По мере стремительного развития технологий машинного зрения в таких областях, как беспилотные летательные аппараты, интеллектуальные транспортные средства и мобильные роботы, системы реального времени получения изображений предъявляют всё более высокие требования к характеристикам аппаратных компонентов — прежде всего к разрешению, скорости отклика и широкому динамическому диапазону. Хотя традиционные кремниевые фотосенсоры уже достигли зрелости, их динамический диапазон (60–70 дБ) значительно уступает естественному световому диапазону природных сцен, составляющему около 280 дБ, что приводит к потере деталей в экстремально ярких или сильно затемнённых условиях. Например, на границе яркого и тёмного освещения, такой как выход из туннеля, обычные сенсоры не способны одновременно сохранить детали как в зонах высокой освещённости, так и в теневых участках. Для решения этой проблемы исследователи обратились к принципу взаимодополнительной работы палочек и колбочек в человеческой сетчатке: колбочки обеспечивают высокое разрешение и быстрый отклик при ярком освещении, тогда как палочки благодаря высокой чувствительности фиксируют сигналы при слабом свете. Этот механизм динамической адаптации биологического зрения послужил вдохновением для разработки новых типов фотоэлектрических детекторов, которые за счёт комбинирования различных режимов работы расширяют диапазон восприятия интенсивности света.

Однако существующие кремниевые фотосенсоры ограничены единым механизмом фотоэлектрического преобразования; технологии повышения динамического диапазона опираются на сложные схемотехнические решения, что чревато появлением артефактов движения и высокой сложностью интеграции. Хотя двумерные материалы демонстрируют потенциал широкого динамического отклика, они во многих случаях страдают от низкой скорости отклика из‑за поверхностных ловушек либо недостаточной совместимости с кремниевыми технологиями. Кроме того, традиционные фотодиоды не обладают внутренним усилением, что приводит к низкому соотношению сигнал/шум при слабом освещении, тогда как фотопроводящие устройства, хотя и обеспечивают усиление, характеризуются ограниченным динамическим диапазоном и повышенным тёмным током. Таким образом, создание устройств, сочетающих широкий динамический диапазон, быстрый отклик и совместимость с кремниевой технологией, становится ключевым вызовом для преодоления узких мест современных технологий визуализации.

В ответ на указанные выше проблемы соответствующая исследовательская группа Технологического университета электроники провела углублённые исследования, используя безмасочную литографическую систему DMD компании «ZEPTOOLS». Они предложили двойной режим фотодетектора, основанный на гетероструктуре SOI–графен; благодаря разработке механизма динамического переключения между двумя режимами работы — фотодиода и фотопроводника — а также использованию управления затвором для снижения тёмного тока им удалось добиться сверхширокого динамического диапазона в 170 дБ и быстрого отклика — 5 нс/4 мкс. При этом устройство совместимо с кремниевыми технологиями, что обеспечивает новое оптоэлектронное решение для систем машинного зрения, имитирующее сетчатку глаза. Соответствующие результаты были опубликованы в журнале Laser & Photonics Reviews под названием «Двойные режимы фотодетекторов, имитирующие палочки и колбочки сетчатки, для датчиков изображений с высоким динамическим диапазоном»; ссылка на оригинальную статью: https:// doi.org/10.1002/lpor.202402192

В данном исследовании, опираясь на принципы биомиметики, предложен новый тип двойного режима фотоэлектрического детектора, который за счёт имитации динамического взаимодополнительного механизма палочек и колбочек сетчатки человеческого глаза обеспечивает сочетание широкого динамического диапазона и быстрого отклика. Исследовательская группа использовала гетероструктуру SOI–графен: при обратном смещении устройство работает в режиме фотодиода (аналогично яркой световой реакции колбочек), при этом быстрое разделение носителей заряда в области обеднения гетероперехода обеспечивает высокую линейность выходного фототока; при прямом смещении переключается в режим фотопроводника (имитируя слабочувствительные к тусклому свету свойства палочек): регулирование затворного напряжения снижает концентрацию носителей в кремниевом слое, подавляет темновой ток и создаёт внутреннее усиление, что существенно повышает отношение сигнал/шум при слабом освещении. Благодаря двойному режиму динамического переключения диапазон восприятия интенсивности света расширяется до 170 дБ, охватывая экстремальные условия освещённости — от 10⁻⁵ до 10² мВт/см².

На уровне механизма фотоэлектрического преобразования исследование выявило синергетический эффект, обусловленный взаимодействием гетероперехода и управления через затвор. При обратном смещении шоттки‑барьер, формируемый на границе графен/кремний, обеспечивает эффективное разделение фотогенерированных носителей в области обеднения, что приводит к возникновению фотоэлектрического тока без усиления, но с высокой стабильностью; при прямом смещении внешнее электрическое поле доминирует в процессе переноса носителей, а отрицательное напряжение затвора, модулируя уровень Ферми в кремниевом слое, создаёт локальный потенциальный барьер, подавляющий проводимость основных носителей и тем самым позволяя слабому оптическому сигналу вызывать миграцию неосновных носителей, что приводит к усилению. С помощью метода изображения фотоэлектрического тока была подтверждена разница в пространственных зонах отклика двух режимов: режим фотодиода сосредоточен в локальной чувствительной области на границе гетероперехода, тогда как режим фотопроводника активирует общую проводящую каналу кремниевого слоя, формируя взаимодополняющие фотоактивные области.

Испытания характеристик устройства показали, что данный детектор обладает широкополосной спектральной чувствительностью в видимом диапазоне 405–638 нм. В режиме фотодиода при интенсивном освещении наблюдается линейный динамический диапазон (LDR) 140 дБ, а коэффициент чувствительности стабильно составляет 0,3 А/Вт; в режиме фотопроводника в условиях слабого освещения коэффициент чувствительности достигает 160 А/Вт, а благодаря регулированию напряжения затвора уровень шумовой эквивалентной мощности (NEP) снижен до 6 пВт. После объединения двух режимов общий динамический диапазон достигает 170 дБ, что близко к диапазону адаптации человеческого глаза (около 180 дБ). Особо следует отметить, что скорость отклика устройства в обоих режимах составляет соответственно 5 нс (фотодиод) и 4 мкс (фотопроводник), что позволяет преодолеть традиционный недостаток двумерных материаловых детекторов — секундную временную задержку; это обусловлено сверхтонким кремниевым слоем подложки SOI (100 нм), эффективно сокращающим путь диффузии носителей заряда, а также быстрыми свойствами переноса заряда на границе гетероперехода.

В ходе дальнейших экспериментов по одноэлементной визуализации была подтверждена практическая осуществимость имитации сетчатки. В условиях экстремального распределения интенсивности света, имитирующих выход из тоннеля, режим фотодиода позволяет зафиксировать детали в зонах сильного освещения, тогда как режим фотопроводника — выделить информацию из затемнённых областей; после совмещения двумодальных изображений с помощью алгоритма среднего фильтра удалось восстановить высококачественное изображение с динамическим диапазоном, превосходящим возможности традиционных CMOS‑датчиков. Данная работа не только предлагает новую архитектуру устройства для кремниевых HDR‑датчиков изображения, не требующую сложной схемотехники, но и открывает перспективы межмасштабной гетерогенной интеграции в проектировании бионических оптоэлектронных систем, что, как ожидается, послужит толчком к прорывам в применении машинного зрения в таких областях, как автономное вождение и беспилотные летательные аппараты.

Настольный литографический станок без маски компании «ZEPTOOLS» специально разработан для эффективной и высокоточной микро‑ и нанообработки. Устройство оснащено мощным светодиодным источником света с высокой однородностью и использует передовую технологию DLP, обеспечивая функцию экспозиции по желтому или зелёному свету — так что результат полностью соответствует видимому изображению, что существенно повышает удобство эксплуатации и управляемость технологического процесса. Уникальная оптическая схема и высокоточный линейный двигатель‑позиционер гарантируют выдающуюся точность экспозиции и стабильность повторного позиционирования; встроенный CCD‑камерный система автоматической фокусировки по кадрам дополнительно улучшает качество изображения и стабильность технологических параметров. Оборудование поддерживает электрическое переключение объективов и активную лазерную фокусировку, что позволяет гибко адаптироваться к требованиям различных областей применения. Компактный настольный форм‑фактор не только экономит пространство, но и облегчает развертывание в лабораторных и производственных условиях.