深紫外光电探测由于更高的灵敏度和更低的误报率，在导弹预警、臭氧层监测、火焰探测等军事和民用领域均有着广泛的应用。目前商用的深紫外光电探测器主要为硅基和超宽带隙半导体材料基光电探测器。硅基光电探测器通常需要采用滤光片来抑制可见光与近红外光的影响，这增加了器件的复杂性和制造成本，而超宽带隙半导体材料的生长复杂，且较难形成良好的欧姆接触。更为简单、高效的深紫外探测仍有待探讨。
近日，我院先进半导体器件与光电集成实验室仿真了不同波长入射光在GaSe晶体（Eg=2.1 eV）中的吸收情况，发现由于半导体材料光学吸收系数随波长的增加而减小，短波长的光在晶体中的渗透深度较小而长波长光的渗透深度较长。随着晶体厚度的减薄，吸收峰值蓝移，因而有望利用超薄晶体实现深紫外探测。随后，基于52.1 nm厚的GaSe纳米带，制备了深紫外敏感的光电探测，在265 nm入射光照下，器件的响应度和增益分别达到了663 A W-1和3103（图2）。这一工作验证了非超宽禁带半导体材料在深紫外光电探测领域的应用可能，也进一步拓展了二维层状半导体材料在光电探测领域的应用。
进一步的有限元分析表明，GaSe纳米带的厚度是实现特定波长选择性吸收增强的关键。50 nm GaSe器件中，电场呈现增强的横向驻波，而当纳米带厚度增加，纵向的法布里-珀罗（F-P）腔共振增强，且共振波长的位置随着纳米带厚度的增加而红移。后续有望通过F-P腔结构设计，进一步提升深紫外光电探测的性能。
该工作以“Non-ultrawide Bandgap Semiconductor GaSe Nanobelts for Sensitive Deep Ultraviolet Light Photodetector Application”为题发表在国际著名学术期刊Small（2022，DOI:10.1002/small.202200594）。我院2019级研究生汪明同学为论文工作的主要完成者，吴春艳教授、罗林保教授和物理学院胡继刚教授为通讯作者。论文工作得到国家自然科学基金和中央高校基本科研业务费专项资金的资助。
图1 (a,b) 晶体中光强随深度的衰减仿真结果和归一化的衰减曲线，表明随着波长的增加，渗透深度相应增加。(c) GaSe 纳米带深紫外探测器的结构示意图。(d) 3 V偏压不同入射光照下器件的时间响应。
图2. 在(a-c)265nm，(d-f)365nm和(g-i)530nm平面波照射下，50nm，350nm和1μm GaSe纳米带XOZ平面的场强分布。(b)和(c)中的插图为放大的顶部 25nm 的|E|分布。
（李建设/文 赵金华/审核》
