一、 【科学背景】
图像传感器是人工智能系统的视觉接口，负责将光信号转化为驱动感知、识别与决策的电子数据。尽管高性能红外成像的需求持续增长，但传统制备路线仍受限于将分立探测器阵列与读出集成电路键合的工艺。这种混合集成方式不仅增加了工艺复杂性和成本，也制约了大面阵及柔性焦平面阵列的可扩展制造。一种具吸引力的替代方案是在兼容后端电子工艺的条件下，通过溶液法在ROIC上直接生长探测器材料。然而，如何在此类低温、ROIC兼容过程中获得电子级半导体薄膜，长期以来一直是该领域的核心难题。受生物矿化启发，一种单片原位集成策略，通过室温水相工艺在ROIC上直接制备高性能PbS光电探测器。在这里，华中科技大学的唐江和罗家俊教授合作，相关研究成果以“Monolithically and in situ integrated PbS infrared imagers”为题目发表在国际顶级期刊Nature上。通过调控Pb–OH络合并抑制环境扰动，获得了具有晶圆级均匀性的准单晶PbS薄膜，最终实现了兼具高探测率、可扩展制造能力以及柔性衬底兼容性的红外成像器件。
二、【科学贡献】
图1 单片集成的三种模式与成核原理。© 2026 Nature
图2 MISI制备的PbS薄膜表征。© 2026 Nature
图3 PbS光电二极管的器件结构与光电性能。© 2026 Nature
图4 MISI制备的PbS红外相机的成像性能。© 2026 Nature
三、【 创新点】
1．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。
2. PbS薄膜呈准单晶质量：(200)摇摆曲线半高宽仅46.1角秒，载流子浓度约2×10¹⁵ cm⁻³，霍尔迁移率达124 cm²/V/s，晶圆级厚度均匀性为±2.1%。
3. 以锑掺杂构筑PbS同质结光电二极管，其2.5 μm处峰值比探测率达4.4×10¹¹ Jones，超过商用InGaAs探测器，线性动态范围超过120 dB。在640×512像素的CMOS ROIC上制成焦平面阵列，光响应不均匀性5.05%，无照明即可清晰拍摄80–600 °C热源；工艺还兼容柔性(TFT)读出电路，并已PbS拓展至PbSe。
四、【 科学启迪】
总之，本文证明了单片原位集成（MISI）是一种面向先进光电子器件的变革性制造范式。尤为重要的是，理论分析表明，水相生长提供了一条本征的低温路径以获得准单晶薄膜，从而使其能够在ROIC上直接原位制备。在机理层面，通过将用于过饱和度控制的缓冲型Pb–OH络合与严格的热/振动稳定措施相结合，我们将择优异质成核限定在ROIC界面，并实现了整个过程中全晶圆的稳定薄膜沉积。该方法制备的准单晶PbS薄膜具有接近本征的载流子密度（2 × 10¹⁵ cm⁻³）和高迁移率（124 cm² V⁻¹ s⁻¹）。所得Sb掺杂同质结光电二极管在2.5 µm波长处展现出4.4 × 10¹¹ Jones的创纪录比探测率，超越商用InGaAs探测器。采用MISI制备的640 × 512像素焦平面阵列表现出高空间分辨率、宽动态范围和像素均匀响应（PRNU = 5.05%），实现了对多种目标的清晰红外成像。本工作为单片集成高性能光电子器件建立了一条可扩展、低热预算的技术路线，为下一代成像、传感及仿生系统开辟了新的途径。
原文详情：https://www.nature.com/articles/s41586-026-11222-y
