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感光、記憶、計算 “三合一”單二極管問世

在傳統的半導體世界中，一個p-n結二極管通常只能執行單一功能，如光電探測、整流或發光。然而，隨著人工智能和物聯網的快速發展，對硬件在感知、存儲和處理能力上提出了更高集成度的要求。為了在有限的空間內實現更復雜的功能，研究人員嘗試了兩種主要策略：一是通過引入第三個端口來構建三端器件，但這往往使制造工藝復雜化；二是將獨立的二極管與額外的電子元件互聯形成多功能電路，例如CMOS圖像傳感器，但這種方式增加了硬件復雜性和功耗。因此，如何在保持簡單、CMOS兼容的兩端器件結構基礎上，賦予其感知、存儲和處理多重功能，成為該領域一項重要且極具挑戰性的課題。

鑒于此，來自中國科學技術大學的孫海定教授提出了一種創新的能帶工程方案，成功研制出一種基于p-GaN/n-AlGaN/n-GaN納米線陣列的兩端多功能二極管。該器件通過在傳統p-n結中嵌入一個寬禁帶的n-AlGaN層，形成了獨特的電子勢阱，從而實現了對載流子捕獲與釋放的精準控制。該單二極管集成了光傳感、光突觸和光存儲三大功能，其光響應度達10.45 mA W?1，突觸可塑性中的雙脈沖易化（PPF）指數高達122%，并可實現八個線性的光存儲態。基于該器件的陣列，研究團隊進一步構建了一個無需額外電路即可同時完成圖像感知、噪聲抑制和圖像分類的緊湊型、高能效圖像傳感器。研究成果以題為“A single diode with integrated photosensing, memory and processing for neuromorphic image sensors”發表在最新一期《nature electronics》。

器件結構與工作原理

研究團隊通過分子束外延技術在導電硅襯底上垂直生長了p-GaN/n-AlGaN/n-GaN納米線陣列（圖1c）。透射電子顯微鏡和能譜分析清晰地展示了器件的三段式結構：約100 nm的p-GaN層、100 nm的n-AlGaN層和50 nm的n-GaN層（圖1d(i)）。器件的核心創新在于引入的n-AlGaN層，其寬禁帶和高n型摻雜特性在能帶中形成了一個“電子儲層”（圖1b）。這一儲層使得器件在傳統p-n結的載流子產生和輸運之外，新增了偏壓可控的電荷捕獲與釋放機制。

圖 1 | 基于多功能 p–n 二極管結構的三合一圖像傳感器

光電傳感與突觸行為

該器件在零偏壓下工作在“自供電光電傳感模式”，其光電流與入射光強呈線性相關（圖2b），光響應度經計算為10.45 mA W?1（圖2c）。當施加正向偏壓時，器件切換到“光突觸模式”。此時，儲層中的電子被釋放，產生一個“儲層電流”，與光生電流競爭，使得讀出電流的極性從負逐漸轉變為正（圖2e）。這種機制賦予了器件模擬突觸可塑性的能力。研究表明，在不同光強和光脈沖寬度刺激下，器件可產生從短程可塑性到長程可塑性的轉變。尤為重要的是，當施加成對的脈沖刺激時，觀察到了典型的雙脈沖易化現象，其PPF指數隨脈沖間隔增加而指數衰減，最高可達122%（圖2g）。

圖 2 | 二極管的光感應和光突觸特性

光存儲特性與多態實現

在“光存儲模式”下，器件通過光學寫入和電學讀取實現了數據的非易失性存儲。其工作流程為：在零偏壓下，光寫入將電子存儲于儲層中；隨后，通過施加電壓脈沖即可讀取存儲信息（圖3a）。實驗數據顯示，讀出電流與寫入光強和曝光時間呈近線性關系（圖3c）。基于此，研究團隊在不施加外部偏壓的情況下，通過改變光學寫入次數（0至7次），成功實現了八個不同且線性的電流狀態（圖3e），為構建多比特存儲器件奠定了基礎。此外，該器件還支持電學擦除，構成了完整的光學寫-電學讀-電學擦除循環（圖3b）。

圖 3 | 在施加±1 V偏壓下的光記憶行為

面向邊緣計算的神經形態圖像傳感器

基于上述三合一功能，研究團隊構建了一個10×10的二極管陣列，并將其應用于端側圖像處理（圖4a）。該芯片無需額外的存儲和處理單元，僅通過改變工作電壓即可依次完成三項任務：

感知：在零偏壓下，陣列以自供電模式實時感知帶有隨機噪聲的FMNIST（Fashion-MNIST）圖像數據（圖4b(i)）。

噪聲抑制：隨后，將器件工作電壓切換至1 V，利用光突觸機制，圖像信號對應的電子因多次累加而保留，而隨機噪聲對應的信號則衰減，從而實現原位圖像去噪（圖4b(ii)）。

圖像分類：最后，利用器件的多態光存儲特性模擬人工神經網絡的突觸權重。經過訓練，該陣列對去噪后圖像中“包”類別的識別準確率超過95%，相較于未經去噪處理的60%準確率有顯著提升（圖4b(iii)）。

圖 4 | 使用三合一器件陣列進行光感應、噪聲抑制和圖像分類的過程示意圖

總結與展望

這項工作證明，通過精妙的能帶工程設計，一個簡單的兩端p-n二極管可以超越其傳統功能限制，集成了感、存、算三大核心功能。研究團隊成功展示了基于此器件的陣列在構建高能效、緊湊型神經形態視覺系統方面的巨大潛力。該器件采用CMOS兼容工藝制造，為未來開發大規模、智能化的電子和光電子系統提供了一條有前景的技術路徑。其設計理念有望被拓展至薄膜器件及其他半導體材料體系，推動面向更廣泛應用的感知-計算融合芯片的發展。