Рост таких приложений интеллектуального периферийного вычисления, как микророботы и носимые устройства, предъявляет жёсткие требования к энергоэффективности систем визуального восприятия. Традиционная архитектура комплементарных металлооксидных полупроводников (CMOS), хотя и является технологически зрелой, за счёт затрат на аналого‑цифровое преобразование и выполнение алгоритмов часто превышает крайне ограниченный энергетический бюджет периферийных устройств. Технология интеграции сенсорики и вычислений, позволяющая объединить оптическое sensing и аналоговые вычисления на одном чипе, позволяет изначально сокращать избыточность данных и существенно снижать энергопотребление, став ключевым подходом к решению указанных узких мест. В настоящее время исследователи в основном стремятся использовать электростатическую легирование или двумерные материалы для кодирования настраиваемых весовых коэффициентов светочувствительности, что позволяет выполнять матрично‑векторные операции — основу нейронных сетей.

В настоящее время расчёт прямого фототока по‑прежнему сталкивается с фундаментальными проблемами — недостаточной надёжностью физических механизмов устройств и трудностями интеграции при масштабировании. Многие существующие решения лишены истинной биполярной и энергонезависимой чувствительности к свету, а высокотемпературная среда, необходимая для интеграции двумерных материалов, легко повреждает ключевые диэлектрические слои схем считывания; кроме того, методы ручного переноса приводят к низкому выходу готовых изделий. Вдобавок, по мере возрастания сложности визуальных задач обработка в аналоговой области сталкивается с проблемой нелинейного роста энергопотребления, что снижает её эффективность. Как найти баланс между оптимизацией простоты управления и затратами на аналоговые вычисления, а также обеспечить масштабную монолитную интеграцию с отлаженными схемами считывания — остаётся ключевой узкой точкой, сдерживающей переход интегрированных сенсорно‑вычислительных систем к практическому применению.

В ответ на указанные выше проблемы команда, в состав которой входят сотрудники Пекинского технологического университета, Суньяцзинского университета, Сямэньского университета и Гонконгского университета науки и технологии, провела комплексное исследование с использованием системы in situ‑измерений TEM компании Zeyou Technology. Команда разработала симметричный перестраиваемый фотодиод на основе материала сульфида висмута‑серебра; за счёт напряжённостного программирования инициируется локальная электрохимическая реакция ионов серебра, что обеспечивает обратимое изменение симметрии устройства, тем самым предоставляя двуполярную светочувствительную весовую характеристику, обладающую энергонезависимостью и высоким масштабируемым потенциалом для прямого вычисления фототока внутри сенсора.

Заголовок: Фотодиод с возможностью перестройки симметрии для сенсорных и вычислительных задач
Журнал: Природа Электроника
Веб-сайт: https:// doi.org/10.1038/s41928- 026-01617-0

В настоящем исследовании впервые предложена и реализована симметричная перестраиваемая фотодиодная структура на основе материала сульфид‑висмут‑серебро, направленная на принципиальное решение фундаментальной физической задачи — однозначного представления весовых коэффициентов при вычислении фототока непосредственно в аппаратной части. Исследователи осуществили массивное наноструктурированное осаждение широкополосного светопоглощающего материала сульфид‑висмут‑серебро между металлическими электродами с высоким значением работы выхода, формируя обратно‑связанные симметричные шоттки‑соединения. В отсутствие внешнего напряжения такая симметричная структура эффективно подавляет тёмный ток; при подаче специального программирующего напряжения в материале происходит локальная электрохимическая восстановительная реакция ионов серебра, что приводит к снижению шоттки‑барьера с одной стороны и нарушению исходной симметрии. Этот физический процесс обеспечивает устройству возможность свободного переключения между положительным и отрицательным короткозамкнутым фототоком, предоставляя нейроморфным визуальным системам истинно биполярную, энергонезависимую фоточувствительную весовую характеристику и преодолевая ограничения сложной архитектуры традиционных устройств.

Для достоверного подтверждения микроскопических физических оснований вышеупомянутой реконструкции симметрии исследовательская группа провела детальные динамические эксперименты по in situ‑электронной микроскопии на наноуровне. В ходе трансмиссионно‑электронномикроскопических наблюдений, направленных на выявление закономерностей миграции катионов, учёные специально использовали специализированный образцовый стержень компании Zeyou Technology, обеспечивавший стабильное реальное временное электрическое возбуждение и высокоточный электрофизический контроль микроскопических образцов чипа. Благодаря точному управлению этим стержнем и надёжной сборке данных исследование не только ясно зафиксировало весь процесс in situ‑образования и уничтожения микроскопических серебряных нитей под действием напряжения, но и строго продемонстрировало, что кристаллическая решётка сульфид‑висмута‑серебра после многократных полных циклов реверса полярности сохраняет высокую структурную целостность и химическую стабильность. Такой подход, сочетающий высокое пространственное разрешение с возможностью реального времени осуществлять электрофизическое воздействие, предоставил неоспоримые экспериментальные доказательства базовых механизмов работы двуполярных оптоэлектронных синапсов, отвечающих за изменение весовых коэффициентов.

Преодоление производственных барьеров, связанных с переходом от одиночных устройств к массивным чипам, стало ключевым прорывом данного исследования в области технологий полупроводниковой интеграции. Традиционные нейроморфные оптоэлектронные материалы требуют высокотемпературного выращивания, что часто вступает в противоречие с существующими成熟ными кремниевыми процессами; в отличие от этого, используемый в данном исследовании материал сульфида висмута‑серебра обладает исключительной совместимостью с низкотемпературной обработкой при температурах ниже 200 °C и идеально поддерживает микронные литографические технологии высокой точности. Благодаря этим производственным преимуществам исследовательская группа успешно осуществила безразрывную монолитную интеграцию десятков тысяч пиксельных элементов — фотодиодов — с тонкоплёночными транзисторными схемами считывания, создав высокоразрешающий широкоспектральный датчик изображения. Полученный интегрированный массив демонстрирует крайне низкий пространственный перекрёстный помех и высокую электрическую согласованность компонентов, полностью совместим с стандартными платформами микроэлектронного производства, что открывает путь к масштабируемому производству интеллектуальных сенсорных чипов с функциями восприятия и вычислений на уровне мегапикселей, ориентированных на промышленное серийное производство.

На основе разработанного нового типа микросхемы для изображений исследовательская группа успешно продемонстрировала интеллектуальную систему машинного зрения с двумя режимами работы. В симметричном режиме, обеспечивающем безупречное сохранение информации при её сборе, данный матричный сенсор благодаря своему выдающемуся широкоспектральному отклику успешно справился с задачей инфракрасной сквозной визуализации в условиях сложных препятствий. В асимметричном режиме, ориентированном на вычисления с фокусировкой, сенсор, используя встроенные неэнергозависимые фотоэлектрические проводящие весовые коэффициенты, непосредственно на уровне приёма оптического сигнала выполняет такие оптико‑электронные свёрточные операции, как извлечение признаков, детекция границ и параллельная распознавание образов. Далее исследовательская команда глубоко интегрировала эту аппаратно‑вычислительную архитектуру «сенсор‑вычисление» с системами управления беспилотными летательными аппаратами и манипуляторами, создав гибридную свёрточную нейронную сеть, которая обеспечивает чрезвычайно высокую точность распознавания и крайне низкую задержку порядка наносекунд в приложениях человеко‑машинного взаимодействия на основе отслеживания движений глаз. Это наглядно демонстрирует огромный потенциал данной технологии для терминалов искусственного интеллекта в рамках интернета вещей.

Компания «ZEPTOOLS», являясь ведущим китайским производителем высокоточных приборов отечественного производства, является одним из ведущих поставщиков решений для in situ‑характеризации с помощью электронных микроскопов и представила… ПикоФемто Серия решений для in situ‑характеризации с помощью трансмиссионной электронной микроскопии последовательно обеспечивала техническую поддержку важнейших научных достижений отечественных и зарубежных пользователей. На нижнем изображении — продукт компании Zeyou Technology — in situ‑образец‑стержень для ТЭМ, использовавшийся в данном исследовании: