Dünnschicht-Lithiumniobat (LN)-Photodetektor

Dünnschicht-Lithiumniobat (LN)-Photodetektor

Lithiumniobat (LN) besitzt eine einzigartige Kristallstruktur und vielfältige physikalische Effekte, darunter nichtlineare, elektrooptische, pyroelektrische und piezoelektrische Effekte. Gleichzeitig zeichnet es sich durch ein breites optisches Transparenzfenster und Langzeitstabilität aus. Diese Eigenschaften machen LN zu einer wichtigen Plattform für die neue Generation integrierter Photonik. In optischen Bauelementen und optoelektronischen Systemen ermöglicht LN vielfältige Funktionen und hohe Leistungsfähigkeit und fördert so die Entwicklung optischer Kommunikation, optischer Datenverarbeitung und optischer Sensorik. Aufgrund der geringen Absorptions- und Isolationseigenschaften von Lithiumniobat stellt die Detektion in integrierten Anwendungen jedoch weiterhin eine Herausforderung dar. Aktuelle Forschungsarbeiten auf diesem Gebiet konzentrieren sich hauptsächlich auf wellenleiterintegrierte Photodetektoren und Heteroübergangs-Photodetektoren.
Der auf Lithiumniobat basierende Wellenleiter-integrierte Photodetektor konzentriert sich üblicherweise auf das optische Kommunikations-C-Band (1525–1565 nm). Funktionell dient Lithiumniobat (LN) hauptsächlich der Wellenleitung, während die optoelektronische Detektion vorwiegend auf Halbleitern wie Silizium, III-V-Halbleitern mit schmaler Bandlücke und zweidimensionalen Materialien basiert. In dieser Architektur wird Licht verlustarm durch optische Lithiumniobat-Wellenleiter geleitet und anschließend von anderen Halbleitermaterialien mittels photoelektrischer Effekte (wie Photoleitfähigkeit oder Photovoltaik) absorbiert. Dies erhöht die Ladungsträgerkonzentration und wandelt das Licht in elektrische Signale für die Ausgabe um. Zu den Vorteilen zählen eine hohe Betriebsbandbreite (~GHz), eine niedrige Betriebsspannung, geringe Größe und die Kompatibilität mit der Integration in photonische Chips. Aufgrund der räumlichen Trennung von Lithiumniobat und Halbleitermaterialien wird LN jedoch, obwohl beide ihre jeweiligen Funktionen erfüllen, hauptsächlich als Wellenleiter eingesetzt, und seine anderen hervorragenden Eigenschaften bleiben weitgehend ungenutzt. Halbleitermaterialien spielen lediglich bei der photoelektrischen Umwandlung eine Rolle und weisen keine komplementäre Kopplung untereinander auf, was zu einem relativ begrenzten Betriebsbereich führt. Konkret resultiert die Einkopplung von Licht der Lichtquelle in den Lithiumniobat-Lichtwellenleiter in signifikanten Verlusten und erfordert strenge Prozessanforderungen. Zudem ist die tatsächliche optische Leistung des auf den Halbleiterkanal im Kopplungsbereich einfallenden Lichts schwer zu kalibrieren, was die Detektionsleistung einschränkt.
Die traditionelleFotodetektorenFür bildgebende Anwendungen verwendete Materialien basieren üblicherweise auf Halbleitermaterialien. Daher ist Lithiumniobat aufgrund seiner geringen Lichtabsorption und seiner isolierenden Eigenschaften für die Photodetektorforschung nicht besonders geeignet und stellt sogar eine Herausforderung dar. Die Entwicklung der Heteroübergangstechnologie in den letzten Jahren hat jedoch neue Hoffnung für die Forschung an Lithiumniobat-basierten Photodetektoren geweckt. Andere Materialien mit starker Lichtabsorption oder exzellenter Leitfähigkeit können heterogen mit Lithiumniobat integriert werden, um dessen Nachteile auszugleichen. Gleichzeitig lassen sich die durch die strukturelle Anisotropie induzierten pyroelektrischen Eigenschaften von Lithiumniobat durch Umwandlung in Wärme unter Lichteinstrahlung steuern und so die pyroelektrischen Eigenschaften für die optoelektronische Detektion verändern. Dieser thermische Effekt bietet die Vorteile eines breiten Spektrums und der Selbststeuerung und kann gut mit anderen Materialien kombiniert werden. Die simultane Nutzung thermischer und photoelektrischer Effekte hat eine neue Ära für Lithiumniobat-basierte Photodetektoren eingeläutet und ermöglicht die Entwicklung von Geräten, die die Vorteile beider Effekte vereinen. Um die bestehenden Defizite auszugleichen und die Vorteile optimal zu nutzen, hat sich die Lithiumniobat-Forschung in den letzten Jahren zu einem Schwerpunkt entwickelt. Darüber hinaus bietet die Anwendung von Ionenimplantation, Bandstrukturmanipulation und Defektmanipulation vielversprechende Ansätze zur Detektion von Lithiumniobat. Aufgrund der aufwendigen Verarbeitung von Lithiumniobat bestehen in diesem Bereich jedoch weiterhin große Herausforderungen, wie beispielsweise die geringe Integration, die Entwicklung von Array-Bildgebungsgeräten und -systemen sowie die unzureichende Leistungsfähigkeit. Dies birgt ein hohes Forschungspotenzial und bietet vielfältige Möglichkeiten zur Weiterentwicklung.

Abbildung 1 zeigt, wie durch die Nutzung der Defektenergiezustände innerhalb der LN-Bandlücke als Elektronendonatorzentren unter Anregung mit sichtbarem Licht freie Ladungsträger im Leitungsband erzeugt werden. Im Vergleich zu früheren pyroelektrischen LN-Photodetektoren, deren Ansprechgeschwindigkeit typischerweise auf etwa 100 Hz begrenzt war, bietet dieser Detektor eine deutlich höhere Ansprechgeschwindigkeit.LN-Fotodetektorweist eine schnellere Reaktionsgeschwindigkeit von bis zu 10 kHz auf. In dieser Arbeit wurde gezeigt, dass mit Magnesiumionen dotiertes LN eine externe Lichtmodulation mit einer Reaktionsgeschwindigkeit von bis zu 10 kHz ermöglicht. Diese Arbeit fördert die Forschung an Hochleistungs- undHochgeschwindigkeits-LN-Fotodetektorenbei der Konstruktion voll funktionsfähiger, integrierter LN-Photonikchips auf Einzelchipbasis.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass das Forschungsgebiet vonDünnschicht-Lithiumniobat-PhotodetektorenSie besitzt eine bedeutende wissenschaftliche Relevanz und ein enormes praktisches Anwendungspotenzial. Mit der Weiterentwicklung der Technologie und der Vertiefung der Forschung werden Dünnschicht-Lithiumniobat-Photodetektoren (LN) zukünftig eine höhere Integration aufweisen. Die Kombination verschiedener Integrationsmethoden zur Realisierung leistungsstarker, schnell reagierender und breitbandiger Dünnschicht-Lithiumniobat-Photodetektoren wird in jeder Hinsicht Realität werden. Dies wird die Entwicklung der On-Chip-Integration und der intelligenten Sensorik maßgeblich vorantreiben und neue Möglichkeiten für photonische Anwendungen der nächsten Generation eröffnen.