Nature Communications | 复旦大学：二维材料集成方法助力新一代中波红外光电探测器！

英铂科学仪器（上海）有限公司

2024/09/18 17:09

研究背景

中波红外（MWIR）技术在人工智能和物联网（IoT）时代的应用中具有重要意义，如高级辅助驾驶、事件监测和复杂环境侦察等领域。然而，传统MWIR光电探测器使用的材料如汞镉碲（HgCdTe）和锑化铟（InSb）需要冷却来进行温度控制，这不仅带来了高成本和能量浪费，还导致设备的体积庞大。此类技术在功耗、延迟和功能集成方面存在显著挑战，限制了其在实际应用中的广泛使用。

二维（2D）材料以其独特的层状结构和高光子敏感性，为解决这些挑战提供了新的可能性。这些材料支持高密度的异质集成，能够实现从近红外到中红外的高响应性探测器，并且具有较低的功耗和更高的集成度。当前的研究还面临模拟信号转换和传输能量消耗的问题，特别是在将传感器与内存计算结构结合时，通常需要将光电流信号转换为电压信号，这导致了感应和处理的时间错配。

研究内容

鉴于这些挑战，复旦大学微电子学院副院长、国家杰出青年科学基金获得者周鹏团队、复旦大学聚合物分子工程国家重点实验室王洋研究员, 中科院上海技术物理研究所红外物理国家重点实验室、国家杰出青年基金获得者、国家重点研发计划首席科学家、胡伟达教授团队在“Nature Communications”期刊上发表了题为“Non-volatile 2D MoS₂/black phosphorus heterojunction photodiodes in the near- to mid-infrared region”的最新论文。科学家们提出了一种结合了二维材料异质集成的MWIR光电探测器，该设备不仅集成了闪存和光电探测功能，还实现了快速的存储和计算操作。

这一创新通过超快MoS₂/h-BN/石墨烯闪存技术，能够在低功耗下完成MWIR目标检测和识别，且设备响应性权重的mAP达到了89%。这一研究成果为MWIR探测器的应用提供了新的解决方案，推动了高性能MWIR传感器的实际应用发展。

图文解读

（1）本文首次开发出了一种基于MoS₂/黑磷（BP）异质结的非易失性中波红外（MWIR）光伏探测器，采用了半浮置栅极结构设计。这种设计集成了近红外到中红外的光探测、记忆和计算（PMC）功能，实现了MWIR探测与存储的高效结合。

（2）实验通过以下几个方面展示了这一新型设备的显著优势：

⚪ 存储与响应性：PMC设备能够存储稳定的响应性，该响应性与存储的导电状态线性变化。设备权重的编程功耗低至1.8飞焦耳，黑体峰值响应性在MWIR波段可达1.68 A/W。

⚪ 超快响应速度：设备具有超快的编程速度，权重改变的脉冲宽度仅为20纳秒，电存储的动态范围超过106。

⚪ 计算能力：在基于FLIR数据集的Faster R-CNN卷积神经网络（CNN）模拟中，PMC硬件的响应性权重达到了特征提取网络软件权重的89%均值平均精度（mAP），显示了其在图像识别中的优越性能。

⚪ 验证测试：通过MWIR黑体辐射测试验证了设备的实际效果，显示了设备在中红外光电探测和目标识别中的有效性。

图 1 | 基于CNN连接的中红外（MWIR）PMC设备。

图 2 | 非易失性中红外（MWIR）传感器内计算设备。

图 3 | PMC设备在不同导电状态下的红外激光响应。

图 4 | PMC设备在不同导电状态下的黑体检测与机制分析。

图 5 | 基于中红外场景的物体检测与识别。

结论展望

二维材料的异质集成展示了在中波红外（MWIR）技术领域的巨大潜力。通过将MoS₂和黑磷（BP）等二维材料与石墨烯结合，本文开发的光伏探测器不仅实现了高效的MWIR光探测功能，还集成了超快闪存和计算能力。这种集成创新打破了传统MWIR探测器对冷却需求的限制，提供了高响应性和低功耗的解决方案，对便携式和低成本的红外成像系统具有重要意义。

其次，PMC设备的出现标志着在红外探测和计算的结合方面迈出了重要一步。通过将光探测、记忆和计算功能集成在一个设备中，PMC设备能够直接进行图像识别计算，大幅度提高了处理速度并降低了功耗。这种集成方式不仅优化了系统架构，还克服了传统系统中存在的信号转换和传输能耗问题，推动了传感器和内存计算结构的深度融合。

此外，实验中的技术成果，如20纳秒的超快编程速度和1.68 A/W的峰值响应性，为实现更高效的中波红外目标检测和识别提供了坚实的基础。这一创新不仅展示了MWIR探测器在实际应用中的卓越性能，也为未来的大规模集成生产和应用奠定了基础。

该工作发表在Nature Communications上

文章链接（点击“阅读原文”）：https://doi.org/10.1038/s41467-024-50353-6

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