【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】實(shí)驗(yàn)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(hào)——這個(gè)電壓比傳統(tǒng)技術(shù)降低了近十倍。
一組來自廈門大學(xué)的研究人員找到了一種巧妙方法，讓碳化硅雪崩探測(cè)器告別了高電壓和復(fù)雜電路的束縛。
研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)出一種將鋁納米三角陣列嵌入碳化硅微孔中的新型結(jié)構(gòu)，利用金屬尖端的“避雷針效應(yīng)”和表面等離子激元的協(xié)同作用，在局部區(qū)域形成超高電場(chǎng)。
這項(xiàng)創(chuàng)新使得探測(cè)器的雪崩電壓從通常的100伏以上驟降至僅14.5伏，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了超過10^4的高雪崩增益和2×10^13瓊斯的高探測(cè)率。
01 技術(shù)瓶頸
在光電探測(cè)領(lǐng)域，碳化硅作為第三代寬禁帶半導(dǎo)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(guān)注。
尤其是在紫外探測(cè)、激光雷達(dá)、化學(xué)傳感等領(lǐng)域，碳化硅雪崩探測(cè)器因其能夠?qū)⑽⑷豕庾有盘?hào)轉(zhuǎn)化為高增益光電流而潛力巨大。
這類探測(cè)器通常需要在接近擊穿電場(chǎng)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(cè)器需要高于100伏的驅(qū)動(dòng)電壓，這不僅增加了系統(tǒng)功耗和設(shè)計(jì)復(fù)雜性，還限制了在便攜式和低功耗設(shè)備中的應(yīng)用。雪崩擊穿風(fēng)險(xiǎn)導(dǎo)致傳統(tǒng)器件需要依賴復(fù)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(huì)產(chǎn)生電應(yīng)力，影響器件的長(zhǎng)期穩(wěn)定性和工作壽命。
02 創(chuàng)新結(jié)構(gòu)
面對(duì)這些挑戰(zhàn)，廈門大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院張榮院士團(tuán)隊(duì)與多個(gè)研究組合作，提出了一種全新的解決方案。
研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種基于碳化硅微孔和鋁納米三角陣列結(jié)構(gòu)的新型雪崩探測(cè)器，將鋁納米三角陣列精確集成到碳化硅微孔結(jié)構(gòu)中。
這一設(shè)計(jì)的核心在于巧妙利用兩種物理效應(yīng)的協(xié)同作用：鋁納米顆粒尖端的“避雷針效應(yīng)”會(huì)產(chǎn)生極高的局部電場(chǎng)；局域表面等離激元共振可以進(jìn)一步增強(qiáng)電場(chǎng)并提高光吸收效率。
當(dāng)施加反向偏壓時(shí)，鋁納米顆粒尖端因電荷聚集形成的超高電場(chǎng)，足以在局部區(qū)域引發(fā)雪崩效應(yīng)，而無需整個(gè)器件都處于高電場(chǎng)狀態(tài)。
03 性能突破
實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，這種新型結(jié)構(gòu)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(xiàn)出明顯的雪崩效應(yīng)。
這一電壓值遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)碳化硅雪崩探測(cè)器通常需要的100伏以上工作電壓，也低于其他同類研究報(bào)道的最佳值。器件實(shí)現(xiàn)了超過10^4的高雪崩增益和2×10^13瓊斯的高探測(cè)率，響應(yīng)時(shí)間達(dá)到納秒級(jí)別。
在低反向偏壓時(shí)，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(duì)器件工作機(jī)制的研究，團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)鋁納米顆粒尖端在碳化硅微孔中的電場(chǎng)強(qiáng)度高達(dá)2.28 MV/cm，這一電場(chǎng)強(qiáng)度足以引發(fā)局部雪崩。
04 團(tuán)隊(duì)貢獻(xiàn)
這項(xiàng)研究的成功凝聚了多個(gè)研究團(tuán)隊(duì)的合作與努力。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。
張榮院士、張峰教授等為共同通訊作者，研究還得到了中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體所王智杰研究員和江南大學(xué)王繼成教授的協(xié)作支持。
這項(xiàng)研究成果已發(fā)表在《自然·通訊》期刊上，標(biāo)題為“Local Avalanche Photodetectors Driven by Lightning-rod Effect and Surface Plasmon Excitations”(由避雷針效應(yīng)和表面等離子激元激發(fā)的局域雪崩光電探測(cè)器)。
研究得到國(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。
實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，這種新型探測(cè)器在14.5伏的低壓下已經(jīng)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(cè)器通常需要超過100伏的電壓才能啟動(dòng)。
鋁納米三角陣列在微孔中形成的局部電場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到了2.28 MV/cm，完全顛覆了傳統(tǒng)雪崩探測(cè)器需要整個(gè)器件區(qū)域都處于高電場(chǎng)的思路。
更為重要的是，這種新型探測(cè)器不需要復(fù)雜的淬滅電路，極大地簡(jiǎn)化了實(shí)際應(yīng)用中的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，同時(shí)提高了器件的長(zhǎng)期工作穩(wěn)定性和使用壽命。
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