在超寬帶隙半導體領域，研究者們正致力于開發具有超高增益的深紫外（DUV）光電探測器，以期達到與光電倍增管（PMT）相媲美的性能。這些探測器對于200-280納米波長范圍內的日盲檢測和通信至關重要，因為它們能夠提供高靈敏度、高速度、高光譜選擇性、高信噪比和高穩定性。然而，現有的基于超寬帶隙半導體的探測器，如AlGaN和Ga2O3，面臨著高工作電壓、高晶格缺陷密度、相偏析問題以及對磁場敏感性等挑戰，限制了它們在性能上的進一步發展。

金剛石作為一種具有超寬帶隙、高熱導率、化學惰性、高絕緣性和輻射抗性的材料，被認為是制造DUV光電探測器的理想候選材料。金剛石基光電探測器的發展已經取得了一定的進展，但靈敏度和整體性能仍需進一步提升，以滿足實際應用的需求。研究者們正在探索通過表面狀態和深層缺陷的協同效應，實現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，并推動與集成電路兼容的DUV探測器技術的發展。

日本國立材料研究所廖梅勇團隊證明了利用Ib型單晶金剛石（SCD）襯底表面態和深層缺陷的協同效應，可以實現低工作電壓（<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，如靈敏度、暗電流、光譜選擇性和響應速度，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響應率和外量子效率分別超過2.5 × 104A/W和1.4 × 107%，與PMT相當。DUV/可見光抑制比（R220 nm/R400 nm）高達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生了巨大的光電流。表面態和本體深度缺陷的協同效應為開發與集成電路兼容的DUV探測器開辟了道路。

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

圖1 能帶圖和表面電導率。

圖2 光電探測器在暗光和DUV光下的I-V特性。

圖3 光響應特性與氧化時間的關系。

圖4 光子晶體的時變光響應。

2025（第五屆）碳基半導體材料與器件產業發展論壇

2025（第五屆）碳基半導體材料與器件產業發展論壇（CarbonSemi 2025）將在2025年4月10-12日于寧波召開。

碳基半導體（包括金剛石、碳化硅、石墨烯和碳納米管等）因其超寬禁帶、高熱導率、高載流子遷移率以及優異的化學穩定性等卓越的特性，正在成為解決傳統硅基半導體材料逐漸逼近物理極限問題的關鍵途徑。在人工智能、5G/6G通信、新能源汽車等迅猛發展的新興產業領域表現出廣闊的應用前景。尤其是在當前不確定的國際局勢和貿易環境背景下，碳基半導體戰略意義凸顯，成為多國布局的重要賽道。