Ohutkalvoinen litiumniobaatti (LN) -fotodetektori
Litiumniobaatilla (LN) on ainutlaatuinen kiderakenne ja runsaasti fysikaalisia vaikutuksia, kuten epälineaarisia vaikutuksia, sähköoptisia vaikutuksia, pyroelektrisiä vaikutuksia ja pietsosähköisiä vaikutuksia. Samalla sillä on laajakaistaisen optisen läpinäkyvyysikkunan ja pitkäaikaisen vakauden etuja. Nämä ominaisuudet tekevät LN:stä tärkeän alustan uuden sukupolven integroidulle fotoniikalle. Optisissa laitteissa ja optoelektronisissa järjestelmissä LN:n ominaisuudet voivat tarjota runsaasti toimintoja ja suorituskykyä, mikä edistää optisen viestinnän, optisen laskennan ja optisten tunnistuskenttien kehitystä. Litiumniobaatin heikkojen absorptio- ja eristysominaisuuksien vuoksi litiumniobaatin integroidut sovellukset kohtaavat kuitenkin edelleen vaikean havaitsemisen ongelman. Viime vuosina alan raportit sisältävät pääasiassa aaltojohdeintegroituja fotodetektoreita ja heteroliitosfotodetektoreita.
Litiumniobaattiin perustuva aaltojohde-integroitu fotodetektori keskittyy yleensä optisen viestinnän C-kaistalle (1525-1565 nm). Toiminnan kannalta litiumniobaatilla on pääasiassa ohjattujen aaltojen rooli, kun taas optoelektroninen havaitsemistoiminto perustuu pääasiassa puolijohteisiin, kuten piihin, III-V-ryhmän kapea-alueisiin puolijohteisiin ja kaksiulotteisiin materiaaleihin. Tällaisessa arkkitehtuurissa valo kulkee litiumniobaatista valmistettujen optisten aaltojohteiden läpi pienillä häviöillä, ja sitten muut puolijohdemateriaalit absorboivat sen fotoelektristen vaikutusten (kuten fotojohtavuuden tai aurinkosähkövaikutusten) perusteella, mikä lisää varauksenkuljettajien pitoisuutta ja muuntaa sen sähköisiksi signaaleiksi lähtöä varten. Etuja ovat suuri toimintakaistanleveys (~GHz), matala käyttöjännite, pieni koko ja yhteensopivuus fotonisten sirujen integroinnin kanssa. Litiumniobaatin ja puolijohdemateriaalien spatiaalisen erotuksen vuoksi, vaikka ne molemmat suorittavat omat tehtävänsä, litiumniobaatilla on kuitenkin rooli vain aaltojen ohjaamisessa, eikä muita erinomaisia vieraita ominaisuuksia ole hyödynnetty hyvin. Puolijohdemateriaaleilla on rooli vain valoelektrisessä muunnoksessa, eikä niillä ole komplementaarista kytkentää keskenään, mikä johtaa suhteellisen rajalliseen toimintakaistaan. Tarkemman toteutuksen osalta valon kytkentä valonlähteestä litiumniobaattioptiseen aaltojohteeseen johtaa merkittäviin häviöihin ja tiukkoihin prosessivaatimuksiin. Lisäksi puolijohdelaitteen kanavaan kytkentäalueella säteilevän valon todellista optista tehoa on vaikea kalibroida, mikä rajoittaa sen havaitsemiskykyä.
PerinteinenvaloilmaisimetKuvantamissovelluksissa käytettävät materiaalit perustuvat yleensä puolijohdemateriaaleihin. Siksi litiumniobaatin alhainen valonabsorptionopeus ja eristysominaisuudet tekevät siitä epäilemättä epäsuositun valodetektoritutkijoiden keskuudessa ja jopa vaikean paikan alalla. Heteroliitostekniikan kehitys viime vuosina on kuitenkin tuonut toivoa litiumniobaatteihin perustuvien valodetektorien tutkimukseen. Muita materiaaleja, joilla on voimakas valonabsorptio tai erinomainen johtavuus, voidaan integroida heterogeenisesti litiumniobaattiin sen puutteiden kompensoimiseksi. Samalla litiumniobaatin spontaanin polarisaation aiheuttamia pyroelektrisiä ominaisuuksia, jotka johtuvat sen rakenteellisesta anisotropiasta, voidaan hallita muuntamalla se lämmöksi valosäteilyn alaisena, mikä muuttaa pyroelektrisiä ominaisuuksia optoelektronista havaitsemista varten. Tällä lämpövaikutuksella on laajakaistaisen ja itseohjautuvan vaikutuksen edut, ja sitä voidaan hyvin täydentää ja yhdistää muihin materiaaleihin. Lämpö- ja valoelektristen vaikutusten samanaikainen hyödyntäminen on avannut uuden aikakauden litiumniobaatteihin perustuville valodetektoreille, mikä mahdollistaa laitteiden yhdistää molempien vaikutusten edut. Ja puutteiden korvaamiseksi ja etujen täydentävän integroinnin saavuttamiseksi se on ollut tutkimuksen kuumin kohde viime vuosina. Lisäksi ioni-istutuksen, kaistanleveyden muokkaustekniikan ja vikasuunnittelun hyödyntäminen on hyvä vaihtoehto litiumniobaatin havaitsemisen vaikeuden ratkaisemiseksi. Litiumniobaatin suuren prosessointivaikeuden vuoksi tällä alalla on kuitenkin edelleen suuria haasteita, kuten alhainen integrointi, matriisikuvantamislaitteet ja -järjestelmät sekä riittämätön suorituskyky, joilla on suuri tutkimusarvo ja tilaa.
Kuvassa 1, jossa käytetään LN-energiavyön sisällä olevia vikaenergiatiloja elektronidonoreina, näkyvän valon virityksen alaisena syntyy vapaita varauksenkuljettajia johtavuusvyöhykkeellä. Verrattuna aiempiin pyroelektrisiin LN-fotodetektoreihin, joiden vastenopeus oli tyypillisesti rajoitettu noin 100 Hz:iin, tämäLN-fotodetektorion jopa 10 kHz:n vasteajan nopeampi. Samaan aikaan tässä työssä osoitettiin, että magnesiumioneilla seostettu LN voi saavuttaa ulkoisen valon moduloinnin jopa 10 kHz:n vasteella. Tämä työ edistää tutkimusta, joka koskee korkean suorituskyvyn janopeat LN-fotodetektorittäysin toimivien yhden sirun integroitujen LN-fotonisirujen rakentamisessa.
Yhteenvetona voidaan todeta, että tutkimusalueohutkalvoiset litiumniobaattifotodetektoritsillä on tärkeä tieteellinen merkitys ja valtava käytännön sovelluspotentiaali. Tulevaisuudessa teknologian kehittyessä ja tutkimuksen syventyessä ohutkalvoiset litiumniobaattifotodetektorit (LN) kehittyvät kohti korkeampaa integraatiota. Eri integrointimenetelmien yhdistäminen korkean suorituskyvyn, nopean vasteen ja laajakaistaisten ohutkalvoisten litiumniobaattifotodetektorien saavuttamiseksi kaikilla osa-alueilla tulee todellisuudeksi, mikä edistää merkittävästi siruintegraation ja älykkäiden tunnistuskenttien kehitystä ja tarjoaa enemmän mahdollisuuksia uuden sukupolven fotoniikan sovelluksille.
Julkaisuaika: 17. helmikuuta 2025