宽禁带半导体具有稳定的光电特性和高效的紫外光吸收能力，是紫外（UV）光电探测器的理想材料。然而，基于纯宽禁带半导体的光电探测器通常具有较大的暗电流，从而阻碍了器件产生较高的紫外光响应。4H-SiC作为第三代宽禁带半导体，具有高击穿电场、高电子饱和漂移率、耐高温、耐辐射等特点，是一种高质量的可见盲紫外光电探测器材料。此外，4H-SiC由于与Si基技术兼容，因此可以使用成熟的Si基器件制备技术，通过设计特殊的器件结构来调控界面电场的分布，可能解决器件暗电流过大的问题，以实现高性能的紫外探测。
成果简介
中南大学何军教授、钟绵增副教授，浙江大学李京波教授等研究人员设计并制备了一种通过调控电场分布实现高均匀性的耐高压晶圆级4H-SiC紫外光电探测器。通过在N型外延层表面引入特殊排列的P型区域来影响器件的电场分布，以抑制器件的肖特基势垒降低效应，实现暗电流的降低。该器件的暗电流可达到pA级，并在1 kV偏压下仍保持nA级的暗电流。同时，该器件还表现出卓越的光响应性能，包括240-380 nm的宽紫外波段探测，105.7 A/W的响应度、1.01×1014 Jones的比探测率、477 的光电导增益以及1.84×105的高光开关比。团队的研究结果表明，该成果为需要在特殊领域耐高压的高性能紫外线光电探测器提供了可靠的解决方案，晶圆级的制造工艺也使其具有大规模实际应用的可行性。
图文导读
图1 器件的晶圆级制造工艺及表征。(a) 器件的晶圆级制造工艺流程图。(b) N-外延层载流子浓度的汞探针C-V测试结果。(c) TCAD软件模拟和二次离子质谱仪测量离子注入P+区域的深度和浓度。(d) 制备后晶圆的整体形貌。
图2 器件的光响应及高偏压下的光电性能。(a) 器件随波长变化的归一化光电流。(b) 器件在254/275/365 nm紫外光照射下的光电流比较。(c) 在275 nm光照下，器件在不同光功率密度下的对数和线性I-V曲线。器件 (e) 光电流和 (f) 响应度随Vds和光功率密度变化的mapping图。(g) 器件暗电流与Vds的函数关系。器件的 (h) 响应度和 (i) 比探测率随Vds和光功率密度的变化关系。
图3 器件在275 nm光照下的光电性能。(a-c）器件响应度、光电流、比探测率、光开/关比和光电导增益随光功率密度的变化。(d) 器件在不同光功率密度下的动态光响应。(e) 器件长时间（100个开关周期）的光电开关行为。(f) 器件的响应度和比探测率与之前报道的基于4H-SiC光电探测器的比较。
图4 器件的光响应机理。紫外光激发下 (a) 金属 (Ti) 和 N-SiC，(b) P-SiC 和 N-SiC 接触的能带图。(c-e）器件在 0 V、−5 V 和 −20 V 偏置电压下的电场分布仿真（器件处于关断状态）。
图5 器件的晶圆级测试和成像应用。(a-c) 晶圆上100个器件的响应度、比探测率和光电导增益热图。(d) 器件成像示意图。(e-g) 器件在Vds = 5/10/15 V 时输出“W”字符的对应图像。
作者简介
吴望龙，文章第一作者，中南大学物理学院博士研究生，主要从事二维、三维光电器件方向的研究工作。
钟绵增，中南大学物理学院副教授、博士生导师。主要从事低维光电功能材料与微纳器件的制备及物性研究，主持国家自然科学基金面上项目2项、国家自然科学基金青年项目各1项，湖南省青年基金1项，2022年入选湖南省创新平台与人才计划——青年科技人才。在Adv. Funct. Mater.; ACS Nano; Nano Research; npj 2D Materials and Applications; Applied Physics Letters等国际知名期刊以第一作者或通讯作者发表30余篇。
李京波，浙江大学二级教授，享受国务院政府特殊津贴，中组部第二批“万人计划”，科技部“中青年科技创新领军人才”，国家杰出青年基金获得者。长期从事半导体掺杂机制、二维半导体材料与器件、第三代半导体功率器件等方向研究，已在Nature、Nat. Mater.、PRL、Nano Lett.、Adv. Mater.等期刊发表SCI论文300余篇，论文他引次数超2.4万次，授权发明专利60余项，技术成果转化累计超过20亿元。入选2017-2023年科睿唯安高被引学者榜单，2017年作为第一完成人项目“新型半导体深能级掺杂机制研究”获得国家自然科学二等奖。
何军，芙蓉学者特聘教授，国家优秀青年科学基金获得者，中南大学党委常委、副校长。研究领域为超快非线性光学、半导体自旋电子学、类石墨烯二维材料与器件。主持国家自然科学基金项目3项、省部级项目5项。在以Nat. Mater.、Nat.Commun.、Phys. Rev. Lett.为代表的国际期刊发表SCI 论文300余篇，SCI引用超过10000 次，h-index 57，入选科睿唯安全球高被引科学家和全球前2% 顶尖科学家。
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.
（来源：Nano Research）
