基于锗的可见-红外双极性浮栅光电晶体管在广谱视网膜仿生与图像处理中的突破

本刊推荐：本研究创新性地构建了一种基于锗（Ge）和二硒化钨（WSe2）的浮栅光电晶体管（FG-CSPT），成功模拟了视网膜双极细胞（Bipolar Cells）的广谱（Vis-NIR）光响应功能。该器件通过脉冲栅压调控实现非易失性电荷存储，形成反向肖特基势垒，在可见光与近红外光下均表现出显著的双极性光电响应（ON/OFF响应）。其独特的感算一体能力为车辆视觉系统和卷积神经网络（CNN）图像处理提供了低功耗、高性能的仿生解决方案，显著推进了人工视网膜芯片的发展。

　　

引言

视觉是人类感知环境和获取信息的重要途径，在环境监测、智能家居和自动驾驶等领域具有关键作用。传统图像传感系统虽然成熟，但由于其复杂的信号转换与处理流程，常面临延迟高、功耗大的问题。人工仿生视网膜系统通过模拟生物视网膜中神经细胞的组织方式，在接收和传输视觉信号的同时进行初步预处理，从而显著提升数据处理效率。

在视网膜中，双极细胞作为连接上下游神经回路的关键中间神经元，负责将视觉信号分流为ON和OFF通路，对视觉信息的编码与传递起到核心作用。近年来，基于二维材料的光电传感器因其优异的电子与光学特性，成为仿生视网膜系统的研究热点。其中，二硒化钨（WSe₂）因其卓越的光电性能和固有的双极性特性，被广泛用于光电探测器与复合结构的构建。然而，现有器件大多无法在同一波长下实现双极性光响应，且多数依赖恒定栅压调控，导致能耗较高。因此，开发一种能够对同一光信号实现低功耗双极性响应的光电探测器，仍是一项重要挑战。

器件结构与电学性能

本研究提出了一种基于锗（Ge）衬底的WSe₂浮栅复合结构光电晶体管（FG-CSPT），其结构由下至上依次为p型Ge衬底、二氧化硅（SiO₂）介质层、多层石墨烯（MLG）浮栅、六方氮化硼（hBN）隧穿层以及WSe₂沟道层，源漏电极同样采用MLG材料构成。通过施加不同极性的底部栅压脉冲，载流子可隧穿hBN层并被非易失地存储于浮栅中，从而实现对WSe₂沟道导电类型的静电调控。

电学测试表明，该器件在±30V栅压扫描范围内展现出高达37.8V的记忆窗口，开关比达到10⁶量级，且在连续2000秒的测试中表现出良好的电流保持特性。输出特性曲线显示出优异的对称性，说明器件具备良好的双极性导电行为。当施加?30V脉冲时，空穴注入浮栅，WSe₂呈现n型行为；而施加+30V脉冲时，电子注入浮栅，WSe₂表现为p型特性。这一可编程的电学行为为后续的光电双极性响应奠定了基础。

光电响应与双极性机制

在532 nm可见光和1550 nm近红外光照射下，该光电晶体管均表现出显著的光伏效应与双极性光响应。在V_DS = 0.01V的微小偏压下，器件在?30V和+30V栅压脉冲调制下分别呈现负光电响应（类似OFF双极细胞）和正光电响应（类似ON双极细胞）。其响应度在532 nm光照下达?2.98 A/W和1.30 A/W，在1550 nm下分别为?1.08 mA/W和0.57 mA/W。

可见光波段的双极性响应机制主要归因于MLG与WSe₂之间形成的肖特基势垒及其在光照射下的载流子分离行为。在负栅压脉冲调制下，WSe₂呈n型，肖特基势垒较高，光生电子受阻而空穴输运占主导，产生负光电流；正栅压脉冲下，WSe₂呈p型，势垒较低，光生空穴受阻而电子输运占主导，形成正光电流。

近红外波段的响应则主要依赖于锗衬底的窄带隙特性与光门控效应。1550 nm光被Ge吸收产生电子-空穴对，其中电子被Ge/SiO₂界面陷阱捕获或因功函数差引起的能带弯曲而积累，产生光门控效应，调制沟道电导。同时，MLG对红外光的光热离子效应也促进了光生载流子越过肖特基势垒，进一步增强了双极性光响应。

仿生应用与图像处理

该器件成功模拟了生物视网膜中ON/OFF双极细胞在广谱光照下的响应行为。通过切换栅压脉冲极性，可在同一器件上实现ON和OFF两种光电响应模式，不仅复现了视网膜信号分流的生物学功能，还拓展到了近红外波段。

在应用方面，该光电晶体管具备可见-近红外双波段探测能力，可适用于车载成像系统在白天与夜晚不同环境下的视觉感知需求。更突出的是，凭借其双极性权重特性，该器件可被用于卷积神经网络（CNN）中的图像处理任务。通过设计3×3卷积核，利用器件产生的正负光电流作为权重参数，实现了图像锐化处理，显著提升了图像清晰度与特征可辨识度，展现出感算一体架构在未来的视觉仿生芯片中的巨大潜力。

结论

本研究通过设计并制备了一种锗基WSe₂/hBN/MLG浮栅光电晶体管，成功实现了可见光-近红外广谱范围内的双极性光响应，突破了传统光电探测器在波长与功能上的限制。该器件不仅模拟了视网膜双极细胞的生物功能，还展示了在图像感知与预处理方面的应用潜力，为开发低功耗、高集成度的视觉仿生芯片提供了新思路与技术路径。

实验方法

器件制备在p型Ge衬底上进行，首先利用PECVD沉积300 nm厚SiO₂层，经光刻与反应离子蚀刻形成栅接触窗口，再通过电子束蒸发制作Ni/Au电极。MLG、hBN和WSe₂通过机械剥离及干法转移技术逐层堆叠组装完成。电学与光电测试使用Keithley 4200A-SCS半导体参数分析仪完成，光源为532 nm与1550 nm激光通过光纤耦合照射。材料厚度通过原子力显微镜（AFM）测定，拉曼光谱使用WITec α300R共聚焦拉曼系统表征。