光一照就“来电”，中国科学家造出透明智能芯片

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一颗“透明神经元”的诞生

能看、会想、还很省电的未来光学设备零件出现了。不久前，中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所的陆书龙团队在氮化镓（GaN）基光电子器件研究中取得重要进展，他们将光感知与神经形态计算功能集成于单一器件，可以说是为下一代智能光电子系统提供了关键硬件支持。

通俗解释，这个全新的氮化镓电子器件就像是将“眼睛”和“脑子”做进同一块小器件，看到光的同时就能当场处理和判断。

视觉感知与思考、记忆的联系

我们的眼睛一般能干什么？当然是看了，现在的智能汽车、机器人可以通过摄像头和各种雷达，快速、灵敏地感知周围环境的光线变化，这也是“眼睛”功能在硅基生物上实现的一种路径。

那么人脑有什么特点？我们记得住、会慢慢忘，还会对眼睛看到的东西进行处理，比如过滤掉掉当下不那么重要的内容。

一个芯片能把这两种功能集成在一块器件上，对于AI智能体是个好消息，相当于边缘计算的能力会更强。

业内人士解释，像无人机、可穿戴传感器、机器人、工业安防监测等产品，如果有了这个新型氮化镓（GaN）基光电子器件，能做到更敏捷、更省电、更小型化，“因为这个小小的器件能边看边想，而不是将感知、数据处理分成两个域”。

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一快一慢，两个功能融合

先把氮化镓基光电子器件这位主角介绍清楚。它实际是一块由石墨烯和氮化镓纳米线拼起来的“夹心结构”，整个器件几乎透明，光可以从前后左右钻进来。

光一照，在石墨烯和氮化镓纳米线的交界处就会自动生出一丢丢电压，像内置的小电池，把带负电的“电子”和带正电的“空穴”各自推开，于是就有了电信号。这就叫“自驱动”，自带小电池。

加上这些纳米线就是透明的“小柱子”，石墨烯的电极也透光，所以光能从各个方面进来，几乎无死角。电子和空穴说来就来、说散就散，相当于一个敏捷的光传感器。

这就相当于，这个氮化镓基光电子器件眼睛很灵活，捕捉信息很快；但前面也说了，它还要有大脑“慢慢处理”的特性。为了融合这两个特点，陆书龙团队先让芯片变透明，也就是加强其感光能力，360度全向感光。

这一步的处理是用电化学剥离手段，把纳米线整体从硅衬底上“揭”下来，转到透明基底上。

电化学剥离过程示意图

第二步就是要把“快”和“慢”分离。

科研团队设计了一个“界面—体相分离”的结构：芯片最上层的石墨烯以及铝与氮化镓组成的化合物界面就像“前台接待”，它们负责“快”，见到光就立刻产生信号，甚至在没有电压的情况下，自驱动也能工作；下面的氮化镓本体，就像“后台控制中心”，负责“慢”，把光的信息留存一会儿，呈现出记忆的类脑特性。这也为以后构建超低能耗的类脑视觉芯片提供了关键元件。

光照得越久，被“抓住”的电子越多，电导会慢慢爬升——这就像人脑的神经元，被手机短视频持续刺激会越来越兴奋。这些被“抓住”的电子不会立刻散开，而是慢慢“松手”，信号也就慢慢往回落。这段“余味”就是记忆，学名叫“持续光电导效应”。

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电压作“切换按钮”

至于两个模式之间的切换，需要电压的介入：自驱动模式下，氮化镓元器件传感灵敏，但是快看快忘；输入电压后就会打开记忆闸门，边看边记，开始神经计算模式。

可以把这个透明元器件想象成一群小小的光电子和“空穴”。当光照进来，电子开始活跃，如果这时候加一些电压，带负电的光电子就会被推向一边，带正电的空穴则跑向另一边；氮化镓纳米线表面有很多天然的“抓娃娃机”（即氧空位），当空穴经过时，就会被抓娃娃机抓住。

神奇的是，即使光照停止，被抓到的光电子也不会立刻逃脱。正是这个“短暂停留”让器件拥有了记忆力，能像大脑一样学习光的信息。

这一神奇的“电子变色龙”将感光与初级智能处理完美融合，大大简化了系统、降低了能耗。这不仅是材料学科的进步，更是设计理念的创新，让我们离真正“智能”的机器又近了一大步。

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编辑｜张毅

主编｜黎坤

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