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中科大发明超级二极管技术,或颠覆手机摄像头和机器人眼睛

除了发光、探测和作为开关,二极管还能做什么? 发光、探测、开关——这是我们对二极管功能的传统认知。但有没有可能,让这个经典的半导体元件,在一个微小的结构里同时完成更多事情?中国科学技术大学孙海定教授团队的最新研究,给出了一个碘伏性的答案:他们成功研制出一种“三合一”功能的二极管,能同步实现拍照、降噪

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    除了发光、探测和作为开关,二极管还能做什么?

    发光、探测、开关——这是我们对二极管功能的传统认知。但有没有可能,让这个经典的半导体元件,在一个微小的结构里同时完成更多事情?中国科学技术大学孙海定教授团队的最新研究,给出了一个碘伏性的答案:他们成功研制出一种“三合一”功能的二极管,能同步实现拍照、降噪和识别图案。



    这意味着什么?传统上需要多个晶体管、存储单元和复杂外围电路协同才能达成的任务,如今在一个结构简洁的两端二极管及其阵列中就能直接完成。更重要的是,这个过程跳过了繁琐的模数转换和数据搬运环节。

    秘诀何在?研究团队通过引入一种新颖的结构,在普通二极管内部巧妙地构建了一个“电子储蓄池”。正是这个设计,让原本功能单一的器件升级为“多面手”。在保持经典二极管简洁架构的前提下,这个新器件不仅能“看”(光感知)、能“记住”(存储),还能“想”(进行初步计算)。


    图丨感存算集成智能感知芯片的照片及显微镜图片(来源:受访者)

    为了展示其应用潜力,团队构建了一个10×10的二极管阵列。在FMNIST图像识别任务中,该阵列经过原位去噪处理后,识别准确率从不足60%大幅跃升至95%以上,效果堪称显著。

    这背后解决了一个核心痛点。想想传统的摄像头工作流程:拍摄照片后,原始数据需要传输到其他专用芯片进行降噪和识别处理。这种数据“搬运”不仅耗费电力、占用空间,更潜藏着隐私泄露的风险。而新型二极管阵列的厉害之处在于,它能够同步完成图像捕捉、噪声过滤,甚至直接对图像进行分类识别,所有流程在本地即可闭环。


    图丨孙海定团队(来源:受访者)

    其应用前景显而易见。如今许多家庭摄像头需要将视频数据上传至云端进行识别分析。如果摄像头本身就能在本地完成识别,只需上传“识别结果”而非原始视频流,隐私安全性将得到质的提升。

    这项技术的另一大优势在于,其制造工艺与主流的互补金属氧化物半导体(CMOS)技术完全兼容。这为其在未来下一代边缘计算视觉终端、类脑计算芯片以及智能机器视觉系统中的应用铺平了道路。据研究团队预测,视觉相机或小型相机模块可能成为最快落地的应用场景,未来有望集成于手机、安防监控、物联网设备、工业检测装备、医疗装置,乃至无人机和机器人之中。

    孙海定教授在接受采访时透露:“目前已有公司联系我们,探讨将这种相机用作机器人的‘眼睛’。我们也期待与产业界深入合作,在实现超低功耗和纳秒级响应的基础上,进一步优化成像效果。”

    经典元件如何应 AI 时代新需求?

    要理解这项突破,不妨先看看其技术背景。中国科学技术大学孙海定教授领导的iGaN实验室,长期深耕于宽禁带III族氮化物(如氮化镓)半导体材料的外延生长、光电器件与集成芯片研究。氮化镓作为节能照明、快充技术和5G基站中的明星材料,其半导体异质结界面会自然形成一层二维电子气,通常具有极高的电子浓度。

    团队的积累为此项突破奠定了基础。此前,他们曾在《自然·电子学》上以封面文章形式发表成果,首次提出并实现了基于场效应调制的光电二极管,该技术有望应用于光通信和光逻辑运算领域。

    在那项工作中,研究人员通过单片集成方法,在氮化镓基紫外发光二极管上构建了三端口结构,使其既能作为可调谐光发射器,也能用作多功能光电探测器。在光通信中,这种“三电极”设计有助于减小寄生电容,将带宽提升高达60%;在逻辑运算方面,无需改变器件结构就能实现NAND、NOR等多种光控逻辑门。这种新颖架构为发展下一代高速、小型化、多功能光电集成芯片提供了有力推动。


    (来源:Nature Electronics)

    更早之前,发表于《自然·光子学》的研究中,该团队制备出了国际上首个微型紫外光谱成像芯片。该芯片在新型氮化镓基级联光电二极管架构上,深度融合了深度神经网络算法,实现了高精度光谱探测与高分辨率多光谱成像的融合,探测速度达到纳秒级,而成本有望降低99%。

    这项研究填补了微型光谱仪在紫外波段的技术空白,展示了在紧凑型便携光谱分析、快速光谱成像芯片、高通量实时生物分子检测以及片上集成传感等多个领域的应用潜力。


    图丨微型光谱仪覆盖光谱波段(来源:Nature Photonics)

    老树开新花:将感知、储存、计算功能同时塞进二极管

    在传统半导体领域,常见的p-n结二极管功能往往非常单一:要么用作光电探测器,要么用于整流或发光。随着人工智能技术的飞速发展,感存算一体化的AI计算芯片备受关注,但多数现有方案仍需依赖多种器件或复杂的异质集成。

    正是洞察到基础元件功能单一与市场多元化需求之间的矛盾,研究团队提出了一个大胆的设想:能否彻底革新传统二极管,赋予它更强大的智能功能?

    要让芯片同时具备感知、存储和计算能力,传统思路无外乎两种:要么增加第三甚至更多电极端口;要么在二极管周围集成复杂的电路,例如像CMOS图像传感器那样,为每个像素配备多个晶体管。这些方法虽然可行,但代价是硬件复杂度、芯片面积和功耗的显著增加。


    (来源:Nature Electronics)

    凭借在氮化镓领域的深厚积累,研究团队另辟蹊径,提出了一种全新的解决方案。他们没有选择堆叠复杂结构,而是在二极管内部进行了巧妙的“改造”。具体来说,研究人员在硅衬底上,利用分子束外延技术垂直生长出具有p-GaN/n-AlGaN/n-GaN独特结构的二极管阵列。

    其中的创新设计在于,在传统的p-GaN/n-GaN结之间,插入了一段宽禁带的n型AlGaN层。这相当于通过精密的能带工程,在器件内部建造了一个“电荷储蓄池”。其优势在于,当光线照射时,产生的光生载流子中的电子可以被捕获并存储在这个“池子”里;当需要时,再通过施加外部电压将其提取出来。

    孙海定教授用一个生动的类比解释道:“这类似于太阳能电池的原理,阳光照射电池板产生电流。但我们的能带工程策略更进一步,不仅是‘发电’,还能把‘电’存进‘储蓄池’,随时按需释放。”


    (来源:Nature Electronics)

    实验测试表明,这种新型二极管展现出三种可切换的工作模式,只需改变施加的电压即可实现模式转换。

    第一种模式相当于自供电的光电探测器。在零偏压状态下,器件对265nm紫外光的响应度达到10.45mA/W,且光电流随光强增强呈线性变化。当施加较小的正向偏压时,“储蓄池”开始缓慢释放储存的电子,产生类似于生物神经突触的行为。

    当使用成对的光脉冲刺激器件时,会观察到一种“双脉冲易化”效应:第二次脉冲引发的兴奋性突触后电流明显高于第一次,二者比值最高可达122%。

    关键在于,这种突触行为具有时间依赖性。光脉冲间隔越短,易化效应越明显;如果间隔时间过长,电流则会逐渐衰减回原始水平。孙海定指出:“这正是神经网络处理时序信息的基础。”

    第三种模式则更加有趣。研究人员先在零偏压下用光脉冲照射二极管,将“储蓄池”填满电子后关闭光源。他们发现,这些电子并未立即消失,而是被稳定地锁存其中。随后,只需施加一个微小的读取电压脉冲,就能将这些存储的电子读出,形成与先前光剂量近似成正比的电流信号。

    实验中,研究人员对比了不同次数写入光脉冲的效果(对应State 0-7),成功在同一器件上实现了8个线性度良好的电流状态。结果显示,这些状态不仅稳定、可重复,还能通过施加反向电压脉冲进行擦除,具备了非易失性存储的特性。

    据团队回忆,这项研究最大的挑战在于工艺的一致性。在实验室里制备出单个能工作的器件或许不难,但要做出一个10×10的阵列,并确保每个像素性能稳定、均一,且能独立控制,则困难得多。

    经过漫长的工艺摸索和器件优化,理想的效果才得以实现:在50次读写循环后,电流漂移小于5%;在长达3000秒的稳定性测试中,电流波动被控制在1%以内。

    可能是 AI 硬件的一次路径替代

    传统相机的工作路径是:CMOS传感器感应光信号,经由电路和CPU处理转换为电信号,再经过放大等处理最终形成图像。在这项研究中,团队展示了一个作为相机原型的技术验证——10×10的视觉芯片。

    它与传统相机的根本区别在于,在输入光信号后,无需依赖外部元件、复杂电路系统或CPU处理,就能自动对图像进行降噪。孙海定教授强调:“我们对图像进行简单分类后,直接利用芯片本身感存算一体的内部运算能力,即可实现图像分类。这项技术的重大突破在于,仅通过二极管阵列就实现了以往只有忆阻器才具备的光学写入、电学读取和电学擦除功能。”

    该研究为感存算一体芯片领域提供了一条相对简洁的实现路径。从产业化角度看,与许多尚在实验室阶段的二维材料或钙钛矿相比,氮化镓本身已是成熟的半导体材料体系,广泛应用于LED、功率器件和射频器件中。在现有成熟工艺的基础上,通过新型结构设计就能让二极管焕发新功能,这无疑是“老树开新花”,也为该技术从实验室走向大规模产业化奠定了坚实基础。


    (来源:Nature Electronics)

    相关研究成果以《面向神经形态图像传感器的单二极管集成光感知、记忆与处理功能器件》为题,发表在《自然·电子学》上。

    中国科学技术大学博士研究生罗远旻、陈炜、余华斌博士和汪丹浩博士为论文共同第一作者,孙海定教授为唯一通讯作者。合作团队还包括加拿大麦吉尔大学、澳大利亚国立大学、浙江大学、英国剑桥大学及武汉大学等机构的研究人员。


    图丨相关论文(来源:Nature Electronics)

    这项技术不仅限于氮化镓材料,未来还有望拓展至砷化镓、磷化铟等传统化合物半导体。据悉,研究团队已就相关技术申请专利。目前,他们正与产业界积极沟通,计划进一步推进器件的小型化和像素分辨率的提升,并致力于实现芯片的规模化量产。在学术层面,团队也将继续探索创新。


    图丨刘胜院士(左)指导孙海定(来源:受访者)

    孙海定教授分享了他的科研理念:“我在本科和硕士阶段学习时,导师刘胜院士就时常告诫我们,不能只会发论文。这句话我一直铭记于心。当我成立自己的课题组后,我也对团队成员强调,我们的技术既要能上得了书架(发表高水平论文),也要能上得了货架(实现产品转化)。希望我们的技术能早日转化为真正实用的产品。”

    这项研究为我们揭示了一种新的可能性:未来的智能设备或许可以不再单纯依赖集中式的算力,而是自身就携带了分布式的、本地的智能。

    参考资料

    1.Luo, Y., Yu, H., Wang, D. et al. A single diode with integrated photosensing, memory and processing for neuromorphic image sensors. Nat Electron 9, 404–413 (2026). https://doi.org/10.1038/s41928-026-01588-2

    2.Memon, M.H., Yu, H., Luo, Y. et al. A three-terminal light emitting and detecting diode. Nat Electron 7, 279–287 (2024). https://doi.org/10.1038/s41928-024-01142-y

    3.Yu, H., Memon, M.H., Yao, M. et al. A miniaturized cascaded-diode-array spectral imager. Nat. Photon. 19, 1322–1329 (2025). https://doi.org/10.1038/s41566-025-01754-6

    排版:刘雅坤

    注:封面/首图由 AI 辅助生成

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