1 工作简介

         ——突破SiC雪崩探测器技术瓶颈，新型结构实现低电压高增益探测

近日，厦门大学张荣院士团队张峰、傅德颐教授课题组和杨志林教授课题组联合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针对现有SiC紫外雪崩光电探测器面临的高雪崩击穿电压、复杂淬灭电路依赖，以及在盖格模式雪崩工作时易出现器件击穿的挑战，提出一种基于SiC PiN微孔和Al纳米三角阵列结构的新型雪崩探测器。该器件利用SiC微孔中Al纳米颗粒的避雷针效应与局域表面等离激元的协同作用，显著增强SiC表面的局域电场，在14.5 V即展现出雪崩效应，具有高达2 × 10¹³ Jones的高探测率、纳秒级的响应时间，并且无需淬灭电路即可实现重复稳定的光信号探测。这一成果不仅为开发雪崩光电探测器开辟了新路径，还为宽带隙光电器件、量子器件及光电子集成电路的研制提供重要参考。

图1. 局域雪崩SiC紫外光电探测器与阵列。

图2. 局域雪崩SiC光电探测器光电特性与国际同类器件性能对比。

本研究通过将Al纳米三角阵列结构的局域表面等离激元共振与避雷针效应相结合，有效增强微孔结构中SiC雪崩光电二极管的局域电场强度。对于带有Al纳米颗粒的4 μm 微孔器件，实现14.5 V的低雪崩电压，超过10⁴的高雪崩增益，2 × 10¹³ Jones的高探测率，与国际同类研究相比处于领先水平。具体测试结果显示，在低反向偏压时，器件光电流维持在10^-9~10^-8 A之间，暗电流稳定在10^-14 A。带有Al三角阵列结构的不同微孔器件在15 V反向偏压陆续开启局域雪崩效应，并且随着电压的增大，局域雪崩效果更明显，雪崩增益大幅提高。通过对该器件的局域雪崩机制研究发现：Al纳米颗粒尖端处在电场下由于电荷聚集的避雷针效应会产生较高的电场。器件在15 V偏压下，Al纳米颗粒尖端在SiC微孔中的电场强度高达2.28 MV/cm。通过该电场调控方式，足以引起器件局部区域的雪崩效应。此外，实验发现该探测器长期重复工作一致性非常优秀，其响应时间达到纳秒量级，该器件整体性能优秀且非常接近产业应用，为将来与Si和GaAs等低压雪崩探测器的集成奠定重要基础。

相关研究成果以“Local Avalanche Photodetectors Driven by Lightning-rod Effect and Surface Plasmon Excitations” 为题，于2025年12月3日发表在Nature Communications上。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，厦门大学张荣院士、张峰教授等为本文共同通讯作者。

该研究成果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。

2 主要作者简介

通讯作者

张峰，厦门大学物理科学与技术学院特聘教授、博士生导师、国家青年“973”计划首席科学家。

从事宽禁带半导体SiC强场器件的载流子输运研究工作并取得系统性研究成果：率先研制10 kV 50 A/cm² p沟道SiC IGBT器件，通过国家电网测试验证。国际上率先将1200 V SiC功率器件其应用到电动汽车充电装备中。同时，围绕宽禁带半导体雪崩光电探测器及单光子探测器的基本科学问题，研究局域雪崩探测器的物理机理与规律，成功将100 V雪崩电压降到15 V。先后获中国科学院青年创新促进会优秀会员、第三代半导体卓越创新青年、福建省杰出青年科学基金等荣誉。现任中国电子学会高级会员，中国电机工程学会电力电子器件专业委员会委员，以及学术期刊《半导体学报》编委。迄今在Nature Communications, AFM, Small, IEEE EDL, APL等SCI期刊发表论文100余篇，授权发明专利20余项。

通讯作者

张荣，中国科学院院士，厦门大学教授，博士生导师。

长期致力于半导体新材料、器件和物理研究，是我国最早从事宽禁带半导体研究的科学家之一。先后主持国家“973”计划、“863”计划、国家自然科学基金重大项目等数十项国家和地方重大研究课题。在解决基础物理问题、攻克材料制备难题的基础上，成功研制新型高性能紫外探测和固态光源器件，开拓高灵敏日盲紫外探测成像等重要应用领域，取得了系统性、创造性成就，产生重大社会经济效益。工作受到国际学术同行高度重视和评价。授权发明专利136件（国际9件），发表SCI论文478篇（7篇入选ESI高被引论文），被SCI论文他引近万次。获国家技术发明二等奖（排1，2016）、国家自然科学二等奖（排2，2004）和国家技术发明三等奖（排2，1999）各1项、何梁何利科学与技术进步奖（2018）、省部级科技一等奖3项（均排1）。长期担任相关领域国家科技计划专家组成员，并在该领域重要国际会议长期任职，对推动我国宽禁带半导体科学技术发展做出了重大贡献。

3 原文传递

https://doi.org/10.1038/s41467-025-66790-w