科學技術大學集成電路學孫海定教授iGaN實驗室，聯合加拿大麥吉爾大學、澳大利亞國立大學、浙江大學、英國劍橋大學及武漢大學等多所高校的科研團隊，*研制出一種集成了光傳感、存儲和處理“三合一”多功能的光電二極管新架構，并由此構建規模化二極管陣列，開發出集感存算一體的低功耗類腦視覺相機。團隊提出了一種新的PN結能帶設計策略，通過在PN結中引入電荷存儲層，突破了傳統二極管僅僅只有“單向導電”這單一功能的半導體物理限制。該新器件無需額外電路即可在單個器件層面實現電壓可調的光傳感、光突觸與光存儲功能，實現集“感存算一體”智能光電二極管，并以此構建了具備圖像降噪與分類識別能力的高效、低功耗邊緣計算視覺相機。相關研究以“A single diode with、WWW.SHYB9.com integrated photosensing, WWW.SHYB118.COMmemory and processing for neuromorphic image sensors”為題，于3月20日在線發表在國際期刊Nature Electronics。

  在眾多電子和光電子系統中，PN結二極管(如發光二極管、光電探測二極管等)是*重要的基礎硬件單元。然而，由于受限于嚴格的半導體物理機制(如單向導電性)，傳統PN結二極管通常只能執行單一任務和功能。為了滿足人工智能時代對復雜光電信號處理系統日益增長的需求，目前的光電成像系統中常規方案通常依賴于引入第三端電極，或將二極管與晶體管等其他外部邏輯電路通過系統級集成，即器件+電路系統集成，方可實現復雜視覺功能(例如基于、WWW.shybdj6.net/ CMOS器件架構的傳統視覺相機和傳感器)。這些傳統方法不僅大幅增加了系統硬件架構的復雜性，還帶來了面積增大、功耗增加等難以克服的馮·諾依曼架構中感、存、算分離的硬件瓶頸。因此，如何在不引入多端結構、多種材料、上海儀表四廠不同電路模塊的前提下，在單個二極管中自然賦予其多重功能，大幅簡化硬件成本與開支，是當前類腦計算、類腦視覺和智能傳感器技術面臨的重大技術挑戰。

  為克服上述因器件或電路復雜架構帶來的性能桎梏，iGaN實驗室與國內外多家單位聯合攻關，創新性地提出了一種基于能帶工程的PN結設計方案，提出新的光電二極管架構且能夠完全與傳統、WWW.zghq5.com/CMOS工藝兼容。研究團隊在導電硅襯底上定向構建了高晶體質量的垂直氮化鎵(GaN)基PN結二極管陣列。通過巧妙地在 GaN基PN結中插入寬帶隙的 n-AlGaN 層，利用能帶彎曲在其內部形成了一個局域的“電荷存儲層”。這一嵌入式電子儲層結構賦予了器件在傳統載流子生成與傳輸之外的“電荷捕獲與釋放”能力，并使器件能夠通過簡單的外部偏壓進行任意模式切換和操控。在構建這一結構及其簡單的光電二極管和陣列中，通過調整外部偏壓而無需改變器件結構，就可以讓器件展現出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，*終實現圖像感知、圖像降噪和圖像分類的功能。在零偏壓下，器件表現出穩定且高線性度的自驅動光傳感特性，上海自動化儀表九廠利用響應速度較快的方波響應，可以實現實時圖像感知的功能；在恒定偏壓下，器件展現出光突觸行為，突觸電流受脈沖次數、脈沖頻率等因素調控；在脈沖偏壓操作下，器件通過光寫入-電壓脈沖讀出-電壓脈沖擦除的方式，實現了多態光存儲能力，并實現八個線性電流狀態。這種基于電壓切換和調控的三種PN結工作模式的功能突破，有望開發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。

  為了驗證該感存算集成光電二極管在智能感知中的應用潛力，基于該器件的“三合一”優異性能，研究團隊進一步采用 10×10 交叉陣列架構，構建了一套具備感、存、算一體化功能的類腦視覺相機的演示系統(圖2a)。在針對 Fashion-MNIST 圖像數據集的成像應用驗證中，該陣列無需依賴任何外部處理單元或獨立存儲器，僅通過調節施加在器件上的偏壓，即可在原位完成整個圖像處理流程。具體而言，在零偏壓下，陣列可實時感知并獲取包含背景噪聲的原始圖像信號；隨后切換至 1 V 偏壓觸發光突觸模式，利用低頻噪聲與高頻圖像信號在電子釋放速率上的差異，在后臺直接實現硬件級的圖像降噪(Noise suppression)；*，利用多態光存儲模式，該陣列被配置為人工神經網絡(ANN)，將處理后的信號作為突觸權重進行存儲與圖像分類。測試結果表明，相較于未降噪前低于 60% 的識別率，該系統在降噪后的圖像識別準確率顯著提升并過了 95%。

  該工作提出并驗證了一種基于傳統PN結二極管結構的緊湊、多功能、低功耗前沿光電感知器件新范式。通過*的能帶工程在PN結中引入具有納米尺度的電荷存儲層(類似電荷儲蓄池)，打破了傳統成像相機中(、WWW.SHHZY3.CN/CMOS相機)每個像素點上感、存、算完全分離的成像架構壁壘。未來，該能帶設計理念可以擴展至其他半導體材料體系中，以實現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有的硅基半導體微納加工工藝，這不僅為解決傳統視覺傳感器或相機的高功耗與數據延遲問題提供了新的思路，更為下一代大規模、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的研發提供了極具潛力的硬件解決方案。

  該論文的共同*作者為科學技術大學博士研究生羅遠旻和陳煒，以及余華斌博士和汪丹浩博士，孫海定教授為本論文的*通訊作者。該研究工作得到了加拿大麥吉爾大學 、WWW.SHSAIC.NET/Songrui Zhao 教授、澳大利亞國立大學 Lan Fu 教授、浙江大學楊宗銀教授、劍橋大學 Tawfique Hasan 教授以及武漢大學劉勝士等合作者的重要指導與支持。研究工作得到了*自然科學基金委、安徽省自然科學基金等項目資助，并獲得了科大集成電路學(微電子學)、集成電路實驗中心、微納研究與制造中心、理化科學實驗中心及高分辨電鏡組的大力支持。