高灵敏视觉器件能够高精度地采集复杂暗光场景信息，通过感内计算完成自主目标识别（图1a），在智能驾驶、机器人和工业自动化等领域具有广泛的应用前景。视觉感内计算依赖有效的光-电调控，往往需要较薄的光电功能层。然而，较薄的光电功能层因其吸光能力弱，导致器件光响应度低。此外，热载流子超快弛豫造成了近30%的光电转换效率损失。近来，卤化物钙钛矿因其本征缓慢的热载流子冷却速率，被视为提升热载流子光电转换性能的潜力材料之一。但是，目前的研究仍然集中在钙钛矿材料层面，尚未在器件层面取得实质性进展。
针对这些关键问题，北京大学集成电路学院/集成电路高精尖创新中心黄如院士-贺明研究员团队结合理论计算与实验表征，首次揭示了卤化物钙钛矿三碘合铅酸甲铵（MAPbI3）和新型电子-离子氧化物半导体Bi2O2Se能级动量守恒；通过飞秒瞬态吸收光谱，成功追踪了MAPbI3/Bi2O2Se异质结界面能级动量守恒增强的光生热电子输运动力学，实现了高灵敏、宽光谱、正负双极型光电响应；在此基础上，设计构建了高灵敏视觉感内预处理器件阵列，能够在月光环境（0.1 μW/cm2）展现出优异的视觉识别能力，显著提升了视觉器件全天候复杂环境下应用能力。
图1. （a）生物视觉感知机制；（b）MAPbI3与Bi2O2Se能级动量守恒。
首先，研究团队通过第一性原理计算，解析了卤化物钙钛矿MAPbI3与Bi2O2Se的电子能级结构，发现MAPbI3的导带底和价带顶与Bi2O2Se的导带底都位于布里渊区的 Γ 点，揭示了二者之间的能级动量守恒特性（图1b-e）；进而，合成了高质量的MAPbI3/Bi2O2Se薄膜异质结，利用变温光致发光谱扫描，验证了光生热电子能够直接从MAPbI3跃迁至Bi2O2Se，极大地提高了光生热电子输运；最后，利用飞秒瞬态吸收光谱，成功追踪了光生热电子在异质结界面的输运动力学，深入解析其物理机制 （图2）。
图2. MAPbI3/Bi2O2Se异质结能级动量守恒增强的光生热载流子输运动力学。
在此基础上，研究团队设计构建了可重构的MAPbI3/Bi2O2Se异质结光电晶体管型视觉器件，利用能级动量守恒增强的光生热电子输运，实现了高灵敏、宽光谱的正负双极光电响应，其中，正负双极型光响应度达到±107 A/W，比探测率达到 5.2×1011 Jones ，动态范围达到 110 dB，处于国际领先水平；进一步，制备了异质结晶体管阵列，在亮度低至 0.1 μW/cm2 的月光环境下，仍然能够有效执行高斯、拉普拉斯和逆算子等光电感内卷积运算，完成弱光图像传感与预处理（图3a）；最后，异质结晶体管阵列与 YOLOv4 神经网络结合，对比不同光响应度阵列在弱光条件下的图像感知识别能力，表明高灵敏度MAPbI3/Bi2O2Se异质结具有强抗噪能力，能够在更短训练周期内实现更高的弱光目标识别准确度，为推动高灵敏视觉系统及其应用提供了有效可行的方案（图3b）。
图3. MAPbI3/Bi2O2Se异质结仿生视觉晶体管阵列用于弱光环境下图像预处理。
相关研究成果以“Ultrasensitive Dim-Light Neuromorphic Vision Sensing via Momentum Conserved Reconfigurable van der Waals Heterostructure”为题，发表在《自然-通讯》（ Nature Communications , 2024, 15 , 9011）。北京大学集成电路学院2019级博士生许蕾和2021级博士生刘鋆灵为共同第一作者，贺明研究员为通讯作者。研究工作得到了国家高层次人才特殊支持计划、国家自然科学基金后摩尔重大研究计划、科技部重点研发计划、高等学校学科创新引智计划等项目的资助，同时得到了微纳电子器件与集成技术全国重点实验室、集成电路高精尖创新中心、国家集成电路产教融合创新平台等基地平台支持。
论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-53268-4
