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GaN基单片集成新突破:双向光响应与智能传感赋能机器人感知

2025/8/21 14:00:50
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2025年,中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所陆书龙团队在氮化镓(GaN)基单片集成器件领域取得两项关键进展,突破了传统光电子器件的功能限制。团队通过创新结构设计,解决了双向光响应集成与探测-突触协同工作的难题,为高速、低功耗智能光电子系统的构建提供了核心技术支撑,相关成果发表于顶级期刊并被选为封面,有望推动仿生视觉、光神经形态计算等下一代智能感知技术的发展。

一、双向光电流机制:打破p-n结单向限制,实现多波段精准响应

传统p-n结的“单向导通”特性,如同一道“天然壁垒”,让器件无法同时对不同方向、不同波段的光产生响应,限制了复杂场景下的一体化应用。陆书龙团队另辟蹊径,在p-GaN/(In,Ga)N异质结中引入水凝胶/p-GaN局部接触界面,构建出“双异质结”结构——这一设计像给器件装了“双感知通道”,当365nm(紫外)光照时,水凝胶与p-GaN的界面产生负光电流;而520nm(绿光)光照时,(In,Ga)N与p-GaN的体相结产生正光电流。这种“双向光电流”机制,实现了对不同波段光的“精准识别”,就像给光电子芯片配备了“双色眼镜”,能在复杂环境(如白天紫外光与夜间绿光混合场景)中同时处理多源光信号。相关成果发表在《Advanced Functional Materials》(功能材料),并被选为期刊封面文章,成为该领域的标志性进展。

二、探测/突触双功能集成:从“分立”到“协同”,赋能人形机器人智能感知

光电探测器(负责“快速感知”)与人工突触(负责“慢速记忆”)是智能传感的“两大核心”,但传统方案中,二者要么响应速度差异大(探测器毫秒级,突触秒级),要么因硅衬底不透明无法集成,像“两条平行线”难以协同。陆书龙团队通过电化学剥离技术,去除了GaN纳米线的硅外延衬底,在透明基底上构建起“界面-体相分离”结构——这一结构让探测器的“快速响应”(360°全向感知,响应时间<1ms)与突触的“慢速弛豫”(模拟神经记忆,弛豫时间>10s)完美融合,实现了“感知-记忆”的端到端协同。更关键的是,团队将这一器件应用于人形机器人的“视觉感知系统”:机器人通过该器件,能快速识别环境中的光信号(如障碍物反射的紫外光),并将信息“存储”为突触记忆,优化后续动作决策(如避障路径调整)。这一应用验证,不仅提升了机器人的智能计算能力(减少了50%的算力消耗),更降低了系统延迟(从100ms缩短至20ms),为“机器人+智能传感”的落地提供了可行方案。相关研究发表于《Light: Science & Applications》(光:科学与应用),成为该领域的重要突破。

陆书龙团队的两项成果,从“基础机制”到“应用落地”,实现了GaN基单片集成器件的“质的飞跃”:双向光电流机制打破了传统限制,让器件能“看懂”更多光信号;探测/突触双功能集成则让“感知-记忆”从“分立”走向“协同”,赋能机器人更智能的感知。这些进展,不仅为高速、低功耗的智能光电子系统提供了关键技术,更让“仿生视觉”“光神经形态计算”等未来技术离我们更近了一步——或许在不久的将来,搭载该技术的机器人,能像人类一样,通过“看”就能理解环境、记忆经验,实现更自然的人机交互。

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