西北工业大学冯溪渊：材料 × 神经科学融合--原子级界面 β-Ga₂O₃器件实 ...

【文献链接】

Hu, Xianyu, Ruan Zhang, Lu Lv, Qing Guo, and Xiyuan Feng. 2026. “ Beyond Photoreceptors: Bio-Inspired Neuromorphic Vision System Mimicking Drosophila's Downstream Neural Circuitry With 2D β-Ga2O3 Schottky Diodes,” Rare Metals: e70408. https://doi.org/10.1002/rar2.70408

【中文信息】

超越光感受器：使用二维β-Ga2O3肖特基二极管模仿果蝇下游神经回路的仿生神经形态视觉系统

胡宪宇，张阮，吕璐，郭庆，冯溪渊

复旦大学，集成电路与微纳电子创新学院

中国科学院，苏州纳米技术与纳米仿生研究所

空天信息大学，光子与光学工程学院

西北工业大学，微电子学院

文章亮点

1.突破硬件限制：首次用硬件完整复现果蝇下游运动检测通路（ON/OFF分离→不对称时间滤波→乘法相关→方向决策），填补了传统仿生视觉仅聚焦光感受器的空白；

2. 器件性能领跑：制备的二维β-Ga2O3肖特基二极管整流比>108、理想因子1.08（接近理论极限）、支持10 MHz高频半波整流，性能优于已报道的二维范德华异质结、铁电畴壁器件等多种材料体系；

3. 功能验证全面：硬件原型可100%准确识别简单左右运动方向，通过80×80阵列仿真验证了复杂旋转运动解码能力（生成光流场、精准定位旋转中心）；

4. 跨领域融合：将材料科学与神经科学深度结合，为下一代低功耗、高智能仿生视觉系统（微型机器人、视觉假体等）提供了新的硬件范式。

背景介绍

在自动驾驶、服务机器人、视觉假体等领域，仿生人工视觉系统是核心支撑技术。然而，现有研究大多停留在“模仿光感受器”阶段——仅实现将光转换为电信号的第一步，却忽略了生物视觉中更关键的下游神经回路：如果蝇能通过高效的运动检测通路，以极低功耗实现高速环境感知。这种“重前端、轻后端”的设计，导致现有仿生视觉系统在复杂场景处理上存在瓶颈，无法满足下一代智能设备的需求。

果蝇的视觉系统堪称“神经工程杰作”：它能将光信号分离为[ON（亮度增加）]和[OFF（亮度减少）]两条通路，再通过经典的Hassenstein-Reichardt（HR）相关器模型完成运动方向判断。这一过程尚未在硬件中得到完整实现，成为神经形态视觉领域的核心挑战。

原文摘要

仿生人工视觉系统已取得显著进展，但现有研究大多聚焦于光感受器的模拟，忽视了用于运动检测等复杂计算的高效下游神经回路的硬件实现。为突破这一瓶颈，我们展示了一种神经形态视觉系统，该系统利用基于二维β-氧化镓（β-Ga2O3）单晶的高性能肖特基势垒二极管（SBD），模仿果蝇的运动检测通路。β-Ga2O3肖特基二极管表现出卓越的整流比（>108）、接近理想的理想因子（1.08），以及高达10 MHz的稳健半波整流性能，这得益于其原子级锐利的半导体-金属界面。这些特性成功复现了果蝇的运动检测回路：半波整流实现ON/OFF信号分离，集成电阻-电容（RC）电路执行不对称时间滤波。通过构建基于硬件的Hassenstein-Reichardt相关器模型，我们的系统成功区分了移动光栅的运动方向。对80×80二极管阵列的仿真进一步证明，该系统能够解码复杂旋转运动，生成光流场并精准识别旋转中心。本工作通过实现一个完整的仿生视觉处理流程的硬件原型，将材料科学与神经科学深度融合，为下一代紧凑型智能视觉系统的发展铺平了道路。

内容简介

日前，来自复旦大学、中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所、空天信息大学、西北工业大学的研究团队在Rare Metals上发表了题为“Beyond Photoreceptors: Bio-Inspired Neuromorphic Vision System Mimicking Drosophila's Downstream Neural Circuitry with 2D β-Ga2O3 Schottky Diodes”的研究文章，针对仿生视觉系统的核心瓶颈，提出了一种基于二维β-Ga2O3肖特基二极管的创新解决方案：采用化学气相沉积法（CVD）生长高质量二维β-Ga2O3单晶薄片，制备出高性能肖特基势垒二极管（SBD）；利用SBD的半波整流特性，模拟果蝇L1/L2神经元的ON/OFF信号分离功能；结合RC电路实现不对称时间滤波，构建硬件版HR相关器模型；通过四二极管阵列实验验证了左右运动方向识别能力，并通过80×80阵列仿真证明了系统对复杂旋转运动的解码潜力。这项工作首次实现了从“光感受器模拟”到“完整视觉处理通路复现”的跨越，为神经形态视觉系统的硬件设计开辟了新路径。

图文解析

图1 生物视觉机制与器件实现原理。(A)果蝇视觉系统工作流程；(B)ON/OFF信号分离的生物基础；(C)Hassenstein-Reichardt（HR）相关器模型；(D)二维β-Ga2O3肖特基二极管的半波整流功能模拟生物ON/OFF通路。

研究团队受果蝇视觉系统启发，将β-Ga2O3肖特基二极管作为核心元件——其半波整流特性可像果蝇L1/L2神经元一样，将连续光信号分离为正（ON）、负（OFF）两条通路，为后续运动检测提供基础。这一设计跳出了传统仿生视觉仅关注光感受器的局限，直击下游神经回路的硬件实现难题。

图2 二维β-Ga2O3肖特基二极管的电学性能。 (A)器件I-V曲线（整流比>108，理想因子1.08）；(B)1 MHz正弦输入下的半波整流输出；(C)正向连接的正半波整流；(D)反向连接的负半波整流；(E)频率响应特性；(F)与其他材料体系整流频率的对比。

器件的高质量原子级锐利半导体-金属界面是其优异性能的核心——理想因子接近1说明界面态极少，10 MHz的高频整流能力远超已报道的二维范德华异质结、铁电畴壁器件等体系，足以支撑高速视觉信号处理需求。这一性能优势让二极管能像生物神经元一样，快速处理时序视觉信号。

图3 微观结构与界面表征。 (A)截面HAADF-STEM图像；(B)EDS元素分布；(C)界面HRTEM（原子级abrupt）；(D)实验HRTEM与模拟匹配；(E)实验HRTEM与模拟匹配；(F)FFT图案；(G)逆FFT显示单晶；(H)强度线轮廓；(I)原子结构模型。

高分辨率透射电镜（HRTEM）显示，β-Ga2O3薄片与Pd电极之间形成了原子级平整、无缺陷的界面，这是器件近理想特性的根源。同时，β-Ga2O3单晶的高质量保证了载流子的高效传输，为硬件实现生物视觉通路提供了可靠的材料基础。

图4 硬件实现简单运动方向检测。 (A)四二极管阵列仿生运动检测系统示意图；(B)移动光栅刺激和对应的电脉冲；(C)整流和时间非对称过滤电路示意图；(D)测量到的输入双极脉冲序列；(E，F) ON和OFF通路的实时整流输出；(G-J)时间非堆成过滤输出结果；(K)相乘的输出结果； (L)10次循环的 comparator 输出正确。

团队用四个β-Ga2O3肖特基二极管构建阵列，模拟相邻光感受器的信号输入；通过RC电路引入时间延迟，经乘法相关运算后，系统能清晰区分右向与左向运动——10次循环测试中比较器输出始终正确，验证了硬件的可行性。这一结果证明，用半导体器件复现生物神经回路的计算功能是可行的。

图5 80×80阵列仿真复杂旋转运动解码。(A)果蝇旋转行为场景；(B)2D HR相关器模型扩展；(C)旋转同心环刺激；(D)ON通路响应；(E)OFF通路响应；(F)运动能量图；(G)光流场；(H)旋度分布（定位旋转中心）。

为验证系统扩展性，团队仿真了80×80规模的二极管阵列对旋转运动的响应——通过计算运动能量、光流场和旋度分布，系统不仅能识别旋转方向，还能精准定位旋转中心（涡核），展现了其在复杂场景下的应用潜力。这一结果为未来大规模仿生视觉芯片的设计提供了理论支撑。

全文小结

1.成功制备了具有近理想特性的二维β-Ga2O3肖特基二极管，整流比>108、支持10 MHz高频半波整流；

2.首次用硬件实现了果蝇下游运动检测通路的完整模拟（ON/OFF分离→不对称时间滤波→乘法相关→方向决策）；

3.硬件原型可准确识别简单左右运动，80×80阵列仿真验证了复杂旋转运动解码能力（光流场生成、旋转中心定位）；

4.为下一代低功耗、高智能仿生视觉系统（微型机器人、视觉假体等）提供了新的硬件范式。

作者简介

冯溪渊（通讯作者）：西北工业大学集成电路学院副教授、在职博士后。主要研究方向为先进工艺片上静电防护（ESD）设计、信号处理（ADC）和能量转换电路设计。共发表SCI论文30余篇（一作及通讯13篇），其中包含多篇高影响因子论文及封面文章，授权专利3项。作为主要参与人参与国家自然科学基金重点项目等多项研究。注重学生培养，指导学生团队在“全国大学生集成电路创新创业大赛”等顶级赛事中屡获全国及赛区大奖，并指导多名本科生荣获校级优秀毕业论文。Email: fengxy@nwpu.edu.cn。

信息来源： 稀有金属RareMetals

注：本文由作者原创,由联盟编辑整理。文章内容系作者个人观点，宽禁带半导体技术创新联盟转载仅为了传达一种不同的观点，不代表本联盟对该观点赞同或支持，如果有任何异议，欢迎联系我们。