AM | 苏黎世联邦理工Kovalenko团队：实现钙钛矿器件在CMOS上的高分辨率图案化与集成

该工作在钙钛矿图案化、光刻兼容以及CMOS集成方面实现了重要突破：

1. 实现钙钛矿与标准光刻流程兼容

2.提出气相卤素置换的图案化方案

3. 完成单片CMOS集成验证

从材料到芯片：钙钛矿能否走向CMOS？

尽管钙钛矿在光电探测、发光和光伏等领域表现出优异性能，但其在CMOS图像传感器及集成光电子器件中的应用长期受限于一个核心问题：难以兼容标准微纳加工工艺。这在很大程度上限制了钙钛矿器件从“高性能材料”走向“可集成器件”。

近日，苏黎世联邦理工学院（ETH Zürich）MaksymKovalenko课题组在Advanced Materials发表最新研究成果，实现了铅卤钙钛矿器件在CMOS读出电路上的标准光刻加工与高分辨率集成。Sergey Tsarev, Erfu Wu, Kyuik Cho 和Xuqi Liu等人提出了一系列关键创新，使铅卤钙钛矿能够兼容标准微纳加工流程，并成功制备并表征了一个400 × 400像素的钙钛矿CMOS图像传感器。对钙钛矿光电探测器的图案化提高了传感器的空间分辨率。本研究为基于铅卤钙钛矿、并通过标准半导体工艺实现集成的高性能光电子器件的发展提供了重要路径。

核心难题：因钙钛矿对水、空气和极性溶剂敏感的特点，常见光刻胶和显影液无法直接应用与钙钛矿器件之上，同时图案化过程易引入损伤或降解器件性能。

核心思路：针对钙钛矿的特性提出并构建了一套以表面钝化、选择性刻蚀以及等离子体转化为核心步骤的工艺体系，提高钙钛矿对常见光刻胶与显影液的兼容以及高分辨率的图案化。

1. 表面钝化

通过在钙钛矿表面旋涂sorbitan laurate（SL）疏水表面钝化层，封闭晶界，提高器件对水环境的稳定性。修饰后的钙钛矿器件可以在水中浸泡60秒不产生明显的器件性能下降。

2. 选择性刻蚀

采用在高浓度磷酸（85% H3PO4）添加PBABr的方法，抑制了刻蚀过程中对钙钛矿中铅组分及有机组分（如甲基铵，MA⁺）的溶解与降解，从而实现在钙钛矿器件表面对ITO/IZO电极的高选择性刻蚀。这一方法避免对钙钛矿层的损伤的同时，可实现约1μm结构的高分辨率刻蚀。

3.气相卤素交换工艺

通过SF6等离子体增强的气相卤素交换工艺，实现了高精度的钙钛矿图案化。该过程以光刻胶或图案化ITO电极作为掩模，选择性的将MAPbBrI2转化为非光电活性材料(PbFxBr2-x)。这一方法实现高分辨率的钙钛矿图案化，使像素之间相互隔离并抑制信号串扰的同时，避免传统刻蚀带来的边界损伤。

关键结果：基于上述工艺，作者成功实现了钙钛矿光电探测器在CMOS图像传感器中的集成（400 × 400像素阵列，像素尺寸约15 µm），并显著提升了器件的空间分辨率。实验结果表明，像素间串扰由未图案化时约15个像素范围降低至图案化后的约2个像素，显著改善了成像清晰度。

论文信息：

S.Tsarev, E.Wu, K.Cho, X.Liu et al. “Patterning of Lead Halide Perovskite Device Stacks on CMOS Readout Using Selective Microfabrication Protocols.” Advanced Materials (2026): e23002.https://doi.org/10.1002/adma.202523002

期刊：Advanced Materials

通讯作者：Sergii Yakunin, Maksym V. Kovalenko

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