宽禁带紫外雪崩光电二极管在极弱光探测领域展现优越发展潜力

Advanced Photonics 2026年第2期文章：

Hoon Jeong, Zhiyu Xu, Davide Balzerani, Alexandra Dolgashev, Theeradetch Detchprohm, Paul Doug Yoder, Adam Nepomuk Otte, Russell D. Dupuis, "Development of wide-bandgap avalanche photodetectors for the ultraviolet spectral region," Adv. Photon. 8, 024001 (2026)

背景介绍

从环境监测、生物医疗到深空探测、量子通信，紫外光电探测技术早已成为支撑前沿领域发展的“眼睛”。无论是大气臭氧的精准遥感、生物样本的微弱荧光信号捕捉，还是宇宙深空的极弱紫外信号接收、量子通信系统里的单光子信号检测，都离不开高性能紫外探测技术的支撑。在各类紫外探测器件中，雪崩光电二极管（APD）凭借其独特的内部雪崩倍增效应，将原本微弱到几乎难以捕捉的紫外光信号，通过载流子雪崩效应逐级放大，最终转化为清晰可测的电信号。基于高增益、高灵敏度、快速响应的先天优势，雪崩光电二极管也成为了实现极弱光探测系统的核心器件。

然而，目前商用的紫外光电探测器仍以硅基CMOS技术为主，普遍采用紫外增强结构搭配滤光片的方案拓展紫外波段的响应，但受限于硅材料的本征带隙，该类器件在紫外波段的探测效率和可见光抑制能力上始终存在短板，即便经过专门的紫外增强设计，硅基器件在高增益工作状态下仍普遍存在暗电流与噪声激增的问题，并且还会因紫外光持续辐照而出现性能退化，因而无法满足日盲紫外探测、单光子探测等高端场景的应用需求。在此情况下，针对紫外APD材料、器件结构等方面的创新势在必行，目前以碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN）为代表的宽禁带半导体，凭借其更宽的禁带宽度、更高的击穿电场和更高的载流子迁移率及抗辐射特性，能够在屏蔽可见光干扰的情况下同时实现超高雪崩增益及极低的噪声，因此成为下一代高性能紫外雪崩光电二极管的核心材料体系。

针对宽禁带紫外APD的关键研究需求，美国佐治亚理工学院与韩国光云大学联合研究团队系统梳理了基于III族氮化物与SiC宽禁带半导体材料的紫外APD技术研究进展，从材料特性、器件结构和性能指标进展等方面系统地对比和分析了该类器件相较传统硅基CMOS探测技术的核心优势，阐明了基于III族氮化物与SiC材料的紫外APD在高增益、低噪声、抗辐照等方面的进展，并分析了其在盖革模式下单光子紫外探测应用的工作机理与应用潜力。研究团队还对基于β-Ga₂O₃、金刚石等超宽禁带材料的APD技术路线与发展前景进行了展望，相关内容可为紫外极弱光探测领域的器件研发、工程化应用及技术迭代提供参考。该综述文章以“Development of wide-bandgap avalanche photodetectors for the ultraviolet spectral region”为题发表在Advanced Photonics 。

紫外APD相比于硅基CMOS探测技术的优势

与目前商用的硅基CMOS紫外增强型APD相比，基于SiC、III族氮化物等宽禁带半导体的紫外APD在探测性能与工作可靠性方面具备显著优势。硅材料因禁带宽度仅1.12 eV，本征紫外响应弱，需依赖滤光片与特殊结构设计才能实现紫外增强，在250 nm波段的响应度仅为0.07~0.14 A/W，且无法实现真正的日盲探测。同时，高能紫外光子照射会导致硅基器件性能快速退化，长期工作稳定性差，难以满足深空探测、臭氧雷达等高精度紫外探测需求。相比之下，SiC与GaN、AlGaN等III族氮化物无需滤光片即可抑制可见光背景干扰，且在紫外波段具备更高响应度与更低暗电流密度。因此，以SiC、III族氮化物及超宽禁带材料为核心的新型宽禁带紫外APD，凭借在响应度、日盲特性、可靠性与抗紫外辐照能力等方面具有的更优异的综合性能，成为了替代硅基CMOS技术、实现高性能紫外探测的主流发展方向。

基于SiC的紫外APD及盖革模式器件研究进展

当前紫外单光子探测的主流方案主要采用基于SiC材料的紫外雪崩光电二极管。4H‑SiC材料具备电子与空穴电离系数高度不对称的特性，可实现低噪声空穴引发雪崩，目前，器件结构也从传统的p-i-n结构逐步向分离吸收与倍增（SAM）、分离吸收-电荷-倍增（SACM）等优化结构拓展（如图1（a-c）所示），通过斜角台面、场板等边缘终端设计还能够有效抑制边缘击穿与漏电流。在盖革模式下，基于SiC的紫外APD已实现低暗计数率（DCR）与较高单光子探测效率（SPDE），性能稳定且一致性好，商用化程度高，已在臭氧激光雷达、日盲紫外探测、弱光检测等场景得到验证。如图1（d-f）所示为2005-2024年基于SiC材料的盖革模式APD器件研究进展。

图1（a）p-i-n，（b）SAM和（c）SACM紫外APD器件工作机制示意图；（d）2005-2015年第一代SiC盖革模式器件，（e）2016-2020年第二代SiC盖革模式器件和（f）2020-2024年第三代SiC盖革模式器件的研究进展

基于III族氮化物的紫外APD及盖革模式器件研究进展

III族氮化物材料可通过调控元素组分实现禁带宽度的连续可调，从而精准覆盖日盲紫外波段，并实现对太阳光背景噪声的抑制，因此在深紫外日盲波段探测领域也展现出了不可替代的应用价值。目前，器件结构也从传统的p-i-n结构逐步向GaN基p-i-n-i-n（SAM）结构、GaN基p-i-p-i-n（SAM）结构、AlGaN基p-i-n结构和AlGaN基p-i-n-i-n（SAM）结构等优化结构拓展，此外，研究者们也已实现基于III族氮化物的盖革模式紫外APD，并且基于浅斜台面、凹槽窗口、表面钝化等优化结构，单光子探测效率和覆盖的紫外波段范围得以优化，研究进展如图2（f）所示。目前，受限于更高的位错与缺陷密度，基于III族氮化物的紫外APD暗计数率显著高于基于SiC的紫外APD，相关的性能优化工作也成为了未来III族氮化物紫外APD器件的重点研发方向。

图2（a）传统的GaN基P-I-N结构，（b）GaN基p-i-n-i-n（SAM）结构，（c）GaN基p-i-p-i-n（SAM）结构，（d）AlGaN基P-I-N结构，（e）AlGaN基p-i-n-i-n（SAM）结构的紫外APD器件工作机制示意图；（f）基于不同III族氮化物材料的紫外单光子探测器性能研究进展

氧化镓、金刚石等超宽禁带材料成为紫外APD的发展新方向

基于βGa₂O₃、金刚石等超宽禁带半导体的紫外APD，是新型紫外极弱光探测技术的发展方向。由于βGa₂O₃具有极宽禁带与超高击穿场强等优势，结合nBn型单极势垒结构可显著抑制暗电流，并实现接近光电倍增管的雪崩增益水平，进而实现具备强大的日盲探测能力；而金刚石则凭借高热导率、强抗辐照与超宽禁带，适用于极端环境探测。然而，目前超宽禁带材料面临p型掺杂困难、缺陷密度偏高、规模化制备工艺不成熟等挑战，因此相关的研究突破是未来探索高增益、低噪声、全日盲紫外探测器的重要方向。

总结与展望

作为极弱紫外光探测的核心技术，紫外单光子雪崩光电二极管正成为宽禁带半导体光电器件领域的核心研究热点。研究团队系统梳理了紫外雪崩光电二极管单光子探测技术的发展脉络与核心进展，基于盖革模式的核心工作机制厘清了决定器件性能的关键因素，并展现了基于III族氮化物和SiC材料雪崩光电二极管器件从架构革新到商用落地的跨越式发展，同时对比了不同材料体系的技术优劣势与发展现状。当前，紫外单光子探测技术也发展到了关键阶段，基于SiC的APD器件已实现成熟商用、基于III族氮化物的APD器件在深紫外日盲波段持续突破、新兴的超宽禁带材料也为紫外极弱光探测的技术迭代提供了全新可能性。在未来，随着材料质量、器件架构与集成工艺的持续优化，紫外光探测技术还将在环境监测、生物医疗、空间通信等更多领域实现更广阔的商业化应用。

期刊介绍

Advanced Photonics (AP)创刊于2019年，是一本重点关注新兴光学领域的基础与应用研究成果、聚焦最新及快速发展的光学与光子学学科的国际OA期刊。期刊入选中国科协高起点新刊计划，2021年被SCI收录，最新影响因子19.5，在全球JCR光学期刊中位列第7 (Q1区)，中国科学院一区（2025），入选中国科技期刊卓越行动计划(二期)。创刊以来AP发表了众多国际顶尖学者的高水平学术论文，并以采访、新闻、评论等丰富的形式，展现了光学与光子学领域的最新进展。姊妹刊Advanced Photonics Nexus (APN)接收AP的快速转投和自然来稿，致力于成为既发表基础研究类又发表工程应用类文章的综合性大刊，最新影响因子6.3，2024年入选中国科技期刊卓越行动计划高起点新刊项目。

信息来源： 中国激光杂志社

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