文章导读
模仿视网膜视杆和视锥细胞的双模光电探测器用于高动态范围图像传感器
本文报道了一种基于绝缘体上硅和石墨烯堆叠的新型双机制仿生视觉传感器。反向偏压下，该器件以光电二极管模式工作，模拟视锥细胞；正向偏压下，器件转为光电导体模式，模仿视杆细胞的行为。这种在光电二极管模式与光电导体模式之间的稳定切换，模拟了视锥细胞和视杆细胞在不同光照场景下的互补功能，实现了高达 170 dB 的广阔动态感知范围(DR)。光电二极管模式和光电导体模式下的响应时间分别为 5 ns和 4 us，满足了机器视觉的快速响应要求。此外，通过对探测器在不同模式下拍摄的图像进行基于均值滤波的融合，展示了成像融合效果。这一开创性进展提供了一种新的器件架构，提升了未来机器视觉系统图像传感器中光电探测器的性能。
研究背景
机器视觉技术的快速发展对无人机、智能车辆等领域的实时成像、处理及分析能力提出了更高要求，这需要硬件具备高分辨率、快速图像采集、稳定性及适应不同光照条件的能力。然而，自然光强度跨度达 280 dB，传统硅基固态图像传感器（如 CCD 和 CMOS）的动态范围仅 60-70 dB，难以在极暗和极亮环境中同时捕捉细节，导致信息丢失。
为拓宽动态范围，传统方法如多次曝光、多增益路径等虽能将动态范围提升至 120-130 dB，但仍不及人眼超过 140 dB 的动态范围（源于视网膜视锥和视杆细胞的调节机制），在恶劣光照下拍摄的图像与真实场景差异明显，因此亟需宽动态范围、结构简单的硅基仿生视觉探测器。
二维材料（如石墨烯）因独特光学和电学特性在光探测领域潜力巨大，其与硅的异质结可兼容成熟硅加工技术并具备新型探测能力。此前研究虽实现 140 dB 线性动态范围，但响应时间较长，难以满足实时成像需求；而本研究受视网膜细胞启发，设计出基于绝缘体上硅和石墨烯堆叠的双模光电探测器，通过模拟视锥和视杆细胞功能，有有望突破传统传感器在动态范围和响应速度上的双重限制。
研究内容
图1.人类视觉机制示意图和视网膜杆状/锥形双模光电探测器的设计。a）描绘具有宽DR的自然场景：i）一张硅基 CMOS 图像传感器（CMOS Image Sensor, CIS）拍摄的照片（Xiaomi 10）非HDR模式，以及ii）HDR模式。着重介绍了视杆细胞和视锥细胞分别对光的感知以及人类视觉中的图像融合过程，分别针对b）光电二极管和c）光电导体的灵敏度与光强的关系。d）组合的灵敏度与光强度的关系。e）视网膜光感受器启发的器件的设计，该器件由部分被单层石墨烯覆盖的Si衬底组成，形成肖特基光电二极管。该器件在反向偏压下以光电二极管模式操作，其中有源区由红色虚线矩形表示，并且在正向偏压下处于光电导体模式，其中有源区由蓝色虚线矩形指示。f）典型的电流-电压曲线（Vds-Ids）的设备在黑暗和光明照明条件下，证明了正向和反向偏压下的光响应。
CIS动态范围远低于自然场景，难以同时捕捉明暗区域细节，如地下通道出口场景中，CIS 拍摄的图像会丢失细节（图 1a (i)）；而人眼视网膜的视锥细胞（强光下高分辨率、快响应）和视杆细胞（弱光下高灵敏度）通过自适应切换并融合信号，能形成高动态范围图像（图 1a (ii)）。
光电二极管在 0.1 lux 以上光照环境中性能优异，线性动态范围（LDR）宽且响应速度快，但弱光下因无增益易受噪声干扰（图 1b）；光电导体具有增益，弱光下响应显著（图 1c），但线性动态范围窄且响应速度慢，导致强光下细节丢失。结合二者优势可模拟视网膜融合过程，实现高动态范围成像（图 1d）。
该探测器含部分覆盖单层石墨烯的硅片，石墨烯 / 硅异质结构成肖特基二极管：反向偏压时，红色虚线框的异质结区域为有源区，以光电二极管模式工作（模拟视锥细胞）；正向偏压时，蓝色虚线框的石墨烯与源电极间为有源区，以光电导体模式工作（模拟视杆细胞，图 1e）。电流 - 电压曲线显示，两种模式下均有光响应，且光电导体模式响应更显著（图 1f）；通过栅电极可降低光电导体模式的暗电流，提升弱光检测能力。
图2.噪声等效功率、光电流映射和能带图。图 2a-c 为不同偏置条件下调制光照明的电流 - 时间（I-T）曲线：a）Vgs = 0 V，Vds = −5 V，b）Vgs = 0 V，Vds = 5 V，c）Vgs = −18 V，Vds = 5 V。光电流映射：d-f）分别对应于a-c）中的偏置条件。具有白色、橙色、红色和浅蓝色的虚线矩形分别表示Si、顶部栅电极、石墨烯和源电极。能带图：g-i）分别对应于（a）-（c）中的偏压条件。
该文章中的图2，3，4，5中，对该器件进行了变偏压，变栅压，变光强，变波长I-T测试，光电流mapping及成像测试，转移输出测试，变波长光电流及响应率测试，功率依赖测试，响应速度测试，3dB测试，以及单像素成像测试，南京迈塔光电科技有限公司开发的 “ ScanPro Advance 高分辨高速多物理量扫描综合测试系统 ” 在一套设备上可以进行所有测试。
ScanPro Advance 高分辨高速多物理量扫描综合测试系统
欢迎通过文末联系方式与我们了解更多设备详情~
噪声等效功率（NEP）是衡量光电探测器灵敏度的指标，指信噪比为 1 时所需的入射光功率。图 2a 显示光电二极管模式（Vgs=0V)；(Vds=-5V）下，NEP 约为 80 pW；图 2b 显示正向偏压（Vgs=0V)；(V=5V）时，光电导体模式 NEP 约为 870 pW，高 NEP 不利于弱光检测；施加 - 18 V 栅压后（图 2c），NEP 降至 6 pW，显著提升弱光检测能力，更接近视杆细胞功能。
光电流映射揭示不同模式的有源区：图 2d 中，光电二极管模式下石墨烯 / 硅结区（红色虚线框）光电流分布均匀，光生载流子在耗尽区分离形成电流；图 2e 显示正向偏压时，有源区为源电极与石墨烯间的硅片（蓝色虚线框），但暗电流过高；图 2f 中，负栅压使局部形成势垒，降低暗电流，提升弱光灵敏度。对应的能带图（图 2g-i）分别解释了不同偏压下的载流子分离机制。
图3.双模光电探测器的光电探测性能。a）器件结构示意图。b）器件在无和有各种波长光照射时的电流-电压曲线。c）在具有各种波长的调制光照射下的电流-时间曲线（405、520和638 nm）。当Vds = 5 V（光电导体模式）和−5 V（光电二极管模式）时，施加−18 V的负栅极电压。d）405 nm处的光电流与光功率的关系。e）405 nm处的响应率与光功率的关系。f）正向和反向偏压下的光谱响应
为评估双模光电探测器的性能，使用了波长为 405 nm（蓝光）、520 nm（绿光）和 638 nm（红光）的可见光源，接近人眼的敏感光谱。器件结构如图 3a 所示，突出了分别类似于视锥细胞和视杆细胞的光电二极管模式和光电导体模式的主要有源区。如图 3b 中的暗电流 - 电压曲线所示，在±5 V 偏压下，器件表现出明显的整流行为，整流比≈10⁵。与暗电流相比，光照下的电流增大，表明器件在正向和反向偏压下均对光照敏感（图 3b）。图 3c 显示了器件在光电二极管模式和光电导体模式下的动态响应。图 3d 显示了 405 nm 波长下光电流与光功率的关系曲线。根据线性动态范围LDR = 20 lg (Psat/NEP)（其中Psat是响应偏离线性时的光功率），器件在光电二极管模式下的线性动态范围约140 dB。这种广泛的线性动态范围有利于成像应用，可保持图像细节不失真。从曲线中提取的光响应度与光功率的关系（图 3e）表明，由于内部增益，器件在光电导体模式下的低光功率下表现出高响应度，达 160 A/W。随着光功率的增加，响应度降低。相反，器件在光电二极管模式下工作时，在宽光功率范围内响应度保持稳定。图 3f 展示了探测器在光电导体模式和光电二极管模式下的光谱响应。
图4.器件在405 nm处的动态响应。光电二极管模式：a）在各种开关频率下调制光照射下器件的瞬态响应。b）光响应与调制频率的关系。c）放大的电流-时间曲线。光电导体模式：d）在各种开关频率下调制光照射下器件的瞬态响应。e）光响应与调制频率的关系。放大的电流-时间曲线。稳定性和性能比较：g）在光电导体和光电二极管模式下操作的器件的长期稳定性测试。h）在响应时间和DR方面的器件性能与本研究和现有文献的结果的比较。
图 4a 显示了器件在不同调制频率光下的瞬态响应，对光的变化跟踪良好，表明器件响应迅速。图 4b 中归一化光电流与调制频率的关系曲线显示3dB 带宽为 11 MHz。此外，从放大的电流 - 时间曲线（图 4c）中确定响应时间：上升时间和衰减时间分别定义为电流从静态光电流的 10% 上升到 90% 和从 90% 下降到 10% 的时间间隔，相应地，上升时间和衰减时间分别为 5 ns 和 410 ns。转向器件在光电导体模式下的动态响应，与光电二极管模式类似，器件对光开关的跟踪效果良好（图 4d）。图 4e 中归一化光电流与调制频率的关系表明 3 dB 带宽约为 150 kHz，尽管略低于光电二极管模式，但仍然相当可观。从图 4f 中提取的上升时间和衰减时间分别为 6 μs 和 4 μs，进一步表明器件响应迅速。总体而言，由于选择了特殊的 SOI 衬底和小结面积，器件在光电二极管模式和光电导体模式下均表现出令人印象深刻的快速响应速度，使其成为成像传感器应用的理想选择。
图5.双模光电探测器在单像素成像和图像融合中的应用。a）使用520 nm激光作为光源的成像过程示意图。b）在各种模式和光照条件下器件的成像结果。平均滤波和图像融合过程：c）在弱光照明下捕获的图像。d）在强光照明下获得的图像。在同一场景中，首先采用25 × 25芯滤波的方法对设备在各种模式下的成像结果进行滤波，然后进行融合。
为说明双模光电探测器对人眼视觉功能的模拟，进行了单像素成像实验，如图 5a 所示：波长为 532 nm 的激光发出漫射光，强度分别为 30 mW/cm²和70 mW/cm²，模拟昏暗和明亮环境。在透明聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜上印刷的包含花瓶和球的灰度图像作为成像试验对象。值得注意的是，当光强度为 30 mW/cm² 时，入射到器件上的最低光功率≈30 nW/cm²。该薄膜固定在由计算机控制的 x-y 电动平台上。为将光直径减小到≈0.5 mm，使用了针孔光阑。我们的双模光电探测器捕获从薄膜透射的激光。在昏暗和明亮光条件下，分别获得了工作在光电二极管模式和光电导体模式下的光电探测器的光响应信号，相应的图像如图 5b 所示。在昏暗条件下以光电二极管模式工作时（图 5b (i)），由于其较高的 NEP，图像比在光电导体模式下（图 5b (ii)）的图像噪声更大；相反，在明亮光下以光电二极管模式（图 5b (iii)）获得的图像比在光电导体模式下（图 5b (iv)）的图像细节更多，因为其线性动态范围更宽。这些发现表明，光电导体模式在低光条件下成像更优越，而光电二极管模式在强光下成像表现更佳。对在低光和高光强度下获取的图像进行均值滤波并融合（分别如图 5c,d 所示）。这些结果表明，器件可以模拟视杆细胞和视锥细胞的光响应任务，并复制进一步的人类视觉融合过程。
原文链接
Dual-Mode Photodetectors Mimicking Retinal Rod and Cone Cells for High Dynamic Range Image Sensor
https://doi.org/10.1002/lpor.202402192
咨询电话：17766428931
迈塔光电售前及测试专员（微信同号）