原子层级的光电视觉处理器

背景

过去十年来，二维半导体，尤其是过渡金属二硫化物单层，席卷了纳米和凝聚态物质研究界。这些原子薄的材料具有直接的带隙，适用于电子和光电工程，由2D材料制成的单个晶体管和光电检测器已经引起了广泛的研究兴趣，在2D集成电路方面，最近的研究包括具有48个二硫化钼光电导体的图像传感器和集成多达115个MoS₂场效应晶体管的数字逻辑电路。

摘要

近日，哈佛大学与三星电子合作研究了一项基于二维半导体材料MoS₂的集成阵列，该工作能够实现人工模拟视觉感官及视觉信息处理。本文报告了二维半导体材料集成电路的关键性进展，其中器件集成规模增加了十倍，具体地，本文开发了一种受生物视觉启发的模拟光电处理器，其中以交叉开关阵列形式排列了32×32 = 1024 MoS₂光敏场效应晶体管，这些晶体管表现出持久的光电导（PPC）效应。这种具有PPC存储器的光电处理器模仿了人类视觉的两个核心功能：它将光学图像捕获并将其存储到电子数据中，例如眼睛和视神经链，然后通过执行识别所捕获图像的这种电子形式，例如大脑模拟内存神经网络计算。在重点演示中，MoS₂ FET交叉开关阵列可光学成像1000个手写数字，并以94％的精度识别这些成像数据。

图1. MoS2光电FET交叉开关阵列作为模拟光电视觉处理器

图2. 电导矩阵的光学编程及其在图像滤波中的应用

图2. 电导矩阵的光学编程及其在图像滤波中的应用

关键词：二维材料，交叉阵列，集成电路，神经网络，过渡金属硫化物

DOI: 10.1002/adma.202002431