基于闪电棒效应与表面等离激元激发的局部雪崩光电探测器实现超低工作电压

《Nature Communications》：Local avalanche photodetectors driven by lightning-rod effect and surface plasmon excitations

本研究针对宽禁带雪崩光电探测器（APD）工作电压高、需复杂淬灭电路及热失控等问题，提出了一种结合微孔（MH）结构与铝纳米三角（Al NT）的4H-SiC APD新结构。通过闪电棒效应与表面等离激元协同增强局域电场，器件实现了14.5 V的超低雪崩击穿电压、2×1013 Jones的高探测率及纳秒级响应速度，且无需淬灭电路即可稳定工作，为紫外探测与集成光电器件提供了新方案。

　　

在深空探测、火灾预警等应用领域，能够灵敏探测紫外光的雪崩光电探测器（Avalanche Photodetector, APD）至关重要。传统的宽禁带半导体（如SiC、GaN等）APD虽然具备高增益、快响应等优点，但其发展长期受困于一些固有难题：它们通常需要在接近临界电场（约95%）的盖革模式下工作，以实现高增益，但这导致了极高的雪崩击穿电压（通常≥100 V）。高工作电压不仅增加了系统复杂度和能耗，更关键的是，盖革模式下的雪崩状态极易引发器件永久性击穿，因此必须配备复杂的淬灭电路来保护器件，这大大限制了其实际应用。此外，持续的盖革模式运行会给器件带来应力，影响其长期稳定性和使用寿命。因此，开发一种能够在较低电压下实现高增益、高稳定性且无需淬灭电路的宽禁带APD，成为该领域迫在眉睫的需求。

为了解决这一挑战，厦门大学张荣教授、张峰教授等人领导的研究团队在《Nature Communications》上发表了一项创新性研究。他们巧妙地将半导体微结构设计与金属纳米结构相结合，提出并制备了一种新型的4H-SiC APD。该器件的核心创新在于引入了微孔（Micro-holes, MHs）阵列和铝纳米三角（Al nano-triangles, Al NTs）结构，通过“闪电棒效应”（lightning-rod effect）和“表面等离激元”（surface plasmon excitations）两种物理机制的协同作用，在器件表面特定区域产生极强的局域电场增强，从而在极低的反向偏压下即可触发可控的“局部雪崩”（local avalanche）效应，成功绕过了对传统盖革模式的依赖。

为了开展这项研究，研究人员主要运用了几项关键技术：首先，采用标准光刻与感应耦合等离子体（ICP）刻蚀技术在4H-SiC p-i-n外延片表面制备了不同直径（4 μm, 8 μm, 10 μm）的微孔（MH）阵列，确保刻蚀深度达到本征i层。其次，利用聚苯乙烯（PS）微球自组装模板结合磁控溅射和剥离工艺，在微孔内制备了尺寸（边长80 nm，厚度10 nm）和间距（10 nm至80 nm）可控的铝纳米三角（Al NTs）阵列。器件的光电性能通过半导体参数分析仪和紫外光谱响应测试系统进行表征，内部电场分布和等离激元增强效应则通过TCAD和有限时域差分（FDTD）仿真进行模拟验证。

研究结果

光电性能表征

电流-电压（I-V）特性测量表明，集成有Al NTs的4 μm MH器件在约14.5 V的反向偏压下即开始发生局部雪崩效应。

如图2a所示，具有Al NTs的器件在20-50 V偏压下的光电流达到10^-5~10^-3 A，远高于无Al NTs器件（10^-9~10^-8 A），其增益最高可达10⁴。对不同尺寸MH器件的统计分析显示（图2b），4 μm MH器件具有更集中的雪崩开启电压和更高的增益，这与其横向区域能够完全耗尽、形成更大的局部雪崩区有关。光谱响应测试表明，该器件在280 nm波长处具有峰值响应，在10 V偏压下的探测率高达2.0×10¹³ Jones（图2c）。与国内外其他宽禁带APD相比（图2d），该器件实现了最低的雪崩电压和最高的探测率。长期稳定性测试表明，器件在13,000小时（1.5年）后性能仍保持稳定，且无需淬灭电路。

闪电棒效应与表面等离激元仿真

理论模拟揭示了器件内部电场增强的物理机制。

TCAD仿真显示（图3a），在15 V反向偏压下，4 μm MH器件结合Al NTs能够形成完整的耗尽层，而更大尺寸的MH器件则存在未耗尽区，影响载流子收集。电场分布模拟（图3b）表明，Al NTs尖端在15 V偏压下电场强度可达2.28 MV/cm，足以触发局部雪崩（SiC的雪崩阈值约为1-3 MV/cm）；而无Al NTs的器件在相同位置电场强度仅为0.41 MV/cm。FDTD仿真进一步证实（图3c），在光照下，Al NTs之间的表面等离激元耦合能带来显著的局域场增强，当NTs间距为10 nm时，场增强因子超过30倍，即使间距增大至80 nm，增强因子仍超过18倍，这协同强化了局部雪崩效应。

响应时间与能带结构

器件的动态响应性能通过266 nm皮秒激光器进行测试。

结果如图4a所示，集成Al NTs的4 μm MH器件在-10 V偏压下表现出优异的稳定性，其上升时间（T_r）和下降时间（T_f）分别为2.2 ns和4.2 ns，响应速度优于已报道的Ga₂O₃基光电探测器。图4c和4d的示意图阐明了局部雪崩机制：在光照下，Al NTs激发的表面等离激元和MH边缘的闪电棒效应共同在器件上角落区域产生极强的局域电场，光生载流子在该区域发生碰撞电离，产生电子-空穴对，并被pn结的反偏电场有效分离。与传统APD的整体雪崩不同，该过程的雪崩效应被限制在局部区域，其余部分保持稳定，因此光电流随偏压增加会趋于饱和，避免了灾难性击穿。

结论与讨论

本研究通过将闪电棒效应与铝纳米三角的局域表面等离激元共振相结合，成功增强了4H-SiC雪崩光电探测器的局域电场，实现了创纪录的低至14.5 V的雪崩开启电压。该器件能够在无需淬灭电路的情况下工作于局部雪崩状态，保持高达10⁴的雪崩增益，并展现出卓越的长期稳定性。这项研究为宽禁带半导体光电器件内部的电场调控提供了一种创新思路，未来通过进一步优化金属纳米结构的形状（如更尖锐的特征和更优化的曲率半径），有望最大化场增强效应，进一步提升器件性能。这些成果表明，4H-SiC材料及相关技术构成了一个强大且可扩展的平台，适用于量子光探测、成像及集成光电子电路，具有广阔的工业应用前景。