Dünnschicht-Lithiumniobat (LN)-Fotodetektor

Dünnschicht-Lithiumniobat (LN)-Fotodetektor

Lithiumniobat (LN) besitzt eine einzigartige Kristallstruktur und vielfältige physikalische Effekte wie nichtlineare, elektrooptische, pyroelektrische und piezoelektrische Effekte. Gleichzeitig bietet es die Vorteile eines breitbandigen optischen Transparenzfensters und hoher Langzeitstabilität. Diese Eigenschaften machen LN zu einer wichtigen Plattform für die neue Generation integrierter Photonik. In optischen Geräten und optoelektronischen Systemen ermöglichen die Eigenschaften von LN vielfältige Funktionen und Leistung und fördern so die Entwicklung der optischen Kommunikation, der optischen Datenverarbeitung und der optischen Sensorik. Aufgrund der schwachen Absorptions- und Isolationseigenschaften von Lithiumniobat ist die integrierte Anwendung von Lithiumniobat jedoch nach wie vor mit der Schwierigkeit der Detektion verbunden. In den letzten Jahren befassten sich die Berichte in diesem Bereich hauptsächlich mit integrierten Wellenleiter-Photodetektoren und Heteroübergangs-Photodetektoren.
Der wellenleiterintegrierte Photodetektor auf Basis von Lithiumniobat konzentriert sich üblicherweise auf das optische Kommunikations-C-Band (1525–1565 nm). Funktionell übernimmt LN hauptsächlich die Wellenleitung, während die optoelektronische Detektionsfunktion hauptsächlich auf Halbleitern wie Silizium, III-V-Halbleitern mit schmaler Bandlücke und zweidimensionalen Materialien beruht. In einer solchen Architektur wird Licht verlustarm durch optische Wellenleiter aus Lithiumniobat übertragen und dann basierend auf photoelektrischen Effekten (wie Photoleitfähigkeit oder Photovoltaikeffekten) von anderen Halbleitermaterialien absorbiert, um die Trägerkonzentration zu erhöhen und es in elektrische Signale zur Ausgabe umzuwandeln. Die Vorteile sind eine hohe Betriebsbandbreite (~ GHz), eine niedrige Betriebsspannung, eine geringe Größe und die Kompatibilität mit der Integration photonischer Chips. Aufgrund der räumlichen Trennung von Lithiumniobat und Halbleitermaterialien spielt LN jedoch, obwohl jedes seine eigenen Funktionen erfüllt, nur eine Rolle bei der Wellenleitung, und andere hervorragende Eigenschaften werden bisher nicht ausreichend genutzt. Halbleitermaterialien spielen nur bei der photoelektrischen Umwandlung eine Rolle und weisen keine komplementäre Kopplung untereinander auf, was zu einem relativ begrenzten Betriebsband führt. In der konkreten Implementierung führt die Kopplung des Lichts von der Lichtquelle zum optischen Lithiumniobat-Wellenleiter zu erheblichen Verlusten und strengen Prozessanforderungen. Zudem ist die tatsächliche optische Leistung des im Kopplungsbereich auf den Kanal des Halbleiterbauelements eingestrahlten Lichts schwer zu kalibrieren, was die Detektionsleistung einschränkt.
Das traditionelleFotodetektorenFür Bildgebungsanwendungen verwendete Materialien basieren üblicherweise auf Halbleitern. Lithiumniobat ist aufgrund seiner geringen Lichtabsorption und seiner isolierenden Eigenschaften daher bei Photodetektorforschern unbeliebt und stellt in diesem Bereich sogar eine Herausforderung dar. Die Entwicklung der Heteroübergangstechnologie in den letzten Jahren gibt jedoch Anlass zu Hoffnung für die Forschung an lithiumniobatbasierten Photodetektoren. Andere Materialien mit starker Lichtabsorption oder exzellenter Leitfähigkeit können heterogen mit Lithiumniobat integriert werden, um dessen Nachteile auszugleichen. Gleichzeitig können die durch spontane Polarisation induzierten pyroelektrischen Eigenschaften von Lithiumniobat aufgrund seiner strukturellen Anisotropie durch Wärmeeinwirkung unter Lichteinwirkung gesteuert werden, wodurch die pyroelektrischen Eigenschaften für die optoelektronische Detektion verändert werden. Dieser thermische Effekt bietet die Vorteile von Breitbandigkeit und Selbstantrieb und lässt sich gut mit anderen Materialien kombinieren. Die gleichzeitige Nutzung thermischer und photoelektrischer Effekte hat eine neue Ära für lithiumniobatbasierte Photodetektoren eingeläutet und ermöglicht Geräte, die die Vorteile beider Effekte vereinen. Um diese Mängel auszugleichen und die Vorteile komplementär zu integrieren, ist dies in den letzten Jahren ein Forschungsschwerpunkt. Darüber hinaus ist der Einsatz von Ionenimplantation, Band-Engineering und Defekt-Engineering eine gute Wahl, um die Schwierigkeiten beim Nachweis von Lithiumniobat zu lösen. Aufgrund der hohen Verarbeitungsschwierigkeiten von Lithiumniobat steht dieses Gebiet jedoch weiterhin vor großen Herausforderungen wie geringer Integration, Array-Bildgebungsgeräten und -systemen sowie unzureichender Leistung, was großen Forschungswert und -raum bietet.

Abbildung 1: Durch die Nutzung der Defektenergiezustände innerhalb der LN-Bandlücke als Elektronendonorzentren werden unter Anregung mit sichtbarem Licht freie Ladungsträger im Leitungsband erzeugt. Im Vergleich zu früheren pyroelektrischen LN-Fotodetektoren, deren Reaktionsgeschwindigkeit typischerweise auf etwa 100 Hz begrenzt war,LN-Fotodetektorhat eine schnellere Reaktionsgeschwindigkeit von bis zu 10 kHz. In dieser Arbeit wurde gezeigt, dass mit Magnesiumionen dotiertes LN eine externe Lichtmodulation mit einer Reaktionsgeschwindigkeit von bis zu 10 kHz erreichen kann. Diese Arbeit fördert die Forschung zu Hochleistungs- undHochgeschwindigkeits-LN-Fotodetektorenbeim Bau voll funktionsfähiger integrierter LN-Photonikchips auf Einzelchipbasis.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass das ForschungsfeldDünnschicht-Lithiumniobat-Fotodetektorenhat eine wichtige wissenschaftliche Bedeutung und ein enormes praktisches Anwendungspotenzial. Mit der Weiterentwicklung der Technologie und der Vertiefung der Forschung werden sich Dünnschicht-Lithiumniobat-(LN)-Fotodetektoren künftig in Richtung höherer Integration entwickeln. Die Kombination verschiedener Integrationsmethoden zur Erzielung leistungsstarker, schnell reagierender und breitbandiger Dünnschicht-Lithiumniobat-Fotodetektoren in allen Bereichen wird Realität. Dies wird die Entwicklung der On-Chip-Integration und der intelligenten Sensorik erheblich vorantreiben und neue Möglichkeiten für Photonik-Anwendungen der nächsten Generation eröffnen.