【文章简介】传统的机器视觉和智能驾驶系统由于高度受制于传感器、内存与计算后端的空间物理割裂，在处理动态、大容量的空间视频流时，频繁的数据搬运引发了难以承受的系统延迟和能耗墙。为了打破这一僵局，具备原位图像差分和边缘提取能力的类视网膜（Retinomorphic）存内感知硬件应运而生。然而，现有的感算一体器件阵列通常只能输出单向（单极性）的光电响应，难以在单个像素内直接执行各向异性的动态运动轨迹捕获与高保真信息存储的多级重组。
近日，武汉大学武汉大学尹蕾副教授/何军教授在国际知名功能材料顶刊 Advanced Functional Materials 上发表题为“Multi-Level Non-Volatile Bipolar Optoelectronic Transistor for Dynamic Perception and Recognition”的研究论文。该研究通过精细的干法转移构筑了一种基于新型低维范德华侧向异质结的顶浮栅多级非易失双极性光电晶体管。该器件无需引入复杂的外部差分电路，仅通过改变激发光子的泵浦波长以及顶浮栅层的静电场极化状态，即可在单个像素内诱导出高对称、可逆的正光电流（Positive photoconductivity）与负光电流（Negative photoconductivity）双极性（Bipolar）瞬态响应。由于顶层浮栅层内部具备强非易失陷阱电荷锁死机制，该晶体管成功在单芯片上固化出了 32 个完全不退化的电导中间能级。利用该芯片组装的神经形态视觉感知阵列在零静态功耗状态下成功演示了对连续移动物体的边缘动态提取，并将 MNIST 手写数字的空间图像识别与分类保真度推向了全新高度。
【图文导读】
图 1 | 二维非易失双极性光电晶体管的三维物理构型、工作机理与多级电导特征。 本图精准平铺展现了：(a) 三端顶浮栅低维异质结光电晶体管的三维层状空间立体断层效果图及其制造完成后的真实器件光学显微镜照片；(b) 器件在特定正向和反向栅极脉冲极化偏压扫描下表现出的非易失电导磁滞蝴蝶回线；(c) 在不同波长可见光和红外激光泵浦下由于带隙对齐阶梯切换导致单通道内正负光电流双极性瞬间反转的微观能带物理模型与电荷转移路径；(d) 经由连续栅极电轨脉冲训练成功在单像素内部编程写入并固化出的 32 个高线性度、长寿命多级非易失中间电导状态的长期时间保持演化曲线。
图 2 | 器件在不同极化场与光照功率泵浦下的动态双极性光电响应动力学表征。 本图精准平铺展现了：(a) 漏极电流在固定漏源偏压下随入射单色光子能量功率密度阶梯增加时的转移演变曲线；(b) 在自驱动零偏压和低偏置电压控制下正向与逆向瞬态光电流响应波形的整流切换图谱；(c) 光电流峰值强度在数千次时间交替开关循环压力下表现出的超强物理持久性与抗环境老化曲线；(d) 基于浮栅层陷阱电荷动力学建立的电荷捕获与释放时间常数随变温变场的非线性演化轨迹线；(e) 提取出的响应时间随漏源偏压变化的演化特征图；(f) 器件噪声功率谱随工作频率和偏置电场变化的统计分布曲线谱。
图 3 | 16×16 集成突触阵列的电学均匀性与空间静态图像光电权重存储热图。 本图精准平铺展现了：(a) 采用标准微纳制程在大面积石英衬底上批量制造完成的 16×16 交叉突触网格阵列的宏观全景光学显微镜实物照片；(b) 全阵列 256 个独立通道在统一极化场驱动下表现出的开态电流、关态电流及各向异性高度均一的漏电导阻抗统计分布直方图；(c) 阵列在双极性工作模式下对特定字母空间图案执行原位写入、高对比度非易失权重存储并在不同遗忘时间切片下持续保持的二维空间像素电导映射热图谱；(d) 阵列单元在多轮电学脉冲擦写过程中的阻抗可重复度一致性验证；(e) 随着循环压力测试时间延长阵列整体存储容量的收敛平摊轨迹；(f) 随机抽选的不同空间坐标位置像素单元其光电转换线性度的偏差演变规律。
图 4 | 模拟人类视网膜水平细胞差分机制的硬件级动态物体运动边缘提取与字形分类演示。 本图精准平铺展现了：(a) 人类眼球内部水平细胞通过外围抑制和中心激励自发执行空间差分和动态红外视觉预处理的细胞级互连拓扑原理图；(b) 利用该双极性阵列独有的正负光电流相互抵消中和特征对一幅连续向右移动的赛车及几何多边形空间视频流执行原位动态背景消除和清晰边界提取的电信号演化波形；(c) 硬件系统直接串行读取输出的高对比度、低数据冗余的像素空间动态边缘特征分层图像；(d) 级联该双极性光电类视网膜感知前端与后级感知机网络联合执行智能推演的系统架构框图；(e) 模型在处理包含不同高斯空间噪声扰动下的 MNIST 手写数字图像时的识别准确率随训练迭代周期的收敛演进对比曲线；(f) 针对多组独立测试集进行并行推理时测得的各通道最终分类语义输出高保真混淆矩阵。
【总结】该研究针对后摩尔时代边缘智能车载终端在执行高速高吞吐量图形切分时对于超低能耗硬件差分器的紧迫渴望，打破了常规二维光电探测器只能输出单向线性电流的物理禁区，成功构筑了兼具长寿命非易失电荷存储与确定性正负双极性变换的三位一体微纳通道。借由对浮栅晶格和入射波长的场控调制，这款集紧凑 Footprint 与多元响应于一体的有机场效应突触芯片不仅能够原位存储图像，更能在不依赖外部差分电路的前提下实现类视网膜的智能空间差分和动态边缘计算。这一软硬件协同设计方案为未来构筑自供电各向异性矩阵相机、低能耗无人机具身智能机器视觉的升级提供了极具工业实用价值的低维光电子器件平台。
【参考文献】
Ding, J., Yin, L., Peng, X. et al. Multi-Level Non-Volatile Bipolar Optoelectronic Transistor for Dynamic Perception and Recognition. Adv. Funct. Mater. (2026).
DOI:https://doi.org/10.1002/adfm.202601272
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