在人工智能和物联网（IoT）时代，红外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。尖端的红外传感技术利用红外光电探测器、存储单元和计算单元来增强机器视觉。随着智能像素的不断增加，实时处理和决策挑战也随之而来。因此，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。
针对此领域难题，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近红外-中波红外光电探测器。我们利用二维材料的异质集成特性，采用半浮动栅结构设计，有效地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。
相关成果以“Non-volatile 2D MoS2/black phosphorus heterojunction photodiodes in the near- to mid-infrared region”为题发表于顶级期刊《自然-通讯》（Nature Communications）。复旦大学微电子学院、光电研究院周鹏、汪洋，中国科学院上海技术物理研究所胡伟达为共同通讯作者，祝瑜言，汪洋为共同第一作者。
我们构建了基于BP/MoS2/h-BN/graphenes堆叠集成的范德华PMC器件。采用MoS2/h-BN/graphene实现超快闪存，其存储动态范围超过106，改变状态所需的脉冲宽度非常小，仅为20 ns，权重单次编程功耗低至1.8 fJ，确保了高效快速的存储操作。BP/MoS2异质结实现了室温下从近红外到中红外的高性能光敏特性，在3.6 μm 波长处峰值响应率约为1.68 A/W，中波红外黑体辐射测试证实了该器件在实际场景中的有效性。PMC器件的响应度权重在替代特征提取神经网络权重方面得到了证实，通过100%替换卷积层的权重，器件权重的平均精度均值可达到软件训练权重的89%。
目前，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。
本工作得到科技部重点研发计划、国家自然科学基金、上海市科委、中国博士后科学基金等项目的大力支持。
图1 将PMC器件用于先进的智能视觉辅助驾驶系统
文章信息：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).
文章链接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-50353-6
