Plānas plēves litija niobāta (LN) fotodetektors

Plānas plēves litija niobāta (LN) fotodetektors

Litija niobātam (LN) ir unikāla kristāla struktūra un bagātīgi fizikāli efekti, piemēram, nelineārie efekti, elektrooptiskie efekti, piroelektriskie efekti un pjezoelektriskie efekti. Vienlaikus tam ir platjoslas optiskās caurlaidības loga un ilgtermiņa stabilitātes priekšrocības. Šīs īpašības padara LN par svarīgu platformu jaunās paaudzes integrētajai fotonikai. Optiskajās ierīcēs un optoelektroniskajās sistēmās LN īpašības var nodrošināt bagātīgas funkcijas un veiktspēju, veicinot optiskās komunikācijas, optiskās skaitļošanas un optisko sensoru lauku attīstību. Tomēr litija niobāta vājo absorbcijas un izolācijas īpašību dēļ litija niobāta integrētā pielietošana joprojām saskaras ar sarežģītas noteikšanas problēmu. Pēdējos gados ziņojumi šajā jomā galvenokārt ietver viļņvadu integrētos fotodetektorus un heterosavienojumu fotodetektorus.
Uz litija niobāta bāzes veidots viļņvada integrētais fotodetektors parasti ir vērsts uz optiskās komunikācijas C joslu (1525–1565 nm). Funkcijas ziņā LN galvenokārt pilda vadāmu viļņu lomu, savukārt optoelektroniskās noteikšanas funkcija galvenokārt balstās uz pusvadītājiem, piemēram, silīciju, III-V grupas šaurjoslas pusvadītājiem un divdimensiju materiāliem. Šādā arhitektūrā gaisma tiek pārraidīta caur litija niobāta optiskajiem viļņvadiem ar zemiem zudumiem un pēc tam absorbēta citos pusvadītāju materiālos, kuru pamatā ir fotoelektriskie efekti (piemēram, fotovadītspēja vai fotoelektriskie efekti), lai palielinātu nesēju koncentrāciju un pārveidotu to elektriskos signālos izvadei. Priekšrocības ir augsts darbības joslas platums (~GHz), zems darba spriegums, mazs izmērs un saderība ar fotonisko mikroshēmu integrāciju. Tomēr litija niobāta un pusvadītāju materiālu telpiskās atdalīšanas dēļ, lai gan katrs no tiem pilda savas funkcijas, LN spēlē tikai vadāmu viļņu lomu, un citas izcilas svešas īpašības nav labi izmantotas. Pusvadītāju materiāliem ir tikai fotoelektriskās pārveidošanas loma, un tiem trūkst savstarpēji papildinošas saiknes, kā rezultātā to darbības josla ir relatīvi ierobežota. Runājot par specifisko ieviešanu, gaismas avota savienošana ar litija niobāta optisko viļņvadu rada ievērojamus zudumus un stingras procesa prasības. Turklāt pusvadītāju ierīces kanālā savienošanas zonā apstarotās gaismas faktisko optisko jaudu ir grūti kalibrēt, kas ierobežo tās noteikšanas veiktspēju.
TradicionālaisfotodetektoriAttēlveidošanas lietojumprogrammās izmantotie materiāli parasti ir balstīti uz pusvadītāju materiāliem. Tāpēc litija niobāts, pateicoties tā zemajam gaismas absorbcijas ātrumam un izolācijas īpašībām, neapšaubāmi nav iecienīts fotodetektoru pētnieku vidū un pat rada sarežģītu problēmu šajā jomā. Tomēr heterosavienojumu tehnoloģijas attīstība pēdējos gados ir devusi cerību litija niobāta fotodetektoru pētījumos. Citus materiālus ar spēcīgu gaismas absorbciju vai izcilu vadītspēju var heterogēni integrēt ar litija niobātu, lai kompensētu tā trūkumus. Tajā pašā laikā litija niobāta spontānās polarizācijas izraisītās piroelektriskās īpašības tā strukturālās anizotropijas dēļ var kontrolēt, pārveidojot to siltumā gaismas apstarošanas laikā, tādējādi mainot piroelektriskās īpašības optoelektroniskai noteikšanai. Šim termiskajam efektam ir platjoslas un pašpiedziņas priekšrocības, un to var labi papildināt un apvienot ar citiem materiāliem. Termisko un fotoelektrisko efektu sinhrona izmantošana ir pavērusi jaunu ēru litija niobāta fotodetektoriem, ļaujot ierīcēm apvienot abu efektu priekšrocības. Lai kompensētu trūkumus un panāktu priekšrocību papildinošu integrāciju, tas pēdējos gados ir bijis pētniecības centrā. Turklāt jonu implantācijas, joslu inženierijas un defektu inženierijas izmantošana ir arī laba izvēle, lai atrisinātu litija niobāta noteikšanas grūtības. Tomēr litija niobāta apstrādes augsto grūtību dēļ šī joma joprojām saskaras ar lieliem izaicinājumiem, piemēram, zemu integrāciju, masīvu attēlveidošanas ierīcēm un sistēmām, kā arī nepietiekamu veiktspēju, kam ir liela pētniecības vērtība un telpa.

1. attēlā, izmantojot LN joslas spraugas defektu enerģijas stāvokļus kā elektronu donoru centrus, redzamās gaismas ierosmes ietekmē vadītspējas joslā tiek ģenerēti brīvie lādiņnesēji. Salīdzinot ar iepriekšējiem piroelektriskajiem LN fotodetektoriem, kuru reakcijas ātrums parasti bija ierobežots līdz aptuveni 100 Hz, šisLN fotodetektorsir ātrāks reakcijas ātrums līdz pat 10 kHz. Tikmēr šajā darbā tika pierādīts, ka ar magnija joniem leģēts LN var panākt ārējās gaismas modulāciju ar reakciju līdz pat 10 kHz. Šis darbs veicina pētījumus par augstas veiktspējas unātrgaitas LN fotodetektoripilnībā funkcionējošu vienas mikroshēmas integrētu LN fotonisko mikroshēmu konstruēšanā.
Rezumējot, pētījumu jomaplānas plēves litija niobāta fotodetektoriir nozīmīga zinātniska nozīme un milzīgs praktiskā pielietojuma potenciāls. Nākotnē, attīstoties tehnoloģijām un padziļinoties pētniecībai, plānās plēves litija niobāta (LN) fotodetektori attīstīsies augstākas integrācijas virzienā. Dažādu integrācijas metožu apvienošana, lai panāktu augstas veiktspējas, ātras reaģēšanas un platjoslas plānās plēves litija niobāta fotodetektorus visos aspektos, kļūs par realitāti, kas ievērojami veicinās mikroshēmu integrācijas un intelektuālo sensoru lauku attīstību, kā arī sniegs vairāk iespēju jaunās paaudzes fotonikas lietojumprogrammām.