Õhukese kilega liitiumniobaat (LN) fotodetektor

Õhukese kilega liitiumniobaat (LN) fotodetektor

Liitiumniobaadil (LN) on ainulaadne kristallstruktuur ja rikkalikud füüsikalised efektid, nagu mittelineaarsed efektid, elektrooptilised efektid, püroelektrilised efektid ja piesoelektrilised efektid. Samal ajal on sellel lairiba optilise läbipaistvuse akna ja pikaajalise stabiilsuse eelised. Need omadused muudavad LN-i oluliseks platvormiks uue põlvkonna integreeritud fotoonika jaoks. Optilistes seadmetes ja optoelektroonilistes süsteemides võivad LN omadused pakkuda rikkalikke funktsioone ja jõudlust, edendades optilise side, optilise andmetöötluse ja optiliste sensoriväljade arengut. Liitiumniobaadi nõrkade neeldumis- ja isolatsiooniomaduste tõttu on liitiumniobaadi integreeritud rakendustes aga endiselt keeruline avastamine. Viimastel aastatel on selles valdkonnas avaldatud peamiselt lainejuhiga integreeritud fotodetektoreid ja heterosiirdega fotodetektoreid.
Liitiumniobaadil põhinev lainejuhiga integreeritud fotodetektor keskendub tavaliselt optilise side C-ribale (1525–1565 nm). Funktsiooni poolest mängib LN peamiselt suunatud lainete rolli, samas kui optoelektroonilise tuvastamise funktsioon tugineb peamiselt pooljuhtidele, nagu räni, III-V rühma kitsa keelutsooni pooljuhid ja kahemõõtmelised materjalid. Sellises arhitektuuris edastatakse valgus liitiumniobaadi optiliste lainejuhtide kaudu väikese kadudega ja seejärel neelatakse see teiste pooljuhtmaterjalide poolt fotoelektriliste efektide (näiteks fotojuhtivuse või fotogalvaaniliste efektide) põhjal, et suurendada laengukandjate kontsentratsiooni ja muuta see väljundiks elektrilisteks signaalideks. Eelised on suur tööribalaius (~GHz), madal tööpinge, väike suurus ja ühilduvus footonkiibi integreerimisega. Liitiumniobaadi ja pooljuhtmaterjalide ruumilise eraldatuse tõttu, kuigi mõlemad täidavad oma funktsioone, mängib LN siiski ainult lainete juhtimise rolli ja muid suurepäraseid võõromadusi pole hästi ära kasutatud. Pooljuhtmaterjalid mängivad rolli ainult fotoelektrilises muundamises ja neil puudub omavaheline täiendav sidestus, mille tulemuseks on suhteliselt piiratud tööriba. Spetsiifilise rakenduse osas põhjustab valguse sidumine valgusallikast liitiumniobaadist optilise lainejuhiga märkimisväärseid kadusid ja rangeid protsessinõudeid. Lisaks on pooljuhtseadise kanalile sidestuspiirkonnas kiiratava valguse tegelikku optilist võimsust keeruline kalibreerida, mis piirab selle tuvastamise jõudlust.
TraditsioonilinefotodetektoridPildistamisrakendustes kasutatavad materjalid põhinevad tavaliselt pooljuhtmaterjalidel. Seetõttu muudavad liitiumniobaadi madal valguse neeldumiskiirus ja isoleerivad omadused selle kahtlemata fotodetektorite uurijate seas ebasoovitavaks ja on selles valdkonnas isegi keeruline punkt. Heterosiirdetehnoloogia areng viimastel aastatel on aga andnud lootust liitiumniobaadipõhiste fotodetektorite uurimisele. Liitiumniobaadiga saab heterogeenselt integreerida teisi materjale, millel on tugev valguse neeldumine või suurepärane juhtivus, et kompenseerida selle puudusi. Samal ajal saab liitiumniobaadi spontaanselt polariseeruvaid püroelektrilisi omadusi, mis on tingitud selle struktuurilisest anisotroopiast, kontrollida, muutes seda valguskiirguse all soojuseks, muutes seeläbi püroelektrilisi omadusi optoelektroonilise tuvastamise jaoks. Sellel termilisel efektil on lairiba ja isejuhtivuse eelised ning seda saab hästi täiendada ja ühendada teiste materjalidega. Termiliste ja fotoelektriliste efektide sünkroonne kasutamine on avanud liitiumniobaadipõhiste fotodetektorite jaoks uue ajastu, võimaldades seadmetel ühendada mõlema efekti eelised. Puuduste kompenseerimiseks ja eeliste täiendava integreerimise saavutamiseks on see viimastel aastatel uurimisteemaks. Lisaks on ioonimplantatsiooni, ribatehnoloogia ja defektide inseneritöö kasutamine liitiumniobaadi tuvastamise raskuste lahendamiseks hea valik. Liitiumniobaadi töötlemise suurte raskuste tõttu seisab see valdkond aga silmitsi suurte väljakutsetega, nagu madal integreeritus, massiivpildistamisseadmed ja -süsteemid ning ebapiisav jõudlus, millel on suur uurimisväärtus ja ruumi.

Joonisel 1 on näidatud, et LN keelutsooni defektide energiaseisundite kasutamine elektrondoonorkeskustena näitab, et nähtava valguse ergastamisel tekivad juhtivustsoonis vabad laengukandjad. Võrreldes varasemate püroelektriliste LN-fotodetektoritega, mille reageerimiskiirus oli tavaliselt piiratud umbes 100 Hz-ga, on see...LN-fotodetektoron kiirema reageerimiskiirusega kuni 10 kHz. Samal ajal näidati selles töös, et magneesiumioonidega legeeritud LN suudab saavutada välise valguse modulatsiooni kuni 10 kHz reageerimissagedusega. See töö edendab kõrgjõudlusega jakiire LN-fotodetektoridtäisfunktsionaalsete ühekiibiliste integreeritud LN-fotoonkiipide konstrueerimisel.
Kokkuvõttes on uurimisvaldkondõhukese kilega liitiumniobaatfotodetektoridomab olulist teaduslikku tähtsust ja tohutut praktilist rakenduspotentsiaali. Tulevikus, tehnoloogia arengu ja uurimistöö süvenemisega, arenevad õhukese kilega liitiumniobaat (LN) fotodetektorid suurema integratsiooni suunas. Erinevate integreerimismeetodite kombineerimine suure jõudlusega, kiire reageerimisajaga ja lairiba õhukese kilega liitiumniobaat fotodetektorite saavutamiseks kõigis aspektides saab reaalsuseks, mis soodustab oluliselt kiibil integreerimise ja intelligentsete sensoriväljade arengut ning pakub rohkem võimalusi uue põlvkonna fotoonikarakenduste jaoks.