โฟโตดีเทคเตอร์ลิเธียมไนโอเบต (LN) แบบฟิล์มบาง

โฟโตดีเทคเตอร์ลิเธียมไนโอเบต (LN) แบบฟิล์มบาง

ลิเธียมไนโอเบต (LN) มีโครงสร้างผลึกที่เป็นเอกลักษณ์และมีคุณสมบัติทางกายภาพที่หลากหลาย เช่น ผลกระทบแบบไม่เชิงเส้น ผลกระทบทางไฟฟ้าเชิงแสง ผลกระทบทางไพโรอิเล็กทริก และผลกระทบทางเพียโซอิเล็กทริก ในขณะเดียวกันก็มีข้อดีคือช่วงความโปร่งใสทางแสงที่กว้างและความเสถียรในระยะยาว คุณลักษณะเหล่านี้ทำให้ LN เป็นแพลตฟอร์มที่สำคัญสำหรับโฟโตนิกส์แบบบูรณาการรุ่นใหม่ ในอุปกรณ์ทางแสงและระบบอิเล็กโทรออปติก คุณลักษณะของ LN สามารถให้ฟังก์ชันและประสิทธิภาพที่หลากหลาย ส่งเสริมการพัฒนาด้านการสื่อสารทางแสง การคำนวณทางแสง และการตรวจจับทางแสง อย่างไรก็ตาม เนื่องจากคุณสมบัติการดูดซับและการเป็นฉนวนที่อ่อนแอของลิเธียมไนโอเบต การประยุกต์ใช้แบบบูรณาการของลิเธียมไนโอเบตยังคงเผชิญกับปัญหาการตรวจจับที่ยากลำบาก ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา รายงานในสาขานี้ส่วนใหญ่รวมถึงโฟโตดีเทคเตอร์แบบบูรณาการกับท่อนำคลื่นและโฟโตดีเทคเตอร์แบบเฮเทอโรจังก์ชัน
โฟโตดีเทคเตอร์แบบรวมคลื่นแสงที่ใช้ลิเธียมไนโอเบตนั้น มักจะเน้นไปที่ย่านความถี่ C-band (1525-1565 นาโนเมตร) สำหรับการสื่อสารทางแสง ในแง่ของฟังก์ชัน ลิเธียมไนโอเบตทำหน้าที่หลักในการนำทางคลื่นแสง ในขณะที่ฟังก์ชันการตรวจจับทางอิเล็กโทรออปติกส่วนใหญ่อาศัยสารกึ่งตัวนำ เช่น ซิลิคอน สารกึ่งตัวนำกลุ่ม III-V ที่มีช่องว่างพลังงานแคบ และวัสดุสองมิติ ในโครงสร้างดังกล่าว แสงจะถูกส่งผ่านท่อนำแสงลิเธียมไนโอเบตที่มีการสูญเสียต่ำ จากนั้นจะถูกดูดซับโดยวัสดุสารกึ่งตัวนำอื่นๆ โดยอาศัยปรากฏการณ์ทางไฟฟ้าจากแสง (เช่น การนำไฟฟ้าจากแสงหรือปรากฏการณ์โฟโตโวลต์) เพื่อเพิ่มความเข้มข้นของตัวนำและแปลงเป็นสัญญาณไฟฟ้าสำหรับส่งออก ข้อดีคือ แบนด์วิดท์การทำงานสูง (~GHz) แรงดันไฟฟ้าในการทำงานต่ำ ขนาดเล็ก และเข้ากันได้กับการรวมชิปโฟโตนิกส์ อย่างไรก็ตาม เนื่องจากลิเธียมไนโอเบตและวัสดุสารกึ่งตัวนำแยกจากกันในเชิงพื้นที่ แม้ว่าแต่ละส่วนจะทำหน้าที่ของตนเอง แต่ลิเธียมไนโอเบตทำหน้าที่เพียงแค่นำทางคลื่นแสงเท่านั้น และคุณสมบัติอื่นๆ ที่ยอดเยี่ยมยังไม่ได้รับการใช้ประโยชน์อย่างเต็มที่ วัสดุเซมิคอนดักเตอร์มีบทบาทเฉพาะในการแปลงแสงเป็นไฟฟ้าและขาดการจับคู่ที่เสริมกัน ทำให้มีช่วงการทำงานที่ค่อนข้างจำกัด ในแง่ของการใช้งานเฉพาะ การเชื่อมต่อแสงจากแหล่งกำเนิดแสงไปยังท่อนำแสงลิเธียมไนโอเบตส่งผลให้เกิดการสูญเสียอย่างมากและข้อกำหนดกระบวนการที่เข้มงวด นอกจากนี้ กำลังแสงจริงของแสงที่ฉายลงบนช่องสัญญาณของอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์ในบริเวณการเชื่อมต่อยังยากต่อการสอบเทียบ ซึ่งจำกัดประสิทธิภาพการตรวจจับ
แบบดั้งเดิมเครื่องตรวจจับแสงโดยทั่วไปแล้ว วัสดุที่ใช้ในงานด้านการถ่ายภาพมักใช้สารกึ่งตัวนำเป็นหลัก ดังนั้น สำหรับลิเธียมไนโอเบต อัตราการดูดซับแสงต่ำและคุณสมบัติเป็นฉนวน ทำให้มันไม่เป็นที่นิยมในหมู่นักวิจัยด้านโฟโตดีเทคเตอร์ และยังเป็นอุปสรรคสำคัญในสาขานี้ด้วย อย่างไรก็ตาม การพัฒนาเทคโนโลยีเฮเทอโรจังก์ชันในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมาได้นำความหวังมาสู่การวิจัยโฟโตดีเทคเตอร์ที่ใช้ลิเธียมไนโอเบต วัสดุอื่นๆ ที่มีการดูดซับแสงสูงหรือการนำไฟฟ้าที่ดีเยี่ยมสามารถนำมาผสมผสานกับลิเธียมไนโอเบตแบบไม่เป็นเนื้อเดียวกันเพื่อชดเชยข้อเสียของมัน ในขณะเดียวกัน คุณสมบัติไพโรอิเล็กทริกที่เกิดจากการโพลาไรเซชันโดยธรรมชาติของลิเธียมไนโอเบตเนื่องจากความไม่สมมาตรทางโครงสร้าง สามารถควบคุมได้โดยการแปลงเป็นความร้อนภายใต้การฉายแสง ซึ่งจะเปลี่ยนคุณสมบัติไพโรอิเล็กทริกสำหรับการตรวจจับทางอิเล็กโทรออปติก ผลกระทบทางความร้อนนี้มีข้อดีคือครอบคลุมย่านความถี่กว้างและขับเคลื่อนด้วยตนเอง และสามารถเสริมและผสมผสานกับวัสดุอื่นๆ ได้เป็นอย่างดี การใช้ประโยชน์จากปรากฏการณ์ความร้อนและปรากฏการณ์โฟโตอิเล็กทริกพร้อมกันได้เปิดยุคใหม่ให้กับอุปกรณ์ตรวจจับแสงที่ใช้ลิเธียมไนโอเบต ทำให้สามารถรวมข้อดีของทั้งสองปรากฏการณ์เข้าด้วยกันได้ และเพื่อชดเชยข้อบกพร่องและบรรลุการบูรณาการข้อดีอย่างสมบูรณ์ จึงเป็นประเด็นวิจัยที่ได้รับความสนใจอย่างมากในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา นอกจากนี้ การใช้การฝังไอออน การปรับแต่งแถบพลังงาน และการปรับแต่งข้อบกพร่องก็เป็นทางเลือกที่ดีในการแก้ปัญหาความยากลำบากในการตรวจจับลิเธียมไนโอเบต อย่างไรก็ตาม เนื่องจากความยากลำบากในการประมวลผลลิเธียมไนโอเบตสูง สาขานี้จึงยังคงเผชิญกับความท้าทายมากมาย เช่น การรวมระบบต่ำ อุปกรณ์และระบบสร้างภาพแบบอาร์เรย์ และประสิทธิภาพที่ไม่เพียงพอ ซึ่งยังมีคุณค่าและโอกาสในการวิจัยอีกมาก

รูปที่ 1 แสดงให้เห็นว่า การใช้สถานะพลังงานของข้อบกพร่องภายในช่องว่างแถบพลังงานของ LN เป็นศูนย์กลางการให้ประจุอิเล็กตรอน ทำให้เกิดตัวนำประจุอิสระในแถบนำไฟฟ้าภายใต้การกระตุ้นด้วยแสงที่มองเห็นได้ เมื่อเปรียบเทียบกับโฟโตดีเทคเตอร์ LN แบบไพโรอิเล็กทริกในอดีต ซึ่งโดยทั่วไปมีข้อจำกัดด้านความเร็วในการตอบสนองอยู่ที่ประมาณ 100 เฮิรตซ์ โฟโตดีเทคเตอร์นี้จึงมีประสิทธิภาพดีกว่าโฟโตดีเทคเตอร์ LNมีอัตราการตอบสนองที่เร็วขึ้นถึง 10kHz ในขณะเดียวกัน ในงานวิจัยนี้ได้แสดงให้เห็นว่า LN ที่เจือด้วยไอออนแมกนีเซียมสามารถควบคุมการตอบสนองต่อแสงภายนอกได้ด้วยอัตราการตอบสนองสูงถึง 10kHz งานวิจัยนี้ส่งเสริมการวิจัยเกี่ยวกับวัสดุประสิทธิภาพสูงและโฟโตดีเทคเตอร์ LN ความเร็วสูงในการสร้างชิปโฟโตนิกส์ LN แบบบูรณาการชิปเดียวที่ทำงานได้อย่างสมบูรณ์
โดยสรุปแล้ว สาขาการวิจัยของโฟโตดีเทคเตอร์ลิเธียมไนโอเบตแบบฟิล์มบางมีความสำคัญทางวิทยาศาสตร์อย่างยิ่งและมีศักยภาพในการประยุกต์ใช้ในทางปฏิบัติอย่างมหาศาล ในอนาคต ด้วยการพัฒนาเทคโนโลยีและการวิจัยที่ลึกซึ้งยิ่งขึ้น โฟโตดีเทคเตอร์ลิเธียมไนโอเบต (LN) แบบฟิล์มบางจะพัฒนาไปสู่การรวมวงจรที่สูงขึ้น การผสมผสานวิธีการรวมวงจรที่แตกต่างกันเพื่อให้ได้โฟโตดีเทคเตอร์ลิเธียมไนโอเบตแบบฟิล์มบางที่มีประสิทธิภาพสูง ตอบสนองรวดเร็ว และครอบคลุมย่านความถี่กว้างในทุกด้านจะกลายเป็นความจริง ซึ่งจะช่วยส่งเสริมการพัฒนาด้านการรวมวงจรบนชิปและการตรวจจับอัจฉริยะอย่างมาก และมอบความเป็นไปได้มากขึ้นสำหรับการใช้งานด้านโฟโตนิกส์รุ่นใหม่