【国内论文】JAC丨重庆理工大学：β-Ga₂O₃/ZnO异质结日盲探测器实现20倍性能提升并拓展蛋白检测应用

        由重庆理工大学的研究团队在学术期刊 Journal of Alloys and Compounds 发布了一篇名为 ZnO Thin Film-Enhanced Solar-Blind Ultraviolet Photodetection in β-Ga₂O₃ and Its Application for Highly Sensitive Albumin Detection（ZnO 薄膜增强 β-Ga₂O₃ 日盲紫外光电探测及其高灵敏白蛋白检测应用）的文章。

        日盲紫外光（200-280 nm）可被大气臭氧完全吸收，背景干扰极低，在导弹预警、火焰监测、环境污染物检测与生物生化分析领域具备不可替代的应用价值，高性能日盲紫外探测器是该类系统的核心器件。目前主流宽禁带材料 AlGaN、MgZnO 需要高浓度掺杂才能实现日盲截止波长，但重掺杂会引入大量缺陷、组分不均与相分离，大幅降低载流子输运能力。 β-Ga₂O₃ 本征带隙约 5.0 eV，击穿场强高、理化稳定性优异，是理想日盲探测材料，但纯相 β-Ga₂O₃ 器件载流子分离效率低、响应速度与探测灵敏度受限。

        异质结界面工程是改善器件性能的有效手段，ZnO 作为 3.2 eV 直接带隙半导体，适配紫外探测，但现有 β-Ga₂O₃/ZnO 器件均依赖磁控溅射、分子束外延等高成本真空工艺。同时，生物体液中牛血清白蛋白（BSA）的精准定量检测对临床诊断至关重要，利用 β-Ga₂O₃/ZnO 异质结光电信号实现蛋白无损检测的方案尚未被报道。为此，本文采用无真空低成本工艺制备异质结探测器，系统表征光电性能并拓展其生物传感应用。

        针对纯 β-Ga₂O₃ 基日盲紫外光电探测器载流子分离效率低、光电响应性能不足的问题，本文提出一种低成本、无真空的异质结构制备方案。采用雾相化学气相沉积法制备 β-Ga₂O₃ 薄膜，通过连续离子层吸附反应法沉积 ZnO 层，构筑 Au/β-Ga₂O₃/ZnO/Au 异质结光电探测器。材料表征结果证实异质结界面洁净、无杂相生成，异质结内建电场可显著促进光生载流子分离。在 40 V 偏压、254 nm 紫外光照射条件下，器件光电流可达 3.94 μA，是纯 β-Ga₂O₃ 探测器的 20 倍；器件响应度 10.98 A/W、探测率 3.69×10¹² Jones、外量子效率最高达 5.36×10³ %，三项性能指标分别提升 20 倍、19 倍、23 倍，同时器件光响应上升速度明显加快，开关循环稳定性优异。此外，该器件光电流响应与牛血清白蛋白浓度呈现良好线性关系（决定系数 R²=0.98115），可实现高灵敏度蛋白检测。本研究为高性能 β-Ga₂O₃ 日盲光电探测器提供低成本制备路径，并将其应用拓展至快速、无损紫外生物传感领域。

        ·采用雾相化学气相沉积+连续离子层吸附反应全常压无真空工艺，制备高质量 β-Ga₂O₃/ZnO 异质结，大幅降低器件制备成本；

        ·ZnO 异质修饰使器件光电流提升 20 倍，内建电场加速载流子分离复合抑制，器件响应速度、循环稳定性显著优化；

        ·器件响应度、探测率、外量子效率较纯氧化镓器件分别提升 20、19、23 倍，综合性能优于现有同类型氧化镓基异质结探测器；

        ·首次将 β-Ga₂O₃/ZnO 日盲紫外探测器用于牛血清白蛋白定量检测，实现无标记、宽量程、快速无损生物传感。

        本文通过雾相化学气相沉积制备 β-Ga₂O₃ 薄膜，结合连续离子层吸附反应生长 ZnO 薄膜，成功制备 β-Ga₂O₃/ZnO 异质结日盲紫外光电探测器。在 40 V 偏压、254 nm 紫外光照下，异质结器件展现出优异光电性能：光电流 3.94 μA，约为纯 β-Ga₂O₃ 对照器件的 20 倍；响应度 10.98 A/W，探测率达 3.69×10¹² Jones，外量子效率最高 5.36×10³ %，器件响应速度快、循环重复性优异。机理分析表明，ZnO 层可借助异质结内建电场加速光生载流子分离、抑制载流子复合，同时 ZnO 自身强紫外吸收可补充载流子生成，二者协同提升器件光电探测性能。此外，依托高灵敏紫外光电响应特性，该器件被用于牛血清白蛋白检测，实现定量检测，线性决定系数 R²=0.98115。

        综上，ZnO 改性 β-Ga₂O₃ 异质结为高性能日盲紫外探测器提供低成本、可落地的制备方案；其生物传感应用拓宽了宽禁带半导体异质结的应用场景，具备重要理论研究价值与实际应用潜力。

        本研究得到重庆市教委与科技局联合基金（项目编号：CSTB2025NSCQ-LZX0071）、重庆市科技局项目（项目编号：CSTB2025TIAD-STX0017）资助。

图 1 β-Ga₂O₃/ZnO 异质结器件制备流程示意图

图 2 (a)异质结器件结构示意图；(b) β-Ga₂O₃/ZnO 异质结扫描电镜图，左插图为 ZnO 薄膜放大扫描电镜图，右插图为 β-Ga₂O₃ 薄膜放大扫描电镜图；(c) β-Ga₂O₃、ZnO、β-Ga₂O₃/ZnO 异质结 X 射线衍射图谱；(d) β-Ga₂O₃ 与 ZnO 薄膜紫外-可见吸收光谱；(e) β-Ga₂O₃ 的 (αhν)²-hν 曲线；(f) ZnO 的 (αhν)²-hν 曲线

图 3 (a) β-Ga₂O₃ 薄膜 X 射线光电子能谱全谱；(b) O 1s 高分辨谱；(c) Ga 2p 高分辨谱；(d) ZnO 薄膜 X 射线光电子能谱全谱；(e) O 1s 高分辨谱；(f) Zn 2p 高分辨谱

图 4 (a) β-Ga₂O₃ 薄膜光电探测器、(b) β-Ga₂O₃/ZnO 器件在不同波长下的电流-电压曲线；(c) β-Ga₂O₃ 薄膜、(d) β-Ga₂O₃/ZnO 异质结在不同光强下的电流-电压曲线

图 5 不同波长与偏压下光电探测器响应度：(a) β-Ga₂O₃ 薄膜光电探测器，(b) β-Ga₂O₃/ZnO 异质结；(c) β-Ga₂O₃ 薄膜光电探测器、(d) β-Ga₂O₃/ZnO 异质结噪声等效功率密度谱；(e) β-Ga₂O₃ 器件、(f) β-Ga₂O₃/ZnO 异质结在不同波长下的噪声等效功率与探测率

图 6 (a、b) 40 V 偏压下，β-Ga₂O₃ 器件与 β-Ga₂O₃/ZnO 异质结在不同波长下的外量子效率；(c)两种光电探测器灵敏度对比

图 7 β-Ga₂O₃ 薄膜光电探测器在不同条件下的电流-时间曲线：(a)不同偏压，(b)不同光强；β-Ga₂O₃/ZnO 异质结在不同条件下的电流-时间曲线：(c)不同偏压，(d)不同光强；40 V 偏压下电流上升与衰减过程实验及拟合曲线：(e) β-Ga₂O₃ 器件，(f) β-Ga₂O₃/ZnO 异质结

图 8 (a) β-Ga₂O₃、(b) ZnO、(c) β-Ga₂O₃/ZnO 异质结的芯能级与价带最大值谱图；254 nm 紫外光照下(d)平衡能带结构、(e)正偏压、(f)反偏压条件下能带示意图

图 9 (a)测试装置示意图；(b)不同牛血清白蛋白浓度下器件输出电流；(c)电流差值与蛋白浓度线性关系曲线

DOI：

doi.org/10.1016/j.jallcom.2026.189227