在光电融合系统的前沿发展中，高性能光探测器不仅是信息感知的起点，更是实现光信号与电信号高效协同处理的核心物理接口。尤其在太阳盲紫外波段，偏振探测能够提取光场中丰富的维度信息，对于提升信息密度与抗干扰能力至关重要，是构建智能、低功耗片上光电系统的关键环节。然而，现有低维宽禁带半导体探测器普遍面临偏振灵敏度与综合光电性能（如响应度、探测率、响应速度）之间的固有矛盾，且大多依赖外部偏压，难以满足下一代集成化、自供能光电融合芯片对器件多功能一体化与低功耗运行的根本需求。本文针对这一挑战，必威BETWAY西汉姆联姜明明研究员、施大宁教授团队联合内蒙古大学刘增研究员在学术期刊Chip发布了一篇名为A Self-Powered Ga2O3/MgO/GaN Heterojunction Polarization-Sensitive, Superlinear and Solar-Blind Selectivity Detector Enabling Optical Neural Networks（一种自驱动的Ga2O3/MgO/GaN异质结偏振敏感、超线性且具备日盲选择性的探测器及其在光学神经网络中的应用）的文章。聚焦于具有本征面内光学各向异性的氧化镓单晶材料，通过构建梯度范德华异质结并实施精准界面工程，成功将高偏振灵敏度（偏振比>122）、优异自供能光响应（响应度0.19 A/W）、超快速度（响应时间~26 µs）与光谱选择性（半高宽<23 nm）等多个卓越特性集成于单一器件。这一突破不仅源于材料自身强烈的晶体各向异性，更得益于异质结内建电场对载流子输运路径的精确调控，从而在物理机制上实现了偏振信息提取与高效光电转换的深度融合。本研究将其成功应用于光学神经网络，实现了多模态数据的高精度并行处理与噪声环境下的图像增强，这标志着此类器件已超越了传统分立传感的范畴，成为集信息感知、预处理与初步计算于一体的智能光电融合节点，为面向复杂环境的下一代集成化、低功耗智能光电子系统提供了关键器件基础与设计范式。

期刊介绍

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。

项目支持

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。

背景

在深空探测领域，极端的光学环境对光电探测器提出了极其苛刻的要求：深空背景中存在大量非目标辐射，如可见光与红外光，而关键的太阳盲区紫外（200-280 nm）信号却极为微弱且常与复杂噪声混杂；同时，光子的偏振态携带着天体表面成分、磁场分布及星际介质等重要信息，却难以被传统探测器高效解析。当前商用技术多依赖分立的光学滤光片与偏振元件，导致系统笨重、功耗高且易受空间辐射损伤，严重制约了长周期、高分辨率的深空科学观测与自主导航能力。因此，发展一种集成了太阳盲选择性、超高偏振灵敏度、自供电运行及快速响应于一体的单片化探测器，已成为推动下一代深空光学载荷小型化、智能化与高可靠性的核心物理需求。本研究所提出的基于低维各向异性Ga₂O₃单晶的范德瓦尔斯异质结架构，正是面向这一重大应用背景，旨在通过材料本征各向异性与能带界面工程的协同，实现无需外置光学元件的高性能偏振分辨探测，为深空极端环境下的精准光电信息获取提供颠覆性的器件解决方案。

主要内容

研究团队围绕太阳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。

创新点

本工作通过低维各向异性材料与界面能带工程的协同设计，在单一自供电器件中实现了太阳能盲紫外偏振探测性能的突破性提升。其核心创新在于：利用自催化CVD生长的高质量一维β-Ga₂O₃单晶本征面内各向异性，结合范德华梯度异质结（Ga₂O₃/MgO/GaN）的界面能带调控，首次在零偏压下同步获得了创纪录的偏振比（>122）、超窄带光谱响应（FWHM < 23 nm）、超快速度（26.5/25.7 µs）及超线性光响应，并通过探测器阵列与光学神经网络的集成，验证了其在复杂噪声环境下多模态智能感知与图像增强的卓越能力。 具体体现在：

1) 材料与机理创新：揭示了低维Ga₂O₃单晶强烈的面内光学与电学各向异性，并通过引入MgO中间层构建了特殊的载流子输运路径（高电子势垒/低空穴势垒），在抑制暗电流与GaN衬底响应的同时，利用空间电荷俘获效应实现了在强光下的超线性响应，打破了传统探测器在灵敏度和线性度之间的权衡。

2) 性能指标突破：实现了偏振灵敏度（PR > 122）、光谱选择性（峰值260 nm）、响应速度（微秒级）与自供电操作（0.19 A/W, 2.81×10¹¹ Jones）等关键参数的协同优化，其偏振比在已报道的自供电太阳能盲紫外探测器中位居前列。

3) 系统应用验证：创新地将偏振敏感探测器阵列与光学斯托克斯参量计算、神经网络处理相结合，实现了对偏振编码信息的高精度（>88%）并行分类识别，并在强噪声背景下将成像信噪比提升至少6 dB，为下一代智能、低功耗紫外感知系统提供了可行的器件架构与算法范例。

此项研究不仅为开发兼具高性能与新功能（如超线性、偏振敏感）的下一代宽禁带半导体光电器件提供了清晰的物理蓝图与材料平台，也推动了光电子技术与人工智能在信息感知层面的深度融合。

结论

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太阳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。该成果超越了传统探测器在灵敏度、速度与偏振鉴别能力之间的权衡，其自供电特性与优异的多参数性能（响应度0.19 A/W，响应时间~26 μs）为开发下一代低功耗、高集成度的智能光电融合系统提供了关键器件原型。特别是，探测器阵列在光学神经网络中成功实现了多模态并行处理与强噪声环境下的图像增强，这标志着该器件不仅是一种高性能传感器，更是能够直接参与前端光计算与信息处理的“感算一体”单元，为面向复杂环境的实时、智能视觉系统与片上光电融合芯片的发展开辟了新的技术路径。

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。

文章网址：

A Self-Powered Ga2O3/MgO/GaN Heterojunction Polarization-Sensitive, Superlinear and Solar-Blind Selectivity Detector Enabling Optical Neural Networks, Wanyu Ma, Lincong Shu, Xian Zhang, Peng Guo, Xinzhe Yan, Peng Wan, Zeng Liu*, Caixia Kan, Daning Sh*, and Mingming Jiang*

https://doi.org/10.1016/j.chip.2025.100190