【国内论文】Chip丨南航姜明明教授&内蒙古大学刘增研究员：自驱动偏振敏感日盲 Ga₂O₃/MgO/GaN 异质结探测器及其在光学神经网络的应用

        日盲紫外（200–280 nm）偏振探测器因其超高偏振比，在光学信息解析方面展现出重要应用价值，广泛应用于大气遥感、环境监测和隐身探测等领域。传统偏振探测依赖外置偏振器件，工艺复杂、集成度低且功耗高，严重制约了系统的小型化与集成化发展。近年来，具有面内各向异性的超宽禁带半导体为日盲紫外偏振探测提供了新途径，但现有材料体系在吸收能力、稳定性及可扩展性等方面仍存在明显不足。Ga₂O₃ 凭借其超宽禁带、本征各向异性和优异稳定性，成为日盲偏振探测的理想候选材料。然而，当前 Ga₂O₃ 偏振探测器仍普遍存在工作电压高、偏振选择性不足及系统集成度有限等问题，高性能日盲偏振探测仍面临挑战。

        研究团队围绕日盲紫外偏振探测在高灵敏度、自驱动运行与智能应用中的关键瓶颈，提出了一种基于一维 β-Ga₂O₃ 单晶与 GaN 的界面工程异质结新方案。该工作利用低维 Ga₂O₃ 材料固有的面内各向异性特征，结合超薄 MgO 层构建 Ga₂O₃/MgO/GaN 范德华异质结，在无需外加偏压的条件下，实现了对 260 nm 波段紫外光的窄带选择性探测（半高宽 <23 nm）。器件在自驱动模式下同时表现出 0.20 A/W 的响应度、2.95×10¹¹ Jones的比探测率以及微秒量级的快速响应（26.5/25.7 µs），在强光照条件下仍保持稳定工作，并呈现出显著的超线性光响应特性。得益于材料本征各向异性与异质结内建电场的协同作用，该探测器对线偏振紫外光表现出极高的选择性，偏振比高达 122，显著优于现有多数自驱动紫外偏振探测器。在此基础上，研究团队进一步构建了 10×10 像素的偏振敏感探测阵列，并将其引入光学神经网络系统，实现了多偏振态信息的高效识别与处理，在复杂噪声背景下仍能完成可靠的图像重构与模式识别，展示了该器件在智能感知领域的应用潜力。

        1)通过化学气相沉积法制备了一维 Ga₂O₃ 单晶，表现出显著的面内各向异性、日盲响应和优异的稳定性。

        2)构建的 Ga₂O₃/MgO/GaN 自驱动探测器实现了稳定的光谱选择性日盲紫外探测，并在强光照下表现出超线性光响应。

        3)该探测器展现出优异的偏振敏感特性，最高偏振比可达 122。

        4)借助超高二色比和光响应性能，该探测器在光学神经网络中实现了高质量成像，即使在噪声条件下仍保持良好性能。

        该研究提出并实现了一种基于 Ga₂O₃/MgO/GaN 范德华异质结的自驱动日盲紫外偏振探测新方案，证明了通过界面工程与低维各向异性材料的协同设计，可以在无需外加偏压的条件下，同时实现高灵敏度探测与高保真偏振识别。研究结果表明，低维 β-Ga₂O₃ 单晶所具备的本征各向异性能够被异质结内建电场有效放大并稳定输出，从而突破传统紫外偏振探测中性能互相制约的瓶颈。此外，该器件在强光环境下仍保持稳定响应，展现出良好的环境适应性和工作鲁棒性。进一步将该偏振敏感探测器阵列引入光学神经网络，实现了偏振信息驱动的智能识别与抗噪成像，验证了其在复杂光场条件下进行信息感知与处理的可行性。该成果不仅为日盲紫外偏振探测器的器件结构设计提供了新的思路，也为低功耗、集成化智能光电系统在极端环境中的应用奠定了重要基础。

        Chip 是全球唯一聚焦芯片类研究的综合性国际期刊，由上海交通大学出版，联合Elsevier集团全球发行，并与多家国内外知名学术组织展开合作，为学术会议提供高质量交流平台。最新影响因子为7.1，在所属电子电气工程、光学、应用物理领域均位列Q1区。

        作者感谢国家自然科学基金（12374257、62404101、62204125 和 62564011），中央高校基本科研业务费专项资金（NC2025016）的支持。

图1：Ga₂O₃单晶的生长及光学各向异性。（a）生长过程示意图，（b）高分辨率光学图像，（c）扫描电子显微镜图像，（d）拉曼光谱。平行（e）和垂直（f）配置下的角分辨偏振拉曼光谱等高图，（g）769 cm^-1处拉曼强度极坐标图，（h）1064 nm 激发下功率依赖二次谐波生成（SHG）光谱，插图为对数坐标下线性拟合，（i）平行和垂直配置下角分辨 SHG 光谱，（j）E//c与E⊥c吸收光谱及二色性比值，（k）260 nm 吸光度极坐标图。

图2：Ga₂O₃/MgO/GaN范德华异质结光电性能。（a）器件结构示意图，（b）暗电流，插图为两侧石墨烯电极的Ga₂O₃ MSM 结构与两侧Ni/Au电极的GaN MSM结构的I-V特性，（c）通过时域暗电流傅里叶变换得到的总噪声功率谱，（d）0 V偏压下波长依赖电流，光照强度依赖的（e）I-V曲线和（f）I-t曲线（260 nm 光），（g）不同调制频率下瞬态响应，（h）归一化响应与频率关系，（i）放大单周期响应用于上升/衰减时间估算。

图3：器件的超线性响应及物理机制。（a）光响应度，（b）等效噪声功率及探测度，（c）外量子效率随光功率密度变化，（d）0 V下光电流对数坐标拟合，（e）-5 V下光电流对数坐标拟合，（f）孤立Ga₂O₃与异质结中Ga₂O₃的氧态密度，（g）Ga₂O₃/MgO/GaN平面平均电荷密度，（h）紫外照射下示意能带图。

图4：Ga₂O₃/MgO/GaN范德华异质结光电探测器的偏振特性及性能对比。（a）偏振敏感光电探测示意图，（b）0 V偏压下260 nm线偏振光（偏振角0°-360°）的时域光响应，（c）光电流极坐标图，（d）光电流随偏压和偏振角变化的二维彩色图，（e）偏振度随偏压和入射光强变化的三维图，（f）已报道紫外偏振敏感光电探测器的光响应度对比。

图5：偏振驱动光神经网络的模式识别与图像增强。（a）神经网络结构示意图，（b）10×10 Ga₂O₃光电探测器阵列，（c）输入图案“O”的模拟输出与实验输出对比，（d）I、II、III 组识别精度，（e）“Noisy”：探测器阵列直接捕获的原始图像；“Processed”：特征提取后的增强图像。

DOI: 

10.1016/j.chip.2025.100190