【儀表網 研發(fā)快訊】實驗室里，一塊鑲嵌著鋁納米三角陣列的碳化硅芯片在僅14.5伏的電壓下，成功捕捉到微弱的紫外光信號——這個電壓比傳統(tǒng)技術降低了近十倍。
一組來自廈門大學的研究人員找到了一種巧妙方法，讓碳化硅雪崩探測器告別了高電壓和復雜電路的束縛。
研究團隊設計出一種將鋁納米三角陣列嵌入碳化硅微孔中的新型結構，利用金屬尖端的“避雷針效應”和表面等離子激元的協同作用，在局部區(qū)域形成超高電場。
這項創(chuàng)新使得探測器的雪崩電壓從通常的100伏以上驟降至僅14.5伏，同時實現了超過10^4的高雪崩增益和2×10^13瓊斯的高探測率。
01 技術瓶頸
在光電探測領域，碳化硅作為第三代寬禁帶半導體材料，因其優(yōu)異的光電性能和耐高壓、耐高溫特性而備受關注。
尤其是在紫外探測、激光雷達、化學傳感等領域，碳化硅雪崩探測器因其能夠將微弱光子信號轉化為高增益光電流而潛力巨大。
這類探測器通常需要在接近擊穿電場的“蓋革模式”下工作以獲得高增益，這一工作模式存在一系列挑戰(zhàn)。
傳統(tǒng)碳化硅雪崩探測器需要高于100伏的驅動電壓，這不僅增加了系統(tǒng)功耗和設計復雜性，還限制了在便攜式和低功耗設備中的應用。雪崩擊穿風險導致傳統(tǒng)器件需要依賴復雜的淬滅電路，以防止器件永久性損傷。
持續(xù)的蓋革模式工作會產生電應力，影響器件的長期穩(wěn)定性和工作壽命。
02 創(chuàng)新結構
面對這些挑戰(zhàn)，廈門大學物理科學與技術學院張榮院士團隊與多個研究組合作，提出了一種全新的解決方案。
研究團隊設計了一種基于碳化硅微孔和鋁納米三角陣列結構的新型雪崩探測器，將鋁納米三角陣列精確集成到碳化硅微孔結構中。
這一設計的核心在于巧妙利用兩種物理效應的協同作用：鋁納米顆粒尖端的“避雷針效應”會產生極高的局部電場；局域表面等離激元共振可以進一步增強電場并提高光吸收效率。
當施加反向偏壓時，鋁納米顆粒尖端因電荷聚集形成的超高電場，足以在局部區(qū)域引發(fā)雪崩效應，而無需整個器件都處于高電場狀態(tài)。
03 性能突破
實驗結果顯示，這種新型結構帶來了令人矚目的性能突破。帶有鋁納米顆粒的4微米微孔器件在僅14.5伏的低壓下就展現出明顯的雪崩效應。
這一電壓值遠低于傳統(tǒng)碳化硅雪崩探測器通常需要的100伏以上工作電壓，也低于其他同類研究報道的最佳值。器件實現了超過10^4的高雪崩增益和2×10^13瓊斯的高探測率，響應時間達到納秒級別。
在低反向偏壓時，器件光電流穩(wěn)定在10^-9~10^-8安培之間，暗電流低至10^-14安培水平。隨著電壓從15伏逐漸增大，局域雪崩效果變得更加明顯，雪崩增益大幅提高。
通過對器件工作機制的研究，團隊發(fā)現鋁納米顆粒尖端在碳化硅微孔中的電場強度高達2.28 MV/cm，這一電場強度足以引發(fā)局部雪崩。
04 團隊貢獻
這項研究的成功凝聚了多個研究團隊的合作與努力。廈門大學物理科學與技術學院2020級博士生付釗與2024級博士生劉佳為本文共同第一作者。
張榮院士、張峰教授等為共同通訊作者，研究還得到了中國科學院半導體所王智杰研究員和江南大學王繼成教授的協作支持。
這項研究成果已發(fā)表在《自然·通訊》期刊上，標題為“Local Avalanche Photodetectors Driven by Lightning-rod Effect and Surface Plasmon Excitations”(由避雷針效應和表面等離子激元激發(fā)的局域雪崩光電探測器)。
研究得到國家自然科學基金、國家重點研發(fā)計劃、江西省自然科學基金及福建省科技計劃項目的資助。
實驗數據顯示，這種新型探測器在14.5伏的低壓下已經能夠穩(wěn)定工作，暗電流僅為10^-14安培，而傳統(tǒng)碳化硅雪崩探測器通常需要超過100伏的電壓才能啟動。
鋁納米三角陣列在微孔中形成的局部電場強度達到了2.28 MV/cm，完全顛覆了傳統(tǒng)雪崩探測器需要整個器件區(qū)域都處于高電場的思路。
更為重要的是，這種新型探測器不需要復雜的淬滅電路，極大地簡化了實際應用中的系統(tǒng)設計，同時提高了器件的長期工作穩(wěn)定性和使用壽命。
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