文章从三个方面进行概述
1、铌酸锂的结构和物性以及光电探测器机理
2、铌酸锂波导集成型光电探测器和铌酸锂异质结光电探测器
3、对未来铌酸锂探测器发展趋势探讨
1、LN的结构和物性简述
LN晶体在c轴产生电偶极矩，从而产生自发极化现象，但同时产生大量缺陷结构，这些缺陷结构使其具有很大可调控性。LN具有很丰富的物理特性，包括非线性效应、电光效应、热释电效应和压电效应等等。
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 350~5 000 nm 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,逐渐成为研究的热点。2.2、异质结型光电探测器
光电转化实现探测的过程通常可分为两类,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。
3、对未来铌酸锂探测器发展趋势探讨
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。
图1 铌酸锂集成光子学
