Photodétecteur à couche mince de niobate de lithium (LN)

Photodétecteur à couche mince de niobate de lithium (LN)

Le niobate de lithium (LN) présente une structure cristalline unique et de nombreux effets physiques, tels que des effets non linéaires, électro-optiques, pyroélectriques et piézoélectriques. Il présente également les avantages d'une fenêtre de transparence optique à large bande et d'une stabilité à long terme. Ces caractéristiques font du LN une plateforme importante pour la nouvelle génération de photonique intégrée. Dans les dispositifs optiques et les systèmes optoélectroniques, les caractéristiques du LN offrent des fonctions et des performances riches, favorisant le développement des domaines de la communication optique, de l'informatique optique et de la détection optique. Cependant, en raison des faibles propriétés d'absorption et d'isolation du niobate de lithium, son application intégrée se heurte encore à une difficulté de détection. Ces dernières années, les travaux dans ce domaine portent principalement sur les photodétecteurs intégrés à guide d'ondes et les photodétecteurs à hétérojonction.
Le photodétecteur à guide d'ondes intégré au niobate de lithium est généralement axé sur la bande C des communications optiques (1 525-1 565 nm). En termes de fonction, le niobate de lithium joue principalement le rôle de guide d'ondes, tandis que la détection optoélectronique repose principalement sur des semi-conducteurs tels que le silicium, les semi-conducteurs à bande interdite étroite des groupes III-V et les matériaux bidimensionnels. Dans une telle architecture, la lumière est transmise à travers des guides d'ondes optiques au niobate de lithium avec de faibles pertes, puis absorbée par d'autres matériaux semi-conducteurs grâce à des effets photoélectriques (tels que la photoconductivité ou les effets photovoltaïques) afin d'augmenter la concentration des porteurs et de la convertir en signaux électriques de sortie. Ses avantages sont une bande passante opérationnelle élevée (~ GHz), une faible tension de fonctionnement, un format compact et une compatibilité avec l'intégration de puces photoniques. Cependant, en raison de la séparation spatiale du niobate de lithium et des matériaux semi-conducteurs, bien que chacun remplisse ses propres fonctions, le niobate de lithium ne joue qu'un rôle de guide d'ondes et ses excellentes propriétés externes ne sont pas pleinement exploitées. Les matériaux semi-conducteurs ne jouent qu'un rôle dans la conversion photoélectrique et ne présentent pas de couplage complémentaire entre eux, ce qui entraîne une bande passante relativement limitée. En termes de mise en œuvre spécifique, le couplage de la lumière provenant de la source lumineuse au guide d'ondes optique en niobate de lithium entraîne des pertes importantes et des exigences de traitement strictes. De plus, la puissance optique réelle de la lumière irradiée sur le canal du dispositif semi-conducteur dans la zone de couplage est difficile à calibrer, ce qui limite ses performances de détection.
Le traditionnelphotodétecteursLes matériaux utilisés pour les applications d'imagerie sont généralement à base de semi-conducteurs. Par conséquent, le niobate de lithium, en raison de son faible taux d'absorption lumineuse et de ses propriétés isolantes, n'est sans doute pas privilégié par les chercheurs en photodétecteurs, et constitue même un domaine difficile à explorer. Cependant, le développement de la technologie d'hétérojonction ces dernières années a apporté de l'espoir à la recherche sur les photodétecteurs à base de niobate de lithium. D'autres matériaux à forte absorption lumineuse ou à excellente conductivité peuvent être intégrés de manière hétérogène au niobate de lithium pour compenser ses défauts. Parallèlement, les caractéristiques pyroélectriques induites par la polarisation spontanée du niobate de lithium, dues à son anisotropie structurelle, peuvent être contrôlées par conversion en chaleur sous irradiation lumineuse, modifiant ainsi les caractéristiques pyroélectriques pour la détection optoélectronique. Cet effet thermique présente les avantages d'une large bande passante et d'une auto-excitation, et peut être parfaitement complété et fusionné avec d'autres matériaux. L'utilisation simultanée des effets thermique et photoélectrique a ouvert une nouvelle ère pour les photodétecteurs à base de niobate de lithium, permettant aux dispositifs de combiner les avantages de ces deux effets. Afin de pallier ces lacunes et de parvenir à une intégration complémentaire des avantages, la recherche s'est fortement développée ces dernières années. De plus, l'implantation ionique, l'ingénierie de bande et l'ingénierie des défauts constituent des solutions judicieuses pour résoudre les difficultés de détection du niobate de lithium. Cependant, en raison de la grande complexité de traitement du niobate de lithium, ce domaine reste confronté à d'importants défis, tels qu'une faible intégration, des dispositifs et systèmes d'imagerie matricielle et des performances insuffisantes, ce qui représente un atout majeur pour la recherche et un espace de recherche important.

Figure 1 : en utilisant les états d'énergie des défauts dans la bande interdite du LN comme centres donneurs d'électrons, des porteurs de charge libres sont générés dans la bande de conduction sous excitation par la lumière visible. Comparé aux photodétecteurs pyroélectriques LN précédents, dont la vitesse de réponse était généralement limitée à environ 100 Hz, ce détecteurPhotodétecteur LNprésente une vitesse de réponse plus rapide, jusqu'à 10 kHz. Parallèlement, ces travaux ont démontré que le LN dopé aux ions magnésium permettait une modulation de la lumière externe avec une réponse allant jusqu'à 10 kHz. Ces travaux favorisent la recherche sur les hautes performances etphotodétecteurs LN à grande vitessedans la construction de puces photoniques LN intégrées monopuce entièrement fonctionnelles.
En résumé, le domaine de recherche dephotodétecteurs à couche mince de niobate de lithiumCe matériau présente une importance scientifique majeure et un potentiel d'application pratique considérable. À l'avenir, grâce au développement technologique et à l'approfondissement de la recherche, les photodétecteurs au niobate de lithium (LN) en couches minces évolueront vers une intégration plus poussée. Combiner différentes méthodes d'intégration pour obtenir des photodétecteurs au niobate de lithium en couches minces hautes performances, à réponse rapide et à large bande passante deviendra une réalité, ce qui favorisera grandement le développement de l'intégration sur puce et des domaines de détection intelligents, et offrira de nouvelles possibilités pour la nouvelle génération d'applications photoniques.