孙海定 Science Advances | 类雪崩紫外探测：突破高响应与低暗电流瓶颈

发布时间：2026-03-21来源：中国光学

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本文由论文作者团队投稿

导读

在自然界和工业环境中，人眼不可见的紫外光蕴含着丰富的信息，例如火焰燃烧、电晕放电以及生物分子特征等。紫外探测技术不仅需要能够捕捉微弱的紫外辐射信号，还需要通过高信噪比的光电转换，实现对目标的精准感知与识别。因此，发展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，难以实现极弱信号的精准探测。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。

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，成功研制出一种高性能紫外光电倍增型探测器，并完成弱紫外光探测与硬件成像验证。团队提出“非晶化-重结晶”两步走工艺构建超薄非晶/结晶氮化镓异质结构，并利用界面陷阱辅助的空间电荷限制电流传导机制，在低工作电压下实现了类雪崩的非线性光电流倍增效应。该设计避免了传统紫外雪崩器件必须依靠高压驱动且严重依赖碰撞电离效应所导致的暗电流急剧增加的挑战，突破了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，实现了超高响应度>10⁷ A/W和极低暗电流~1 pA的弱紫外类雪崩探测，性能远超商用光电倍增管，为弱光工况下实现高增益雪崩探测提供新的器件范式。

相关研究以“Triggering avalanche-like ultraviolet photomultiplication phenomena in ultrathin amorphous/crystalline gallium nitride heterostructures”为题，于2026年3月11日在线发表于期刊Science Advances。该论文的共同第一作者为博士研究生罗东阳、博士后张昊宸和特任副研究员闫勇，孙海定教授是本论文的唯一通讯作者，武汉大学刘胜院士、澳大利亚国立大学傅岚教授对该工作提供了重要支持和指导。

为克服传统紫外倍增探测器件的性能桎梏，iGaN实验室创新性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，成功攻克高增益、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，实现了显著且稳定的类雪崩非线性光电流倍增效应（图1c）。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，该款新型器件不仅具备优异的光电增益与超高响应度>10⁷ A/W，远超商用光电倍增管1-2个数量级（图1d），更实现了暗电流2-3个数量级的大幅抑制在~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。

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。

图源：Science Advances

未来展望

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，为突破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，有望实现更高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。正如宽禁带半导体在电力电子和固态照明领域引发的重要技术变革一样，这种基于非晶/结晶异质界面工程的新型光电倍增技术的研制成功，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。

论文信息

Dongyang Luo et al. ,Triggering avalanche-like ultraviolet photomultiplication phenomena in ultrathin amorphous/crystalline gallium nitride heterostructures. Sci. Adv.12,eaea7319(2026).

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

作者介绍

通讯作者

孙海定，中国科学技术大学微电子学院教授/博导，中科大iGaN实验室负责人，入选国家优青，安徽省杰青，中国科学院高层次人才计划等人才项目。长期致力于氮化镓（GaN）半导体材料外延、紫外光电器件和电子器件设计与制备研究。共发表SCI论文180+篇，ESI高被引论文10+篇，Google引用8500+，其中以通讯作者发表包括Nature Photonics（1篇），Nature Electronics（3篇，其中1篇封面），Nature Com.（2篇）等国际重要SCI论文100+篇和4篇IEDM等国际电子器件顶会论文。受邀撰写4本专著章节，获国内外专利授权20余项，部分技术与工业界合作已经产业化。受邀担任IEDM/CLEO/IEEE IPC等多个国际电子/光电子器件领域顶会的组委会委员和TPC成员，并担任多个国际期刊如IEEE Photonics Technology Letters副主编以及Journal of Semiconductor、Nano-Micro Letters、和 Material Today Electronics 等期刊青年编委。以项目负责人主持多项国家重点研发计划、国家基金委等项目等国家级项目，连续5年入选科睿唯安全球前2%顶尖科学家榜单（World's Top 2% Scientists，2021-2025）并入选爱思唯尔“中国高被引学者”榜单（2024-2025）。

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编辑：赵唯

审核：赵阳

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