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本工作采用化学气相沉积法在SrTiO3衬底上实现了单晶硫化铅薄膜的大规模制备，通过构建不对称Au-Cr/PbS/InZnO异质结结构，成功实现室温零偏红外成像，器件响应时间达亚毫秒级，检测度高达9.8×10^10 cm·Hz^1/2·W^-1。
郝 Zhu | 姚 文 | 程 瑞青 | 雷 银 | 刘 永 | 江 超 | 王 霍 | 熊 自仁 | 蔡 崇阳 | 姚 元 图 | 王 七生 | 方 龙 | 何 俊
教育部人工微纳结构重点实验室，武汉大学物理与技术学院，中国武汉 430072
摘要
物联网的快速发展凸显了先进光检测技术的重要性，尤其是在近红外（NIR）传感和成像领域。然而，传统的材料如InGaAs和HgCdTe面临着诸多挑战，例如制造工艺复杂、成本高昂以及室温下的NIR灵敏度有限。本文报道了在SrTiO3（STO）衬底上通过化学气相沉积（CVD）法生长的大面积硫化铅（PbS）单晶薄膜。这些单晶薄膜具有优异的结晶性，并且晶畴方向高度有序。通过构建非对称的Au-Cr/PbS/InZnO（IZO）结构，实现了高效的光响应。肖特基接触不仅在红外光下产生显著的光电压，突破了传统基于Pb的器件的低温操作限制，还实现了亚毫秒级的响应时间（τrise/τfall = 0.57/0.68 ms）。通过将高质量单晶薄膜与非对称界面工程相结合，实现了室温下零偏压的红外成像。结果表明，该器件的比检测率（D*）达到9.8×1010 cm Hz1/2 W?1，为低成本、无需冷却的红外成像系统提供了可行的路径，并展示了广泛的应用潜力。
引言
红外检测技术在医疗视觉治疗[1]、中红外信号检测与存储[2, 3]、计算集成[2, 3]以及复杂环境下的侦察与反侦察[4]中不可或缺。传统的红外材料如HgCdTe和InGaAs因其出色的光电性能[5]而长期占据主导地位，但其广泛应用受到严格温度要求和复杂制造工艺的限制。新兴的半导体材料[6, 7, 8]（包括黑磷[9, 10]、石墨烯及其异质结构[11]）为红外检测开辟了新途径[12, 13]，但这些材料存在环境稳定性差、光吸收效率低以及与标准互补金属氧化物半导体（CMOS）工艺不兼容[14, 15]的问题。
要实现高性能的红外器件，需要使用基于Pb的单晶材料，因为它们具有较少的晶界和较低的缺陷密度。目前已开发出多种合成这些材料的方法[16, 17, 18, 19]。PbS本身具有窄带隙（0.41 eV，非常适合短波红外应用）、丰富的天然储量以及高化学稳定性，并且可以通过掺杂和界面工程调节带隙[20]。其中，化学气相沉积（CVD）是一种经济高效、操作简便的方法，可用于可控地制备单晶薄膜[21, 22, 23, 24]，非常适合与后续的硅基读出电路集成。虽然低维PbS结构（如量子点[25, 26]和纳米线[27, 28]）在红外传感方面显示出潜力，但其大规模应用往往受到均匀性差的限制。相比之下，大面积单晶PbS薄膜为解决这一问题提供了可行的方案。然而，充分发挥PbS在这些应用中的潜力主要依赖于大面积高质量单晶薄膜的外延生长，这需要实现晶畴方向的均匀性和对生长过程的精确控制。实现这种高性能薄膜的可扩展生产的一个根本障碍是缺乏可靠的策略来控制单取向晶畴的形成[29, 30]。除了材料生长外，电极接触工程也是决定PbS基器件红外检测性能的关键因素[31, 32, 33, 34]。在各种接触方案中，肖特基接触被广泛采用以获得优异的光电性能[35, 36, 37, 38]。在光电器件中，透明导电氧化物（TCOs）如氧化铟锡（ITO）[39, 40, 41, 42, 43]和氧化铟锌（IZO）[45, 46, 47, 48]因其低温加工特性和与PbS的良好界面形成而得到广泛应用[49]。因此，将高质量单晶薄膜与透明金属氧化物电极集成是一种显著提升光灵敏度并实现室温高效光检测的有前景的方法[16, 49]。
在本研究中，我们采用CVD技术在STO衬底上成功合成了厚度为1 μm的一英寸高质量单晶PbS薄膜。通过使用STO（100）衬底作为模板，引导PbS的有序成核和生长，实现了晶畴方向的均匀性。高分辨率X射线衍射（XRD）分析显示PbS（200）外延层的半高宽（FWHM）小于0.11°，远低于以往CVD生长的PbS薄膜。为了研究接触效应，我们制备了三种不同电极结构的器件：对称的Au-Cr/PbS/Au-Cr、非对称的Au-Cr/PbS/IZO和对称的IZO/PbS/IZO。在非对称器件（Au-Cr/PbS/IZO）中，内置的电场有效促进了光生载流子的分离，从而显著提升了光响应。值得注意的是，在零外部偏压下，IZO/PbS界面观察到了明显的光伏效应，实现了室温下的宏观红外成像。
PbS薄膜的合成
采用CVD方法在SrTiO3衬底上成功合成了大面积单晶PbS薄膜。反应在长度为1.5米、直径为2英寸的石英管中进行。将0.1克PbS粉末（纯度99.99%，Alfa Aesar）放置在高温区和低温区的交界处，多余的S粉末（纯度99.999%，Alfa Aesar）放置在低温区中间。使用单面抛光的STO（100）衬底作为生长基底。
结果
利用双区CVD系统，在SrTiO3（100）衬底上成功外延生长了单晶PbS薄膜（图1a）。在此过程中，高纯度PbS粉末置于850 °C的高温区，硫粉置于150 °C的低温区。STO衬底位于PbS源的上游，置于水平石英反应器中，并在Ar/H2载气流下进行反应，以确保前驱体的均匀分布。
讨论与结论
本研究通过CVD技术成功合成了大面积单晶PbS薄膜。结合非对称的Au-Cr/PbS/IZO器件结构，开发出了能够在室温下零偏压下工作且响应时间小于毫秒的高效红外探测器。这种集成方法实现了基于单晶PbS薄膜的室温宏观红外成像。
利益冲突
作者声明不存在利益冲突
致谢
本研究得到了国家自然科学基金（项目编号：62134001, 92464303, 12574128, U23A20364, 62104171, 623B2078）、武汉工业创新联合实验室（2024050902040443）、内蒙古工业大学战略优先研究计划（BS2024074）以及内蒙古自治区科技计划（2025YFHH0119）的支持。
作者贡献
何 俊、方 龙和姚 文构思并监督了整个项目。郝 Zhu负责材料的准备。
