我国学者与海外合作者在微型光谱成像仪芯片研究方面取得进展

图 基于级联n-p-n光电二极管的光谱成像仪芯片：（a）微型光谱成像芯片结构示意图；（b）晶圆照片，右上角为器件显微图；（c）键合后的芯片照片；（d）微型化紫外光谱仪和商业光谱仪测试单峰光谱；（e）不同半高宽光谱；（f）双峰光谱；（g）不同有机物质的测试光谱；（h）不同波段的空间信息

　　在国家自然科学基金项目（批准号：62322410）等资助下，中国科学技术大学孙海定教授团队联合武汉大学刘胜教授团队、浙江大学杨宗银教授团队、剑桥大学Tawfique Hasan教授团队，在微型光谱成像仪芯片研究方面取得进展。研究成果以“小型级联二极管阵列光谱成像仪（A Miniaturized Cascaded-Diode-Array Spectral Imager）”为题，于2025年9月26日发表于《自然·光子学》(Nature Photonics) 上，论文链接：https://www.nature.com/articles/s41566-025-01754-6。

　　光谱成像技术不仅获取目标的光谱特征，还能捕捉空间几何等多维信息，具备“谱图合一”的优势，可实现对复杂环境和目标的实时精准识别，因此在物质成分分析、环境监测等领域具有重要应用前景和战略价值。然而，现有光谱成像技术多依赖几何分光与机械扫描，系统复杂、体积庞大、成本高昂，难以满足智能化、便携化和快速响应的应用需求。特别是在对生物制药、有机物和分子检测至关重要的深紫外/紫外波段，由于材料与工艺限制，片上微型紫外光谱成像技术长期处于空白，成为该领域发展的关键瓶颈。

　　针对上述难题，联合研究团队提出了一种新型GaN基级联光电二极管架构（图a），研制出工作于紫外波段的微型光谱仪芯片，实现了高精度光谱探测与高分辨率多光谱成像。该结构由两个不对称p-n二极管垂直级联组成，可在2英寸晶圆上进行阵列化制备（图b、c）。该级联光电二极管能够通过外加偏压调控载流子的波长依赖传输行为，从而实现电压可调的双向光谱响应，结合深度神经网络的算法，可以实现对未知的光谱信息进行高精度重构（图d-f）。该光谱成像芯片在紫外波段（250~365 nm）表现出准确的光谱重构和快速的响应能力，可达到约0.62 nm的分辨率、约10 ns的超快响应速度。基于这一微型光谱仪芯片，研究团队成功地对不同有机物质（如橄榄油（A）、花生油（B）、动物油脂（C）和牛奶（D））液滴进行了空间分辨与单次直接成像（图g-h）。

　　该成果提出并验证了一种采用氮化物半导体作为材料载体的微型化光谱仪芯片方案。未来，通过改变芯片内化合物材料组分及其掺杂特性，该微型光谱仪芯片架构的工作范围有望从紫外光扩展到可见光和红外光波段。同时，该架构完全兼容先进半导体大规模制造工艺，器件特征尺寸可进一步缩小至亚微米甚至纳米级，可实现更低成本更高分辨率光谱成像。该成果在未来高通量实时生物分子和有机物检测、片上集成式传感技术等领域具有广阔的应用前景。