Fotodetektor film tipis litium niobat (LN)
Lithium niobate (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 keunggulan jendela transparansi optik pita lebar dan stabilitas jangka panjang. Karakteristik ini menjadikan LN sebagai platform penting untuk generasi baru fotonika terintegrasi. Dalam perangkat optik dan sistem optoelektronik, karakteristik LN dapat memberikan fungsi dan kinerja yang kaya, mendorong perkembangan bidang komunikasi optik, komputasi optik, dan penginderaan optik. Namun, karena penyerapan yang lemah dan sifat isolasi lithium niobate, aplikasi terintegrasi lithium niobate masih menghadapi masalah deteksi yang sulit. Dalam beberapa tahun terakhir, laporan di bidang ini terutama mencakup fotodetektor terintegrasi pandu gelombang dan fotodetektor heterojunction.
Detektor foto terintegrasi pandu gelombang berbasis litium niobat biasanya difokuskan pada komunikasi optik pita C (1525-1565nm). Dari segi fungsi, LN terutama berperan sebagai pandu gelombang, sedangkan fungsi deteksi optoelektronik terutama bergantung pada semikonduktor seperti silikon, semikonduktor celah pita sempit kelompok III-V, dan material dua dimensi. Dalam arsitektur tersebut, cahaya ditransmisikan melalui pandu gelombang optik litium niobat dengan kerugian rendah, dan 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. Keuntungannya adalah bandwidth operasi tinggi (~GHz), tegangan operasi rendah, ukuran kecil, dan kompatibilitas dengan integrasi chip fotonik. Namun, karena pemisahan spasial litium niobat dan material semikonduktor, meskipun masing-masing menjalankan fungsinya sendiri, LN hanya berperan dalam memandu gelombang dan sifat-sifat asing unggul 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. Dari segi implementasi spesifik, kopling cahaya dari sumber cahaya ke pandu gelombang optik litium niobate menghasilkan kerugian yang signifikan dan persyaratan proses yang ketat. Selain itu, daya optik aktual dari cahaya yang dipancarkan ke saluran perangkat semikonduktor di wilayah kopling sulit dikalibrasi, yang membatasi kinerja deteksinya.
TradisionalfotodetektorFotodetektor yang digunakan untuk aplikasi pencitraan biasanya berbasis material semikonduktor. Oleh karena itu, untuk litium niobat, tingkat penyerapan cahaya yang rendah dan sifat isolasinya membuatnya tidak disukai oleh para peneliti fotodetektor, bahkan menjadi titik kesulitan di bidang ini. Namun, perkembangan teknologi heterojunction dalam beberapa tahun terakhir telah membawa harapan bagi penelitian fotodetektor berbasis litium niobat. Material 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 yang diinduksi polarisasi spontan dari litium niobat karena anisotropi strukturnya dapat dikendalikan dengan mengubahnya menjadi panas di bawah iradiasi cahaya, sehingga mengubah karakteristik piroelektrik untuk deteksi optoelektronik. Efek termal ini memiliki keunggulan pita lebar dan penggerak sendiri, dan dapat dilengkapi dan dipadukan dengan baik dengan material lain. Pemanfaatan simultan efek termal dan fotoelektrik telah membuka era baru untuk fotodetektor berbasis litium niobat, memungkinkan perangkat untuk menggabungkan keunggulan kedua efek tersebut. Untuk menutupi kekurangan dan mencapai integrasi keunggulan yang saling melengkapi, ini menjadi pusat penelitian dalam beberapa tahun terakhir. Selain itu, pemanfaatan implantasi ion, rekayasa pita energi, dan rekayasa cacat juga merupakan pilihan yang baik untuk mengatasi kesulitan pendeteksian litium niobat. Namun, karena kesulitan pemrosesan litium niobat yang tinggi, bidang ini masih menghadapi tantangan besar seperti integrasi yang rendah, perangkat dan sistem pencitraan array, dan kinerja yang kurang memadai, yang memiliki nilai dan ruang penelitian yang besar.
Gambar 1, menggunakan keadaan energi cacat dalam celah pita LN sebagai pusat donor elektron, pembawa muatan bebas dihasilkan dalam pita konduksi di bawah eksitasi cahaya tampak. Dibandingkan dengan fotodetektor LN piroelektrik sebelumnya, yang biasanya terbatas pada kecepatan respons sekitar 100Hz, 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 pembuatan chip fotonik LN terintegrasi satu chip yang berfungsi penuh.
Singkatnya, bidang penelitianfotodetektor litium niobate film tipismemiliki signifikansi ilmiah yang penting dan potensi aplikasi praktis yang sangat besar. Di masa depan, dengan perkembangan teknologi dan pendalaman penelitian, fotodetektor litium niobat (LN) film tipis akan berkembang menuju integrasi yang lebih tinggi. Menggabungkan berbagai metode integrasi untuk mencapai fotodetektor litium niobat film tipis berkinerja tinggi, respons cepat, dan pita lebar dalam semua aspek akan menjadi kenyataan, yang akan sangat mendorong perkembangan integrasi on-chip dan bidang penginderaan cerdas, serta memberikan lebih banyak kemungkinan untuk aplikasi fotonik generasi baru.
Waktu posting: 17 Februari 2025