偏振光探測與成像技術(shù)在遙感成像、機器視覺、復雜背景目標識別等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用，近年來在天體物理和海底地震波探測等方面也展現(xiàn)出豐富的信息獲取能力。在不同波段中，日盲紫外波段具有低噪聲背景、高信噪比和較強的抗干擾能力。然而相對于商用可見光偏振圖像傳感器芯片而言，日盲紫外偏振光探測器由于難以制備高透光率、高消光比和強抗輻射能力的紫外偏振片，其發(fā)展受到一定限制。寬禁帶半導體材料氧化鎵（β-Ga2O3）由于其超寬帶隙（~4.85 eV）和低對稱性的單斜晶體結(jié)構(gòu)，有望在日盲紫外波段實現(xiàn)偏振光的直接探測。

最近，中國科學院半導體研究所魏鐘鳴團隊與合作者一起，在基于β-Ga2O3的日盲紫外偏振光探測器方面取得新進展。該工作首先從電子躍遷概率上理論分析了β-Ga2O3實現(xiàn)各向異性日盲紫外偏振光吸收與響應(yīng)的物理機制（圖1）。基于商業(yè)化β-Ga2O3單晶襯底制備出偏振光探測器，通過使用不對稱電極材料（Ti/Au和Pt/Ti/Au）的肖特基光電二極管結(jié)構(gòu)，在肖特基勢壘處形成的內(nèi)置電場獲得明顯的整流特性。實驗上發(fā)現(xiàn)，基于（010）和（001）晶面β-Ga2O3的光電探測器對日盲紫外光均表現(xiàn)出偏振角依賴性，偏振光電各向異性比分別為1.2和5.8。經(jīng)歸一化處理后，發(fā)現(xiàn)β-Ga2O3沿不同晶軸的偏振光電流之間關(guān)系為c軸>a軸>b軸，與理論分析的光躍遷概率關(guān)系一致。該器件不用受常規(guī)紫外偏振片技術(shù)加工難點的限制，有效實現(xiàn)了日盲紫外波段的偏振光吸收與探測。

在晶面分析的基礎(chǔ)上，魏鐘鳴團隊與北京大學劉開輝教授和山西大學韓拯教授等人合作實現(xiàn)了一種（100）晶面β-Ga2O3 納米帶的生長及無偏振片日盲紫外偏振光探測器件。通過納米帶的形貌提升各向異性，該偏振光探測器在 254 nm 線性偏振光下顯示出高偏振比，比β-Ga2O3體材料單晶和其他報道的低維材料偏振光探測器高 1~2 個數(shù)量級（圖2），并且演示了基于偏振態(tài)編碼的三進制紫外光通信。這種通過構(gòu)筑寬禁帶微納結(jié)構(gòu)實現(xiàn)日盲紫外偏振光探測的策略，展示出在日盲紫外偏振成像和偏振光通信領(lǐng)域的潛在應(yīng)用優(yōu)勢。

圖1  β-Ga2O3 各向異性的晶體堆積和能帶結(jié)構(gòu)

圖2  基于（100）晶面β-Ga2O3納米帶的日盲紫外偏振光探測器

原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.202406559

信息來源：半導體所