我國學者與海外合作者在微型光譜成像儀芯片研究方面取得進展

圖 基于級聯n-p-n光電二極管的光譜成像儀芯片：（a）微型光譜成像芯片結構示意圖；（b）晶圓照片，右上角為器件顯微圖；（c）鍵合后的芯片照片；（d）微型化紫外光譜儀和商業光譜儀測試單峰光譜；（e）不同半高寬光譜；（f）雙峰光譜；（g）不同有機物質的測試光譜；（h）不同波段的空間信息

　　在國家自然科學基金項目（批準號：62322410）等資助下，中國科學技術大學孫海定教授團隊聯合武漢大學劉勝教授團隊、浙江大學楊宗銀教授團隊、劍橋大學Tawfique Hasan教授團隊，在微型光譜成像儀芯片研究方面取得進展。研究成果以“小型級聯二極管陣列光譜成像儀（A Miniaturized Cascaded-Diode-Array Spectral Imager）”為題，于2025年9月26日發表于《自然·光子學》(Nature Photonics) 上，論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41566-025-01754-6。

　　光譜成像技術不僅獲取目標的光譜特征，還能捕捉空間幾何等多維信息，具備“譜圖合一”的優勢，可實現對復雜環境和目標的實時精準識別，因此在物質成分分析、環境監測等領域具有重要應用前景和戰略價值。然而，現有光譜成像技術多依賴幾何分光與機械掃描，系統復雜、體積龐大、成本高昂，難以滿足智能化、便攜化和快速響應的應用需求。特別是在對生物制藥、有機物和分子檢測至關重要的深紫外/紫外波段，由于材料與工藝限制，片上微型紫外光譜成像技術長期處于空白，成為該領域發展的關鍵瓶頸。

　　針對上述難題，聯合研究團隊提出了一種新型GaN基級聯光電二極管架構（圖a），研制出工作于紫外波段的微型光譜儀芯片，實現了高精度光譜探測與高分辨率多光譜成像。該結構由兩個不對稱p-n二極管垂直級聯組成，可在2英寸晶圓上進行陣列化制備（圖b、c）。該級聯光電二極管能夠通過外加偏壓調控載流子的波長依賴傳輸行為，從而實現電壓可調的雙向光譜響應，結合深度神經網絡的算法，可以實現對未知的光譜信息進行高精度重構（圖d-f）。該光譜成像芯片在紫外波段（250~365 nm）表現出準確的光譜重構和快速的響應能力，可達到約0.62 nm的分辨率、約10 ns的超快響應速度。基于這一微型光譜儀芯片，研究團隊成功地對不同有機物質（如橄欖油（A）、花生油（B）、動物油脂（C）和牛奶（D））液滴進行了空間分辨與單次直接成像（圖g-h）。

　　該成果提出并驗證了一種采用氮化物半導體作為材料載體的微型化光譜儀芯片方案。未來，通過改變芯片內化合物材料組分及其摻雜特性，該微型光譜儀芯片架構的工作范圍有望從紫外光擴展到可見光和紅外光波段。同時，該架構完全兼容先進半導體大規模制造工藝，器件特征尺寸可進一步縮小至亞微米甚至納米級，可實現更低成本更高分辨率光譜成像。該成果在未來高通量實時生物分子和有機物檢測、片上集成式傳感技術等領域具有廣闊的應用前景。