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电动汽车驱动 宽禁带半导体 SiC器件 ★ 4.0

利用金纳米颗粒增强宽带4H-SiC光电探测器:将灵敏度从紫外扩展至短波红外波段

Enhancing Broadband 4H-SiC Photodetectors With Gold Nanoparticles: Expanding Sensitivity From UV to SWIR Spectrum

作者 Lulu Geng · Guohui Li · Wenbin Sun · Xianyong Yan · Wenyan Wang · Ting Ji
期刊 IEEE Transactions on Electron Devices
出版日期 2025年1月
技术分类 电动汽车驱动
技术标签 宽禁带半导体 SiC器件
相关度评分 ★★★★ 4.0 / 5.0
关键词 4H-碳化硅 宽带光电探测器 金纳米颗粒 等离子体共振 紫外-短波红外
语言:

中文摘要

4H型碳化硅(4H - SiC)在能够在高电压和高温条件下工作的光电探测器(PD)领域具有广阔的应用前景。然而,4H - SiC的宽带隙(3.26 eV)将其应用限制在400 nm以下的紫外(UV)波段。开发具有覆盖紫外到短波红外(SWIR)光谱的宽带响应的4H - SiC光电探测器至关重要。本研究展示了一种4H - SiC宽带光电探测器,其灵敏度可从紫外延伸至2200 nm的短波红外范围。这种优异的性能归因于4H - SiC带隙内存在大量形成深能级的缺陷中心,这些缺陷中心使得探测器能够吸收能量低于带隙的可见光(VIS)和短波红外光子。此外,引入热退火处理的金纳米颗粒(Au NPs)会引发局域表面等离子体共振,在保持暗电流的同时,显著提高了宽带波长范围内的光电流。与未添加金纳米颗粒的参考器件相比,这种等离子体器件具有更出色的弱光探测能力。在增强峰值处(860 nm激光照射下),该等离子体器件的最小可探测功率密度小于<inline - formula xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink"> <tex - math notation="LaTeX">$0.488~\mu $ </tex - math></inline - formula>W/cm²。值得注意的是,该等离子体光电探测器的光暗电流比(PDCR)提高了3260%,外量子效率(EQE)增强因子最大达到3166%。这些研究结果为推动紫外 - 短波红外宽带碳化硅光电探测器的发展奠定了基础。

English Abstract

4H-silicon carbide (4H-SiC) is promising for photodetectors (PDs) capable of operating at high voltages and elevated temperatures. However, the wide bandgap of 4H-SiC (3.26 eV) restricts its applications to the ultraviolet (UV) range below 400 nm. It is essential to develop 4H-SiC PDs with a broadband response covering the UV to short-wavelength infrared (SWIR) spectrum. This study demonstrates a 4H-SiC broadband PD with sensitivity extending from UV to SWIR range up to 2200 nm. The superior performance is attributed to the presence of numerous defect centers forming deep energy levels within the 4H-SiC bandgap, which allows the absorption of visible (VIS) and SWIR photons with energies lower than the bandgap. Moreover, the incorporation of thermally annealed gold nanoparticles (Au NPs) induces localized plasmonic resonance, significantly enhancing the photocurrent over a broadband wavelength range while maintaining the dark current. This leads to superior weak light detection capabilities for the plasmonic device compared to the reference device without Au NPs. At the enhancement peak (under 860-nm laser illumination), the plasmonic device achieves a minimum detectable power density of 0.488~ W/cm2. Notably, the plasmonic PD exhibits a 3260% increase in the photo-to-dark current ratio (PDCR), with an external quantum efficiency (EQE) enhancement factor reaching a maximum of 3166%. These results lay a foundation for advancing the development of UV-SWIR broadband SiC PDs.
S

SunView 深度解读

从阳光电源的业务视角来看,这项基于4H-SiC的宽光谱光电探测器技术具有重要的战略参考价值。碳化硅材料本身是我们功率器件领域的核心关注对象,其在高压、高温环境下的稳定性直接关系到光伏逆变器和储能变流器的效率与可靠性。

该研究通过引入金纳米粒子增强局域等离子体共振效应,将4H-SiC的光响应范围从紫外拓展至2200nm短波红外波段,这一突破对我们的光伏系统具有双重意义。首先,在组件级监测方面,宽光谱探测能力可实现对太阳光谱更全面的实时监控,有助于优化MPPT算法,提升发电效率。其次,该技术展现的3260%光暗电流比提升和3166%外量子效率增强,意味着微弱光照条件下的高灵敏度检测成为可能,这对分布式光伏系统的智能化运维和故障诊断具有实际应用价值。

从技术成熟度评估,该研究仍处于实验室阶段,工业化应用面临成本控制、工艺稳定性和长期可靠性验证等挑战。金纳米粒子的热退火工艺与我们现有的SiC功率器件制造流程存在集成难度。然而,技术路径清晰且性能提升显著,值得跟踪研究。

对阳光电源而言,关键机遇在于将该探测技术与我们的智能化系统集成。建议关注其在组件级功率优化器、储能系统热管理监测、以及氢能领域光催化效率检测等场景的应用潜力。同时可考虑与科研机构合作,探索碳化硅材料在"发电-转换-探测"一体化方向的技术协同。