長(zhǎng)波紅外探測(cè)技術(shù)在軍事、醫(yī)療及工業(yè)安防領(lǐng)域具有核心應(yīng)用價(jià)值，其探測(cè)波段與室溫物體的熱輻射峰值高度契合，是實(shí)現(xiàn)非制冷熱成像的關(guān)鍵。目前氧化釩和非晶硅憑借優(yōu)異的電阻溫度系數(shù)和可調(diào)的電阻率，已成為非制冷紅外焦平面陣列的主流熱敏材料。但科研界仍在尋找更高性能的替代者，二硒化鈀（PdSe2）作為一種新興的二維半導(dǎo)體，因其具備層數(shù)可調(diào)的帶隙、優(yōu)異的化學(xué)穩(wěn)定性以及與低功耗CMOS后端工藝的良好兼容性，被視為開(kāi)發(fā)下一代高性能、低成本紅外探測(cè)器的理想平臺(tái)。

盡管二硒化鈀展現(xiàn)出巨大潛力，但其實(shí)際應(yīng)用仍面臨嚴(yán)峻的性能權(quán)衡挑戰(zhàn)。超薄的PdSe2薄膜雖然具備高電阻溫度系數(shù)，卻極易受環(huán)境氣體吸附影響，而增加厚度雖能提升穩(wěn)定性，卻會(huì)導(dǎo)致電阻溫度系數(shù)迅速衰減，限制了器件的感熱靈敏度。此外雖然引入金納米顆粒等結(jié)構(gòu)能通過(guò)光熱效應(yīng)增強(qiáng)紅外吸收，但傳統(tǒng)的物理加工成本高昂且化學(xué)方法易引入表面污染。因此如何在保持材料完整性的前提下，突破厚度與靈敏度之間的矛盾并實(shí)現(xiàn)規(guī)?；苽?，已成為該領(lǐng)域待解決的技術(shù)瓶頸，這也是通過(guò)原位修飾策略?xún)?yōu)化二維材料光熱電性能的研究核心動(dòng)因。

針對(duì)上述問(wèn)題，由電子科技大學(xué)等組成的團(tuán)隊(duì)利用澤攸科技的DMD無(wú)掩膜光刻機(jī)進(jìn)行了系統(tǒng)研究，團(tuán)隊(duì)通過(guò)開(kāi)發(fā)一種原位金納米顆粒修飾策略并結(jié)合磁控共濺射與低溫硒化工藝，成功克服了超薄二硒化鈀薄膜在紅外探測(cè)性能上的固有權(quán)衡難題。

本研究針對(duì)二維二硒化鈀薄膜在紅外探測(cè)領(lǐng)域面臨的性能權(quán)衡難題，提出了一種可規(guī)?；苽涞母咝阅芊桨?/span>。研究人員通過(guò)磁控共濺射技術(shù)在二氧化硅基底上沉積出金鈀合金前驅(qū)體薄膜，隨后利用三百攝氏度的低溫?zé)嵛に嚕T導(dǎo)產(chǎn)生反應(yīng)增強(qiáng)的相變，從而在多層二硒化鈀薄膜中原位生長(zhǎng)出分布均勻的金納米顆粒。這種原位修飾策略不僅有效控制了金顆粒的摻雜濃度，還避免了傳統(tǒng)物理圖形化工藝的高昂成本以及化學(xué)溶液法可能帶來(lái)的表面污染，為獲得厚度小于十五納米且具備高化學(xué)穩(wěn)定性的超薄熱敏薄膜奠定了物質(zhì)基礎(chǔ)。

圖1 金修飾PdSe2薄膜的生長(zhǎng)裝置與表征

在構(gòu)建高性能紅外探測(cè)器件的過(guò)程中，圖形化的精度直接決定了探測(cè)像素的一致性與響應(yīng)質(zhì)量。研究團(tuán)隊(duì)在制備用于紅外吸收測(cè)量的氮化硅懸浮薄膜以及后續(xù)的復(fù)雜陣列加工中，精準(zhǔn)使用了澤攸科技的DMD無(wú)掩膜光刻機(jī)進(jìn)行電路定義與窗口開(kāi)鑿。該設(shè)備通過(guò)高度靈活的數(shù)字化曝光方式，在硅片上依次完成了金納米顆粒修飾薄膜的溝道定義、行電極排布以及多層絕緣介質(zhì)的對(duì)準(zhǔn)加工，確保了器件在微米尺度上的結(jié)構(gòu)完整性。得益于DMD無(wú)掩膜光刻機(jī)提供的圖形化支持，整個(gè)工藝流程能夠嚴(yán)格限制在三百攝氏度以下，這證明了該技術(shù)路線(xiàn)與標(biāo)準(zhǔn)互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體工藝的后端流程具有兼容性。

圖3 金納米顆粒修飾的PdSe2薄膜的測(cè)熱效應(yīng)表征

通過(guò)對(duì)不同金摻雜濃度薄膜的電學(xué)表征，研究發(fā)現(xiàn)其電阻溫度系數(shù)呈現(xiàn)出非單調(diào)的變化規(guī)律，并在金濃度為百分之十一時(shí)達(dá)到了負(fù)二點(diǎn)二八每開(kāi)爾文的優(yōu)值。這一現(xiàn)象可以通過(guò)晶界工程與庫(kù)侖屏蔽效應(yīng)的競(jìng)爭(zhēng)模型來(lái)解釋?zhuān)哼m量的金納米顆粒在硒化過(guò)程中充當(dāng)了成核抑制劑，顯著減小了二硒化鈀的晶粒尺寸，通過(guò)增加晶界密度提升了載流子散射，從而拉高了有效肖特基勢(shì)壘。然而當(dāng)金納米顆粒濃度過(guò)高并相互接近時(shí)，金的導(dǎo)電特性會(huì)產(chǎn)生明顯的靜電屏蔽效應(yīng)，導(dǎo)致晶界處的勢(shì)壘高度下降，使得電阻溫度系數(shù)隨之回落。

圖4 金納米顆粒修飾的PdSe2薄膜中電阻溫度系數(shù)變化趨勢(shì)的模型分析，不同金濃度的PdSe2透射電子顯微鏡圖像

基于優(yōu)化后的材料體系，研究團(tuán)隊(duì)成功研制出具備高熱分辨率的紅外探測(cè)器，其溫度分辨率高達(dá)十一點(diǎn)八毫開(kāi)爾文，展現(xiàn)出感熱靈敏度。在九點(diǎn)三微米波長(zhǎng)的紅外光照射下，摻雜百分之三十四金濃度的器件實(shí)現(xiàn)了每瓦二點(diǎn)九安培的高響應(yīng)率，探測(cè)率達(dá)到五點(diǎn)一乘以十的八次方瓊斯，顯著優(yōu)于未修飾的原始薄膜。最終通過(guò)集成的八乘八像素焦平面陣列，研究人員在室溫非制冷條件下成功捕獲了高保真度的熱成像圖形，這不僅驗(yàn)證了金納米顆粒修飾二硒化鈀薄膜在長(zhǎng)波紅外探測(cè)領(lǐng)域的巨大潛力，也為開(kāi)發(fā)新一代低成本、集成化的熱成像系統(tǒng)提供了技術(shù)支持。

圖5 金納米顆粒修飾PdSe2薄膜的紅外響應(yīng)及8 × 8紅外成像演示

澤攸科技ZML系列是基于DMD的無(wú)掩膜光刻機(jī)，以DMD替代傳統(tǒng)掩模版，可快速靈活設(shè)計(jì)光刻圖案，支持二維及8位灰度光刻，能滿(mǎn)足任意微米量級(jí)光刻需求，廣泛應(yīng)用于MEMS、微流控等多個(gè)領(lǐng)域。

澤攸科技ZML系列DMD無(wú)掩膜光刻機(jī)

澤攸科技專(zhuān)注于掃描電子顯微鏡、原位測(cè)量系統(tǒng)、臺(tái)階儀、納米位移臺(tái)、光柵尺、探針臺(tái)、電子束光刻機(jī)、二維材料轉(zhuǎn)移臺(tái)、超高真空組件及配件、壓電物鏡、等離子體化學(xué)氣相沉積系統(tǒng)等精密設(shè)備的研究，滿(mǎn)足國(guó)家在科學(xué)精密儀器領(lǐng)域的諸多空白。澤攸科技以自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的技術(shù)為核心，依托一支專(zhuān)業(yè)的研發(fā)與生產(chǎn)團(tuán)隊(duì)，經(jīng)過(guò)二十多年的技術(shù)積累，在半導(dǎo)體加工設(shè)備和材料表征測(cè)量領(lǐng)域已屬于國(guó)內(nèi)頭部。公司承擔(dān)和參與了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家重大科研裝備研制項(xiàng)目等多個(gè)重量級(jí)科研項(xiàng)目，多次實(shí)現(xiàn)國(guó)內(nèi)材料表征測(cè)量設(shè)備的“國(guó)產(chǎn)替代”，相關(guān)產(chǎn)品具有較好的國(guó)際聲譽(yù)、產(chǎn)品檢測(cè)數(shù)據(jù)被國(guó)際盛名期刊采納。