Fotodetector de niobato de lítio (LN) de película fina

Fotodetector de niobato de lítio (LN) de película fina

O niobato de lítio (LN) possui uma estrutura cristalina única e diversos efeitos físicos, como efeitos não lineares, eletro-ópticos, piroelétricos e piezoelétricos. Ao mesmo tempo, apresenta as vantagens de uma ampla janela de transparência óptica 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 proporcionar diversas funções e desempenho, impulsionando o desenvolvimento das áreas de comunicação óptica, computação óptica e sensoriamento óptico. No entanto, devido às suas fracas propriedades de absorção e isolamento, a aplicação integrada do niobato de lítio ainda enfrenta o problema da dificuldade de detecção. Nos últimos anos, os trabalhos publicados nessa área concentram-se principalmente em fotodetectores integrados em guias de onda e fotodetectores de heterojunção.
O fotodetector integrado em guia de ondas baseado em niobato de lítio geralmente se concentra na banda C de comunicação óptica (1525-1565 nm). Em termos de função, o niobato de lítio desempenha principalmente o papel de guia de ondas, enquanto a função de detecção optoeletrônica depende principalmente de semicondutores como silício, semicondutores de banda proibida estreita do grupo III-V e materiais bidimensionais. Nessa arquitetura, a luz é transmitida através de guias de ondas ópticos de niobato de lítio com baixa perda e, em seguida, absorvida por outros materiais semicondutores com base em efeitos fotoelétricos (como fotocondutividade ou efeitos fotovoltaicos) para aumentar a concentração de portadores e convertê-los em sinais elétricos para saída. As vantagens são alta largura de banda operacional (~GHz), baixa tensão de operação, tamanho reduzido e compatibilidade com a integração em chips fotônicos. No entanto, devido à separação espacial entre o niobato de lítio e os materiais semicondutores, embora cada um desempenhe sua própria função, o niobato de lítio atua apenas como guia de ondas, e suas outras excelentes propriedades externas não são bem aproveitadas. Os materiais semicondutores desempenham apenas um papel na conversão fotoelétrica e não possuem acoplamento complementar entre si, resultando em uma faixa de operação relativamente limitada. Em termos de implementação específica, o acoplamento da luz da fonte luminosa ao guia de onda 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 fotodetectores utilizados em aplicações de imagem geralmente são baseados em materiais semicondutores. Portanto, no caso do niobato de lítio, sua baixa taxa de absorção de luz e propriedades isolantes o tornam, sem dúvida, pouco favorável para pesquisadores de fotodetectores, representando inclusive um obstáculo na área. Contudo, o desenvolvimento da tecnologia de heterojunções nos últimos anos trouxe esperança para a 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 apresenta as vantagens de ampla faixa de frequência e autoacionamento, podendo ser bem complementado e integrado a outros materiais. A utilização simultânea dos efeitos térmico e fotoelétrico inaugurou uma nova era para fotodetectores baseados em niobato de lítio, permitindo que os dispositivos combinem as vantagens de ambos os efeitos. Para compensar as deficiências e alcançar a integração complementar de vantagens, o niobato de lítio tornou-se um tema de pesquisa de grande interesse nos últimos anos. Além disso, a utilização de implantação iônica, engenharia de bandas e engenharia de defeitos também é uma boa opção para solucionar a dificuldade de detecção do niobato de lítio. No entanto, devido à alta complexidade de processamento do niobato de lítio, este campo ainda enfrenta grandes desafios, como baixa integração, dispositivos e sistemas de imagem em matriz e desempenho insuficiente, o que lhe confere grande valor e potencial de pesquisa.

Na Figura 1, utilizando 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 piroelétricos de LN anteriores, que eram tipicamente limitados a uma velocidade de resposta de cerca de 100 Hz, este método apresenta um desempenho muito superior.Fotodetector LNpossui uma velocidade de resposta mais rápida, de até 10 kHz. Enquanto isso, neste trabalho, demonstrou-se que o LN dopado com íons de magnésio pode alcançar modulação de luz externa com uma resposta de até 10 kHz. Este trabalho impulsiona a pesquisa em dispositivos de alto desempenho eFotodetectores LN de alta velocidadena construção de chips fotônicos de LN integrados em um único chip, totalmente funcionais.
Em resumo, o campo de pesquisa defotodetectores de niobato de lítio de película finaPossui 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) em película fina evoluirão para uma maior integração. A combinação de diferentes métodos de integração para alcançar fotodetectores de niobato de lítio em película fina de alto desempenho, resposta rápida e ampla faixa espectral em todos os aspectos se tornará uma realidade, o que impulsionará significativamente o desenvolvimento da integração em chip e dos campos de sensoriamento inteligente, além de proporcionar mais possibilidades para a nova geração de aplicações fotônicas.