在超宽带隙半导体领域，研究者们正致力于开发具有超高增益的深紫外（DUV）光电探测器，以期达到与光电倍增管（PMT）相媲美的性能。这些探测器对于200-280纳米波长范围内的日盲检测和通信至关重要，因为它们能够提供高灵敏度、高速度、高光谱选择性、高信噪比和高稳定性。然而，现有的基于超宽带隙半导体的探测器，如AlGaN和Ga2O3，面临着高工作电压、高晶格缺陷密度、相偏析问题以及对磁场敏感性等挑战，限制了它们在性能上的进一步发展。
金刚石作为一种具有超宽带隙、高热导率、化学惰性、高绝缘性和辐射抗性的材料，被认为是制造DUV光电探测器的理想候选材料。金刚石基光电探测器的发展已经取得了一定的进展，但灵敏度和整体性能仍需进一步提升，以满足实际应用的需求。研究者们正在探索通过表面状态和深层缺陷的协同效应，实现在低电压下工作的超高增益DUV光电探测器，以期解决单片集成的挑战，并推动与集成电路兼容的DUV探测器技术的发展。
日本国立材料研究所廖梅勇团队证明了利用Ib型单晶金刚石（SCD）衬底表面态和深层缺陷的协同效应，可以实现低工作电压（<5 V）的超高增益DUV光电探测器（PD）。金刚石DUV- PD的整体光响应，如灵敏度、暗电流、光谱选择性和响应速度，可以通过SCD衬底表面的氢或氧终止来简单地定制。在220 nm光下，DUV响应率和外量子效率分别超过2.5 × 104A/W和1.4 × 107%，与PMT相当。DUV/可见光抑制比（R220 nm/R400 nm）高达6.7 × 105。深氮缺陷耗尽二维空穴气体提供了低暗电流，在DUV照射下电离氮的填充产生了巨大的光电流。表面态和本体深度缺陷的协同效应为开发与集成电路兼容的DUV探测器开辟了道路。
相关成果以题为“Synergistic Effect of Surface States and Deep Defects for Ultrahigh Gain Deep-Ultraviolet Photodetector with Low-Voltage Operation”发表在Advanced Functional Materials。
图1 能带图和表面电导率。
图2 光电探测器在暗光和DUV光下的I-V特性。
图3 光响应特性与氧化时间的关系。
图4 光子晶体的时变光响应。
碳基半导体（包括金刚石、碳化硅、石墨烯和碳纳米管等）因其超宽禁带、高热导率、高载流子迁移率以及优异的化学稳定性等卓越的特性，正在成为解决传统硅基半导体材料逐渐逼近物理极限问题的关键途径。在人工智能、5G/6G通信、新能源汽车等迅猛发展的新兴产业领域表现出广阔的应用前景。尤其是在当前不确定的国际局势和贸易环境背景下，碳基半导体战略意义凸显，成为多国布局的重要赛道。
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