紫外探測技術(shù)在空間天文觀測、環(huán)境監(jiān)測、火焰預(yù)警、保密通信及生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域具有重要應(yīng)用價(jià)值。傳統(tǒng)硅基紫外探測器存在可見光盲區(qū)性能不足、需復(fù)雜濾波系統(tǒng)、以及在惡劣環(huán)境下穩(wěn)定性差等挑戰(zhàn)。寬帶隙半導(dǎo)體材料碳化硅（SiC），特別是其4H晶型，以其優(yōu)異的物理化學(xué)性質(zhì)，成為制備高性能紫外探測器的理想選擇。河北半導(dǎo)體研究所周幸葉研究員及其團(tuán)隊(duì)，長期致力于4H-SiC基光電器件的研究與開發(fā)，在紫外探測用高性能4H-SiC雪崩光電二極管（APD）及其陣列方面取得了系列創(chuàng)新成果，為我國在該前沿領(lǐng)域的自主發(fā)展做出了重要貢獻(xiàn)。

4H-SiC材料具有約3.26 eV的寬禁帶寬度，使其本征吸收邊位于紫外波段（約380 nm），對(duì)可見光及紅外光天然“盲視”，無需外加濾波片即可實(shí)現(xiàn)高信噪比的“日盲”或“紫外盲”探測。4H-SiC具有高熱導(dǎo)率、高擊穿電場、高電子飽和漂移速度以及優(yōu)異的抗輻射能力和化學(xué)穩(wěn)定性，特別適合制備用于高溫、強(qiáng)輻射等極端環(huán)境下的高靈敏度、高響應(yīng)速度、高可靠性的紫外探測器。

雪崩光電二極管（APD）作為一種內(nèi)部具有增益機(jī)制的光電探測器，能夠在器件內(nèi)部通過碰撞電離效應(yīng)將光生載流子倍增，從而獲得遠(yuǎn)高于普通PIN光電二極管的光電流增益，顯著提升器件的探測靈敏度，尤其適用于微弱紫外信號(hào)的探測。周幸葉團(tuán)隊(duì)聚焦于4H-SiC APD的核心科學(xué)與技術(shù)問題，從材料外延生長、器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、工藝制備到性能表征，進(jìn)行了一系列系統(tǒng)性攻關(guān)。

在材料與器件設(shè)計(jì)方面，團(tuán)隊(duì)深入研究了4H-SiC外延層中的缺陷控制、摻雜濃度與分布的精確調(diào)控，為制備高性能APD奠定了材料基礎(chǔ)。他們創(chuàng)新設(shè)計(jì)了具有分離吸收和倍增（SAM）或分離吸收、漸變和倍增（SAGM）等結(jié)構(gòu)的4H-SiC APD，優(yōu)化了電場分布，以降低暗電流噪聲，同時(shí)實(shí)現(xiàn)高效的光生載流子注入和高倍增效率。通過精確控制倍增區(qū)的寬度和摻雜，使器件在獲得高倍增增益（可達(dá)10^4量級(jí)）的保持較低的過剩噪聲因子，提升了器件的探測能力。

在工藝制備方面，團(tuán)隊(duì)攻克了4H-SiC的干法刻蝕、高質(zhì)量介質(zhì)膜生長、低損傷歐姆接觸、鈍化保護(hù)以及臺(tái)面/平面結(jié)型器件制備等一系列關(guān)鍵工藝，確保了器件的性能與可靠性。所制備的單管4H-SiC APD器件在紫外波段（如270-370 nm）表現(xiàn)出高響應(yīng)度、高增益、低暗電流、快速響應(yīng)等優(yōu)異特性，其性能指標(biāo)達(dá)到國際先進(jìn)水平。

除了高性能單管器件，面向成像、光譜分析等應(yīng)用需求，周幸葉團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步將研究拓展至陣列化集成。4H-SiC APD陣列的研制涉及像素單元的一致性、串?dāng)_抑制、讀出電路集成等多重挑戰(zhàn)。團(tuán)隊(duì)通過優(yōu)化版圖設(shè)計(jì)、改進(jìn)隔離工藝、探索單片集成或混合集成的路徑，成功研制出小規(guī)模高性能4H-SiC APD線陣或面陣原型器件，驗(yàn)證了其在紫外成像等方面的應(yīng)用潛力，為實(shí)現(xiàn)大面陣、高分辨率的紫外焦平面探測器奠定了基礎(chǔ)。

河北半導(dǎo)體研究所周幸葉團(tuán)隊(duì)在紫外探測用高性能4H-SiC雪崩光電二極管及其陣列方面的研究工作，系統(tǒng)推進(jìn)了我國在寬禁帶半導(dǎo)體紫外探測領(lǐng)域的自主創(chuàng)新能力。這些成果不僅具有重要的科學(xué)價(jià)值，也為發(fā)展?jié)M足國家重大需求的高端紫外探測裝備提供了核心器件支撐。隨著材料生長與器件工藝的進(jìn)一步成熟，以及與大尺寸晶圓技術(shù)、三維集成技術(shù)的結(jié)合，4H-SiC APD及其陣列有望在深空探測、導(dǎo)彈預(yù)警、電網(wǎng)安全監(jiān)測、生化檢測等更多關(guān)鍵領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)規(guī)模化應(yīng)用，展現(xiàn)出廣闊的發(fā)展前景。