【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】隨著自動導(dǎo)引、具身智能等前沿技術(shù)的迅速發(fā)展，機(jī)器視覺對圖像采集提出了更高的要求，不僅需要精準(zhǔn)記錄靜態(tài)圖像，還要能靈敏捕捉場景中的動態(tài)變化。現(xiàn)有的動態(tài)與有源像素傳感器(DAVIS)技術(shù)雖然集成了“動態(tài)事件檢測”和“灰度圖像采集”兩種功能，但每個像素通常需要幾十個晶體管和電路元件，結(jié)構(gòu)復(fù)雜、功耗高、集成難度大，同時也還面臨高速時鐘同步等工程難題(圖1)。
 

　　為解決這一瓶頸，中國科學(xué)院金屬研究所孫東明研究員團(tuán)隊提出了一種全新的“動靜雙感”電荷耦合光電晶體管。這種晶體管只需要一個器件單元，就能同步實現(xiàn)動態(tài)與靜態(tài)圖像信息的采集(圖1)。相關(guān)研究成果以題為“A charge-coupled phototransistor enabling synchronous dynamic and static image detection”的論文，于4月14日發(fā)表在國際權(quán)威期刊《Advanced Materials》上。
 

　　在這項研究中，研究團(tuán)隊設(shè)計了一種“上下雙光敏電容”的柵極結(jié)構(gòu)，上層?xùn)艠O通過較厚的介電層屏蔽電子，使器件產(chǎn)生穩(wěn)定的電流變化，用于采集灰度圖像；下層?xùn)艠O通過較薄的介電層讓電子隧穿形成瞬態(tài)電流脈沖，專門用來捕捉動態(tài)事件(圖2)。通過這種獨(dú)特的電荷耦合光柵機(jī)制，研究人員首次在一個晶體管內(nèi)實現(xiàn)了靜態(tài)圖像與動態(tài)事件的獨(dú)立響應(yīng)(圖3)。實測結(jié)果表明，該器件動態(tài)范圍達(dá)到120 dB、響應(yīng)速度快至15 μs、功耗僅為10 pW，僅為傳統(tǒng)DAVIS器件的千分之一(圖4，5)。這不僅顯著降低了功耗，還有助于大規(guī)模集成，同時也從根本上解決了高速時鐘同步難題。更值得一提的是，該發(fā)明具備良好的材料普適性，既可以用二維材料制造，也可以采用一維的碳納米管(圖6)。未來，研究團(tuán)隊將探索該技術(shù)與硅基工藝結(jié)合，使用32 nm先進(jìn)制程，有望在1×1 c㎡的芯片上實現(xiàn)千萬級像素的高密度集成(圖6)。
 

　　本研究由金屬所孫東明研究員、劉馳研究員和成會明院士共同指導(dǎo)。金屬所馮順副研究員和博士研究生韓如月為共同第一作者，山西大學(xué)韓拯教授、東北大學(xué)程同蕾教授在器件制備和性能測試方面提供了重要支持，遼寧大學(xué)賈大宇副教授開展了仿真設(shè)計工作。
 

　　該成果得到了國家自然科學(xué)基金、國家重點(diǎn)研發(fā)計劃、中國科學(xué)院、遼寧省科技廳、金屬研究所及沈陽材料科學(xué)國家研究中心等多個項目與機(jī)構(gòu)的大力資助。
 

　　圖1. 場景需求與器件設(shè)計。a. 有源像素傳感器(APS)、動態(tài)視覺傳感器(DVS)與動態(tài)與有源像素傳感器(DAVIS)的對比。b. 傳統(tǒng)DAVIS的像素電路。c. 電荷耦合光電晶體管的設(shè)計。d. 不同厚度的介電層使單個晶體管能夠同時檢測事件(光強(qiáng)變化)與灰度(絕對光強(qiáng))。

 

　　圖2. 電荷耦合光電晶體管結(jié)構(gòu)與表征。a. 器件結(jié)構(gòu)示意圖。b. 器件截面的透射電子顯微鏡表征。c. 器件截面的元素分析。d. 介電層厚度對晶體管電學(xué)特性的影響。e. 光敏電容器的光電響應(yīng)特性。f,g. 使用單個光敏電容器作為柵極的晶體管的典型光電特性。

 

　　圖3. 電荷耦合效應(yīng)原理。 a-c. 不同介電層厚度下，背柵二維FET連接單個光敏電容器時的能帶結(jié)構(gòu)圖，其中使用較厚的(a)或較薄的(b,c)h-BN作為介電層。d. 器件的光響應(yīng)行為隨介電層厚度的變化而變化。e. 時間分辨率隨介電層厚度的變化。

 

　　圖4. 光電響應(yīng)特性。a. 器件在不同入射光功率下的光響應(yīng)。b. 器件在四種工作狀態(tài)下的電流隨光功率變化的曲線。c. 從(b)圖中提取的器件對光強(qiáng)和光強(qiáng)變化的響應(yīng)度。d. 在不同偏置電壓下的器件光響應(yīng)。e. 在不同偏置電壓下的器件功耗。f. 器件的響應(yīng)速度。g. 器件的循環(huán)穩(wěn)定性。

 

圖5. 性能水平。a. 動態(tài)范圍與響應(yīng)延遲的對比。b. 集成度與功耗對比。
 

　　圖6. 普適性與集成潛力。a. 碳納米管電荷耦合光電晶體管陣列。b. 器件光學(xué)照片。c.器件溝道區(qū)域掃描電子顯微鏡照片。d,e. 器件在作為光電晶體管(d)或事件驅(qū)動像素(e)時，光電響應(yīng)隨著光敏電容器面積與晶體管金屬-絕緣體-半導(dǎo)體(MIS)電容面積之比的增加而提高。f. 在不同硅工藝節(jié)點(diǎn)下，MIS電容面積與光敏電容面積的對應(yīng)關(guān)系，面積比為1:300。f. 當(dāng)光敏電容面積與MIS電容面積之比為300時，電荷耦合光電晶體管在不同硅工藝節(jié)點(diǎn)下的集成密度。