पतली फिल्म लिथियम niobate (LN) फोटोडेटेक्टर

पतली फिल्म लिथियम niobate (LN) फोटोडेटेक्टर

लिथियम niobate (LN) में एक अद्वितीय क्रिस्टल संरचना और समृद्ध शारीरिक प्रभाव होते हैं, जैसे कि nonlinear प्रभाव, इलेक्ट्रो-ऑप्टिक प्रभाव, पाइरोइलेक्ट्रिक प्रभाव और पीज़ोइलेक्ट्रिक प्रभाव। इसी समय, इसमें वाइडबैंड ऑप्टिकल ट्रांसपेरेंसी विंडो और दीर्घकालिक स्थिरता के फायदे हैं। ये विशेषताएं एलएन को एकीकृत फोटोनिक्स की नई पीढ़ी के लिए एक महत्वपूर्ण मंच बनाती हैं। ऑप्टिकल उपकरणों और ऑप्टोइलेक्ट्रोनिक सिस्टम में, एलएन की विशेषताएं समृद्ध कार्य और प्रदर्शन प्रदान कर सकती हैं, ऑप्टिकल संचार, ऑप्टिकल कंप्यूटिंग और ऑप्टिकल सेंसिंग फ़ील्ड के विकास को बढ़ावा देती हैं। हालांकि, लिथियम niobate के कमजोर अवशोषण और इन्सुलेशन गुणों के कारण, लिथियम niobate के एकीकृत अनुप्रयोग को अभी भी कठिन पता लगाने की समस्या का सामना करना पड़ता है। हाल के वर्षों में, इस क्षेत्र में रिपोर्ट में मुख्य रूप से वेवगाइड एकीकृत फोटोडेटेक्टर्स और हेटेरोजंक्शन फोटोडेटेक्टर्स शामिल हैं।
लिथियम niobate पर आधारित वेवगाइड एकीकृत फोटोडेटेक्टर आमतौर पर ऑप्टिकल संचार सी-बैंड (1525-1565nm) पर केंद्रित होता है। फ़ंक्शन के संदर्भ में, LN मुख्य रूप से निर्देशित तरंगों की भूमिका निभाता है, जबकि ऑप्टोइलेक्ट्रोनिक डिटेक्शन फ़ंक्शन मुख्य रूप से सिलिकॉन, III-V समूह संकीर्ण बैंडगैप सेमीकंडक्टर्स और दो-आयामी सामग्री जैसे अर्धचालक पर निर्भर करता है। इस तरह की वास्तुकला में, प्रकाश को कम नुकसान के साथ लिथियम niobate ऑप्टिकल वेवगाइड्स के माध्यम से प्रेषित किया जाता है, और फिर फोटोइलेक्ट्रिक प्रभावों (जैसे कि फोटोकॉन्डक्टिविटी या फोटोवोल्टिक प्रभाव) के आधार पर अन्य अर्धचालक सामग्री द्वारा अवशोषित किया जाता है ताकि वाहक एकाग्रता को बढ़ाया जा सके और इसे आउटपुट के लिए विद्युत संकेतों में परिवर्तित किया जा सके। फायदे उच्च ऑपरेटिंग बैंडविड्थ (~ GHz), कम ऑपरेटिंग वोल्टेज, छोटे आकार और फोटोनिक चिप एकीकरण के साथ संगतता हैं। हालांकि, लिथियम niobate और सेमीकंडक्टर सामग्री के स्थानिक पृथक्करण के कारण, हालांकि वे प्रत्येक अपने स्वयं के कार्य करते हैं, LN केवल मार्गदर्शन करने में एक भूमिका निभाता है और अन्य उत्कृष्ट विदेशी गुणों का उपयोग अच्छी तरह से नहीं किया गया है। सेमीकंडक्टर सामग्री केवल फोटोइलेक्ट्रिक रूपांतरण में एक भूमिका निभाती है और एक दूसरे के साथ पूरक युग्मन की कमी होती है, जिसके परिणामस्वरूप अपेक्षाकृत सीमित ऑपरेटिंग बैंड होता है। विशिष्ट कार्यान्वयन के संदर्भ में, प्रकाश स्रोत से लिथियम niobate ऑप्टिकल वेवगाइड तक प्रकाश के युग्मन से महत्वपूर्ण नुकसान और सख्त प्रक्रिया आवश्यकताओं का परिणाम होता है। इसके अलावा, युग्मन क्षेत्र में सेमीकंडक्टर डिवाइस चैनल पर प्रकाश की वास्तविक ऑप्टिकल शक्ति को युग्मन क्षेत्र में जांच करना मुश्किल है, जो इसके पता लगाने के प्रदर्शन को सीमित करता है।
पारंपरिकफोटोडेटेक्टर्सइमेजिंग अनुप्रयोगों के लिए उपयोग किए जाने वाले आमतौर पर अर्धचालक सामग्री पर आधारित होते हैं। इसलिए, लिथियम niobate के लिए, इसकी कम प्रकाश अवशोषण दर और इन्सुलेट गुणों को निस्संदेह फोटोडेटेक्टर शोधकर्ताओं और यहां तक ​​कि क्षेत्र में एक कठिन बिंदु भी नहीं है। हालांकि, हाल के वर्षों में हेटेरोजंक्शन प्रौद्योगिकी के विकास ने लिथियम niobate आधारित फोटोडेटेक्टर्स के अनुसंधान के लिए आशा ला दी है। मजबूत प्रकाश अवशोषण या उत्कृष्ट चालकता के साथ अन्य सामग्रियों को अपनी कमियों की भरपाई के लिए लिथियम niobate के साथ विषम रूप से एकीकृत किया जा सकता है। इसी समय, इसके संरचनात्मक एनिसोट्रॉपी के कारण लिथियम niobate की सहज ध्रुवीकरण प्रेरित पायरोइलेक्ट्रिक विशेषताओं को हल्के विकिरण के तहत गर्मी में परिवर्तित करके नियंत्रित किया जा सकता है, जिससे ऑप्टोइलेक्ट्रोनिक डिटेक्शन के लिए पायरोइलेक्ट्रिक विशेषताओं को बदलना है। इस थर्मल प्रभाव में वाइडबैंड और सेल्फ ड्राइविंग के फायदे हैं, और अन्य सामग्रियों के साथ अच्छी तरह से पूरक और फ्यूज किए जा सकते हैं। थर्मल और फोटोइलेक्ट्रिक प्रभावों के सिंक्रोनस उपयोग ने लिथियम niobate आधारित फोटोडेटेक्टर्स के लिए एक नया युग खोला है, जिससे उपकरणों को दोनों प्रभावों के लाभों को संयोजित करने में सक्षम बनाया गया है। और कमियों के लिए और लाभों के पूरक एकीकरण को प्राप्त करने के लिए, यह हाल के वर्षों में एक शोध हॉटस्पॉट है। इसके अलावा, आयन आरोपण, बैंड इंजीनियरिंग, और दोष इंजीनियरिंग का उपयोग भी लिथियम नीबेट का पता लगाने की कठिनाई को हल करने के लिए एक अच्छा विकल्प है। हालांकि, लिथियम niobate की उच्च प्रसंस्करण कठिनाई के कारण, यह क्षेत्र अभी भी कम एकीकरण, सरणी इमेजिंग उपकरणों और प्रणालियों और अपर्याप्त प्रदर्शन जैसी महान चुनौतियों का सामना करता है, जिसमें महान अनुसंधान मूल्य और स्थान है।

चित्रा 1, इलेक्ट्रॉन दाता केंद्रों के रूप में एलएन बैंडगैप के भीतर दोष ऊर्जा राज्यों का उपयोग करते हुए, दृश्य प्रकाश उत्तेजना के तहत चालन बैंड में मुक्त चार्ज वाहक उत्पन्न होते हैं। पिछले पाइरोइलेक्ट्रिक एलएन फोटोडेटेक्टर्स की तुलना में, जो आमतौर पर लगभग 100 हर्ट्ज की प्रतिक्रिया की गति तक सीमित थे, यहएलएन फोटोडेटेक्टर10kHz तक की तेजी से प्रतिक्रिया गति है। इस बीच, इस काम में, यह प्रदर्शित किया गया था कि मैग्नीशियम आयन डोपेड एलएन 10kHz तक की प्रतिक्रिया के साथ बाहरी प्रकाश मॉड्यूलेशन को प्राप्त कर सकता है। यह काम उच्च प्रदर्शन पर शोध को बढ़ावा देता है औरउच्च गति वाले एलएन फोटोडेटेक्टर्सपूरी तरह कार्यात्मक एकल-चिप एकीकृत एलएन फोटोनिक चिप्स के निर्माण में।
सारांश में, अनुसंधान क्षेत्रपतली फिल्म लिथियम niobate photodetectorsमहत्वपूर्ण वैज्ञानिक महत्व और विशाल व्यावहारिक अनुप्रयोग क्षमता है। भविष्य में, प्रौद्योगिकी के विकास और अनुसंधान के गहनता के साथ, पतली फिल्म लिथियम niobate (LN) फोटोडेटेक्टर्स उच्च एकीकरण की ओर विकसित होंगे। सभी पहलुओं में उच्च-प्रदर्शन, तेज प्रतिक्रिया, और वाइडबैंड पतली फिल्म लिथियम niobate फोटोडेटेक्टर्स को प्राप्त करने के लिए विभिन्न एकीकरण विधियों को मिलाकर एक वास्तविकता बन जाएगी, जो ऑन-चिप एकीकरण और बुद्धिमान संवेदन क्षेत्रों के विकास को बहुत बढ़ावा देगा, और अधिक संभावनाएं प्रदान करेगा। फोटोनिक्स अनुप्रयोगों की नई पीढ़ी।