偏振光探測(cè)技術(shù)在復(fù)雜環(huán)境檢測(cè)、多維信息通信及光學(xué)傳感成像等領(lǐng)域具有重要應(yīng)用價(jià)值。現(xiàn)有偏振探測(cè)技術(shù)主要依賴結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜的偏振光學(xué)元件或者亞波長金屬線柵，在信息器件集成化、小型化、智能化的發(fā)展趨勢(shì)下面臨新的挑戰(zhàn)，而具備本征偏振光響應(yīng)的面內(nèi)各向異性結(jié)構(gòu)低維半導(dǎo)體展示出一定的發(fā)展?jié)摿Α＝陙恚?b>中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所半導(dǎo)體芯片物理與技術(shù)全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室夏建白院士團(tuán)隊(duì)的魏鐘鳴、周子琦等人和合作團(tuán)隊(duì)一起，在低維低對(duì)稱半導(dǎo)體偏振光探測(cè)領(lǐng)域進(jìn)行了長期的研究工作，近期圍繞新型低維半導(dǎo)體的理論設(shè)計(jì)、材料制備、器件性能、集成放大、學(xué)科綜述等方面取得了一系列研究進(jìn)展。
在理論設(shè)計(jì)方面，系統(tǒng)闡明了低維半導(dǎo)體面內(nèi)線二色性的物理機(jī)制，通過第一性原理計(jì)算，研究了100種由III、IV、V和VI族半導(dǎo)體常用元素組成的二維半導(dǎo)體及其面內(nèi)線性二色性。研究發(fā)現(xiàn)，晶格和帶邊波函數(shù)的面內(nèi)不對(duì)稱是面內(nèi)線二色性的主要根源。具有平面內(nèi)正交晶格和單斜晶格的二維半導(dǎo)體容易產(chǎn)生相當(dāng)大的面內(nèi)線二色性，而六方晶格的二維半導(dǎo)體則具有光學(xué)各向同性。正交晶格的二維半導(dǎo)體具有較大的面內(nèi)偏振光敏感特性，這是由于晶格中的固有對(duì)稱鏡面導(dǎo)致了帶邊波函數(shù)的面內(nèi)奇偶性。進(jìn)而發(fā)現(xiàn)，由這些二維半導(dǎo)體形成的異質(zhì)結(jié)構(gòu)顯示出更高的光吸收、更強(qiáng)的面內(nèi)線二色性和各種類型（I、II、III型）的帶階，為二維光學(xué)各向異性半導(dǎo)體在偏振光探測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用提供了一定的理論參考。相關(guān)研究以“Physical origin of planar linear dichroism in van der Waals semiconductors using main group elements”為題發(fā)表于《中國科學(xué)-信息科學(xué)》（Science China Information Sciences 2024, 67 (12), 222402.，第一作者高強(qiáng)博士，通訊作者魏鐘鳴和北京計(jì)算科學(xué)中心康俊研究員）（全文鏈接：https://www.sciengine.com/SCIS/doi/10.1007/s11432-024-4191-5）。
圖1. 二維材料的各向異性電子與光學(xué)特性總結(jié)
在材料制備方面，從理論預(yù)測(cè)及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證兩個(gè)角度闡明了四六族半導(dǎo)體材料MX (M = Ge, Sn; X = S, Se) 中存在的偏振翻轉(zhuǎn)特性。同時(shí)還進(jìn)一步探討了在不同波段中發(fā)生偏振翻轉(zhuǎn)吸收的機(jī)制?；谒牧灏雽?dǎo)體材料MX (M = Ge, Sn; X = S, Se)作為光吸收層構(gòu)筑形成的偏振敏感光電探測(cè)器，利用器件的偏振光響應(yīng)特性進(jìn)行虛擬成像的結(jié)果顯示，具有偏振翻轉(zhuǎn)光吸收特性的新型光電探測(cè)器能夠?qū)崿F(xiàn)波段信息識(shí)別和圖像增強(qiáng)等功能演示。相關(guān)研究以“Polarization Reversal of Group IV-VI Semiconductors with Pucker-Like Structure: Mechanism Dissecting and Function Demonstration”為題發(fā)表于《先進(jìn)材料》（Advanced Materials 2024, 36 (3), 2307769.，第一作者畢業(yè)博士生于雅俐，通訊作者魏鐘鳴）（全文鏈接：https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.202307769）。
進(jìn)一步通過利用上述雙波段識(shí)別特性算法模擬，提高了在自動(dòng)駕駛場(chǎng)景下的識(shí)別準(zhǔn)確率。該方法可以簡化雙波段圖像識(shí)別和圖像增強(qiáng)過程，提出了一種無需額外輔助元件即可實(shí)現(xiàn)雙波段圖像識(shí)別和圖像增強(qiáng)的可靠方法。相關(guān)研究以“Dual-band real-time object identification via polarization reversal based on 2D GeSe image sensor”為題發(fā)表于《科學(xué)通報(bào)》（Science Bulletin 2023, 68 (17), 1867-1870.，第一作者畢業(yè)博士生于雅俐，通訊作者魏鐘鳴）（全文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2095927323005194）。
圖2.低維低對(duì)稱面內(nèi)各向異性半導(dǎo)體材料
在器件性能方面，通過構(gòu)筑二維半導(dǎo)體-二維半金屬結(jié)構(gòu)的異質(zhì)結(jié)，通過能帶調(diào)控實(shí)現(xiàn)了柵壓可調(diào)的偏振光電響應(yīng)。面向圖像傳感器在圖像捕獲與處理環(huán)節(jié)分離、感知與計(jì)算單元間的數(shù)據(jù)傳輸增加了功耗的挑戰(zhàn)，開發(fā)出一種具備柵極調(diào)控和偏振敏感特性的光電探測(cè)器，實(shí)現(xiàn)了正負(fù)值的光電響應(yīng)反轉(zhuǎn)，并生成了可變的偏振光電流用于圖像傳感器內(nèi)計(jì)算。結(jié)果表明，該器件通過預(yù)設(shè)3×3的圖像濾波核，可完成包括銳化、模糊和Sobel算子在內(nèi)的圖像處理任務(wù)。這一技術(shù)的實(shí)現(xiàn)不僅降低了功耗，還為高精度圖像處理發(fā)展?jié)撛谛路较颉Ｏ嚓P(guān)研究以“In-Sensor Polarimetric Optoelectronic Computing based on Gate-Tunable 2D Photodetector”為題發(fā)表于《電氣和電子工程師協(xié)會(huì)電子器件快報(bào)》（IEEE Electron Device Letters 2024, 45 (4), 645-648.，第一作者畢業(yè)博士生于雅俐，通訊作者魏鐘鳴和華南師范大學(xué)霍能杰研究員）（全文鏈接：https://ieeexplore.ieee.org/document/10423026/）。
圖3. 低維半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)器件偏振響應(yīng)實(shí)現(xiàn)圖像卷積計(jì)算
在集成放大方面，團(tuán)隊(duì)和合作者一起對(duì)提高“面內(nèi)各向異性二維材料的偏振光電流各向異性比”拓展了“亞波長陣列增強(qiáng)”與“偏振信號(hào)放大電路”兩種方法。設(shè)計(jì)了基于二維硒化亞鍺(GeSe)的亞波長陣列結(jié)構(gòu)，提高GeSe各向異性靈敏度，將光電流各向異性從2左右提高到18。同時(shí)研究了其增強(qiáng)的機(jī)理，亞波長陣列結(jié)構(gòu)可以進(jìn)一步增強(qiáng)了電荷分布的不對(duì)稱性，提高了GeSe材料在扶手椅方向上的光吸收和光電躍遷概率，從而提高了偏振靈敏度。該偏振光探測(cè)器在808 nm的近紅外波長下表現(xiàn)出寬的功率范圍和弱光探測(cè)能力（0.1 LUX）。相關(guān)研究以“Low symmetric sub-wavelength array enhanced lensless polarization-sensitivity photodetector of germanium selenium”為題發(fā)表于《科學(xué)通報(bào)》（Science Bulletin 2023, 68 (2), 173-179.，第一作者周子琦，通訊作者魏鐘鳴、鄧惠雄研究員和中國人民大學(xué)劉燦研究員）（全文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2095927323000294）。
基于“偏振信號(hào)放大電路”策略，將二維各向異性半導(dǎo)體GeSe中偏振光電流的各向異性比進(jìn)一步提升至54。該策略利用偏振誘導(dǎo)的電阻變化動(dòng)態(tài)調(diào)控場(chǎng)效應(yīng)晶體管的柵極電位，結(jié)合晶體管在亞閾區(qū)的陡峭電流響應(yīng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)微弱偏振信號(hào)的高靈敏放大。系統(tǒng)評(píng)估多種晶體管后，篩選出具有高穩(wěn)定性和抗噪性能的SMT-Si晶體管作為最優(yōu)放大方案。增強(qiáng)后的偏振信號(hào)顯著提升了圖像對(duì)比度與識(shí)別準(zhǔn)確率，使機(jī)器學(xué)習(xí)模型達(dá)到99%的識(shí)別率，計(jì)算效率提高了60%，為二維材料偏振探測(cè)性能的本征增強(qiáng)提供了有效方案。相關(guān)研究以“Polarization Signal Amplification of 2D GeSe-based Polarization-Sensitive Photodetectors”為題發(fā)表于《先進(jìn)材料》（Advanced Materials 2025 DOI:10.1002/adma.202509066，第一作者博士生何可欣，通訊作者周子琦、魏鐘鳴、北京理工大學(xué)沈國震教授和北京大學(xué)黃芊芊教授）（全文鏈接：https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202509066）。
圖4. 低維低對(duì)稱面內(nèi)各向異性GeSe偏振探測(cè)器的偏振信號(hào)放大
在學(xué)科綜述方面，團(tuán)隊(duì)在《物理學(xué)報(bào)》紀(jì)念黃昆先生誕辰百年專題發(fā)表“低維半導(dǎo)體偏振光探測(cè)器研究進(jìn)展”綜述論文（魏鐘鳴,* 夏建白. 物理學(xué)報(bào)2019, 68 (16), 163201.）的基礎(chǔ)上，最近還詳細(xì)總結(jié)了低維低對(duì)稱半導(dǎo)體材料的發(fā)展趨勢(shì)和在偏振光探測(cè)領(lǐng)域中的應(yīng)用?；仡櫫说途S低對(duì)稱半導(dǎo)體偏振光探測(cè)器的發(fā)展歷程；從各向異性光吸收和各向異性極化電流兩個(gè)不同的角度，分析了低維低對(duì)稱半導(dǎo)體偏振光敏感特性的物理起源；并綜述了低維低對(duì)稱半導(dǎo)體探測(cè)器在偏振成像、偏振編碼光通信、偏振光電計(jì)算、偏振導(dǎo)航四個(gè)領(lǐng)域中的應(yīng)用。按研究的五個(gè)層級(jí)（物理、材料、器件、芯片、系統(tǒng)），分析了低維低對(duì)稱半導(dǎo)體偏振光探測(cè)的相關(guān)研究面臨的挑戰(zhàn)，并討論了可行的解決方法及未來的發(fā)展方向。此項(xiàng)研究成果以“Low-dimensional low-symmetric semiconductors for polarization-sensitive photodetection”為題發(fā)表于《自然-綜述-電氣工程》（Nature Reviews Electrical Engineering 2025, DOI: 10.1038/s44287-025-00183-5，第一作者畢業(yè)博士生辛凱耀，通訊作者魏鐘鳴）（全文鏈接：https://www.nature.com/articles/s44287-025-00183-5）。
圖5. 低維低對(duì)稱半導(dǎo)體偏振光電探測(cè)器的發(fā)展路徑：多功能拓展和規(guī)?；?nbsp;
該系列工作從物理、材料、器件到集成工藝形成了針對(duì)四六族新型低維半導(dǎo)體為代表的完整研究體系，深化了對(duì)低維低對(duì)稱半導(dǎo)體偏振光電響應(yīng)的科學(xué)認(rèn)知，為發(fā)展下一代集成化偏振光探測(cè)及其應(yīng)用提供了潛在的新方案。相關(guān)工作得到了國家自然科學(xué)基金委、國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、中國科學(xué)院和北京市自然科學(xué)基金的資助。
（來源：中國科學(xué)院半導(dǎo)體）
