在紫外單光子探測(cè)領(lǐng)域，傳統(tǒng)真空光電倍增管仍是目前采用的主流探測(cè)器件，但存在體重大、壽命短、易受磁場(chǎng)和白光干擾等固有問(wèn)題。碳化硅（SiC）單光子雪崩二極管（SPAD）因其可見(jiàn)光盲、體積小、耐高溫等系列性能優(yōu)勢(shì)，被視為下一代紫外單光子探測(cè)應(yīng)用的理想選擇。然而，因?yàn)樾枰掷m(xù)在高臨界擊穿電場(chǎng)下工作，SiC SPAD的可靠性一直是制約其實(shí)用化的關(guān)鍵瓶頸。

2025年12月，南京大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院和合肥實(shí)驗(yàn)室陸海教授團(tuán)隊(duì)在IEEE Electron Device Letters上發(fā)表了最新研究成果，成功設(shè)計(jì)并制備出一種具有分離吸收-電荷-倍增（SACM）結(jié)構(gòu)的高可靠性SiC紫外SPAD，在連續(xù)工作超過(guò)10,000小時(shí)、累計(jì)雪崩計(jì)數(shù)超過(guò)10¹⁴次后，性能仍無(wú)衰減，首次系統(tǒng)驗(yàn)證了SiC SPAD在蓋革模式下的長(zhǎng)期可靠性，為其實(shí)用化邁出關(guān)鍵一步。

一、創(chuàng)新結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：SACM優(yōu)化電場(chǎng)分布，提升可靠性

傳統(tǒng)SiC APD在高電場(chǎng)下易出現(xiàn)早期擊穿、表面漏電增加、電極退化等問(wèn)題。團(tuán)隊(duì)通過(guò)引入“穿通型”SACM結(jié)構(gòu)，精確調(diào)控電荷控制層摻雜，使器件在高壓下實(shí)現(xiàn)吸收層完全耗盡，并將高電場(chǎng)限制在底部的倍增層內(nèi)，有效降低了頂部電極和表面鈍化層所承受的電場(chǎng)強(qiáng)度，從而顯著提升器件長(zhǎng)期工作的穩(wěn)定性。TCAD仿真結(jié)果顯示，在雪崩狀態(tài)下，器件內(nèi)部電場(chǎng)分布得到有效控制，無(wú)局部尖峰，為高可靠性運(yùn)行奠定了基礎(chǔ)。

圖1. (a) 器件結(jié)構(gòu)示意圖。(b) TCAD仿真的器件橫截面電場(chǎng)分布。

二、優(yōu)異性能指標(biāo)：高探測(cè)效率、低暗計(jì)數(shù)、寬動(dòng)態(tài)范圍

制備的SiC SPAD在室溫下表現(xiàn)出優(yōu)異性能：

單光子探測(cè)效率（SPDE）：26.8% @ 270 nm

暗計(jì)數(shù)率（DCR）：8.75 Hz/μm²

零偏壓峰值響應(yīng)度：0.163 A/W（285 nm），外量子效率達(dá)71.1%

最大線(xiàn)性計(jì)數(shù)率：＞1 MHz，飽和計(jì)數(shù)率＞10 MHz

此外，器件在雪崩擊穿電壓（~317V）前暗電流保持在pA量級(jí)，擊穿電壓正溫度系數(shù)為26.7 mV/℃，表現(xiàn)出良好的溫度穩(wěn)定性。

圖2. (a) SiC SPAD I-V曲線(xiàn)與增益特性。(b) SiC SPAD光譜響應(yīng)曲線(xiàn)。(c) SiC SPAD的DCR和SPDE隨過(guò)偏壓的變化。(d) SiC SPAD 光子計(jì)數(shù)率隨入射光強(qiáng)的變化關(guān)系。 

三、首次系統(tǒng)驗(yàn)證：超萬(wàn)小時(shí)連續(xù)工作，性能無(wú)衰減

為評(píng)估器件可靠性，團(tuán)隊(duì)搭建了長(zhǎng)期實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，在16V過(guò)偏壓下進(jìn)行了超過(guò)10,000小時(shí)的連續(xù)工作：

前5000小時(shí)：暗態(tài)下，DCR穩(wěn)定在~47 kHz，無(wú)退化；

后5000小時(shí)：在270 nm UV光照射下，以飽和計(jì)數(shù)率（10 MHz）持續(xù)工作；

累計(jì)雪崩事件：超過(guò)10¹⁴次。

經(jīng)萬(wàn)小時(shí)老化測(cè)試后，器件的I-V特性、擊穿電壓、SPDE與DCR曲線(xiàn)均未出現(xiàn)退化，首次以實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)直接證明SiC SPAD可具備長(zhǎng)期高可靠單光子探測(cè)能力。

圖3. (a) (b) 長(zhǎng)期可靠性實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)物與示意圖。(c) SiC SPAD 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

圖4. SiC SPAD在10,000小時(shí)長(zhǎng)期連續(xù)運(yùn)行后的(a)暗電流和(b)單光子探測(cè)性能。

四、結(jié)束語(yǔ)

南京大學(xué)和合肥實(shí)驗(yàn)室團(tuán)隊(duì)通過(guò)創(chuàng)新的器件結(jié)構(gòu)與工藝優(yōu)化，首次實(shí)現(xiàn)SiC SPAD在持續(xù)雪崩工作條件下的萬(wàn)小時(shí)可靠性驗(yàn)證，器件單光子探測(cè)性能無(wú)衰減，標(biāo)志著SiC紫外單光子探測(cè)器向?qū)嵱没~出堅(jiān)實(shí)一步。未來(lái)隨著器件工藝進(jìn)一步成熟與系統(tǒng)集成能力提升，SiC紫外單光子探測(cè)器將在電網(wǎng)安全監(jiān)測(cè)、生化檢測(cè)、量子精密測(cè)量和國(guó)防預(yù)警等領(lǐng)域扮演重要角色，推動(dòng)第三代半導(dǎo)體在光電探測(cè)領(lǐng)域的深度應(yīng)用。 

相關(guān)工作得到了科技創(chuàng)新2030-重大項(xiàng)目、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金、江蘇省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃等多個(gè)項(xiàng)目的支持。 

論文信息：

Y. Zhou et al., “Highly Reliable SiC UV SPAD With Over 10,000 h of Continuous Operation,” IEEE Electron Device Letters, vol. 46, no. 12, Dec. 2025.

DOI: 10.1109/LED.2025.3617071