第一作者：祝瑜言，汪洋

通讯作者：汪洋，胡伟达，周鹏

通讯单位：复旦大学，中国科学院上海技术物理研究所

论文DOI：10.1038/s41467-024-50353-6

全文速览

传感器内计算架构可提供高能效的多功能能力，但将其应用于中红外范围却极具挑战性。光电研究院周鹏/汪洋团队联合中国科学院上海技术物理研究所胡伟达研究员，展示了一种非易失性MoS2/黑磷（BP）异质结中波红外光电探测器，利用二维材料的异质集成特性，采用半浮动栅结构设计，有效结合了超快闪存和红外光电探测的特点，集成了近红外-中红外光电探测、存储和计算（PMC）功能。这种集成有助于制造专为MAC操作而设计的硬件，从而实现高效、低功耗地执行中波红外目标探测和识别。

背景介绍

在人工智能和物联网（IoT）时代，中波红外（MWIR）物体探测和识别技术在高级辅助驾驶、事件监测、复杂环境侦察等领域具有重要意义。使用碲化镉汞（HgCdTe）和锑化铟（InSb）等材料的传统中波红外光电探测器需要制冷来控制温度。这给低成本、便携式仪器带来了挑战，导致能源浪费和体积庞大。因此，传统的中波红外探测系统在功耗、延迟和功能集成方面都面临着架构和器件结构方面的挑战。

二维（2D）材料具有独特的优势，其丰富的材料体系可产生多种功能层。层状表面缺乏悬挂键，单原子级厚度以及层间的范德华（vdWs）接触支持高密度异质集成。同时，二维材料表现出很高的光子灵敏度，可在室温下实现响应度更高的中波红外光探测器。在系统架构方面，目前正在努力集成具有超快编程速度和计算能力的闪存，使模拟电流信号能够从图像传感器直接输入到具有存储电导权重的交叉阵列。这有助于图像识别神经网络中使用的乘法和累加计算（MAC），降低功耗和内存访问延迟。光电探测器与内存计算之间的模拟信号转换和传输所产生的能耗仍是一个挑战。为解决这一问题，研究人员探索将传感器与内存计算结构相结合，某些硬件既是图像传感器，又是内存计算单元，利用欧姆定律处理图像传感数据。传感器阵列将图像的光学信息转换为光电流。然而，电流信号需要转换成电压信号输入到处理阵列(与光敏阵列相同)，导致非同时传感和处理。另一种系统结构以响应率作为权重，将传感和处理集成在一起。这种系统架构只适用于全连接网络中的电路连接。现有的问题需要一种集成高性能MWIR探测器、权重存储和先进计算的一体化集成创新范式，但尚未实现。

图1. 基于CNN连接的MWIR PMC设备在夜间辅助驾驶中的应用示意图。

研究出发点

团队提出二维半浮栅结构构建中波红外感存算一体器件，由四个二维材料层组成：黑磷(BP)、二硫化钼(MoS2)、h-BN（隧道层）和石墨烯。BP/MoS2异质结作为沟道材料。该结构可分为两个主要部分：左侧部分是MoS2/h-BN/石墨烯闪存结构，用于调节沟道的电导率，并在栅极电压（VBG）撤消时保持电导率。记忆窗口的范围达到30 V，动态范围超过106，提供了许多中间电导状态。由BP/MoS2异质结组成的右侧部分专门用于红外光伏探测，黑体辐射响应在3.6 μm处达到峰值，适合于中波红外探测。而在3.9 μm 处，相对光响应减半。团队曾尝试使用单一的MoS2和BP材料作为通道，但红外光会导致电导状态发生变化，且调制动态范围有限。因此，选择BP/MoS2异质结作为通道材料，材料厚度的选择对于优化器件性能至关重要。较薄的MoS2材料有利于存储较大的动态范围，而较厚的MoS2则表现出更好的红外光响应，因此需要合理控制材料厚度，以实现理想的器件性能。

图2. 展示了非挥发性MWIR传感器计算设备的设备结构。

如图3所示，该器件改变VBG脉冲（-30 V，20 ns）的数量允许该器件被编程为超过12个稳定和可区分的状态，保持时间超过103 s，在VBG输入周期脉冲信号104个周期后功能良好。进一步可以获得与电导线性度对应的各种稳定响应率，并且可以通过施加超快VBG脉冲来改变PMC器件的响应率。

图3：PMC器件在不同电导状态下的电学与红外光电响应。

各种电导状态下的黑体探测反映了真实物体的不规则红外辐射和微弱信号，这是可靠地评估其在实际探测和识别中的潜力所必需的。在黑体温度为1000 K时，对应黑体的峰值光谱辐射位于MWIR波段。在1000 K黑体温度下，PMC器件在不同电导状态下的光电流和响应度表明，MWIR光伏探测器具有良好的黑体探测和多形态调制能力，高性能、非易失性的MWIR性能为红外图像检测、存储和计算提供了坚实的基础。

图4. 不同电导状态下 PMC 器件的黑体探测和机理分析。

为了进一步展示宽谱红外场景的物体探测与识别，通过Faster-RCNN神经网络用于智能识别目标，图像光电探测器接收2D图像光信息，具体为二维中波红外光功率阵列，MAC可以通过基于卷积核的空间功率点扫描来实现。因此，卷积层网络的特征提取功能可以用PMC器件的性能来代替。随着卷积层中权重取代的比例从0%增加到100%，mAP减小到初始值的89%，这强调了器件的性能确实可以有效替代特征提取网络的作用。

图5. 基于宽谱红外场景的物体探测与识别。

总结与展望

团队开发出了采用BP/MoS2/h-BN/石墨烯堆叠集成的PMC器件，展示了超快闪存和中波红外传感功能。PMC器件有助于低功耗执行MWIR目标探测和识别的MAC操作。PMC器件的一个关键特点是能够存储和修改响应度，这基本上代表了神经网络的权重。首先，该器件采用超快闪存架构（20 ns），每次编程能量（PPE）低至1.8 fJ。此外，该PMC器件在黑体辐射下的3600 nm波长范围内实现了1.68 A/W的中波红外响应编程动态范围。我们的PMC器件的光响应上升时间为49 µs，因此图像识别和处理时间仅为微秒量级。这比传统CMOS图像处理系统（包括ADC数据转换时间（10 至50 µs）以及图像处理和识别时间（约100 ms）更快。未来，优化PMC器件的响应时间将使系统的处理时间更短。在Faster-RCNN网络模拟中，器件权重有效地替代了特征提取网络权重，达到了软件训练mAP的89%。随着大面积材料生长、选择性蚀刻工艺及先进转移技术的进步，大规模制备PMC器件以及实现阵列集成应用正在有效推进中，该技术将满足高速、低功耗红外传感系统发展需求，为先进的智能视觉辅助驾驶系统提供有效的解决方案。

课题组介绍

汪洋，复旦大学光电研究院博士后。研究领域主要为硅基电子和光电子材料、器件及智能感知应用，特别在新材料、新器件、新机理及新应用开展针对性的研究。获评中国博士后创新人才支持计划、上海市“超级博士后”、复旦大学优秀毕业生等荣誉。以第一或通讯作者在Nature Electronics、Nature Communications（2篇）、Advanced Materials（2篇）等国际学术期刊上发表论文9篇，合作发表SCI论文40余篇，总引2800余次，h因子26。研究成果入选“2021年中国光学十大进展”，被Tech Xplore、Nanowerk、国家自然科学基金委等网站亮点报道。并兼任国内外多个学术期刊审稿人，被评为《物理学报》2021、2022年度优秀审稿人。主持国家自然科学基金青年基金、中国博士后基金面上项目等项目，作为技术骨干参与国家重点研发项目、JW科技委、上海市重大项目等项目。

周鹏，复旦大学微电子学院副院长，教授。2019年获得国家自然基金委杰出青年资助，并入选中组部万人计划领军人才，先后受到科技部中青年创新领军人才、上海市曙光人才计划、国家自然基金委优秀青年基金以及上海市启明星计划资助。同时还担任了中国真空学会常务理事，中国物理学会半导体专业委员会委员，Infomat副主编，十四五重点研发计划总体组专家等。主持了国家重点研发计划、自然科学基金重大课题、上海市科技创新重点项目等。长期致力于后摩尔时代集成电路器件构建、集成和应用的研究，在晶圆级材料制备、电荷存储机制、电子与光电子器件结构设计、“全在一”器件集成等方面取得了多项研究成果，在Nature Nanotechnology，Nature Materials，Nature Electronics等发表第一作者及通信作者论文200余篇。组织和受邀国内外学术会议40余次，包括半导体物理年会、Nature Conference Keynote报告以及中美华人纳米会议邀请报告。先后获2020年上海市青年科技杰出贡献奖和上海市自然科学二等奖、2021年纳米研究青年科学家奖、2022年IUMRS前沿材料青年科学家奖、2022年教育部自然科学二等奖、2022年上海市教学成果一等奖。

原文链接：Y. Zhu, Y. Wang, X. Pang, Y. Jiang, X. Liu, Q. Li, Z. Wang, C. Liu, W. Hu, P. Zhou, Non-volatile 2D MoS2/black phosphorus heterojunction photodiodes in the near- to mid-infrared region. Nat. Commun. 15, 6015 (2024). https://www.nature.com/articles/s41467-024-50353-6.