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 keunggulan jendela transparansi optik pita lebar dan stabilitas jangka panjang. Karakteristik ini menjadikan LN sebagai platform penting untuk fotonik terintegrasi generasi baru. Dalam perangkat optik dan sistem optoelektronik, karakteristik LN dapat memberikan fungsi dan kinerja yang kaya, yang mendorong 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 pemandu gelombang berbasis litium niobat biasanya difokuskan pada pita C komunikasi optik (1525-1565nm). Dari segi fungsi, LN terutama berperan sebagai gelombang pemandu, sedangkan fungsi deteksi optoelektronik terutama bergantung pada semikonduktor seperti silikon, semikonduktor celah pita sempit golongan III-V, dan material dua dimensi. Dalam arsitektur seperti itu, cahaya ditransmisikan melalui pemandu gelombang optik litium niobat dengan rugi rendah, lalu 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 adalah lebar pita 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 luar lainnya yang sangat baik belum dimanfaatkan dengan baik. Bahan semikonduktor hanya berperan dalam konversi fotolistrik dan tidak memiliki kopling komplementer satu sama lain, sehingga menghasilkan pita operasi yang relatif terbatas. Dalam hal implementasi khusus, kopling cahaya dari sumber cahaya ke pemandu gelombang optik litium niobat menghasilkan kerugian yang signifikan dan persyaratan proses yang ketat. Selain itu, daya optik sebenarnya dari cahaya yang diradiasikan ke saluran perangkat semikonduktor di wilayah kopling sulit dikalibrasi, yang membatasi kinerja deteksinya.
Yang tradisionalfotodetektoryang digunakan untuk aplikasi pencitraan biasanya berbasis pada bahan semikonduktor. Oleh karena itu, untuk litium niobat, tingkat penyerapan cahaya yang rendah dan sifat isolasinya membuatnya tidak diragukan lagi tidak disukai oleh para peneliti fotodetektor, dan bahkan menjadi hal yang sulit 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 mengimbangi kekurangannya. Pada saat yang sama, karakteristik piroelektrik yang diinduksi polarisasi spontan dari litium niobat karena 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 sendiri, dan dapat dilengkapi dan dipadukan dengan baik dengan bahan lain. Pemanfaatan efek termal dan fotolistrik secara sinkron telah membuka era baru bagi fotodetektor berbasis litium niobat, yang memungkinkan perangkat untuk menggabungkan keunggulan kedua efek tersebut. Dan untuk menutupi kekurangan dan mencapai integrasi keunggulan yang saling melengkapi, ini adalah pusat penelitian dalam beberapa tahun terakhir. Selain itu, pemanfaatan implantasi ion, rekayasa pita, dan rekayasa cacat juga merupakan pilihan yang baik untuk mengatasi kesulitan mendeteksi 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 tidak memadai, yang memiliki nilai penelitian dan ruang yang besar.

Gambar 1, menggunakan status 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 dibatasi pada kecepatan respons sekitar 100 Hz, iniFotodetektor LNmemiliki kecepatan respon yang lebih cepat hingga 10kHz. Sementara itu, dalam penelitian ini, ditunjukkan bahwa LN yang didoping ion magnesium dapat mencapai modulasi cahaya eksternal dengan respon 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, dengan 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 semua aspek akan menjadi kenyataan, yang akan sangat mendorong pengembangan integrasi on-chip dan bidang penginderaan cerdas, dan memberikan lebih banyak kemungkinan untuk aplikasi fotonik generasi baru.