Команда Лу Шулуна из Института нанонауки Сучжоу Китайской академии наук добилась успехов в создании монолитных интегральных устройств на основе GaN
2025-08-26
Интеграция функций оптического зондирования и нейроморфных вычислений в устройствах на основе GaN является ключевым шагом к преодолению ограничений традиционных дискретных устройств. Это не только повышает эффективность обработки информации и снижает энергопотребление и задержки в системе, но и обеспечивает основную аппаратную поддержку для создания высокоскоростных, маломощных, высокоинтегрированных интеллектуальных оптоэлектронных систем, а также способствует развитию оптоэлектронных интеллектуальных технологий зондирования и обработки следующего поколения, таких как бионические чипы зрения и оптические нейроморфные вычисления. В последнее время команда Лу Шулуна в Сучжоуском институте нанотехнологий (SINAN) накопила опыт эпитаксии и создания устройств на основе материалов GaN [Communications Materials 6, 83 (2025); Small Methods 9, 2400989 (2025); Chip 4, 100149 (2025); Journal of Semiconductors 46, 022401 (2025); Applied Physics Letters 126, 262104 (2025)], добились значительного прогресса в области монолитных интегральных устройств на основе GaN.
Прогресс I: разработка и проверка механизма двунаправленного фототока
Однонаправленные характеристики проводимости обычных полупроводниковых p-n-переходов ограничивают интеграцию устройств с двунаправленной фоточувствительностью. В данном исследовании бигетеропереходная структура была создана в рамках одного устройства путем введения локального контактного интерфейса гидрогель/p-GaN в гетеропереход p-GaN/(In,Ga)N (рис. 1). Разработанное бифункциональное устройство демонстрирует отрицательный и положительный фототоки при освещении 365 нм и 520 нм, соответственно, и успешно достигает двунаправленного фототокового отклика на различные длины волн освещения. Данное исследование позволяет реализовать идею создания интегрированных оптоэлектронных чипов для сложных приложений.
Рис. 1 . Принцип конструкции устройства и характеристики двунаправленного отклика (слева); работа была выбрана для обложки журнала (справа)
Результаты исследования были опубликованы под названием Realising bidirectional photocurrent in monolithic dual-mode device for neuromorphic vision and logically-encrypted transmission в журнале Advanced Functional Materials. Advanced Functional Materials и были выбраны в качестве обложки журнала, а д-р Мин Цзян и младший научный сотрудник Юкун Чжао из SINAMI стали соавторами, а младший научный сотрудник Юкун Чжао из SINAMI, профессор Хайтинг Сун из Университета науки и технологий Китая (USTC) и научный сотрудник Шулун Лу из SINAMI - соавторами.
Ход работы II: Проверка бифункциональных интеллектуальных датчиков обнаружения/синаптических датчиков и применение в гуманоидной робототехнике
Фотодетекторы должны быстро реагировать на изменения освещенности, в то время как искусственным синаптическим устройствам требуется больше времени для обработки и хранения сигналов, поэтому фотодетекторам сложно запоминать изображения или обрабатывать световые сигналы так, как это делают синаптические устройства. Короче говоря, разница в скорости реакции между ними слишком велика, чтобы интегрировать их в одно устройство для эффективной совместной работы. С другой стороны, материалы кремниевой подложки, обычно используемые для изготовления нанопроводов GaN, непрозрачны в ультрафиолетовом и видимом диапазонах света, что затрудняет их использование для создания прозрачных всенаправленных детекторов. Поэтому было трудно разработать бифункциональные всенаправленные устройства на основе нанопроводов GaN для обнаружения/синапса. В данной работе кремниевая эпитаксиальная подложка была удалена методом электрохимической зачистки, и на прозрачной подложке была создана структура "интерфейс - тело фазового разделения", содержащая функциональные области гетероперехода графен/(Al,Ga)N и функциональные области GaN, что позволило впервые монолитно интегрировать самодвижущийся всенаправленный детектор на основе GaN с искусственным синапсом на 360° и впервые монолитно интегрировать "быстродействующий" детектор на основе GaN с искусственным синапсом в одно устройство. Команда успешно объединила характеристики "быстрого отклика" и "медленного расслабления" в одном устройстве (рис. 2a и 2b). В то же время команда впервые продемонстрировала потенциальное применение этого нового бифункционального устройства в гуманоидной робототехнике (рис. 2c), что может помочь улучшить интеллектуальные сенсорные и вычислительные возможности гуманоидных интеллектуальных роботов и снизить энергопотребление.
Рис. 2. (a-c) Схема всенаправленного режима обнаружения с экспериментальными данными, (d) Схема двухрежимной монолитной интеграции для обнаружения синапсов, (e) Валидация роботизированных интеллектуальных сенсорных приложений
Результаты исследования были опубликованы в журнале A dual-mode transparent device for 360° quasi-omnidirectional self-driven photodetection andefficient ultralow-power neuromorphic. Результаты исследования были опубликованы в журнале Light: Science & Applications, первым автором которого является доктор Мин Цзян, а соавторами - младший научный сотрудник Юкун Чжао из Института нанотехнологий Сучжоу, доктор Цзянья Чжан из Университета науки и технологий Сучжоу, научный сотрудник Лифэн Бянь из Фуданьского университета и научный сотрудник Шулун Лу из Института нанотехнологий Сучжоу.
Работа выполнена при поддержке Ключевой лаборатории полупроводниковых дисплейных материалов и чипов, Экспериментальной станции нановакуумных соединений (Nano-X), а также при финансовой поддержке Национального фонда естественных наук Китая, провинции Цзянсу и муниципального проекта Сучжоу и других исследовательских проектов.
