隨著自動(dòng)導(dǎo)引、具身智能等前沿技術(shù)的迅速發(fā)展，機(jī)器視覺(jué)對(duì)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(chǎng)景中的動(dòng)態(tài)變化?，F(xiàn)有的動(dòng)態(tài)與有源像素傳感器（DAVIS）技術(shù)雖然集成了“動(dòng)態(tài)事件檢測(cè)”和“灰度圖像采集”兩種功能，但每個(gè)像素通常需要幾十個(gè)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(shí)也還面臨高速時(shí)鐘同步等工程難題。
為解決這一瓶頸，中國(guó)科學(xué)院金屬研究所孫東明研究員團(tuán)隊(duì)提出了一種全新的“動(dòng)靜雙感”電荷耦合光電晶體管。這種晶體管只需要一個(gè)器件單元，就能同步實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)與靜態(tài)圖像信息的采集。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(guó)際權(quán)威期刊《Advanced Materials》上。
在這項(xiàng)研究中，研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種“上下雙光敏電容”的柵極結(jié)構(gòu)，上層?xùn)艠O通過(guò)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(guò)較薄的介電層讓電子隧穿形成瞬態(tài)電流脈沖，專門用來(lái)捕捉動(dòng)態(tài)事件。通過(guò)這種獨(dú)特的電荷耦合光柵機(jī)制，研究人員首次在一個(gè)晶體管內(nèi)實(shí)現(xiàn)了靜態(tài)圖像與動(dòng)態(tài)事件的獨(dú)立響應(yīng)。實(shí)測(cè)結(jié)果表明，該器件動(dòng)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。這不僅顯著降低了功耗，還有助于大規(guī)模集成，同時(shí)也從根本上解決了高速時(shí)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。未來(lái)，研究團(tuán)隊(duì)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(shí)現(xiàn)千萬(wàn)級(jí)像素的高密度集成。
本研究由金屬所孫東明研究員、劉馳研究員和成會(huì)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(cè)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(jì)工作。
該成果得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、中國(guó)科學(xué)院、遼寧省科技廳、金屬研究所及沈陽(yáng)材料科學(xué)國(guó)家研究中心等多個(gè)項(xiàng)目與機(jī)構(gòu)的大力資助。
電荷耦合光電晶體管結(jié)構(gòu)與表征
