近日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)牽頭，聯(lián)合中加澳英等多國高?？蒲袌F(tuán)隊(duì)完成的一項(xiàng)突破性研究，在國際頂級(jí)期刊《Nature Electronics》上正式亮相。該團(tuán)隊(duì)成功研發(fā)出全 球首 款可實(shí)現(xiàn)光傳感、存儲(chǔ)、處理“三合一”功能的新型光電二極管，并基于此構(gòu)建出低功耗類腦視覺相機(jī)原型，一舉打破傳統(tǒng)光電器件功能單一的行業(yè)困境，為我國儀器設(shè)備領(lǐng)域高端化、自主化發(fā)展開辟了新路徑。

在儀器設(shè)備行業(yè)，光電二極管作為核心基礎(chǔ)元器件，其性能直接決定了光電傳感、成像設(shè)備的上限。長期以來，全 球范圍內(nèi)的傳統(tǒng)PN結(jié)二極管都受限于半導(dǎo)體物理特性，僅能承擔(dān)“單向?qū)щ姟钡膯我还δ?，無法滿足人工智能時(shí)代對(duì)智能儀器的多元需求。

此次，中科大集成電路學(xué)院孫海定教授帶領(lǐng)的iGaN實(shí)驗(yàn)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)等科研力量，通過創(chuàng)新的能帶工程設(shè)計(jì)，成功破解了這一行業(yè)難題。據(jù)悉，孫海定教授團(tuán)隊(duì)長期深耕寬禁帶半導(dǎo)體材料與光電器件領(lǐng)域，在氮化鎵（GaN）基器件研發(fā)方面積累了深厚的技術(shù)經(jīng)驗(yàn)，該成果正是團(tuán)隊(duì)多年技術(shù)沉淀的集中體現(xiàn)。

與傳統(tǒng)器件相比，這款新型光電二極管的核心突破的在于架構(gòu)創(chuàng)新。研究團(tuán)隊(duì)摒棄了傳統(tǒng)PN結(jié)的單一設(shè)計(jì)，在導(dǎo)電硅襯底上構(gòu)建了高質(zhì)量垂直GaN基PN結(jié)二極管陣列，并創(chuàng)新性地在PN結(jié)內(nèi)部插入n-AlGaN寬帶隙層，通過能帶彎曲效應(yīng)形成局域“電荷存儲(chǔ)層”——這一設(shè)計(jì)相當(dāng)于給二極管增加了一個(gè)“電荷儲(chǔ)蓄池”，使其具備了傳統(tǒng)器件不具備的電荷捕獲與釋放能力。

更為關(guān)鍵的是，該器件無需額外搭載任何輔助電路，僅通過調(diào)節(jié)外部偏壓，就能靈活切換三種工作模式，實(shí)現(xiàn)“一器多用”：零偏壓狀態(tài)下，可實(shí)現(xiàn)自驅(qū)動(dòng)光傳感，憑借高線性度和快速響應(yīng)能力，完成實(shí)時(shí)圖像捕捉；恒定偏壓狀態(tài)下，展現(xiàn)出光突觸特性，其突觸電流可通過脈沖參數(shù)精準(zhǔn)調(diào)控；脈沖偏壓狀態(tài)下，則能實(shí)現(xiàn)多態(tài)光存儲(chǔ)，可穩(wěn)定呈現(xiàn)八個(gè)線性電流狀態(tài)，滿足不同場景下的存儲(chǔ)需求。這種設(shè)計(jì)從根本上簡化了智能儀器的硬件架構(gòu)，為儀器小型化、低功耗發(fā)展提供了可能。

科研成果的落地價(jià)值，離不開實(shí)際應(yīng)用的檢驗(yàn)。為驗(yàn)證該器件的實(shí)用性，研究團(tuán)隊(duì)采用10×10交叉陣列架構(gòu)，搭建了一套感存算一體化類腦視覺相機(jī)演示系統(tǒng)，并基于Fashion-MNIST圖像數(shù)據(jù)集開展了應(yīng)用測試。測試結(jié)果顯示，該系統(tǒng)無需依賴外部處理單元和獨(dú)立存儲(chǔ)器，僅通過偏壓調(diào)節(jié)，就能完成“圖像感知—硬件降噪—分類識(shí)別”的全流程原位處理。

數(shù)據(jù)顯示，該系統(tǒng)在零偏壓下可精準(zhǔn)捕捉含背景噪聲的原始圖像，切換至1V偏壓后，能利用電子釋放速率差異實(shí)現(xiàn)硬件級(jí)降噪，最終通過多態(tài)光存儲(chǔ)模式完成圖像分類，識(shí)別準(zhǔn)確率從降噪前的不足60%提升至95%以上。這一實(shí)測表現(xiàn)，充分證明了該器件在智能成像領(lǐng)域的應(yīng)用潛力，也為后續(xù)產(chǎn)業(yè)落地提供了有力支撐。

從行業(yè)發(fā)展層面來看，這款新型光電二極管的誕生，不僅重構(gòu)了光電器件的功能邊界，更對(duì)我國儀器設(shè)備產(chǎn)業(yè)具有重要的戰(zhàn)略意義。當(dāng)前，我國儀器儀表行業(yè)正全力推進(jìn)核心技術(shù)自主可控，國產(chǎn)替代進(jìn)程持續(xù)加速，而核心元器件的自主研發(fā)正是關(guān)鍵突破口。該器件的研制成功，提出了一種超緊湊、多功能、低功耗的光電感知器件新范式，打破了國外在高端光電傳感領(lǐng)域的技術(shù)壟斷。

下一步，研究團(tuán)隊(duì)將重點(diǎn)推進(jìn)器件的規(guī)模化制備和產(chǎn)業(yè)級(jí)測試，加快實(shí)驗(yàn)室成果向?qū)嶋H產(chǎn)品轉(zhuǎn)化，助力我國儀器設(shè)備行業(yè)實(shí)現(xiàn)更高水平的自主創(chuàng)新。