中國(guó)科大研制出首個(gè)具有感存算三合一功能的光電二極管

　　【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)集成電路學(xué)院孫海定教授iGaN實(shí)驗(yàn)室，聯(lián)合加拿大麥吉爾大學(xué)、澳大利亞國(guó)立大學(xué)、浙江大學(xué)、英國(guó)劍橋大學(xué)及武漢大學(xué)等多所高校的科研團(tuán)隊(duì)，成功研制出一種集成了光傳感、存儲(chǔ)和處理“三合一”多功能的光電二極管新架構(gòu)，并由此構(gòu)建規(guī)模化二極管陣列，開(kāi)發(fā)出集感存算一體的低功耗類(lèi)腦視覺(jué)相機(jī)。團(tuán)隊(duì)提出了一種新的PN結(jié)能帶設(shè)計(jì)策略，通過(guò)在PN結(jié)中引入電荷存儲(chǔ)層，突破了傳統(tǒng)二極管僅僅只有“單向?qū)щ?rdquo;這單一功能的半導(dǎo)體物理限制。該新器件無(wú)需額外電路即可在單個(gè)器件層面實(shí)現(xiàn)電壓可調(diào)的光傳感、光突觸與光存儲(chǔ)功能，實(shí)現(xiàn)集“感存算一體”智能光電二極管，并以此構(gòu)建了具備圖像降噪與分類(lèi)識(shí)別能力的高效、低功耗邊緣計(jì)算視覺(jué)相機(jī)。相關(guān)研究以“A single diode with integrated photosensing, memory and processing for neuromorphic image sensors”為題，于3月20日在線發(fā)表在國(guó)際知名期刊Nature Electronics。
 

　　在眾多電子和光電子系統(tǒng)中，PN結(jié)二極管(如發(fā)光二極管、光電探測(cè)二極管等)是最重要的基礎(chǔ)硬件單元。然而，由于受限于嚴(yán)格的半導(dǎo)體物理機(jī)制(如單向?qū)щ娦?，傳統(tǒng)PN結(jié)二極管通常只能執(zhí)行單一任務(wù)和功能。為了滿足人工智能時(shí)代對(duì)復(fù)雜光電信號(hào)處理系統(tǒng)日益增長(zhǎng)的需求，目前的光電成像系統(tǒng)中常規(guī)方案通常依賴于引入第三端電極，或?qū)⒍O管與晶體管等其他外部邏輯電路通過(guò)系統(tǒng)級(jí)集成，即器件+電路系統(tǒng)集成，方可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜視覺(jué)功能(例如基于 CMOS器件架構(gòu)的傳統(tǒng)視覺(jué)相機(jī)和傳感器)。這些傳統(tǒng)方法不僅大幅增加了系統(tǒng)硬件架構(gòu)的復(fù)雜性，還帶來(lái)了面積增大、功耗增加等難以克服的馮·諾依曼架構(gòu)中感、存、算分離的硬件瓶頸。因此，如何在不引入多端結(jié)構(gòu)、多種材料、不同電路模塊的前提下，在單個(gè)二極管中自然賦予其多重功能，大幅簡(jiǎn)化硬件成本與開(kāi)支，是當(dāng)前類(lèi)腦計(jì)算、類(lèi)腦視覺(jué)和智能傳感器技術(shù)面臨的重大技術(shù)挑戰(zhàn)。
 

　　為克服上述因器件或電路復(fù)雜架構(gòu)帶來(lái)的性能桎梏，iGaN實(shí)驗(yàn)室與國(guó)內(nèi)外多家單位聯(lián)合攻關(guān)，創(chuàng)新性地提出了一種基于能帶工程的PN結(jié)設(shè)計(jì)方案，提出新的光電二極管架構(gòu)且能夠完全與傳統(tǒng)CMOS工藝兼容。研究團(tuán)隊(duì)在導(dǎo)電硅襯底上定向構(gòu)建了高晶體質(zhì)量的垂直氮化鎵(GaN)基PN結(jié)二極管陣列。通過(guò)巧妙地在 GaN基PN結(jié)中插入寬帶隙的 n-AlGaN 層，利用能帶彎曲在其內(nèi)部形成了一個(gè)局域的“電荷存儲(chǔ)層”。這一嵌入式電子儲(chǔ)層結(jié)構(gòu)賦予了器件在傳統(tǒng)載流子生成與傳輸之外的“電荷捕獲與釋放”能力，并使器件能夠通過(guò)簡(jiǎn)單的外部偏壓進(jìn)行任意模式切換和操控。在構(gòu)建這一結(jié)構(gòu)及其簡(jiǎn)單的光電二極管和陣列中，通過(guò)調(diào)整外部偏壓而無(wú)需改變器件結(jié)構(gòu)，就可以讓器件展現(xiàn)出三種獨(dú)立且可自由切換的工作模式：光電感知、光電突觸和光電存儲(chǔ)，最終實(shí)現(xiàn)圖像感知、圖像降噪和圖像分類(lèi)的功能。在零偏壓下，器件表現(xiàn)出穩(wěn)定且高線性度的自驅(qū)動(dòng)光傳感特性，利用響應(yīng)速度較快的方波響應(yīng)，可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)圖像感知的功能；在恒定偏壓下，器件展現(xiàn)出光突觸行為，突觸電流受脈沖次數(shù)、脈沖頻率等因素調(diào)控；在脈沖偏壓操作下，器件通過(guò)光寫(xiě)入-電壓脈沖讀出-電壓脈沖擦除的方式，實(shí)現(xiàn)了多態(tài)光存儲(chǔ)能力，并實(shí)現(xiàn)八個(gè)線性電流狀態(tài)。這種基于電壓切換和調(diào)控的三種PN結(jié)工作模式的功能突破，有望開(kāi)發(fā)出具備實(shí)時(shí)感知與邊緣圖像降噪與分類(lèi)的類(lèi)腦智能感知相機(jī)。
 

　　為了驗(yàn)證該感存算集成光電二極管在智能感知中的應(yīng)用潛力，基于該器件的“三合一”優(yōu)異性能，研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步采用 10×10 交叉陣列架構(gòu)，構(gòu)建了一套具備感、存、算一體化功能的類(lèi)腦視覺(jué)相機(jī)的演示系統(tǒng)(圖2a)。在針對(duì) Fashion-MNIST 圖像數(shù)據(jù)集的成像應(yīng)用驗(yàn)證中，該陣列無(wú)需依賴任何外部處理單元或獨(dú)立存儲(chǔ)器，僅通過(guò)調(diào)節(jié)施加在器件上的偏壓，即可在原位完成整個(gè)圖像處理流程。具體而言，在零偏壓下，陣列可實(shí)時(shí)感知并獲取包含背景噪聲的原始圖像信號(hào)；隨后切換至 1 V 偏壓觸發(fā)光突觸模式，利用低頻噪聲與高頻圖像信號(hào)在電子釋放速率上的差異，在后臺(tái)直接實(shí)現(xiàn)硬件級(jí)的圖像降噪(Noise suppression)；最后，利用多態(tài)光存儲(chǔ)模式，該陣列被配置為人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(ANN)，將處理后的信號(hào)作為突觸權(quán)重進(jìn)行存儲(chǔ)與圖像分類(lèi)。測(cè)試結(jié)果表明，相較于未降噪前低于 60% 的識(shí)別率，該系統(tǒng)在降噪后的圖像識(shí)別準(zhǔn)確率顯著提升并超過(guò)了 95%。
 

　　該工作提出并驗(yàn)證了一種基于傳統(tǒng)PN結(jié)二極管結(jié)構(gòu)的超緊湊、多功能、低功耗前沿光電感知器件新范式。通過(guò)精準(zhǔn)的能帶工程在PN結(jié)中引入具有納米尺度的電荷存儲(chǔ)層(類(lèi)似電荷儲(chǔ)蓄池)，打破了傳統(tǒng)成像相機(jī)中(CMOS相機(jī))每個(gè)像素點(diǎn)上感、存、算完全分離的成像架構(gòu)壁壘。未來(lái)，該能帶設(shè)計(jì)理念可以擴(kuò)展至其他半導(dǎo)體材料體系中，以實(shí)現(xiàn)覆蓋更寬范圍的工作波長(zhǎng)和更高的集成度。由于該二極管的制造高度兼容現(xiàn)有的硅基半導(dǎo)體微納加工工藝，這不僅為解決傳統(tǒng)視覺(jué)傳感器或相機(jī)的高功耗與數(shù)據(jù)延遲問(wèn)題提供了新的思路，更為下一代大規(guī)模、低功耗、高能效的邊緣計(jì)算視覺(jué)終端、類(lèi)腦計(jì)算芯片及智能機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)的研發(fā)提供了極具潛力的硬件解決方案。
 

　　該論文的共同第一作者為中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)博士研究生羅遠(yuǎn)旻和陳煒，以及余華斌博士和汪丹浩博士，孫海定教授為本論文的唯一通訊作者。該研究工作得到了加拿大麥吉爾大學(xué) Songrui Zhao 教授、澳大利亞國(guó)立大學(xué) Lan Fu 教授、浙江大學(xué)楊宗銀教授、劍橋大學(xué) Tawfique Hasan 教授以及武漢大學(xué)劉勝院士等合作者的重要指導(dǎo)與支持。研究工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金委、安徽省自然科學(xué)基金等項(xiàng)目資助，并獲得了中國(guó)科大集成電路學(xué)院(微電子學(xué)院)、集成電路實(shí)驗(yàn)中心、微納研究與制造中心、理化科學(xué)實(shí)驗(yàn)中心及高分辨電鏡組的大力支持。