综述：面向存内感知与计算的红外探测器
2025-12-06 16:12:52 来源：麦姆斯咨询 评论：0 点击：
该综述重点关注了近些年红外ISC器件的研究成果。研究团队首先介绍了ISC器件的工作原理和性能指标，然后讨论了具有红外波段响应的晶体管和忆阻器型器件，最后对该领域的发展进行了展望。
存内感知与计算（ISC）器件集成了传感器、存储器和处理器的功能，具有低功耗、高带宽和零延迟等优势，特别适合模拟生物神经网络中的突触行为。随着数字化转型步伐加快，对高效信息处理技术的需求日益增长，存内感知与计算器件在人工智能（AI）、机器学习和边缘计算领域展现出巨大潜力。近年，随着红外探测器技术的不断进步，红外ISC器件也迎来了新的发展机遇。
据麦姆斯咨询介绍，北京理工大学研究团队在Photonics期刊发表了一篇题为“Advances in Infrared Detectors for In-Memory Sensing and Computing”的综述性文章。该综述重点关注了近些年红外ISC器件的研究成果。研究团队首先介绍了ISC器件的工作原理和性能指标，然后讨论了具有红外波段响应的晶体管和忆阻器型器件，最后对该领域的发展进行了展望。该综述为该领域未来的进一步研究提供了重要参考，旨在推动红外ISC器件的持续发展与创新。
面向存内感知与计算（ISC）的红外探测器进展及应用
1 ISC器件的工作原理及性能指标
存内感知与计算（ISC）器件的功能类似于生物神经网络中神经元和突触的工作原理，尤其是它们高效处理信息的方式。在人脑中，神经元通过突触连接形成复杂的网络，能够执行学习、记忆和计算等任务。这些过程具有高度的并行性且能效极高。在神经形态计算中，人工突触器件通过特定的电子或光电子特性模拟生物突触中的信号传输过程，主要由两类组件构成：两端忆阻器和三端晶体管。这两种结构具有不同的工作机制和特性。
可塑性、保留特性、开关比、耐久性、能耗和线性度是评估突触电子器件性能的重要指标。这些参数共同决定了器件在实际应用中的可靠性和有效性，为设计高性能神经形态计算系统奠定了基础。
2 红外ISC器件的发展
本章节聚焦了具有红外波段响应的ISC器件，按核心结构分为“光电晶体管”与“光电忆阻器”，研究团队结合最新研究案例阐述了相关领域的技术突破。
2.1 用于存储和计算的光电晶体管
2.1.1 异质结晶体管
异质结晶体管利用不同材料之间的异质结结构来实现光电响应和存储功能。这些晶体管通常由两种或多种材料组成。在光照条件下，会产生光生电子-空穴对，并在异质结处分离，从而改变材料的导电性。这种结构不仅能实现高效的光电转换，还能通过调节光照强度和时长来控制器件的导电状态，实现存储和计算功能。
（a）多波长光电子突触示意图，（b）3D石墨烯/MoS₂异质结场效应晶体管示意图。
过渡金属二硫族化合物（TMDs）MX₂（其中M=钼、钨；X=硫、硒）凭借其在红外探测方面的优异性能而备受关注。这些材料的带隙范围约为1.4 eV至2.0 eV，覆盖了可见光到近红外（NIR）区域，这对红外探测至关重要。过渡金属二硫族化合物还表现出强烈的激子效应，激子结合能可达数十meV，这提高了它们在红外波段的光吸收和发射效率。此外，过渡金属二硫族化合物的带隙可以通过应变工程进行调节。实验表明，1%的应变可导致约300 meV的带隙变化。这种应变敏感性为调节探测器的光谱响应提供了有效手段。因此，过渡金属二硫族化合物因其可调节的带隙、强激子效应和应变可控性，在红外探测应用中显示出巨大潜力。
2.1.2 浮栅晶体管
浮栅晶体管利用浮栅结构实现非易失性存储功能。这些晶体管通过在栅极下方嵌入隔离的浮栅层来存储电荷。当施加外部电压时，电子可以从源极注入浮栅层，并被隔离层捕获，从而改变沟道的导电性。例如，基于BP/Al₂O₃/WSe₂/h-BN结构的浮栅晶体管在光照下会产生非易失性光电流，实现存储功能。浮栅晶体管即使在断电后也能保留状态信息，使其成为低功耗存储应用的理想选择。
（a）使用光脉冲编程BP-PPT工作原理示意图，（b）可重构BP光电二极管的显微镜照片，（c）由MoS₂（沟道材料）、h-BN（隧穿层）、石墨烯（浮栅层）组成的存储结构（左半部分），以及由BP/MoS₂异质结形成的光探测结构（右半部分）共同构成了一种非易失性传感器内计算器件，（d）不同电导状态下的电导配置和光响应实时测试。
2.2 用于存储和计算的光电忆阻器
2.2.1 光子-电子耦合光电忆阻器
光子-电子耦合光电忆阻器的基本结构包括两个或多个电极以及一个光敏活性材料层。当器件受到光照时，光子能量会激发活性材料中的电子，产生电子-空穴对。这些载流子的迁移会改变材料的导电性，进而影响忆阻器的电阻状态。在一些基于氧化物半导体的光电忆阻器中，光照会导致氧空位的电离和去电离，这一过程类似于生物神经突触中的长时程增强（LTP）和长时程抑制（LTD），为模拟复杂的神经网络行为提供了可能。除了电离和去电离过程，光电忆阻器中的缺陷陷阱能够捕获和释放光生载流子，这一机制对于实现短时程增强和长时程增强至关重要。此外，通过构建异质结（如p-n结或II型异质结），可以在界面处形成势阱，有效抑制光生载流子的复合，从而在光刺激后保持更持久的导电性变化，进一步模拟神经突触的动态行为。
（a）异质结构的能带排列，（b）980 nm近红外光照下的SET过程，（c）不同衬底上MoS₂能带图，（d）具有背靠背连接的金属-半导体肖特基二极管的MSM器件结构示意图。
2.2.2 导电丝型忆阻器
导电丝型忆阻器的核心工作原理是通过在电极之间形成导电丝来存储数据。这种忆阻器由两个电极和中间的存储介质层组成，存储介质层通常由金属氧化物或硫化物等电化学活性材料构成。在未编程状态下，忆阻器呈现高电阻状态，代表“0”；而在编程状态下，通过施加高电压促使材料内的离子迁移，并在电极之间形成一条被称为导电丝的导电路径，此时电阻降低，代表“1”。
导电丝的形成类似于电化学金属化过程：当施加足够高的电压时，电场会驱动离子迁移，这些离子在电极之间聚集，形成导电通路。通过改变电压和电流可以精确控制这一过程，从而调节忆阻器的电阻状态，并实现多级存储。要擦除存储的数据（即恢复到高阻态），可以施加较低的电压或短暂的电流脉冲，使导电丝断裂。
（a）TaOx基忆阻器的10次重复增强/抑制循环，（b）MoSe₂/Bi₂Se₃异质结构中光生激子取向示意图，（c）人工神经元在输入脉冲下的响应，（d）1P-1R单元器件示意图，（e）Ag/Ti₃C₂/FTO器件的典型循环I-V特性曲线。
导电丝型忆阻器的非易失性特征意味着即使断电后，它们也能保持其电阻状态，这对数据保留至关重要。此外，这种类型的忆阻器结构简单、功耗低、运行速度快且具有良好的可扩展性，使其成为神经形态计算系统等应用的理想选择。
3 红外神经网络
在基于两端忆阻器和三端晶体管的红外人工突触研究基础上，已有研究利用光电子神经形态器件进一步集成了传感、存储和信息处理功能，以模拟生物视觉系统。与可见光视觉系统通过波长信息感知和识别颜色相对应，红外光视觉系统可被开发用于识别温度信息，这能作为区分物体的依据。手势识别作为人机交互领域的一项关键技术，近年来得到了广泛的研究与应用。通过将红外探测信号与运动检测设备或图像识别系统相结合，能够实现对物体运动信息的高效检测。
（a）利用忆阻器进行近红外传感的RC系统概念图，（b）三个动态手势的储备池状态，（c）从左到右，分别是第一次光刺激、第五次光刺激以及第五次光刺激后2秒的输入图像。
此外，通过利用忆阻器模拟神经元的记忆功能，人工视觉系统能够实现对检测图像的长期或短期记忆。此类红外感知系统填补了夜间图像采集和记忆功能方面的空白，使夜间物体的特征信息能够得到良好的记忆和处理。
4 结论与展望
总结来说，目前的研究正沿着多波段响应、材料创新、神经形态计算和集成兼容性的方向推进ISC器件的开发。这些研究不仅拓宽了器件的应用范围，还提高了性能，使其更符合实际需求。该综述列表总结了本文提到的高性能红外ISC器件，突出了该领域取得的进展。
此外，这类器件越来越多的被设计为能够响应从紫外到近红外乃至中红外波段的光信号。这种多波段响应能力的提升表明，研究人员正努力拓展这些器件的适用性，以满足更广泛的实际应用需求。研究人员还在不断探索新的材料体系。二硫化钼（MoS₂）、三硒化二铟（In₂Se₃）和黑磷等二维材料因其独特的物理性质已成为研究热点。这些材料在显著提高光电转换效率的同时，还展现出优异的机械柔韧性以及与其他材料的兼容性。为了实现器件的小型化和集成化，研究人员在设计阶段就会考虑与现有制造工艺的兼容性。
然而，当前的研究仍存在一些局限性。例如，许多在可见光波段表现优异的经典神经形态器件结构尚未应用于红外波段，如光子-离子耦合、相变、铁电忆阻器或晶体管。研究人员可以尝试利用光信号来控制离子的迁移、材料不同相（如晶态和非晶态）之间的转变，或铁电材料的极化状态，以构建具有红外响应的光电突触器件。如果能将这些工作机制引入红外波段器件并优化其性能，或许会带来新的技术突破。
此外，现有研究主要集中在广谱响应器件上，对中波红外等特定波段的探索不足。碲烯（Te）等材料在宽光谱范围内表现出高光电流密度，但像碲化汞这类具有良好红外波段响应的材料，在ISC器件中仍需进一步探索。
另一方面，现有研究通常通过特定的应用场景和简单的神经网络来评估器件的学习或计算性能。然而，这些测试场景很少考虑红外探测的实际应用需求，例如夜视、遥感监测、医疗诊断和工业检测等。只有少数研究提供了针对红外波段应用的模拟，如夜间船舶停靠、手势识别或静脉检测等。因此，设计符合红外探测特点的专用测试平台和应用场景，将是未来研究的必要内容。这将有助于更好地评估ISC器件在红外探测中的实际性能和适用性，从而推动其实际应用。
总体而言，尽管在多波段响应、材料创新、神经形态计算以及集成兼容性方面已取得显著进展，但要实现红外波段ISC器件的广泛应用，仍需克服上述局限性。通过借鉴经典神经形态器件的工作机制，深入研究适用于中波红外波段的新材料，并设计符合实际需求的应用场景，有望推动该领域取得进一步发展，进而在ISC器件的红外探测领域应用中实现重大突破。
论文链接：https://doi.org/10.3390/photonics11121138
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