近日，郑州大学物理学院先进半导体异质集成课题组在中红外位置探测与轨迹追踪领域取得积极进展。团队实现晶圆级二维碲化物半金属低温原位制备，研制出具备传感器内感知压缩的高性能中红外位置敏感探测器，填补波段空白，实现实时红外位置感知与轨迹追踪，为低资源场景高精度动态视觉感知提供新方案。

运动目标信息是实时感知与智能决策的基础，广泛用于自主导航、智能驾驶、国防安防。高精度目标检测与轨迹跟踪，需获取目标空间位置与时序信息。现有机器视觉系统依靠高像素传感器与复杂神经网络处理海量数据，模型庞大、算力需求高，功耗延迟突出，难以在资源受限平台实时跟踪。位置敏感探测器（PSD）基于横向光生伏特效应，可直接将光斑位置转为电信号，数据量小、响应快，不受光斑形态影响，适配低算力平台。但传统PSD多工作于可见光、近红外波段，在雾、烟尘、暗夜等恶劣环境探测能力显著衰减，亟需开发高性能中红外位置敏感探测技术。

针对上述技术瓶颈，研究团队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，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1010 cmHz1/2W-1，位置灵敏度达91.6 mV/mm，非线性度低至5.1%，可实现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，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%。系统无需重构完整红外图像，可在传感硬件端直接提取运动特征，大幅减小硬件体积、降低算力开销与传输延迟，为复杂环境低功耗智能红外感知提供新硬件方案。

研究成果以“Wafer-scale 2D semimetal heterostructures enabling mid-infrared motion tracking with in-sensor perceptual compression”为题，发表在国际知名期刊《Science Advances》上。物理学院21级博士研究生李雪为第一作者，郑州大学物理学院吴翟教授、曾龙辉教授和华南师范大学陈杰威教授为论文共同通讯作者。郑州大学为第一完成单位和通讯作者单位。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

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