二维干货：二维光电探测器在芯片集成中的应用（一）！

随着科技的迅速发展，二维材料在光电探测器领域展现出了巨大的潜力，尤其是在芯片集成方面。二维材料如石墨烯、过渡金属二硫族化合物（TMDCs）等，以其优异的光电性能、柔韧性和可调控性，正在革新传统的集成电路（ICs）设计与应用。光电探测器作为集成电路的重要组成部分，其性能的提升直接关系到成像、传感器及存储器等多领域的发展。二维材料不仅可以提高探测器的灵敏度和响应速度，还能在极小的空间内实现高效的光电转换。这种技术突破，为下一代电子设备的微型化和高性能化奠定了基础。

本文将深入探讨二维材料光电探测器在芯片集成中的具体应用，分析其在成像技术、传感器技术以及内存技术中的优势与挑战。通过了解这些前沿应用，我们可以更好地把握未来科技的发展趋势，为相关领域的科研与产业化提供有力支持。

芯片集成应用概览

在芯片集成应用中，集成电路和光子集成电路的应用显著增强了光电技术。将光电探测器与电路集成在一起，能够创建紧凑、高效的设备，用于成像、传感器存储、测距和光谱学等领域，在监控、医学成像、自动驾驶和环境监测等方面至关重要。这种集成使得设备能够进行实时分析和模式识别等先进功能。

将光电探测器与光波导集成在一起，简化了光信息处理，对于高速通信和数据中心运营至关重要。这种协同作用实现了对大数据量的快速处理，推动了光通信系统的进步，影响到芯片内连接和传感技术等领域。

集成电路（ICs）

集成电路中的光电探测器代表了光电技术的重大进步，涵盖了利用光转换为电信号的各种应用。这些集成系统将光检测与电子处理结合在一起，形成紧凑、高效和多功能的设备，适用于各种应用场景。最典型的应用包括成像、传感器存储、测距和光谱仪。集成的光电探测器电路通过将光检测与电子处理相结合，正在转变各种技术领域，从而实现光检测与电子处理的协同作用。

在成像领域，它们实现了像实时分析和模式识别等高级功能，对于监控、医学成像和自动驾驶等应用至关重要。在传感器存储方面，这种集成有助于实现即时数据保留，对于快速环境监测和安全应用至关重要。在测距方面，如用于激光雷达系统中，它们提供了精确的距离测量，对于自动驾驶和三维扫描至关重要。最后，在光谱仪方面，这种集成实现了高效的现场波长识别，对于农业、制药和环境监测等行业至关重要。

成像

2020年，Lukas Mennel及其团队开发了一种创新的图像传感器，作为人工神经网络（ANN）运行，利用二维半导体光电二极管阵列。这一突破整合了传感和实时图像处理，显著超越了传统机器视觉方法的效率和速度。该传感器利用WSe₂材料，以其卓越的光电特性为基础，包含可调的光响应矩阵，对ANN的适应性和学习至关重要。该传感器在图像扫描期间表现出色噪声免疫性，并且既可以作为分类器又可以作为自编码器运行，实现了超快的图像识别和编码能力，远远超出传统技术的能力范围。其鲁棒性、适应性、可扩展性及其集成到现有技术的潜力代表了机器视觉及其应用的重大飞跃。

在此基础上，2021年Seongin Hong等人的研究引入了一种高灵敏度的活性像素图像传感器阵列，由大面积双层MoS₂晶体管电路驱动。这一进展特点是一个包含8×8像素的阵列，每个像素集成了来自二维MoS₂的开关晶体管和光电晶体管。这些光电晶体管展现出卓越的光响应性能，最高达119.16 A W⁻¹，主要归因于来自亚带状态中孔子的光门效应。该阵列的开发采用了一种两步生长方法，在SiO₂/Si衬底上直接合成双层MoS₂薄膜，避免了转移工艺。通过光谱分析和数值设备模拟，该文章提供了强有力的验证，展示了该阵列在超薄透明图像传感器、基于人工智能的光传感器和选择性光探测成像器方面的潜力。Lejing Pi及其同事在2022年探索了使用PdSe₂/MoTe₂垂直异质结构进行宽带卷积处理（BCP），

总的来说，这些研究标志着图像传感器技术的变革时期，通过集成先进材料、神经网络架构和新型制造技术，正在推动多功能、高效率的光电探测系统的发展。它们的贡献为下一代成像技术铺平了道路，应用范围广泛，从自动驾驶车辆到环境监测（见图1）。

图1. 二维材料的图像传感器。(a) 人工神经网络光电二极管阵列的示意图。(b) MoS₂ 图像传感器阵列。(c) 使用可调谐带阵列的 PdSe₂/MoTe₂ 进行宽带卷积处理。(d) 基于二维 NbS₂/MoS₂ 混合薄膜的神经启发式光传感器阵列，用于处理静态和移动目标。(e) 神经启发式光传感器阵列的对比增强功能。(f) 神经启发式光传感器阵列中移动光斑的轨迹注册。

传感器内存

李等人探索了多铁电半导体器件（MFSDs）的多功能功能，灵感来源于人类视觉系统，用于实时感知和存储。该研究描绘了人类视觉系统的机制，并将其与MFSDs的操作进行了对比，如图2a所示。这种比较奠定了理解MFSDs如何复制类似生物系统的视觉数据处理的基础，特别是在感知和记忆方面。图2b展示了该器件的3×3像素阵列，展示了它感知和选择性记忆视觉模式的能力，因此突显了其在图像处理和存储中的潜力。该阵列对不同波长和强度的光脉冲作出响应，并在不同的门电压下调制光电流变化。MFSDs具有增强图像对比度和处理视觉信息的能力，类似于人类的视觉感知和记忆，这是一个重大的进步。

示意图2c描述了窗前脉冲（来自次级神经元的电或光场）如何调制突触导电（场效应晶体管通道），产生不同的突触后电流。这种表现突显了合成突触细胞的双输入（电子和光脉冲）写入能力及其电子擦除功能。通过利用可同时切换的铁电极化和光载流子捕获效应，实现多态非易失性存储特性，模拟了生物启发的神经形态视觉（视网膜形态），这对学习和记忆至关重要。它强调了通过适当幅度的光和电脉冲应用，实现短期和长期尺度的多位逻辑/存储操作，使这些设备适用于各种下一代智能系统，如机器人技术、AI传感器、边缘计算和仿生视觉。

2022年，杨等人利用基于vdW异质结构的浮动栅光电晶体管，融合了光感受器、存储和计算功能，如图2d所示。该晶体管展示了多种光响应特性，如忆阻行为、保持极性可调光电导和光电耦合，并且在模拟突触可塑性时可以重新配置光电逻辑功能。这标志着在开发多功能高效设备方面迈出了重要的一步，适用于机器视觉和计算中的复杂任务。

图2. 利用二维材料的内部存储器。

这些研究共同展示了将感知、记忆和计算能力集成到紧凑的半导体结构中，模拟人类视觉和认知过程的能力。总的来说，这些突破为创建更加智能、高效的系统铺平了道路，推动了人工智能、机器人技术、边缘计算和仿生视觉的发展，并在生物医学技术等领域产生了深远的影响。

小结

二维材料光电探测器在芯片集成中的应用展示了未来科技的无限可能。其在成像、传感器和存储器领域的创新，证明了二维材料在提升性能和实现微型化方面的巨大潜力。然而，这只是开始。随着研究的不断深入，更多的应用场景将被开发出来，进一步推动科技进步和产业革新。在接下来的章节中，我们将继续探讨二维材料光电探测器在芯片集成中的其他应用，包括测距、光谱仪、光子集成电路（PICs）以及光信息接收器。这些领域的研究将为我们揭示二维材料更多的独特优势，并引领我们迈向更智能、更高效的未来。敬请期待二维干货：二维材料光电探测器在芯片集成中应用（二）！