北京
隨著集成光電子技術(shù)的飛速發(fā)展，紫外光探測在火焰檢測、電暈監(jiān)測及深空探測等領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。然而，如何在維持超低暗電流的同時實現(xiàn)高增益，并兼顧器件的微型化集成，一直是制約高性能紫外探測器發(fā)展的核心難題。
近日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)集成電路學(xué)院孫海定教授團(tuán)隊聯(lián)合武漢大學(xué)劉勝院士團(tuán)隊，在紫外倍增探測領(lǐng)域取得突破性進(jìn)展。研究成果以“Triggering avalanche-like ultraviolet photomultiplication phenomena in ultrathin amorphous/crystalline gallium nitride heterostructures”為題在線發(fā)表在國際頂級期刊《科學(xué)進(jìn)展》（Science Advances）上。
https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.aea7319
核心創(chuàng)新：突破高增益與低暗電流的“魚與熊掌”困局
在弱紫外信號探測中，傳統(tǒng)雪崩光電二極管（APD）依賴強(qiáng)外電場驅(qū)動（百千伏電壓），在放大信號的同時常誘發(fā)劇烈的暗電流激增；而商用光電倍增管（PMT）雖性能優(yōu)異，卻存在體積大、易破碎且無法片上集成等缺陷。
針對上述瓶頸，孫海定教授課題組提出了一種全新的界面調(diào)控設(shè)計方案，如圖1所示：
“非晶化-重結(jié)晶”兩步法工藝：團(tuán)隊通過精準(zhǔn)調(diào)控等離子體表面處理與高溫退火參數(shù)，在結(jié)晶氮化鎵（GaN）表面定向構(gòu)建出超薄的非晶氧氮化鎵（a-GaON）功能層，形成新型異質(zhì)結(jié)構(gòu)。
類雪崩非線性倍增機(jī)制：利用非晶層中鎵空位缺陷介導(dǎo)的界面陷阱輔助空間電荷限制電流（SCLC）傳導(dǎo)機(jī)制。該機(jī)制使器件在較低工作電壓下即可觸發(fā)類雪崩的光電流倍增效應(yīng)，規(guī)避了傳統(tǒng)碰撞電離帶來的暗電流激增挑戰(zhàn)。
圖1 非晶GaON/GaN異質(zhì)結(jié)及其類雪崩紫外光探測性能
性能躍升：刷新行業(yè)記錄，性能遠(yuǎn)超PMT
實驗結(jié)果顯示，該款基于非晶/結(jié)晶異質(zhì)界面的探測器實現(xiàn)了多項性能指標(biāo)的跨越式提升：
超高響應(yīng)度：達(dá)到A/W（最高值達(dá)A/W），較商用PMT高出1-2個數(shù)量級。
極低暗電流：始終穩(wěn)定控制在pA（最低達(dá)pA），較傳統(tǒng)技術(shù)抑制了2-3個數(shù)量級。
超高信噪比：光電流隨偏壓可實現(xiàn)6個數(shù)量級的指數(shù)增長，確保了極弱光環(huán)境下的精準(zhǔn)感知。
極致微型化：不同于龐大的真空管PMT，該器件采用緊湊型半導(dǎo)體平面化設(shè)計（叉指電極結(jié)構(gòu)），極大地方便了低功耗、片上集成及便攜式光電芯片的應(yīng)用。
總結(jié)與展望
為驗證其實際應(yīng)用價值，研究團(tuán)隊構(gòu)建了硬件紫外成像系統(tǒng)。實驗表明，在35V工作電壓下觸發(fā)類雪崩效應(yīng)后，探測陣列能對微弱紫外信號進(jìn)行有效捕捉，顯著提升了成像圖案的信噪比。
圖2 探測器陣列及其成像效果
展望未來，孫海定教授表示，該器件結(jié)構(gòu)與現(xiàn)有的氮化鎵半導(dǎo)體工藝體系高度兼容，具備優(yōu)異的陣列化和規(guī)?；圃鞚摿?/b>。通過進(jìn)一步結(jié)合片上讀出電路與信號處理模塊，有望開發(fā)出高分辨率、高性能的紫外成像芯片，為環(huán)境監(jiān)測、生物醫(yī)療成像及深空探測提供全新的“中國方案”。
團(tuán)隊介紹
通訊作者：孫海定，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)微電子學(xué)院教授、博導(dǎo)，iGaN實驗室負(fù)責(zé)人。入選國家優(yōu)青、安徽省杰青及全球前2%頂尖科學(xué)家榜單。長期致力于GaN半導(dǎo)體材料外延、紫外光電器件設(shè)計與制備研究，在Nature Photonics、Nature Electronics等頂級期刊發(fā)表多篇高影響力論文。
致謝：本研究得到國家自然科學(xué)基金、安徽省自然科學(xué)基金等項目支持。武漢大學(xué)劉勝院士、澳大利亞國立大學(xué)傅嵐教授對該工作提供了重要指導(dǎo)。
本文來自“材料科學(xué)與工程”公眾號，感謝論文作者團(tuán)隊支持。
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