近日，浙江大学集成电路学院公布两项具有突破性的科研成果，由学院赵昱达研究员团队完成，分别是融和图像感知及首次尖峰时间编码的MoS2光电晶体管（已在Advanced Functional Materials发表）和基于二维材料与硅基器件异质集成的电荷耦合光存储器（已在Science China Information Sciences发表）。
融和图像感知及首次尖峰时间编码的MoS2光电晶体管
研究背景
自动驾驶的迅速发展需要降低功耗的同时提升机器视觉系统的安全性能，例如驾驶过程中对于障碍物及危险的快速识别。而人类视觉系统恰恰具备优先捕捉关键信息的功能，并能够按照高速且低功耗的编码规则将图像信息转换为尖峰信号。
研究内容
受人类视觉系统的启发，赵昱达研究员课题组设计了一种基于二维材料的智能图像传感器，通过在富硅氮化硅衬底上制备MoS2 光电晶体管，利用二者界面间的电荷陷阱，可以将光强信号转化为触发脉冲的时间信号，从而同时进行图像感知和首次尖峰时间 (TTFS) 编码。该器件在编码 3 位灰度图像方面表现出卓越的性能，实现了 0.008 的低均方误差和 0.9784 的高结构相似性指数。采用 TTFS 编码的尖峰神经网络 (SNN) 实现了优秀的识别准确率 (98.86%)，同时将尖峰计数减少了 75%，这意味着设备具有以低功耗优先编码关键信息的能力。以此设备构建的阵列还能够将时间转换数据来感知运动方向和物体状态。这项工作可以有效提升 SNN 识别关键信息的效率，为实现低功耗、高安全性的机器视觉系统提供了一种解决方案。
（来源：浙江大学官方公众号）
这一研究成果以 “Integrating Image Perception and Time-to-First-Spike Coding in MoS2 Phototransistors for Spiking Neural Network”发表在杂志 Advanced Functional Materials 上。本文第一作者为浙江大学集成电路学院硕士研究生苏向炜，通讯作者为学院赵昱达研究员。此工作的主要合作者包括浙江大学计算机学院林芃教授及博士研究生张碧华。研究得到了国家自然科学基金、科技部重点研发计划等项目的支持。
基于二维材料与硅基器件异质集成的电荷耦合光存储器
研究背景
近日，赵昱达研究员课题组提出了一种基于二维材料与硅基器件异质集成的电荷耦合光存储器，为硅基光信息存储和处理提供了一种新的方案。由于晶体管“微缩化”面临瓶颈，器件多功能集成化受到越来越多的关注。将信息的收集、存储和处理集成在单个器件上可以大大降低信息在传输时的功耗和延迟，使芯片系统尺寸更小，运行速度更快，从而满足“大数据”和“人工智能”时代对数据处理的需求。传统的硅基电荷耦合器件在光信息感知方面具有响应度高，低噪声等优点，并且工艺十分成熟。但由于三维半导体材料本身受到“晶格匹配”等限制，在垂直结构上实现多功能化异质集成具有较大挑战，因此探索二维材料与硅基半导体器件异质集成意义重大。
研究内容
本文的第一作者卞正等人提出了一种将硅基电荷耦合器件与二维材料浮栅存储器在垂直方向上异质集成的新型器件结构，能够在感知光学信号的同时实现对信号的存储。作者们首先在轻掺杂的硅/二氧化硅衬底上转移石墨烯，随后又定向转移了二维六方氮化硼和硫化钼，形成了光存储器件。当硅处在深耗尽状态时，光照能使得硫化钼沟道上的电子隧穿到浮栅层石墨烯内，通过读出硫化钼的电阻变化就可以判断器件的光照强度。因此，基于光信号控制的电荷隧穿机理，“感”和“存”的功能得以高度集成。他们通过测试发现，在10 V的背栅电压下，硅进入了深耗尽状态，光存储器的硫化钼沟道会随着532 nm光信号的不同光强大小（0.2至10 μW/mm2）而改变存储的阻态。此外，该光学存储器通过对光脉冲和电脉冲信号的响应进一步实现了逻辑与非门的功能。
（来源：浙江大学官方公众号）
这一研究成果以 “Heterogeneous integration of 2D materials on Si charge-coupled devices as optical memory”发表在杂志 Science China Information Sciences 上。本文第一作者为浙江大学集成电路学院博士研究生卞正，通讯作者为学院赵昱达研究员。此工作的主要合作者包括学院徐杨教授和俞滨教授。研究得到了国家自然科学基金、科技部重点研发计划等项目的支持。
