半导体所在基于氧化镓的日盲紫外偏振光探测器方面取得新进展

偏振光探测与成像技术在遥感成像、机器视觉、复杂背景目标识别等领域具有广泛的应用，近年来在天体物理和海底地震波探测等方面也展现出丰富的信息获取能力。在不同波段中，日盲紫外波段具有低噪声背景、高信噪比和较强的抗干扰能力。然而相对于商用可见光偏振图像传感器芯片而言，日盲紫外偏振光探测器由于难以制备高透光率、高消光比和强抗辐射能力的紫外偏振片，其发展受到一定限制。宽禁带半导体材料氧化镓（β-Ga2O3）由于其超宽带隙（~4.85 eV）和低对称性的单斜晶体结构，有望在日盲紫外波段实现偏振光的直接探测。

最近，中国科学院半导体研究所魏钟鸣团队与合作者一起，在基于β-Ga2O3的日盲紫外偏振光探测器方面取得新进展。

该工作首先从电子跃迁概率上理论分析了β-Ga2O3实现各向异性日盲紫外偏振光吸收与响应的物理机制（图1）。基于商业化β-Ga2O3单晶衬底制备出偏振光探测器，通过使用不对称电极材料（Ti/Au和Pt/Ti/Au）的肖特基光电二极管结构，在肖特基势垒处形成的内置电场获得明显的整流特性。实验上发现，基于（010）和（001）晶面β-Ga2O3的光电探测器对日盲紫外光均表现出偏振角依赖性，偏振光电各向异性比分别为1.2和5.8。经归一化处理后，发现β-Ga2O3沿不同晶轴的偏振光电流之间关系为c轴>a轴>b轴，与理论分析的光跃迁概率关系一致。该器件不用受常规紫外偏振片技术加工难点的限制，有效实现了日盲紫外波段的偏振光吸收与探测。

在晶面分析的基础上，魏钟鸣团队与北京大学刘开辉教授和山西大学韩拯教授等人合作实现了一种（100）晶面β-Ga2O3 纳米带的生长及无偏振片日盲紫外偏振光探测器件。通过纳米带的形貌提升各向异性，该偏振光探测器在 254 nm 线性偏振光下显示出高偏振比，比β-Ga2O3体材料单晶和其他报道的低维材料偏振光探测器高 1~2 个数量级（图2），并且演示了基于偏振态编码的三进制紫外光通信。这种通过构筑宽禁带微纳结构实现日盲紫外偏振光探测的策略，展示出在日盲紫外偏振成像和偏振光通信领域的潜在应用优势。

相关成果以Solar-Blind Ultraviolet Anisotropic Polarization Detection by β-Ga2O3 Based Schottky Photodiodes为题，发表在IEEE Electron Device Letters 2024,45 (7), 1153-1156.;以β-Ga2O3 Nanoribbon with Ultra-High Solar-Blind Ultraviolet Polarization Ratio为题发表在Advanced Materials 2024,36 (46), 2406559，魏钟鸣研究员为两篇文章的通讯作者。该工作得到国家自然科学基金、中国科学院和北京市自然科学基金等项目的资助。

图1  β-Ga2O3 各向异性的晶体堆积和能带结构

图2 基于（100）晶面β-Ga2O3 纳米带的日盲紫外偏振光探测器

论文链接：

https://ieeexplore.ieee.org/document/10530464 

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.202406559