Science Advances：中科大孫海定團隊在類雪崩紫外倍增探測中同時刷新暗電流最低和響應度最高記錄

隨著集成光電子技術的飛速發展，紫外光探測在火焰檢測、電暈監測及深空探測等領域展現出巨大的應用潛力。然而，如何在維持超低暗電流的同時實現高增益，并兼顧器件的微型化集成，一直是制約高性能紫外探測器發展的核心難題。

近日，中國科學技術大學集成電路學院孫海定教授團隊聯合武漢大學劉勝院士團隊，在紫外倍增探測領域取得突破性進展。研究成果以“Triggering avalanche-like ultraviolet photomultiplication phenomena in ultrathin amorphous/crystalline gallium nitride heterostructures”為題在線發表在國際頂級期刊《科學進展》（Science Advances）上。

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

核心創新：突破高增益與低暗電流的“魚與熊掌”困局

在弱紫外信號探測中，傳統雪崩光電二極管（APD）依賴強外電場驅動（百千伏電壓），在放大信號的同時常誘發劇烈的暗電流激增；而商用光電倍增管（PMT）雖性能優異，卻存在體積大、易破碎且無法片上集成等缺陷。

針對上述瓶頸，孫海定教授課題組提出了一種全新的界面調控設計方案，如圖1所示：

• “非晶化-重結晶”兩步法工藝：團隊通過精準調控等離子體表面處理與高溫退火參數，在結晶氮化鎵（GaN）表面定向構建出超薄的非晶氧氮化鎵（a-GaON）功能層，形成新型異質結構。

• 類雪崩非線性倍增機制：利用非晶層中鎵空位缺陷介導的界面陷阱輔助空間電荷限制電流（SCLC）傳導機制。該機制使器件在較低工作電壓下即可觸發類雪崩的光電流倍增效應，規避了傳統碰撞電離帶來的暗電流激增挑戰。

圖1 非晶GaON/GaN異質結及其類雪崩紫外光探測性能

性能躍升：刷新行業記錄，性能遠超PMT

實驗結果顯示，該款基于非晶/結晶異質界面的探測器實現了多項性能指標的跨越式提升：

• 超高響應度：達到A/W（最高值達A/W），較商用PMT高出1-2個數量級。

• 極低暗電流：始終穩定控制在pA（最低達pA），較傳統技術抑制了2-3個數量級。

• 超高信噪比：光電流隨偏壓可實現6個數量級的指數增長，確保了極弱光環境下的精準感知。

• 極致微型化：不同于龐大的真空管PMT，該器件采用緊湊型半導體平面化設計（叉指電極結構），極大地方便了低功耗、片上集成及便攜式光電芯片的應用。

總結與展望

為驗證其實際應用價值，研究團隊構建了硬件紫外成像系統。實驗表明，在35V工作電壓下觸發類雪崩效應后，探測陣列能對微弱紫外信號進行有效捕捉，顯著提升了成像圖案的信噪比。

圖2 探測器陣列及其成像效果

展望未來，孫海定教授表示，該器件結構與現有的氮化鎵半導體工藝體系高度兼容，具備優異的陣列化和規模化制造潛力。通過進一步結合片上讀出電路與信號處理模塊，有望開發出高分辨率、高性能的紫外成像芯片，為環境監測、生物醫療成像及深空探測提供全新的“中國方案”。

團隊介紹

通訊作者：孫海定，中國科學技術大學微電子學院教授、博導，iGaN實驗室負責人。入選國家優青、安徽省杰青及全球前2%頂尖科學家榜單。長期致力于GaN半導體材料外延、紫外光電器件設計與制備研究，在Nature Photonics、Nature Electronics等頂級期刊發表多篇高影響力論文。

致謝：本研究得到國家自然科學基金、安徽省自然科學基金等項目支持。武漢大學劉勝院士、澳大利亞國立大學傅嵐教授對該工作提供了重要指導。

本文來自“材料科學與工程”公眾號，感謝論文作者團隊支持。

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