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近年来，随着深空探测、高能物理和极端环境监测等技术的快速发展，对能在高温、高辐照等极端条件下稳定运行的深紫外探测器提出了更高要求[1,2]。金刚石材料凭借其宽禁带、高热导率、高载流子迁移率和出色的辐照稳定性，成为实现高温深紫外探测的理想候选材料[3-8]。本文基于高质量单晶金刚石，制备了基于金刚石晶体管结构的深紫外探测器，并在高温环境下，测试了其紫外探测性能，评估了高温对器件光电响应特性、暗电流噪声以及响应速度的影响。
由于氢终端金刚石表面对环境较为敏感，在器件制备过程中需要考虑如何有效的对氢终端表面进行保护，这将会是影响能否实现高性能氢终端金刚石器件的重要因素。本实验中先在氢终端金刚石上直接沉积一层金薄膜保护氢终端，之后利用光刻腐蚀金工艺进行器件的制备。本研究利用金掩膜腐蚀工艺，成功制备出基于CVD单晶金刚石金属-半导体场效应晶体管,器件结构及显微镜照片如图1所示。
图1 (a) 器件示意图和 (b) 器件显微镜照片
图2为光电晶体管在关态下，温度分别为室温、60 ℃、80 ℃和120 ℃条件下进行日盲光探测的测试结果。在图2(a) 的对数坐标下，可以很直观的发现探测器的暗电流随着测试温度的升高而升高。在室温下探测器暗电流为 4×10-12 A，当测试温度为 120 ℃ 时探测器暗电流为 5×10-10 A。光电流随着测试温度的升高到 60 ℃，光电流从 17 nA 下降到 10 nA，之后下降趋势趋于平稳。虽然光电晶体管在高温下表现为暗电流上升光电流下降，光暗比下降等整体探测性能下降，但是在整个变温光探测过程中探测器依旧在特定温度下具有较好的循环测试可重复性。
图2 氢终端金刚石 MESFET 光电晶体管在 437 W/m2 入射光功率下，(a) 对数坐标和 (b) 线性坐标不同测试温度的动态响应曲线
参考文献：
[1] YU A GOLDBERG. Semiconductor near-ultraviolet photoelectronics [J]. Semicond. Sci. Technol, 1999, 14: R41-R60.
[2] MILLER RUTH A, SO HONGYUN, HEUSER THOMAS A, SENESKY DEBBIE G. High-temperature Ultraviolet Photodetectors A Review. arXiv, 2018.
[3] Fei H, Sang D, Zou L, et al. Research progress of optoelectronic devices based on diamond materials[J]. Frontiers in Physics, 2023, 11: 1226374.
[4] Shimaoka T, Koizumi S, JH, et al. Recent progress in diamond radiation detectors[J]. Functional Diamond, 2022, 1(1): 205-220.
[5] Yuan Q, Wang W, Zhang W, et al. A wide ultraviolet spectra response photodetector based on epitaxial growth of highly-oriented ε-Ga2O3 crystal on diamond substrate[J]. Functional Diamond, 2023, 3(1): 2256360.
[6] Fang W, Li Q, Li J, et al. Deep ultraviolet photodetector: materials and devices[J]. Crystals, 2023, 13(6): 915.
[7] Zhang X, Liu K, Liu B, et al. Phenomenon of photo-regulation on gold/diamond Schottky barriers and its detector applications[J]. Applied Physics Letters, 2023, 122(6).
[8] Han X, Wang Y, Gong Y, et al. Coexisting multi-valence states of doped Ta into β-Ga2O3 films on B-doped mono-diamond to achieve high performance heterojunction detector[J]. Materials Today Physics, 2025, 52: 101682.
