光センシングとコンピューティングを組み合わせた新デバイスも登場し、省エネに貢献 Novel device also combines light sensing, computing to save energy
2022-12-09 ペンシルベニア州立大学(PennState)
「多くのカメラでは、撮影時に携帯電話の中で何らかの処理が行われており、実際、この処理によって目で見ているよりも写真がきれいに見えることがあります」とダス氏は言います。”これらの次世代携帯電話カメラは、画像キャプチャと画像処理を統合してこれを可能にし、それは古い世代のカメラでは不可能でした。”
しかし、最新カメラの素晴らしい写真には、処理に多くのエネルギーを必要とするという欠点があります。この研究で概説された材料におけるイノベーションは、アクティブピクセルセンサーにインセンサー処理を加えて、そのエネルギー消費を削減する方法を中心に展開されています。そこで、二硫化モリブデンという、厚さが1～数原子しかない新しい2次元材料に注目した。二硫化モリブデンは半導体であり、光に敏感であるため、画像の低エネルギーインセンサー処理を行うための材料として最適である。
また、二硫化モリブデンは、信号変換、電荷-電圧変換、データ伝送の能力も高いことを実証した。このため、この材料は、光検知とセンサー内での画像処理の両方を行うことができるアクティブピクセルセンサーを実現するための理想的な候補となります。
「実験に使用した2次元材料は、国立科学財団材料イノベーションプラットフォーム（MIP）施設であるペンシルベニア州立大学の2次元結晶コンソーシアム施設で成長させ、材料の特性評価は材料特性評価研究所で行い、さらにナノ加工研究所のクリーンルームを使用しました」と、ダス氏は述べました。「キャンパス内にあるこれらの施設に簡単にアクセスできることが、この研究の成功に大きな役割を果たしました。
＜関連情報＞
- https://www.psu.edu/news/materials-research-institute/story/2d-material-may-enable-ultra-sharp-cellphone-photos-low-light/
- https://www.nature.com/articles/s41563-022-01398-9
単層MoS2フォトトランジスタアレイに基づくアクティブピクセルセンサーマトリックス Active pixel sensor matrix based on monolayer MoS2 phototransistor array
Akhil Dodda,Darsith Jayachandran,Andrew Pannone,Nicholas Trainor,Sergei P. Stepanoff,Megan A. Steves,Shiva Subbulakshmi Radhakrishnan,Saiphaneendra Bachu,Claudio W. Ordonez,Jeffrey R. Shallenberger,Joan M. Redwing,Kenneth L. Knappenberger,Douglas E. Wolfe & Saptarshi Das
Nature Materials Published17 November 2022
DOIhttps://doi.org/10.1038/s41563-022-01398-9
Abstract
In-sensor processing, which can reduce the energy and hardware burden for many machine vision applications, is currently lacking in state-of-the-art active pixel sensor (APS) technology. Photosensitive and semiconducting two-dimensional (2D) materials can bridge this technology gap by integrating image capture (sense) and image processing (compute) capabilities in a single device. Here, we introduce a 2D APS technology based on a monolayer MoS2 phototransistor array, where each pixel uses a single programmable phototransistor, leading to a substantial reduction in footprint (900 pixels in ∼0.09 cm2) and energy consumption (100s of fJ per pixel). By exploiting gate-tunable persistent photoconductivity, we achieve a responsivity of ∼3.6 × 107 A W−1, specific detectivity of ∼5.6 × 1013 Jones, spectral uniformity, a high dynamic range of ∼80 dB and in-sensor de-noising capabilities. Further, we demonstrate near-ideal yield and uniformity in photoresponse across the 2D APS array.
