隨著機器視覺技術在無人機、智能車輛和移動機器人等領域的快速發(fā)展，實時成像系統(tǒng)對硬件性能提出了更高要求，尤其是高分辨率、快速響應和寬動態(tài)范圍成像能力。傳統(tǒng)硅基圖像傳感器雖已成熟，但其動態(tài)范圍（60-70 dB）遠低于自然場景的280 dB光照跨度，導致在極端明暗場景中丟失細節(jié)。例如，在隧道出口等強光與暗光交界處，傳統(tǒng)傳感器難以同時保留高亮區(qū)域和陰影區(qū)域的細節(jié)。為解決這一問題，研究者借鑒人類視網(wǎng)膜中視桿和視錐細胞的互補機制：視錐細胞在強光下提供高分辨快速響應，而視桿細胞在弱光下通過高靈敏度捕獲信號。這種生物視覺的動態(tài)適應機制激發(fā)了新型光電探測器的設計，通過結合不同工作模式擴展器件的光強感知范圍。

但現(xiàn)有硅基圖像傳感器受限于單一光電轉換機制，動態(tài)范圍提升技術依賴復雜電路設計，易引入運動偽影且集成難度高。二維材料雖展現(xiàn)出寬動態(tài)響應潛力，但普遍存在表面陷阱導致的響應速度慢或與硅基工藝兼容性不足的問題。此外，傳統(tǒng)光電二極管缺乏內(nèi)部增益，弱光下信噪比低，而光電導器件雖具備增益但動態(tài)范圍受限且暗電流較高。如何實現(xiàn)兼具寬動態(tài)范圍、快速響應且與硅工藝兼容的器件，成為突破現(xiàn)有成像技術瓶頸的關鍵挑戰(zhàn)。

針對上述問題，電子科技大學相關研究團隊利用了澤攸科技的DMD無掩膜光刻機進行了深入研究，他們提出了一種基于SOI與石墨烯異質(zhì)結的雙模光電探測器，通過設計光電二極管與光電導體的雙工作模式動態(tài)切換機制，結合柵極調(diào)控降低暗電流，實現(xiàn)了170 dB的超寬動態(tài)范圍與5 ns/4 μs的快速響應，同時兼容硅基工藝，為機器視覺系統(tǒng)提供了仿視網(wǎng)膜的新型光電器件解決方案。相關成果以“Dual-Mode Photodetectors Mimicking Retinal Rod and Cone Cells for High Dynamic Range Image Sensor”發(fā)表在《Laser & Photonics Reviews》期刊上，原文鏈接：https://doi.org/10.1002/lpor.202402192

該研究基于仿生學原理，提出了一種新型雙模光電探測器，通過模擬人眼視網(wǎng)膜視桿與視錐細胞的動態(tài)互補機制，實現(xiàn)了寬動態(tài)范圍與快速響應的統(tǒng)一。研究團隊采用SOI與石墨烯異質(zhì)結結構，在反向偏壓下器件以光電二極管模式工作（類似視錐細胞的強光響應），利用異質(zhì)結耗盡區(qū)的載流子快速分離實現(xiàn)高線性度光電流輸出；而在正向偏壓下切換為光電導體模式（模擬視桿細胞的弱光敏感特性），通過柵極調(diào)控降低硅層載流子濃度，抑制暗電流并引入內(nèi)部增益，顯著提升弱光下的信噪比。雙模動態(tài)切換機制使器件光強感知范圍擴展至170 dB，覆蓋10^-5至10^2 mW/cm2的極端光照場景。

圖 人類視覺機制的原理圖和視網(wǎng)膜桿狀/錐狀雙模光電探測器的設計

在光電轉換機理層面，研究揭示了異質(zhì)結與柵極調(diào)控的協(xié)同效應。反向偏壓時，石墨烯/Si界面形成的肖特基勢壘促使光生載流子在耗盡區(qū)內(nèi)分離，產(chǎn)生無增益但高穩(wěn)定性的光電流；正向偏壓下，外部電場主導載流子輸運，柵極負壓調(diào)制硅層費米能級形成局部勢壘，抑制多數(shù)載流子導通，使微弱光信號觸發(fā)的少數(shù)載流子遷移產(chǎn)生放大效應。通過光電流成像技術驗證了兩種模式的空間響應區(qū)域差異：光電二極管模式集中于異質(zhì)結界面的局域敏感區(qū)，而光電導體模式則激活硅層整體導電通道，形成互補的光電活性區(qū)域。

圖 噪聲等效功率、光電流映射和能帶圖

圖 雙模光電探測器的光檢測性能

器件性能測試表明，該探測器在405-638 nm可見光波段展現(xiàn)出寬譜響應特性。光電二極管模式在強光下具有140 dB線性動態(tài)范圍（LDR），響應度穩(wěn)定在0.3 A/W；光電導體模式在弱光區(qū)響應度高達160 A/W，結合柵壓調(diào)控將噪聲等效功率（NEP）降至6 pW。雙模式融合后整體動態(tài)范圍達170 dB，接近人眼適應范圍（約180 dB）。特別值得注意的是，器件在兩種模式下的響應速度分別達到5 ns（光電二極管）和4 μs（光電導體），突破了傳統(tǒng)二維材料探測器秒級遲滯的瓶頸，這歸因于SOI基底的超薄硅層（100 nm）有效縮短載流子擴散路徑，以及異質(zhì)結界面快速的電荷轉移特性。

圖 器件在405 nm處的動態(tài)響應

 圖 雙模光電探測器在單像素成像和圖像融合中的應用

研究進一步通過單像素成像實驗驗證了仿視網(wǎng)膜成像的可行性。在模擬隧道出口的極端光強分布場景中，光電二極管模式捕獲強光區(qū)域細節(jié)，光電導體模式提取暗區(qū)信息，通過均值濾波算法融合雙模圖像，成功重建出動態(tài)范圍超越傳統(tǒng)CMOS傳感器的高保真圖像。該工作不僅為硅基HDR圖像傳感器提供了一種無需復雜電路的新型器件架構，也為仿生光電系統(tǒng)的設計開辟了跨尺度異質(zhì)集成的新路徑，有望推動機器視覺在自動駕駛、無人機等領域的應用突破。

澤攸科技桌面級無掩膜光刻機，專為高效、精準的微納加工需求設計。該設備采用高功率、高均勻度的LED光源，并結合先進的DLP技術，實現(xiàn)了黃光或綠光引導曝光功能，做到“所見即所得”，極大提升了操作便捷性和工藝可控性。其獨特的光路結構和高精度直線電機位移臺確保了曝光精度和重復定位能力，同時配備CCD相機逐場自動對焦系統(tǒng)，進一步優(yōu)化了成像質(zhì)量和工藝穩(wěn)定性。設備支持電動物鏡切換和激光主動對焦功能，能夠靈活應對不同應用場景的需求。其緊湊的桌面小型化設計不僅節(jié)省空間，還便于在實驗室或生產(chǎn)環(huán)境中部署。

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