【仪表网 研发快讯】随着自动导引、具身智能等前沿技术的迅速发展，机器视觉对图像采集提出了更高的要求，不仅需要精准记录静态图像，还要能灵敏捕捉场景中的动态变化。现有的动态与有源像素传感器(DAVIS)技术虽然集成了“动态事件检测”和“灰度图像采集”两种功能，但每个像素通常需要几十个晶体管和电路元件，结构复杂、功耗高、集成难度大，同时也还面临高速时钟同步等工程难题(图1)。
为解决这一瓶颈，中国科学院金属研究所孙东明研究员团队提出了一种全新的“动静双感”电荷耦合光电晶体管。这种晶体管只需要一个器件单元，就能同步实现动态与静态图像信息的采集(图1)。相关研究成果以题为“A charge-coupled phototransistor enabling synchronous dynamic and static image detection”的论文，于4月14日发表在国际权威期刊《Advanced Materials》上。
在这项研究中，研究团队设计了一种“上下双光敏电容”的栅极结构，上层栅极通过较厚的介电层屏蔽电子，使器件产生稳定的电流变化，用于采集灰度图像；下层栅极通过较薄的介电层让电子隧穿形成瞬态电流脉冲，专门用来捕捉动态事件(图2)。通过这种独特的电荷耦合光栅机制，研究人员首次在一个晶体管内实现了静态图像与动态事件的独立响应(图3)。实测结果表明，该器件动态范围达到120 dB、响应速度快至15 μs、功耗仅为10 pW，仅为传统DAVIS器件的千分之一(图4，5)。这不仅显著降低了功耗，还有助于大规模集成，同时也从根本上解决了高速时钟同步难题。更值得一提的是，该发明具备良好的材料普适性，既可以用二维材料制造，也可以采用一维的碳纳米管(图6)。未来，研究团队将探索该技术与硅基工艺结合，使用32 nm先进制程，有望在1×1 c㎡的芯片上实现千万级像素的高密度集成(图6)。
本研究由金属所孙东明研究员、刘驰研究员和成会明院士共同指导。金属所冯顺副研究员和博士研究生韩如月为共同第一作者，山西大学韩拯教授、东北大学程同蕾教授在器件制备和性能测试方面提供了重要支持，辽宁大学贾大宇副教授开展了仿真设计工作。
该成果得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划、中国科学院、辽宁省科技厅、金属研究所及沈阳材料科学国家研究中心等多个项目与机构的大力资助。
图1. 场景需求与器件设计。a. 有源像素传感器(APS)、动态视觉传感器(DVS)与动态与有源像素传感器(DAVIS)的对比。b. 传统DAVIS的像素电路。c. 电荷耦合光电晶体管的设计。d. 不同厚度的介电层使单个晶体管能够同时检测事件(光强变化)与灰度(绝对光强)。
图2. 电荷耦合光电晶体管结构与表征。a. 器件结构示意图。b. 器件截面的透射电子显微镜表征。c. 器件截面的元素分析。d. 介电层厚度对晶体管电学特性的影响。e. 光敏电容器的光电响应特性。f,g. 使用单个光敏电容器作为栅极的晶体管的典型光电特性。
图3. 电荷耦合效应原理。 a-c. 不同介电层厚度下，背栅二维FET连接单个光敏电容器时的能带结构图，其中使用较厚的(a)或较薄的(b,c)h-BN作为介电层。d. 器件的光响应行为随介电层厚度的变化而变化。e. 时间分辨率随介电层厚度的变化。
图4. 光电响应特性。a. 器件在不同入射光功率下的光响应。b. 器件在四种工作状态下的电流随光功率变化的曲线。c. 从(b)图中提取的器件对光强和光强变化的响应度。d. 在不同偏置电压下的器件光响应。e. 在不同偏置电压下的器件功耗。f. 器件的响应速度。g. 器件的循环稳定性。
图5. 性能水平。a. 动态范围与响应延迟的对比。b. 集成度与功耗对比。
图6. 普适性与集成潜力。a. 碳纳米管电荷耦合光电晶体管阵列。b. 器件光学照片。c.器件沟道区域扫描电子显微镜照片。d,e. 器件在作为光电晶体管(d)或事件驱动像素(e)时，光电响应随着光敏电容器面积与晶体管金属-绝缘体-半导体(MIS)电容面积之比的增加而提高。f. 在不同硅工艺节点下，MIS电容面积与光敏电容面积的对应关系，面积比为1:300。f. 当光敏电容面积与MIS电容面积之比为300时，电荷耦合光电晶体管在不同硅工艺节点下的集成密度。
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