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拓扑与电路 ★ 5.0

能带工程双向雪崩光电探测器的设计实现可切换双波段紫外检测

Design of Band-Engineered Bidirectional Avalanche Photodetector Enabling Switchable Dual-Band Ultraviolet Detection

作者 Qing Cai · Saisai Wang · Huiqin Zhao · Jinjie Zhu · Haifan You · Bin Liu
期刊 IEEE Electron Device Letters
出版日期 2025年6月
技术分类 拓扑与电路
相关度评分 ★★★★★ 5.0 / 5.0
关键词 光电检测 氮化镓双向雪崩光电探测器 双波段紫外检测 载流子机制 信号识别
语言:

中文摘要

多维检测与信号放大的结合为高灵敏度光电检测提供了新机遇。据我们所知,在这项工作中,我们首次展示了一种基于氮化镓(GaN)的双向雪崩光电探测器,其具备双波段紫外探测能力。该器件的特点是两个雪崩光电二极管相对设置且共享一个公共p层,使得其在正向和反向偏置电压下均能实现雪崩倍增。在正向模式下,该器件的探测截止波长为365 nm;而在反向偏置模式下,其截止波长为281 nm,处于日盲紫外波段。同时,我们也清晰地阐述了双向工作模式下的载流子倍增和输运机制。这种双波段探测方法对准确的信号识别具有显著的促进作用。更重要的是,该设计理念并不局限于氮化物紫外材料体系,还可扩展到能够形成p - n结的广泛光电材料,为先进光电器件的发展铺平了道路。

English Abstract

The integration of multi-dimensional detection and signal amplification provides new opportunities for highly sensitive photoelectric detection. In this work, we present, to the best of our knowledge, the first GaN-based bidirectional avalanche photodetector capable of dual-band ultraviolet detection. The device features two avalanche photodiodes facing each other and sharing a mutual p-layer, enabling avalanche multiplication under both forward and reverse bias voltages. In forward mode, the device exhibits a detection cutoff at 365 nm, while in reverse bias mode, it reaches a cutoff at 281 nm in the solar-blind ultraviolet range. The carrier multiplication and transport mechanisms in the bidirectional operating mode are also clearly demonstrated. This dual-band detection approach is significantly conductive to accurate signal recognition. More importantly, the design concept is not restricted to the nitride UV material system but can be extended to a wide range of photoelectric materials capable of forming p-n junctions, paving the way for the development of advanced photoelectric devices.
S

SunView 深度解读

从阳光电源的业务视角来看,这项基于GaN的双向雪崩光电探测器技术虽然属于半导体光电探测领域,但其核心设计理念与我们在光伏逆变器和储能系统中的光电转换、信号检测需求存在潜在关联性。

该技术的双波段紫外探测能力(365nm和281nm可切换)为光伏系统的智能化监测提供了新思路。在大型光伏电站运维中,紫外光谱分析可用于组件老化检测、电弧故障预警等场景。传统单波段探测器难以区分不同来源的紫外信号,而这种双向工作模式的雪崩倍增机制能够实现高灵敏度信号放大,有助于提升故障诊断的准确性和响应速度。

从技术成熟度评估,该研究尚处于器件原理验证阶段,距离工业化应用存在较大距离。其p-n结双向雪崩设计虽然创新,但在可靠性、温度稳定性、成本控制等方面需要大量工程化验证。对于阳光电源而言,短期内直接应用的可能性较低。

然而,论文提出的"不局限于氮化物材料体系"的设计理念值得关注。这种带工程调控和双向工作的思想可能启发我们在功率半导体器件设计上的创新,特别是在碳化硅、氮化镓等宽禁带半导体功率器件的双向导通、过压保护等功能集成方面。此外,该技术在氢能系统的紫外火焰监测、储能系统的电弧检测等安全防护领域具有潜在应用价值,建议作为前沿技术跟踪方向,评估其在新能源安全监测系统中的集成可能性。