Fotodiodo a film sottile di niobato di litio (LN)

Fotodiodo a film sottile di niobato di litio (LN)

Il niobato di litio (LN) presenta una struttura cristallina unica e ricchi effetti fisici, come effetti non lineari, elettro-ottici, piroelettrici e piezoelettrici. Allo stesso tempo, offre i vantaggi di una finestra di trasparenza ottica a banda larga e di una stabilità a lungo termine. Queste caratteristiche rendono l'LN una piattaforma importante per la nuova generazione di fotonica integrata. Nei dispositivi ottici e nei sistemi optoelettronici, le caratteristiche dell'LN possono fornire funzionalità e prestazioni avanzate, promuovendo lo sviluppo di campi quali la comunicazione ottica, l'elaborazione ottica e la rilevazione ottica. Tuttavia, a causa delle scarse proprietà di assorbimento e isolamento del niobato di litio, l'applicazione integrata del niobato di litio presenta ancora il problema di una difficile rilevazione. Negli ultimi anni, le ricerche in questo campo hanno riguardato principalmente fotorivelatori integrati in guida d'onda e fotorivelatori a eterogiunzione.
Il fotorilevatore integrato in guida d'onda basato sul niobato di litio è solitamente focalizzato sulla banda C delle comunicazioni ottiche (1525-1565 nm). In termini di funzionalità, il niobato di litio svolge principalmente il ruolo di onde guidate, mentre la funzione di rilevamento optoelettronico si basa principalmente su semiconduttori come silicio, semiconduttori a banda stretta del gruppo III-V e materiali bidimensionali. In tale architettura, la luce viene trasmessa attraverso guide d'onda ottiche in niobato di litio con basse perdite e quindi assorbita da altri materiali semiconduttori in base agli effetti fotoelettrici (come la fotoconduttività o gli effetti fotovoltaici) per aumentare la concentrazione dei portatori e convertirla in segnali elettrici per l'uscita. I vantaggi sono l'elevata larghezza di banda operativa (~ GHz), la bassa tensione operativa, le dimensioni ridotte e la compatibilità con l'integrazione di chip fotonici. Tuttavia, a causa della separazione spaziale tra niobato di litio e materiali semiconduttori, sebbene ciascuno svolga le proprie funzioni, il niobato di litio svolge solo il ruolo di guida delle onde e altre eccellenti proprietà esterne non sono state sfruttate appieno. I materiali semiconduttori svolgono un ruolo solo nella conversione fotoelettrica e non presentano accoppiamento complementare tra loro, con conseguente banda operativa relativamente limitata. In termini di implementazione specifica, l'accoppiamento della luce dalla sorgente luminosa alla guida d'onda ottica in niobato di litio comporta perdite significative e requisiti di processo rigorosi. Inoltre, la potenza ottica effettiva della luce irradiata sul canale del dispositivo a semiconduttore nella regione di accoppiamento è difficile da calibrare, il che ne limita le prestazioni di rilevamento.
Il tradizionalefotorilevatoriI materiali utilizzati per le applicazioni di imaging sono solitamente basati su materiali semiconduttori. Pertanto, il basso tasso di assorbimento della luce e le proprietà isolanti del niobato di litio lo rendono indubbiamente poco apprezzato dai ricercatori di fotorivelatori, e persino un punto di difficoltà nel settore. Tuttavia, lo sviluppo della tecnologia a eterogiunzione negli ultimi anni ha portato speranza nella ricerca di fotorivelatori a base di niobato di litio. Altri materiali con un forte assorbimento della luce o un'eccellente conduttività possono essere integrati in modo eterogeneo con il niobato di litio per compensarne i difetti. Allo stesso tempo, le caratteristiche piroelettriche indotte dalla polarizzazione spontanea del niobato di litio, dovute alla sua anisotropia strutturale, possono essere controllate convertendole in calore sotto irradiazione luminosa, modificando così le caratteristiche piroelettriche per la rilevazione optoelettronica. Questo effetto termico presenta i vantaggi della banda larga e dell'autopilotaggio e può essere ben integrato e fuso con altri materiali. L'utilizzo sincrono degli effetti termico e fotoelettrico ha aperto una nuova era per i fotorivelatori a base di niobato di litio, consentendo ai dispositivi di combinare i vantaggi di entrambi gli effetti. Per compensare le carenze e raggiungere un'integrazione complementare dei vantaggi, negli ultimi anni la ricerca si è concentrata su questo settore. Inoltre, l'utilizzo dell'impianto ionico, dell'ingegneria delle bande e dell'ingegneria dei difetti rappresenta un'ottima scelta per risolvere le difficoltà di rilevamento del niobato di litio. Tuttavia, a causa dell'elevata difficoltà di lavorazione del niobato di litio, questo campo deve ancora affrontare notevoli sfide, come la bassa integrazione, la presenza di dispositivi e sistemi di imaging a matrice e prestazioni insufficienti, che presentano un grande valore per la ricerca e un notevole spazio di ricerca.

Figura 1: utilizzando gli stati energetici difettosi all'interno del bandgap LN come centri donatori di elettroni, vengono generati portatori di carica liberi nella banda di conduzione sotto eccitazione con luce visibile. Rispetto ai precedenti fotodetector piroelettrici LN, che erano tipicamente limitati a una velocità di risposta di circa 100 Hz, questoFotodiodo LNha una velocità di risposta più rapida, fino a 10 kHz. Nel frattempo, in questo lavoro, è stato dimostrato che l'LN drogato con ioni di magnesio può raggiungere una modulazione della luce esterna con una risposta fino a 10 kHz. Questo lavoro promuove la ricerca su materiali ad alte prestazioni efotodetector LN ad alta velocitànella costruzione di chip fotonici LN integrati su singolo chip completamente funzionali.
In sintesi, il campo di ricerca difotodetector a film sottile di niobato di litioHa un'importante rilevanza scientifica e un enorme potenziale applicativo pratico. In futuro, con lo sviluppo della tecnologia e l'approfondimento della ricerca, i fotodetector in niobato di litio (LN) a film sottile si svilupperanno verso una maggiore integrazione. La combinazione di diversi metodi di integrazione per ottenere fotodetector in niobato di litio a film sottile ad alte prestazioni, risposta rapida e banda larga sotto tutti gli aspetti diventerà una realtà, il che promuoverà notevolmente lo sviluppo dell'integrazione on-chip e dei campi di rilevamento intelligenti, offrendo maggiori possibilità per la nuova generazione di applicazioni fotoniche.