寬禁帶半導體具有穩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，從而阻礙了器件產生較高的紫外光響應。4H-SiC作為第三代寬禁帶半導體，具有高擊穿電場、高電子飽和漂移率、耐高溫、耐輻射等特點，是一種高質量的可見盲紫外光電探測器材料。此外，4H-SiC由于與Si基技術兼容，因此可以使用成熟的Si基器件制備技術，通過設計特殊的器件結構來調控界面電場的分布，可能解決器件暗電流過大的問題，以實現高性能的紫外探測。
成果簡介
中南大學何軍教授、鐘綿增副教授，浙江大學李京波教授等研究人員設計并制備了一種通過調控電場分布實現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，實現暗電流的降低。該器件的暗電流可達到pA級，并在1 kV偏壓下仍保持nA級的暗電流。同時，該器件還表現出卓越的光響應性能，包括240-380 nm的寬紫外波段探測，105.7 A/W的響應度、1.01×1014 Jones的比探測率、477 的光電導增益以及1.84×105的高光開關比。團隊的研究結果表明，該成果為需要在特殊領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模實際應用的可行性。
圖文導讀
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測試結果。(c) TCAD軟件模擬和二次離子質譜儀測量離子注入P+區域的深度和濃度。(d) 制備后晶圓的整體形貌。
圖2 器件的光響應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和線性I-V曲線。器件 (e) 光電流和 (f) 響應度隨Vds和光功率密度變化的mapping圖。(g) 器件暗電流與Vds的函數關系。器件的 (h) 響應度和 (i) 比探測率隨Vds和光功率密度的變化關系。
圖3 器件在275 nm光照下的光電性能。(a-c）器件響應度、光電流、比探測率、光開/關比和光電導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態光響應。(e) 器件長時間（100個開關周期）的光電開關行為。(f) 器件的響應度和比探測率與之前報道的基于4H-SiC光電探測器的比較。
圖4 器件的光響應機理。紫外光激發下 (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（器件處于關斷狀態）。
圖5 器件的晶圓級測試和成像應用。(a-c) 晶圓上100個器件的響應度、比探測率和光電導增益熱圖。(d) 器件成像示意圖。(e-g) 器件在Vds = 5/10/15 V 時輸出“W”字符的對應圖像。
作者簡介
吳望龍，文章第一作者，中南大學物理學院博士研究生，主要從事二維、三維光電器件方向的研究工作。
鐘綿增，中南大學物理學院副教授、博士生導師。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，主持國家自然科學基金面上項目2項、國家自然科學基金青年項目各1項，湖南省青年基金1項，2022年入選湖南省創新平臺與人才計劃——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表30余篇。
李京波，浙江大學二級教授，享受國務院政府特殊津貼，中組部第二批“萬人計劃”，科技部“中青年科技創新領軍人才”，國家杰出青年基金獲得者。長期從事半導體摻雜機制、二維半導體材料與器件、第三代半導體功率器件等方向研究，已在Nature、Nat. Mater.、PRL、Nano Lett.、Adv. Mater.等期刊發表SCI論文300余篇，論文他引次數超2.4萬次，授權發明專利60余項，技術成果轉化累計超過20億元。入選2017-2023年科睿唯安高被引學者榜單，2017年作為第一完成人項目“新型半導體深能級摻雜機制研究”獲得國家自然科學二等獎。
何軍，芙蓉學者特聘教授，國家優秀青年科學基金獲得者，中南大學黨委常委、副校長。研究領域為超快非線性光學、半導體自旋電子學、類石墨烯二維材料與器件。主持國家自然科學基金項目3項、省部級項目5項。在以Nat. Mater.、Nat.Commun.、Phys. Rev. Lett.為代表的國際期刊發表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家和全球前2% 頂尖科學家。
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）
