在超寬帶隙半導(dǎo)體領(lǐng)域，研究者們正致力于開發(fā)具有超高增益的深紫外（DUV）光電探測器，以期達(dá)到與光電倍增管（PMT）相媲美的性能。這些探測器對(duì)于200-280納米波長范圍內(nèi)的日盲檢測和通信至關(guān)重要，因?yàn)樗鼈兡軌蛱峁└哽`敏度、高速度、高光譜選擇性、高信噪比和高穩(wěn)定性。然而，現(xiàn)有的基于超寬帶隙半導(dǎo)體的探測器，如AlGaN和Ga2O3，面臨著高工作電壓、高晶格缺陷密度、相偏析問題以及對(duì)磁場敏感性等挑戰(zhàn)，限制了它們?cè)谛阅苌系倪M(jìn)一步發(fā)展。

金剛石作為一種具有超寬帶隙、高熱導(dǎo)率、化學(xué)惰性、高絕緣性和輻射抗性的材料，被認(rèn)為是制造DUV光電探測器的理想候選材料。金剛石基光電探測器的發(fā)展已經(jīng)取得了一定的進(jìn)展，但靈敏度和整體性能仍需進(jìn)一步提升，以滿足實(shí)際應(yīng)用的需求。研究者們正在探索通過表面狀態(tài)和深層缺陷的協(xié)同效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)在低電壓下工作的超高增益DUV光電探測器，以期解決單片集成的挑戰(zhàn)，并推動(dòng)與集成電路兼容的DUV探測器技術(shù)的發(fā)展。

日本國立材料研究所廖梅勇團(tuán)隊(duì)證明了利用Ib型單晶金剛石（SCD）襯底表面態(tài)和深層缺陷的協(xié)同效應(yīng)，可以實(shí)現(xiàn)低工作電壓（<5 V）的超高增益DUV光電探測器（PD）。金剛石DUV- PD的整體光響應(yīng)，如靈敏度、暗電流、光譜選擇性和響應(yīng)速度，可以通過SCD襯底表面的氫或氧終止來簡單地定制。在220 nm光下，DUV響應(yīng)率和外量子效率分別超過2.5 × 104A/W和1.4 × 107%，與PMT相當(dāng)。DUV/可見光抑制比（R220 nm/R400 nm）高達(dá)6.7 × 105。深氮缺陷耗盡二維空穴氣體提供了低暗電流，在DUV照射下電離氮的填充產(chǎn)生了巨大的光電流。表面態(tài)和本體深度缺陷的協(xié)同效應(yīng)為開發(fā)與集成電路兼容的DUV探測器開辟了道路。

相關(guān)成果以題為“Synergistic Effect of Surface States and Deep Defects for Ultrahigh Gain Deep-Ultraviolet Photodetector with Low-Voltage Operation”發(fā)表在Advanced Functional Materials。

圖1 能帶圖和表面電導(dǎo)率。

圖2 光電探測器在暗光和DUV光下的I-V特性。

圖3 光響應(yīng)特性與氧化時(shí)間的關(guān)系。

圖4 光子晶體的時(shí)變光響應(yīng)。

2025（第五屆）碳基半導(dǎo)體材料與器件產(chǎn)業(yè)發(fā)展論壇

2025（第五屆）碳基半導(dǎo)體材料與器件產(chǎn)業(yè)發(fā)展論壇（CarbonSemi 2025）將在2025年4月10-12日于寧波召開。

碳基半導(dǎo)體（包括金剛石、碳化硅、石墨烯和碳納米管等）因其超寬禁帶、高熱導(dǎo)率、高載流子遷移率以及優(yōu)異的化學(xué)穩(wěn)定性等卓越的特性，正在成為解決傳統(tǒng)硅基半導(dǎo)體材料逐漸逼近物理極限問題的關(guān)鍵途徑。在人工智能、5G/6G通信、新能源汽車等迅猛發(fā)展的新興產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域表現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。尤其是在當(dāng)前不確定的國際局勢(shì)和貿(mào)易環(huán)境背景下，碳基半導(dǎo)體戰(zhàn)略意義凸顯，成為多國布局的重要賽道。