Nazik təbəqəli litium niobatı (LN) fotodetektoru
Litium niobatı (LN) unikal kristal quruluşuna və qeyri-xətti effektlər, elektro-optik effektlər, piroelektrik effektlər və pyezoelektrik effektlər kimi zəngin fiziki effektlərə malikdir. Eyni zamanda, genişzolaqlı optik şəffaflıq pəncərəsi və uzunmüddətli sabitlik kimi üstünlüklərə malikdir. Bu xüsusiyyətlər LN-ni yeni nəsil inteqrasiya olunmuş fotonika üçün vacib platformaya çevirir. Optik cihazlarda və optoelektronik sistemlərdə LN-nin xüsusiyyətləri zəngin funksiyalar və performans təmin edə bilər, optik rabitənin, optik hesablamanın və optik hiss sahələrinin inkişafını təşviq edir. Lakin, litium niobatın zəif udma və izolyasiya xüsusiyyətlərinə görə, litium niobatın inteqrasiya olunmuş tətbiqi hələ də çətin aşkarlama problemi ilə üzləşir. Son illərdə bu sahədəki hesabatlara əsasən dalğaötürücü inteqrasiya olunmuş fotodetektorlar və heterokeçidli fotodetektorlar daxildir.
Litium niobata əsaslanan dalğaötürücü inteqrasiya olunmuş fotodetektor adətən optik rabitə C-zolaqlına (1525-1565nm) yönəlmişdir. Funksiya baxımından LN əsasən istiqamətləndirilmiş dalğalar rolunu oynayır, optoelektron aşkarlama funksiyası isə əsasən silikon, III-V qrup dar zolaqlı yarımkeçiricilər və ikiölçülü materiallar kimi yarımkeçiricilərə əsaslanır. Belə bir arxitekturada işıq litium niobat optik dalğaötürücüləri vasitəsilə aşağı itki ilə ötürülür və sonra daşıyıcı konsentrasiyasını artırmaq və çıxış üçün elektrik siqnallarına çevirmək üçün fotoelektrik effektlərə (məsələn, fotokeçiricilik və ya fotovoltaik effektlər) əsaslanan digər yarımkeçirici materiallar tərəfindən udulur. Üstünlüklər yüksək işləmə zolağı (~GHz), aşağı işləmə gərginliyi, kiçik ölçü və fotonik çip inteqrasiyası ilə uyğunluqdur. Lakin, litium niobat və yarımkeçirici materialların fəza ayrılması səbəbindən, hər biri öz funksiyalarını yerinə yetirsələr də, LN yalnız istiqamətləndirici dalğalarda rol oynayır və digər əla xarici xüsusiyyətlər yaxşı istifadə edilməyib. Yarımkeçirici materiallar yalnız fotoelektrik çevrilmədə rol oynayır və bir-biri ilə tamamlayıcı əlaqəyə malik deyil, bu da nisbətən məhdud işləmə zolağına səbəb olur. Xüsusi tətbiq baxımından, işıq mənbəyindən litium niobat optik dalğa ötürücüsünə işığın qoşulması əhəmiyyətli itkilərə və ciddi proses tələblərinə səbəb olur. Bundan əlavə, birləşmə bölgəsindəki yarımkeçirici cihaz kanalına şüalanan işığın faktiki optik gücünü kalibrləmək çətindir ki, bu da onun aşkarlama performansını məhdudlaşdırır.
ƏnənəvifotodetektorlarGörüntüləmə tətbiqlərində istifadə edilən materiallar adətən yarımkeçirici materiallara əsaslanır. Buna görə də, litium niobatı üçün onun aşağı işığı udma sürəti və izolyasiya xüsusiyyətləri onu şübhəsiz ki, fotodetektor tədqiqatçıları tərəfindən bəyənilmir və hətta bu sahədə çətin bir məqama çevirir. Lakin, son illərdə heterokeçid texnologiyasının inkişafı litium niobatı əsaslı fotodetektorların tədqiqatına ümid gətirdi. Güclü işığı udma və ya əla keçiriciliyə malik digər materiallar çatışmazlıqlarını kompensasiya etmək üçün litium niobatı ilə heterojen şəkildə inteqrasiya edilə bilər. Eyni zamanda, struktur anizotropiyasına görə litium niobatın spontan polyarizasiya ilə induksiya edilmiş piroelektrik xüsusiyyətləri işıq şüalanması altında istiliyə çevrilməklə idarə oluna bilər və bununla da optoelektronik aşkarlama üçün piroelektrik xüsusiyyətləri dəyişdirilə bilər. Bu istilik effekti genişzolaqlı və özünü idarəetmə üstünlüklərinə malikdir və digər materiallarla yaxşı şəkildə tamamlana və əridilə bilər. Termal və fotoelektrik effektlərin sinxron istifadəsi litium niobatı əsaslı fotodetektorlar üçün yeni bir dövr açdı və cihazlara hər iki effektin üstünlüklərini birləşdirməyə imkan verdi. Çatışmazlıqları kompensasiya etmək və üstünlüklərin tamamlayıcı inteqrasiyasına nail olmaq üçün son illərdə tədqiqat nöqtəsidir. Bundan əlavə, ion implantasiyası, zolaq mühəndisliyi və qüsur mühəndisliyinin istifadəsi də litium niobatın aşkarlanması çətinliyini həll etmək üçün yaxşı seçimdir. Lakin, litium niobatın yüksək emal çətinliyi səbəbindən bu sahə hələ də aşağı inteqrasiya, massiv görüntüləmə cihazları və sistemləri və qeyri-kafi performans kimi böyük çətinliklərlə üzləşir ki, bu da böyük tədqiqat dəyəri və sahəsinə malikdir.
Şəkil 1-də, LN zolaq boşluğundakı qüsur enerji vəziyyətlərindən elektron donor mərkəzləri kimi istifadə edilərək, görünən işığın həyəcanlanması altında keçiricilik zolağında sərbəst yük daşıyıcıları yaranır. Adətən təxminən 100Hz cavab sürəti ilə məhdudlaşdırılan əvvəlki piroelektrik LN fotodetektorları ilə müqayisədə buLN fotodetektoru10 kHz-ə qədər daha sürətli cavab sürətinə malikdir. Bu arada, bu işdə maqnezium ionu ilə zənginləşdirilmiş LN-in 10 kHz-ə qədər cavabla xarici işıq modulyasiyasına nail ola biləcəyi nümayiş etdirilmişdir. Bu iş yüksək performanslı və tədqiqatları təşviq edir.yüksək sürətli LN fotodetektorlarıtam funksional tək çipli inteqrasiya olunmuş LN fotonik çiplərinin qurulmasında.
Xülasə, tədqiqat sahəsinazik təbəqəli litium niobat fotodetektorlarımühüm elmi əhəmiyyətə və böyük praktik tətbiq potensialına malikdir. Gələcəkdə texnologiyanın inkişafı və tədqiqatların dərinləşməsi ilə nazik təbəqəli litium niobat (LN) fotodetektorları daha yüksək inteqrasiyaya doğru inkişaf edəcək. Yüksək performanslı, sürətli cavab verən və genişzolaqlı nazik təbəqəli litium niobat fotodetektorlarına hər cəhətdən nail olmaq üçün müxtəlif inteqrasiya metodlarının birləşdirilməsi reallığa çevriləcək ki, bu da çip inteqrasiyasının və ağıllı sensor sahələrinin inkişafını böyük dərəcədə təşviq edəcək və yeni nəsil fotonika tətbiqləri üçün daha çox imkanlar yaradacaq.
Yayımlanma vaxtı: 17 Fevral 2025