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感内计算将感知、存储与处理功能集成于同一器件，可实现实时智能分析，并显著优于传感、存储、计算分立架构的能效。然而，现有氧化物基感内计算器件大多依赖氧空位调控实现电荷存储，这一缺陷相关机制会通过电子俘获消耗载流子，导致响应度和灵敏度下降，往往需要毫瓦至瓦每平方厘米量级的强光才能触发存储特性。另一条路线采用具有原子级厚度和范德华界面的二维铁电材料，通过垂直栅压调控极化，但其制备工艺尚不成熟，兼容性与可扩展性受限，部分体系还需堆叠多层二维功能层才能实现可重构，可靠性和稳定性难以保证。
III族氮化物（AlN、GaN、InN及其合金）在照明、显示和紫外杀菌等领域已形成成熟的工业化体系，其突出特点是兼具非中心对称结构带来的自发极化与异质结构应变引起的压电极化。这种本征极化可有效调控内建电场和电荷分布，实现局域化电荷存储，界面极化电荷还能提升载流子输运效率。尽管如此，基于III族氮化物的感内计算器件此前尚未实现，如何利用其独特的极化物理实现传感与处理一体化，仍是亟待填补的空白。
成果简介
近日，中国科学院长春光学精密机械与物理研究所黎大兵研究员团队提出一种利用III族氮化物异质结构本征极化效应的感内计算器件。该器件在AlGaN多周期异质结构中构建双极性极化界面，并结合高、低功函数金属构成的非对称沟道端电极，使光生电子与空穴在极化电场作用下空间分离：正极化界面处的电子形成导电沟道，负极化界面处的空穴积累实现光信号存储，从而避免了缺陷相关的复合损失。
在传感忆阻模式下，器件可响应低至5 nW/cm2的紫外光，响应度达10? A/W量级，开关比超过10?；改变外加偏压后，器件可切换为上升/下降时间分别为8.35 ns和7.81 ns的高速探测器。器件在空气中存放18个月后仍可稳定完成10?次写入/擦除循环，并在高达300 °C的温度下保持良好性能。研究团队进一步演示了日盲紫外非视距通信、图像识别分类以及运动目标轨迹监测等应用。该工作与工业级III族氮化物制造及互补金属氧化物半导体工艺兼容，为可规模化的感内计算提供了新的器件设计思路。
相关成果以“III-nitride-based in-sensor computing enabled by interfacial polarization effects”为题发表在《Nature Materials》上。中国科学院长春光学精密机械与物理研究所蒋科研究员与Bingxiang Wang为论文共同第一作者。
图注说明
图1 AlGaN异质结构中极化诱导的电荷分布。(A) AlGaN异质结构中的正、负极化界面及其光生载流子调控机制示意图。(B) 沿[11-20]晶带轴拍摄的异质结构截面高分辨高角环形暗场扫描透射电子显微镜图像，阱与垒之间界面陡峭，均为金属极性。(C) 沿(B)中白色箭头的Al/Ga元素能谱线扫描。(D, E) 由四维扫描透射电子显微镜测量重构的区域(i)与(ii)附近电荷密度线分布。
如图1所示，研究人员生长了三周期的AlGaN阱/垒异质结构。能谱线扫描证实阱与垒之间存在约15%的Al组分差，界面两侧形成组分突变。四维扫描透射电子显微镜重构的电荷密度分布清晰显示出与极性相关的界面特征，两处界面电荷面密度分别约为2.3×1012 cm?2和3.3×1012 cm?2；当Al组分差降至约10%时，界面电子积累明显减弱，符合极化电荷随组分差增大而增强的预期。作者也指出，该测量主要提供界面电荷的相对评估，用作极化界面静电调控的证据，而非绝对定量。
图2 基于III族氮化物异质结构的光电传感忆阻器工作原理。(A) 基于AlGaN多周期异质结构的器件结构示意图，以及正、负极化界面的平衡态能带图。(B, C) 光照下正向偏压(B)与反向偏压(C)时正、负极化界面处的能带变化。(D–F) 器件在探测(D)、长时程非易失存储(E)和短时程多级存储(F)模式下的调控原理。(G) 单个器件的光学显微图像。
器件采用高功函数Ni与低功函数Ti构成非对称侧壁电极（图2）。正向偏压下，正极化界面处的电子势垒降低，形成光电导电流；负极化界面处的空穴势垒升高，空穴被限制并积累，器件表现为光电忆阻器。反向偏压下，电子与空穴分别快速漂移至两侧电极，器件工作于高速探测模式，反向偏压还可耗尽存储的空穴使器件复位。由此，器件至少具备三种模式：零/反偏下的快速探测、正偏强光下的饱和非易失存储，以及正偏弱光下逐级积累的光电突触行为。
图3 不同工作模式下的器件特性。(A) 暗态及不同光功率密度照射下的电流-电压曲线。(B) 光电探测与光电传感忆阻两种模式下输出电流随光功率密度的变化及幂律拟合。(C) 0 V与1.6 V偏压下的瞬态电流响应。(D) 光编程前后器件的准静态电流-电压曲线。(E) 强光刺激下的非易失存储行为。(F) 弱光刺激下的类突触行为。
图3显示，0.8 V以下光电流以漂移输运为主，响应快但幅值有限；0.8 V以上，偏压抵消电极处电子势垒，沟道开启并带来极高增益，最大光暗电流比约3.5×10?。幂律拟合指数在0 V时为1.00，在1.6 V时降至0.02，反映两种模式截然不同的工作机制。0 V下器件响应达纳秒级，1.6 V下则表现出超过103 s的持续保持；两种模式的截止波长均约为275 nm，紫外/可见抑制比超过103，具备日盲选择性。光编程后器件开启电压由约1.6 V降至约0.6 V，低阻态可保持至少120 min，并可通过?30 V、1 s电脉冲复位。弱光脉冲下器件呈现“学习—遗忘—再学习”行为，再学习所需脉冲数（9个）少于初次学习（14个）。
图4 光电传感忆阻模式下的器件性能。(A) 饱和光脉冲写入与电脉冲擦除的循环操作。(B) 空气中存放1个月和18个月后，分别进行150次和10?次连续写入/擦除循环的输出电流。(C) 本工作与已报道非易失光电忆阻器的开关比对比。(D) 双脉冲易化指数随脉冲间隔的变化。(E) 不同脉冲宽度刺激下的兴奋性突触后电流。(F) 五个周期内光刺激增强与电抑制下的多级存储态。
图4中，器件在10 μW/cm2光写入与?30 V电擦除循环中保持开关比超过10?，开关比优于已报道的同类非易失光电忆阻器。随脉冲间隔由0.5 s增至29 s，双脉冲易化指数由3.5衰减至1.0，双指数拟合时间常数为5.8 s和0.058 s；兴奋性突触后电流随脉宽（0.1–0.5 s）由1.24 nA近线性增至68.87 nA。拓展验证表明，该策略同样适用于更高Al组分的AlGaN以及InGaN体系，可覆盖从深紫外到更长波段。
图5 不同工作模式下的应用演示。(A) 基于光脉冲调制的日盲紫外非视距通信示意图。(B) 以莫尔斯电码传输字符串“2025”的验证。(C) 卷积神经网络服装图像识别的准确率与损失随训练轮次的演化。(D) 基于实验数据训练30轮后的分类混淆矩阵。(E) 全精度模拟与器件量化的权重分布。(F) 基于光电传感忆阻器阵列的运动目标轨迹监测示意图。(G, H) 9×9 AlGaN光电传感忆阻器阵列示意图(G)及实物照片(H)。(I) 运动路径上像素的输出电流曲线。(J) 整个阵列的输出电流曲线。(K) 某一时刻阵列输出电流映射，用于路径识别。
在应用层面（图5），器件可用于日盲紫外非视距保密通信，以莫尔斯电码成功传输数字与字母信息。基于器件36级电导态的量化卷积神经网络在Fashion MNIST数据集上识别准确率达91.88%，仅比全精度模型低0.63%。研究人员还制备了9×9阵列，利用像素内光信号的探测与存储，仅需单一时刻读取电导态即可重构运动轨迹：最后激活与最先激活像素的电流分别约为0.18 μA和0.09 μA，差异约50%，成功重建出S形运动路径，避免了逐帧传输带来的大量冗余数据。
总结展望
本工作通过在III族氮化物异质结构中集成双极性极化界面与非对称沟道端电极，实现了全III族氮化物感内计算器件：正极化界面的电子沟道负责电流传导，负极化界面的空穴积累实现具有时间分辨的光信号存储，非对称电极则在不同偏压下调控载流子输运，使单一器件兼具纳秒级高速探测与传感忆阻功能。极化诱导的光生载流子空间分离与无缺陷的极化界面有效抑制了复合损失，器件在存放一年以上后仍保持高性能，并可在300 °C下工作。
该设计以同一材料体系的异质结构替代多材料堆叠，降低了器件复杂度和成本、提升了稳定性，并且适用于全部III族氮化物体系，有望将感内计算扩展至深紫外到红外波段。依托III族氮化物成熟的外延生长、器件工艺及与互补金属氧化物半导体的兼容性，这一方案具备大规模制造潜力，为高性能感内计算器件的实用化提供了可行路径。
文献链接
III-nitride-based in-sensor computing enabled by interfacial polarization effects（Nature Materials，2026，DOI：https://doi.org/10.1038/s41563-026-02780-7）
来源：低维 昂维
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