专家视点

1 仿生光谱自适应视觉器件：基于结构定义的新功能范式

在人工智能快速发展的今天，视觉系统已成为自动驾驶、安防监控和医学诊断等领域的关键基础。然而，现有的CMOS和CCD图像传感器普遍存在固定光谱响应的局限。当环境光谱条件与其设计范围不匹配时，成像质量往往显著下降，目标识别精度也随之降低。在强眩光、雾霾或粉尘等复杂环境下，这一问题更加突出。传统的光谱适应方法多依赖于算法补偿，例如颜色校正或背景抑制，这些方法虽然能够在一定程度上改善结果，但会带来额外的计算开销和延迟，难以满足高速、实时感知的需求。因此，如何在硬件层面实现对环境光谱的快速适应，一直是智能视觉系统发展中的关键挑战。

自然界中的鲑鱼在生命周期中要经历从浑浊的淡水到清澈的海洋的迁徙，不同环境下的光谱成分差异显著。它们通过调节光感受蛋白比例，在不改变眼睛结构的情况下实现光谱敏感度的切换，从而适应不同光环境，其光谱适应过程如图1所示。

图1. 鲑鱼在迁徙过程中通过红移和蓝移机制实现光谱适应的示意图。

受到鲑鱼的启发，Ouyang博士团队在Nature Electronics（2024）报道了一种新颖的仿生光谱自适应视觉器件。器件采用多层异质结堆叠结构，通过调节偏压即可在不同结区间切换工作状态。在正偏压下，它对可见光（340–880 nm）具有宽带响应；在负偏压下，则转为近红外（930–1075 nm）的窄带响应。如图2所示，器件通过电压控制在浅层和深层结区之间切换，从而实现光谱响应的动态调节。

图2. 仿生光谱自适应视觉器件的结构与工作原理示意图。器件采用ITO/TiO₂/Sb₂Se₃/Si/Ag多层异质结结构，不同波长的光在器件中的吸收深度存在差异。在正偏压下，浅层结区反向偏置，增强对可见光的响应；在负偏压下，深层结区反向偏置，实现近红外探测。电流–电压和外量子效率测试结果显示，器件在+2 V时覆盖宽带可见光，在–2 V时表现为窄带近红外响应。实验结果显示，该器件的响应和恢复时间均小于100微秒，比人眼反应快约200倍。在8 × 8阵列测试中，它能够在不同场景下完成模式切换，并显著提升识别效果：在强可见光干扰下识别红外目标的准确率由传统传感器的33%提升到90%；在依赖颜色对比的可见光任务中，准确率也从57%提升到90%。此外，该器件能够在高达100 kHz的频率下实现稳定切换，并在常温条件下存放一年后仍保持稳定性能，表现出良好的可靠性。这种仿生光谱自适应器件存在多个潜在应用领域。在自动驾驶中，它能够在白天强光和夜间暗光之间快速切换，提升车辆对环境的识别稳定性。在安防监控中，它可以在逆光或低亮度条件下切换到红外模式，保证图像清晰度。在农业和医学成像中，不同作物或组织在特定光谱波段的差异可以被有效捕捉，从而实现精准识别和诊断。此外，器件的光谱可调特性类似于突触权重的调节，未来有望与类脑计算系统结合，推动智能视觉的发展。当然，这项技术距离实际应用仍有一定差距。器件在大规模制造中的均匀性和良率仍需进一步提升，材料界面优化、工艺成本控制以及与现有CMOS系统的集成都是亟需解决的问题。但从长期来看，这项研究展示了“以结构定义功能”的新方向，为智能视觉器件的发展提供了新的范式。总体来说，这一成果将仿生原理与新型材料器件设计结合，为复杂环境下的机器视觉提供了一种高效可行的光谱自适应方案。它不仅在自动驾驶、安防监控和医学影像等领域展现出潜在应用价值，也为未来智能传感系统的发展提供了新的可能性。

该文章以题为“Bio-inspired spectral adaptive visual devices: A new paradigm for structure-defined functionality”发表在Journal of Semiconductors上。

文章信息：

Bio-inspired spectral adaptive visual devices: A new paradigm for structure-defined functionality

Youyou Bao, Yuhan Zhao, Daixuan Wu, He Tian

J. Semicond. 2025, 46(9), 090401 doi: 10.1088/1674-4926/25080014

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   短通讯

2 室温电注入激射的氮化镓基光子晶体面发射激光器

常规的半导体激光器，如Fabry–Pérot（FP）腔激光器、分布式反馈（DFB）激光器以及垂直腔面发射激光器（VCSEL）等，无法兼具单模、大功率、小发散角等优良特性；而光子晶体面发射激光器（PCSEL）利用二维光子晶体的布拉格衍射，可实现大功率、小发散角的单模激光输出，成为国内外研究热点之一。氮化镓（GaN）基半导体材料为直接带隙，发光波长覆盖了可见光到深紫外等波段，具有发光效率高、化学稳定性好等优点，可用于制造PCSEL。GaN基PCSEL在新型显示、材料加工、激光照明、水下通信、星间通信、芯片原子钟、深空探测、原子雷达、激光医疗等领域具有广阔的应用前景，得到了学术届和产业界的广泛关注。

日本京都大学Noda教授团队于1999年首次提出了PCSEL的概念，并于2008年在Science 319,445 (2008)首次报道了GaN基紫光PCSEL的室温电注入激射，随后分别于2022年与日本Stanley公司合作、2024年与日本Nichia公司合作，将GaN基PCSEL的激射波长进一步拓展到蓝光和绿光波段。目前，全球范围内仅有日本实现了GaN基PCSEL的电注入激射。

近日，依托中国科学院苏州纳米所建设的半导体显示材料与芯片重点实验室与苏州实验室合作，研制出室温电注入激射的GaN基光子晶体面发射激光器。研究团队首先仿真设计了GaN基PCSEL器件结构，随后外延生长了高质量的GaN基激光器材料，并开发了低损伤的光子晶体刻蚀与钝化工艺，制备了GaN基PCSEL器件，并实现了室温电注入激射，激射波长为415 nm，阈值电流为21.96 A，阈值电流密度约为13.7 kA/cm²，峰值输出功率172 mW。下一步拟采用高质量的GaN单晶衬底，设计新型的GaN基PCSEL结构，并突破PCSEL器件制备与封装散热技术，实现高功率（10~100 W）单模激光输出。

图1. GaN基PCSEL结构示意图。

图2.（a）归一化的电致发光谱和（b）光功率-电流-电压特性曲线。

该文章以题为“Room-temperature electrically injected GaN-based photonic-crystal surface-emitting lasers”发表在Journal of Semiconductors上。

文章信息：

Room-temperature electrically injected GaN-based photonic-crystal surface-emitting lasers

Tong Xu, Meixin Feng, Xiujian Sun, Rui Xi, Xinchao Li, Shuming Zhang, Qian Sun, Xiaoqi Yu, Kanglin Xiong, Hui Yang, Xianfei Zhang, Zhuangpeng Guo, Peng Chen

J. Semicond. 2025, 46(9), 090501 doi: 10.1088/1674-4926/25070031

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综述

3 二维单晶生长的成核控制

二维材料凭借其独特的原子级结构和优异的物理化学特性，为半导体产业的变革性发展提供了巨大潜力。类似于硅基芯片依赖于晶圆级单晶硅锭的范式，二维材料在芯片层面的应用同样需要大规模且高质量的单晶制备。经过二十余年的发展，二维单晶的生长尺寸已实现从微米级向晶圆级乃至米级的跨越。然而，在可控生长过程中，成核行为的调控始终是决定晶体尺寸、质量与缺陷密度的关键环节。因此，对成核控制机制进行系统性综述，不仅能够加深对二维单晶生长基本规律的理解，也为实现其大规模可控合成与未来产业化应用提供理论支撑与实践指引。

近日，华南师范大学徐小志教授课题组系统探讨了大面积单晶二维材料外延的两种主要策略（如图1）：成核密度调控与成核位置控制。在单核生长策略中，核心目标是尽可能降低成核密度，以减少基底上多核形成的可能性，从而保证单个原子核能够持续扩展并最终形成大尺度单晶。而在多核生长策略中，则需要对初始成核位置进行精确控制，以确保所有原子核取向一致，从而在后续扩展过程中实现无缝拼接并形成完整的单晶薄膜。这两种策略各具优势，但同时也伴随特定的挑战。当前，相关研究正不断推进，以进一步优化成核调控方法，提升其在工业规模生产中的可行性与可靠性。

图1. 两种二维材料单晶外延生长的方法示意图。

该文章以题为“Nucleation control for the growth of two-dimensional single crystals”发表在Journal of Semiconductors上。

文章信息：

Nucleation control for the growth of two-dimensional single crystals

Jinxia Bai, Chi Zhang, Fankai Zeng, Jinzong Kou, Jinhuan Wang, and Xiaozhi Xu

J. Semicond. 2025, 46(9), 091701 doi: 10.1088/1674-4926/25030023

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