【国内论文】福州大学贾乐敏博士、中山大学郑伟教授：面向 50-200nm 线站应用的 131dB 宽线性动态范围高品 β-Ga₂O₃ 真空紫外光电二极管

        先进的真空紫外光源，如同步辐射和自由电子激光，是研究电子结构和超快动力学不可或缺的工具。为了在多个线站实现光子通量的动态监测，光电探测器需要具备大有效面积、宽线性动态范围和快速响应能力，以实现精确的剂量量化。作为目前标准探测器的硅（Si）基光电二极管，在强辐射环境下会面临响应度快速下降和晶格损伤的问题，迫切需要下一代探测器解决方案。作为第四代半导体，单斜相氧化镓（β-Ga₂O₃）具有约 4.9 eV 的超宽禁带，展现出极高的量子效率、固有的抗辐射性能和出色的热稳定性，是真空紫外探测的理想候选材料。目前已报道的氧化镓探测器大多限于亚毫米量级，无法满足先进设施中大尺寸光束诊断的需求。虽然扩大面积看似简单，但会导致暗电流呈指数增长、线性度恶化以及响应速度下降等严重问题。现有研究主要集中在 200 nm 以上波段的探测性能，而关于 β-Ga₂O₃ 在真空紫外区域的完整光电响应特性仍缺乏深入探索。

        先进的真空紫外（VUV）光源是研究电子结构和超快动力学不可或缺的工具。本文报道了专门为 VUV 光束线监测设计的封装 β-Ga₂O₃ 光电二极管。通过精密控制的 MOCVD 外延工艺，我们制备出了具有典型“台阶流”形貌的原子级平整 β-Ga₂O₃ 薄膜，其厚度均匀度接近99%，表面原子级平滑，从而实现了在大面积有效区内的均匀载流子传输。优化的垂直结构实现了 7.98×10⁷ 的超高光暗电流比、131 dB 的宽线性动态范围以及纳秒级响应时间，可在动态光束条件下进行精确的通量测量。58-350 nm 范围内的全面光谱表征显示，在 140 nm 处（-1 V 偏压）的峰值响应度为 1.98 A/W，这是首次报道的 β-Ga₂O₃ 器件的完整 VUV 光谱响应曲线。这些结果为抗辐射 VUV 光子学树立了新标准。

        •通过精密控制的 MOCVD 工艺，制备了厚度均匀性高达 99% 且表面达到原子级平整的高品质 β-Ga₂O₃ 薄膜，实现了 5 mm × 5 mm 大面积器件中的载流子均匀传输。

        •采用优化的垂直架构，实现了 131 dB 的超宽线性动态范围（LDR），能够支持在动态光束条件下的精确通量测量。

        •光暗电流比达到 7.98 × 10⁷，确保了在极弱光环境下的高灵敏度检测。

        •器件展现出纳秒量级的响应时间，满足了高频脉冲光源的实时监测需求。

        为满足先进 VUV 光束线监测对大面积、宽动态范围和快速响应探测器的需求，本研究成功开发了一种基于 β-Ga₂O₃ 薄膜的垂直光电二极管。建立了高品质的 β-Ga₂O₃ 外延生长工艺，获得了原子级平整的表面和优异的结晶度。封装后的器件在VUV波段展现出创纪录的性能，具有 131 dB 的动态范围、纳秒级响应速度以及优异的稳定性。这些进展揭示了 β-Ga₂O₃ 独特的性能优势，能够解决下一代光源、光刻及空间应用中传统探测器无法应对的关键检测挑战。未来，仍需对 β-Ga₂O₃ 探测器的VUV辐照剂量阈值及辐照损伤机制进行进一步系统研究，以推动此类器件在各类高辐射领域的实际应用。

        本研究得到国家自然科学基金（62501162）和福建省科技项目（2024J01251、JZ240006）的资助。感谢富加镓业科技有限公司在 MOCVD 工艺方面提供的技术支持，以及感谢合肥光源（https://cstr.cn/31131.02.HLS.Metrology）计量光束线站（BL08B）以及大连相干光源（https://cstr.cn/31127.02.DCLS）的工作人员在数据采集与分析方面提供的技术支持和帮助。

图1. (a) β-Ga₂O₃ 薄膜的膜厚测量结果，(b) XRD 图谱，(c) HRXRD 摇摆曲线，以及 (d) β-Ga₂O₃ 薄膜的 AFM 图像。

图2. (a) 制备的 Ga₂O₃ 光电二极管的结构示意图。(b) 该光电二极管的半对数 I-V 曲线；插图显示了封装器件的照片。(c) 在不同位置的光斑下测得的 I-V 曲线。(d) 电流随时间变化（I-T）的稳定性测试曲线。

图3. (a) 在 -1 V 下测得的 Ga₂O₃ 光电二极管的全光谱响应度。(b) 不同光功率（185 nm）下的 I-V 曲线。(c) 用于线性响应分析的光电流-功率曲线。

图4. (a) 用于监测自由电子激光（FEL）和表面辐射（SR）光源的极紫外（VUV）光电二极管（PD）原理图。(b) 在不同 FEL 波长下测得的脉冲响应。(c) 在不同 SR 波长下测得的电流信号。(d) 与已报道的垂直结构 Ga₂O₃ 光电二极管的性能对比。

DOI：

doi.org/10.1109/LED.2026.3687709