İnce film lityum niyobat (LN) fotodedektörü

İnce film lityum niyobat (LN) fotodedektörü

Lityum niyobat (LN), benzersiz bir kristal yapıya ve doğrusal olmayan etkiler, elektro-optik etkiler, piroelektrik etkiler ve piezoelektrik etkiler gibi zengin fiziksel etkilere sahiptir. Aynı zamanda, geniş bant optik şeffaflık penceresi ve uzun vadeli kararlılık avantajlarına da sahiptir. Bu özellikler, LN'yi yeni nesil entegre fotonik için önemli bir platform haline getirir. Optik cihazlarda ve optoelektronik sistemlerde, LN'nin özellikleri zengin işlevler ve performans sağlayarak optik iletişim, optik hesaplama ve optik algılama alanlarının gelişimini destekleyebilir. Ancak, lityum niyobatın zayıf emilim ve yalıtım özellikleri nedeniyle, lityum niyobatın entegre uygulamaları hala zor tespit sorunuyla karşı karşıyadır. Son yıllarda, bu alandaki raporlar çoğunlukla dalga kılavuzu entegre fotodedektörleri ve heterojonksiyon fotodedektörlerini içermektedir.
Lityum niyobat bazlı dalga kılavuzu entegre fotodedektör genellikle optik iletişim C-bandına (1525-1565 nm) odaklanır. İşlevsel olarak, LN esas olarak yönlendirilmiş dalgalar rolünü üstlenirken, optoelektronik algılama işlevi esas olarak silikon, III-V grubu dar bant aralıklı yarı iletkenler ve iki boyutlu malzemeler gibi yarı iletkenlere dayanır. Böyle bir mimaride, ışık düşük kayıpla lityum niyobat optik dalga kılavuzları aracılığıyla iletilir ve ardından taşıyıcı konsantrasyonunu artırmak ve bunu çıkış için elektrik sinyallerine dönüştürmek için fotoelektrik etkilere (fotoiletkenlik veya fotovoltaik etkiler gibi) dayalı diğer yarı iletken malzemeler tarafından soğurulur. Avantajları yüksek çalışma bant genişliği (~ GHz), düşük çalışma voltajı, küçük boyut ve fotonik çip entegrasyonuyla uyumluluktur. Ancak, lityum niyobat ve yarı iletken malzemelerin uzamsal ayrımı nedeniyle, her biri kendi işlevini yerine getirse de, LN yalnızca dalgaları yönlendirmede rol oynar ve diğer mükemmel dış özellikler yeterince değerlendirilmemiştir. Yarı iletken malzemeler yalnızca fotoelektrik dönüşümde rol oynar ve birbirleriyle tamamlayıcı kuplajdan yoksundur, bu da nispeten sınırlı bir çalışma bandına neden olur. Spesifik uygulama açısından, ışık kaynağından gelen ışığın lityum niyobat optik dalga kılavuzuna kuplajı önemli kayıplara ve sıkı işlem gerekliliklerine yol açar. Ayrıca, kuplaj bölgesindeki yarı iletken cihaz kanalına iletilen ışığın gerçek optik gücünün kalibre edilmesi zordur ve bu da algılama performansını sınırlar.
GelenekselfotodedektörlerGörüntüleme uygulamalarında kullanılan malzemeler genellikle yarı iletken malzemelerdir. Bu nedenle, lityum niyobat için düşük ışık absorpsiyon oranı ve yalıtım özellikleri, onu şüphesiz fotodedektör araştırmacıları tarafından tercih edilmeyen, hatta sahada zor bir nokta haline getiren bir özelliktir. Ancak, son yıllarda heterojonksiyon teknolojisinin gelişmesi, lityum niyobat bazlı fotodedektör araştırmalarına umut getirmiştir. Güçlü ışık absorpsiyonuna veya mükemmel iletkenliğe sahip diğer malzemeler, lityum niyobatın eksikliklerini telafi etmek için heterojen bir şekilde entegre edilebilir. Aynı zamanda, lityum niyobatın yapısal anizotropisi nedeniyle kendiliğinden polarizasyon kaynaklı piroelektrik özellikleri, ışık altında ısıya dönüştürülerek kontrol edilebilir ve böylece optoelektronik algılama için piroelektrik özellikleri değiştirilebilir. Bu termal etki, geniş bant ve kendi kendine sürüş avantajlarına sahiptir ve diğer malzemelerle iyi bir şekilde tamamlanabilir ve birleştirilebilir. Termal ve fotoelektrik etkilerin eş zamanlı kullanımı, lityum niyobat bazlı fotodedektörler için yeni bir çağ başlatmış ve cihazların her iki etkinin avantajlarını birleştirmesini sağlamıştır. Eksiklikleri telafi etmek ve avantajların tamamlayıcı entegrasyonunu sağlamak için, son yıllarda araştırmaların odak noktası haline gelmiştir. Ayrıca, iyon implantasyonu, bant mühendisliği ve kusur mühendisliğinin kullanımı da lityum niyobat tespitindeki zorlukları çözmek için iyi bir seçenektir. Ancak, lityum niyobatın yüksek işleme zorluğu nedeniyle, bu alan hala düşük entegrasyon, dizi görüntüleme cihazları ve sistemleri ve yetersiz performans gibi büyük zorluklarla karşı karşıyadır ve bu da büyük bir araştırma değeri ve alanı anlamına gelmektedir.

Şekil 1'de, LN bant aralığındaki kusur enerji durumları elektron verici merkezleri olarak kullanılarak, görünür ışık uyarımı altında iletim bandında serbest yük taşıyıcıları üretilmektedir. Tipik olarak yaklaşık 100 Hz'lik bir tepki hızıyla sınırlı olan önceki piroelektrik LN fotodedektörleriyle karşılaştırıldığında, buLN fotodedektörü10 kHz'e kadar daha hızlı tepki hızına sahiptir. Bu arada, bu çalışmada, magnezyum iyon katkılı LN'nin 10 kHz'e kadar tepki hızıyla harici ışık modülasyonu sağlayabileceği gösterilmiştir. Bu çalışma, yüksek performanslı veyüksek hızlı LN fotodedektörleriTam fonksiyonlu tek çipli entegre LN fotonik çiplerin yapımında.
Özetle, araştırma alanıince film lityum niyobat fotodedektörleriÖnemli bilimsel öneme ve muazzam pratik uygulama potansiyeline sahiptir. Gelecekte, teknolojinin gelişmesi ve araştırmaların derinleşmesiyle birlikte, ince film lityum niyobat (LN) fotodedektörleri daha yüksek entegrasyona doğru gelişecektir. Yüksek performanslı, hızlı tepkili ve geniş bantlı ince film lityum niyobat fotodedektörlerini her açıdan elde etmek için farklı entegrasyon yöntemlerinin bir araya getirilmesi gerçeğe dönüşecek ve bu da çip içi entegrasyon ve akıllı algılama alanlarının gelişimini büyük ölçüde destekleyecek ve yeni nesil fotonik uygulamaları için daha fazla olanak sağlayacaktır.