【国内论文】AFM丨联合突破！国科大/北邮/北交大利用氧化镓本征各向异性实现自驱动日盲偏振探测焦平面阵列

        由中国科学院大学、北京邮电大学、北京交通大学的研究团队在学术期刊 Advanced Functional Materials 发布了一篇名为 Self-Powered Solar-Blind Polarization-Sensitive β-Ga₂O₃ Photodetector Focal Plane Array（自驱动日盲偏振敏感型 β-Ga₂O₃ 光电探测器焦平面阵列）的文章。

        《Advanced Functional Materials》（影响因子：19.0）涵盖广泛领域，具有重要的学术影响力。该刊广泛涉及工程技术及材料科学等多个领域，每周发布材料科学领域的最新研究成果，包括纳米技术、化学、物理学以及生物学等多个子领域。凭借其高效的同行评审制度、优质的内容以及广泛的影响力， 《Advanced Functional Materials》涉及材料科学及工程技术等领域，是国际材料科学领域的重要期刊，被国际权威自然指数评选为顶级期刊之一。

        具备偏振敏感特性的日盲紫外（SBUV）探测器在火灾预警、臭氧监测及高对比度空间成像中发挥着关键作用，但传统系统高度依赖外部微纳结构偏振片，这不仅带来了极高精度的非对称加工成本，还会因光学吸收而显著降低探测器的灵敏度，严重阻碍了器件的微型化与低功耗实时成像应用；为此，拥有 4.7 – 4.9 eV 超宽禁带的单斜相氧化镓（β-Ga₂O₃）因其晶格天然的各向异性，成为开发无需外置偏振片、能直接消除太阳光背景噪声干扰的高性能偏振日盲紫外焦平面阵列（FPA）的理想候选材料 。

        偏振敏感的日盲紫外（SBUV）光电探测器能够分辨光强、波长和偏振，对于火焰检测、臭氧监测和高对比度成像至关重要。然而，制造无偏振器、小型化、低功耗的实时成像设备仍然具有挑战性，因为小型化和去除偏振器不可避免地会损害偏振性能和空间分辨率。β-Ga₂O₃ 因其超宽带隙（4.7–4.9 eV）而成为理想材料，该带隙能够抑制太阳背景噪声和固有各向异性，从而实现无偏振器的偏振敏感光电探测。本文利用其（100）和（001）晶面的各向异性晶体结构，制造了一种日盲偏振敏感的 β-Ga₂O₃ 光电探测器焦平面阵列。合理采用非对称电极设计来构建肖特基势垒，使阵列具备自供电的光电探测能力。该阵列具有高偏振比（PR=4.7）、超低暗电流（<1 pA）和快速响应（4 ms/20 ms 的上升/下降时间），能够通过定制的读出电路对目标字母进行实时偏振分辨成像。卷积神经网络（CNN）双标签识别模型在字母和偏振角度识别方面的准确率超过 95%。本研究验证了 β-Ga₂O₃ 的偏振响应依赖于晶体晶面，实现了小型化设备关键性能的协同优化，并为高性能 SBUV 偏振成像系统奠定了可靠的材料和技术基础。

        · 研究团队系统对比并利用了 β-Ga₂O₃ 晶体（100）和（001）两个主要晶面的原子排列各向异性，无需集成任何昂贵的亚波长微纳偏振片，纯粹依靠材料的本征光子各向异性实现了出色的紫外偏振成像感知 。

        · 通过精细的电极工程，在器件两侧采用了非对称电极设计以构筑内置肖特基势垒，使得整个 10 × 10 探测器阵列能够在零偏压（Zero Bias）的自供电模式下高效工作，契合了低功耗便携式芯片的发展需求 。

        · 研究不仅停留在单点器件，而是实现了 10 × 10 阵列与专用集成读出电路（ROIC）的单片集成，成功演示了对特定字母目标（如“S”, “E”, “M”, “I”）进行无需机械扫描、高对比度的实时偏振分辨成像 。

        · 为了进一步验证该焦平面成像芯片的实用性，研究团队为其开发了一套基于卷积神经网络（CNN）的算法。该算法能够对成像输出进行智能解析，在目标图案（字母分类）与入射光偏振角度识别两个任务上，同时实现了超过 95 % 的超高识别准确率 。

        偏振敏感的日盲紫外（SBUV）光电探测器能够分辨光强、波长和偏振，对于火焰检测、臭氧监测和高对比度成像至关重要。然而，制造无偏振器、小型化、低功耗的实时成像设备仍然具有挑战性，因为小型化和去除偏振器不可避免地会损害偏振性能和空间分辨率。β-Ga₂O₃ 因其超宽带隙（4.7 – 4.9 eV）而成为理想材料，该带隙能够抑制太阳背景噪声和固有各向异性，从而实现无偏振器的偏振敏感光电探测。本文利用其（100）和（001）晶面的各向异性晶体结构，制造了一种日盲偏振敏感的 β-Ga₂O₃ 光电探测器焦平面阵列。合理采用非对称电极设计来构建肖特基势垒，使阵列具备自供电的光电探测能力。该阵列具有高偏振比（PR = 4.7）、超低暗电流（< 1 pA）和快速响应（4 ms/20 ms 的上升 / 下降时间），能够通过定制的读出电路对目标字母进行实时偏振分辨成像。卷积神经网络（CNN）双标签识别模型在字母和偏振角度识别方面的准确率超过 95 %。本研究验证了 β-Ga₂O₃ 的偏振响应依赖于晶体晶面，实现了小型化设备关键性能的协同优化，并为高性能 SBUV 偏振成像系统奠定了可靠的材料和技术基础。

        本工作得到了以下资助：中国国家自然科学基金（项目编号：U24A20285、62125404、62574195、12204060、62504015）、北京市自然科学基金（项目编号：Z220005）、北京交通大学人才基金（项目编号：2024XKRC091）、中国物理学会（CPSF）博士后资助项目（项目编号：GZB20250150）以及中国科学院半导体研究所半导体物理与芯片技术国家重点实验室（项目编号：SKSP202502）。

图1 β-Ga₂O₃ 的晶体结构与表征(a) β-Ga₂O₃ 用于日盲紫外（SBUV）偏振成像的焦平面阵列（FPA）示意图。(b) β-Ga₂O₃ 的晶体结构。(c) β-Ga₂O₃ 的能带结构。(d) (100)和(001)晶向 Ga₂O₃ 的 X 射线衍射（XRD）测试结果。(e) (100)和(001)晶面的原子结构示意图。(f) (100)和(001)晶面的拉曼光谱。(g,h) 平行配置下(100)和(001)晶面的角度分辨拉曼光谱对应的等高线色图。(i) (100)和(001)晶面的 Bg 和 Ag 模的角度依赖性的实验结果（点）和拟合结果（线）

图2 β-Ga₂O₃ 的表面优化结果。(a)对(100)和(001)Ga₂O₃ 样品进行两次连续表面优化处理（食人鱼溶液处理和快速热退火）的示意图。(b,d)RTA 处理前(100)和(001)Ga₂O₃ 的 XPS 表征结果。(c,e)食人鱼溶液处理前(100)和(001)Ga₂O₃ 表面的 AFM 粗糙度和粒径分析。(f)食人鱼溶液处理后(100)Ga₂O₃ 表面的 AFM 粗糙度。(g)食人鱼溶液处理后(100)Ga₂O₃ 表面的粒径分析。(h)食人鱼溶液处理后(001)Ga₂O₃ 表面的 AFM 粗糙度。(i)食人鱼溶液处理后(001)Ga₂O₃ 表面的粒径分析。(j,k)RTA 处理后(100)和(001)Ga₂O₃ 的XPS表征结果。(i)RTA / 溶液处理对 Ga₂O₃ 中 Rq 和 Vo 浓度的影响比较。

图3 β-Ga₂O₃ 自供电光电探测器的电学特性。（a）带有 Ni/Au 和 Ti/Au 电极的单个自供电光电探测器像素的扫描电子显微镜（SEM）图像。（b）Ni/β-Ga₂O₃ 肖特基接触的接触角力显微镜（KPFM）表面电势分布。（c）Ti/β-Ga₂O₃ 欧姆接触的 KPFM 表面电势分布。（d）Ni/β-Ga₂O₃/Ti 自供电光电探测器的能带图。（e,f）采用 TE 模型拟合的（100）Ga₂O₃ 和（001）Ga₂O₃ 自供电光电探测器的 I – V 特性。（g）（100）Ga₂O₃ 焦平面阵列（FPA）所有像素的暗电流和光电流统计分布。（h,i）采用 Hooge 模型拟合的（100）Ga₂O₃ 和（001）Ga₂O₃ 自供电光电探测器的电流噪声功率谱密度（PSD）。

图4 β-Ga₂O₃ 自供电光电探测器的光电特性。（a）(100)和(001)Ga₂O₃ 自供电光电探测器在 250 ~ 350 nm 范围内的光响应。（b）(100)和(001)Ga₂O₃ 自供电光电探测器的上升时间和下降时间。（c）100 个周期的电流 - 时间（I - t）切换曲线。（d,g）(100)和(001)β-Ga₂O₃ 自供电光电探测器的光电流与光功率密度，采用幂律模型拟合。（e,h）(100)和(001)Ga₂O₃ 自供电光电探测器的响应率和探测率。（f,i）(100)和(001)Ga₂O₃ 自供电光电探测器的偏振角分辨光电流。

图5 β-Ga₂O₃ 焦平面阵列（FPA）的成像和基于卷积神经网络（CNN）的分析(a)行选并行列读出电路示意图。(b) β-Ga₂O₃ FPA 的光学显微镜图像。(c,d)黑暗和照明条件下读出电路输出的相应灰度值轮廓彩色图。(e)单色偏振成像单元（SBUV）偏振成像设置示意图。(f)四个字母（S、E、M、I）的偏振分辨灰度轮廓彩色图像。(g)单色偏振成像单元（SBUV）光电探测器在偏振比、暗电流和响应时间方面的比较。(h)图像识别卷积神经网络（CNN）原理示意图，具有字母（S、E、M、I）和偏振角度（0°、45°、90°）分类的双输出。(i)双输出 CNN 在字母和偏振角度识别方面的训练准确率曲线。(j)0° 偏振角度下字母识别的混淆矩阵，其中值表示每个类别的识别概率。

DOI：

doi.org/10.1002/adfm.76157