Рост числа интеллектуальных приложений на периферии — таких как микророботы и носимые устройства — обусловил жёсткие требования к низкому энергопотреблению систем визуального восприятия. Хотя традиционная архитектура комплементарных металл‑оксид‑полупроводников (CMOS) технологически зрелая, вычислительные и памятные издержки, связанные с аналого‑цифровым преобразованием и выполнением алгоритмов, зачастую превышают крайне ограниченные энергетические бюджеты устройств на периферии. Технология вычислений непосредственно в сенсоре объединяет оптическое sensing и аналоговые вычисления на одном чипе, уменьшая избыточность данных и существенно снижая энергопотребление уже на источнике; это делает её ключевым направлением для решения указанного узкого места. В настоящее время исследователи часто стремятся использовать электростатическое легирование или двумерные материалы для кодирования настраиваемых весовых коэффициентов фоточувствительности, тем самым реализуя операции умножения матрицы на вектор, лежащие в основе нейронных сетей.

Текущие методы расчёта прямого фототока по‑прежнему сталкиваются с фундаментальными проблемами, такими как недостаточная надёжность устройств и сложности масштабирования интеграции. Многие существующие подходы лишены истинной биполярной и энергонезависимой фотоответной характеристики, а высокотемпературные условия, необходимые для интеграции двумерных материалов, легко повреждают критически важный диэлектрик схемы считывания. Опора на ручные методы переноса также приводит к низкому выходу готовых изделий. Кроме того, по мере возрастания сложности задач компьютерного зрения аналоговая обработка сталкивается с проблемами эффективности, связанными со сверхлинейным ростом энергопотребления. Нахождение баланса между простотой эксплуатации и издержками аналоговой вычислительной архитектуры, одновременно обеспечивая крупномасштабную монолитную интеграцию с отработанными схемами считывания, остаётся ключевым узким местом, ограничивающим практическое применение систем вычислений внутри сенсоров.

Для решения указанных выше задач команда из Пекинского технологического института, Университета Сунь Ят‑сена, Сямэньского университета, Гонконгского университета науки и технологии и других учреждений провела систематические исследования с использованием системы in‑situ‑измерений в ТЭМ компании ZEPTOOLS. Команда разработала фотодиод с переключаемой симметрией на основе материала AgBiS₂. За счёт инициирования локализованных электрохимических реакций ионов серебра посредством напряжённостного программирования им удалось добиться обратимого переключения симметрии устройства, что обеспечивает двуполярные характеристики фоточувствительности, а также неэнергозависимость и высокий потенциал масштабирования для выполнения непосредственного вычисления фототока непосредственно в самом сенсоре.

Название: Фотодиод с возможностью переконфигурирования симметрии для сенсорных и вычислительных задач
Журнал: Природная электроника
URL: https:// doi.org/10.1038/s41928- 026-01617-0

В данном исследовании впервые предлагается и реализуется фотодиод с переконфигурируемой симметрией на основе материала AgBiS₂, направленный на принципиальное решение фундаментальной физической задачи — обеспечения единичного весового значения при прямом вычислении фототока в устройствах для периферийных вычислений. Исследователи осадили микро‑/наноструктурированные массивы широкополосно поглощающего свет материала AgBiS₂ между металлическими электродами с высоким значением работы выхода, формируя симметричные шоттки‑соединения «спина к спине». В ненапряжённом состоянии эта симметричная структура эффективно подавляет тёмный ток. При приложении определённого управляющего напряжения происходит локализованное электрохимическое восстановление ионов серебра в материале, что снижает шоттки‑барьер с одной стороны и тем самым нарушает исходную симметрию. Этот физический процесс придаёт устройству возможность свободного переключения между положительным и отрицательным фототоком короткого замыкания, обеспечивая истинно биполярные, энергонезависимые оптоэлектронные весовые коэффициенты для нейроморфных систем зрения и преодолевая ограничения сложных традиционных архитектур устройств.

Для окончательной проверки микроскопического физического происхождения описанной выше реконфигурации симметрии исследовательская группа провела глубокую динамическую характеристику на наноуровне с использованием in‑situ электронной микроскопии. В экспериментах на просвечивающем электронном микроскопе, направленных на наблюдение миграции катионов, учёные специально внедрили in‑situ образцовый держатель ZEPTOOLS, обеспечив стабильную стимуляцию электрическими сигналами в реальном времени и точную электрическую испытательную среду для микроскопических образцов чипов. Благодаря точному управлению и сбору данных, реализованным этим in‑situ держателем образцов, в работе удалось не только чётко зафиксировать весь процесс in‑situ формирования и аннигиляции микроскопических Ag‑нитей под действием напряжения, но и строго подтвердить, что решётка AgBiS₂ сохраняет высокую структурную целостность и химическую стабильность после множества полных циклов смены полярности. Этот подход к характеристике, сочетающий высокое пространственное разрешение с возможностью реального‑временного электрического манипулирования, предоставляет неоспоримые экспериментальные доказательства базового механизма работы биполярных оптоэлектронных синаптических весов.

Преодоление производственного барьера, связанного с масштабированием от одного устройства до массивного чипа, является ключевым прорывом данного исследования в области технологий интеграции полупроводниковых устройств. Высокотемпературные условия роста традиционных нейроморфных оптоэлектронных материалов часто оказываются несовместимыми с существующими зрелыми кремниевыми процессами. Напротив, материал AgBiS₂, использованный в настоящей работе, обладает исключительным свойством — возможностью низкотемпературной обработки при температурах ниже 200 °C и полностью поддерживает высокоточную литографическую структуризацию на микрометровом масштабе. Воспользовавшись этим производственным преимуществом, исследовательская группа успешно осуществила безразрушительную монолитную интеграцию тысяч пикселей‑фотодиодов с транзисторными схемами считывания на тонкоплёночной основе, создав высокоразрешённый датчик изображения широкого спектрального диапазона. Полученный интегрированный массив демонстрирует крайне низкий пространственный перекрёстный помех и высокую электрическую однородность элементов, полностью совместим с типовыми платформами микроэлектронного производства. Это открывает путь к масштабируемому производству смарт‑визионных чипов следующего поколения с мегапиксельной разрешающей способностью и встроенной вычислительной функцией, ориентированных на промышленное массовое производство.

На основе разработанного новейшего чипа изображения исследовательская группа успешно продемонстрировала дву‑режимную интеллектуальную систему машинного зрения, управляемую по краям. В симметричном режиме, предназначенном для неразрушающего сбора информации, массивный сенсор благодаря своей выдающейся способности к широкоспектральному отклику успешно справлялся с задачами инфракрасной сквозной визуализации в условиях сложных препятствий и заслонов. В асимметричном режиме, ориентированном на вычисления в фокусе, сенсор использовал встроенные конфигурируемые энергонезависимые фотопроводящие весовые коэффициенты, позволяя непосредственно выполнять оптоэлектронные свёрточные операции — такие как извлечение признаков, детекция границ и параллельное распознавание образов — на уровне приёма оптического сигнала. Далее исследовательская команда глубоко интегрировала эту аппаратную архитектуру вычислений непосредственно в сенсоре с системами управления дронами и роботизированными манипуляторами, создав гибридную свёрточную нейронную сеть, которая реализовала приложение взаимодействия человека и машины для отслеживания взгляда с чрезвычайно высокой точностью распознавания и сверхнизкой задержкой порядка наносекунд, полностью продемонстрировав огромный потенциал данной технологии в терминалах AIoT (Искусственный интеллект вещей).

Компания ZEPTOOLS, являясь ведущим производителем высокоточных приборов, базирующимся в Китае, является одним из ведущих поставщиков решений для in‑situ‑характеризации с использованием электронной микроскопии. Серия продуктов PicoFemto для in‑situ‑характеризации на основе просвечивающей электронной микроскопии неоднократно обеспечивала техническую поддержку ключевых научных достижений пользователей как в Китае, так и за рубежом. На приведённом ниже рисунке показано устройство‑держатель образца для просвечивающей электронной микроскопии in‑situ компании ZEPTOOLS, применённое в рамках данного научного достижения: