北京大学团队在高灵敏视觉器件研究中取得重要进展

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高灵敏视觉器件能够高精度地采集复杂暗光场景信息,通过感内计算完成自主目标识别(图1a),在智能驾驶、机器人和工业自动化等领域具有广泛的应用前景。视觉感内计算依赖有效的光-电调控,往往需要较薄的光电功能层。然而,较薄的光电功能层因其吸光能力弱,导致器件光响应度低。此外,热载流子超快弛豫造成了近30%的光电转换效率损失。近来,卤化物钙钛矿因其本征缓慢的热载流子冷却速率,被视为提升热载流子光电转换性能的潜力材料之一。但是,目前的研究仍然集中在钙钛矿材料层面,尚未在器件层面取得实质性进展。

针对这些关键问题,北京大学集成电路学院/集成电路高精尖创新中心黄如院士-贺明研究员团队结合理论计算与实验表征,首次揭示了卤化物钙钛矿三碘合铅酸甲铵(MAPbI3)和新型电子-离子氧化物半导体Bi2O2Se能级动量守恒;通过飞秒瞬态吸收光谱,成功追踪了MAPbI3/Bi2O2Se异质结界面能级动量守恒增强的光生热电子输运动力学,实现了高灵敏、宽光谱、正负双极型光电响应;在此基础上,设计构建了高灵敏视觉感内预处理器件阵列,能够在月光环境(0.1 μW/cm2)展现出优异的视觉识别能力,显著提升了视觉器件全天候复杂环境下应用能力。

图1. (a)生物视觉感知机制;(b)MAPbI3与Bi2O2Se能级动量守恒。

首先,研究团队通过第一性原理计算,解析了卤化物钙钛矿MAPbI3与Bi2O2Se的电子能级结构,发现MAPbI3的导带底和价带顶与Bi2O2Se的导带底都位于布里渊区的 Γ 点,揭示了二者之间的能级动量守恒特性(图1b-e);进而,合成了高质量的MAPbI3/Bi2O2Se薄膜异质结,利用变温光致发光谱扫描,验证了光生热电子能够直接从MAPbI3跃迁至Bi2O2Se,极大地提高了光生热电子输运;最后,利用飞秒瞬态吸收光谱,成功追踪了光生热电子在异质结界面的输运动力学,深入解析其物理机制 (图2)。

图2. MAPbI3/Bi2O2Se异质结能级动量守恒增强的光生热载流子输运动力学。

在此基础上,研究团队设计构建了可重构的MAPbI3/Bi2O2Se异质结光电晶体管型视觉器件,利用能级动量守恒增强的光生热电子输运,实现了高灵敏、宽光谱的正负双极光电响应,其中,正负双极型光响应度达到±107 A/W,比探测率达到 5.2×1011 Jones ,动态范围达到 110 dB,处于国际领先水平;进一步,制备了异质结晶体管阵列,在亮度低至 0.1 μW/cm2 的月光环境下,仍然能够有效执行高斯、拉普拉斯和逆算子等光电感内卷积运算,完成弱光图像传感与预处理(图3a);最后,异质结晶体管阵列与 YOLOv4 神经网络结合,对比不同光响应度阵列在弱光条件下的图像感知识别能力,表明高灵敏度MAPbI3/Bi2O2Se异质结具有强抗噪能力,能够在更短训练周期内实现更高的弱光目标识别准确度,为推动高灵敏视觉系统及其应用提供了有效可行的方案(图3b)。

图3. MAPbI3/Bi2O2Se异质结仿生视觉晶体管阵列用于弱光环境下图像预处理。

相关研究成果以“Ultrasensitive Dim-Light Neuromorphic Vision Sensing via Momentum Conserved Reconfigurable van der Waals Heterostructure”为题,发表在《自然-通讯》( Nature Communications , 2024, 15 , 9011)。北京大学集成电路学院2019级博士生许蕾和2021级博士生刘鋆灵为共同第一作者,贺明研究员为通讯作者。研究工作得到了国家高层次人才特殊支持计划、国家自然科学基金后摩尔重大研究计划、科技部重点研发计划、高等学校学科创新引智计划等项目的资助,同时得到了微纳电子器件与集成技术全国重点实验室、集成电路高精尖创新中心、国家集成电路产教融合创新平台等基地平台支持。

论文链接:https://www.nature.com/articles/s41467-024-53268-4

责编: 爱集微
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