquitectura, la llum es transmet a través de guies d'ones òptiques de niobat de liti amb baixa pèrdua i després és absorbida per altres materials semiconductors basats en efectes fotoelèctrics (com ara fotoconductivitat o efectes fotovoltaics) per augmentar la concentració de portadors i convertir-los en senyals elèctrics per a la sortida. Els avantatges són l'ample de banda operatiu elevat (~GHz), el baix voltatge operatiu, la mida petita i la compatibilitat amb la integració de xips fotònics. Tanmateix, a causa de la separació espacial del niobat de liti i els materials semiconductors, tot i que cadascun realitza les seves pròpies funcions, el LN només juga un paper en el guiatge d'ones i altres propietats estranyes excel·lents no s'han utilitzat bé. Els materials semiconductors només tenen un paper en la conversió fotoelèctrica i no tenen acoblament complementari entre si, cosa que resulta en una banda operativa relativament limitada. Pel que fa a la implementació específica, l'acoblament de la llum de la font de llum a la guia d'ones òptica de niobat de liti provoca pèrdues significatives i requisits de procés estrictes. A més, la potència òptica real de la llum irradiada al canal del dispositiu semiconductor a la regió d'acoblament és difícil de calibrar, cosa que limita el seu rendiment de detecció.
El tradicionalfotodetectorsEls materials utilitzats per a aplicacions d'imatge solen basar-se en materials semiconductors. Per tant, per al niobat de liti, la seva baixa taxa d'absorció de llum i les seves propietats aïllants fan que, sens dubte, no sigui el preferit pels investigadors de fotodetectors, i fins i tot sigui un punt difícil en el camp. Tanmateix, el desenvolupament de la tecnologia d'heterounió en els darrers anys ha portat esperança a la investigació de fotodetectors basats en niobat de liti. Altres materials amb una forta absorció de llum o una excel·lent conductivitat es poden integrar heterogèniament amb el niobat de liti per compensar les seves deficiències. Al mateix temps, les característiques piroelèctriques induïdes per la polarització espontània del niobat de liti a causa de la seva anisotropia estructural es poden controlar convertint-lo en calor sota irradiació de llum, canviant així les característiques piroelèctriques per a la detecció optoelectrònica. Aquest efecte tèrmic té els avantatges de la banda ampla i l'autoconducció, i es pot complementar i fusionar bé amb altres materials. La utilització síncrona dels efectes tèrmics i fotoelèctrics ha obert una nova era per als fotodetectors basats en niobat de liti, permetent als dispositius combinar els avantatges d'ambdós efectes. I per compensar les deficiències i aconseguir una integració complementària d'avantatges, és un tema calent de recerca en els darrers anys. A més, la utilització de la implantació iònica, l'enginyeria de bandes i l'enginyeria de defectes també és una bona opció per resoldre la dificultat de detectar el niobat de liti. Tanmateix, a causa de l'alta dificultat de processament del niobat de liti, aquest camp encara s'enfronta a grans reptes, com ara la baixa integració, els dispositius i sistemes d'imatges de matriu i el rendiment insuficient, cosa que té un gran valor de recerca i espai.

Figura 1, utilitzant els estats d'energia de defectes dins de la banda prohibida LN com a centres donants d'electrons, es generen portadors de càrrega lliures a la banda de conducció sota excitació de llum visible. En comparació amb els fotodetectors LN piroelèctrics anteriors, que normalment estaven limitats a una velocitat de resposta d'uns 100 Hz, aquestFotodetector LNté una velocitat de resposta més ràpida de fins a 10 kHz. Mentrestant, en aquest treball, es va demostrar que el LN dopat amb ions de magnesi pot aconseguir una modulació de llum externa amb una resposta de fins a 10 kHz. Aquest treball promou la recerca en alt rendiment ifotodetectors LN d'alta velocitaten la construcció de xips fotònics LN integrats d'un sol xip completament funcionals.
En resum, l'àmbit de recerca defotodetectors de niobat de liti de pel·lícula finaté una important importància científica i un enorme potencial d'aplicació pràctica. En el futur, amb el desenvolupament de la tecnologia i l'aprofundiment de la recerca, els fotodetectors de niobat de liti (LN) de pel·lícula fina evolucionaran cap a una major integració. La combinació de diferents mètodes d'integració per aconseguir fotodetectors de niobat de liti de pel·lícula fina d'alt rendiment, resposta ràpida i banda ampla en tots els aspectes esdevindrà una realitat, cosa que promourà enormement el desenvolupament de la integració en xip i els camps de detecció intel·ligents, i proporcionarà més possibilitats per a la nova generació d'aplicacions fotòniques.