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 gran variedad de efectos físicos, como efectos no lineales, electroópticos, piroeléctricos y piezoeléctricos. Asimismo, presenta ventajas como una amplia ventana de transparencia óptica y una 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 propiedades del LN ofrecen funciones y un rendimiento excepcionales, impulsando el desarrollo de las comunicaciones ópticas, la computación óptica y la detección óptica. Sin embargo, debido a su baja absorción y escasa capacidad aislante, la aplicación integrada del niobato de litio aún presenta dificultades en su detección. En los últimos años, los estudios en este campo se han centrado principalmente en fotodetectores integrados en guías de onda y fotodetectores de heterounión.
El fotodetector integrado en guía de onda basado en niobato de litio se centra generalmente en la banda C de comunicaciones ópticas (1525-1565 nm). En cuanto a su función, el niobato de litio actúa principalmente como guía de onda, mientras que la 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 mediante efectos fotoeléctricos (como la fotoconductividad o los efectos fotovoltaicos) para aumentar la concentración de portadores y convertirlos en señales eléctricas de salida. Sus ventajas son un ancho de banda operativo elevado (~GHz), un bajo voltaje de operación, un tamaño reducido y compatibilidad con la integración en chips fotónicos. Sin embargo, debido a la separación espacial entre el niobato de litio y los materiales semiconductores, aunque cada uno cumple su función, el niobato de litio solo actúa como guía de onda y otras excelentes propiedades no se aprovechan adecuadamente. Los materiales semiconductores solo intervienen en la conversión fotoeléctrica y carecen de acoplamiento complementario entre sí, lo que resulta en una banda de operación relativamente limitada. En cuanto a la implementación específica, el acoplamiento de la luz desde la fuente luminosa a la guía de onda óptica de niobato de litio genera pérdidas significativas y exige estrictos requisitos de procesamiento. Además, la potencia óptica real de la luz que incide sobre el canal del dispositivo semiconductor en la región de acoplamiento es difícil de calibrar, lo que limita su rendimiento de detección.
La tradicionalfotodetectoresLos materiales utilizados en aplicaciones de imagen suelen basarse en semiconductores. Por lo tanto, en el caso del niobato de litio, su baja tasa de absorción de luz y sus propiedades aislantes lo convierten en un material poco atractivo para los investigadores de fotodetectores, e incluso representa un obstáculo en el campo. Sin embargo, el desarrollo de la tecnología de heteroestructuras en los últimos años ha abierto nuevas perspectivas para 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. Asimismo, las características piroeléctricas del niobato de litio, inducidas por polarización espontánea debido a su anisotropía estructural, pueden controlarse mediante su conversión en calor bajo irradiación lumínica, modificando así las características piroeléctricas para la detección optoelectrónica. Este efecto térmico presenta las ventajas de un amplio ancho de banda y autoexcitación, y puede complementarse e integrarse eficazmente con otros materiales. La utilización simultánea de los efectos térmico y fotoeléctrico ha inaugurado una nueva era para los fotodetectores basados ​​en niobato de litio, permitiendo que los dispositivos combinen las ventajas de ambos efectos. Para subsanar las deficiencias y lograr una integración complementaria de las ventajas, este campo se ha convertido en un área de investigación de gran interés en los últimos años. Además, la implantación iónica, la ingeniería de bandas y la ingeniería de defectos también representan una buena opción para resolver la dificultad de detectar el niobato de litio. Sin embargo, debido a la alta complejidad de su procesamiento, este campo aún enfrenta grandes desafíos, como la baja integración, los dispositivos y sistemas de imagen de matrices y un rendimiento insuficiente, lo que le confiere un gran valor y potencial para la investigación.

En la Figura 1, utilizando los estados de energía de defectos dentro de la banda prohibida del LN como centros donadores de electrones, se generan portadores de carga libres en la banda de conducción bajo excitación con luz visible. En comparación con los fotodetectores piroeléctricos de LN anteriores, que generalmente estaban limitados a una velocidad de respuesta de alrededor de 100 Hz, este método ofrece una respuesta mucho más rápida.fotodetector LNTiene una velocidad de respuesta más rápida, de hasta 10 kHz. Por otro lado, en este trabajo se demostró que el LN dopado con iones de magnesio puede lograr la modulación de luz externa con una respuesta de hasta 10 kHz. Este trabajo impulsa la investigación sobre dispositivos de 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 delgadaPosee una importante relevancia 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 evolucionarán 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 la detección inteligente, y ofrecerá más posibilidades para la nueva generación de aplicaciones fotónicas.