基于ZnO薄膜增强的β-Ga2O3太阳盲紫外光检测技术及其在高灵敏度白蛋白检测中的应用

《Journal of Alloys and Compounds》：ZnO Thin Film-Enhanced Solar-Blind Ultraviolet Photodetection in β-Ga2O3 and Its Application for Highly Sensitive Albumin Detection

　　

Ao Ye|Yaru Wang|Luwei Feng|Xiaozhan Yang|Wenlin Feng

中国重庆400054，重庆理工大学物理与新能源学院

摘要

为解决纯β-Ga₂O₃基太阳盲紫外光电探测器载流子分离效率低、响应不足的问题，本文提出了一种低成本的非真空异质结解决方案。通过雾态化学气相沉积法制备β-Ga₂O₃薄膜，再通过连续离子层吸附反应法沉积ZnO层，从而构建出Au/β-Ga₂O₃/ZnO/Au异质结光电探测器。材料表征结果显示该异质结界面纯净，无杂质相存在，且内建电场有效促进了载流子分离。在254纳米光照下、40伏偏压作用下，该探测器的光电流可达3.94微安，是纯β-Ga₂O₃探测器的20倍。其响应度为10.98阿/瓦，探测灵敏度达3.69×10¹²琼斯，外量子效率高达5.36×10³%，分别比纯材料提升了20倍、19倍和23倍，同时具有更快的响应速度和更稳定的开关特性。此外，该探测器在光电流响应与牛血清白蛋白浓度之间呈现出良好的线性关系（R²=0.98115），可实现高灵敏度的蛋白质检测。本研究为高性能β-Ga₂O₃太阳盲光电探测器提供了低成本制备方案，同时推动了其在快速、无损的紫外生物传感领域的应用。

引言

太阳盲紫外光（200-280纳米）会被大气中的臭氧强烈吸收，因此背景干扰极低[1]。这一独特的光谱特性使其在导弹预警、火焰检测、安全短距离通信、环境污染物监测以及生化分析等领域具有不可替代的作用[2]、[3]、[4]。作为这些系统的核心组件，高性能太阳盲紫外光电探测器的重要性不言而喻，而宽禁带半导体材料的选择则是决定其性能的关键因素。

在各类候选材料中，包括AlGaN[5]、MgZnO[6]以及Ga₂O₃[7]、[8]，AlGaN和MgZnO需要高浓度的铝或镁掺杂才能将太阳盲截止波长降至280纳米以下。然而这种重度掺杂会带来缺陷密度增加、成分不均匀以及相分离等问题[9]、[10]，从而严重阻碍载流子传输，降低器件的性能与稳定性。相比之下，β-Ga₂O₃具有约5.0电子伏特的本征带隙[11]，同时还具备极高的击穿场强（约8兆伏/厘米）以及出色的物理化学稳定性，因此成为理想的太阳盲紫外光电探测器材料[12]。不过，纯β-Ga₂O₃中存在的陷阱会导致载流子寿命过长，从而降低响应速度和检测灵敏度，实际性能远低于理论值[13]。因此，通过构建异质结来进行界面工程改造便成为一种必要的策略。

异质结结构可以通过界面势垒和内建电场有效调控载流子行为[14]。目前已有多种基于β-Ga₂O₃的异质结被报道，比如p-Si/AlN/β-Ga₂O₃[15]、GaN/β-Ga₂O₃[16]以及ZnO/β-Ga₂O₃[17]、[18]、[19]。其中，ZnO是一种宽禁带（3.2电子伏特）直接半导体，室温下的激子结合能为60毫电子伏特[20]、[21]，具备天然的紫外检测优势，已在通信、传感及军事领域得到应用。但目前现有的ZnO/β-Ga₂O₃器件大多采用磁控溅射和分子束外延技术，需要复杂的真空设备，不仅成本高昂，而且制备工艺较为复杂。而将雾态化学气相沉积技术与连续离子层吸附反应技术相结合，用于常压条件下低成本制备异质结，目前尚未被探索。此外，牛血清白蛋白作为生物体液中含量最丰富的蛋白质，其精确的定量检测对于确保实验结果的可靠性以及临床诊断具有重要意义。利用β-Ga₂O₃/ZnO异质结在254纳米波长的敏感光电响应特性来检测牛血清白蛋白的色基吸收，是一种创新且尚未有相关报道的生物传感方法。

因此，本研究介绍了β-Ga₂O₃/ZnO异质结太阳盲紫外光电探测器的制备方法，并对其在254纳米波长下的太阳盲光响应进行了系统表征。得益于良好的能带匹配和高效的电子传输通道，该异质结在太阳盲波段表现出显著的光电导增益，且已证明可应用于牛血清白蛋白的检测。本研究不仅为高性能太阳盲紫外光电探测器提供了一种低成本制备方案，还实现了快速、无损的紫外吸收生物传感，为光电检测和生化分析领域提供了重要的理论参考。

章节节选

材料

本研究所使用的所有化学品均为分析级或更高纯度。乙酰丙酮镓（C₁₅H₂₁GaO₆，纯度99.99%）购自上海碧德制药科技有限公司；氯化锌（ZnCl₂，纯度98%）来自阿拉丁工业公司。盐酸（HCl，分析级，浓度36.46%）、无水乙醇（C₂H₆O，分析级，纯度≥99.7%）以及丙酮（C₃H₆O，分析级，纯度≥99.5%）由成都科龙化学试剂有限公司提供。氨水（NH₃·H₂O，浓度25–28%）则购自重庆传东化工

β-Ga₂O₃和ZnO薄膜的特性

图2a展示了该异质结器件的结构示意图。图2b为β-Ga₂O₃/ZnO异质结的扫描电子显微镜图像，可见β-Ga₂O₃表面光滑致密，表明其晶体质量优异；而ZnO则呈现为由多层纳米粒子构成的花状结构[22]。图S1a和S1b为ZnO薄膜的放大图像，EDS能谱分析（图S1c和S1d）则证实了基底上镓元素分布均匀，未覆盖区域则有局部的锌元素存在，由此证明该异质结构建成功

用于快速检测牛血清白蛋白的β-Ga₂O₃/ZnO异质结光电探测器

借助β-Ga₂O₃/ZnO异质结光电探测器出色的太阳盲紫外响应特性，本文开发出一种新的深紫外吸收技术用于牛血清白蛋白的定量检测。首先将牛血清白蛋白溶解在磷酸盐缓冲液（pH值为7.4）中，配制出浓度分别为1纳克/毫升、10纳克/毫升、100纳克/毫升、1微克/毫升、10微克/毫升、100微克/毫升、1毫克/毫升以及10毫克/毫升的标准溶液。每次检测时，取600微升待测溶液注入比色皿中，以纯磷酸盐缓冲液作为对照，测量两者之间的绝对电流差（ΔI值），进而计算出相应的检测结果

结论

在本研究中，我们通过雾态化学气相沉积法制备了β-Ga₂O₃薄膜，再通过连续离子层吸附反应法生长出ZnO薄膜，最终成功制备出了β-Ga₂O₃/ZnO异质结太阳盲紫外光电探测器。在254纳米光照、40伏偏压条件下，该异质结器件展现了优异的光电性能：其光电流达到了3.94微安，约为纯β-Ga₂O₃参考器件的20倍。该探测器的响应度为10.98阿/瓦，探测灵敏度达3.69×10¹²琼斯，外量子效率也相当可观

作者贡献说明

Yaru Wang：软件使用、研究方法设计、定量分析。 Luwei Feng：软件使用、实验研究、数据整理。 Xiaozhan Yang：论文撰写与编辑、项目监督、研究构思。 Ao Ye：论文初稿撰写、实验研究、数据整理。 Lu Wenqiang：项目监督、资金申请、定量分析。 Wenlin Feng：论文撰写与编辑、资金申请、研究构思。

利益冲突声明

所有作者声明自己不存在任何可能影响本研究结果的已知利益冲突或个人关系。

致谢

本研究得到了重庆市教育委员会与科学技术局联合基金（项目编号CSTB2025NSCQ-LZX0071）以及重庆市科学技术局（项目编号CSTB2025TIAD-STX0017）的支持，在此表示衷心的感谢。