国产高端传感器件再突破！中科大攻克单器件感存算集成难题

近日，中国科学技术大学牵头，联合中加澳英等多国高校科研团队完成的一项突破性研究，在国际顶级期刊《Nature Electronics》上正式亮相。该团队成功研发出全 球首 款可实现光传感、存储、处理“三合一”功能的新型光电二极管，并基于此构建出低功耗类脑视觉相机原型，一举打破传统光电器件功能单一的行业困境，为我国仪器设备领域高端化、自主化发展开辟了新路径。

在仪器设备行业，光电二极管作为核心基础元器件，其性能直接决定了光电传感、成像设备的上限。长期以来，全 球范围内的传统PN结二极管都受限于半导体物理特性，仅能承担“单向导电”的单一功能，无法满足人工智能时代对智能仪器的多元需求。

此次，中科大集成电路学院孙海定教授带领的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科研力量，通过创新的能带工程设计，成功破解了这一行业难题。据悉，孙海定教授团队长期深耕宽禁带半导体材料与光电器件领域，在氮化镓（GaN）基器件研发方面积累了深厚的技术经验，该成果正是团队多年技术沉淀的集中体现。

与传统器件相比，这款新型光电二极管的核心突破的在于架构创新。研究团队摒弃了传统PN结的单一设计，在导电硅衬底上构建了高质量垂直GaN基PN结二极管阵列，并创新性地在PN结内部插入n-AlGaN宽带隙层，通过能带弯曲效应形成局域“电荷存储层”——这一设计相当于给二极管增加了一个“电荷储蓄池”，使其具备了传统器件不具备的电荷捕获与释放能力。

更为关键的是，该器件无需额外搭载任何辅助电路，仅通过调节外部偏压，就能灵活切换三种工作模式，实现“一器多用”：零偏压状态下，可实现自驱动光传感，凭借高线性度和快速响应能力，完成实时图像捕捉；恒定偏压状态下，展现出光突触特性，其突触电流可通过脉冲参数精准调控；脉冲偏压状态下，则能实现多态光存储，可稳定呈现八个线性电流状态，满足不同场景下的存储需求。这种设计从根本上简化了智能仪器的硬件架构，为仪器小型化、低功耗发展提供了可能。

科研成果的落地价值，离不开实际应用的检验。为验证该器件的实用性，研究团队采用10×10交叉阵列架构，搭建了一套感存算一体化类脑视觉相机演示系统，并基于Fashion-MNIST图像数据集开展了应用测试。测试结果显示，该系统无需依赖外部处理单元和独立存储器，仅通过偏压调节，就能完成“图像感知—硬件降噪—分类识别”的全流程原位处理。

数据显示，该系统在零偏压下可精准捕捉含背景噪声的原始图像，切换至1V偏压后，能利用电子释放速率差异实现硬件级降噪，最终通过多态光存储模式完成图像分类，识别准确率从降噪前的不足60%提升至95%以上。这一实测表现，充分证明了该器件在智能成像领域的应用潜力，也为后续产业落地提供了有力支撑。

从行业发展层面来看，这款新型光电二极管的诞生，不仅重构了光电器件的功能边界，更对我国仪器设备产业具有重要的战略意义。当前，我国仪器仪表行业正全力推进核心技术自主可控，国产替代进程持续加速，而核心元器件的自主研发正是关键突破口。该器件的研制成功，提出了一种超紧凑、多功能、低功耗的光电感知器件新范式，打破了国外在高端光电传感领域的技术垄断。

下一步，研究团队将重点推进器件的规模化制备和产业级测试，加快实验室成果向实际产品转化，助力我国仪器设备行业实现更高水平的自主创新。