电子科大提出偏振光电压场效应晶体管新架构，助力中红外偏振成像系统

中红外（MIR）偏振探测在智能安防、环境监测、自动驾驶与生物医学诊断等领域具有重要应用价值。传统中红外偏振探测系统依赖分立偏振片与制冷型半导体探测器，存在体积大、集成度低、成本高昂等瓶颈。二维各向异性材料（如黑磷BP、碲、PdSe₂）为无滤光片、片上集成偏振探测器提供了理想平台，但本征光学各向异性不足导致偏振比（PR）普遍低于10。尽管通过光门控、异质结工程、铁电调控等策略可将偏振比提升至100以上，但往往伴随响应度下降、响应速度变慢、热噪声升高等问题，难以同时实现高偏振比、高响应度与快速响应。此外，传统偏振性能评价仅关注偏振比，忽略响应度与角分辨灵敏度，无法反映实际应用需求。如何突破偏振–响应度–速度的固有制衡，实现中红外高性能多维光信息探测，已成为该领域的核心挑战。

据麦姆斯咨询报道，近日，电子科技大学和新加坡南洋理工大学（Nanyang Technological University）的研究团队提出偏振光电压场效应晶体管（PPFET）新架构，基于BP/MoS₂范德华异质结，将偏振光伏响应与晶体管放大机制集成于单一器件。通过栅压调控跨导在线性放大区实现“拉伸型”偏振增强，在3.5 μm中红外波段实现偏振比高达510、偏振角灵敏度（PAS）46.57 mA/(W・degree)、响应时间低至0.8 μs，并成功实现四像素中红外偏振成像验证，为紧凑型高精度中红外偏振成像系统提供全新技术路径。相关研究成果以“Polarization Photovoltage Transistor enabling Amplified Responsivity and Sensitivity”为题发表在Nature Communications期刊上。

PPFET器件设计与工作机制

PPFET采用BP/MoS₂面内异质结晶体管架构：以各向异性BP作为中红外吸收层与偏振敏感单元，以高迁移率MoS₂作为导电沟道，石墨烯修饰Au电极确保欧姆接触，顶层BP同时作为结型栅极，形成N沟道耗尽型结栅场效应晶体管。图1展示了PPFET的设计理念与性能优势。

图1 PPFET的器件架构与特性

研究人员通过TCAD模拟了器件内部的光电物理机制，相关结果如图2所示。

图2 PPFET的载流子动力学与电场变化

PPFET光电性能表征与栅压调控规律

传统高偏振比策略依赖引入负响应分量压缩偏振曲线，牺牲响应度；而PPFET通过栅压调控跨导非线性演化，实现偏振响应曲线“拉伸放大”，在提升偏振比的同时增强响应度。图3系统展示了器件的偏振放大机制与性能。结果表明，超高偏振比不等同于最优角灵敏度，通过栅压平衡偏振比与响应度，可实现最佳偏振角度分辨能力。

图3 BP/MoS₂耗尽型N沟道PPFET的中红外偏振响应特性

研究人员对PPFET在提升响应度的同时不牺牲速度进行了验证，相关结果如图4所示。结果显示，晶体管放大效应使响应度大幅提升，优异的速度特性源于光伏–场效应耦合机制，不依赖陷阱充放电，突破传统光门控“高增益=慢速度”瓶颈。

图4 放大的响应度与保持的响应速度表征

PPFET的中红外偏振成像与应用验证

最后，研究人员展示了PPFET在中红外高精度偏振成像的实际应用，通过构建单像素扫描成像系统，在放大模式（V_ds=1.5 V，V_tgs=-0.1 V）下对“MIR”图案靶标成像；构建了四像素偏振探测模型，并成功实现中红外偏振成像，相关结果如图5所示。

图5 PPFET的中红外偏振成像演示

总结

综上所述，这项研究设计并制备了新型BP/MoS₂ PPFET，通过将界面偏振光伏效应与结型场效应晶体管放大机制有机融合，从原理上突破中红外偏振探测器长期存在的偏振比–响应度–响应速度三者制衡难题。该PPFET平台为发展室温、高灵敏、快速响应的片上集成中红外偏振探测与成像系统提供了全新路径，在智能感知、加密通信、生物医学诊断等领域具有广阔应用前景。