เครื่องตรวจจับแสงลิเธียมไนโอเบตแบบฟิล์มบาง (LN)

เครื่องตรวจจับแสงลิเธียมไนโอเบตแบบฟิล์มบาง (LN)

ลิเธียมไนโอเบต (LN) มีโครงสร้างผลึกที่เป็นเอกลักษณ์และมีผลทางกายภาพที่หลากหลาย เช่น ผลแบบไม่เชิงเส้น ผลอิเล็กโทรออปติก ผลไพโรอิเล็กทริก และผลเพียโซอิเล็กทริก ในขณะเดียวกันก็มีข้อได้เปรียบของหน้าต่างโปร่งใสแบบแบนด์วิดท์กว้างและความเสถียรในระยะยาว คุณสมบัติเหล่านี้ทำให้ LN เป็นแพลตฟอร์มสำคัญสำหรับโฟโตนิกส์แบบบูรณาการรุ่นใหม่ ในอุปกรณ์ออปติกและระบบออปโตอิเล็กทรอนิกส์ คุณสมบัติต่างๆ ของ LN สามารถมอบฟังก์ชันและประสิทธิภาพที่หลากหลาย ส่งเสริมการพัฒนาด้านการสื่อสารด้วยแสง การประมวลผลด้วยแสง และสนามตรวจจับแสง อย่างไรก็ตาม เนื่องจากลิเธียมไนโอเบตมีคุณสมบัติการดูดซับและฉนวนที่อ่อนแอ การประยุกต์ใช้ลิเธียมไนโอเบตแบบบูรณาการยังคงประสบปัญหาการตรวจจับที่ยาก ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา มีรายงานในสาขานี้ส่วนใหญ่รวมถึงเครื่องตรวจจับโฟโตแบบรวมท่อนำคลื่นและเครื่องตรวจจับโฟโตแบบเฮเทอโรจังก์ชัน
เครื่องตรวจจับโฟโตอิเล็กทริกแบบรวมท่อนำคลื่นที่ใช้ลิเธียมไนโอเบตมักมุ่งเน้นไปที่การสื่อสารด้วยแสงในย่านความถี่ C (1525-1565 นาโนเมตร) ในด้านฟังก์ชัน LN มีบทบาทหลักในการเป็นคลื่นนำ ในขณะที่ฟังก์ชันการตรวจจับแบบออปโตอิเล็กทรอนิกส์ส่วนใหญ่อาศัยสารกึ่งตัวนำ เช่น ซิลิคอน สารกึ่งตัวนำแบนด์แก็ปแคบกลุ่ม III-V และวัสดุสองมิติ ในสถาปัตยกรรมเช่นนี้ แสงจะถูกส่งผ่านท่อนำคลื่นแสงลิเธียมไนโอเบตซึ่งมีการสูญเสียต่ำ จากนั้นจะถูกดูดซับโดยวัสดุเซมิคอนดักเตอร์อื่นๆ ที่อาศัยปรากฏการณ์โฟโตอิเล็กทริก (เช่น การนำแสง หรือปรากฏการณ์โฟโตโวลตาอิก) เพื่อเพิ่มความเข้มข้นของพาหะและแปลงเป็นสัญญาณไฟฟ้าสำหรับเอาต์พุต ข้อดีคือแบนด์วิดท์การทำงานสูง (~GHz) แรงดันไฟฟ้าต่ำ ขนาดเล็ก และความเข้ากันได้กับการรวมชิปโฟโตนิก อย่างไรก็ตาม เนื่องจากการแยกเชิงพื้นที่ของลิเธียมไนโอเบตและวัสดุเซมิคอนดักเตอร์ แม้ว่าวัสดุแต่ละชนิดจะทำหน้าที่ของตัวเอง แต่ LN มีบทบาทเพียงในการเป็นคลื่นนำ และคุณสมบัติพิเศษอื่นๆ ที่ยอดเยี่ยมยังไม่ได้รับการใช้ประโยชน์อย่างเต็มที่ วัสดุเซมิคอนดักเตอร์มีบทบาทเฉพาะในการแปลงโฟโตอิเล็กทริกเท่านั้น และขาดการเชื่อมต่อแบบเสริมซึ่งกันและกัน ส่งผลให้ย่านความถี่การทำงานค่อนข้างจำกัด ในแง่ของการใช้งานเฉพาะ การเชื่อมต่อแสงจากแหล่งกำเนิดแสงเข้ากับท่อนำแสงลิเธียมไนโอเบตทำให้เกิดการสูญเสียอย่างมากและข้อกำหนดกระบวนการที่เข้มงวด นอกจากนี้ กำลังแสงที่แท้จริงของแสงที่ฉายลงบนช่องสัญญาณของอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์ในบริเวณการเชื่อมต่อนั้นยากต่อการปรับเทียบ ซึ่งเป็นข้อจำกัดต่อประสิทธิภาพในการตรวจจับ
แบบดั้งเดิมเครื่องตรวจจับแสงลิเธียมไนโอเบตที่ใช้สำหรับงานถ่ายภาพมักทำจากวัสดุเซมิคอนดักเตอร์ ดังนั้น ลิเธียมไนโอเบตจึงมีอัตราการดูดกลืนแสงต่ำและคุณสมบัติการเป็นฉนวนสูง จึงไม่เป็นที่ต้องการของนักวิจัยด้านเครื่องตรวจจับแสง และยังเป็นวัสดุที่ยากต่อการใช้งานในสาขานี้ด้วย อย่างไรก็ตาม การพัฒนาเทคโนโลยีเฮเทอโรจังก์ชันในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมาได้นำความหวังมาสู่การวิจัยเครื่องตรวจจับแสงที่ใช้ลิเธียมไนโอเบต วัสดุอื่นๆ ที่มีการดูดกลืนแสงสูงหรือมีค่าการนำไฟฟ้าที่ดีเยี่ยมสามารถนำมาผสมผสานกับลิเธียมไนโอเบตได้อย่างหลากหลายเพื่อชดเชยข้อบกพร่อง ในขณะเดียวกัน คุณสมบัติไพโรอิเล็กทริกที่เกิดจากโพลาไรเซชันตามธรรมชาติของลิเธียมไนโอเบตอันเนื่องมาจากโครงสร้างแอนไอโซทรอปิกสามารถควบคุมได้โดยการแปลงเป็นความร้อนภายใต้การฉายแสง ซึ่งจะเปลี่ยนแปลงคุณสมบัติไพโรอิเล็กทริกสำหรับการตรวจจับด้วยแสงแบบออปโตอิเล็กทรอนิกส์ ผลกระทบทางความร้อนนี้มีข้อดีคือมีแบนด์วิดท์กว้างและขับเคลื่อนตัวเอง และสามารถเสริมและหลอมรวมกับวัสดุอื่นๆ ได้เป็นอย่างดี การใช้ประโยชน์จากปรากฏการณ์ทางความร้อนและโฟโตอิเล็กทริกแบบซิงโครนัสได้เปิดศักราชใหม่สำหรับเครื่องตรวจจับแสงที่ใช้ลิเธียมไนโอเบต ทำให้อุปกรณ์สามารถผสานข้อดีของปรากฏการณ์ทั้งสองเข้าด้วยกันได้ และเพื่อชดเชยข้อบกพร่องและบรรลุการผสานรวมข้อดีที่เสริมกัน จึงกลายเป็นจุดศูนย์กลางการวิจัยที่สำคัญในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา นอกจากนี้ การใช้ประโยชน์จากการฝังไอออน วิศวกรรมแบนด์ และวิศวกรรมข้อบกพร่อง ก็เป็นทางเลือกที่ดีในการแก้ไขปัญหาความยากในการตรวจจับลิเธียมไนโอเบต อย่างไรก็ตาม เนื่องจากลิเธียมไนโอเบตมีความยากลำบากในการประมวลผลสูง สาขานี้จึงยังคงเผชิญกับความท้าทายมากมาย เช่น การผสานรวมต่ำ อุปกรณ์และระบบถ่ายภาพแบบอาร์เรย์ และประสิทธิภาพที่ไม่เพียงพอ ซึ่งมีมูลค่าและขอบเขตการวิจัยสูง

รูปที่ 1 โดยใช้สถานะพลังงานข้อบกพร่องภายในแบนด์แก๊ป LN เป็นศูนย์กลางผู้ให้อิเล็กตรอน ทำให้เกิดตัวพาประจุอิสระในแถบการนำไฟฟ้าภายใต้การกระตุ้นด้วยแสงที่มองเห็นได้ เมื่อเทียบกับเครื่องตรวจจับแสง LN แบบไพโรอิเล็กทริกรุ่นก่อน ซึ่งโดยทั่วไปจำกัดความเร็วในการตอบสนองไว้ที่ประมาณ 100 เฮิรตซ์ เครื่องตรวจจับนี้เครื่องตรวจจับแสง LNมีความเร็วในการตอบสนองที่เร็วขึ้นถึง 10kHz ในขณะเดียวกัน ในงานวิจัยนี้ พบว่า LN ที่เจือด้วยแมกนีเซียมไอออนสามารถปรับเปลี่ยนแสงภายนอกได้โดยมีการตอบสนองสูงถึง 10kHz งานวิจัยนี้ส่งเสริมการวิจัยเกี่ยวกับประสิทธิภาพสูงและเครื่องตรวจจับแสง LN ความเร็วสูงในการสร้างชิปโฟโตนิก LN แบบบูรณาการชิปเดียวที่มีฟังก์ชันครบถ้วน
โดยสรุปแล้ว สาขาการวิจัยของเครื่องตรวจจับแสงลิเธียมไนโอเบตแบบฟิล์มบางมีความสำคัญทางวิทยาศาสตร์และมีศักยภาพในการนำไปประยุกต์ใช้จริงอย่างมหาศาล ในอนาคต ด้วยการพัฒนาเทคโนโลยีและการวิจัยที่ลึกซึ้งยิ่งขึ้น เครื่องตรวจจับแสงลิเธียมไนโอเบต (LN) แบบฟิล์มบางจะพัฒนาไปสู่การผสานรวมที่สูงขึ้น การผสมผสานวิธีการผสานรวมที่หลากหลายเพื่อให้ได้เครื่องตรวจจับแสงลิเธียมไนโอเบตแบบฟิล์มบางประสิทธิภาพสูง ตอบสนองรวดเร็ว และแบนด์วิดท์กว้างในทุกด้านจะกลายเป็นความจริง ซึ่งจะช่วยส่งเสริมการพัฒนาการผสานรวมบนชิปและสนามตรวจจับอัจฉริยะอย่างมาก และเปิดโอกาสมากขึ้นสำหรับแอปพลิเคชันโฟโตนิกส์รุ่นใหม่