近日，我院先进半导体异质集成课题组在国际综合学术期刊《Science Advances》上发表题为Wafer-scale 2D semimetal heterostructures enabling mid-infrared motion tracking with in-sensor perceptual compression的研究论文。论文第一作者为我院博士研究生李雪，通讯作者为我院吴翟教授、曾龙辉教授和华南师范大学陈杰威教授，郑州大学为第一完成单位。

运动目标信息是实时感知与智能决策的重要基础，广泛应用于自主导航、智能驾驶、国防安防等领域。高精度运动检测与轨迹跟踪，需要同时获取目标空间位置和时序演变信息。现有主流机器视觉系统依赖高像素图像传感器与复杂神经网络处理海量时空数据，模型参数量大、计算负担重，存在功耗高、延迟大的缺陷，难以满足资源受限平台的实时跟踪需求。位置敏感探测器（PSD）利用横向光生伏特效应，可直接将光斑位置转化为电信号，数据开销小、响应快，且不受光斑形态影响，适配低算力平台开展实时跟踪。但传统PSD器件大多局限于可见光、近红外工作区间，在雾、烟尘、黑夜等恶劣环境中探测能力显著下降，亟需发展可工作于中红外波段的高性能位置敏感探测技术。

针对上述技术瓶颈，本工作首次实现了晶圆级二维碲化物半金属与锗的原位单片集成，研发出具备传感器内感知压缩能力的高性能中红外运动追踪器件，为低资源场景下的高精度动态视觉感知提供了全新的技术路径。研究采用低温原位金属转化工艺，在2英寸Ge晶圆上完成二维半金属薄膜的晶圆级制备与单片集成，该工艺与传统CMOS半导体制造流程相兼容。通过异质结界面工程优化载流子输运行为，首次在室温条件下实现拓展至10.6 μm的宽波段中红外探测，填补了位置探测器在中红外波段的空白；该器件多项核心指标达到国际先进水平，比探测率突破10¹⁰cmHz^1/2W^-1，位置灵敏度达91.6 mV/mm，非线性度低至5.1%，能够完成9.7 μm精度的中红外运动轨迹实时追踪。在此基础上，团队搭建5×5 PSD阵列，实现传感器内感知压缩，可将原始数据量缩减400倍。该阵列支持对多个动态目标并行识别与持续跟踪，识别精度可达95%。系统无需重建完整红外图像，直接在传感硬件端提取运动特征，显著缩减硬件规模、降低计算开销与信号传输延迟，为复杂环境下的低功耗智能红外感知提供了全新的硬件实现方案。

该工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、河南省自然科学基金、粤港澳大湾区相关基础研究项目、香港研究资助局、深圳市科技创新委员会等项目的资助支持。

论文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.aeh4592

图1二维半金属中红外位置敏感探测器实现实时运动轨迹追踪和传感器内数据压缩