中國科大造出“全能光電小元件”

新型光電二極管實現(xiàn)“看、記、想”一體

3月24日，記者從中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)獲悉，該校集成電路學(xué)院孫海定教授iGaN實驗室聯(lián)合加拿大麥吉爾大學(xué)、澳大利亞國立大學(xué)、浙江大學(xué)、英國劍橋大學(xué)及武漢大學(xué)等多所高校的科研團隊，成功研制出集感光、存儲、處理于一體的新型光電二極管，讓傳統(tǒng)PN二極管從單一功能變?yōu)榭煽?、可記、可想的“多面手”，為智能視覺硬件開辟全新路徑。相關(guān)成果3月20日在線發(fā)表在國際知名期刊《Nature Electronics》。

二極管是電子設(shè)備最基礎(chǔ)的“積木”，傳統(tǒng)光電二極管只會“感光”，要做成相機，必須搭配存儲器和處理器，不僅結(jié)構(gòu)復(fù)雜、耗電高，還容易出現(xiàn)延遲。中國科大團隊另辟蹊徑，在氮化鎵PN結(jié)里巧妙加入一層特殊材料，造出微型“電荷儲蓄池”，讓單個二極管突破物理限制，變身“全能選手”。只需調(diào)節(jié)電壓，它就能呈現(xiàn)三種獨立且可自由切換的工作模式：光電感知、光電突觸和光電存儲，最終實現(xiàn)圖像感知、圖像降噪和圖像分類的功能。這種基于電壓切換和調(diào)控的三種PN結(jié)工作模式的功能突破，有望開發(fā)出具備實時感知與邊緣圖像降噪與分類的類腦智能感知相機。

團隊用10×10的二極管陣列，構(gòu)建了一套具備感、存、算一體化功能的類腦視覺相機的演示系統(tǒng)。測試顯示，這臺相機不用外接電腦或存儲芯片，就能原位完成全流程處理：先拍下帶噪聲的圖像，再硬件級自動降噪，最后直接識別分類。原本識別率不足60%，處理后準(zhǔn)確率提升到95%以上，功耗和體積大幅下降。

該工作提出并驗證了一種基于傳統(tǒng)PN結(jié)二極管結(jié)構(gòu)的超緊湊、多功能、低功耗前沿光電感知器件新范式。這一突破打破了長期以來“感光、存儲、計算分開”的行業(yè)瓶頸。過去相機依賴感光、存儲、計算分開的架構(gòu)，數(shù)據(jù)需在不同芯片間頻繁搬運；現(xiàn)在單個元件包辦全部工作，更省電、更小巧、響應(yīng)更快。

未來，該能帶設(shè)計理念可以擴展至其他半導(dǎo)體材料體系中，以實現(xiàn)覆蓋更寬范圍的工作波長和更高的集成度。由于該二極管的制造高度兼容現(xiàn)有的硅基半導(dǎo)體微納加工工藝，這不僅為解決傳統(tǒng)視覺傳感器或相機的高功耗與數(shù)據(jù)延遲問題提供了新的思路，更為下一代大規(guī)模、低功耗、高能效的邊緣計算視覺終端、類腦計算芯片及智能機器視覺系統(tǒng)的研發(fā)提供了極具潛力的硬件解決方案。

據(jù)了解，該技術(shù)在手機相機、安防監(jiān)控、工業(yè)檢測、無人機等領(lǐng)域均具有應(yīng)用潛力。比如，可以助力未來手機相機模組更薄、拍照更清晰、AI識圖更省電；戶外攝像頭不用頻繁充電，本地就能識別人車、過濾干擾；醫(yī)療便攜設(shè)備可快速成像并初步分析，助力基層診療。（張玉蓮）