中国科大造出“全能光电小元件”

新型光电二极管实现“看、记、想”一体

　　3月24日，记者从中国科学技术大学获悉，该校集成电路学院孙海定教授iGaN实验室联合加拿大麦吉尔大学、澳大利亚国立大学、浙江大学、英国剑桥大学及武汉大学等多所高校的科研团队，成功研制出集感光、存储、处理于一体的新型光电二极管，让传统PN二极管从单一功能变为可看、可记、可想的“多面手”，为智能视觉硬件开辟全新路径。相关成果3月20日在线发表在国际知名期刊《Nature Electronics》。

　　二极管是电子设备最基础的“积木”，传统光电二极管只会“感光”，要做成相机，必须搭配存储器和处理器，不仅结构复杂、耗电高，还容易出现延迟。中国科大团队另辟蹊径，在氮化镓PN结里巧妙加入一层特殊材料，造出微型“电荷储蓄池”，让单个二极管突破物理限制，变身“全能选手”。只需调节电压，它就能呈现三种独立且可自由切换的工作模式：光电感知、光电突触和光电存储，最终实现图像感知、图像降噪和图像分类的功能。这种基于电压切换和调控的三种PN结工作模式的功能突破，有望开发出具备实时感知与边缘图像降噪与分类的类脑智能感知相机。

　　团队用10×10的二极管阵列，构建了一套具备感、存、算一体化功能的类脑视觉相机的演示系统。测试显示，这台相机不用外接电脑或存储芯片，就能原位完成全流程处理：先拍下带噪声的图像，再硬件级自动降噪，最后直接识别分类。原本识别率不足60%，处理后准确率提升到95%以上，功耗和体积大幅下降。

　　该工作提出并验证了一种基于传统PN结二极管结构的超紧凑、多功能、低功耗前沿光电感知器件新范式。这一突破打破了长期以来“感光、存储、计算分开”的行业瓶颈。过去相机依赖感光、存储、计算分开的架构，数据需在不同芯片间频繁搬运；现在单个元件包办全部工作，更省电、更小巧、响应更快。

　　未来，该能带设计理念可以扩展至其他半导体材料体系中，以实现覆盖更宽范围的工作波长和更高的集成度。由于该二极管的制造高度兼容现有的硅基半导体微纳加工工艺，这不仅为解决传统视觉传感器或相机的高功耗与数据延迟问题提供了新的思路，更为下一代大规模、低功耗、高能效的边缘计算视觉终端、类脑计算芯片及智能机器视觉系统的研发提供了极具潜力的硬件解决方案。

　　据了解，该技术在手机相机、安防监控、工业检测、无人机等领域均具有应用潜力。比如，可以助力未来手机相机模组更薄、拍照更清晰、AI识图更省电；户外摄像头不用频繁充电，本地就能识别人车、过滤干扰；医疗便携设备可快速成像并初步分析，助力基层诊疗。（记者 张玉莲）