【期刊】中国半导体十大研究进展候选推荐（2022-007）——基于二维范德华异质结的宽光谱感算一体器件
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工作简介
华中科技大学材料科学与工程学院翟天佑教授、周兴副教授团队与南京大学缪峰教授团队合作在宽光谱感算一体器件方面取得重要进展，相关研究成果以“基于可调能带匹配异质结的宽光谱卷积计算”（Broadband convolutional processing using band-alignment-tunable heterostructures）为题，于2022年4月25日发表在《自然电子学》（Nature Electronics）期刊上。
宽光谱探测和信息处理在地球遥感、环境监测、无人驾驶等诸多领域有着重要的应用需求。目前的宽光谱信息探测和信息处理分别由不同类型的图像传感器和数字图像处理器完成，感算模块的物理分离导致传统宽光谱机器视觉系统面临着较大功耗和较高时间延迟的问题。感算一体技术被认为是解决上述挑战的有效途径，然而，如何设计出满足上述需求的量子材料，并实现具备宽光谱多信息同步探测和处理功能的新型感算一体器件是一个广受关注的议题。
图1. PdSe2/MoTe2异质结器件在宽光谱范围内展现出栅压可调的正负光伏特性和同步进行宽光谱传感与卷积计算的示意图。
针对上述瓶颈，本工作设计了二维PdSe2/MoTe2双极性范德华异质结，通过电场调控其能带耦合类型，实现了异质结界面电场的可逆翻转，使其在紫外到近红外宽光谱范围内的光响应正负连续可调，打破了传统半导体异质结单极性光响应的物理限制。并基于正负连续可调的光响应在硬件层面实现了宽光谱图像探测和卷积计算的同步进行，突破了传统宽光谱机器视觉系统中感算分离所产生的功耗与时间延迟瓶颈。
基于PdSe2和MoTe2构筑的双极性范德华异质结具有高质量的范德华界面和费米能级易调控的优势，避免了传统半导体异质结的界面能带钉扎效应导致界面电场难以翻转的问题。通过栅压调控异质结能带耦合类型在II型和III型的可逆转变，导致其界面电场可逆翻转，进而实现了光响应的正负连续可调。异质结在负栅压下形成II型能带耦合，光照下形成的漂移电流对应于正向的光伏电流，而在正栅压下则会形成III型能带耦合，较大的隧穿势垒阻止了载流子的漂移，光照下形成的扩散电流对应于负向的光伏电流，使其在紫外（365 nm）-可见（532 nm）-近红外（980 nm）波段均表现出正负可调的光伏响应。此外，该异质结界面由范德华力结合，具有原子级洁净的界面，避免了传统体相半导体异质结由于界面晶格应力和原子扩散导致的缺陷态。因此，PdSe2/MoTe2范德华异质结的光响应度与光功率表现出良好的线性依赖关系，此外，由于双极性PdSe2/MoTe2的费米能级易调控，使其光响应度与栅压之间也表现出明显的线性依赖关系，这种对光功率和栅压的线性依赖关系使得向量与矩阵之间的线性点乘运算能够被准确映射到该物理过程中。因此，利用异质结优异的线性响应特征能够实现图像信息的精确转换、可重构处理以及图像识别训练过程中的权重精准更新。
通过将异质结器件配置成不同的卷积核，合作团队对包含宽光谱信息的遥感图片进行了不同类型的卷积滤波处理（例如：遥感图像的锐化、边缘增强）。进一步，合作团队利用感算一体异质结传感器构建了宽光谱卷积神经网络，实现了对宽光谱图像的精确识别。对于所展示的宽光谱字母图像数据集，其每个像素对应着不同波段以及不同光强的信息，基于器件的宽光谱可重构正负光响应特性，宽光谱感算一体的卷积网络可以对这种混合光强及波段信息的图片同步进行探测与计算，将不同波段的图像特征信息进行关联。结合反向传播训练方法，不断进行动态训练以栅压更新，仅经过3个训练周期后，网络的识别准确率便可接近100%。相比于分立的单光谱卷积处理，一体化的宽光谱卷积处理在对宽光谱图像的识别过程中具有更快的收敛性和更少的数据丢失，显著提高了识别精度与效率。
图2. 基于PdSe2/MoTe2异质结器件实现的宽光谱卷积处理和高精度识别。
该工作设计了新型的二维PdSe2/MoTe2双极性范德华异质结，利用其界面能带耦合类型可调的优势，实现了界面电场的可逆翻转，进一步实现了光响应的极性可调，解决了传统半导体异质结光响应极性无法翻转的关键瓶颈。而这一优异的光电特性可以完美地模拟宽光谱卷积处理过程，在硬件层面实现了同步的图像传感和信息预处理功能。这种感算一体架构为解决传统机器视觉系统中宽光谱信息感算分离的问题，及开发适用于复杂模式识别任务的感算一体全硬件图像识别系统提供了全新的思路。
该研究成果发表在Nature Electronics期刊上。华中科技大学材料科学与工程学院博士生皮乐晶、南京大学物理学院博士生王鹏飞和梁世军副教授为论文共同第一作者，华中科技大学材料科学与工程学院翟天佑教授、周兴副教授与南京大学物理学院缪峰教授为论文的共同通讯作者。该研究成果得到了国家杰出青年科学基金、国家优秀青年科学基金、国家自然科学基金重点项目、国家自然科学基金面上项目、国家重点研发计划等资助。
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作者简介
翟天佑，华中科技大学材料科学与工程学院教授。
长期从事二维光电材料与器件方面的研究，在Nat. Electron. (2)、Nat. Commun. (6)、Adv. Mater. (39)、Adv. Funct. Mater. (52)、JACS (4), Angew. Chem. (12)等期刊上发表SCI论文410余篇，所有论文SCI引用>25000次，H指数84，授权专利28项。入选英国材料、矿物与矿业学会会士（FIMMM，2022年）、英国皇家化学会会士（FRSC，2017年）、科睿唯安全球“高被引科学家”（2015，2018-2021年）、爱思唯尔中国高被引学者（2021年）、国家高层次人才特殊支持计划科技创新领军人才（2019年）、创新人才推进计划中青年科技创新领军人才（2019年）、海外高层次青年人才（2012年）等，是国家杰出青年科学基金（2018年）、国家优秀青年科学基金（2013年）、湖北省创新群体（2019年）等资助对象，曾获国家自然科学二等奖（5/5，2014年）、湖北青年五四奖章（2019年）、中国化学会青年化学奖（2014年）等奖励。兼任《InfoMat》副主编，《科学通报》等8个期刊编委。
缪峰，南京大学物理学院教授。
主要从事二维材料的量子调控与信息器件、以及类脑计算研究，以一作或通讯在Science、Nature/Science子刊（10篇）、Phys. Rev. Lett.等国际权威学术期刊上发表论文，共发表SCI论文110余篇，总引用超过22000次；申请/授权美国/中国专利近30项。是国家杰出青年基金获得者，中国物理学会黄昆物理奖获得者，国家高层次人才特殊支持计划科技创新领军人才入选者，科技部国家重大科学研究计划青年项目首席科学家，国家高层次青年人才计划入选者，国际先进材料学会IAAM奖章获得者，科睿唯安(Clarivate Analytics)全球“高被引科学家”，江苏省“十大青年科技之星”入选者。
周兴，华中科技大学材料科学与工程学院副教授。
主要从事基于二维异质结的光电器件研究。以第一/通讯作者身份在Nat. Electron.、Adv. Mater., Matte、JACS, Chem. Soc. Rev.、Adv. Funct. Mater.、ACS Nano等期刊上发表论文41篇，5篇ESI高被引论文，6篇封面文章。担任《无机材料学报》和《Rare Metals》青年编委（2022年）。入选第六届中国科协“青年人才托举工程”等。担任Adv. Mater., Adv. Funct. Mater., Small等期刊审稿人。授权发明专利5项。主持国家自然科学基金委面上项目和青年科学基金项目各1项，参与国家重点研发计划1项等。
皮乐晶，华中科技大学材料科学与工程学院博士生。
主要从事新型二维材料和光电功能器件研究。以第一作者在Nat. Electron.、Adv. Funct. Mater.等期刊发表SCI论文4篇，参与合作论文15篇。
梁世军，南京大学物理学院副教授。
国家优秀青年科学基金获得者，主要从事量子材料与智能器件研究。作为第一或通讯作者在Nature Nanotechnology、Nature Electronics、Physical Review Letters、Science Advances、Advanced Materials、IEDM等国际主流学术期刊和顶级会议上发表50余篇学术论文。获国际真空纳米电子学会“The Shoulders-Gray-Spindt (SGS) Award”、美国电气电子工程师协会的“优秀博士生奖”等。担任《Chinese Physics Letters》、《Chinese Physics B》、《物理学报》、《物理》四刊联合青年编委。
王鹏飞，南京大学物理学院博士生。
主要从事量子材料和类脑计算器件研究。以共同第一作者在Nat. Electron、Nat. Sci. Rev等期刊发表SCI论文3篇，参与合作论文10篇。
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原文传递
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《半导体学报》简介：
《半导体学报》是中国科学院主管、中国电子学会和中国科学院半导体研究所主办的学术刊物，1980年创刊，首任主编是王守武院士，黄昆先生撰写了创刊号首篇论文，2009年改为全英文刊Journal of Semiconductors（简称JOS），同年开始与IOPP英国物理学会出版社合作向全球发行。现任主编是中科院副院长、国科大校长李树深院士。2019年，JOS入选“中国科技期刊卓越行动计划”。2020年，JOS被EI收录。
“中国半导体十大研究进展”推荐与评选工作简介：
《半导体学报》于2020年初启动实施 “中国半导体年度十大研究进展”的推荐和评选工作，记录我国半导体科学与技术研究领域的标志性成果。以我国科研院所、高校和企业等机构为第一署名单位，本年度公开发表的半导体领域研究成果均可参与评选。请推荐人或自荐人将研究成果的PDF文件发送至《半导体学报》电子邮箱：jos@semi.ac.cn，并附简要推荐理由。被推荐人须提供500字左右工作简介，阐述研究成果的学术价值和应用前景。年度十大研究进展将由评审专家委员会从候选推荐成果中投票产生，并于下一年度春节前公布。
JOSarXiv预发布平台简介：
半导体科技发展迅猛，科技论文产出数量逐年增加。JOSarXiv致力于为国内外半导体领域科研人员提供中英文科技论文免费发布和获取的平台，保障优秀科研成果首发权的认定，促进更大范围的学术交流。JOSarXiv由《半导体学报》主编李树深院士倡导建立，编辑部负责运行和管理，是国内外第一个专属半导体科技领域的论文预发布平台，提供预印本论文存缴、检索、发布和交流共享服务。
JOSarXiv于2020年1月1日正式上线（http://arxiv.jos.ac.cn/），通过《半导体学报》官网（http://www.jos.ac.cn/）亦可访问。敬请关注和投稿！
半导体学报公众号
微信号 : JournalOfSemicond
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