Laser & Photonics Reviews：氢辅助再结晶晶圆级硒化铅薄膜用于高均匀性中波红外探测器阵列

研究背景

中波红外探测是国防、工业监测与智能感知的核心技术，应用上要求探测器紧凑、低成本并能实现大面阵成像。磁控溅射硒化铅（PbSe）可大面积沉积、支持室温工作，是中波红外探测的重要候选材料；但为避免损伤读出电路，沉积温度须远低于其适宜结晶区间，所得薄膜晶粒细小、晶界密集，晶界势垒与缺陷态严重抑制载流子输运。传统的氧化—碘化敏化工艺窗口窄，碘的扩散难以在大面积上保持一致，晶圆级均匀性长期难以保障，亟需不依赖敏化化学、直接重构晶界网络的新策略。

成果简介

该工作由电子科技大学王军教授、电子科技大学Hongxi Zhou、电子科技大学陈超副研究员等团队合作完成。团队对比了三种工艺制备的PbSe薄膜：射频磁控溅射膜平均晶粒仅约43 nm，晶界势垒高达79 meV，输运由晶界散射主导，迁移率只有4.52 cm2 V?1 s?1。在此基础上，团队提出氢辅助再结晶策略：溅射薄膜在663 K的Ar/H?气氛中退火12 h，氢去除晶界处的氧化物钉扎并钝化电活性缺陷态，使晶界脱钉迁移、发生异常晶粒长大。平均晶粒尺寸由约60 nm增至1444 nm（约23.8倍），纯Ar对照仅为163 nm；晶界势垒在663 K处理后降至13.2 meV，载流子迁移率提升至80.32 cm2 V?1 s?1（约18倍）。基于再结晶薄膜的探测器在3.5 μm处峰值比探测率达3.5×10? Jones，上升与下降时间分别为992 ns与995 ns。在2英寸晶圆上制备的524像元阵列，暗电流相对标准偏差仅6.69%。

图注说明

图1 不同结晶性PbSe薄膜的散射机制对比。(A) 多晶薄膜中声子散射与晶界散射示意。(D) 三种工艺薄膜的晶粒尺寸分布，射频磁控溅射膜平均晶粒约43 nm，化学气相沉积膜达6.05 μm。(E) X射线衍射谱，溅射膜取向近随机，另两种膜呈明显择优取向。(F)–(H) 电导率随温度的变化，溅射膜由晶界散射主导，化学气相沉积膜由声子散射主导。

图2 PbSe多晶薄膜的晶圆级氢化处理。(A) 溅射沉积与氢化再结晶工艺示意。(B) 2英寸晶圆氢化前后的照片及内嵌衍射谱，氢化后〈100〉织构增强。(C) 原子力显微镜形貌，均方根粗糙度由2.14 nm增至40.24 nm。(D) 九个位置的拉曼强度面扫，氢化后不均匀性仍低于9.54%。

图3 氢化再结晶过程中载流子动力学的演化。(A) 形貌随退火时间的演化，12 h后平均晶粒尺寸达1444 nm。(B) X射线光电子能谱，Ar/H?退火使Pb–O与Se–O组分逐步减弱，纯Ar退火则基本不变。(D) 不同温度下提取的晶界势垒，663 K时为13.2 meV。(E) 时间分辨光致发光，氢化后光生载流子寿命明显延长。

图4 氢化再结晶PbSe薄膜的中波红外探测性能。(B) 2.5–4.1 μm各波长下的光响应。(C) 光电流随入射功率在三个数量级以上近线性变化，拟合指数为0.98。(D) 3.5 μm下的时间响应，上升与下降时间分别为992 ns与995 ns。(F) 响应度与比探测率随波长的变化，峰值比探测率达3.5×10? Jones。(G) 与已报道中波红外探测器的室温比探测率对比。

图5 2英寸晶圆PbSe探测器阵列与红外成像。(A) 524像元阵列照片。(B) 暗电流热图，均值11.33 nA、相对标准偏差6.69%。(C) 90个代表像元的光电流热图，分布均匀。(F)(G) 响应度与比探测率的统计分布，阵列平均比探测率为1.57×10? Jones。(I)(J) 银杏叶与熊猫图案掩模的中波红外扫描成像，隔硅片仍可成像。

总结展望

这项工作把晶界脱钉、输运恢复与器件均匀性直接关联起来，不依赖氧化—碘化敏化化学即实现了溅射PbSe薄膜的晶圆级性能提升；器件经3万次开关循环与三个月空气存放后性能基本不衰减。该工艺与读出电路的后端集成兼容，为低成本、大面阵室温中波红外成像提供了一条可扩展的材料处理路线。后续若能进一步降低再结晶的热预算并推进与读出电路的单片集成，有望加快其在智能感知与工业检测中的应用。

文献链接

https://doi.org/10.1002/lpor.72073

信息来源：低维 昂维

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