中国科学院半导体研究所

半导体所在低维半导体偏振光探测方面取得系列进展

2025-07-07

偏振光探测技术在复杂环境检测、多维信息通信及光学传感成像等领域具有重要应用价值。现有偏振探测技术主要依赖结构较为复杂的偏振光学元件或者亚波长金属线栅，在信息器件集成化、小型化、智能化的发展趋势下面临新的挑战，而具备本征偏振光响应的面内各向异性结构低维半导体展示出一定的发展潜力。近年来，中国科学院半导体研究所半导体芯片物理与技术全国重点实验室夏建白院士团队的魏钟鸣、周子琦等人和合作团队一起，在低维低对称半导体偏振光探测领域进行了长期的研究工作，近期在新型低维半导体的理论设计、材料制备、器件性能、集成放大、学科综述等方面取得了一系列研究进展。

在理论设计方面，系统阐明了低维半导体面内线二色性的物理机制，通过第一性原理计算，研究了100种由Ⅲ、Ⅳ、V和Ⅵ族半导体常用元素组成的二维半导体及其面内线性二色性。研究发现，晶格和带边波函数的面内不对称是面内线二色性的主要根源。具有平面内正交晶格和单斜晶格的二维半导体容易产生相当大的面内线二色性，而六方晶格的二维半导体则具有光学各向同性。正交晶格的二维半导体具有较大的面内偏振光敏感特性，这是由于晶格中的固有对称镜面导致了带边波函数的面内奇偶性。进而发现，由这些二维半导体形成的异质结构显示出更高的光吸收、更强的面内线二色性和各种类型（I、Ⅱ、Ⅲ型）的带阶，为二维光学各向异性半导体在偏振光探测领域的应用提供了一定的理论参考。相关研究以“Physical origin of planar linear dichroism in van der Waals semiconductors using main group elements”为题发表于《中国科学-信息科学》（Science China Information Sciences 2024, 67 (12), 222402.，第一作者高强博士，通讯作者魏钟鸣、北京计算科学中心康俊研究员）

图1. 二维材料的各向异性电子与光学特性总结

在材料制备方面，从理论预测及实验验证两个角度阐明了四六族半导体材料MX (M = Ge, Sn; X = S, Se) 中存在的偏振翻转特性。同时还进一步探讨了在不同波段中发生偏振翻转吸收的机制。基于四六族半导体材料MX (M = Ge, Sn; X = S, Se)作为光吸收层构筑形成的偏振敏感光电探测器，利用器件的偏振光响应特性进行虚拟成像的结果显示，具有偏振翻转光吸收特性的新型光电探测器能够实现波段信息识别和图像增强等功能演示。相关研究以 “Polarization Reversal of Group IV-VI Semiconductors with Pucker-Like Structure: Mechanism Dissecting and Function Demonstration”为题发表于《先进材料》（Advanced Materials 2024, 36 (3), 2307769.，第一作者毕业博士生于雅俐，通讯作者魏钟鸣）

进一步通过利用上述双波段识别特性算法模拟，提高了在自动驾驶场景下的识别准确率。该方法可以简化双波段图像识别和图像增强过程，提出了一种无需额外辅助元件即可实现双波段图像识别和图像增强的可靠方法。相关研究以“Dual-band real-time object identification via polarization reversal based on 2D GeSe image sensor”为题发表于《科学通报》（Science Bulletin 2023, 68 (17), 1867-1870.，第一作者毕业博士生于雅俐，通讯作者魏钟鸣）

图2. 低维低对称面内各向异性半导体材料

在器件性能方面，通过构筑二维半导体-二维半金属结构的异质结，通过能带调控实现了栅压可调的偏振光电响应。面向图像传感器在图像捕获与处理环节分离、感知与计算单元间的数据传输增加了功耗的挑战，开发出一种具备栅极调控和偏振敏感特性的光电探测器，实现了正负值的光电响应反转，并生成了可变的偏振光电流用于图像传感器内计算。结果表明，该器件通过预设3×3的图像滤波核，可完成包括锐化、模糊和Sobel算子在内的图像处理任务。这一技术的实现不仅降低了功耗，还为高精度图像处理发展潜在新方向。相关研究以“In-Sensor Polarimetric Optoelectronic Computing Based on Gate-Tunable 2D Photodetector”为题发表于《电气和电子工程师协会电子器件快报》（IEEE Electron Device Letters 2024, 45 (4), 645-648.，第一作者毕业博士生于雅俐，通讯作者魏钟鸣、华南师范大学霍能杰研究员）

图3. 低维半导体异质结器件偏振响应实现图像卷积计算

在集成放大方面，团队和合作者一起对提高“面内各向异性二维材料的偏振光电流各向异性比”拓展了“亚波长阵列增强”与“偏振信号放大电路”两种方法。设计了基于二维硒化亚锗(GeSe)的亚波长阵列结构，提高GeSe各向异性灵敏度，将光电流各向异性从2左右提高到18。同时研究了其增强的机理，亚波长阵列结构可以进一步增强了电荷分布的不对称性，提高了GeSe材料在扶手椅方向上的光吸收和光电跃迁概率，从而提高了偏振灵敏度。该偏振光探测器在808 nm的近红外波长下表现出宽的功率范围和弱光探测能力（0.1 LUX）。相关研究以“Low symmetric sub-wavelength array enhanced lensless polarization-sensitivity photodetector of germanium selenium” 为题发表于《科学通报》（Science Bulletin 2023, 68 (2), 173-179.，第一作者周子琦，通讯作者魏钟鸣、邓惠雄研究员和中国人民大学刘灿研究员）

基于“偏振信号放大电路”策略，将二维各向异性半导体GeSe中偏振光电流的各向异性比进一步提升至54。该策略利用偏振诱导的电阻变化动态调控场效应晶体管的栅极电位，结合晶体管在亚阈区的陡峭电流响应，实现对微弱偏振信号的高灵敏放大。系统评估多种晶体管后，筛选出具有高稳定性和抗噪性能的SMT-Si晶体管作为最优放大方案。增强后的偏振信号显著提升了图像对比度与识别准确率，使机器学习模型达到99%的识别率，计算效率提高了60%，为二维材料偏振探测性能的本征增强提供了有效方案。相关研究以“Polarization Signal Amplification of 2D GeSe-Based Polarization-Sensitive Photodetectors”为题发表于《先进材料》（Advanced Materials 2025 DOI:10.1002/adma.202509066，第一作者博士生何可欣，通讯作者周子琦、魏钟鸣、北京理工大学沈国震教授、北京大学黄芊芊教授）。

图4. 低维低对称面内各向异性GeSe偏振探测器的偏振信号放大

在学科综述方面，团队在《物理学报》纪念黄昆先生诞辰百年专题发表“低维半导体偏振光探测器研究进展”综述论文（魏钟鸣,* 夏建白. 物理学报2019, 68 (16), 163201.）的基础上，最近还详细总结了低维低对称半导体材料的发展趋势和在偏振光探测领域中的应用。回顾了低维低对称半导体偏振光探测器的发展历程；从各向异性光吸收和各向异性极化电流两个不同的角度，分析了低维低对称半导体偏振光敏感特性的物理起源；并综述了低维低对称半导体探测器在偏振成像、偏振编码光通信、偏振光电计算、偏振导航四个领域中的应用。按研究的五个层级（物理、材料、器件、芯片、系统），分析了低维低对称半导体偏振光探测的相关研究面临的挑战，并讨论了可行的解决方法及未来的发展方向。此项研究成果以“Low-dimensional low-symmetric semiconductors for polarization-sensitive photodetection”为题发表于《自然-综述-电气工程》（Nature Reviews Electrical Engineering 2025, DOI: 10.1038/s44287-025-00183-5，第一作者毕业博士生辛凯耀，通讯作者魏钟鸣）。