PERSPECTIVE

Recent advances in monolithic-integrated lead-based optoelectronic devices  

Shaoheng Xu,Jiajun Luo,Haisheng Song,Jiang Tang

17 Jul 2025 Article: 13 https://doi.org/10.1007/s12200-025-00158-2

Abstract：Optoelectronic devices, including light sensors and light-emitting diodes, are indispensable for our daily lives. Lead-based optoelectronic materials, including colloidal quantum dots and lead-halide perovskites, have emerged as promising candidates for the next-generation optoelectronic devices. This is primarily attributed to their tailorable optoelectronic properties, industrialization-compatible manufacturing techniques, seamless integration with silicon technology and excellent device performance. In this perspective, we review recent advancements in lead-based optoelectronic devices, specifically focusing on photodetectors and active displays. By discussing the current challenges and limitations of lead-based optoelectronics, we find the exciting potential of on-chip, in-situ fabrication methods for realizing high-performance optoelectronic systems.

研究背景

随着高带宽通信和多功能集成电路需求的增长，将光电器件（如光电探测器和发光器件）与硅基电子器件集成成为趋势。传统异质集成技术（如倒装焊接）面临对准精度低、良率差、热预算高等问题，限制了其向更小像素和更大晶圆的扩展。为此，单片集成技术成为研究热点。铅基材料（如PbS胶体量子点和铅卤钙钛矿）因其低温工艺、可调控光电性能和与CMOS工艺兼容等优势，成为实现单片光电器件的理想选择。

研究意义

本研究在理论上丰富了低维半导体材料与硅基集成的方法论，推动了光电集成芯片（OEIC）的发展。在实践层面，铅基单片器件具备低成本、高性能、可扩展制造等优势，适用于红外成像、柔性显示、可穿戴设备等领域，具有显著的产业转化潜力。特别是在红外探测和主动矩阵显示方面，铅基材料已展现出挑战III-V族器件的能力，为下一代光电子系统提供了新路径。

主要内容

1. PbS胶体量子点红外探测器

PbS胶体量子点红外探测器以其独特的溶液加工性和光谱可调性，在商业应用中展现出巨大潜力。文章详细介绍了单像素光电探测器的三种架构：光导型、光电二极管型和光晶体管型。其中，光电二极管型因低暗电流、快速响应和易于与读出电路集成而备受关注。PbS胶体量子点图像传感器的制造涉及量子点合成、配体交换以及量子点薄膜在读出电路上的沉积等步骤，通过前体工程、配体工程和器件工程优化，可显著提升器件性能。研究还指出，吸收层和光电二极管混合界面中的陷阱态会显著影响PbS胶体量子点图像传感器的响应速度和效率，因此钝化这些陷阱态至关重要。2022年，Liu等人展示了基于PbS胶体量子点的CMOS图像传感器，其在970nm波长下实现了超过60%的外部量子效率。

2. PbS(Se)体薄膜红外探测器

过去二十年间，PbS胶体量子点在红外探测领域取得显著进展，而PbS体薄膜红外探测器也通过气相沉积技术取得了一定突破。PbS(Se)多晶薄膜因其工艺灵活性、共形性、宽波长覆盖范围和室温操作等优势而备受关注。尽管如此，由于缺乏精确控制的化学浴沉积技术，大规模生产低缺陷密度的PbS(Se)薄膜红外探测器面临挑战。近年来，研究者们探索了基于气相沉积的未致冷PbS(Se)红外探测器，但其仍需在氧气或碘气氛中进行高达500°C的敏化处理，这不利于与硅基读出电路的单片集成。

3. 铅卤钙钛矿显示

高缺陷容忍度的铅卤钙钛矿因其明亮且窄的发射峰、广泛可调的发射光谱以及便捷的单片集成特性，在显示应用中备受关注。文章讨论了铅卤钙钛矿纳米晶体和多晶薄膜的研究进展。铅卤钙钛矿纳米晶体因其量子限制效应展现出窄带发射和高光致发光量子效率，但PeLED通常会因卤化物空位引起的离子迁移而受到影响。研究人员通过添加剂工程有效抑制离子迁移；采用局部接触方法有效防止了由刻蚀过程引起的非辐射损耗。气相沉积法制备铅卤钙钛矿多晶薄膜被视为实现钙钛矿发光二极管（PeLEDs）商业化的一条有效途径，它相比旋涂法具有显著优势：能够通过精细金属掩模实现全彩阵列图案化，完美兼容现有产线，并以其独特的“单片同步集成”特性将面板制造流程简化为驱动电路制备和设备集成两步。尽管该方法曾因钙钛矿活性层缺陷密度高导致量子效率不及旋涂器件，但近期研究已取得重大突破。

未来展望

文章最后展望了铅基光电器件未来的发展方向，包括提升器件性能、优化制造工艺、降低健康风险以及探索无铅替代材料。未来研究将致力于实现大面积均匀沉积、亚微米像素定义、长期环境稳定性与铅环境风险之间的平衡。通过溶剂/蒸气工程、读出电路协同设计、高效封装钝化及无铅替代材料等策略，推动铅基单片光电器件在红外成像、柔性显示和可穿戴系统等领域的全面落地。

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