超薄氮化镓材料中“雪崩式”紫外线放大效应

本文报道了一种基于超薄非晶/晶体氮化镓（a-GaON/GaN）异质结构的新型紫外光探测器。研究人员采用一种简单、兼容CMOS工艺的“非晶化–再结晶”两步法，在氮化镓表面原位生成一层约2纳米厚的非晶氧氮化镓（a-GaON）层，形成高质量的非晶/晶体界面。与传统雪崩光电二极管（APD）依赖高电场下碰撞电离不同，该器件利用界面处丰富的镓空位（VGa）缺陷作为陷阱，在低电压下实现“陷阱辅助型载流子倍增”，从而在保持极低暗电流（约0.7皮安）的同时获得超高光电流增益。

研究发现，器件工作分为两个阶段：在较低偏压（如10伏）和较强光照下，表现为“预增益阶段”，主要机制是陷阱辅助电荷注入（TA-CI），响应度达6.2万安/瓦，光电流与暗电流之比高达5×10¹¹；当偏压升至35伏、光照变弱（如0.1微瓦/平方厘米）时，器件进入“类雪崩阶段”，此时陷阱被填满，导电机制转变为陷阱填充型空间电荷限制电流（TF-SCLC），响应度跃升至4300万安/瓦，增益达390万倍——这在同类紫外探测器中极为突出，且暗电流未随增益升高而增加，克服了传统APD中增益与暗电流相互制约的根本矛盾。

作者进一步将该器件集成到实用系统中：一是便携式紫外可视化系统（用单个探测器驱动红色LED发光），可在5伏下识别强紫外光（如紫外线暴露预警），在35伏下灵敏探测微弱紫外光（如火焰或电晕放电）；二是8×8像素阵列成像系统，成功实现了字母“U”的清晰紫外图像采集，即使在0.1微瓦/平方厘米的极弱光下仍能成像。整个方案工艺简单、均匀性好、稳定性高，可扩展至6英寸晶圆级制造。

总之，这项工作没有追求复杂外延结构或高工作电压，而是另辟蹊径，将通常被视为不利因素的非晶层和界面缺陷“变废为宝”，提出了一种新颖、简易、可规模化制备的异质界面工程策略，为开发下一代小型化、低功耗、高灵敏紫外光电探测器提供了全新路径。