Fotodetector de niobato de lítio (LN) de filme fino

Fotodetector de niobato de lítio (LN) de filme fino

O niobato de lítio (LN) possui uma estrutura cristalina única e ricos efeitos físicos, como efeitos não lineares, efeitos eletro-ópticos, efeitos piroelétricos e efeitos piezoelétricos. Ao mesmo tempo, apresenta as vantagens de uma janela de transparência óptica de banda larga e estabilidade a longo prazo. Essas características tornam o LN uma plataforma importante para a nova geração de fotônica integrada. Em dispositivos ópticos e sistemas optoeletrônicos, as características do LN podem fornecer funções e desempenho ricos, promovendo o desenvolvimento de campos de comunicação óptica, computação óptica e sensoriamento óptico. No entanto, devido às fracas propriedades de absorção e isolamento do niobato de lítio, a aplicação integrada de niobato de lítio ainda enfrenta o problema da difícil detecção. Nos últimos anos, os relatórios neste campo incluem principalmente fotodetectores integrados por guia de onda e fotodetectores de heterojunção.
O fotodetector integrado de guia de onda baseado em niobato de lítio é geralmente focado na banda C de comunicação óptica (1525-1565 nm). Em termos de função, o LN desempenha principalmente o papel de ondas guiadas, enquanto a função de detecção optoeletrônica depende principalmente de semicondutores como silício, semicondutores de banda estreita do grupo III-V e materiais bidimensionais. Em tal arquitetura, a luz é transmitida através de guias de onda ópticos de niobato de lítio com baixa perda e, em seguida, absorvida por outros materiais semicondutores baseados em efeitos fotoelétricos (como fotocondutividade ou efeitos fotovoltaicos) para aumentar a concentração de portadores e convertê-la em sinais elétricos para saída. As vantagens são alta largura de banda operacional (~ GHz), baixa tensão operacional, tamanho pequeno e compatibilidade com integração de chips fotônicos. No entanto, devido à separação espacial do niobato de lítio e dos materiais semicondutores, embora cada um desempenhe suas próprias funções, o LN desempenha apenas um papel na orientação de ondas e outras excelentes propriedades externas não foram bem utilizadas. Os materiais semicondutores desempenham apenas um papel na conversão fotoelétrica e não possuem acoplamento complementar entre si, resultando em uma banda de operação relativamente limitada. Em termos de implementação específica, o acoplamento da luz da fonte de luz ao guia de ondas óptico de niobato de lítio resulta em perdas significativas e requisitos de processo rigorosos. Além disso, a potência óptica real da luz irradiada no canal do dispositivo semicondutor na região de acoplamento é difícil de calibrar, o que limita seu desempenho de detecção.
O tradicionalfotodetectoresOs materiais semicondutores utilizados em aplicações de imagem são geralmente baseados em materiais semicondutores. Portanto, para o niobato de lítio, sua baixa taxa de absorção de luz e propriedades isolantes o tornam, sem dúvida, desfavorável aos pesquisadores de fotodetectores, sendo até mesmo um ponto difícil na área. No entanto, o desenvolvimento da tecnologia de heterojunção nos últimos anos trouxe esperança à pesquisa de fotodetectores baseados em niobato de lítio. Outros materiais com forte absorção de luz ou excelente condutividade podem ser integrados heterogeneamente ao niobato de lítio para compensar suas deficiências. Ao mesmo tempo, as características piroelétricas induzidas por polarização espontânea do niobato de lítio, devido à sua anisotropia estrutural, podem ser controladas pela conversão em calor sob irradiação de luz, alterando assim as características piroelétricas para detecção optoeletrônica. Esse efeito térmico tem as vantagens de banda larga e autocondução, e pode ser bem complementado e fundido com outros materiais. A utilização síncrona dos efeitos térmicos e fotoelétricos abriu uma nova era para fotodetectores baseados em niobato de lítio, permitindo que dispositivos combinem as vantagens de ambos os efeitos. Para compensar as deficiências e alcançar a integração complementar de vantagens, tornou-se um foco de pesquisa nos últimos anos. Além disso, a utilização de implantação iônica, engenharia de banda e engenharia de defeitos também é uma boa opção para solucionar a dificuldade de detecção do niobato de lítio. No entanto, devido à alta dificuldade de processamento do niobato de lítio, esta área ainda enfrenta grandes desafios, como baixa integração, dispositivos e sistemas de geração de imagens em matriz e desempenho insuficiente, o que representa grande valor e espaço para pesquisa.

Figura 1, usando os estados de energia de defeito dentro da banda proibida do LN como centros doadores de elétrons, portadores de carga livres são gerados na banda de condução sob excitação de luz visível. Comparado aos fotodetectores LN piroelétricos anteriores, que normalmente eram limitados a uma velocidade de resposta de cerca de 100 Hz, esteFotodetector LNtem uma velocidade de resposta mais rápida de até 10 kHz. Enquanto isso, neste trabalho, foi demonstrado que o LN dopado com íons de magnésio pode atingir modulação de luz externa com uma resposta de até 10 kHz. Este trabalho promove a pesquisa em alto desempenho efotodetectores LN de alta velocidadena construção de chips fotônicos LN integrados de chip único totalmente funcionais.
Em resumo, o campo de pesquisa defotodetectores de niobato de lítio de filme finoPossui importante significado científico e enorme potencial de aplicação prática. No futuro, com o desenvolvimento da tecnologia e o aprofundamento da pesquisa, os fotodetectores de niobato de lítio (LN) de filme fino evoluirão para uma maior integração. A combinação de diferentes métodos de integração para alcançar fotodetectores de niobato de lítio de filme fino de alto desempenho, resposta rápida e banda larga em todos os aspectos se tornará realidade, o que impulsionará significativamente o desenvolvimento da integração em chip e dos campos de detecção inteligente, além de proporcionar mais possibilidades para a nova geração de aplicações fotônicas.