非晶/晶氮化镓异质结中雪崩式紫外光倍增效应的触发：一种面向下一代紧凑型光电系统的新型器件范式

为解决传统雪崩光电二极管(APD)在高增益下伴随暗电流放大、性能受限，以及光电倍增管(PMT)体积庞大、工作电压高等挑战，研究团队在非晶氮氧化镓/氮化镓(a-GaON/GaN)异质结中实现了类雪崩非线性光电流倍增现象。该器件在35 V下实现了3.9 × 106的高增益和4.3 × 107A/W的超高响应度，同时暗电流低至0.7 pA，为下一代紧凑集成光电子系统提供了一种新颖、简单且可扩展的器件架构。

　　

在光电探测领域，尤其是在紫外波段，对微弱光信号的灵敏检测一直是科研人员和工程师们追求的目标。无论是用于长距离传感、光通信，还是量子应用，高增益、高灵敏度的探测器都至关重要。传统上，基于碰撞电离（impact ionization）过程的雪崩光电二极管（APD）是实现高光电流增益的主流技术。然而，这种机制在放大光信号的同时，也难以避免地会同步放大暗电流，导致信噪比受限。另一方面，在微弱光探测领域表现卓越的光电倍增管（PMT），虽然拥有极高的增益，但其体积笨重、结构脆弱，且需要上千伏的高压供电，与当前便携化、集成化、低功耗的电子设备发展趋势背道而驰。那么，能否找到一种两全其美的方案，既能实现如同雪崩般的巨大光电流增益，又能将暗电流抑制在极低水平，同时兼具结构紧凑、工作电压低的优势呢？

为了回答这个问题，一项发表在《SCIENCE ADVANCES》上的研究带来了突破性的解决方案。研究人员没有沿着传统APD的碰撞电离老路前进，而是独辟蹊径，从材料界面的微观结构入手，设计了一种全新的非晶/晶半导体异质结。他们通过一种巧妙的两步“非晶化-再结晶”工艺，在氮化镓（GaN）晶体表面原位生长了一层超薄（约2纳米）的非晶氮氧化镓（a-GaON）层，从而构建了a-GaON/GaN异质结构。令人惊叹的是，基于此异质结构的探测器展现出了“类雪崩”的非线性光电流倍增现象：在弱光照射下，当电压超过一个临界点（约21 V）时，光电流会突然急剧增加数个数量级。然而，其背后的物理机制却与传统雪崩效应截然不同。这并非源于碰撞电离，而是得益于异质界面处精心设计的缺陷（陷阱）所辅助的电荷注入和空间电荷限制电流（SCLC）传导。最终，该器件在仅35 V的工作电压下，实现了高达3.9 × 10⁶的增益和4.3 × 10⁷安培/瓦（A/W）的响应度，同时其暗电流被牢牢压制在约0.7皮安（pA）的极低水平。这一性能指标与最先进的紫外APD相比极具竞争力，甚至在增益和响应度上可比肩商业PMT，而体积和工作电压则大大优于后者。这项研究不仅展示了一种高性能紫外光电探测器，更重要的是，它提出了一种基于非晶/晶界面工程、未被充分开发的简单且可扩展的器件新范式，为未来紧凑集成光电子系统的发展开辟了新道路。

为开展此项研究，作者主要运用了以下几个关键技术方法：首先，采用介质阻挡放电（DBD）等离子体处理结合高温退火的“非晶化-再结晶”两步工艺，在GaN-on-Si（硅基氮化镓）材料表面可控地构建了超薄a-GaON层。其次，利用扫描透射电子显微镜（STEM）、原子力显微镜（AFM）、X射线光电子能谱（XPS）和飞行时间二次离子质谱（TOF-SIMS）等手段，对异质结构的形貌、成分、化学态及缺陷进行了系统表征。最后，基于金属-半导体-金属（MSM）结构制备了叉指电极光电探测器，并使用半导体参数分析仪和光谱测量系统，全面测试了器件在暗态及不同波长、光强下的光电响应特性。

RESULTS

a-GaON/GaN异质结构的形成与表征

研究人员通过大气环境下的DBD等离子体处理和随后的氩气氛围高温退火，在GaN表面形成了约2纳米厚的a-GaON层。STEM成像清晰地展示了尖锐有序的非晶/晶界面。表征分析（EDS, XPS, TOF-SIMS）表明，a-GaON层中镓（Ga）浓度降低、氧（O）浓度升高，意味着形成了富含氧空位和镓空位（V_Ga）的缺陷层。电容-电压（C-V）测试进一步揭示了高达10¹⁴cm^-2eV^-1的陷阱密度。基于此异质结构制备的MSM光电探测器，其电流-电压曲线显示，在弱光（0.1 μW/cm²）和较高偏压（>20 V）下，光电流会发生超过三个数量级的突然放大，呈现出“类雪崩”的非线性倍增行为。

a-GaON/GaN器件在前置阶段的光响应特性

在较低偏压（<10 V）和较强光照下，器件工作在“前置阶段”。其光谱响应峰值在360纳米，紫外-可见抑制比超过10⁷，显示出优异的紫外光选择性。在-10 V偏压、10 μW/cm²光照下，器件实现了6.2 × 10⁴A/W的高响应度、2.8 × 10⁹的高光暗电流比（PDCR）和7.4 × 10¹⁸Jones的比探测率（D*），同时暗电流保持在飞安（fA）量级。性能远超原始GaN器件及已报道的多数宽禁带半导体两端探测器。此阶段的倍增机制被归因于陷阱辅助电荷注入（TA-CI）：光照产生的空穴被a-GaON层中的V_Ga陷阱捕获，从而降低电子注入势垒，引发倍增光电流，同时暗电流因高势垒而被抑制。

a-GaON/GaN器件在类雪崩阶段的光响应特性

在弱光和更高偏压下，器件进入“类雪崩阶段”。在35 V偏压、0.1 μW/cm²弱光下，器件增益高达3.9 × 10⁶，响应度达4.3 × 10⁷A/W，暗电流仍仅为0.7 pA。对电流-电压曲线的拟合分析表明，此阶段遵循陷阱填充空间电荷限制电流（TF-SCLC）传导机制，其电流-电压关系满足幂律关系I ∝ V^m，且在陷阱填满电压（V_TFL）处，m指数急剧增大，光电流发生突跃。该机制与碰撞电离无关，是缺陷辅助下空间电荷效应导致的光电流非线性放大。与传统的GaN、AlGaN、Ga₂O₃、SiC等APD相比，该器件在相近增益下实现了低得多的暗电流和工作电压。

器件在紫外可视化和成像系统中的应用

利用器件优异的光响应性能、高均匀性和稳定性，研究团队展示了其在紫外可视化和成像系统中的应用潜力。可视化系统可通过切换偏压（5 V TA-CI模式或35 V TF-SCLC模式），分别实现对强紫外光（如紫外线预警）和弱紫外光（如火焰检测）的有效探测与LED指示。进一步地，利用CMOS工艺兼容的等离子处理技术，在6英寸GaN外延片上制备了8×8光电探测器阵列，并构建了集成成像系统。通过调整工作模式，该系统能在不同光强下（从100 μW/cm²到0.1 μW/cm²）清晰成像“U”字图案，证明了其在宽动态范围紫外成像中的应用前景。

研究结论与讨论

本研究成功报道了一种通过“非晶化-再结晶”工艺构建的非晶/晶氮化镓异质结构（a-GaON/GaN）。该结构中的器件展示了卓越的光倍增现象。在强光下，基于陷阱辅助电荷注入（TA-CI）机制，其响应度相较于原始GaN器件提升了10⁴倍。在弱光下，随着偏压持续增加，器件会触发陷阱填充空间电荷限制电流（TF-SCLC）传导模式，产生类似雪崩的、急剧的非线性光电流放大，从而实现超高增益（3.9 × 10⁶）和超高响应度（4.3 × 10⁷A/W），同时维持极低的暗电流（~0.7 pA）。这种通过偏压调控实现TA-CI与TF-SCLC两种传导模式切换的特性，使器件能够有效探测宽动态范围的光强，适应多种照明条件。

这项工作的重大意义在于，它提出并验证了一种此前未被充分开发的、基于非晶/晶界面工程的新型器件架构。该架构摒弃了传统雪崩光电二极管依赖的碰撞电离原理和复杂的 epitaxial（外延）工程，转而利用简单、可扩展的等离子处理与退火工艺，在III-V族半导体表面构建功能化非晶层。由此实现的器件，在关键性能指标上可与先进的紫外APD和商业PMT竞争，同时在低工作电压、小尺寸、易集成方面展现出显著优势。这不仅为高性能紫外光电探测，特别是微弱光探测，提供了一种极具前景的解决方案，也为设计下一代便携、集成、低功耗的光电系统开辟了一条全新的技术路径。