新型二維原子晶體材料（二維材料）具有原子層厚度、表面無懸掛鍵、易于集成等特性。前沿的研究成果也表明二維材料在集成感知、存儲(chǔ)、計(jì)算等能力方面有著極大的優(yōu)勢(shì)，有望彌補(bǔ)現(xiàn)有硅基光電傳感與圖像處理技術(shù)的不足。不過目前國際上二維材料的研究主要還是基于簡單的單元器件，大面積的電路集成工作鮮有報(bào)道。

 

近日，復(fù)旦大學(xué)微電子學(xué)院周鵬/包文中團(tuán)隊(duì)利用晶圓級(jí)二維原子晶體硫化鉬，成功制備了機(jī)器視覺增強(qiáng)芯片。8月3日，工作進(jìn)展以《基于二維半導(dǎo)體的619像素機(jī)器視覺增強(qiáng)芯片》（“A 619-Pixel Machine Vision Enhancement Chip based on Two Dimensional Semiconductors”）為題發(fā)表于國際期刊《科學(xué)前沿》（Science Advances）上。微電子學(xué)院副教授馬順利、信息科學(xué)與工程學(xué)院博士后吳天祥、微電子學(xué)院博士生陳新宇為共同第一作者；微電子學(xué)院研究員包文中、教授周鵬、香港理工大學(xué)教授柴楊為共同通訊作者。

 

在這項(xiàng)工作中，研究團(tuán)隊(duì)首先成功生長了高質(zhì)量均勻的兩英寸二維材料（MoS2）晶圓，并進(jìn)一步開發(fā)了適用于二維集成電路的加工工藝。這種單原子層的MoS2具有優(yōu)異的半導(dǎo)體特性，兼具信號(hào)處理和光電傳感的作用。此工作中制作的部分MoS2場(chǎng)效應(yīng)晶體管，采用了高透明度的頂柵，所以具有良好的光感應(yīng)能力；而不透明的頂柵晶體管，則構(gòu)成了信號(hào)處理電路。在此基礎(chǔ)上利用level-62 SPICE模型構(gòu)建MoS2晶體管仿真模型，從而對(duì)視覺增強(qiáng)電路中的模擬電路進(jìn)行仿真和優(yōu)化，最終構(gòu)建了一個(gè)大小為10mm×10mm的機(jī)器視覺增強(qiáng)芯片。

 

本工作的二維電路是迄今為止報(bào)道中集成規(guī)模最大的，在晶圓級(jí)二維材料上單片集成了619個(gè)光電“傳感-處理”像素單元。其中，數(shù)模轉(zhuǎn)換器模塊可以對(duì)任一像素可動(dòng)態(tài)控制，從而動(dòng)態(tài)準(zhǔn)確地調(diào)整每個(gè)成像單元的光電流，從而降低外圍電路設(shè)計(jì)復(fù)雜度與數(shù)據(jù)處理的難度，而且可以實(shí)現(xiàn)成像增強(qiáng)和降噪功能。實(shí)際測(cè)試結(jié)果證明該芯片可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)光傳感、存儲(chǔ)、處理和圖像增強(qiáng)功能，并且具有低噪聲和高靈敏度的特點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)90dB以上的高動(dòng)態(tài)光感應(yīng)范圍，接近人眼的識(shí)別效果。所研究的芯片同時(shí)具有植入柔性、透明和生物相容性特點(diǎn)，開拓了二維芯片的工業(yè)的應(yīng)用領(lǐng)域和產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程，在機(jī)器視覺、視覺增強(qiáng)和虛擬現(xiàn)實(shí)領(lǐng)域的巨大應(yīng)用潛力。

基于二維半導(dǎo)體的機(jī)器視覺增強(qiáng)芯片。右邊放大的每個(gè)單元像素電路中集成了信號(hào)“傳感-存儲(chǔ)-計(jì)算”功能。