박막 리튬 니오베이트(LN) 광검출기

박막 리튬 니오베이트(LN) 광검출기

니오브산리튬(LN)은 독특한 결정 구조와 비선형 효과, 전기광학 효과, 초전 효과, 압전 효과와 같은 풍부한 물리적 효과를 가지고 있습니다. 또한 광대역 광투과성 윈도우와 장기 안정성이라는 장점을 가지고 있습니다. 이러한 특성으로 인해 LN은 차세대 집적 광자학 분야에서 중요한 플랫폼으로 자리매김하고 있습니다. 광소자 및 광전자 시스템에서 LN의 특성은 풍부한 기능과 성능을 제공하여 광통신, 광컴퓨팅, 광센싱 분야의 발전을 촉진할 수 있습니다. 그러나 니오브산리튬의 약한 흡수 및 절연 특성으로 인해, 니오브산리튬의 집적 응용은 여전히 ​​검출이 어렵다는 문제에 직면해 있습니다. 최근 이 분야에서는 주로 도파관 집적 광검출기와 이종접합 광검출기가 보고되고 있습니다.
리튬 니오베이트 기반 도파관 집적 광검출기는 일반적으로 광통신 C 대역(1525~1565nm)에 초점을 맞춥니다. 기능 측면에서 LN은 주로 유도파 역할을 하는 반면, 광전자 검출 기능은 실리콘, III-V족 협대역 밴드갭 반도체, 그리고 2차원 재료와 같은 반도체에 주로 의존합니다. 이러한 구조에서 빛은 손실이 낮은 리튬 니오베이트 광도파관을 통해 전달된 후, 광전 효과(예: 광전도 또는 광전지 효과)를 기반으로 다른 반도체 재료에 흡수되어 캐리어 농도를 높이고 이를 전기 신호로 변환하여 출력합니다. 이러한 구조의 장점은 높은 동작 대역폭(~GHz), 낮은 동작 전압, 작은 크기, 그리고 광칩 집적화와의 호환성입니다. 그러나 리튬 니오베이트와 반도체 재료가 공간적으로 분리되어 있기 때문에, 각각 고유한 기능을 수행함에도 불구하고 LN은 유도파 역할만 하며, 다른 우수한 이종 특성은 제대로 활용되지 못했습니다. 반도체 재료는 광전 변환에만 관여하며, 상호 보완적인 결합이 부족하여 상대적으로 제한된 작동 대역을 갖습니다. 특정 구현 측면에서, 광원에서 나온 빛이 리튬 니오베이트 광 도파로에 결합되면 상당한 손실과 엄격한 공정 요건이 발생합니다. 또한, 결합 영역에서 반도체 소자 채널에 조사되는 빛의 실제 광 출력은 보정하기 어려워 검출 성능이 제한됩니다.
전통적인광검출기이미징 응용 분야에 사용되는 재료는 일반적으로 반도체 재료를 기반으로 합니다. 따라서 리튬 니오베이트의 경우, 낮은 광 흡수율과 절연 특성으로 인해 광 검출기 연구자들에게 선호되지 않으며, 심지어 이 분야에서 난제로 여겨지기도 합니다. 그러나 최근 이종 접합 기술의 발전은 리튬 니오베이트 기반 광 검출기 연구에 희망을 가져다주었습니다. 강한 광 흡수율이나 우수한 전도성을 가진 다른 재료를 리튬 니오베이트와 이종 접합하여 단점을 보완할 수 있습니다. 동시에, 구조적 이방성으로 인해 리튬 니오베이트의 자발 분극 유도 초전 특성은 빛을 조사하면 열로 변환되어 제어될 수 있으며, 이를 통해 광전자 검출을 위한 초전 특성을 변화시킬 수 있습니다. 이러한 열 효과는 광대역 및 자가 구동이라는 장점을 가지고 있으며, 다른 재료와 잘 보완되고 융합될 수 있습니다. 열 효과와 광전 효과의 동시 활용은 리튬 니오베이트 기반 광 검출기의 새로운 시대를 열었으며, 두 효과의 장점을 결합한 소자를 개발할 수 있게 되었습니다. 이러한 단점을 보완하고 장점들을 상호 보완적으로 통합하기 위해 최근 몇 년간 연구의 중심지로 떠오르고 있습니다. 또한, 이온 주입, 밴드 엔지니어링, 결함 엔지니어링을 활용하는 것도 니오브산리튬 검출의 어려움을 해결하는 좋은 선택입니다. 그러나 니오브산리튬의 높은 가공 난이도로 인해 이 분야는 여전히 저집적도, 어레이 이미징 장치 및 시스템, 그리고 성능 저하와 같은 큰 과제에 직면해 있으며, 이는 연구 가치와 활용 분야가 매우 높습니다.

그림 1은 LN 밴드갭 내의 결함 에너지 상태를 전자 주개 중심으로 사용하여 가시광 여기 하에서 전도대에서 자유 전하 캐리어를 생성합니다. 일반적으로 약 100Hz의 응답 속도로 제한되었던 기존의 초전도 LN 광검출기와 비교했을 때,LN 광검출기최대 10kHz의 빠른 응답 속도를 보입니다. 한편, 본 연구에서는 마그네슘 이온이 도핑된 LN이 최대 10kHz의 응답 속도로 외부 광 변조를 달성할 수 있음을 보였습니다. 본 연구는 고성능 및고속 LN 광검출기완전 기능을 갖춘 단일 칩 통합 LN 광자 칩을 제작합니다.
요약하면, 연구 분야는박막 리튬 니오베이트 광검출기중요한 과학적 의의와 막대한 실용 잠재력을 가지고 있습니다. 앞으로 기술 발전과 연구 심화에 따라 박막 리튬 니오베이트(LN) 광검출기는 더욱 높은 집적도를 향해 발전할 것입니다. 다양한 집적 방식을 결합하여 모든 측면에서 고성능, 빠른 응답 속도, 광대역을 갖춘 박막 리튬 니오베이트 광검출기를 구현하는 것이 현실이 될 것이며, 이는 온칩 집적 및 지능형 센싱 분야의 발전을 크게 촉진하고 차세대 광자학 응용 분야에 더 많은 가능성을 제공할 것입니다.