中国科大研制出首个具有感存算三合一功能的光电二极管

中国科大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，成功研制出一种集成了光传感、存储和处理“三合一”多功能的光电二极管新架构，并由此构建规模化二极管阵列，开发出集感存算一体的低功耗类脑视觉相机。团队提出了一种新的PN结能带设计策略，通过在PN结中引入电荷存储层，突破了传统二极管仅仅只有“单向导电”这单一功能的半导体物理限制。该新器件无需额外电路即可在单个器件层面实现电压可调的光传感、光突触与光存储功能，实现集“感存算一体”智能光电二极管，并以此构建了具备图像降噪与分类识别能力的高效、低功耗边缘计算视觉相机。相关研究以“A single diode with integrated photosensing, memory and processing for neuromorphic image sensors”为题，于3月20日在线发表在国际知名期刊Nature Electronics。 w+u3*/Zf  
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在众多电子和光电子系统中，PN结二极管（如发光二极管、光电探测二极管等）是最重要的基础硬件单元。然而，由于受限于严格的半导体物理机制（如单向导电性），传统PN结二极管通常只能执行单一任务和功能。为了满足人工智能时代对复杂光电信号处理系统日益增长的需求，目前的光电成像系统中常规方案通常依赖于引入第三端电极，或将二极管与晶体管等其他外部逻辑电路通过系统级集成，即器件+电路系统集成，方可实现复杂视觉功能（例如基于 CMOS器件架构的传统视觉相机和传感器）。这些传统方法不仅大幅增加了系统硬件架构的复杂性，还带来了面积增大、功耗增加等难以克服的冯·诺依曼架构中感、存、算分离的硬件瓶颈。因此，如何在不引入多端结构、多种材料、不同电路模块的前提下，在单个二极管中自然赋予其多重功能，大幅简化硬件成本与开支，是当前类脑计算、类脑视觉和智能传感器技术面临的重大技术挑战。 Y&Z.2>b
 
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为克服上述因器件或电路复杂架构带来的性能桎梏，iGaN实验室与国内外多家单位联合攻关，创新性地提出了一种基于能带工程的PN结设计方案，提出新的光电二极管架构且能够完全与传统CMOS工艺兼容。研究团队在导电硅衬底上定向构建了高晶体质量的垂直氮化镓（GaN）基PN结二极管阵列。通过巧妙地在 GaN基PN结中插入宽带隙的 n-AlGaN 层，利用能带弯曲在其内部形成了一个局域的“电荷存储层”。这一嵌入式电子储层结构赋予了器件在传统载流子生成与传输之外的“电荷捕获与释放”能力，并使器件能够通过简单的外部偏压进行任意模式切换和操控。在构建这一结构及其简单的光电二极管和阵列中（图1a），通过调整外部偏压而无需改变器件结构，就可以让器件展现出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（图1b）。在零偏压下，器件表现出稳定且高线性度的自驱动光传感特性（图1c），利用响应速度较快的方波响应，可以实现实时图像感知的功能；在恒定偏压下，器件展现出光突触行为（图1d），突触电流受脉冲次数、脉冲频率等因素调控；在脉冲偏压操作下，器件通过光写入-电压脉冲读出-电压脉冲擦除的方式，实现了多态光存储能力（图1e），并实现八个线性电流状态。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（图1f）。 S3Xl