在水里“长”出传感器芯片，华中科技大学科研突破登Nature！

近日，华中科技大学科研团队在《Nature》发表传感器创新成果，在水里“长”出红外传感器芯片。

红外成像芯片在结构上由两大核心部分构成：一是负责将入射红外光转换为电信号的感光阵列，二是负责读取、处理并输出信号的读出电路。二者的组合方式，直接决定了芯片的工艺难度与制造成本。

当前主流的短波红外（SWIR）高性能芯片，采用的是 "先分后合" 的制造工艺：感光阵列与读出电路分别独立制作完成后，再逐像素进行精密对准与键合—— 也就是把两个芯片上的每一个像素点一一对应地贴合在一起。

▲红外传感器芯片结构示意

这一环节的精度要求极高，过程犹如在显微镜下 "穿针引线"，对对准精度、键合一致性与工艺稳定性都提出了近乎苛刻的要求；也正因如此，工艺复杂、良率受限，制造成本居高不下。

这种 "逐像素键合" 的传统路径，构成了短波红外芯片长期以来成本高企、难以大规模普及的核心瓶颈—— 谁能绕开这道工艺难关，谁就有机会重新定义红外成像芯片的成本曲线。

为突破该技术瓶颈，10月28日，华中科技大学唐江团队在Nature在线发表题为“Monolithically and in situ integrated PbS infrared imagers”（单片原位集成硫化铅红外成像器件）的研究论文。

这项研究把材料合成与器件集成合二为一，开创常温水相芯片工艺，为红外成像芯片以及半导体制造提供了一条绿色低成本、可规模化的变革性新路线。相关工艺还需放大验证批量制造的良率和稳定性，未来有望服务于半导体检测、机器视觉和消费电子等领域。

唐江表示：“我们这项工作的核心就是啃下精准调控这套复杂体系的硬骨头，为低成本红外成像芯片走向规模化打开全新道路！”

具体来看，科研团队从自然界中找到了破解思路：贝壳能够在常温海水中长出高度有序的晶层结构，这一生物矿化过程启发了团队 —— 如果能让感光材料直接在电路表面有序生长，就无需再经过 "分别制备、精密对准、逐像素键合" 的繁琐流程。

沿着这一思路，团队对一项已有百余年历史的化学水浴沉积技术进行了改造，让硫化铅（PbS）直接在读出电路表面结晶成膜，从而省去了读出电路与感光层先分别制备、再对准连接的环节 —— 工艺流程被大幅简化，成本与良率瓶颈也随之松动。

但这一路径的难点同样突出：芯片上集成了数十万甚至数百万个像素，溶液体系中任何微小的扰动，都可能导致材料生长参差不齐，进而影响整片芯片的一致性与成像质量。

唐江教授团队提出单片原位集成(MISI)策略，以室温水相工艺在成品ROIC上直接生长PbS探测层。以Pb–OH配位化学调控活性物种释放，把过饱和度锁定在pH 11.2–11.3的窄窗口内，使成核只发生在电路界面；并把温度波动稳定在±5 mK、振动噪声压至0.01 μm/s以下，实现晶圆级均匀生长。

▲单片原位集成路线与低温生长原理

在此基础上，团队通过锑掺杂构建硫化铅同质结光电二极管。器件在室温下、2.5微米波长处的比探测率达到4.4×1011Jones，优于论文所对比的同波长商用铟镓砷探测器，体现出较强的微弱红外信号探测能力。

集成后的640×512像素芯片，其像素响应均匀性与文中对比的商用铟镓砷芯片相当。在无需制冷和额外补光的条件下，芯片获得了热水、热风机和电烙铁等80℃至600℃热源的清晰红外图像。团队还将该工艺拓展至柔性读出电路，实现64×64像素柔性成像阵列。

▲红外成像芯片及柔性阵列的结构与成像表现

本论文，华中科技大学为论文第一完成单位，唐江教授为唯一通讯作者，李森博士后、刘婧讲师和高亮教授为共同第一作者。研究得到国家重点研发计划、国家自然科学基金等项目支持。值得关注的是，唐江刚刚获得今年的“科学探索奖”，奖金300万元。该奖项由杨振宁、饶毅、潘建伟、高文、施一公、谢晓亮等 14 位知名科学家与腾讯公司创始人马化腾共同发起，是目前国内资助金额最高的青年科技人才项目之一。相关信息参看：华中科技大学传感器专家获“科学探索奖”，奖金300万元！唐江简介

唐江现任华中科技大学光学与电子信息学院院长、武汉光电国家研究中心教授、博士生导师，同时兼任湖北光谷实验室副主任，是 Optica Fellow、英国皇家化学学会会士，入选国家杰出青年科学基金、优秀青年科学基金、国家 “万人计划” 科技创新领军人才，连续多年入选科睿唯安高被引学者榜单。

唐江长期深耕新型光电转换材料与器件领域，目前核心研究方向包括量子点红外探测芯片、卤素钙钛矿 X 射线探测器、卤素钙钛矿发光材料与器件、硒化锑薄膜太阳能电池四大方向，近年来进一步拓展单片集成光电子器件与系统的研究与产业化落地。