Fotodetektor me niobat litiumi (LN) me film të hollë
Niobati i litiumit (LN) ka një strukturë unike kristalore dhe efekte të pasura fizike, të tilla si efektet jolineare, efektet elektro-optike, efektet piroelektrike dhe efektet piezoelektrike. Në të njëjtën kohë, ai ka avantazhet e dritares së transparencës optike me brez të gjerë dhe stabilitetit afatgjatë. Këto karakteristika e bëjnë LN një platformë të rëndësishme për gjeneratën e re të fotonikës së integruar. Në pajisjet optike dhe sistemet optoelektronike, karakteristikat e LN mund të ofrojnë funksione dhe performancë të pasur, duke nxitur zhvillimin e komunikimit optik, informatikës optike dhe fushave të ndjeshmërisë optike. Megjithatë, për shkak të vetive të dobëta të thithjes dhe izolimit të niobatit të litiumit, aplikimi i integruar i niobatit të litiumit ende përballet me problemin e zbulimit të vështirë. Në vitet e fundit, raportet në këtë fushë përfshijnë kryesisht fotodetektorë të integruar me valëudhëzues dhe fotodetektorë hetero-lidhës.
Fotodetektor i integruar me valëudhëzues bazuar në niobat litiumi zakonisht përqendrohet në brezin C të komunikimit optik (1525-1565 nm). Për sa i përket funksionit, LN luan kryesisht rolin e valëve të drejtuara, ndërsa funksioni i zbulimit optoelektronik mbështetet kryesisht në gjysmëpërçues si silici, gjysmëpërçues me hapësirë të ngushtë brezash të grupit III-V dhe materiale dy-dimensionale. Në një arkitekturë të tillë, drita transmetohet përmes valëudhëzuesve optikë të niobatit të litiumit me humbje të ulët dhe më pas absorbohet nga materiale të tjera gjysmëpërçuese bazuar në efektet fotoelektrike (si fotopërçueshmëria ose efektet fotovoltaike) për të rritur përqendrimin e bartësit dhe për ta shndërruar atë në sinjale elektrike për dalje. Avantazhet janë brezi i lartë operativ (~GHz), tensioni i ulët operativ, madhësia e vogël dhe përputhshmëria me integrimin e çipit fotonik. Megjithatë, për shkak të ndarjes hapësinore të niobatit të litiumit dhe materialeve gjysmëpërçuese, megjithëse secili prej tyre kryen funksionet e veta, LN luan vetëm një rol në udhëzimin e valëve dhe vetitë e tjera të shkëlqyera të huaja nuk janë shfrytëzuar mirë. Materialet gjysmëpërçuese luajnë vetëm një rol në konvertimin fotoelektrik dhe u mungon çiftëzimi plotësues me njëri-tjetrin, duke rezultuar në një brez operativ relativisht të kufizuar. Sa i përket zbatimit specifik, çiftëzimi i dritës nga burimi i dritës në valëpërçuesin optik të niobatit të litiumit rezulton në humbje të konsiderueshme dhe kërkesa të rrepta të procesit. Përveç kësaj, fuqia aktuale optike e dritës së rrezatuar në kanalin e pajisjes gjysmëpërçuese në rajonin e çiftëzimit është e vështirë të kalibrohet, gjë që kufizon performancën e saj të zbulimit.
TradicionalefotodetektorëMaterialet e përdorura për aplikime imazherie zakonisht bazohen në materiale gjysmëpërçuese. Prandaj, për niobatin e litiumit, shkalla e ulët e thithjes së dritës dhe vetitë izoluese e bëjnë atë padyshim jo të preferuar nga studiuesit e fotodetektorëve, dhe madje një pikë të vështirë në këtë fushë. Megjithatë, zhvillimi i teknologjisë së hetero-lidhjes në vitet e fundit ka sjellë shpresë në kërkimin e fotodetektorëve të bazuar në niobat litiumi. Materiale të tjera me thithje të fortë të dritës ose përçueshmëri të shkëlqyer mund të integrohen në mënyrë heterogjene me niobatin e litiumit për të kompensuar mangësitë e tij. Në të njëjtën kohë, karakteristikat piroelektrike të induktuara nga polarizimi spontan i niobatit të litiumit për shkak të anizotropisë së tij strukturore mund të kontrollohen duke u shndërruar në nxehtësi nën rrezatim të dritës, duke ndryshuar kështu karakteristikat piroelektrike për zbulimin optoelektronik. Ky efekt termik ka avantazhet e brezit të gjerë dhe vetë-drejtimit, dhe mund të plotësohet dhe shkrihet mirë me materiale të tjera. Përdorimi sinkron i efekteve termike dhe fotoelektrike ka hapur një epokë të re për fotodetektorët e bazuar në niobat litiumi, duke u mundësuar pajisjeve të kombinojnë avantazhet e të dy efekteve. Dhe për të kompensuar mangësitë dhe për të arritur integrimin plotësues të avantazheve, është një pikë e nxehtë kërkimore në vitet e fundit. Përveç kësaj, përdorimi i implantimit jonik, inxhinierisë së brezave dhe inxhinierisë së defekteve është gjithashtu një zgjedhje e mirë për të zgjidhur vështirësinë e zbulimit të niobatit të litiumit. Megjithatë, për shkak të vështirësisë së lartë të përpunimit të niobatit të litiumit, kjo fushë ende përballet me sfida të mëdha, të tilla si integrimi i ulët, pajisjet dhe sistemet e imazhit me vargje dhe performanca e pamjaftueshme, të cilat kanë vlerë dhe hapësirë të madhe kërkimore.
Figura 1, duke përdorur gjendjet e energjisë së defektit brenda boshllëkut të brezit LN si qendra dhuruese të elektroneve, bartësit e ngarkesës së lirë gjenerohen në brezin e përçueshmërisë nën ngacmimin e dritës së dukshme. Krahasuar me fotodetektorët e mëparshëm piroelektrikë LN, të cilët zakonisht ishin të kufizuar në një shpejtësi përgjigjeje prej rreth 100Hz, kjoFotodetektor LNka një shpejtësi më të shpejtë përgjigjeje deri në 10kHz. Ndërkohë, në këtë punim, u demonstrua se LN-ja e dopuar me jone magnezi mund të arrijë modulim të dritës së jashtme me një përgjigje deri në 10kHz. Ky punim promovon kërkimin mbi performancën e lartë dhefotodetektorë LN me shpejtësi të lartënë ndërtimin e çipave fotonikë LN të integruar me një çip të vetëm plotësisht funksionalë.
Në përmbledhje, fusha e kërkimit tëfotodetektorë niobati litiumi me film të hollëka rëndësi të rëndësishme shkencore dhe potencial të madh aplikimi praktik. Në të ardhmen, me zhvillimin e teknologjisë dhe thellimin e kërkimit, fotodetektorët me film të hollë litium niobat (LN) do të zhvillohen drejt integrimit më të lartë. Kombinimi i metodave të ndryshme të integrimit për të arritur fotodetektorë me film të hollë litium niobat me performancë të lartë, përgjigje të shpejtë dhe me brez të gjerë në të gjitha aspektet do të bëhet realitet, gjë që do të promovojë shumë zhvillimin e integrimit në çip dhe fushave inteligjente të ndjeshmërisë, dhe do të ofrojë më shumë mundësi për gjeneratën e re të aplikimeve fotonike.
Koha e postimit: 17 shkurt 2025