【仪表网 研发快讯】实验室里，一块镶嵌着铝纳米三角阵列的碳化硅芯片在仅14.5伏的电压下，成功捕捉到微弱的紫外光信号——这个电压比传统技术降低了近十倍。
一组来自厦门大学的研究人员找到了一种巧妙方法，让碳化硅雪崩探测器告别了高电压和复杂电路的束缚。
研究团队设计出一种将铝纳米三角阵列嵌入碳化硅微孔中的新型结构，利用金属尖端的“避雷针效应”和表面等离子激元的协同作用，在局部区域形成超高电场。
这项创新使得探测器的雪崩电压从通常的100伏以上骤降至仅14.5伏，同时实现了超过10^4的高雪崩增益和2×10^13琼斯的高探测率。
01 技术瓶颈
在光电探测领域，碳化硅作为第三代宽禁带半导体材料，因其优异的光电性能和耐高压、耐高温特性而备受关注。
尤其是在紫外探测、激光雷达、化学传感等领域，碳化硅雪崩探测器因其能够将微弱光子信号转化为高增益光电流而潜力巨大。
这类探测器通常需要在接近击穿电场的“盖革模式”下工作以获得高增益，这一工作模式存在一系列挑战。
传统碳化硅雪崩探测器需要高于100伏的驱动电压，这不仅增加了系统功耗和设计复杂性，还限制了在便携式和低功耗设备中的应用。雪崩击穿风险导致传统器件需要依赖复杂的淬灭电路，以防止器件永久性损伤。
持续的盖革模式工作会产生电应力，影响器件的长期稳定性和工作寿命。
02 创新结构
面对这些挑战，厦门大学物理科学与技术学院张荣院士团队与多个研究组合作，提出了一种全新的解决方案。
研究团队设计了一种基于碳化硅微孔和铝纳米三角阵列结构的新型雪崩探测器，将铝纳米三角阵列精确集成到碳化硅微孔结构中。
这一设计的核心在于巧妙利用两种物理效应的协同作用：铝纳米颗粒尖端的“避雷针效应”会产生极高的局部电场；局域表面等离激元共振可以进一步增强电场并提高光吸收效率。
当施加反向偏压时，铝纳米颗粒尖端因电荷聚集形成的超高电场，足以在局部区域引发雪崩效应，而无需整个器件都处于高电场状态。
03 性能突破
实验结果显示，这种新型结构带来了令人瞩目的性能突破。带有铝纳米颗粒的4微米微孔器件在仅14.5伏的低压下就展现出明显的雪崩效应。
这一电压值远低于传统碳化硅雪崩探测器通常需要的100伏以上工作电压，也低于其他同类研究报道的最佳值。器件实现了超过10^4的高雪崩增益和2×10^13琼斯的高探测率，响应时间达到纳秒级别。
在低反向偏压时，器件光电流稳定在10^-9~10^-8安培之间，暗电流低至10^-14安培水平。随着电压从15伏逐渐增大，局域雪崩效果变得更加明显，雪崩增益大幅提高。
通过对器件工作机制的研究，团队发现铝纳米颗粒尖端在碳化硅微孔中的电场强度高达2.28 MV/cm，这一电场强度足以引发局部雪崩。
04 团队贡献
这项研究的成功凝聚了多个研究团队的合作与努力。厦门大学物理科学与技术学院2020级博士生付钊与2024级博士生刘佳为本文共同第一作者。
张荣院士、张峰教授等为共同通讯作者，研究还得到了中国科学院半导体所王智杰研究员和江南大学王继成教授的协作支持。
这项研究成果已发表在《自然·通讯》期刊上，标题为“Local Avalanche Photodetectors Driven by Lightning-rod Effect and Surface Plasmon Excitations”(由避雷针效应和表面等离子激元激发的局域雪崩光电探测器)。
研究得到国家自然科学基金、国家重点研发计划、江西省自然科学基金及福建省科技计划项目的资助。
实验数据显示，这种新型探测器在14.5伏的低压下已经能够稳定工作，暗电流仅为10^-14安培，而传统碳化硅雪崩探测器通常需要超过100伏的电压才能启动。
铝纳米三角阵列在微孔中形成的局部电场强度达到了2.28 MV/cm，完全颠覆了传统雪崩探测器需要整个器件区域都处于高电场的思路。
更为重要的是，这种新型探测器不需要复杂的淬灭电路，极大地简化了实际应用中的系统设计，同时提高了器件的长期工作稳定性和使用寿命。
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