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研究背景

畫素感測器是物聯網時代最普遍和最基本的技術型別之一，具有廣泛的應用。隨著時間的推移，畫素感測器應用的規模和多樣性不斷增長，透過CMOS感測器的傳統架構進行資訊轉換和資料傳輸已經變得極其低效。透過新材料的發現、器件工程的創新和感測器內或近感測器計算架構的發展，在開發節能光電探測器方面取得了穩步進展。由於原子薄的性質，可調諧的帶隙和強光-物質相互作用時，2D過渡金屬硫族化合物已經在光電子學中引起了極大的轟動。例如，WSe

2

基光電二極體陣列中的柵極可調光電導已被用於影象感測和處理。類似地，MoS

2

光電電晶體已被用作影象感測器、受昆蟲啟發的碰撞探測器、用於保護積體電路的水印和基於峰值時序的照片編碼器。

成果介紹

有鑑於此，近日，

美國賓夕法尼亞州立大學Saptarshi Das教授團隊報道了一種基於單層MoS

2

光電電晶體陣列的2D APS技術，其中每個畫素使用一個可程式設計光電電晶體，從而大幅減少佔用空間（~0。09 cm

2

中900畫素）和能耗（每畫素100 fJ）

。透過利用柵極可調的持久光電導，本文實現了~3。6×10

7

A W

-1

的響應率，~5。6×10

13

Jones的比探測率，光譜均勻性，~80 dB的高動態範圍和感測器內去噪能力。此外，本文在2D APS陣列上證明了光響應率接近理想的產率和均勻性。文章以“

Active pixel sensor matrix based on monolayer MoS

2

phototransistor array

”為題發表在頂級期刊

Nature Materials

上。

圖文導讀

圖1。 2D APS。（a）集成了可程式設計柵極堆疊的單層MoS

2

光電電晶體的3D示意圖和光學影象。（b）以交叉開關矩陣架構製造的900畫素2D APS感測器的光學影象和顯示行和列選擇線的相應電路圖。

圖1a顯示了單獨可程式設計MoS

2

光電電晶體的3D示意圖和光學顯微圖。圖1b顯示了具有行和列選擇線的交叉開關矩陣架構中900畫素2D APS矩陣的光學影象和相關電路圖。在曝光過程中，要被照亮的畫素是透過在柵極上施加背柵偏置（V

BG

，選擇列）和在源極和漏極上施加漏極偏置（V

DS

，選擇行）來選擇的。

圖2。 MoS

2

單層的表徵。（a）加速電壓為80 kV時，用原子分辨HAADF-STEM成像從c軸向下觀察MoS

2

的結構。（b）單層MoS

2

的SAED，顯示出均勻的單晶結構。（c&d）Mo 3d和S 2p核心能級的XPS。（e&f）拉曼光譜和相應兩個拉曼活性模式間峰分離的空間成像。（g&h）PL光譜和相應的PL峰位置空間成像。（i）MoS

2

薄膜的相對晶體取向成像。（j）SHG響應的偏振依賴性。

圖2a顯示了用原子分辨的HAADF-STEM從c軸向下觀察MoS

2

的結構。該薄膜具有結晶的2H-MoS

2

結構，很少有點缺陷。圖2b為MoS

2

的SAED，顯示出均勻的單晶結構。圖2c為核心能級的XPS，進一步確認了2H-MoS

2

的晶體結構。計算得到的S

2-

2p與Mo

4+

3d的原子比~2。08，表明MoS

2

具有良好的結晶度和富硫。圖2e和f分別為兩種拉曼活性模式的拉曼光譜和相應的峰分離空間成像。圖2g和h分別是在同一區域測量到的PL光譜和PL峰位置的相應空間成像。這些結果證實了生長和轉移後薄膜的均勻性。在生長和轉移後薄膜之間的應變差異透過進行偏振分辨的二次諧波生成（SHG）測量進一步得到了證實。對生長的薄膜的晶體取向分析表明，薄膜主要由單晶取向組成，標準偏差為2。5°。然而，擬合如圖2i所示的偏振分辨SHG資料需要加入一個引數，以解釋圖2j所示的單缺陷MoS

2

晶體預期的四倍偏振模式的各向同性貢獻。為了獲得與實驗資料的精確擬合，該引數的必要性表明，樣品表現出不均勻的晶體取向或缺陷，這些缺陷發生在光學測量的空間解析度（~160 nm）以下。

圖3。 MoS

2

光電電晶體特性的器件間變化。（a）轉移特性。（b-e）器件間變化的直方圖。（f）720個單層MoS

2

光電電晶體在光照前後的轉移特性。（g-j）光電性質的直方圖。

圖3a顯示了720個MoS

2

光電電晶體（構成2D APS陣列的80%器件）在1 V V

DS

下在黑暗中測量的轉移特性。圖3b-e分別顯示了720個MoS

2

光電電晶體在等電流為500 nA μm時，從峰值跨導中提取的電子場效應遷移率值（μ

FE

）分佈，電流開/關比（r

ON/OFF

），I

DS

超過三個數量級變化的亞閾值斜率（SS），以及閾值電壓（V

TH

）。μ

FE

、r

ON/OFF

、SS和V

TH

的平均值分別為23。6 cm

2

V

-1

s

-1

、6。4×10

7

、485 mV/dec和2。54 V，標準差分別為7 cm

2

V

-1

s

-1

、8。2×10

6

、115 mV/dec和0。57 V。還研究了2D APS平臺光響應的畫素間變化。圖3f顯示了720個光電電晶體在光照強度（P

in

）為20 W m

-2

、曝光時間（τ

exp

）為1 s、背柵偏置（V

exp

）為-1 V的白光照射下光照前後的轉移特性。圖3g-j分別是在V

BG

=-1 V時測得的暗（I

DARK

）和光電流（I

PH

）、光照後光電流與暗電流的比值（r

PH

）、響應率（R）和探測率（D*）的對應直方圖。結果表明，I

DARK

、I

PH

、r

PH

、R和D*的平均值分別為~2。9×10

-11

A μm

-1

、~1。84×10

-7

A μm

-1

、~1。84×10

5

、~1。84×10

3

A μW

-1

和~8。7×10

9

Jones，標準差分別為~1。7×10

-10

A μm

-2

、~1。9×10

-7

A μm

-1

、~2×10

3

A μW

-1

和~9。1×10

9

Jones。

圖4。 HDR和光譜均勻性。（a-c）光照後的持續光電流（I

PH

）。（d-f）2D APS在光響應中表現出光譜不均勻性，可以透過利用柵極可調諧的持久光電導調節。

接下來，闡明瞭光響應機制，並展示了單層MoS

2

2D APS技術的一些關鍵特徵。當光電電晶體暴露在導通狀態時，光照後器件特性幾乎沒有變化。這是因為在施加V

DS

= 1 V的條件下，半導體2D 溝道中產生的光載流子會向各自的電極漂移，導致超過光照的非永續性光電導。然而，對於截止狀態下的光照，在閾值電壓（V

TH

）中可以觀察到明顯的變化。這可以歸因於柵極可調的光生載流子俘獲現象，即光浮柵效應。在沒有任何電干擾的情況下，去俘獲過程可能相當緩慢，導致V

TH

的持續變化。圖4a-c顯示了V

BG

=0 V和V

DS

=1 V時，在紅、綠、藍三種波長下，不同τ

exp

下的光照後持續光電流（I

ph

）隨P

in

的變化。如預期的那樣，I

ph

隨P

in

和τ

exp

單調增加。這種現象相當於CMOS基APS技術中光電二極體對電荷的積分。然而，對於2D APS技術，儲存的電荷自然轉化為上述的V

TH

偏移，可以讀取為I

ph

，這樣就不需要像CMOS基APS那樣，使用額外的電晶體將電荷轉換為讀出電壓/電流。2D APS的動態範圍對所有三個波長的研究都是~80 dB。對於CMOS基APS，透過額外的曝光控制和放大器電路，可以避免光響應中的光譜不均勻性，從而允許足夠的電荷積分和電荷轉換來分別測量電壓/電流，這兩者都增加了面積和能耗。相比之下，本文的2D APS技術透過利用柵極可調的持久光電流消除了大量外設的需要。圖4d-f分別顯示了V

BG

=0 V和V

DS

=1 V時，在不同的V

exp

和τ

exp

=100 ms下，I

PH

與P

in

的關係。2D APS技術可以在不增加面積和能耗的情況下實現光譜均勻性。

圖5。 光電探測指標。（a-c）響應率（R）與V

exp

和P

in

的關係。（d）代表性2D APS在黑暗和光照後的轉移特性。（e）R與V

BG

的關係。（f）在不同V

DS

下，比探測率（D*）與V

BG

的關係。（g）每畫素能量消耗（E）與V

exp

的關係。

2D APS平臺可以透過調節V

exp

動態重構響應率，而無需調節τ

exp

。圖5a-c顯示了在τ

exp

=10 s下R與V

exp

和P

in

的關係。R隨V

exp

單調增加。雖然R值與早期關於MoS

2

的報道相當，但透過使用更負的V

exp

和更長的τ

exp

，以及使用更正的V

BG

和更大的V

DS

來讀出I

ph

，可以進一步增大R的量級。圖5d顯示了暴露於藍光後光照前後的轉移特性。圖5e顯示，當V

BG

=5 V時，R的量級可以達到非常高的值，高達3。6×10

7

A W

-1

。圖5f顯示了D*，它預期遵循V

BG

的非單調趨勢，峰值D*達到很高的值~5。6×10

13

Jones。圖5g顯示了E與V

exp

的關係。即使是最負的V

exp

，E也小於200 fJ。

圖6。 快速復位和去噪。（a）讀出後，每個畫素可以透過施加復位電壓（V

reset

）的時間週期低至t

reset

=100 µs重置。（b）電導比（CR）與V

reset

的關係。（c）不同V

reset

下復位操作的能耗。（d）當暴露在噪聲條件下的影象時，有無V

reset

時在V

BG

=0 V時從影象感測器測量的電導（G）熱圖。

雖然

光浮柵

效應允許2D APS技術實現HDR和光譜均勻性，但以

俘獲

電荷形式保留的光學資訊不利於影片流應用。為了加速

去俘獲

過程，可以在

光照

後MoS

2

光電電晶體的

背柵

上施加大的正復位電壓（V

reset

）脈衝。圖6a顯示了典型MoS

2

光電電晶體的復位後

轉移

特性。注意，可以透過改變V

reset

的大小來調整

光照

後與復位後的電導比（CR），如圖6b所示。換句話說，無論

光照

水平如何，都可以實現快速重新整理。更亮的

光照

引起更高的電導變化，因此需要更高的V

reset

，從而導致更高的能耗，如圖6c所示。有趣的是，即使最高的V

reset

=12 V

，

E

reset

也是~0。6 pJ。接下來，

本文

闡明瞭2D APS技術的去噪能力。

CMOS

基APS技術採用廣泛的外圍電路來實現複雜的去噪演算法，這增加了面積和能

耗

。圖6d顯示了在V

BG

=0

V

時測量的電導（G）

隨

時間演化的顏色圖，同時捕捉字母T在

有無

V

reset

的

背景噪聲的影象。每個畫素的標準差為σ

P

=0。6 W m

-

2

。在沒有復位（V

reset

=0 V）的情況下，本應保持低電導狀態的畫素感測器也會由於噪聲而受到隨機光激勵，從而無法捕獲影象中存在的模式。相反，當使能復位（V

reset

=8 V）時，非預期光電電晶體中的隨機光激勵被補償，允許2D APS矩陣在噪聲

光照

下準確捕獲字母T。這個演示強調了感測器內計算能力在感知被噪聲遮蔽的資訊方面的重要性。

總結與展望

本文演示了一種基於單層MoS

2

光電晶體的多畫素APS技術，該技術以極低的能耗工作，佔用較小的器件佔據空間，並結合了感測和計算，以實現HDR、光譜均勻性、可重構的光響應率、快速復位和去噪能力。

在快速發展的物聯網時代，這種2D APS技術可以使資源有限的邊緣器件受益。

文獻資訊

Active pixel sensor matrix based on monolayer MoS

2

phototransistor array

（

Nat。 Mater。

， 2022， DOI：10。1038/s41563-022-01398-9）

文獻連結：https：//www。nature。com/articles/s41563-022-01398-9

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