在光電融合的今天， SiC作為寬禁帶半導(dǎo)體的代表，不僅可作為高壓大電流MOSFET和IGBT功率器件的核心材料，同時(shí)在光電探測(cè)領(lǐng)域發(fā)揮重要應(yīng)用。SiC雪崩探測(cè)器（APD），由于能夠吸收微弱光子信號(hào)而產(chǎn)生光生載流子，在高電場(chǎng)中對(duì)晶格的碰撞電離產(chǎn)生高增益光電流而引起國(guó)際的高度關(guān)注，在激光雷達(dá)、化學(xué)傳感、火焰探測(cè)、天氣監(jiān)測(cè)及光通信等領(lǐng)域具有重要應(yīng)用。
通常，傳統(tǒng)雪崩光電探測(cè)器需在95%臨界電場(chǎng)下以蓋革模式工作以獲得高增益，但此工作模式存在以下挑戰(zhàn)：首先，器件在完全雪崩狀態(tài)會(huì)增加擊穿風(fēng)險(xiǎn)，需使用淬滅電路以防止永久性損傷，這顯著增加了實(shí)際應(yīng)用的復(fù)雜性；其次，持續(xù)的蓋革模式工作會(huì)產(chǎn)生電應(yīng)力，影響傳統(tǒng)器件的長(zhǎng)期穩(wěn)定性和工作壽命；此外，蓋革模式下的寬帶隙雪崩光電探測(cè)器需要較高驅(qū)動(dòng)電壓（通常高于100 V），難以滿足低工作電壓應(yīng)用場(chǎng)景的需求。因此，開(kāi)發(fā)能夠在較低電壓下實(shí)現(xiàn)高增益、無(wú)需淬滅電路且具有高穩(wěn)定性的寬帶隙半導(dǎo)體雪崩光電探測(cè)器至關(guān)重要，此類突破將大幅拓展雪崩光電探測(cè)器的應(yīng)用領(lǐng)域。
近日，廈門大學(xué)張榮院士團(tuán)隊(duì)張峰、傅德頤教授課題組和楊志林教授課題組聯(lián)合中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體所王智杰研究員和江南大學(xué)王繼成教授針對(duì)現(xiàn)有SiC紫外雪崩光電探測(cè)器面臨的高雪崩擊穿電壓、復(fù)雜淬滅電路依賴，以及在蓋格模式雪崩工作時(shí)易出現(xiàn)器件擊穿的挑戰(zhàn)，提出一種基于SiC PiN微孔和Al納米三角陣列結(jié)構(gòu)的新型雪崩探測(cè)器。該器件利用SiC微孔中Al納米顆粒的避雷針效應(yīng)與局域表面等離激元的協(xié)同作用，顯著增強(qiáng)SiC表面的局域電場(chǎng)，在14.5 V即展現(xiàn)出雪崩效應(yīng)，具有高達(dá)2 × 1013 Jones的高探測(cè)率、納秒級(jí)的響應(yīng)時(shí)間，并且無(wú)需淬滅電路即可實(shí)現(xiàn)重復(fù)穩(wěn)定的光信號(hào)探測(cè)。這一成果不僅為開(kāi)發(fā)雪崩光電探測(cè)器開(kāi)辟了新路徑，還為寬帶隙光電器件、量子器件及光電子集成電路的研制提供重要參考。
圖1. 局域雪崩SiC紫外光電探測(cè)器與陣列。
圖2. 局域雪崩SiC光電探測(cè)器光電特性與國(guó)際同類器件性能對(duì)比。
本研究通過(guò)將Al納米三角陣列結(jié)構(gòu)的局域表面等離激元共振與避雷針效應(yīng)相結(jié)合，有效增強(qiáng)微孔結(jié)構(gòu)中SiC雪崩光電二極管的局域電場(chǎng)強(qiáng)度。對(duì)于帶有Al納米顆粒的4 μm 微孔器件，實(shí)現(xiàn)14.5 V的低雪崩電壓，超過(guò)104的高雪崩增益，2 × 1013 Jones的高探測(cè)率，與國(guó)際同類研究相比處于領(lǐng)先水平。具體測(cè)試結(jié)果顯示，在低反向偏壓時(shí)，器件光電流維持在10-9 ~10-8 A之間，暗電流穩(wěn)定在10-14 A。帶有Al三角陣列結(jié)構(gòu)的不同微孔器件在15 V反向偏壓陸續(xù)開(kāi)啟局域雪崩效應(yīng)，并且隨著電壓的增大，局域雪崩效果更明顯，雪崩增益大幅提高。通過(guò)對(duì)該器件的局域雪崩機(jī)制研究發(fā)現(xiàn)：Al納米顆粒尖端處在電場(chǎng)下由于電荷聚集的避雷針效應(yīng)會(huì)產(chǎn)生較高的電場(chǎng)。器件在15 V偏壓下，Al納米顆粒尖端在SiC微孔中的電場(chǎng)強(qiáng)度高達(dá)2.28 MV/cm。通過(guò)該電場(chǎng)調(diào)控方式，足以引起器件局部區(qū)域的雪崩效應(yīng)。此外，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)該探測(cè)器長(zhǎng)期重復(fù)工作一致性非常優(yōu)秀，其響應(yīng)時(shí)間達(dá)到納秒量級(jí)，該器件整體性能優(yōu)秀且非常接近產(chǎn)業(yè)應(yīng)用，為將來(lái)與Si和GaAs等低壓雪崩探測(cè)器的集成奠定重要基礎(chǔ)。
相關(guān)研究成果以“Local Avalanche Photodetectors Driven by Lightning-rod Effect and Surface Plasmon Excitations” 為題，于2025年12月3日發(fā)表在Nature Communications上。廈門大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院2020級(jí)博士生付釗與2024級(jí)博士生劉佳為本文共同第一作者，廈門大學(xué)張榮院士、張峰教授等為本文共同通訊作者。
該研究成果得到國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、江西省自然科學(xué)基金及福建省科技計(jì)劃項(xiàng)目的資助。
文章鏈接：https://doi.org/10.1038/s41467-025-66790-w
