長波紅外探測技術(shù)在軍事、醫(yī)療及工業(yè)安防領(lǐng)域具有核心應(yīng)用價值，其探測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，被視為開發(fā)下一代高性能、低成本紅外探測器的理想平臺。

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)模化制備，已成為該領(lǐng)域待解決的技術(shù)瓶頸，這也是通過原位修飾策略優(yōu)化二維材料光熱電性能的研究核心動因。

針對上述問題，由電子科技大學(xué)等組成的團(tuán)隊利用澤攸科技的DMD無掩膜光刻機(jī)進(jìn)行了系統(tǒng)研究，團(tuán)隊通過開發(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性能上的固有權(quán)衡難題。

本研究針對二維二硒化鈀薄膜在紅外探測領(lǐng)域面臨的性能權(quán)衡難題，提出了一種可規(guī)模化制備的高性能方案。研究人員通過磁控共濺射技術(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?，誘導(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薄膜的生長裝置與表征

在構(gòu)建高性能紅外探測器件的過程中，圖形化的精度直接決定了探測像素的一致性與響應(yīng)質(zhì)量。研究團(tuán)隊在制備用于紅外吸收測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無掩膜光刻機(jī)進(jìn)行電路定義與窗口開鑿。該設(shè)備通過高度靈活的數(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無掩膜光刻機(jī)提供的圖形化支持，整個工藝流程能夠嚴(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薄膜的測熱效應(yīng)表征

通過對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達(dá)到了負(fù)二點(diǎn)二八每開爾文的優(yōu)值。這一現(xiàn)象可以通過晶界工程與庫侖屏蔽效應(yīng)的競爭模型來解釋：適量的金納米顆粒在硒化過程中充當(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壘。然而當(dāng)金納米顆粒濃度過高并相互接近時，金的導(dǎo)電特性會產(chǎn)生明顯的靜電屏蔽效應(yīng)，導(dǎo)致晶界處的勢壘高度下降，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)隊成功研制出具備高熱分辨率的紅外探測器，其溫度分辨率高達(dá)十一點(diǎn)八毫開爾文，展現(xiàn)出感熱靈敏度。在九點(diǎn)三微米波長的紅外光照射下，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，這不僅驗證了金納米顆粒修飾二硒化鈀薄膜在長波紅外探測領(lǐng)域的巨大潛力，也為開發(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的無掩膜光刻機(jī)，以DMD替代傳統(tǒng)掩模版，可快速靈活設(shè)計光刻圖案，支持二維及8位灰度光刻，能滿足任意微米量級光刻需求，廣泛應(yīng)用于MEMS、微流控等多個領(lǐng)域。

澤攸科技ZML系列DMD無掩膜光刻機(jī)

澤攸科技專注于掃描電子顯微鏡、原位測量系統(tǒng)、臺階儀、納米位移臺、光柵尺、探針臺、電子束光刻機(jī)、二維材料轉(zhuǎn)移臺、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，滿足國家在科學(xué)精密儀器領(lǐng)域的諸多空白。澤攸科技以自主知識產(chǎn)權(quán)的技術(shù)為核心，依托一支專業(yè)的研發(fā)與生產(chǎn)團(tuán)隊，經(jīng)過二十多年的技術(shù)積累，在半導(dǎo)體加工設(shè)備和材料表征測量領(lǐng)域已屬于國內(nèi)頭部。公司承擔(dān)和參與了國家重點(diǎn)研發(fā)計劃、國家重大科研裝備研制項目等多個重量級科研項目，多次實(shí)現(xiàn)國內(nèi)材料表征測量設(shè)備的“國產(chǎn)替代"，相關(guān)產(chǎn)品具有較好的國際聲譽(yù)、產(chǎn)品檢測數(shù)據(jù)被國際盛名期刊采納。