【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】偏振光探測與成像技術(shù)在遙感成像、機(jī)器視覺、復(fù)雜背景目標(biāo)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(qiáng)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(qiáng)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(dǎo)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(shí)現(xiàn)偏振光的直接探測。
最近，中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所魏鐘鳴團(tuán)隊(duì)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(jìn)展。
該工作首先從電子躍遷概率上理論分析了β-Ga2O3實(shí)現(xiàn)各向異性日盲紫外偏振光吸收與響應(yīng)的物理機(jī)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(shí)驗(yàn)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(diǎn)的限制，有效實(shí)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(tuán)隊(duì)與北京大學(xué)劉開輝教授和山西大學(xué)韓拯教授等人合作實(shí)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(jìn)制紫外光通信。這種通過構(gòu)筑寬禁帶微納結(jié)構(gòu)實(shí)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。
相關(guān)成果以Solar-Blind Ultraviolet Anisotropic Polarization Detection by β-Ga2O3 Based Schottky Photodiodes為題，發(fā)表在IEEE Electron Device Letters 2024, 45 (7), 1153-1156.;以β-Ga2O3 Nanoribbon with Ultra-High Solar-Blind Ultraviolet Polarization Ratio為題發(fā)表在Advanced Materials 2024, 36 (46), 2406559，魏鐘鳴研究員為兩篇文章的通訊作者。該工作得到國家自然科學(xué)基金、中國科學(xué)院和北京市自然科學(xué)基金等項(xiàng)目的資助。
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
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