?寬禁帶半導(dǎo)體具有穩(wěn)定的光電特性和高效的紫外光吸收能力，是紫外（UV）光電探測器的理想材料。然而，基于純寬禁帶半導(dǎo)體的光電探測器通常具有較大的暗電流，從而阻礙了器件產(chǎn)生較高的紫外光響應(yīng)。4H-SiC作為第三代寬禁帶半導(dǎo)體，具有高擊穿電場、高電子飽和漂移率、耐高溫、耐輻射等特點(diǎn)，是一種高質(zhì)量的可見盲紫外光電探測器材料。此外，4H-SiC由于與Si基技術(shù)兼容，因此可以使用成熟的Si基器件制備技術(shù)，通過設(shè)計(jì)特殊的器件結(jié)構(gòu)來調(diào)控界面電場的分布，可能解決器件暗電流過大的問題，以實(shí)現(xiàn)高性能的紫外探測。?
成果簡介?
中南大學(xué)何軍教授、鐘綿增副教授，浙江大學(xué)李京波教授等研究人員設(shè)計(jì)并制備了一種通過調(diào)控電場分布實(shí)現(xiàn)高均勻性的耐高壓晶圓級4H-SiC紫外光電探測器。通過在N型外延層表面引入特殊排列的P型區(qū)域來影響器件的電場分布，以抑制器件的肖特基勢壘降低效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)暗電流的降低。該器件的暗電流可達(dá)到pA級，并在1 kV偏壓下仍保持nA級的暗電流。同時(shí)，該器件還表現(xiàn)出卓越的光響應(yīng)性能，包括240-380 nm的寬紫外波段探測，105.7 A/W的響應(yīng)度、1.01×1014 Jones的比探測率、477 的光電導(dǎo)增益以及1.84×105的高光開關(guān)比。團(tuán)隊(duì)的研究結(jié)果表明，該成果為需要在特殊領(lǐng)域耐高壓的高性能紫外線光電探測器提供了可靠的解決方案，晶圓級的制造工藝也使其具有大規(guī)模實(shí)際應(yīng)用的可行性。?
圖文導(dǎo)讀
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圖1 器件的晶圓級制造工藝及表征。(a) 器件的晶圓級制造工藝流程圖。(b) N-外延層載流子濃度的汞探針C-V測試結(jié)果。(c) TCAD軟件模擬和二次離子質(zhì)譜儀測量離子注入P+區(qū)域的深度和濃度。(d) 制備后晶圓的整體形貌。
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圖2 器件的光響應(yīng)及高偏壓下的光電性能。(a) 器件隨波長變化的歸一化光電流。(b) 器件在254/275/365 nm紫外光照射下的光電流比較。(c) 在275 nm光照下，器件在不同光功率密度下的對數(shù)和線性I-V曲線。器件 (e) 光電流和 (f) 響應(yīng)度隨Vds和光功率密度變化的mapping圖。(g) 器件暗電流與Vds的函數(shù)關(guān)系。器件的 (h) 響應(yīng)度和 (i) 比探測率隨Vds和光功率密度的變化關(guān)系。
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圖3 器件在275 nm光照下的光電性能。(a-c）器件響應(yīng)度、光電流、比探測率、光開/關(guān)比和光電導(dǎo)增益隨光功率密度的變化。(d) 器件在不同光功率密度下的動(dòng)態(tài)光響應(yīng)。(e) 器件長時(shí)間（100個(gè)開關(guān)周期）的光電開關(guān)行為。(f) 器件的響應(yīng)度和比探測率與之前報(bào)道的基于4H-SiC光電探測器的比較。
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圖4 器件的光響應(yīng)機(jī)理。紫外光激發(fā)下 (a) 金屬 (Ti) 和 N-SiC，(b) P-SiC 和 N-SiC 接觸的能帶圖。(c-e）器件在 0 V、?5 V 和 ?20 V 偏置電壓下的電場分布仿真（器件處于關(guān)斷狀態(tài)）。
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圖5 器件的晶圓級測試和成像應(yīng)用。(a-c) 晶圓上100個(gè)器件的響應(yīng)度、比探測率和光電導(dǎo)增益熱圖。(d) 器件成像示意圖。(e-g) 器件在Vds?= 5/10/15 V 時(shí)輸出“W”字符的對應(yīng)圖像。?
作者簡介?
吳望龍，文章第一作者，中南大學(xué)物理學(xué)院博士研究生，主要從事二維、三維光電器件方向的研究工作。?
鐘綿增，中南大學(xué)物理學(xué)院副教授、博士生導(dǎo)師。主要從事低維光電功能材料與微納器件的制備及物性研究，主持國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目2項(xiàng)、國家自然科學(xué)基金青年項(xiàng)目各1項(xiàng)，湖南省青年基金1項(xiàng)，2022年入選湖南省創(chuàng)新平臺(tái)與人才計(jì)劃——青年科技人才。在Adv. Funct. Mater.; ACS Nano; Nano Research; npj 2D Materials and Applications; Applied Physics Letters等國際知名期刊以第一作者或通訊作者發(fā)表30余篇。?
李京波，浙江大學(xué)二級教授，享受國務(wù)院政府特殊津貼，中組部第二批“萬人計(jì)劃”，科技部“中青年科技創(chuàng)新領(lǐng)軍人才”，國家杰出青年基金獲得者。長期從事半導(dǎo)體摻雜機(jī)制、二維半導(dǎo)體材料與器件、第三代半導(dǎo)體功率器件等方向研究，已在Nature、Nat. Mater.、PRL、Nano Lett.、Adv. Mater.等期刊發(fā)表SCI論文300余篇，論文他引次數(shù)超2.4萬次，授權(quán)發(fā)明專利60余項(xiàng)，技術(shù)成果轉(zhuǎn)化累計(jì)超過20億元。入選2017-2023年科睿唯安高被引學(xué)者榜單，2017年作為第一完成人項(xiàng)目“新型半導(dǎo)體深能級摻雜機(jī)制研究”獲得國家自然科學(xué)二等獎(jiǎng)。
?何軍，芙蓉學(xué)者特聘教授，國家優(yōu)秀青年科學(xué)基金獲得者，中南大學(xué)黨委常委、副校長。研究領(lǐng)域?yàn)槌旆蔷€性光學(xué)、半導(dǎo)體自旋電子學(xué)、類石墨烯二維材料與器件。主持國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目3項(xiàng)、省部級項(xiàng)目5項(xiàng)。在以Nat. Mater.、Nat.Commun.、Phys. Rev. Lett.為代表的國際期刊發(fā)表SCI 論文300余篇，SCI引用超過10000 次，h-index 57，入選科睿唯安全球高被引科學(xué)家和全球前2% 頂尖科學(xué)家。?
文章信息
Wu W, Liu S, Liu Z, et al. High-voltage-resistant wafer-scale 4H-SiC ultraviolet photodetector with high uniformity enabled by electric field distribution modulation. Nano Research, 2025,
https://doi.org/10.26599/NR.2025.94907259.
（來源：Nano Research）