文章链接：https://www.nature.com/articles/s41928-024-01261-6
亮点
首创单眼三维视差重建
·提出了利用异质结晶体管阵列实现单眼三维深度信息检测的新方法，突破了传统3D成像对复杂光源或多视角需求的限制。
可重构异质结光电晶体管阵列
·基于氧化铟镓锌 (IGZO) 和二硒化钨 (WSe₂) 的异质结构，晶体管可以通过静电调制切换为 n 型、p 型或双极性模式，提供灵活的电学性能。
双模切换功能
·提供了两种成像模式：
o实时恒定感知模式：适合静态成像，进行快速二维检测。
o时空平面配置模式：支持动态成像，并具备记忆功能，实现更复杂的视觉任务。
兼容 CMOS 的多端口寻址架构
·采用与 CMOS 技术兼容的多端口设计，支持高效的多通道信号控制与模式切换。
应用场景
·成功实现了三维形态重建、二维深度场映射和多视角耦合，适用于机器人导航、卫星成像和医疗辅助等领域。
高性能与实用性结合
·不需要复杂的光源或相位检测，仅通过单设备实现深度感知，降低系统复杂性与成本，具有良好的实用性和发展潜力。
摘要
能够在空间域实现三维深度信息探测的传感器，在机器人技术、卫星成像和医疗辅助等领域具有广泛潜力。然而，目前的技术依赖于复杂的相位检测和衍射光源，或者基于静态的多方向反射成像。本文提出了一种用于单眼三维视差重建的可重构异质结构晶体管阵列。该光电晶体管基于氧化铟镓锌与二硒化钨异质结构，可通过静电调制操作为n型、p型或双极性晶体管。通过改变主导载流子极性并采用兼容CMOS的多端口寻址架构，该阵列可以在两种模式之间切换：用于静态成像的实时恒定感知模式和用于动态成像的具有记忆功能的时空平面配置模式。系统可实现三维形态重建、二维深度场映射及多视角耦合。
研究背景和主要内容
光场探测可用于收集多维信息，其能力超出了传统基于强度的二维 (2D) 摄影的能力。利用物体的相位信息、衍射光波或多维探测中的反射方位角
也可以获得空间域中的深度场信息。然而，在目前的光场探测中，相位或衍射场需要特定的光源来诱导光与物质的相互作用以产生光学共振 ，而利用反射场全面获取信息则需要多孔径摄影。
因此，将先进的光场检测集成到互补金属氧化物半导体 (CMOS) 架构中非常复杂且成本高昂。多相机系统中的参考校准也可能非常复杂。目前已经创建了多个基于结构光和双目图像的传感器，可用于测量深度场。然而，开发用于单目三维( 3D ) 信息重建的先进成像硬件仍然具有挑战性。
在本文中，我们报告了一种用于单目 3D 信息重建的可重构极性转换异质结构晶体管 (PCHT) 阵列。我们的方法受到运动结构相关方法的启发，该方法可以从 2D 图像序列重建 3D 信息 。具体来说，我们创建了一个单目成像系统，可以在传感器级别记录光强度和时空视差关系。该系统可以使用双目视差原理从存储的动态图像序列重建 3D 对象。
我们使用基于氧化铟镓锌 (IGZO) 和二硒化钨 (WSe2 ) 异质结构的像素化光电晶体管，这些晶体管可根据静电调制（极性转换）作为 n 型、p 型或双极晶体管工作。这些像素化单元可以调制电输入的相位和幅度，并可以在静态成像的实时恒定感知和动态成像的时空视差配置存储之间转换。我们的 PCHT 阵列使用基于硅选择晶体管的 CMOS 兼容多端寻址架构。我们的系统可以重建自由方位角的空间形态，并可以将深度场压缩为平面图。我们表明该方法可用于 3D 形态重建、2D 深度场映射和多视图耦合。
可重构 PCHT 架构
图1a显示了我们的 PCHT 阵列架构示意图。我们的可重构 PCHT 设备基于无机共价化合物 IGZO（形成 n 型感应层）和范德华晶体 WSe2（形成 p 型感应层）。我们之所以选择这些材料，是因为它们具有相似的晶体结构和晶格常数，从而可以减少晶格不匹配时形成的界面势垒并降低应力集中（补充图1a 、b）。这些半导体还表现出高效的电感应和可调的静电掺杂。此外， WSe2具有依赖于层的可调光学带隙（补充图2b、d） 。我们制造了一个表现出典型p 型半导体行为的单层。
图 1：可重构 PCHT 架构。a、可重构PCHT、阵列及芯片示意图。b、典型异质结构的综合扫描拉曼光谱映射。c、3D视差重构原理，Ln为靠近成像平面两点的投影距离，Lf为远离成像平面两点的投影距离，yt为立方体顶端点的投影高度，yb为立方体底端点的投影高度，
Z为深度，ΔZ为相对深度差。d、电输出随输入电压的变化，灰线表示输入波形，橙色数据表示幅度调制中的输出波形，绿色数据表示相位调制中的输出波形，V1表示施加在输入1上的电压，V2表示施加在输入2上的电压，Vg为栅极电压，Vout为输出端电压。e、可重构PCHT的极性转换，虚线和箭头表示I ds的动态范围。f，当光入射到我们的PCHT上时，光电输出发生变化，虚线显示光响应的变化趋势。
偏振拉曼表征表明各向异性主要来源于WSe2，而结构对称性并没有因为与IGZO的异质集成而受到破坏（补充图3）。详细的表征信息可以在方法和补充说明1中找到。具有背栅配置的光电晶体管阵列可以减少金属的光子吸收并增强半导体中的光与物质的相互作用，因此这是我们在此为PCHT采用的器件设计。输出端位于异质结的耗尽区上方，可以从耗尽区输出中间电位和光生载流子。源极和漏极通过静电掺杂选择异质结构的载流子类型，并通过栅极的电感应调整光生载流子的传输特性。图1b和补充图1c显示了我们的异质结构晶体管的界面谱映射和横截面元件分布。
我们使用一个伪交叉阵列并将其与封装的读出电路相结合。我们通过映射时间序列中连续存储配置之间的视差关系来重建空间域中的深度场信息。运动中的三维物体（空间域）的连续图像（平面强度域）之间的相对位置变化取决于物体与摄影阵列之间的距离。距离成像阵列较远的物体在平面映射后位移较小。此外，理论上，位于无穷远处的物体的平面映射位移大约为零。因此，可以根据视差原理使用存储的平面配置重建空间深度场信息（图1c）。
我们的异质结构可调的宏观电输出特性（极性转换）源于通过不同电极静电掺杂选择性微观载流子激活（主载流子）（图1d、e）。当仅通过静电掺杂激活异质结构的 IGZO 层（V 1 = 5 V，V 2 = 0 V）时，我们观察到主载流子是电子，并且我们的单片异质结构显示出典型的 n 型传输特性（图1e）。此外，如果在具有正栅极电压（V 1 = 5 V，V 2 > 0 V）的增加偏压下激活异质结构的 WSe2部分，则会观察到输出增强。当两个半导体都由相似电压激活（ V 1 ≈V
2 = 5 V）时，可以 观察到双极传输特性 。然而，当只有异质结构的 WSe2层被激活时（V 1 = 0 V，V 2 = 5 V），主要载流子是空穴，我们的单片异质结构表现出典型的 p 型传输特性（补充图4a）。器件中主要载流子之间的竞争导致可调谐载流子极性转换，因此异质结构晶体管可以调制周期性三角波输入电压的幅度和相位。
当电子为主要载流子时，异质结构充当振幅整流器。当空穴为主要载流子时，异质结构用作反相器。此外，我们表明输出响应与激活偏压成正比（补充图4b-d ）。值得注意的是，根据参考文献中的计算，我们的可重构 PCHT 显示出超低功耗（P = V dd × I d，其中I d是沟道电流，V dd是源漏偏压），当V dd为 5 V 且器件用作反相器时，峰值功耗为 142 pW （补充图4e）。补充图5和6显示了阵列中 PCHT 的漏电流、噪声功率密度和传输行为。我们观察到整个器件的行为均匀，这对于稳健成像是必需的。
补充图4f-h显示了电流输出的分布映射，进一步支持了我们关于主要载流子极性转换的说法。电流分布的梯度矢量取决于栅极电压，源极或漏极的静电掺杂对 PCHT 有不同的影响，这进一步支持了输出分布与主要载流子类型相关的说法。有限元建模支持我们关于载流子极性变化的说法（补充图7a-d）。我们的模拟结果表明，当异质结构的 WSe2层被激活（V 1 = 0 V，V 2 = 5 V）时，空穴浓度在整个异质结构中占主导地位。另一方面，当 IGZO 层被激活（V 1 = 5 V，V 2 = 0 V）时，电子浓度占主导地位。n 型半导体对栅极控制表现出更大的敏感性；这一观察结果与我们的实验结果一致。
极性转换产生可调的宏观光电输出特性（图1f）。这种光电可调性源于选择性载流子激活（通过静电掺杂和电感应）和主要载流子之间的竞争。为了实现最佳光电控制，我们在相位反转模式下操作设备，其中仅激活WSe2 （图1d，底部）。这确保了 IGZO 的优选栅极灵敏度不会完全主导输出行为。当在栅极上施加正电压时，电流输出通过光诱导弛豫显示出时间相关的增强。界面缺陷态导致载流子的原位复合弛豫用于像素信息存储。另一方面，当在栅极上施加负电压时，电流输出显示出恒定的感知。由小电位差激活的空穴载流子和由大电位差驱动的电子载流子相互竞争，直到达到动态平衡。
光电可调性
我们利用光刻技术制作了一种用于光电转换的光电可重构 PCHT（图2a）。光电转换源于可调的能带结构和迁移载流子极性。通过静电掺杂的选择性载流子激活决定了势垒结构，而电感应调节了异质结构的费米能级。为了准确校准异质结构的能带结构，我们使用 CASTEP 软件（剑桥序列总能量软件包）对平能带结构进行了理论建模。我们使用开尔文探针力显微镜实验测量了功函数和带隙，并通过光谱表征对其进行了校准（补充图2c-f）。测得 p 型和 n 型半导体的功函数分别为 5.58 和 5.24 eV。接触前异质结构中的费米能级差计算为 0.34 eV。
图2：PCHT模式相关的光电性能。a、图案化可重构PCHT器件的光学显微镜图像。比例尺，40μm。b、具有时间相关存储的动态成像模式的操作机制模型，Ip是p型半导体中的电流。c、静态成像的恒定感知模式的操作机制模型，In是n型半导体中的电流。d、双极模式的操作机制模型。e、可重构PCHT的等效功能电路，Vg是栅极电压，Vout是输出端电压，P表示p型半导体，N表示n型半导体，Ids是沟道中的驱动电流。f、当器件处于时间相关存储模式时，PCHT响应光激发（532nm，0.38mW cm−2 ）时随时间变化的电流输出。g 、当器件处于时间相关存储模式时，波长和激发脉冲数相关的光响应。脉冲宽度为5 s，532，635和808nm的激发强度分别达到0.38，1.94和3.00mWcm − 2。h，光激发后的保留存储，G r为存储灰度，E x为激发波长，I ds为光响应，I max为饱和响应。i， PCHT在恒定感知模式下工作时对光激发（ 532nm ，0.38mWcm− 2 ）随时间变化的电流输出响应，ΔI为光电流的变化量。j ，器件在恒定感知模式下工作的波长和激发数相关的光响应。脉冲宽度为5 s，532，635和808nm的激发强度分别达到0.38，1.94和3.00mWcm− 2。阴影区域表示器件在恒定感知模式下工作的开/关比窗口。k ，光电电流，Ids，PCHT 在 808 nm 波长下曝光后的响应。脉冲宽度为 5 s，808 nm 的激发强度在静态（
V g = −10 V）和动态（V g = 10 V）模式下达到 3.00 mW cm− 2 。
我们使用 Anderson 模型来描述 I 型异质结构，其中三角势阱将二维电子气限制在界面耗尽区。在 n 型半导体上施加激活电压并在栅极上施加正电压时，电子可以从 p 型区域隧穿到 n 型区域（补充图7e）。当通过电压激活 n 型半导体并在栅极上施加负电压时，费米能级从导带移向价带。在低电子浓度下，隧穿概率降低，在激活偏置下，高浓度的空穴占主导地位，它们从 n 型区域定向迁移到 p 型区域（补充图7f）。主要的空穴载流子被限制在三角势阱中，在 p 型半导体上施加激活电压并在栅极上施加负电压时，它们可以从 p 型区域隧穿到 n 型区域。在此配置中，费米能级更接近价带，导致空穴重掺杂（补充图7g）。在 p 型半导体上施加激活电压，并在栅极上施加正电压的情况下，电子载流子浓度占主导地位，并从 n 型区域定向迁移到 p 型区域（补充图7h）。光电流谱映射进一步证实了载流子迁移的这些方向转变（补充图7i-l）。
根据上面讨论的微观可调性，建立了光电转换的宏观光电流流动模型。我们在反相器模式下操作异质结构晶体管，以最大化载流子之间的竞争。当在栅极上施加正电压时，光电流根据分电位从激活偏置端流向p型半导体的输出端。任何正电感应都会抑制该电流的大小。n型半导体被失活，对载流子迁移的贡献很小。总输出可以通过p型半导体固有的时间相关光电流增强来近似（补充图8），其表示为I out = | I p ( t )|（图2b）。当在栅极上施加负电压时，电感应导致p型半导体中空穴浓度增加，但这对势场和驱动载流子的贡献很小。由于较大的分电压导致反向光电流，n型区域中的电子会改变其流动方向。总输出可以用I out = | I p ( t )| − | I n ( t )|来描述，其中包括影响动态平衡的光电流竞争（图2c）。值得注意的是，与在反相器模式下操作设备相比，在双极模式下操作的异质结构的输出有所改善。双边偏置导致具有协同增强的同向光电流，总输出可以用I out = | I p ( t )| + | I n ( t )| 来描述（图2d）。
PCHT 电路功能等效于具有两个反典型晶体管的 CMOS 结构（图2e
和补充图10a、b）。可重构调制影响串行或并行架构的输出，从而产生可调器件，可用于静态成像形式的恒定感知，也可用于动态成像的时空视差存储。动态成像模式取决于复合弛豫，类似于神经形态双脉冲促进 。在 532 nm 激发后，暗电流增加并维持在相对较高的水平以形成记忆窗口（图2f）。这种时间相关的增强与光脉冲数线性相关。经过12次光学曝光后，开/关比在波长为808nms- 1（P =3.00mWcm - 2）的光源照射下从13.32提高到41.41，在波长为635nm（P =1.94mWcm - 2）的光源照射下从21.86提高到68.73，在波长为532nm（P =0.38mWcm - 2）的光源照射下从26.27提高到69.04（图2g）。
为了模拟传统相机的快门曝光，我们在脉冲光曝光（而不是连续照明）下操作 PCHT。暗态（静止）水平的增加充当记忆窗口，并显示光敏信息已存储。在传统光电阵列中，暗态会恢复到其原始静止状态。记忆窗口的大小与捕获特征的反射强度相关。强度越高，记忆窗口越大。
我们将暗态（I dark ≈ 0）与饱和响应（I max）之间的记忆窗口分为 28 个等级（每个等级代表一度）。PCHT 的归一化I ds / I max水平（Gr）在强度为 4.55 mW cm− 2的光照后保持在 62°，在强度为 2.96 和 1.32 mW cm− 2 的光照后分别显示出 51° 和 36° 的保持率（图2h）。
静态成像证明了其对光激发脉冲数的稳健性。在恒定感知模式下，设备对光激发（532 nm 激发，0.38 mW cm −2，5 s激发和 10 s 静息）的响应随时间变化很小（图2i）。无论曝光波长如何，开/关比对脉冲数相对不敏感（平均开/关比在 808 nm 时为 1.98，在 635 nm 时为 2.73，在 532 nm 时为 2.59）（图2j）。808 nm 波长下的光响应显示光电转换（图2k）。当施加 −10 V 电压时，峰值响应在恒定感知下达到 0.26 nA。输出响应大于时间相关存储模式下的设备响应。在不同波长的照明下观察到相似的设备输出（补充图10d-f）。两种成像模式响应的差异源于电感应引起的主导载流子浓度。在栅极施加负电压时，激活的 p 型半导体具有比在栅极施加正电压时更大的空穴浓度。双极模式下的光响应也与载流子浓度调制的影响一致。双边半导体都被激活，与反相器成像模式相比，协同电流导致更大的响应（补充图10g-i）。此外，信号输出与每次激活的曝光长度呈正相关。较长的曝光长度会产生更高的输出，这与 CMOS 成像仪的工作方式类似（补充图11）。
值得注意的是，在波长为 450 nm 的光激发下，PCHT 表现出时间依赖性抑制。光致发光光谱测量表明，IGZO 在紫外波长下具有带边激发和高灵敏度。在此波长下，产生的光电子影响主导载流子分布，从而产生打破动态平衡的竞争。这会导致器件输出受到抑制，并且与恒定感知模式下的宏观光电流流动模型一致（图2c）。我们建议使用三个以不同栅极电压运行的并行 PCHT 来实现色彩平衡的器件。这些 PCHT 可以在脉冲曝光期间调制红色 (R)、绿色 (G) 和蓝色 (B) 颜色通道，并可用于将图像从冷色调转换为暖色调。补充图12显示了基于我们的响应结果的色彩空间中的调制范围。每个曝光期后每个 RGB 图像的直方图分布都会发生变化，表明平衡调制（补充图12）。
PCHT 阵列的单片集成
我们采用光刻技术对异质结构晶体管进行图案化，并集成寻址选择性硅金属氧化物半导体场效应晶体管 (MOSFET)，从而单片集成了一个 PCHT 阵列。我们制作了一个 40 × 40 可重构 PCHT 阵列，并封装了读出电路。该阵列表现出良好的静态功耗 (~0.14 nW 每像素) 和高集成度，因为其制造与 CMOS 兼容 (补充图13 )。其他性能特性和比较如补充表2所示。图3a显示了我们的 PCHT 阵列的光学图像。使用片上集成将高密度像素簇对齐到伪交叉开关 (图3b )。PCHT 阵列的总感光面积为 12 × 12 mm，集成像素尺寸为 300 × 300 μm。像素感光面积为 60 × 120 μm (图3c )。硅晶体管充当选择器以避免读取干扰，并与 PCHT 串联形成像素化单元。我们的 PCHT 阵列的详细单片集成制造过程如补充图14所示。我们设计了一种寻址架构，用于逐行扫描作为读出策略。这种寻址架构有利于大规模集成并优化了控制逻辑负担。选择端子逐行扫描，光电信号通过读出端子从每一列读出。该架构确保每一列只执行一次 PCHT 输出，但 40 个列组同时并行读出，以提高读出效率并防止干扰（图3d）。
图 3：3D 视差重建方法。a、我们的单片集成可重构 PCHT 阵列的光学图像。b、集成 PCHT 阵列的低分辨率光学显微镜图像。比例尺，600 μm。
