Fotodetector de niobato de litio (LN) de película delgada

Fotodetector de niobato de litio (LN) de película delgada

El niobato de litio (LN) posee una estructura cristalina única y una rica gama de efectos físicos, como efectos no lineales, electroópticos, piroeléctricos y piezoeléctricos. Además, ofrece una ventana de transparencia óptica de banda ancha y estabilidad a largo plazo. Estas características convierten al LN en una plataforma clave para la nueva generación de fotónica integrada. En dispositivos ópticos y sistemas optoelectrónicos, las características del LN ofrecen un alto rendimiento y funcionalidad, impulsando el desarrollo de las comunicaciones ópticas, la computación óptica y la detección óptica. Sin embargo, debido a las bajas propiedades de absorción y aislamiento del niobato de litio, su aplicación integrada aún presenta dificultades de detección. En los últimos años, se han publicado informes en este campo sobre fotodetectores integrados de guía de ondas y fotodetectores de heterojunción.
El fotodetector integrado de guía de onda basado en niobato de litio se centra generalmente en la banda C de comunicaciones ópticas (1525-1565 nm). En términos de función, el LN desempeña principalmente la función de ondas guiadas, mientras que la función de detección optoelectrónica se basa principalmente en semiconductores como el silicio, semiconductores de banda prohibida estrecha del grupo III-V y materiales bidimensionales. En esta arquitectura, la luz se transmite a través de guías de onda ópticas de niobato de litio con bajas pérdidas y luego es absorbida por otros materiales semiconductores basándose en efectos fotoeléctricos (como la fotoconductividad o los efectos fotovoltaicos) para aumentar la concentración de portadores y convertirla en señales eléctricas para la salida. Las ventajas son un alto ancho de banda operativo (~GHz), bajo voltaje operativo, tamaño compacto y compatibilidad con la integración de chips fotónicos. Sin embargo, debido a la separación espacial del niobato de litio y los materiales semiconductores, aunque cada uno realiza sus propias funciones, el LN solo desempeña un papel en la guía de ondas, y otras excelentes propiedades externas no se han aprovechado adecuadamente. Los materiales semiconductores solo intervienen en la conversión fotoeléctrica y carecen de acoplamiento complementario entre sí, lo que resulta en una banda operativa relativamente limitada. En términos de implementación específica, el acoplamiento de la luz desde la fuente de luz a la guía de ondas óptica de niobato de litio genera pérdidas significativas y requisitos de proceso estrictos. Además, la potencia óptica real de la luz irradiada sobre el canal del dispositivo semiconductor en la región de acoplamiento es difícil de calibrar, lo que limita su rendimiento de detección.
El tradicionalfotodetectoresLos materiales utilizados para la generación de imágenes suelen basarse en materiales semiconductores. Por lo tanto, el niobato de litio, debido a su baja tasa de absorción de luz y sus propiedades aislantes, no es una opción popular entre los investigadores de fotodetectores, e incluso supone un punto difícil en este campo. Sin embargo, el desarrollo de la tecnología de heterojunción en los últimos años ha generado esperanza en la investigación de fotodetectores basados ​​en niobato de litio. Otros materiales con alta absorción de luz o excelente conductividad pueden integrarse heterogéneamente con el niobato de litio para compensar sus deficiencias. Al mismo tiempo, las características piroeléctricas inducidas por la polarización espontánea del niobato de litio, debido a su anisotropía estructural, pueden controlarse mediante la conversión en calor bajo la irradiación de luz, modificando así las características piroeléctricas para la detección optoelectrónica. Este efecto térmico ofrece las ventajas de la banda ancha y la autoconducción, y puede complementarse y fusionarse eficazmente con otros materiales. La utilización sincronizada de los efectos térmicos y fotoeléctricos ha abierto una nueva era para los fotodetectores basados ​​en niobato de litio, permitiendo que los dispositivos combinen las ventajas de ambos efectos. Para compensar las deficiencias y lograr una integración complementaria de las ventajas, se ha convertido en un foco de investigación en los últimos años. Además, el uso de la implantación de iones, la ingeniería de bandas y la ingeniería de defectos también es una buena opción para resolver la dificultad de detectar el niobato de litio. Sin embargo, debido a la alta dificultad de procesamiento del niobato de litio, este campo aún enfrenta grandes desafíos, como la baja integración, los dispositivos y sistemas de imágenes de matriz y el rendimiento insuficiente, lo cual reviste gran valor para la investigación y ofrece un amplio espacio.

Figura 1. Utilizando los estados de energía del defecto dentro de la banda prohibida de LN como centros donantes de electrones, se generan portadores de carga libres en la banda de conducción bajo excitación de luz visible. En comparación con los fotodetectores de LN piroeléctricos anteriores, que solían estar limitados a una velocidad de respuesta de alrededor de 100 Hz, este...Fotodetector LNTiene una velocidad de respuesta más rápida, de hasta 10 kHz. Mientras tanto, en este trabajo, se demostró que el LN dopado con iones de magnesio puede lograr la modulación de la luz externa con una respuesta de hasta 10 kHz. Este trabajo promueve la investigación en alto rendimiento yfotodetectores LN de alta velocidaden la construcción de chips fotónicos LN integrados de un solo chip totalmente funcionales.
En resumen, el campo de investigación defotodetectores de niobato de litio de película delgadaTiene una gran importancia científica y un enorme potencial de aplicación práctica. En el futuro, con el desarrollo tecnológico y la profundización de la investigación, los fotodetectores de niobato de litio (LN) de película delgada se desarrollarán hacia una mayor integración. La combinación de diferentes métodos de integración para lograr fotodetectores de niobato de litio de película delgada de alto rendimiento, respuesta rápida y banda ancha en todos los aspectos se convertirá en una realidad, lo que impulsará significativamente el desarrollo de la integración en chip y los campos de detección inteligente, y brindará más posibilidades para la nueva generación de aplicaciones fotónicas.