大皖新闻讯3月23日，大皖新闻记者从中国科学技术大学获悉，该校集成电路学院孙海定教授iGaN实验室，与国内外多家单位联合攻关，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。相关研究于3月20日在线发表在国际知名期刊Nature Electronic。
记者获悉，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。
创新性提出PN结设计方案
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。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。
相关人员介绍称，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。
基于感存算集成二极管阵列的智能成像电路系统与应用验证：（a）图像处理流程及成像阵列与读出电路板照片,（b）实时噪声图像感知、图像降噪及图像分类过程示意图
为了验证该感存算集成光电二极管在智能感知中的应用潜力，基于该器件的“三合一”优异性能，研究团队进一步采用 10×10 交叉阵列架构，构建了一套具备感、存、算一体化功能的类脑视觉相机的演示系统。具体而言，在零偏压下，阵列可实时感知并获取包含背景噪声的原始图像信号；随后切换至 1 V 偏压触发光突触模式，利用低频噪声与高频图像信号在电子释放速率上的差异，在后台直接实现硬件级的图像降噪；最后，利用多态光存储模式，该阵列被配置为人工神经网络（ANN），将处理后的信号作为突触权重进行存储与图像分类。测试结果表明，相较于未降噪前低于 60% 的识别率，该系统在降噪后的图像识别准确率显著提升并超过了 95%。
为诸多项目研发提供潜力解决方案
相关人员表示，该工作提出并验证了一种基于传统PN结二极管结构的超紧凑、多功能、低功耗前沿光电感知器件新范式。通过精准的能带工程在PN结中引入具有纳米尺度的电荷存储层（类似电荷储蓄池），打破了传统成像相机中（CMOS相机）每个像素点上感、存、算完全分离的成像架构壁垒。未来，该能带设计理念可以扩展至其他半导体材料体系中，以实现覆盖更宽范围的工作波长和更高的集成度。
记者了解到，由于该二极管的制造高度兼容现有的硅基半导体微纳加工工艺，这不仅为解决传统视觉传感器或相机的高功耗与数据延迟问题提供了新的思路，更为下一代大规模、低功耗、高能效的边缘计算视觉终端、类脑计算芯片及智能机器视觉系统的研发提供了极具潜力的硬件解决方案。
大皖新闻记者 魏鑫鑫 （图片来自中国科大）
编辑 许大鹏