电子科技大学在非制冷PbSe中波红外探测器领域取得重要进展

麦姆斯咨询获悉，近期，电子科技大学光电科学与工程学院光电探测与传感集成技术团队在非制冷PbSe中波红外探测器领域取得重要进展，相关成果相继发表于《Laser & Photonics Reviews》（2篇）、《ACS Photonics》《Advanced Optical Materials》及《Vacuum》等国际权威期刊。

中波红外探测器技术具有重要应用价值，现阶段中波红外探测器件均为制冷型器件，价格昂贵、体积功耗大。在非制冷中波红外探测中，PbSe薄膜因具备较低的俄歇复合系数，在室温下展现出优异的中波红外探测性能。然而，当前PbSe材料的制备与敏化工艺仍面临多重技术瓶颈，主要包括：薄膜结晶质量差、晶界结构无序、敏化机制不明确、与CMOS工艺兼容性差，以及小尺寸探测像元性能偏低等问题，难以满足高性能焦平面器件的应用需求。以西班牙NIT公司为例，其早在十余年前便推出了128 × 128像素、单元尺寸为50 μm × 50 μm的非制冷PbSe红外焦平面器件，但至今仍未见更大规模、小像元高性能非制冷中波红外焦平面探测器商用产品的相关报道。

针对上述技术挑战，研究团队围绕CMOS兼容的高质量PbSe光敏薄膜制备、PbSe晶界调控方法、新型载流子光热器件结构、高效率超构表面探测结构，以及PbSe薄膜掺杂提升性能等方向，开展了一系列系统深入的研究。

论文一：Grain Boundaries Engineering to Achieve Hot-Carrier Photothermoelectric Infrared Detector

团队报道了一种基于晶界工程策略的硒化铅（PbSe）多晶薄膜热载流子光热电探测器。该工作通过向PbSe多晶薄膜的晶界网络引入液态SbCl₃，协同优化了载流子动力学，首次在可扩展的多晶架构中实现了热载流子光热电（PTE）中波红外响应。此项策略将载流子寿命提升至1.14纳秒，迁移率提升至433 cm² V⁻¹ s⁻¹，塞贝克系数提升至401.32 μV K⁻¹，使热电器件性能比肩顶尖二维材料。最终制备的探测器实现了0.40-10.1 μm的超宽带红外响应，在3.5 μm波长下获得了400 V/W的峰值响应度与406纳秒的超快响应时间，其性能超越当前非制冷多晶薄膜器件至少两个数量级。

这项工作成功演示了在多晶薄膜中实现热载流子光热电效应，通过靶向修饰晶界，显著抑制了载流子散射，从而同时实现了高响应度与超快速度。鉴于多晶薄膜优异的可扩展性，该研究为开发下一代高性能、低成本的非制冷中波红外探测器提供了全新的技术路径。

该成果发表于Laser & Photonics Reviews。博士生魏于超（博士导师：蒋亚东，硕士导师：陈超）为论文一作，陈超、周泓希、王军老师为共同通信作者。

图1 PbSe多晶薄膜中的GB工程与热电性能增强

论文二：Hybrid-Dimensional Polycrystalline van der Waals Heterostructure for High Responsivity and Broadband Detection

在基于异质结的高性能宽带光电探测器上，团队提出了一种 SnSe2/ PbSe的混合维度范德华异质结光电探测器。基于异质结的能带排列与有效热管理，该器件在可见至中波红外（500-4100 nm）宽带范围内实现了高性能探测，峰值响应度达2343 V/W，响应时间约60 μs，峰值探测率为8.24 × 10⁹ Jones。本研究通过2D SnSe2/3D PbSe混合维度异质结设计，实现了光热电效应的协同增强，为高性能宽带光电探测器的设计探索提供了新思路。

该成果发表于Laser & Photonics Reviews。博士生王泽徐（博士导师：蒋亚东，硕士导师：陈超）为论文第一作者，陈超、周泓希、王军老师为共同通信作者。

图2 SnSe2/PbSe混维异质结光电探测器的结构及材料特性分析

论文三：Plasmonic-Cavity Coupling for Ultrafast Response and Broadband Detection in PbSe Midwave Infrared Photodetectors

在超构表面结构设计上，团队研究了一种集成了谐振超构表面-腔吸收体与CMOS兼容磁控溅射硒化铅（PbSe）薄膜的光电探测器。该器件利用等离激元-谐振腔耦合实现了增强的光物质相互作用，在3-5 μm波段相较于平面PbSe对照组实现了约500%的宽带吸收增强。这种增强使得器件在3.3 μm波长下获得了336 mA/W的高响应度和2.52 × 10⁹ Jones的探测率，同时保持了约5 μs的超快响应时间。该工作不仅展示了室温下可扩展平台的高灵敏度宽带探测，还凸显了纳米光子学与硫族化物集成在推进非制冷红外技术及大面积中波红外光电应用中的巨大潜力。

该研究采用CMOS兼容的磁控溅射工艺沉积PbSe薄膜，并创新性地构建了由钛（Ti）纳米圆盘阵列、氟化钙（CaF2）电介质层和铝（Al）背反射层组成的金属-绝缘体-金属（MIM）等离激元谐振腔架构。通过局域表面等离激元共振与法布里-珀罗（F-P）腔模的协同作用，该结构在纳米尺度内极大地增强了光场局域化与光-物质相互作用。实验结果表明，该器件不仅在3-5 μm波段实现了极高的吸收增强，还展现出从可见光到近红外的超宽带响应能力。特别是在响应速度方面，其约5 μs的微秒级响应时间比传统平面器件快了近两个数量级。这项研究为解决微小PbSe像元的性能衰退，并利用纳米光子学结构开发可扩展、低成本、高灵敏度的下一代非制冷中波红外探测器提供了重要的技术路径。

该成果发表于ACS Photonics。博士生许亦菲（博士导师：吴志明，硕士导师：陈超）为论文第一作者，陈超、吴志明、王军老师为共同通信作者。

图3 谐振超构表面-腔吸收体与PbSe非制冷中波红外探测器及其性能

论文四：Co-Sputtered Sn:PbSe Films with In Situ Oxidation for Broad-Spectrum Photodetection and Ultrafast-Response Applications

在PbSe薄膜掺杂方面，团队首次提出了一种创新策略，即原位氧化与共溅射沉积相结合的方法来制备并同时氧化锡掺杂的硒化铅薄膜。该方法制备的器件具有出色的光学响应特性以及广泛的检测范围（405 - 5000 nm）。该探测器的最大响应度可达3 A/W，峰值探测率可达1.8×10¹¹ Jones，并且在808 nm波长下展现出超过1 μs的响应速度。此外，它还表现出良好的光学响应均匀性以及在室温下的稳定中红外成像能力。

在该研究中，通过精确控制共溅射过程中的氧气流量，成功地实现了对硒化铅的锡掺杂以及原位氧化过程。实验结果表明，优化后薄膜的红外探测性能得到了显著提升。该薄膜在提高光电响应灵敏度、加快响应速度和降低噪声水平方面表现出卓越的能力。该研究通过退火处理后，由原位氧化的掺锡硒化铅薄膜所制成的光电探测器在响应波长方面实现了有效的拓宽，同时提高了响应幅度和速度。这种方法在简单的退火处理后（无需卤素敏化）显著提高了其性能，这有效避免了传统碘蒸汽敏化过程不均匀、难控制的问题。为多晶PbSe基薄膜在非制冷中波红外探测的实际应用提供了新的思路。

该成果发表于Advanced Optical Materials。博士生安保华（博士导师：吴志明）为论文第一作者，陈超、吴志明、太惠玲、王军老师为共同通信作者。

图4 退火后原位氧化Sn：PbSe薄膜及其探测器性能

论文五：High-speed and broad spectrum detection of lead selenide thin film photodetectors fabricated via magnetron sputtering

在CMOS兼容的PbSe制备方面，团队前期通过磁控溅射技术成功制备了无退化、大规模且成本效益高的基于铅硒多晶薄膜的光电探测器，并通过敏化手段进行了全面优化。由于晶粒钝化，载流子寿命增加了两倍以上。此外，通过调整导电类型和杂质的修饰，敏化铅硒的载流子迁移率提高了一个数量级，而暗电流则减少了近四个数量级。器件在1-5 μm的光谱范围内吸收能力显著增强，其峰值响应率超过 16 A/W，峰值探测率大于10¹⁰ Jones。此外，响应速度和响应灵敏度都有显著提升。

该研究通过敏化处理使探测性能不佳的溅射沉积的硒化铅薄膜探测器性能实现了质的飞跃。这让磁控溅射在大面积制备均匀薄膜方面的独特优势在非制冷中波红外探测中的实际应用成为了可能。

该成果发表于Vacuum。博士生安保华（博士导师：吴志明）为论文第一作者，陈超、吴志明、王军老师为共同通信作者。

图5 CMOS兼容PbSe薄膜及其探测器

电子科技大学光电探测与传感集成技术团队长期深耕非制冷红外探测技术领域，前期已突破非制冷长波红外焦平面关键技术并掌握工程化技术，荣获两项国家级奖励。在此基础上，团队近期聚焦非制冷中波红外探测技术，围绕关键核心难题开展攻关，致力于研制高性能单像素PbSe基非制冷中波红外探测器，以及小像元、大面阵PbSe基非制冷中波红外焦平面探测器。