1 工作简介

         ——360°准全向自驱动探测与超低功耗类脑计算的单片集成芯片

类脑计算芯片和人形机器人未来将催生一个万亿级市场，英伟达、谷歌、英特尔等行业领袖已纷纷布局。但当前，人形机器人尚难在复杂环境中实现可靠的自主感知与决策，一个关键瓶颈在于：其视觉系统的快速探测与慢速学习两大功能模块，仍处于分立状态，难以高效融合。第三代半导体氮化镓（GaN）正深刻地改变着人们的生活。在此背景下，如何将两个关键功能融合于单一半导体芯片之中（即单片集成，图1），已成为制约未来光电半导体芯片发展的核心症结与前沿挑战。

中国科学院苏州纳米所赵宇坤等针对上述问题，设计了一种石墨烯/(Al,Ga)N纳米线异质结，成功在透明双模态器件中实现了自驱动360°光电探测器与人工突触的单片集成。通过调控偏压操纵载流子传输动力学，可精确调节氧空位电离程度，响应速度差异超过1000倍，最终实现单片双模态器件功能（图2）。本研究为多功能单片集成的制造提供了新思路，并展现出其在未来先进低功耗神经拟态计算系统中的巨大应用潜力。

基于上述技术路径，在0 V偏压条件下，该器件可作为具有稳定光通信能力的快速响应自驱动光电探测器，实现360°准全向探测（图3a-3c）。施加偏压时，该器件则可以切换为突触器件，成功模拟了类脑双脉冲易化、短时/长时可塑性以及学习/遗忘行为。该器件拥有1.29×10⁴的极高紫外/可见光抑制比，以及<1 pA的超低暗电流，单突触事件功耗低至2.5×10^-14焦耳，能量效率可与人类大脑突触过程相媲美（图3d-3f）。非线性光电导特性使其能作为神经拟态传感器进行图像预处理，有效提升识别精度。特别重要的是，利用器件在开路电压模式下的长记忆特性，已成功驱动人形机器人实现方向判别与运动学习。

图3. （a）(Al,Ga)N/GaN材料透明度，全向光电探测器的（b）示意图和（c）响应度全向分布图，（d-f）低能耗突触器件功能。

本研究成果在原理、材料、器件与应用四个维度实现了系统创新。在原理层面，通过能带工程与局部接触界面设计，提出了分区集成的快‑慢响应策略；在材料层面，开发了表面微氧化方法工艺，成功引入高浓度氧空位；在器件层面，采用剥离工艺制备出具备全向探测视野的GaN基单片集成器件，兼具快速感知与慢速记忆特性；在应用层面，将该芯片集成于人形机器人系统，实现了其在复杂环境中的自主决策能力（图4）。综上所述，该单片集成芯片有望成为新一代智能机器人的“决策中枢”，承载起复杂环境下的自主感知-决策功能。

图4. （a）器件功能集成示意图，（b，c）人形机器人动作交互控制中的系统应用。

相关研究成果以“360°准全向自驱动探测与超低功耗类脑计算的单片集成芯片” (A dual-mode transparent device for 360°quasi-omnidirectional self-driven photodetection and efficient ultralow-power neuromorphic computing) 为题，于2025年8月12日在线发表于《光：科学与应用》（Light: Science & Applications）上。中国科学院苏州纳米所赵宇坤副研究员、陆书龙研究员、苏州科技大学张建亚博士、复旦大学边历峰研究员为通讯作者，中国科学技术大学蒋敏博士为第一作者。该工作得到了国家自然科学基金等项目的支持。

2 主要作者简介

第一作者

蒋敏，中国科学技术大学博士。

主要研究方向为GaN基柔性透明光电探测器与类脑器件。以第一/共一作者在Light: Science & Applications、Adv. Funct. Mater.（正封面）、Fundamental Research、ACS Photonics等国际知名SCI期刊上发表学术论文9篇，部分论文被中国科学院官网、国家自然基金委网站等报道宣传。获得2024年博士生国家奖学金、2025年中国科学院院长奖等学术荣誉。

通讯作者

赵宇坤，中国科学院苏州纳米所副研究员。获批江苏省高层次人才培养计划，德国莱布尼茨研究基金，中国电子学会智芯专项负责人，江苏省青年科技人才托举工程。

兼任国家级项目评审专家、Innovation期刊（Cell Press）青年编委、Exploration期刊（Wiley）学术编委、Chip期刊（Elsevier）和Brain-X期刊（Wiley）青年编委。已获得包括美国、日本发明专利在内的专利授权10多项。近5年来，作为通讯作者在Light-Science & Applications、Cell Reports Physical Science、Adv. Funct. Mater.（正封面）、Nano Energy、Nano Research（正封面）、Communications Materials、Science China-Information Sciences、ACS Appl. Mater. Interfaces、Advanced Optical Materials（正封面）等国际知名SCI学术期刊上发表论文近40篇，被数十家知名媒体平台报道宣传。作为第一负责人主持/完成省部级以上科研项目10余项，包括国家级项目3项（含面上2项），中国科学院重点部署类、青年人才类项目，省重点研发计划等。

3 原文传递

https://www.nature.com/articles/s41377-025-01991-y