Nature！华科唐江教授团队，单片原位“水生”集成新突破！
华中科技大学唐江教授团队受生物矿化启发，提出单片原位集成（MISI）策略，通过室温水相工艺，在读出电路（ROIC）上直接生长电子级硫化铅（PbS）薄膜，实现高性能红外探测成像。该策略为低热预算、可规模化的红外成像芯片制造提供了新的材料生长与单片集成路径。
英睿红外提供的640×512 CMOS读出电路首次登上Nature正刊。
该论文以“Monolithically and in situ integrated PbS infrared imagers”为题发表于《Nature》。英睿红外为本项研究提供640×512 CMOS ROIC及读出电路设计支持，助力团队完成单片原位集成与阵列成像验证。
传统红外成像芯片通常需要分别制备探测器阵列与读出电路，再通过键合等工艺实现集成。如何在已制备完成的ROIC上直接生长高质量光敏材料，同时兼顾低热预算、载流子输运与像素间一致性，是新型红外材料走向大面阵成像的重要挑战。
针对这一难题，团队利用Pb–OH配位体系调节生长活性物种的释放，在pH 11.2–11.3的窄窗口内精细调控反应过程，并结合高精度温度控制与精密隔振，稳定固–液界面的过饱和度，促进基底界面异相成核、抑制溶液中的均相成核。
由此制备的准单晶PbS薄膜兼具优异的电子输运性能与大面积均匀性：
载流子浓度约为2×10¹⁵ cm⁻³，霍尔迁移率达到124 cm²·V⁻¹·s⁻¹，晶圆尺度厚度均匀性为±2.1%，为后续高性能探测器制备与阵列集成奠定了材料基础。
在此基础上，团队通过锑（Sb）掺杂形成n型PbS层，构建垂直PbS p–n同质结光电二极管，实现关键光电性能突破：
- 室温比探测率：约4.4×10¹¹ Jones（2.5 μm）
- 外量子效率：超40%（0.7–2.6 μm波段）
- 线性动态范围：超120 dB（1300 nm光照测试）
- 自供电状态下测得−3 dB带宽：约200 kHz
进一步，研究团队在英睿红外提供的640×512 CMOS ROIC上直接生长PbS探测层，构建像素间距为15 μm的红外焦平面阵列。该方案将光敏材料生长与硅基读出电路集成纳入同一工艺路径，使研究团队能够在超过32万个像素上开展阵列一致性与成像性能验证。最终，该成像器件实现：
- 光响应非均匀性（PRNU）：5.05%
- 成像动态范围：约62 dB
在非制冷、无外部照明条件下，该成像器能够对温度为80–600 ℃的热源进行红外成像；在透射成像实验中，还可分辨叶脉细节，进一步验证了该技术从单器件性能表征向阵列级成像的拓展能力。
研究还展示了MISI策略向柔性读出电路平台及硒化铅（PbSe）材料体系拓展的可行性，为更多新型光电材料与硅基电路的单片集成提供了新的研究思路。
为什么新型光电材料研究要平台化工程验证？
新型光电材料从实验室走向成像应用，需要跨越材料制备、器件加工、阵列集成、配套模组与系统开发、光电性能测试等多个环节。
单像素器件能够初步验证材料的光电响应与器件性能，而判断其是否具备工程化潜力，还需要构建面阵成像系统，进一步验证：
- 像素之间能否保持一致响应？
- 材料与器件工艺是否适用于大面积制备？
- PRNU、噪声和坏点是否可控？
- 图像能否支撑算法分析与实际场景应用？
围绕上述需求，依托英睿红外单片集成感知验证平台，科研团队能够将材料层面的优势进一步转化为器件性能、阵列指标和系统级图像表现，更高效地识别材料与工艺在工程化过程中的关键问题，并将更多精力聚焦于材料创新、新型光电探测机制与核心科学问题。