铌酸锂基pn结的制备及其整流特性研究

Integrating active-passive components on the same substrate is the trend of integrated optoelectronics. Lithium niobate is known as "silicon of photonics" which is a commonly used matrix material for integrated optical systems, but has been used as passive components rather than active components. The pn junction is the basic unit of active devices, but the conduction type of lithium niobate is n-type rather than p-type, which limits the applications of lithium niobate in active devices. In this project, based on the controllability of the conductive domain wall, p-type and n-type conductive domain walls with stable and excellent electrical properties in x-cut lithium niobate thin films will be fabricated. Further, lithium niobate-based pn junctions will be designed and fabricated based on the p-type and n-type conductive domain walls, and the rectification characteristics will be studied. The lithium niobate-based pn junction based on the conductive domain wall is expected to realize the high integration of lithium niobate-based active-passive optoelectronic devices from a new perspective, laying a solid experimental foundation for promoting the development of lithium niobate integrated optoelectronic chips.

把有源-无源元件集成在同一衬底上是集成光电子学的发展趋势。铌酸锂被誉为“光学硅”，是集成光学系统常用的基质材料，一直被用作无源元件而非有源元件。pn结是有源器件的基础单元，铌酸锂本身属于n型导电但不能被改造成p型，限制了铌酸锂在有源器件方面的应用。本申请项目利用导电畴壁可调控性，在x切铌酸锂晶体薄膜中制备具有稳定、优异电学特性的p型和n型导电畴壁，并以此为基础设计和制备铌酸锂基pn结，研究其整流特性。基于导电畴壁制备的铌酸锂基pn结有望从新的视角实现铌酸锂基有源-无源光电器件的高度集成，为推进铌酸锂集成光电子芯片的研发奠定坚实的实验基础。

铌酸锂是集成光学系统常用的基质材料，被誉为“光学硅。受铌酸锂禁带宽度大、电导率低以及缺少稳定的p型电导限制，铌酸锂晶体在电学方面未曾展示出任何应用的前景，在有源器件方面的应用受到了限制。在本项目中，主要围绕铌酸锂晶体中基于畴工程的电学调控、p型和n型导电纳米线结构的制备及其电学性能研究、铌酸锂晶体薄膜中p型和n型导电畴壁的制备及p-n结的制备研究等方面开展研究。在项目执行期间，取得的主要成果有：（1）发展了基于铌酸锂畴工程的电学调控技术，能够实现电导率~1.34 (Ω cm)^{−1}的微导电通道，并分析了导电机制。（2）综合利用电场极化技术和热固定技术成功制备出了宽度~40 nm的p型和n型铌酸锂导电纳米线结构，其电导率可达10^{-7} (Ω cm)^{−1}量级，相较于铌酸锂体畴的电导率提高了至少五个数量级，并对载流子输运特性进行了表征。（3）基于原子力显微镜直写技术，在铌酸锂晶体薄膜中成功制备出倾角为90°的p型和n型铌酸锂导电畴壁，其电导率最高可达10^{-6} (Ω cm)^{−1}量级，并对其载流子输运特性进行了表征；在此基础成功制备出具有一定整流特性的铌酸锂基p-n结，其开启电压约为6V。项目的研究结果对于探索铌酸锂电导调控的新手段，揭示内在物理机制和导电规律，发展基于铌酸锂的电学器件应用新技术，从新的视角推进铌酸锂在有源器件方面的应用。.在本项目执行期间，在学术期刊上发表论文1篇，获得授权国家发明专利1项，申请国际发明专利2项，获得软件著作权登记1项。相关研究成果在NICE OPTICS 2020等国内国际会议上作报告2次。