《科学通报》
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二维双极性异质结助力图像识别感算一体化
2022-07-21 22:18:00传统的图像识别系统由分立的光电探测器和计算机处理系统组成，由光电探测器先探测目标光信号，然后将探测到的光信号转换成电信号，再传输到计算机系统进行处理以达到识别的目的。但是光电探测器在探测目标图像的同时会产生大量冗余信息，这些冗余信息也会传输到计算机处理系统中，导致图像识别的效率低、功耗大、延迟高。集图像处理于一体的光电探测器是解决上述瓶颈的有效途径，然而传统半导体异质结的界面处存在晶格应力，导致界面能带耦合类型固化，无法实现界面电场的有效翻转。所以传统半导体异质结难以实现光响应的极性调控，导致其无法模拟图像识别的感算一体化过程。因此，迫切需要开发界面能带耦合类型能够可逆翻转的新型半导体异质结，以实现光探测和信息数据处理的功能集成。
针对上述瓶颈，华中科技大学翟天佑、周兴及其合作者创新性地设计了二维双极性范德华异质结（PdSe2/MoTe2），通过电场调控其能带耦合类型，实现了异质结界面电场的可逆翻转，使其光响应正负连续可调，打破了传统半导体异质结单极性光响应的物理限制；并基于正负连续可调的光响应在硬件层面实现了图像识别的感算一体化，突破了传统图像识别中光信号探测和信息数据处理分离的瓶颈（图a, b）。
（a）硬件层面一体化的图像探测与预处理示意图
（b）二维PdSe2/MoTe2异质结示意图
基于PdSe2和MoTe2构筑的双极性范德华异质结具有高质量的范德华界面和费米能级易调控的优势，避免了传统半导体异质结的界面能带钉扎效应导致界面电场难以翻转的问题。通过栅压调控异质结的能带耦合类型，使其在II型和III型之间可逆转变（图c），导致其界面电场可逆翻转，进而实现了光响应的正负连续可调（图d）。
（c）PdSe2/MoTe2异质结在不同栅压下的能带耦合特性
（d）不同极性栅压下光功率依赖的正负光响应
具体过程如下：异质结在负栅压下形成II型能带耦合，光照下形成的漂移电流对应于正向的光伏电流，而在正栅压下则会形成III型能带构型，隧道势垒阻止了载流子的漂移，光照下扩散电流对应于负向的光伏电流，使其在紫外（365nm）-可见（532nm）-近红外（980nm）波段均表现出正负可调的光伏响应，并且具有超快的响应速度（~0.4μs）。此外，该异质结界面由范德华力结合，具有原子级洁净的界面，避免了传统体相半导体异质结由于界面晶格应力和原子扩散导致的缺陷态。因此，PdSe2/MoTe2范德华异质结的光响应度与光功率表现出良好的线性依赖关系，此外，由于双极性PdSe2/MoTe2的费米能级易调控，使其光响应度与栅压之间也表现出明显的线性依赖关系，这种对光功率和栅压的线性依赖关系有利于模拟图像识别过程中的权重更新过程。
基于上述优异的光电特性，利用基于二维PdSe2/MoTe2异质结的光电探测器对包含大量光谱信息的遥感图像实现了图像锐化和边缘增强等多种图像预处理。在此基础上，实现了宽光谱图像的精确识别，识别精度达到100%，而分立的单光谱识别精度仅有90%。相比于分立的单光谱卷积处理，一体化的宽光谱卷积处理在对宽光谱图像的识别过程中具有更快的收敛性和更少的数据丢失，显著提高了识别精度与效率。这是首次在硬件层面上实现宽光谱图像识别的感算一体化处理。
传统半导体异质结由于界面能带钉扎效应使其界面电场难以翻转，导致其光响应极性难以翻转，严重阻碍图像识别感算一体化的发展。他们非常巧妙地设计了新型的二维双极性范德华异质结，利用其界面能带耦合类型可调的优势，实现了界面电场的可逆翻转，进一步实现了光响应的极性可调，解决了传统半导体异质结光响应极性无法翻转的关键瓶颈。而这一优异的光电特性可以完美地模拟图像识别的感算一体处理过程，这种二维双极性范德华异质结为感算一体光电器件带来了全新的设计思路，解决了传统半导体材料在感算一体等多功能光电器件中的应用瓶颈，极大地推动了二维半导体材料应用于图像识别的感算一体化的发展进程。
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