当前位置:

首页 > 硬件相关 > 中科大发明超级二极管技术,或颠覆手机摄像头和机器人眼睛

中科大发明超级二极管技术,或颠覆手机摄像头和机器人眼睛

除了发光、探测和作为开关,二极管还能做什么? 发光、探测、开关——这是我们对二极管功能的传统认知。但有没有可能,让这个经典的半导体元件,在一个微小的结构里同时完成更多事情?中国科学技术大学孙海定教授团队的最新研究,给出了一个碘伏性的答案:他们成功研制出一种“三合一”功能的二极管,能同步实现拍照、降噪

除了发光、探测和作为开关,二极管还能做什么?

发光、探测、开关——这是我们对二极管功能的传统认知。但有没有可能,让这个经典的半导体元件,在一个微小的结构里同时完成更多事情?中国科学技术大学孙海定教授团队的最新研究,给出了一个碘伏性的答案:他们成功研制出一种“三合一”功能的二极管,能同步实现拍照、降噪和识别图案。



这意味着什么?传统上需要多个晶体管、存储单元和复杂外围电路协同才能达成的任务,如今在一个结构简洁的两端二极管及其阵列中就能直接完成。更重要的是,这个过程跳过了繁琐的模数转换和数据搬运环节。

秘诀何在?研究团队通过引入一种新颖的结构,在普通二极管内部巧妙地构建了一个“电子储蓄池”。正是这个设计,让原本功能单一的器件升级为“多面手”。在保持经典二极管简洁架构的前提下,这个新器件不仅能“看”(光感知)、能“记住”(存储),还能“想”(进行初步计算)。


图丨感存算集成智能感知芯片的照片及显微镜图片(来源:受访者)

为了展示其应用潜力,团队构建了一个10×10的二极管阵列。在FMNIST图像识别任务中,该阵列经过原位去噪处理后,识别准确率从不足60%大幅跃升至95%以上,效果堪称显著。

这背后解决了一个核心痛点。想想传统的摄像头工作流程:拍摄照片后,原始数据需要传输到其他专用芯片进行降噪和识别处理。这种数据“搬运”不仅耗费电力、占用空间,更潜藏着隐私泄露的风险。而新型二极管阵列的厉害之处在于,它能够同步完成图像捕捉、噪声过滤,甚至直接对图像进行分类识别,所有流程在本地即可闭环。


图丨孙海定团队(来源:受访者)

其应用前景显而易见。如今许多家庭摄像头需要将视频数据上传至云端进行识别分析。如果摄像头本身就能在本地完成识别,只需上传“识别结果”而非原始视频流,隐私安全性将得到质的提升。

这项技术的另一大优势在于,其制造工艺与主流的互补金属氧化物半导体(CMOS)技术完全兼容。这为其在未来下一代边缘计算视觉终端、类脑计算芯片以及智能机器视觉系统中的应用铺平了道路。据研究团队预测,视觉相机或小型相机模块可能成为最快落地的应用场景,未来有望集成于手机、安防监控、物联网设备、工业检测装备、医疗装置,乃至无人机和机器人之中。

孙海定教授在接受采访时透露:“目前已有公司联系我们,探讨将这种相机用作机器人的‘眼睛’。我们也期待与产业界深入合作,在实现超低功耗和纳秒级响应的基础上,进一步优化成像效果。”

经典元件如何应 AI 时代新需求?

要理解这项突破,不妨先看看其技术背景。中国科学技术大学孙海定教授领导的iGaN实验室,长期深耕于宽禁带III族氮化物(如氮化镓)半导体材料的外延生长、光电器件与集成芯片研究。氮化镓作为节能照明、快充技术和5G基站中的明星材料,其半导体异质结界面会自然形成一层二维电子气,通常具有极高的电子浓度。

团队的积累为此项突破奠定了基础。此前,他们曾在《自然·电子学》上以封面文章形式发表成果,首次提出并实现了基于场效应调制的光电二极管,该技术有望应用于光通信和光逻辑运算领域。

在那项工作中,研究人员通过单片集成方法,在氮化镓基紫外发光二极管上构建了三端口结构,使其既能作为可调谐光发射器,也能用作多功能光电探测器。在光通信中,这种“三电极”设计有助于减小寄生电容,将带宽提升高达60%;在逻辑运算方面,无需改变器件结构就能实现NAND、NOR等多种光控逻辑门。这种新颖架构为发展下一代高速、小型化、多功能光电集成芯片提供了有力推动。


(来源:Nature Electronics)

更早之前,发表于《自然·光子学》的研究中,该团队制备出了国际上首个微型紫外光谱成像芯片。该芯片在新型氮化镓基级联光电二极管架构上,深度融合了深度神经网络算法,实现了高精度光谱探测与高分辨率多光谱成像的融合,探测速度达到纳秒级,而成本有望降低99%。

这项研究填补了微型光谱仪在紫外波段的技术空白,展示了在紧凑型便携光谱分析、快速光谱成像芯片、高通量实时生物分子检测以及片上集成传感等多个领域的应用潜力。


图丨微型光谱仪覆盖光谱波段(来源:Nature Photonics)

老树开新花:将感知、储存、计算功能同时塞进二极管

在传统半导体领域,常见的p-n结二极管功能往往非常单一:要么用作光电探测器,要么用于整流或发光。随着人工智能技术的飞速发展,感存算一体化的AI计算芯片备受关注,但多数现有方案仍需依赖多种器件或复杂的异质集成。

正是洞察到基础元件功能单一与市场多元化需求之间的矛盾,研究团队提出了一个大胆的设想:能否彻底革新传统二极管,赋予它更强大的智能功能?

要让芯片同时具备感知、存储和计算能力,传统思路无外乎两种:要么增加第三甚至更多电极端口;要么在二极管周围集成复杂的电路,例如像CMOS图像传感器那样,为每个像素配备多个晶体管。这些方法虽然可行,但代价是硬件复杂度、芯片面积和功耗的显著增加。


(来源:Nature Electronics)

凭借在氮化镓领域的深厚积累,研究团队另辟蹊径,提出了一种全新的解决方案。他们没有选择堆叠复杂结构,而是在二极管内部进行了巧妙的“改造”。具体来说,研究人员在硅衬底上,利用分子束外延技术垂直生长出具有p-GaN/n-AlGaN/n-GaN独特结构的二极管阵列。

其中的创新设计在于,在传统的p-GaN/n-GaN结之间,插入了一段宽禁带的n型AlGaN层。这相当于通过精密的能带工程,在器件内部建造了一个“电荷储蓄池”。其优势在于,当光线照射时,产生的光生载流子中的电子可以被捕获并存储在这个“池子”里;当需要时,再通过施加外部电压将其提取出来。

孙海定教授用一个生动的类比解释道:“这类似于太阳能电池的原理,阳光照射电池板产生电流。但我们的能带工程策略更进一步,不仅是‘发电’,还能把‘电’存进‘储蓄池’,随时按需释放。”


(来源:Nature Electronics)

实验测试表明,这种新型二极管展现出三种可切换的工作模式,只需改变施加的电压即可实现模式转换。

第一种模式相当于自供电的光电探测器。在零偏压状态下,器件对265nm紫外光的响应度达到10.45mA/W,且光电流随光强增强呈线性变化。当施加较小的正向偏压时,“储蓄池”开始缓慢释放储存的电子,产生类似于生物神经突触的行为。

当使用成对的光脉冲刺激器件时,会观察到一种“双脉冲易化”效应:第二次脉冲引发的兴奋性突触后电流明显高于第一次,二者比值最高可达122%。

关键在于,这种突触行为具有时间依赖性。光脉冲间隔越短,易化效应越明显;如果间隔时间过长,电流则会逐渐衰减回原始水平。孙海定指出:“这正是神经网络处理时序信息的基础。”

第三种模式则更加有趣。研究人员先在零偏压下用光脉冲照射二极管,将“储蓄池”填满电子后关闭光源。他们发现,这些电子并未立即消失,而是被稳定地锁存其中。随后,只需施加一个微小的读取电压脉冲,就能将这些存储的电子读出,形成与先前光剂量近似成正比的电流信号。

实验中,研究人员对比了不同次数写入光脉冲的效果(对应State 0-7),成功在同一器件上实现了8个线性度良好的电流状态。结果显示,这些状态不仅稳定、可重复,还能通过施加反向电压脉冲进行擦除,具备了非易失性存储的特性。

据团队回忆,这项研究最大的挑战在于工艺的一致性。在实验室里制备出单个能工作的器件或许不难,但要做出一个10×10的阵列,并确保每个像素性能稳定、均一,且能独立控制,则困难得多。

经过漫长的工艺摸索和器件优化,理想的效果才得以实现:在50次读写循环后,电流漂移小于5%;在长达3000秒的稳定性测试中,电流波动被控制在1%以内。

可能是 AI 硬件的一次路径替代

传统相机的工作路径是:CMOS传感器感应光信号,经由电路和CPU处理转换为电信号,再经过放大等处理最终形成图像。在这项研究中,团队展示了一个作为相机原型的技术验证——10×10的视觉芯片。

它与传统相机的根本区别在于,在输入光信号后,无需依赖外部元件、复杂电路系统或CPU处理,就能自动对图像进行降噪。孙海定教授强调:“我们对图像进行简单分类后,直接利用芯片本身感存算一体的内部运算能力,即可实现图像分类。这项技术的重大突破在于,仅通过二极管阵列就实现了以往只有忆阻器才具备的光学写入、电学读取和电学擦除功能。”

该研究为感存算一体芯片领域提供了一条相对简洁的实现路径。从产业化角度看,与许多尚在实验室阶段的二维材料或钙钛矿相比,氮化镓本身已是成熟的半导体材料体系,广泛应用于LED、功率器件和射频器件中。在现有成熟工艺的基础上,通过新型结构设计就能让二极管焕发新功能,这无疑是“老树开新花”,也为该技术从实验室走向大规模产业化奠定了坚实基础。


(来源:Nature Electronics)

相关研究成果以《面向神经形态图像传感器的单二极管集成光感知、记忆与处理功能器件》为题,发表在《自然·电子学》上。

中国科学技术大学博士研究生罗远旻、陈炜、余华斌博士和汪丹浩博士为论文共同第一作者,孙海定教授为唯一通讯作者。合作团队还包括加拿大麦吉尔大学、澳大利亚国立大学、浙江大学、英国剑桥大学及武汉大学等机构的研究人员。


图丨相关论文(来源:Nature Electronics)

这项技术不仅限于氮化镓材料,未来还有望拓展至砷化镓、磷化铟等传统化合物半导体。据悉,研究团队已就相关技术申请专利。目前,他们正与产业界积极沟通,计划进一步推进器件的小型化和像素分辨率的提升,并致力于实现芯片的规模化量产。在学术层面,团队也将继续探索创新。


图丨刘胜院士(左)指导孙海定(来源:受访者)

孙海定教授分享了他的科研理念:“我在本科和硕士阶段学习时,导师刘胜院士就时常告诫我们,不能只会发论文。这句话我一直铭记于心。当我成立自己的课题组后,我也对团队成员强调,我们的技术既要能上得了书架(发表高水平论文),也要能上得了货架(实现产品转化)。希望我们的技术能早日转化为真正实用的产品。”

这项研究为我们揭示了一种新的可能性:未来的智能设备或许可以不再单纯依赖集中式的算力,而是自身就携带了分布式的、本地的智能。

参考资料

1.Luo, Y., Yu, H., Wang, D. et al. A single diode with integrated photosensing, memory and processing for neuromorphic image sensors. Nat Electron 9, 404–413 (2026). https://doi.org/10.1038/s41928-026-01588-2

2.Memon, M.H., Yu, H., Luo, Y. et al. A three-terminal light emitting and detecting diode. Nat Electron 7, 279–287 (2024). https://doi.org/10.1038/s41928-024-01142-y

3.Yu, H., Memon, M.H., Yao, M. et al. A miniaturized cascaded-diode-array spectral imager. Nat. Photon. 19, 1322–1329 (2025). https://doi.org/10.1038/s41566-025-01754-6

排版:刘雅坤

注:封面/首图由 AI 辅助生成

本站声明:本文内容由网友自发贡献,版权归原作者所有,本站不承担相应法律责任。如您发现有涉嫌抄袭侵权的内容,请联系bd@zhengruan.com
作者最新文章
硬件相关 机器人
相关文章 更多
贾跃亭的FF机器人亮相CBS、引爆街头:借势世界杯“轻巧破圈”
贾跃亭的FF机器人亮相CBS、引爆街头:借势世界杯“轻巧破圈”

法拉第未来EAI机器人亮相洛杉矶世界杯庆典,被CBS报道,实现零广告费破圈。目前推出三大系列机器人,截至5月累计交付137台,年度目标上调至1500台。近期获7000万美元融资,将发布机器人教育生态战略,加速物理AI领域布局。

启元机器人加速线下布局:亚洲首店落子深圳,上海全球首店同步筹备
启元机器人加速线下布局:亚洲首店落子深圳,上海全球首店同步筹备

启元机器人加速线下布局,亚洲首店已在深圳卓悦中心设围挡,上海全球首店同步筹备,西安等地也在推进中。作为上纬新材在消费级具身智能领域的核心载体,其聚焦个人机器人赛道,研发投入同比增长超500%。

【城事】001,世界会客厅首位机器人员工上岗
【城事】001,世界会客厅首位机器人员工上岗

6月16日,世界会客厅迎来首位智能导览员——编号001的人形机器人正式上岗。它身高约1.7米,通体银白,可提供多语种讲解、智能引导与互动问答,致力于提升智慧化参观体验。同日,世界会客厅举办了年度品牌日暨首秀5周年纪念活动。

300名截肢患者,正在变成机器人的触觉训练师
300名截肢患者,正在变成机器人的触觉训练师

约300名截肢患者日常使用仿生手产生的触觉与运动数据,被PSYONIC用于机器人灵巧手训练,通过“真实到真实”迁移绕过仿真环节,将人类操控经验直接迁移至机器人。已与ABB、NVIDIA合作探索汽车制造等工业场景,但数据规模与可靠性仍需验证。

香港中文大学、上交大联合研究团队让机器人
香港中文大学、上交大联合研究团队让机器人"看"懂人类双手动作

ACE-Ego-0框架将人类双手视频与机器人数据统一到头部摄像头坐标系,通过形态条件化和可靠性加权损失处理结构差异与噪声。在超6000小时数据上预训练,于仿真和真实双臂机器人测试中刷新多项基准,平均成功率72.8%,真实任务达78.3%。

暑期回国研学新选择:北上深杭科技之旅,让孩子边玩边学收获满满
暑期回国研学新选择:北上深杭科技之旅,让孩子边玩边学收获满满

暑期科技研学聚焦北京、上海、深圳、杭州,项目涵盖京东智能物流、小米汽车工厂、火箭制造、3D打印、机器人、无人机、航天及大飞机总装等,让孩子深入体验智能制造,实现沉浸式职业启蒙。

顺丰同城机器人末端运力上线 助力肯德基“车速取”体验升级
顺丰同城机器人末端运力上线 助力肯德基“车速取”体验升级

顺丰同城上线机器人末端运力,与肯德基“车速取”合作,实现即停即取。机器人独立承担门店与路边取餐点间短途接驳,替代店员跑腿,推动无人物流从室内走向室外场景,拓宽服务半径。

活力中国调研行|在智造一线,看机器人“结”新硕果
活力中国调研行|在智造一线,看机器人“结”新硕果

天津机器人产业加速爆发,水下助推器、高速分拣并联机器人及人形取货机器人等应用场景涌现。智能机器人已列重点产业链,前4个月规上企业产值同比增长12.8%,产业生态逐步构建。

国家医保局:为“远程手术”等辅助操作统一价格立项
国家医保局:为“远程手术”等辅助操作统一价格立项

国家医保局发布指南,为3D打印、手术机器人、远程手术等辅助操作统一价格立项,按技术精度分类定价,鼓励用于高难度手术。机械臂耗材费用纳入定价,降低患者支出;首次设立远程手术辅助操作费;要求医疗数据及设备日志本地存储并实时上传,否则核减价格。

讯飞星火API文档持续完善,HTTP与WebSocket双路径降低开发接入门槛
讯飞星火API文档持续完善,HTTP与WebSocket双路径降低开发接入门槛

讯飞星火更新文档中心,提供HTTP与WebSocket两套接口,降低开发接入门槛。HTTP适用于服务端场景,WebSocket支持流式实时交互。文档详列请求地址、鉴权、参数及示例代码,补充上下文传递、报错处理等细节,明确模型参数边界,有效降低试错与评估成本。

查看更多
精品专题 更多
装机必备
装机必备

正软商城装机必备专区,精选办公、浏览器、安全防护、影音播放、压缩解压、设计创作和系统工具等电脑常用正版软件,帮助用户快速完成新电脑软件配置。

Windows
Windows

正软商城Windows软件专区,汇集适用于Windows电脑的办公、设计、安全防护、影音播放、开发工具和系统优化软件,提供软件介绍、系统要求、正版授权及购买下载服务。

PDF教程
PDF教程

正软商城PDF教程频道提供PDF编辑、转换、合并、拆分、压缩及格式处理方法,同时介绍常用PDF软件和工具的使用技巧。

Mac软件 更多
Postman macOS版
Postman macOS版
Mac

Postman是一套面向API全生命周期的开发与测试平台,可在Mac上发送和调试多种协议请求,管理集合、环境及认证信息,并完成脚本测试、模拟服务、监控、文档发布和团队协作。它适合开发、测试及运维人员使用,提供个人免费方案。

Docker Desktop macOS版
Docker Desktop macOS版
Mac

Docker Desktop 是 Docker 官方为 Mac 提供的容器开发环境,集成 Docker Engine、命令行工具、Compose、Build、Kubernetes 与图形化管理界面。

Android Studio macOS版
Android Studio macOS版
Mac

Android Studio 是 Google 面向安卓应用开发提供的官方集成开发环境,基于 IntelliJ IDEA 构建。它整合智能代码编辑、Gradle 构建、界面预览、设备模拟、性能分析、调试测试及 APK 分析等工具。

WINDOWS 更多
PixPix 网页版
PixPix 网页版
Windows

PixPix 是面向品牌、卖家和内容团队的在线 AI 图片视频创作平台,提供图视频 Agent、无限画布、图片生成、视频生成、自然语言编辑及商品套图、产品精修和带货视频等电商工具。

Postman Windows版
Postman Windows版
Windows

Postman 是面向 API 全生命周期的开发与协作平台。Windows 桌面版可用于构建和发送 HTTP、GraphQL、gRPC、WebSocket、MQTT 等请求,并提供环境变量、集合、脚本测试、模拟服务、监控、文档及团队工作区等

Docker Desktop Windows版
Docker Desktop Windows版
Windows

Docker Desktop 为 Windows 开发者提供集成式容器环境,内置 Docker Engine、命令行工具、Compose、Build 与 Kubernetes 等组件,可在本机完成镜像构建、容器运行、日志查看和资源管理。