【儀表網 研發快訊】近日，中國科學技術大學微電子學院孫海定教授iGaN實驗室，聯合武漢大學劉勝院士團隊，成功研制出微型化紫外光譜儀芯片，并實現片上光譜成像。該芯片基于新型氮化鎵基(GaN)級聯光電二極管架構，并與深度神經網絡(DNN)算法深度融合，實現了高精度光譜探測與高分辨率多光譜成像，其光譜響應速度創下了目前已報道微型光譜儀的最快世界紀錄(納秒級)。
該成果不僅填補了微型光譜儀技術在紫外波段的空白，同時展現了其在未來大規模可制造的緊湊型、便攜式光譜分析和光譜成像芯片，及其在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的廣闊應用前景。相關研究以“A Miniaturized Cascaded-Diode-Array Spectral Imager”為題，9月26日在線發表于光學領域著名期刊《自然·光子學》。
物質的光譜信息常被形象地稱為“光基因”，它反映了物質的本征屬性。光譜成像技術不僅能獲取被檢測目標的光譜特征信息，還能夠捕捉其空間幾何特征等多維度數據，具有“譜圖合一”特性，從而實現對復雜環境和目標的實時精準測量與識別。憑借這一優勢，光譜成像在物質成分分析、環境實時監測、衛星遙感、深空探測等領域具有重要的應用前景和戰略價值。然而，現有光譜成像技術普遍依賴幾何分光與機械掃描等傳統模式，其系統復雜、體積龐大，難以實現小型化集成式發展，且價格昂貴。因此，基于傳統光譜儀及其光譜成像技術已經無法滿足日益增長的對集成便攜式且具有快速響應特性的智能光譜成像儀的應用需求。尤其針對工作在深紫外/紫外波段(對生物制藥、有機物和分子檢測有重要意義)，目前受限于材料、工藝和結構的復雜性，片上微型紫外光譜成像技術長期存在空白，成為制約該領域發展的關鍵瓶頸。
圖1 基于級聯n-p-n光電二極管的光譜成像芯片：(a)微型光譜成像芯片三維結構示意圖，(b)晶圓照片，右上角為器件顯微圖，(c)鍵合后的芯片照片，(d)微型光譜成像芯片工作原理。
為了解決這一難題，iGaN實驗室提出了一種新型GaN基級聯光電二極管架構(圖1a)，并研制出全球首個工作于紫外波段的光譜儀芯片，應用于光譜成像。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并通過鍵合完成光譜成像芯片制備(圖1b,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(圖1d)，可以實現對未知的各種光譜信息進行高精度重構(圖2a-c)。該光譜成像芯片在紫外波段(250-365納米)表現出準確的光譜重構和快速的響應能力，可達到約0.62納米的分辨率、約10納秒的超快響應速度(目前已報道的微型光譜儀中最快)。
基于這一微型光譜儀芯片，研究團隊成功對不同有機物質(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。每個像素捕獲依賴于波長的光電流信號，并形成一個完整的三維數據集，通過利用神經網絡算法進行光譜重構，生成高分辨率的光譜圖像，清晰展示了不同有機物在紫外波段的獨特紫外吸收特性(圖2d)及其空間分布(圖2e)。該結果展示了微型化紫外光譜及成像芯片在有機檢測方面的巨大應用潛力。
圖2 微型化紫外光譜儀和商業光譜儀測試(a)單峰光譜，(b)不同半高寬光譜，(c)雙峰光譜；(d)不同有機物質的測試光譜；(h)不同波段的空間信息。
該工作提出并驗證了一種全新的微型化光譜儀芯片實現方案，并首次利用寬禁帶氮化物半導體作為光譜儀芯片的材料載體。未來，通過改變芯片內化合物材料組分及其摻雜特性，或者直接采用其他二六族(硫化鎘、氧化鋅等)和三五族化合物半導體材料(如砷化鎵，磷化銦等)，該微型光譜儀芯片架構的工作范圍可從紫外光擴展到可見光甚至紅外光波段。此外，由于該芯片制備工藝完全兼容現有的先進半導體大規模制造工藝，因此該芯片的特征尺寸可以被進一步縮小至亞微米甚至納米級，從而實現更高分辨率的光譜成像，并有望將現有的光譜成像儀的成本降至傳統方案的百分之一。就像曾經硅基CCD/CMOS芯片技術的不斷進步推動數碼相機的大規模普及一樣，這一新型氮化鎵基微型化光譜儀芯片的研制成功有望引領光譜成像技術的新一輪產業升級。
此項研究工作得到了國家自然科學基金、國家重點研發計劃、安徽省自然科學基金等項目資助，并獲得了中國科學技術大學微電子學院、微納研究與制造中心、物理科學實驗中心的大力支持。該論文的共同第一作者為博士后余華斌、博士后Muhammad Hunain Memon、博士研究生高志祥和碩士研究生姚銘家。中國科大孫海定教授是本論文的唯一通訊作者，武漢大學劉勝院士、浙江大學楊宗銀教授、劍橋大學Tawfique Hasan教授對該工作提供了重要支持和指導。
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