Μια νέα μελέτη που δημοσιεύθηκε στο Nature Materials αναφέρει ότι ερευνητές ανέπτυξαν μια συσκευή νιτριδίου του γαλλίου και του αργιλίου, που συνδυάζει ανίχνευση φωτός, μνήμη και βασική επεξεργασία ελέγχοντας το φορτίο σε διεπιφάνειες πόλωσης.
Η συσκευή μπορεί να ανιχνεύσει φως σε επίπεδο νανοβάτ ανά τετραγωνικό εκατοστό και να λειτουργεί σταθερά σε θερμοκρασίες έως 300°C.
Τη μελέτη ηγήθηκαν ερευνητές από το Changchun Institute of Optics, Fine Mechanics and Physics της Κινεζικής Ακαδημίας Επιστημών (CAS), το Peking University, το East China Normal University, το Shanghai Institute of Technical Physics της CAS και το Zhejiang University.
Ο υπολογισμός μέσα στον αισθητήρα
Ο υπολογισμός μέσα στον αισθητήρα μειώνει την ανάγκη μεταφοράς ακατέργαστων δεδομένων ανάμεσα σε ξεχωριστούς ανιχνευτές, μονάδες μνήμης και επεξεργαστές. Οι υπάρχουσες συσκευές βασίζονται συχνά σε ελαττώματα για την αποθήκευση φορτίου, κάτι που μπορεί να καταναλώνει φωτοπαραγόμενους φορείς και να αποδυναμώνει την απόκριση.
Άλλες προσεγγίσεις χρησιμοποιούν στοιβαγμένα δισδιάστατα υλικά, που παραμένουν δύσκολο να κατασκευαστούν σε μεγάλες επιφάνειες. Οι ημιαγωγοί νιτριδίων της ομάδας III προσφέρουν εναλλακτική λύση, επειδή η ποιότητα του υλικού, οι διαδικασίες κατασκευής και η βιομηχανική αλυσίδα εφοδιασμού τους είναι εδραιωμένες.
Πώς λειτουργεί η συσκευή
Η νέα συσκευή χρησιμοποιεί μια ετεροδομή νιτριδίου του γαλλίου και του αργιλίου, από εναλλασσόμενα στρώματα με διαφορετική σύνθεση. Οι αλλαγές αυτές δημιουργούν διεπιφάνειες με αντίθετα πολωμένα φορτία και ενσωματωμένα ηλεκτρικά πεδία, που οδηγούν τα φωτοπαραγόμενα ηλεκτρόνια και τις οπές σε διαφορετικές διεπιφάνειες, μειώνοντας τον ανασυνδυασμό τους.
Ασύμμετρες επαφές νικελίου και τιτανίου ελέγχουν στη συνέχεια την κίνηση των διαχωρισμένων φορέων. Υπό ορθή πόλωση, οι οπές παραμένουν σε μία διεπιφάνεια ενώ τα ηλεκτρόνια παράγουν ανιχνεύσιμο ρεύμα, επιτρέποντας την αποθήκευση του προσπίπτοντος φωτός. Υπό μηδενική ή ανάστροφη πόλωση, οι αποθηκευμένες οπές απελευθερώνονται και οι δύο τύποι φορέων κινούνται γρήγορα, μετατρέποντας το ίδιο στοιχείο σε ανιχνευτή.
Πολλαπλές λειτουργίες και δοκιμές
Το σχήμα ελέγχου προσφέρει στη συσκευή πολλαπλούς τρόπους λειτουργίας χωρίς αλλαγή της φυσικής δομής. Μπορεί να καταγράψει μια μόνιμη οπτική κατάσταση μετά από έντονο φωτισμό, να σχηματίσει πολλαπλές προσωρινές καταστάσεις υπό ασθενέστερους παλμούς και να επιστρέψει στην αρχική της κατάσταση με ηλεκτρική επαναφορά. Ως ανιχνευτής, αποκρίθηκε σε κλίμακα νανοδευτερολέπτων. Διατήρησε επίσης μεγάλη αντίθεση ρεύματος και επαναλαμβανόμενη συμπεριφορά εγγραφής και διαγραφής μετά από παρατεταμένη αποθήκευση στον αέρα.
Για να αξιολογήσουν τις υπολογιστικές δυνατότητες, οι ερευνητές χρησιμοποίησαν πειραματικά μετρημένες καταστάσεις της συσκευής σε προσομοίωση νευρωνικού δικτύου για ταξινόμηση εικόνων ρούχων. Το μοντέλο πέτυχε ακρίβεια πάνω από 90% και παρέμεινε κοντά στο αντίστοιχο μοντέλο λογισμικού πλήρους ακρίβειας. Δοκιμές σε μια κατασκευασμένη διάταξη έδειξαν ότι μεμονωμένα εικονοστοιχεία μπορούσαν να ανιχνεύουν και να διατηρούν οπτικές εισόδους.
Τα όρια της μελέτης
Η μελέτη διευκρινίζει τα τρέχοντα όρια. Παρουσιάζει μεμονωμένες συσκευές και μια μικρή διάταξη, και όχι ένα πλήρες υπολογιστικό σύστημα μεγάλης κλίμακας. Το αποτέλεσμα της ταξινόμησης εικόνων προέκυψε από προσομοίωση δικτύου με παραμέτρους από πειραματικές μετρήσεις. Η κατανάλωση ενέργειας σε επίπεδο συστήματος, η πυκνότητα ενσωμάτωσης, τα κυκλώματα ανάγνωσης και η απόδοση κατασκευής χρειάζονται ακόμη άμεση αξιολόγηση.
Τα αποτελέσματα αναδεικνύουν την πόλωση των διεπιφανειών ως πρακτικό εργαλείο σχεδιασμού για την ενσωμάτωση ανίχνευσης και μνήμης σε μια ώριμη οικογένεια ημιαγωγών. Επειδή η συσκευή χρησιμοποιεί ένα ενιαίο σύστημα υλικών νιτριδίων και τυπικά βήματα κατασκευής, η προσέγγιση αυτή θα μπορούσε να απλοποιήσει τη μελλοντική ενσωμάτωση με καθιερωμένες διαδικασίες ημιαγωγών.
