NbS3/WSe2异质结中具有双线性特性的栅极可调极性可重构光伏响应用于传感器内图像处理

《Advanced Science》：Gate-Tunable Polarity-Reconfigurable Photovoltaic Response With Dual Linearity in NbS3/WSe2 Heterostructures for In-Sensor Image Processing

　　

可重构光电子图像传感器具备传感器内计算能力，有望实现节能的边缘视觉感知。自供电光伏工作方式进一步降低了图像传感与处理的功耗需求。然而，要实现同时具备可逆极性与线性权重可编程性的连续栅极可调自供电光伏响应仍然具有挑战性。在此，研究人员展示了一种基于NbS₃/WSe₂范德华（van der Waals）异质结的栅极可调光伏探测器。得益于WSe₂的双极输运特性以及两种组成材料不同的静电响应，栅极电压连续调制界面能带排列，并可逆切换异质界面处的内建电场。因此，该器件表现出栅控的正、负光伏响应。短路光电流（I_sc）与入射功率密度呈线性关系，而短路光响应度（R_sc）在宽编程窗口内随栅极电压线性变化。这种双线性特性使光响应度可作为可编程模拟权重用于传感器内卷积。作为概念验证，研究人员实现了多种图像卷积核用于传感器内图像处理，实验获得的输出与算法模拟结果高度一致。这项工作为边缘计算提供了一种有前景的、可重构且节能的视觉传感器器件级构建单元。

**论文解读**
**1 引言与背景**
边缘计算与物联网的快速发展对低功耗、实时智能视觉系统提出了迫切需求。传统冯·诺依曼架构中，图像传感与数据处理物理分离，导致频繁的数据传输与信号转换，带来显著的能量消耗、延迟和硬件冗余。相比之下，传感器内计算（in-sensor computing）将部分或全部计算任务移至感测前端，使图像采集与预处理在同一硬件平台上完成，从而减少数据搬移和后端处理开销。实现传感器内计算的核心挑战在于开发兼具可靠光电探测能力与可编程响应特性的器件，尤其是需要光响应度（R）在正负值范围内实现线性且可逆的调制，以便在硬件层面模拟神经网络的权重。栅极电压调控因与标准半导体工艺兼容且能提供精确的电学可编程性而备受关注，但传统半导体光电探测器受固定能带和掺杂分布限制，无法动态重构内建电场和光电流方向。二维（2D）范德华异质结提供了可重构光电器件的理想平台，通过栅极偏置调制费米能级可连续调节界面能带排列，从而实现光电流极性的可逆切换。然而，仅实现极性切换不足以满足高精度传感器内计算，光响应度还必须在宽栅压范围内线性变化，方能精确且可预测地编程权重。已有研究采用了栅控异质结、非易失性神经形态光伏器件等实现可重构视觉处理，但仍缺乏同时具备连续栅极可调、正负极性和线性权重的自供电光伏响应方案。为此，研究人员基于NbS₃/WSe₂范德华异质结，利用WSe₂的强栅压依赖双极输运和NbS₃的相对静电不敏感性，实现了极性可重构且具有双线性特性的光伏探测器，用于传感器内图像处理。
**2 研究人员开展的研究与总体结论**
研究人员设计并制备了NbS₃/WSe₂范德华异质结器件，其中WSe₂作为强栅压依赖的双极半导体，NbS₃在测定的栅压范围内保持n型输运。通过静电调控，栅极电压可连续调整两种材料的费米能级相对位置，进而反转界面内建电场，使器件在正、负光伏响应之间可逆转换。光电表征表明，短路光电流（I_sc）与入射功率密度呈线性关系（α≈1），同时短路光响应度（R_sc）在45 V栅压窗口内随栅极电压变化呈近似线性（拟合R²≥0.982）。这种双线性特性使R_sc能够直接作为可编程模拟权重用于卷积运算。作为概念验证，研究人员利用单个器件顺序实现了3×3卷积核，完成了锐化、Sobel、边缘提取和浮雕等多种图像处理功能，实验结果与算法模拟吻合良好。该工作为可重构、节能的视觉传感器提供了器件级构建单元，有望推动边缘计算应用。
**3 主要关键技术方法**
研究人员采用机械剥离和干法转移技术制备异质结，所用WSe₂单晶购自HQ Graphene，NbS₃单晶依据先前工作生长。器件以高掺杂p型硅（300 nm热氧化层）为衬底，使用石墨烯作为接触电极。表征手段包括拉曼光谱（532 nm激发）验证晶体质量与异质结形成；原子力显微镜（AFM）和开尔文探针力显微镜（KPFM）测量表面电势与能带排列；电学及光电特性通过高真空探针台和半导体参数分析仪测量；光电流映射用于定位响应区域；时域响应通过放大器与示波器记录；光源采用超连续谱白光激光器配合单色仪，并用功率计校准。
**4 研究结果**
**4.1 极性可重构的物理机制**
研究首先通过理论示意图说明了材料选择原则：一种材料具有强栅压敏感的费米能级，另一种相对不敏感，足够大的栅压可反转两者的相对能级排列，从而改变界面能带弯曲和内建电场方向。负栅压下，WSe₂呈空穴主导，NbS₃为n型，内建电场方向从NbS₃指向WSe₂，产生负光伏电流；正栅压下则相反，产生正光伏电流。Figure 1对比了理想的线性响应与非线性的典型响应，强调线性映射对于精确权重编程的重要性。
**4.2 器件表征与栅控整流**
Figure 2a展示了NbS₃/WSe₂异质结器件结构。电学测量显示，输出曲线表现出典型的二极管特性，且整流方向可随栅压反转。整流比（|I_ds(+3 V)|/|I_ds(?3 V)|）从小于1变为大于1，证实栅压可连续调节界面能带和内建电场。KPFM测量显示WSe₂的费米能级比NbS₃高约96 meV，结合能带示意图阐明了正负光伏响应对应的能带排列状态。
**4.3 正负光伏响应与线性功率依赖**
在810 nm、532 nm和450 nm光照下，器件在V_g=12 V时表现出正I_sc，在V_g=?33 V时表现为负I_sc，极性可通过栅压切换。不同功率密度下的时间分辨光响应显示，正负光电流幅度均随功率密度增大而增加。提取的I_sc与功率密度拟合得到α≈1，说明短路光电流与入射功率近似线性关系，有利于高保真图像信息获取。
**4.4 栅压连续调制的线性光响应度**
Figure 4展示了在宽栅压范围（?33 V至12 V）内，光伏极性可连续翻转，且R_sc与V_g之间呈现近似线性关系。在810、532、450 nm光照下，线性拟合R²分别为0.992、0.987和0.982，表明双线性特性在不同波长下均成立。该45 V的编程窗口可直接设定权重的符号和大小，为卷积操作提供基础。
**4.5 传感器内卷积图像处理演示**
作为概念验证，研究人员利用单个器件顺序采集9个电流分量，按I_sc=ΣP_iR_i实现3×3卷积。将256×256灰度图像转换为入射功率密度映射后，通过编程不同栅压矩阵生成了锐化、水平Sobel、垂直Sobel、边缘提取和浮雕等卷积核。实验输出的图像与标准算法模拟结果一致，验证了利用栅控正负光响应度作为模拟权重的可行性。
**5 讨论与结论**
讨论部分指出，残存的非线性会带来有限的权重误差，但高拟合系数说明在编程范围内偏差有限；可通过校准R_sc-V_g曲线和补偿电压到权重的映射进一步提高精度。未来可通过更薄的高κ介质或局部栅结构减小工作栅压范围，通过光学腔、等离激元结构增强吸收，以及界面钝化和接触工程减少损耗，同时保持线性关系。研究结论总结：研究人员展示了基于NbS₃/WSe₂范德华异质结的栅极可调光伏探测器，实现了可重构双极性响应。静电调控WSe₂费米能级可连续反转界面内建电场，使光电流极性在正负之间切换。光电表征证实I_sc与功率线性、R_sc与栅压线性，双线性特性使R_sc作为可控模拟权重，栅压直接决定权重的符号和大小。利用单器件演示了多种卷积图像处理操作，实验结果与算法模拟吻合。该异质结为单像素内集成感知与计算提供了可行平台，未来器件阵列和片上训练策略有望推动边缘处理器的发展。该成果发表于《Advanced Science》。