基于二维半导体异质结构的彩色图像传感器及其在图像卷积处理的应用

本发明属于新型半导体器件，涉及一种基于二维半导体异质结构的彩色图像传感器及其在图像卷积处理的应用。

背景技术：

1、图像信息通常包含多个维度，如光强、空间位置、颜色等。收集和处理高维度的图像信息有助于在生活生产中应用机器视觉，提高工作效率。其中光强与空间信息是最基本的，通常使用ccd或者cmos阵列搭配读出电路得到。而随着对机器视觉应用场景的扩展，更复杂的应用场景和任务通常还依赖对颜色信息的收集和处理。

2、综合来讲，目前实现对于彩色图像的识别及处理的机器视觉系统时仍然存下以问题：传统的ccd或cmos需要搭配复杂结构的滤色器阵列，增加了器件尺寸及工艺复杂性；传统的图像传感器的光谱响应曲线是固定的，无法根据需要来调制；传统的彩色图像识别系统中处理和采集信息的模块是分离的，这意味着需要引入额外的计算设备来完成彩色图像的处理过程例如常用的卷积计算，增加了计算资源开销和处理时间。

技术实现思路

1、本发明的目的在于设计一种新型的彩色图像传感器以解决处理彩色图像的传统机器视觉系统中存在的感知波长范围固定、传感器结构过于复杂及感知与实现算法的设备分离这三点问题。

2、本发明的目的可通过下列技术方案来实现：

3、根据本说明书的第一方面，提供一种基于二维半导体异质结构的彩色图像传感器，该器件包括沉积在衬底上的双极型二维半导体层和n型二维半导体层，二者形成水平异质结，所述彩色图像传感器通过栅极电压及源漏电压的组合，能够同时实现具有卷积计算的图像数据的采集和处理。

4、进一步地，所述衬底为沉积氧化硅的p型重掺硅片。

5、进一步地，所述双极型二维半导体层的材料为碲化钼。

6、进一步地，所述n型二维半导体层的材料为硫化钼。

7、进一步地，通过调节栅极电压来控制所述异质结的能带排布，从而实现不同的光谱感知函数，在无需滤色片的条件下收集多通道图像信息。

8、进一步地，通过调节源漏电压来控制所述异质结的光电流响应强度，从而赋予不同波段光信号以不同的通道权重，实现图像的卷积计算过程。

9、根据本说明书的第二方面，提供一种上述基于二维半导体异质结构的彩色图像传感器在图像卷积处理的应用，具体包括：

10、确定光信号强度的范围及通道种类，确定光信号强度与灰度值的映射关系；

11、根据需要关注的颜色确定通道种类，根据通道种类确定器件的栅极电压；

12、根据图像卷积处理的目的确定每个通道对应的卷积核，计算得到每个波段下的卷积核的权重分布并归一化；

13、建立指定通道下器件光电流与光强的映射关系，以及权重与源漏电压的映射关系；

14、将若干相同器件按照卷积核的尺寸与形状排布，并联起来作为感光阵列；

15、根据卷积核权重分布和映射关系确定感光阵列的源漏电压矩阵；

16、采集图像时，对感光阵列施加预先确定的不同通道下的栅极电压和源漏电压矩阵，读取光电流和；

17、将光电流和转化为灰度值，从而得到不同通道下卷积处理后的图像，融合得到彩色图像。

18、进一步地，所述确定光信号强度与灰度值的映射关系具体为：预先标定彩色图像传感器的动态范围，得到能够探测的光信号强度的上限pmax和下限pmin；期望获得的图像灰度值范围记为g；按如下公式建立光信号强度与灰度值的映射关系：p＝qg，其中p为pmax与pmin之差，q为比例系数。

19、进一步地，所述栅极电压的确定具体为：

20、根据需要关注的颜色确定共c个通道种类，记为c1,c2,…,ci,…,cc，i＝1,2,…,c，其中ci代表通道i对应的波段；

21、在使用c1～cc波长范围光信号照射器件的条件下测试器件的转移曲线，提取出对应的栅极电压vg1,vg2,…,vgi,…,vgc，i＝1,2,…,c，其中vgi意味着在该栅极电压下，器件对于ci的响应度是最高的。

22、进一步地，对于通道ci，对器件施加栅极电压vgi，并使用ci波段的光信号照射器件，扫描源漏电压vds来测试器件的输出曲线，提取出光电流iph的输出曲线，vds的选择依据是能够使器件表现出完整的整流特性，设其范围为(vds，min,vds，max)，在pmax与pmin内调整ci波段光信号强度，得到多组光电流iph的输出曲线，采用如下公式拟合：

23、iph＝α(kp)β

24、其中，p为光信号强度，α是比例系数，k是关于vds的函数，其与vds成正相关，同时其变化范围代表了vds在光强固定时调节输出信号的能力，而β反映了光电流与输入光强的线性关系，在ci波段光信号下α和β是固定值，重复这一步操作得到每个ci对应的α和β值；

25、其中，vds，max对应的k值最大记为kmax，而vds，min对应的k值最小记为kmin，对所有k值均除以kmax来完成归一化，将归一化后的k值视为权重w，按如下公式拟合得出每个ci下的w和vds的关系：

26、

27、其中，a和b反映了w随vds的变化速度，在ci波段光信号下a和b是固定值，重复这一步操作得到每个ci对应的a和b值。

28、进一步地，将相同的器件按照卷积核的像素排布方式布置形成感光阵列，每个像素对应一个器件，所有器件并联，将通道ci对应的卷积核ki中的每个像素的权重归一化，再代入拟合得到的通道ci对应的w和vds的关系公式中，得到像素对应位置器件需要施加的源漏电压，从而得到每个ci下的源漏电压vds矩阵，记为vdsi。

29、进一步地，为了对初始图像进行卷积处理得到特征图，首先对于选择的c1～cc波长范围下的每个ci，对感光阵列中的每个器件的栅极施加vgi，源漏电压根据矩阵vdsi来施加，读取所有并联器件的电流和，然后维持vgi不变，滑动卷积核，遍历整个初始图像，多次读取电流和，将读取的若干电流和转化为ci下对应的若干灰度值g，得到的灰度值分布图即为在ci波段下经过卷积处理的特征图，结合c1～cc波长范围下的所有特征图得到最终经过卷积处理的多波段彩色图像。

30、本发明的有益效果：与现有的图像传感器阵列所用的像素单元相比，本发明设计了三端器件，在沉积有氧化硅的重掺硅片上使用双极型二维半导体碲化钼与n型二维半导体硫化钼搭建水平的异质结。由于材料的厚度很小，易于被背栅调控。通过背栅施加电压来调制异质结的能带排布来获得对于不同波长光信号的响应度，从而可以在不使用滤色片的条件下对不同波段的光信号进行差异化感知。同时，调整每个器件的源漏电压可以调整读出的光电流大小，从而在一定范围内缩放光电流，通过并联与卷积核尺寸一致的若干传感单元，就可以完成卷积核与对应像素的乘法累加运算，这使得可以在器件端直接实现多波段下的卷积处理。

技术特征：

1.一种基于二维半导体异质结构的彩色图像传感器，其特征在于，包括沉积在衬底上的双极型二维半导体层和n型二维半导体层，二者形成水平异质结，所述彩色图像传感器通过栅极电压及源漏电压的组合，能够同时实现具有卷积计算的图像数据的采集和处理。

2.根据权利要求1所述的基于二维半导体异质结构的彩色图像传感器，其特征在于，所述衬底为沉积氧化硅的p型重掺硅片；所述双极型二维半导体层的材料为碲化钼；所述n型二维半导体层的材料为硫化钼。

3.根据权利要求1所述的基于二维半导体异质结构的彩色图像传感器，其特征在于，通过调节栅极电压来控制所述异质结的能带排布，从而实现不同的光谱感知函数，在无需滤色片的条件下收集多通道图像信息。

4.根据权利要求1所述的基于二维半导体异质结构的彩色图像传感器，其特征在于，通过调节源漏电压来控制所述异质结的光电流响应强度，从而赋予不同波段光信号以不同的通道权重，实现图像的卷积计算过程。

5.一种权利要求1-4中任一项所述基于二维半导体异质结构的彩色图像传感器在图像卷积处理的应用，其特征在于，包括：

6.根据权利要求5所述的应用，其特征在于，所述确定光信号强度与灰度值的映射关系具体为：预先标定彩色图像传感器的动态范围，得到能够探测的光信号强度的上限pmax和下限pmin；期望获得的图像灰度值范围记为g；按如下公式建立光信号强度与灰度值的映射关系：p＝qg，其中p为pmax与pmin之差，q为比例系数。

7.根据权利要求6所述的应用，其特征在于，所述栅极电压的确定具体为：

8.根据权利要求7所述的应用，其特征在于，对于通道ci，对器件施加栅极电压vgi，并使用ci波段的光信号照射器件，扫描源漏电压vds来测试器件的输出曲线，提取出光电流iph的输出曲线，vds的选择依据是能够使器件表现出完整的整流特性，设其范围为(vds，min,vds，max)，在pmax与pmin内调整ci波段光信号强度，得到多组光电流iph的输出曲线，采用如下公式拟合：

9.根据权利要求8所述的应用，其特征在于，将相同的器件按照卷积核的像素排布方式布置形成感光阵列，每个像素对应一个器件，所有器件并联，将通道ci对应的卷积核ki中的每个像素的权重归一化，再代入拟合得到的通道ci对应的w和vds的关系公式中，得到像素对应位置器件需要施加的源漏电压，从而得到每个ci下的源漏电压vds矩阵，记为vdsi。

10.根据权利要求9所述的应用，其特征在于，为了对初始图像进行卷积处理得到特征图，首先对于选择的c1～cc波长范围下的每个ci，对感光阵列中的每个器件的栅极施加vgi，源漏电压根据矩阵vdsi来施加，读取所有并联器件的电流和，然后维持vgi不变，滑动卷积核，遍历整个初始图像，多次读取电流和，将读取的若干电流和转化为ci下对应的若干灰度值g，得到的灰度值分布图即为在ci波段下经过卷积处理的特征图，结合c1～cc波长范围下的所有特征图得到最终经过卷积处理的多波段彩色图像。

技术总结
本发明公开了一种基于二维半导体异质结构的彩色图像传感器及其在图像卷积处理的应用。该器件包含沉积在衬底上的双极型二维半导体和N型二维半导体，二者形成水平异质结结构。通过背栅电压的调节，控制异质结的能带排布，实现可以连续变化的光谱响应函数，使得无需滤色片即可获得多波段下图像信息。同时，通过源漏电压调控异质结的光电流响应，进而赋予输出信号不同的权重，将与卷积核尺寸相同的若干异质结并联起来，将读取到的电流之和再映射为灰度值，便可得到该波段下卷积后的图像。通过对不同波段下分别应用卷积操作，就可以完成图像卷积处理。该器件在集成图像采集与卷积计算方面表现出色，有效减少了计算资源开销，显著提高了图像处理效率。

技术研发人员：赵昱达,苏向炜,武洪钊
受保护的技术使用者：浙江大学
技术研发日：
技术公布日：2025/4/10