中科大孙海定等Science子刊：基于非晶/单晶氮化镓异质结类雪崩紫外光电探测

近日，中国科学技术大学集成电路学院孙海定教授iGaN实验室，联合武汉大学刘胜院士团队在《Science Advances》发表一篇题为“Triggering avalanche-like ultraviolet photomultiplication phenomena in ultrathin amorphous/crystalline gallium nitride heterostructures”的研究论文。该研究首次提出在超薄非晶GaON/晶体GaN异质结中触发了类雪崩的非线性光电倍增行为，克服了常规雪崩探测中高响应度与低暗电流之间的固有权衡和相互制约的瓶颈。

高性能的紫外探测器，对于工业检测、环境监测、空间探测以及光通信等应用领域具有重要意义。针对微弱紫外信号的高灵敏探测需求，尽管传统雪崩光电二极管（APD）凭借内部雪崩碰撞电离效应实现信号增益，但其物理机制高度依赖强外电场驱动（百千伏电压），在放大有效光信号的同时，会同步诱发剧烈的暗电流激增效应，直接制约器件最终探测灵敏度与信噪比的提升，难以实现弱光信号的精准探测。而商用光电倍增管（PMT）虽凭借真空光电效应与多级电子倍增实现了优异的增益性能，却存在体积庞大、工作电压极高、机械稳定性差、易破碎、无法与半导体工艺兼容实现片上集成等固有缺陷，无法满足未来光电系统低功耗、微型化、智能化集成的发展诉求。

为克服传统紫外倍增探测器件的性能桎梏，iGaN实验室创新地提出基于类雪崩倍增效应赋能的新型高灵敏度紫外探测方案，克服了在传统光电倍增管中高增益、高响应度与低暗电流难以同时兼得的核心技术难题。研究团队通过精准调控等离子体表面处理与高温退火工艺参数，定向构建出非晶GaON/结晶GaN新型异质结构（图1a），并基于该异质结构进一步研发出适配微型化集成的叉指电极两端型紫外探测器件（图1b）。该器件依托非晶GaON功能层中镓空位缺陷介导的空间电荷限制电流传导机制，在工作电压高于20 V、入射紫外光强低至0.1 μW/cm²的弱光条件下，实现了显著且稳定的类雪崩非线性光电流倍增效应（图1c）。核心性能测试结果表明，在类雪崩倍增效应的驱动下，器件光电流随外加电压提升可实现6个数量级的指数级增长，与此同时，器件暗电流始终稳定控制在1 pA以下，实现了超高光电增益与超低静态功耗的双重兼顾，提升了器件探测信噪比与弱光探测能力。与当前国内外已报道的紫外雪崩二极管及商用光电倍增管相比，该新型器件不仅具备优异的光电增益与高响应度>10⁷ A/W，高于商用光电倍增管1-2个数量级（图1d），并将暗电流抑制在~1 pA（图1e）。此外，得益于紧凑型半导体平面化结构设计，该器件相较于体积庞大的商用光电倍增管，具备极致的微型化尺寸优势（图1f），可适配低功耗、片上集成、便携式微型光电芯片等前沿应用场景，为下一代高性能集成紫外探测系统提供了新的技术路径与核心器件支撑。

图1：类雪崩倍增效应赋能的高灵敏度紫外探测器：（a）非晶GaON/结晶GaN异质结构示意图及透射电子显微镜图片，（b）器件结构示意图，（c）器件在不同光强下的电流-电压特性，（d）响应度性能对比，（e）暗电流性能对比，（f）本工作器件与商用光电倍增管的尺寸对比。

基于研制的器件阵列，研究团队进一步开展了硬件紫外成像应用的概念验证。团队首先设计了完整的硬件与软件系统架构（图2a），并制备了用于器件阵列寻址读出的板级电路（图2b），构建出紫外成像系统（图2c）。在35 V工作电压下，器件触发类雪崩光电流倍增效应，使阵列能够实现对微弱紫外光信号的有效探测，并显著提高成像图案的信噪比（图2d）。该结果展示了这种高灵敏度紫外探测器阵列在弱紫外光成像应用中具有良好的性能表现与广阔的应用潜力。

图2：基于紫外探测器阵列的成像应用验证：（a）系统架构示意图，（b）阵列读出电路板照片,（c）紫外成像系统示意图，（d）不同光强条件下的成像结果。

该工作提出并验证了一种基于类雪崩光电倍增效应的高灵敏紫外探测器，为克服传统紫外探测器在高增益与低暗电流之间的性能权衡提供了新的解决思路。未来，通过进一步调控非晶/结晶异质界面的缺陷结构与材料组成，并结合先进的半导体微纳加工技术，有望实现优异性能的紫外探测器件。

与此同时，该器件结构与现有氮化镓半导体工艺体系高度兼容，具备良好的阵列化和规模化制造潜力。通过进一步提升器件阵列规模，并结合片上读出电路与信号处理模块，有望构建高分辨率高性能紫外成像芯片，为高灵敏度环境监测、深空探测以及生物医疗成像等领域提供新的解决方案。

论文链接：

Dongyang Luo^#, Haochen Zhang^#, Yong Yan^#, Haiding Sun* et al. “Triggering avalanche-like ultraviolet photomultiplication phenomena in ultrathin amorphous/crystalline gallium nitride heterostructures” Sci. Adv. 12, eaea7319 (2026).

https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.aea7319

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