薄膜铌酸锂光电探测器近期研究进展
2024-06-18 10:56:08 | 技术支持          浏览量:216

薄膜铌酸锂光电探测器近期研究进展


0 引言


铌酸锂( lithium niobate,LN)作为一种重要铁电晶体,在1949年首次以多晶的形式被合成出来 ,而后对LN的进一步研究显示,它拥有显著的电光效应和非线性效应 。1966 年,Nassau 等使用提拉法成功获得了单晶LN ,这项经典的制备技术也被后续证实能够生长晶圆级尺寸的高质量 LN 晶体 。此外,LN 的其他优异物理特性也被陆续挖掘,如具有高热释电系数( -4 ×10-5C·K-1· m-2) 、超宽透明窗口(350 ~ 5 000 nm) 、高居里温度 (1 142℃ ) 、强自发极化(78 ℃ ·cm-2 ) 和高各向异性等特性,其丰富的物理性质也被应用于构建各类光电子器件,包括电光调制器( electro⁃optical, EO)  、 光波导( waveguide, WG) 、薄膜铌酸锂( Thin film lithium niobate, TFLN) 、周期性极化铌酸锂 ( periodically poled lithium niobate, PPLN) 、光学频率梳和光电探测器等,这些器件涵盖了信息通信领域所涉及的信号调制、信号传输以及信号解调的全部环节,使 LN 有望成为新一代的光子集成平台。与传统的光子集成平台相比,LN 具有很多天然的优势,如强的电光系数使得 LN 可以满足高速且高效 的信号调制,折射率大和紫外到中波红外光学透明保证了基于 LN 构建的光波导中光的传递具有极低损耗, 稳定的物理化学性质使得基于 LN 构建的光电子器件可以长期可靠运行,众多的特点使 LN 成为集成光子学 领域的一种极具竞争力的重要选择 ,如图 1 所示,也正因如此,在集成光子学领域,LN 逐渐体现出不 可替代的优势,也被誉为“ 光子领域的硅” 。然而,在光子通信领域,信息的载体光波可以由激光器等光源产 生,然后通过电光效应将信号加载到光波上,携带于光的振幅、频率、偏振态等自由度中,调制后的光信号再 经由光波导进行传递,最后通过探测器接收光并将光信号转变为电信号完成信息的解调与提取。由此可见, 光电探测器在基于铌酸锂平台实现全光集成应用领域处在重要的一环。除了光通信领域,基于 LN 构建光 电探测器也可以用于各类光电子系统的“ 眼睛” ,在成像和智能感知领域具有不可替代的价值。

铌酸锂⁃集成光子学图

图 1  铌酸锂⁃集成光子学


然而,基于 LN 的光电探测器现阶段还存在很多难点:首先,LN 本征极低的光吸收系数使得其自身的光 与物质相互作用不够高效 ,导致光电转换效率低,无法实现高响应度的探测;其次,LN 作为一种具有极 宽带隙的绝缘体,载流子的输运效率低,导致光生载流子无法实现高效能的收集,也限制了其在探测领域的 发展;再者,LN 光电探测器的器件结构如光波导的加工工艺复杂,成本高昂 ;最后,LN 具有一定的温度敏感性,其光学和电学性能可能随温度的变化而发生变化,在光电探测器中需要考虑温度对 LN 的影响, 以保持其性能的稳定性。这些因素极大限制了 LN 在光电检测中的应用,目前基于 LN 实现高性能的光电探 测器仍然具备一定的挑战,LN 作为新一代集成光子学平台亟需解决光电探测难的问题。


1 铌酸锂晶体与光电探测器概述


1.1 铌酸锂的结构和物性

在居里温度以上,LN 晶体处于顺电相( paraelectric phase) 状态,LN 的晶体结构可以看作是由一系列的氧八面体和共三角氧平面组成,其中公共面与氧八面体的三重对称轴垂直,特点是三次旋转对称和镜像平面 对称,LN 晶体的铌离子位于氧八面体的中心,上下毗邻中间为锂离子的共三角氧平面 ,如图 2 所示。

铌酸锂的晶体结构图

图 2  铌酸锂的晶体结构


当处于居里温度以下也就是自然状态下时,LN 晶体处于 铁电相( ferroelectric phase) ,锂离子和铌离子会沿着氧 八面体的三重对称轴的方向发生位移,铌离子偏离了氧 八面体的中心,而锂离子偏离了氧八面体的公共面,就 产生了沿着 c 轴的电偶极矩,产生自发极化现象。同 时,LN 晶体结构中缺少锂原子,从而在晶体中产生了大 量的缺陷结构 ,这些缺陷结构对 LN 晶体性能产生 了巨大影响,同时也是 LN 晶体性能可调控性极强的主要原因。LN 具有非常丰富的物理特性, 包括有非线性效应 、 电光效应 、 热释电效应和压电效应等,如图3所示。其中非线性效应和电光效应可以用于实现对光的振幅、相位、频率及传输方向的高速调控,热释电效应则应用于各种传感器中,而压电效应可以实现机械能和电能的相互转化,丰富的物理性 质使得 LN 具备成为新一代集成光子学晶体的潜力。

铌酸锂的物理特性图

图 3  铌酸锂的物理特性


1.2 光电探测器工作原理 

光电探测器根据工作原理可以分为光电效应和热效应探测器,涵盖多种物理效应如:光电导效应、光生伏特效应、光热电效应 、光辐射热效应和热释电效应等,如图 4所示,下面对这些效应做简要的介绍。


 1 )光电导效应光电导效应是指当光照射到材料表面时,材料的电导率会发生改变的现象。对于典型的光电探测器来 说,两端的金属电极和半导体材料结合分别作为源漏电极,当有光照射在材料上时,能量大于半导体带隙宽 度的光子被材料吸收,导致材料中产生非平衡的电子⁃空穴对,此时在源极和漏极加上偏压Vds ,就能够定向分离自由电子和空穴,使得沟道中的电流增加,如图 4( a) 所示,即产生光电流Iph  


2 )光生伏特效应光生伏特效应是指当光照射到 PN 结( 二极管) 或其他结型半导体器件时,产生的光子能量可以被转化为电压的现象。以 PN 结为例,在暗态下,由于掺杂情况不同,P 区和 N 区的多数载流子类型不同,在浓度差 的驱动下空穴从 P 区向 N 区扩散,电子从 N 区向 P区扩散,在 PN 结界面附近形成的空间电荷区会产生内建 电场,载流子在空间耗尽区的漂移与扩散相互抵消达到动态平衡。在光照下,基于半导体的带间跃迁吸收光 子能量激发出的电子和空穴会受到结区内建电场的作用而分离,这些非平衡态下的载流子的迁移会削弱内 建电场的作用,等效于产生一个光生电动势,当 PN 结开路时会对外输出电压差,称为开路电压(Voc) ,如果将PN结短接时则会产生电流,称为短路电流(Isc)。利用光伏效应进行探测的光电探测器被称为光电二极管,光电二极管可以是由两种具有相反掺杂类型 半导体形成的 P⁃N 结,也可以是半导体和金属接触界面处形成的肖特基结,如图 4( b) 所示。这种光电探测 器在黑暗环境下往往显示整流特性,可以工作在基于光生伏特效应的光伏模式。在零偏压下,光生自由电子 和空穴被内建电场分开,定向移动从而产生光电流。工作在这种模式下的光电探测器通常拥有高灵敏度,是 一种能够自供电的光电探测器。


3 )光热电效应光热电效应是指在光照下材料把吸收的光子能量转换为热能的现象,由于材料各部分的掺杂浓度和厚度不同,不同的区域会有不同的热电系数,因此当光局域照射在材料上时,不同区域温度存在差异,这种温度 梯度的存在会使得热载流子定向移动从而产生电势差,称为光生电动势。基于光热电效应工作的光电探测器也可以在零偏压的状态下产生光电流,一些材料如石墨烯和黑磷已经被报道基于光热电效应实现了高性能响应和高量子效率的光电探测器

光电探测器工作原理图

图 4  光电探测器工作原理


4 )光辐射热效应光辐射热效应是指材料在受到光照时,整体被均匀加热,从而引起材料电阻的变化。光辐射热探测器的灵敏度由热阻决定,在一定入射光功率下变化的温度越大探测器越灵敏。基于光辐射热效应的光电探测器可以探测到毫米波范围,满足中红外和远红外波段的光探测。已有研究报道基于光辐射热效应的Bi2O2Se光电探测器能实现高的电阻温度系数和辐射热系数 ,以及构建人工突触型光电子器件 。


5 )热释电效应热释电效应对于铁电晶体实现光电转化是一种重要的机制。由于晶体内部电偶极子的存在,自发极化使得外部电荷会在晶体表面束缚,晶体整体对外呈现不带电达到平衡状态。在一定频率的外部光辐照下,由于晶体本身被加热,在升温的过程铁电极化强度被削弱,原本束缚在表面的电荷会脱离晶体,对外输出热释 电电压或者电流信号;当光加热与环境的散热达到平衡状态,温度不再变化,此时对外输出热释电电信号逐 渐变小;当外界光辐照撤去,温度的降低会导致自发极化强度的恢复,使得电荷重新束缚回到晶体表面,产生 与加热过程反向的热释电电压或者电流信号;同样,当降温过程完成,极化强度不再改变,向外输出热释电信 号逐渐变小。因此,热释电效应与温度的变化直接相关,输出电信号的强弱也正比于温度随时间的变化率。


1.3光电探测器的性能指标参数


依据光电探测器的各类性能指标,可以判断一个光电探测器性能是否优秀。光电探测器的性能指标包括光响应度( responsivity, R) 、比探测率( detectivity,) 、外量子效率( external quantum efficiency, EQE) 、开 关比( on / off ratio) 、响应时间( response time) 和3dB带宽等,下面对这些性能指标参数做简单介绍。


1 ) 光响应度光响应度

( R) 是衡量光电探测器效率的物理量,反映了其将入射光能转化为电能的效率,是光电探测器的重要参数之一,计算公式为:

公式1

式中:Ids为测试电流,Idark为暗电流, P 为入射光功率密度, S 为器件沟道有效面积。2 )比探测率比探测率(  ) 是光电探测器的主要性能参数之一,描述的是探测器材料对弱光的探测能力,反映了探测器的灵敏度大小,计算公式为:

公式2

式中:e 是电子电荷常数(1.6×10-19C) ,Idark为暗电流。 3 )外量子效率外量子效率( EQE) 是用于评估光电探测器的光电转换效率的重要指标之一,体现了其将吸收的光能转 化为电流或电荷的能力,计算公式为:

公式3

式中:h 为普朗克常量(6.626×10-34 j.s) ,c 为光速(3×10-8 m/s) , λ 为入射光的波长。


4 )开关比和响应时间光电探测器开关比是指光辐照器件时的光电流与黑暗环境下暗电流的比值,开关比的值越大,表示器件对输入光信号的变化更敏感,具有更好的开关能力。光电探测器响应时间分为上升时间( rise time) 和下降 时间( fall time) ,分别指光脉冲响应曲线的上升沿 10% 到 90% 的时间和下降沿 90% 到 10% 的时间,响应时 间越短,说明探测器响应速度越快,性能越优秀。5 )3dB带宽3dB带宽( f) 指的是光电探测器的信号输出能力,表示的是信号在频率范围内的衰减量,即信号从最大值衰减到最大值的图片对应的频带宽度。3dB 带宽越大,表示光电探测器的信号输出能力越强,可以检测到更多的信号,计算公式如下:

式中:f1 和 f2 分别为信号强度下降3dB的起始频率和终止频率。


2 薄膜铌酸锂光电探测器


2.1 光波导集成型光电探测器

导波光学一直以来是科研的前沿阵地,具有重大的实际应用价值,在宏观尺度上光可以在光纤中进行传导从而把信息传递到地球每一个角落,真正意义上从技术的角度克服了时差地域的限制。而从微观尺度来 说,片上集成的光波导在光子芯片上起到导光和作为传递信息的载体,高折射率差和精密的微纳加工技术的 广泛使用,助力于片上光波导结构可以很好地在有限的微纳米尺度对光进行限域和利用,对未来通信芯片和 系统的小型化、紧凑化和集成化来说是一类至关重要的器件。相比传统的光波导材料,如硅和氮化硅等,LN 因在350 ~ 5000nm 波段对光的吸收极低而具有超宽的透明窗口,以及具有优异的电光和非线性系数等优 点,使得 LN 在光波导领域( 尤其是通信波段) 获得极大关注,基于铌酸锂制备的光波导具有损耗低的优点。此外,近年来得益于 Smart cut 技术的使用,铌酸锂材料真正从体块走向芯片化,TFLN 的广泛使用使得基于 铌酸锂的器件性能得到了质的飞跃,突破了传统器件的性能极限。因此,面向铌酸锂的片上光子集成需求, 将具备载波功能的 LN 光波导与具备信息解调功能的光电探测器进行结合构建光波导集成型光电探测器的 研制变得至关重要,且逐渐成为研究的热点,在此本文综述了近年来报道关于 LN 波导集成光电探测器的工 作,如表 1 所示。

表1LN波导集成型光电探测器

LN波导集成型光电探测器表

2019 年,来自哈佛大学的 Desiatov 等 实现了在可见光波长范围内 TFLN 集成非晶硅( a⁃Si) 光电探测 器。在他们的工作里,介绍了非晶硅⁃Au 光电探测器的设计、制造、集成和实验表征,这种探测器由沉积在 LN 波导顶部的一层薄薄的非晶硅组成,顶部有一对金电极。沿 LN 波导传播的可见波长的光子被非晶硅层 吸收,生成的电子空穴对被金属半导体和金属之间的结上施加的电压分开,从而产生光电流。该探测器在 635 ~ 850nm 波长范围内的宽光学带宽上具有22 ~ 37mA/W 的响应度。


2022 年,来自中山大学的 Zhang 等在绝缘体上铌酸锂( lithium niobite on insulator, LNOI) 协同集成了 InP 发光二极管、光电探测器和光源,由于是基于相同的 III⁃V 族材料实现,只需在 LNOI 光子集成电路上粘 合一个 III⁃V 族外延层堆叠即可实现完全集成的光学系统。波导耦合 LED 的 3dB带宽为40nm。该光电探 测器在1550nm 波长范围内的响应度为0.38A/W,室温下偏压为-0.5V 时的暗电流为9nA。这种集成 方法可以实现 III⁃V⁃on⁃LNOI 光学系统的晶圆级制造。


2022 年,来自哈佛大学的 Guo 等首次展示了 LNOI 上的异构集成改进单行载流子光电二极管,其在1550nm波长下具有 80GHz 的超高带宽和 0. 6 A / W 的响应度。该光电二极管基于 InGaAs / InP 外延层结构,针对高载流子传输时间限制带宽进行了优化。2023 年,来自浙江大学的 Xue 等 在 TFLN 平台上集成了二维材料黑磷( black phosphorus, BP) 高速光电探测器,其中 BP 和 LN 是一种混合波导,具有1.56dB/μm 的吸收系数,高于 III⁃V / TFLN 集成光电探测器 的吸收系数。这种金属⁃半导体⁃金属光电探测器具有2.64A/W 的响应度和 1.97 GHz的3dB带宽。


2023 年,来自墨尔本大学的 Wang 等 成功集成了层状 BP 光电导体和 LNOI 波导,如图 5所示,用于在室温下检测 1510 ~ 1640nm 的光通信波长,并在低偏置条件( Vds = 0.3V) 下在 λ =1550nm 处得到了148mA/W 的高响应度,同时有小于100ns的响应速度,如图 5 所示。此外,BP 和 LN 分别提供的宽光谱吸 收范围和透明度使得这种组合也适合电信频段以外的应用。

BP/LiNbO3 波导集成光电探测器图

图 5  BP/LiNbO3 波导集成光电探测器


2023 年,来自北京工业大学的 Zhu 等 实现了两种类型的高性能 LNOI 波导集成二维( two⁃dimensional, 2D) 材料光电探测器,两种材料分别是石墨烯和碲,如图 6所示。通过将两种类型的 2D 材料与单片制造 的 LNOI 器件集成在一起,展示了一个通用且多功能的 LNOI⁃2D 材料光电探测器平台,并且不需要严格的晶 格匹配要求。具体来说,LNOI⁃石墨烯光电探测器具有电信和可见波段的宽带吸收和高达 40 GHz 的 3 dB 光 电带宽。而 LNOI⁃碲光电探测器由于载流子雪崩效应和光门控效应而具有极高的响应度。此外,文中还提 到石墨烯和碲在空气中都具有良好的长期稳定性,并且有可能能够与 LNOI 平台进行晶圆级集成,即通过转 移化学气相沉积法制备的石墨烯薄膜和碲薄膜实现。

Graphene/LiNbO3 和 Te/LiNbO3 波导集成光电探测器图

 图 6  Graphene/LiNbO3 和 Te/LiNbO3 波导集成光电探测器


2023 年,来自西南交通大学的 Wei 等提出了一种异构集成在 TFLN 平台上的 InP / InGaAs 改进型单行载流子光电二极管,具有创纪录的 110 GHz 的 3 dB 带宽和 1 550 nm 波长下 0. 4 A / W 的高响应度,如 图7所示。这种器件在晶圆级 TFLN⁃InP 异构集成平台上实现,适用于大规模、多功能、高性能的 TFLN 光 子集成电路。该器件已成功应用于四电平脉冲幅度调制数据接收系统,展示了 TFLN 平台上的光电二极管 在下一代高速传输系统中的潜力。

InP/InGaAs/LiNbO3 波导集成光电探测器的响应度图

图 7InP/InGaAs/LiNbO3 波导集成光电探测器的响应度


2023 年,来自深圳技术大学的 Chen 等 制备了 SnSe2 集成 TFLN 波导光电探测器,它在不同波长的光 照射下表现出不同的光响应行为。在 1 V 的低偏置电压下, SnSe2 / TFLN 器件在 850 nm ( 入射光功率为 0. 95 nW) 波长处得到了 761. 78 A / W 的正光响应度,这是所报道的 2D 材料集成波导光电探测器的最高响 应度之一。该器件还在 1 550 nm( 入射光功率为 578 nW) 波长处得到了 3. 13 A / W 的负光响应度,如图 8 所示。这项研究推进了基于 TFLN 的片上光电探测器集成领域的发展。

SnSe2/LiNbO3 波导集成光电探测器图

图 8 SnSe2/LiNbO3 波导集成光电探测器


2.2 异质结型光电探测器

光电转化实现探测的过程如 1. 2 小节所述通常可分为两类,即光电效应和热效应,前者响应速度较快, 但是受到爱因斯坦光电方程的约束对响应波长具有选择性,通常可探测的波段较窄,适用于半导体或者金属 等材料。而热效应基于光⁃热⁃电的转化逻辑,对激发波长没有限制,可以实现超宽谱的波段检测,然而由于 热效应涉及缓慢的升温和降温过程,响应速度通常较慢。从这里看来,宽波段和高速的响应似乎不可兼得, 也是铌酸锂探测器领域的一个研究难点。对于 LN 而言,由于其本征的绝缘和弱光吸收特性,基于 LN 本身 实现高性能的探测看似寸步难行,因此研究人员也在近年来发展了通过将 LN 与其他光敏材料进行融合构建 异质结器件架构,来实现高性能的光电探测。本文调研了关于异质结型 LN 集成光电探测器,如表 2 所示。

表 2LN 异质结型光电探测器

LN 异质结型光电探测器表图

2008 年,Huang 等制作了一种基于 ZnO/LiNbO3 的声波表面探测器,ZnO / LiNbO3 结构被证明是一种良好的紫外光传感结构,其中块状 LN 用于激发表面波,ZnO 覆盖层是感光层。在他们的工作里,模拟结果和 实验响应显示出良好的一致性。根据插入损耗差异的测量结果,还可以确定表面声波延迟线的光谱、动态响 应和热特性。2D 材料石墨烯拥有十分优秀的光电性能,是制作高性能光电探测器的优选材料之一,LN 具有自发极 化、高介电常数、高压电系数等优点,将石墨烯与 LN 结合在一起,可以制备出各种具备优异性能的光电探测 器。 

2015 年,来自美国伊利诺伊大学的 Baeumer 等通过将石墨烯与 LN 结合,全面解释了石墨烯掺杂水 平与铁电极化之间的耦合,包括石墨烯中载流子密度和类型的局部操纵,以及界面的原子和电子细节。 

2016 年,来自巴塞罗那科学技术学院的 Gopalan 等制造了石墨烯与 LN 晶体结合的基于热阻效应的高效中红 外光电探测器,并且不需要低温冷却。这种探测器所展示的探测能力与之前基于石墨烯的探测器相比,可以 通过减少初始掺杂将探测能力提高一个数量级,并通过采用顶部带有吸收器的 LN 薄片将探测能力提高两 个数量级以上。

2017 年,来自剑桥大学的 Sassi 等将石墨烯与 LN 结合,提出了一种非冷却中红外光电探测器,通过 调制石墨烯的电阻率来提高 LN 晶体的热释电响应,如图 9所示。

2019 年,来自日本的 Shimatani 等实现了一种在室温下工作的基于光门控效应的高响应度、长波红外 石墨烯光电探测器,LN 衬底的热释电效应增强了光门控效应,通过调节背栅电压将光响应提高了约 600 倍。 

2021 年,来自暨南大学的 Guan 等实现了一种宽波段、高性能的石墨烯光电探测器,如图 10所示, 他们在这项工作中,借助 x 切 LN 的局部铁电极化,同时证明了石墨烯的 n 型和 p 型掺杂。这种高灵敏度、宽 带的 p⁃n 结光电探测器具有 405 ~ 2 000 nm 的宽波段检测范围,并且在 24pW( λ =1064nm) 的低入射功率下的响应度达到了2.92×10A/W ,同时具有高达8.65×1014 jones的比探测率。 除了石墨烯之外,还有其他结构的 LN 光电探测器。

2022 年,来自伊拉克科技大学的 Alwazny 等首次通过不同激光能量密度下液体中的两步激光烧蚀制备了混合新型 Au 核 LN 光电探测器( Au@ LiNbO3 ),这种Au@LiNbO3/p⁃Si 异质结光电探测器在380nm 处的最大响应度和比探测率分别为 0.69A/W 和6.5×1012 jones 

2022 年,来自山东大学的Sun等提出了一种基于增强光伏效应的自供电宽带LNOI光电探测器,如 图 11所示,通过掺杂银离子到 LN 薄膜中实现了0.25A/W 的光响应度和高达1.56×1014 jones的比探测率。在他们的工作中提到的第一原理计算和电场模拟揭示了等离子体纳米粒子和银离子在光电流产生和收 集中的内在机制和关键作用。

Graphene/LiNbO3 长波红外光电探测器图

图 9 Graphene/LiNbO3 长波红外光电探测器

Graphene/LiNbO3 高响应宽波段光电探测器
图 10  Graphene/LiNbO3 高响应宽波段光电探测器


Ag+/LiNbO3 自供电光电探测器图

图 11  Ag+/LiNbO3 自供电光电探测器


2023 年,暨南大学的 Lu 等报道了两个关于 2D 材料结合 LN 光电探测器的工作,分别是WS2/LN 和MoS2/LN光电探测器 。WS2/LN 光电探测器通过范德瓦耳斯力结合实现了高性能的光电探测器,其中 LN 的热释电特性和 WS2的适中带隙得到了很好的结合。在光照下,WS2中的光生载流子会增加,LN 的热释 电电荷会穿过界面间隙,不对称地注入WS2中,形成 n-/n+ 同质结,从而提高光电流,在 0 偏压下得到了超过104的开关比,如图 12 所示。而MoS2/LN 光电探测器则利用 MoS2的高载流子迁移率和良好的光吸收率,使其与底层 LN 产生了强大的光与物质相互作用,从而实现了约150/250μs的超快上升/下降时间,同时基于自发偏振 LN 基底的各向异性,该器件的光电流有高达7.42的二向色性比。这两项工作 2D 材料与铁 电 LN 的互补集成,为基于LN平台的高性能光电探测器提供了可行的途径。

S2/LiNbO3,MoS2/LiNbO3 高性能光电探测器图

图 12   WS2/LiNbO3,MoS2/LiNbO3 高性能光电探测器


2023 年,来自南开大学的 Jin 等提出了利用导带和禁带内离散能级之间的跃迁的快速 LN 光电探 测器,如图 13 所示,利用 LN 禁带内的缺陷能态作为电子供体中心,在可见光范围内的光激发下在导带 中产生自由载流子。与之前的热释电 LN 光电探测器的响应速度通常限制在 100 Hz 量级相比,这种 LN 光电探测器的响应速度更快,高达 10 kHz。同时,在这项工作中,证明了镁离子掺杂 LN 可以实现响应高 达 10 kHz 的外部光调制。这项工作促进了构建全功能单片集成 LN 光子芯片中的高性能 LN 光电探测器研究。

LiNbO3 快速光电探测器图


 图13  LiNbO3 快速光电探测器


3 结语与展望


      铌酸锂具有独特的晶体结构和十分丰富的物理效应,例如非线性效应、电光效应、热释电效应和压电效 应等,同时具备宽波段光学透明窗口和长期稳定性等优点,这些特征使得铌酸锂成为新一代集成光子学的重 要平台之一, 在光学器件和光电子系统中,铌酸锂的特性能够提供丰富的功能和性能,推动了光通信、光计 算和光传感等领域的发展。但是,由于铌酸锂的弱吸收和绝缘性质,关于铌酸锂的集成应用还面临着探测难 的问题,该领域近年来国内外的报道主要包括波导集成型光电探测器和异质结型光电探测器两类。基于 LN 构建的波导集成型光电探测器通常聚焦在光通信 C 波段(1 525 ~ 1 565 nm) ,从功能来说,LN 主要起到导波的作用,而光电检测功能部分主要依赖于半导体,如硅、III⁃V 族窄带隙半导体和二维材料等, 在这样的架构中,光通过铌酸锂光波导进行低损耗地传递,然后基于光电效应( 如光电导或光生伏特效应) 被其他半导体材料吸收从而提升载流子浓度,转变为电信号进行输出,优点是工作带宽很高( ~ GHz) 、工作 电压低、尺寸小、兼容光子芯片的集成。然而由于 LN 和半导体材料在空间上是分离的,虽然彼此各司其职, 但是 LN 只起到导波的作用而其他优异物性并没有得到很好的利用,半导体材料只起到光电转换的作用,彼 此之间缺乏互补联动,工作波段也比较有限。且在具体实现上,光从光源耦合到 LN 光波导这一过程中的损 耗极大且对工艺的要求苛刻,此外在耦合区光辐照到半导体器件沟道上的实际光功率不易标定,限制了其检 测性能的发挥。传统发展的用于成像应用场景的光电探测器通常都是基于半导体材料实现,所以于铌酸锂而言,本身光 吸收率低和绝缘体的这两大特性使得其毫无疑问不可能受到光电探测器研究人员的青睐,甚至是领域内的 难点。然而,近年来发展的异质结技术给基于铌酸锂的光电探测器研究带来了曙光,可以将其他光吸收强或 者导电性优异的材料与铌酸锂进行异质集成,弥补铌酸锂的不足,同时铌酸锂由于结构的各向异性存在的自 发极化诱导热释电特性,在光辐照下,可以通过转变为热进而调控极化强度,从而改变热释电特征来用于实 现光电探测,这一热效应具备宽波段,自驱动的优势,可以很好地与其他材料进行互补融合,热效应与光电效 应的同步利用开启了基于铌酸锂光电探测器的新纪元,使器件可以兼具两个效应带来的优点,而补足短板实 现优势互补集成,是近年来的研究热点。此外,离子注入、能带工程和缺陷工程的利用也是解决铌酸锂探测 难的不错选择。然而,由于铌酸锂的加工难度较大,该领域还面临集成度不高,阵列化成像器件和系统仍具有极大挑战,以及存在性能不够优异等难题,具有很大的研究价值和研究空间。综上所述,薄膜铌酸锂光电探测器这一研究领域具有重要的科研意义和巨大的实际应用潜力,在未来, 随着技术的发展和研究的深入,薄膜铌酸锂光电探测器会朝着集成度越来越高的方向发展,将不同的集成方法结合在一起,实现全方位的高性能、快速响应、宽波段的薄膜铌酸锂光电探测器将会成为现实,这将极大推动光子片上集成领域和智能感知领域的发展,并为新一代光子学应用提供更多可能性。


[来源期刊]  人工晶体学报

[作      者]  谢汉荣,杨铁锋,韦玉明,关贺元,卢惠辉


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