【儀表網(wǎng) 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(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，讓碳化硅雪崩探測器告別了高電壓和復(fù)雜電路的束縛。
研究團(tuán)隊設(shè)計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。
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(xiàn)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(shù)瓶頸
在光電探測領(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、激光雷達(dá)、化學(xué)傳感等領(lǐng)域，碳化硅雪崩探測器因其能夠?qū)⑽⑷豕庾有盘栟D(zhuǎn)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(qū)動電壓，這不僅增加了系統(tǒng)功耗和設(shè)計復(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)的蓋革模式工作會產(chǎn)生電應(yīng)力，影響器件的長期穩(wěn)定性和工作壽命。
02 創(chuàng)新結(jié)構(gòu)
面對這些挑戰(zhàn)，廈門大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院張榮院士團(tuán)隊與多個研究組合作，提出了一種全新的解決方案。
研究團(tuán)隊設(shè)計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)”會產(chǎn)生極高的局部電場；局域表面等離激元共振可以進(jìn)一步增強(qiáng)電場并提高光吸收效率。
當(dāng)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(yīng)，而無需整個器件都處于高電場狀態(tài)。
03 性能突破
實驗結(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(xiàn)了超過10^4的高雪崩增益和2×10^13瓊斯的高探測率，響應(yīng)時間達(dá)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(jī)制的研究，團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)鋁納米顆粒尖端在碳化硅微孔中的電場強(qiáng)度高達(dá)2.28 MV/cm，這一電場強(qiáng)度足以引發(fā)局部雪崩。
04 團(tuán)隊貢獻(xiàn)
這項研究的成功凝聚了多個研究團(tuán)隊的合作與努力。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(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器)。
研究得到國家自然科學(xué)基金、國家重點研發(fā)計劃、江西省自然科學(xué)基金及福建省科技計劃項目的資助。
實驗數(shù)據(jù)顯示，這種新型探測器在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(qiáng)度達(dá)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(fù)雜的淬滅電路，極大地簡化了實際應(yīng)用中的系統(tǒng)設(shè)計，同時提高了器件的長期工作穩(wěn)定性和使用壽命。
所有評論僅代表網(wǎng)友意見，與本站立場無關(guān)。