Fotodetektor litium niobat (LN) lapisan tipis

Fotodetektor litium niobat (LN) lapisan tipis

Litium niobat (LN) memiliki struktur kristal yang unik dan efek fisik yang kaya, seperti efek nonlinier, efek elektro-optik, efek piroelektrik, dan efek piezoelektrik. Pada saat yang sama, ia memiliki keuntungan dari jendela transparansi optik pita lebar dan stabilitas jangka panjang. Karakteristik ini menjadikan LN sebagai platform penting untuk generasi baru fotonik terintegrasi. Dalam perangkat optik dan sistem optoelektronik, karakteristik LN dapat memberikan fungsi dan kinerja yang kaya, mempromosikan pengembangan komunikasi optik, komputasi optik, dan bidang penginderaan optik. Namun, karena sifat penyerapan dan isolasi litium niobat yang lemah, aplikasi terintegrasi litium niobat masih menghadapi masalah deteksi yang sulit. Dalam beberapa tahun terakhir, laporan di bidang ini terutama mencakup fotodetektor terintegrasi pandu gelombang dan fotodetektor heterojunction.
Fotodetektor terintegrasi pandu gelombang berbasis litium niobat biasanya difokuskan pada pita-C komunikasi optik (1525-1565 nm). Fungsi utamanya, LN berperan sebagai gelombang pandu, sementara fungsi deteksi optoelektronik utamanya bergantung pada semikonduktor seperti silikon, semikonduktor celah pita sempit golongan III-V, dan material dua dimensi. Dalam arsitektur ini, cahaya ditransmisikan melalui pandu gelombang optik litium niobat dengan rugi-rugi rendah, kemudian diserap oleh material semikonduktor lain berdasarkan efek fotolistrik (seperti fotokonduktivitas atau efek fotovoltaik) untuk meningkatkan konsentrasi pembawa dan mengubahnya menjadi sinyal listrik untuk keluaran. Keunggulannya antara lain bandwidth operasi tinggi (~GHz), tegangan operasi rendah, ukuran kecil, dan kompatibilitas dengan integrasi chip fotonik. Namun, karena pemisahan spasial antara litium niobat dan material semikonduktor, meskipun masing-masing memiliki fungsi sendiri, LN hanya berperan sebagai gelombang pandu dan sifat-sifat luar biasa lainnya belum dimanfaatkan dengan baik. Material semikonduktor hanya berperan dalam konversi fotolistrik dan tidak memiliki kopling komplementer satu sama lain, sehingga menghasilkan pita operasi yang relatif terbatas. Dalam hal implementasi spesifik, kopling cahaya dari sumber cahaya ke pandu gelombang optik litium niobate mengakibatkan kerugian yang signifikan dan persyaratan proses yang ketat. Selain itu, daya optik aktual dari cahaya yang diradiasi ke kanal perangkat semikonduktor di wilayah kopling sulit dikalibrasi, sehingga membatasi kinerja deteksinya.
TradisionalfotodetektorBahan yang digunakan untuk aplikasi pencitraan biasanya berbasis bahan semikonduktor. Oleh karena itu, untuk litium niobat, tingkat penyerapan cahaya yang rendah dan sifat isolasinya membuatnya kurang diminati oleh para peneliti fotodetektor, bahkan menjadi tantangan di lapangan. Namun, perkembangan teknologi heterojunction dalam beberapa tahun terakhir telah membawa harapan bagi penelitian fotodetektor berbasis litium niobat. Bahan lain dengan penyerapan cahaya yang kuat atau konduktivitas yang sangat baik dapat diintegrasikan secara heterogen dengan litium niobat untuk mengkompensasi kekurangannya. Pada saat yang sama, karakteristik piroelektrik litium niobat yang terinduksi polarisasi spontan akibat anisotropi strukturalnya dapat dikontrol dengan mengubahnya menjadi panas di bawah iradiasi cahaya, sehingga mengubah karakteristik piroelektrik untuk deteksi optoelektronik. Efek termal ini memiliki keunggulan pita lebar dan penggerak otomatis, serta dapat dikomplemen dan difusi dengan baik dengan bahan lain. Pemanfaatan efek termal dan fotolistrik yang sinkron telah membuka era baru bagi fotodetektor berbasis litium niobat, yang memungkinkan perangkat untuk menggabungkan keunggulan kedua efek tersebut. Untuk menutupi kekurangan dan mencapai integrasi keunggulan yang saling melengkapi, bidang ini telah menjadi pusat penelitian dalam beberapa tahun terakhir. Selain itu, pemanfaatan implantasi ion, rekayasa pita, dan rekayasa cacat juga merupakan pilihan yang baik untuk mengatasi kesulitan pendeteksian litium niobat. Namun, karena tingginya tingkat kesulitan pemrosesan litium niobat, bidang ini masih menghadapi tantangan besar seperti integrasi yang rendah, perangkat dan sistem pencitraan array, serta kinerja yang kurang memadai, yang memiliki nilai dan ruang penelitian yang besar.

Pada Gambar 1, menggunakan keadaan energi cacat dalam celah pita LN sebagai pusat donor elektron, pembawa muatan bebas dihasilkan di pita konduksi di bawah eksitasi cahaya tampak. Dibandingkan dengan fotodetektor LN piroelektrik sebelumnya, yang biasanya dibatasi pada kecepatan respons sekitar 100 Hz, fotodetektor iniFotodetektor LNmemiliki kecepatan respons yang lebih cepat hingga 10kHz. Sementara itu, dalam penelitian ini, ditunjukkan bahwa LN yang didoping ion magnesium dapat mencapai modulasi cahaya eksternal dengan respons hingga 10kHz. Penelitian ini mendorong penelitian tentang kinerja tinggi danfotodetektor LN berkecepatan tinggidalam pembangunan chip fotonik LN terintegrasi chip tunggal yang berfungsi penuh.
Singkatnya, bidang penelitianfotodetektor litium niobat lapisan tipismemiliki signifikansi ilmiah yang penting dan potensi aplikasi praktis yang sangat besar. Di masa depan, seiring perkembangan teknologi dan pendalaman penelitian, fotodetektor litium niobat (LN) lapisan tipis akan berkembang menuju integrasi yang lebih tinggi. Menggabungkan berbagai metode integrasi untuk mencapai fotodetektor litium niobat lapisan tipis berkinerja tinggi, respons cepat, dan pita lebar dalam segala aspek akan menjadi kenyataan. Hal ini akan sangat mendorong perkembangan integrasi on-chip dan bidang penginderaan cerdas, serta memberikan lebih banyak kemungkinan untuk aplikasi fotonik generasi baru.