【儀表網 研發快訊】隨著自動導引、具身智能等前沿技術的迅速發展，機器視覺對圖像采集提出了更高的要求，不僅需要精準記錄靜態圖像，還要能靈敏捕捉場景中的動態變化。現有的動態與有源像素傳感器(DAVIS)技術雖然集成了“動態事件檢測”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，結構復雜、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，中國科學院金屬研究所孫東明研究員團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，就能同步實現動態與靜態圖像信息的采集(圖1)。相關研究成果以題為“A charge-coupled phototransistor enabling synchronous dynamic and static image detection”的論文，于4月14日發表在國際權威期刊《Advanced Materials》上。
在這項研究中，研究團隊設計了一種“上下雙光敏電容”的柵極結構，上層柵極通過較厚的介電層屏蔽電子，使器件產生穩定的電流變化，用于采集灰度圖像；下層柵極通過較薄的介電層讓電子隧穿形成瞬態電流脈沖，專門用來捕捉動態事件(圖2)。通過這種獨特的電荷耦合光柵機制，研究人員首次在一個晶體管內實現了靜態圖像與動態事件的獨立響應(圖3)。實測結果表明，該器件動態范圍達到120 dB、響應速度快至15 μs、功耗僅為10 pW，僅為傳統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，研究團隊將探索該技術與硅基工藝結合，使用32 nm先進制程，有望在1×1 c㎡的芯片上實現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。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，山西大學韓拯教授、東北大學程同蕾教授在器件制備和性能測試方面提供了重要支持，遼寧大學賈大宇副教授開展了仿真設計工作。
該成果得到了國家自然科學基金、國家重點研發計劃、中國科學院、遼寧省科技廳、金屬研究所及沈陽材料科學國家研究中心等多個項目與機構的大力資助。
圖1. 場景需求與器件設計。a. 有源像素傳感器(APS)、動態視覺傳感器(DVS)與動態與有源像素傳感器(DAVIS)的對比。b. 傳統DAVIS的像素電路。c. 電荷耦合光電晶體管的設計。d. 不同厚度的介電層使單個晶體管能夠同時檢測事件(光強變化)與灰度(絕對光強)。
圖2. 電荷耦合光電晶體管結構與表征。a. 器件結構示意圖。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特性的影響。e. 光敏電容器的光電響應特性。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構圖，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. 光電響應特性。a. 器件在不同入射光功率下的光響應。b. 器件在四種工作狀態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和光強變化的響應度。d. 在不同偏置電壓下的器件光響應。e. 在不同偏置電壓下的器件功耗。f. 器件的響應速度。g. 器件的循環穩定性。
圖5. 性能水平。a. 動態范圍與響應延遲的對比。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. 器件光學照片。c.器件溝道區域掃描電子顯微鏡照片。d,e. 器件在作為光電晶體管(d)或事件驅動像素(e)時，光電響應隨著光敏電容器面積與晶體管金屬-絕緣體-半導體(MIS)電容面積之比的增加而提高。f. 在不同硅工藝節點下，MIS電容面積與光敏電容面積的對應關系，面積比為1:300。f. 當光敏電容面積與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點下的集成密度。
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