隨著視覺技術(shù)的飛速發(fā)展，信息獲取與處理的需求呈爆發(fā)式增長，但傳統(tǒng)集成電路中數(shù)據(jù)的頻繁搬運(yùn)導(dǎo)致了大量時(shí)間與功耗的浪費(fèi)。為應(yīng)對這一挑戰(zhàn)，存內(nèi)計(jì)算等新型架構(gòu)通過將存儲(chǔ)與計(jì)算融合，顯著縮短了數(shù)據(jù)路徑。然而，在光電傳感領(lǐng)域，傳統(tǒng)的傳感器（如 InGaAs、PbS、HgCdTe）僅承擔(dān)感知角色，傳感、存儲(chǔ)與計(jì)算單元在物理上相互分離，導(dǎo)致數(shù)據(jù)在模塊間反復(fù)傳輸，產(chǎn)生冗余功耗。更重要的是，傳統(tǒng)僅利用強(qiáng)度（振幅）信息的探測方法，難以處理波長、偏振、相位等多維光學(xué)信息，形成了電學(xué)與光學(xué)信息之間的維度失配。盡管衍射光柵、超表面等光學(xué)結(jié)構(gòu)可提取部分多維信息，但單元間的物理分離又會(huì)帶來能量損耗與器件尺寸增大的問題。

鑒于此，來自中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所胡偉達(dá)研究員，香港理工大學(xué)柴楊教授，美國圣路易斯華盛頓大學(xué)Sang-Hoon Bae教授概述了基于新興二維材料的集成傳感器進(jìn)展，并在統(tǒng)一的信息編碼框架下，將電學(xué)輸入與光學(xué)場景進(jìn)行對比。討論了集成傳感器的廣闊機(jī)遇，強(qiáng)調(diào)了不同維度信息編碼的要求與差異，并探索了集成傳感器在其他領(lǐng)域的應(yīng)用潛力。相關(guān)文章以題為“Two-dimensional materials for integrated sensing”發(fā)表在最新一期《nature materials》上。

圖 1 | 新型整合的前沿材料

從電學(xué)輸入到光學(xué)輸入的轉(zhuǎn)變

基于電學(xué)輸入的阻變材料可在高阻態(tài)與低阻態(tài)之間切換，實(shí)現(xiàn)線性MAC操作。然而，光學(xué)輸入包含了振幅、時(shí)間、波長、偏振、相位等多個(gè)維度的信息（圖2b），對新型傳感范式提出了更高要求。受電學(xué)MAC操作啟發(fā)，可調(diào)響應(yīng)度特性使傳感器能夠通過向量操作實(shí)現(xiàn)線性光電MAC運(yùn)算。在空間維度上，傳感器陣列中的每個(gè)像素可對入射光強(qiáng)與可編程響應(yīng)度進(jìn)行逐元素乘法，實(shí)現(xiàn)圖像卷積操作（如Sobel、高斯濾波等），從而在硬件層面直接提取邊緣、模糊等視覺特征。在時(shí)間維度上，二維材料的可調(diào)載流子動(dòng)力學(xué)可實(shí)現(xiàn)對不同時(shí)間尺度視覺輸入的整合，其響應(yīng)度既可以是易失性的（如指數(shù)衰減，用于運(yùn)動(dòng)感知），也可以是非易失性的（用于多級(jí)視覺信息存儲(chǔ)）。進(jìn)一步地，廣義的MAC操作可擴(kuò)展至包含空間坐標(biāo)、時(shí)間、波長、偏振和相位的高維張量，而二維材料的獨(dú)特性質(zhì)使得通過電柵控、范德華異質(zhì)結(jié)構(gòu)建或缺陷態(tài)調(diào)控，實(shí)現(xiàn)對高維光學(xué)信息的選擇性與可編程編碼。

圖 2 | 從電輸入過渡到光輸入

用于集成傳感的二維材料

二維材料具有大比表面積、弱范德華相互作用、低暗電流等特性，對外界擾動(dòng)敏感，具備寬范圍可調(diào)性。它們能夠編碼多維度光學(xué)信息：對于振幅通道，可通過場控形成面內(nèi)p-n結(jié)，實(shí)現(xiàn)高線性度與可調(diào)響應(yīng)度；對于時(shí)間通道，材料中的缺陷態(tài)可引入陷阱態(tài)，延長載流子壽命，從而編碼瞬態(tài)或持久光電流；對于波長通道，通過斯塔克效應(yīng)等機(jī)制可調(diào)控能帶隙，改變光譜響應(yīng)范圍；對于偏振通道，可通過打破空間反演對稱性，利用體光伏效應(yīng)實(shí)現(xiàn)偏振信息編碼。此外，二維材料支持原子級(jí)別的精確調(diào)制，例如通過堆疊、滑動(dòng)、旋轉(zhuǎn)等自由度實(shí)現(xiàn)摩爾光子學(xué)與光電子學(xué)應(yīng)用。二維材料還能解鎖基于單晶的單片三維集成，其無懸掛鍵的范德華界面可避免晶格失配問題，且具有高熱導(dǎo)率，有助于降低熱致電荷泄漏。兩種主流的集成策略包括：將二維材料傳感器陣列在制造后期轉(zhuǎn)移到CMOS芯片上，或完全用二維材料構(gòu)建垂直堆疊的柔性系統(tǒng)。

用于光譜編碼的二維材料

光譜編碼器件本質(zhì)上是一類響應(yīng)可調(diào)的光探測器，其機(jī)制涵蓋光導(dǎo)效應(yīng)、光伏效應(yīng)、光熱電效應(yīng)和光輻射計(jì)效應(yīng)。斯塔克效應(yīng)可通過強(qiáng)柵壓降低能帶隙，擴(kuò)展吸收光譜，例如黑磷的帶隙可調(diào)制數(shù)百毫電子伏特，覆蓋中紅外至長紅外波段（圖3a）。電化學(xué)機(jī)制則利用鋰離子嵌入/脫出改變石墨烯的費(fèi)米能級(jí)，實(shí)現(xiàn)光譜響應(yīng)的顯著變化（圖3b）。能帶工程通過p-n結(jié)調(diào)控載流子輸運(yùn)機(jī)制（熱電子發(fā)射、隧穿等），實(shí)現(xiàn)多色響應(yīng)（圖3c）。體光伏效應(yīng)在非中心對稱材料中產(chǎn)生穩(wěn)態(tài)光電流，例如扭曲的雙層石墨烯在5μm和7.7μm波長處表現(xiàn)出可調(diào)的中紅外圓光電流效應(yīng)（圖3d）。激子效應(yīng)在二維材料中結(jié)合能高達(dá)500 meV，可在室溫下產(chǎn)生帶隙以外的光響應(yīng)（圖3e）。光譜重建過程包括前端調(diào)制（焦平面分割或時(shí)間分割）與后端解碼（光譜反演或神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)）。性能評估的關(guān)鍵參數(shù)包括響應(yīng)度、響應(yīng)時(shí)間、區(qū)分狀態(tài)數(shù)、光譜范圍和能效等（圖3g, h）。基于光伏效應(yīng)的器件線性度高、能耗低，但響應(yīng)度較低；基于光導(dǎo)效應(yīng)的器件響應(yīng)度高，但線性度受限。

圖 3 | 用于光譜編碼的二維材料

用于時(shí)間編碼的二維材料

時(shí)間編碼器件更像是由光學(xué)輸入驅(qū)動(dòng)的存儲(chǔ)器，其機(jī)制包括電荷陷阱、浮柵存儲(chǔ)、鐵電效應(yīng)、氧化還原/空位遷移和相變。電荷陷阱導(dǎo)致的光電導(dǎo)變化通常是易失性的，呈指數(shù)衰減（圖4a）。浮柵存儲(chǔ)器中，光激發(fā)可使浮柵層中的電子逃逸到溝道，二維材料可定制勢壘高度，將入射光波長擴(kuò)展至近紅外范圍（圖4b）。鐵電異質(zhì)結(jié)（如MoS?/鈦酸鋇）中，光生載流子會(huì)屏蔽極化電場，導(dǎo)致異常的鐵電響應(yīng)（圖4c）。氧化還原與空位遷移在二維材料中更為顯著，例如氧空位在石墨烯/MoS???O?/石墨烯結(jié)構(gòu)中的遷移導(dǎo)致電極的還原或氧化（圖4d）。相變機(jī)制在MoTe?等材料中尤為突出，光誘導(dǎo)的Te空位可使2H相轉(zhuǎn)變?yōu)?T'相（圖4e）。在運(yùn)動(dòng)檢測應(yīng)用中，時(shí)間編碼分為單幀記憶（非易失性）和多幀記憶（易失性）兩種方式（圖4f）。浮柵存儲(chǔ)器具有高開關(guān)比和快速編程速度，但開關(guān)能量較高；陷阱基器件結(jié)構(gòu)簡單、功耗低，但編程速度受限（圖4g, h）

圖 4 | 用于時(shí)間信息編碼的二維材料

挑戰(zhàn)與展望

盡管二維材料在集成傳感領(lǐng)域取得了令人振奮的進(jìn)展，但仍面臨若干關(guān)鍵挑戰(zhàn)。首先是超薄本性與吸收率之間的固有矛盾：靜電調(diào)制（如斯塔克效應(yīng)）僅在少層二維體系中高效，超過10 nm后因介電屏蔽效應(yīng)而迅速減弱。對于需要高吸收率的體材料應(yīng)用，III-V族化合物半導(dǎo)體可能是更好的選擇；但對于超表面、波導(dǎo)等長光-物質(zhì)相互作用場景，二維材料的超強(qiáng)光電響應(yīng)可克服這一挑戰(zhàn)。其次，器件的響應(yīng)度、可重構(gòu)性和耐久性高度依賴于二維材料的質(zhì)量。機(jī)械剝離法雖質(zhì)量高，但難以工業(yè)化；液相剝離法可批量生產(chǎn)，但質(zhì)量較差。目前，化學(xué)氣相沉積法是大規(guī)模生長的首選，而通過幾何限域生長策略，已在晶圓尺度上合成了單晶WSe?和MoS?陣列。此外，二維材料與現(xiàn)有半導(dǎo)體制造工藝（如后道工序）兼容，可實(shí)現(xiàn)高密度集成（圖5d）。未來的重要方向是實(shí)現(xiàn)集成傳感層的三維垂直堆疊，將光譜編碼與時(shí)間編碼等功能集成于單芯片上，縮短電學(xué)與光學(xué)路徑，降低能量損耗。最后，集成傳感的多維信號(hào)不僅限于光學(xué)通道，還可擴(kuò)展至應(yīng)變、濕度、生物信號(hào)等，在柔性可穿戴設(shè)備與植入式生物傳感器中具有廣闊前景。結(jié)合先進(jìn)算法，集成傳感器將有望徹底打破傳統(tǒng)分立架構(gòu)的桎梏，開創(chuàng)感知與計(jì)算深度融合的新紀(jì)元。

圖 5 | 基于二維的集成傳感器的挑戰(zhàn)與展望