近日，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)微電子學(xué)院孫海定教授iGaN實(shí)驗(yàn)室，聯(lián)合武漢大學(xué)劉勝院士團(tuán)隊(duì)，成功研制出微型化紫外光譜儀芯片，并實(shí)現(xiàn)片上光譜成像。該芯片基于新型氮化鎵基（GaN）級(jí)聯(lián)光電二極管架構(gòu)，并與深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（DNN）算法深度融合，實(shí)現(xiàn)了高精度光譜探測(cè)與高分辨率多光譜成像，其光譜響應(yīng)速度創(chuàng)下了目前已報(bào)道微型光譜儀的最快世界紀(jì)錄（納秒級(jí)）。

該成果不僅填補(bǔ)了微型光譜儀技術(shù)在紫外波段的空白，同時(shí)展現(xiàn)了其在未來大規(guī)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(shí)時(shí)生物分子和有機(jī)物檢測(cè)、片上集成式傳感技術(shù)等領(lǐng)域的廣闊應(yīng)用前景。相關(guān)研究以“A Miniaturized Cascaded-Diode-Array Spectral Imager”為題，9月26日在線發(fā)表于光學(xué)領(lǐng)域著名期刊《自然·光子學(xué)》。

物質(zhì)的光譜信息常被形象地稱為“光基因”，它反映了物質(zhì)的本征屬性。光譜成像技術(shù)不僅能獲取被檢測(cè)目標(biāo)的光譜特征信息，還能夠捕捉其空間幾何特征等多維度數(shù)據(jù)，具有“譜圖合一”特性，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜環(huán)境和目標(biāo)的實(shí)時(shí)精準(zhǔn)測(cè)量與識(shí)別。憑借這一優(yōu)勢(shì)，光譜成像在物質(zhì)成分分析、環(huán)境實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、衛(wèi)星遙感、深空探測(cè)等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用前景和戰(zhàn)略價(jià)值。然而，現(xiàn)有光譜成像技術(shù)普遍依賴幾何分光與機(jī)械掃描等傳統(tǒng)模式，其系統(tǒng)復(fù)雜、體積龐大，難以實(shí)現(xiàn)小型化集成式發(fā)展，且價(jià)格昂貴。因此，基于傳統(tǒng)光譜儀及其光譜成像技術(shù)已經(jīng)無法滿足日益增長(zhǎng)的對(duì)集成便攜式且具有快速響應(yīng)特性的智能光譜成像儀的應(yīng)用需求。尤其針對(duì)工作在深紫外/紫外波段（對(duì)生物制藥、有機(jī)物和分子檢測(cè)有重要意義），目前受限于材料、工藝和結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，片上微型紫外光譜成像技術(shù)長(zhǎng)期存在空白，成為制約該領(lǐng)域發(fā)展的關(guān)鍵瓶頸。

圖1.基于級(jí)聯(lián)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(jié)構(gòu)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(shí)驗(yàn)室提出了一種新型GaN基級(jí)聯(lián)光電二極管架構(gòu)（圖1a），并研制出全球首個(gè)工作于紫外波段的光譜儀芯片，應(yīng)用于光譜成像。該結(jié)構(gòu)由兩個(gè)不對(duì)稱p-n二極管垂直級(jí)聯(lián)組成。可在2英寸晶圓上進(jìn)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(jí)聯(lián)光電二極管能夠通過外加偏壓調(diào)控載流子的波長(zhǎng)依賴傳輸行為，從而實(shí)現(xiàn)電壓可調(diào)的雙向光譜響應(yīng)，結(jié)合深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的算法（圖1d），可以實(shí)現(xiàn)對(duì)未知的各種光譜信息進(jìn)行高精度重構(gòu)（圖2a-c）。該光譜成像芯片在紫外波段（250-365納米）表現(xiàn)出準(zhǔn)確的光譜重構(gòu)和快速的響應(yīng)能力，可達(dá)到約0.62納米的分辨率、約10納秒的超快響應(yīng)速度（目前已報(bào)道的微型光譜儀中最快）。

基于這一微型光譜儀芯片，研究團(tuán)隊(duì)成功對(duì)不同有機(jī)物質(zhì)（如橄欖油（A）、花生油（B）、動(dòng)物油脂（C）和牛奶（D））液滴進(jìn)行了空間分辨與單次直接成像。每個(gè)像素捕獲依賴于波長(zhǎng)的光電流信號(hào)，并形成一個(gè)完整的三維數(shù)據(jù)集，通過利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法進(jìn)行光譜重構(gòu)，生成高分辨率的光譜圖像，清晰展示了不同有機(jī)物在紫外波段的獨(dú)特紫外吸收特性（圖2d）及其空間分布（圖2e）。該結(jié)果展示了微型化紫外光譜及成像芯片在有機(jī)檢測(cè)方面的巨大應(yīng)用潛力。

圖2.微型化紫外光譜儀和商業(yè)光譜儀測(cè)試（a）單峰光譜，（b）不同半高寬光譜，（c）雙峰光譜；（d）不同有機(jī)物質(zhì)的測(cè)試光譜；（h）不同波段的空間信息。

該工作提出并驗(yàn)證了一種全新的微型化光譜儀芯片實(shí)現(xiàn)方案，并首次利用寬禁帶氮化物半導(dǎo)體作為光譜儀芯片的材料載體。未來，通過改變芯片內(nèi)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(dǎo)體材料（如砷化鎵，磷化銦等），該微型光譜儀芯片架構(gòu)的工作范圍可從紫外光擴(kuò)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(xiàn)有的先進(jìn)半導(dǎo)體大規(guī)模制造工藝，因此該芯片的特征尺寸可以被進(jìn)一步縮小至亞微米甚至納米級(jí)，從而實(shí)現(xiàn)更高分辨率的光譜成像，并有望將現(xiàn)有的光譜成像儀的成本降至傳統(tǒng)方案的百分之一。就像曾經(jīng)硅基CCD/CMOS芯片技術(shù)的不斷進(jìn)步推動(dòng)數(shù)碼相機(jī)的大規(guī)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(lǐng)光譜成像技術(shù)的新一輪產(chǎn)業(yè)升級(jí)。

此項(xiàng)研究工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、安徽省自然科學(xué)基金等項(xiàng)目資助，并獲得了中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)微電子學(xué)院、微納研究與制造中心、物理科學(xué)實(shí)驗(yàn)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(guó)科大孫海定教授是本論文的唯一通訊作者，武漢大學(xué)劉勝院士、浙江大學(xué)楊宗銀教授、劍橋大學(xué)Tawfique Hasan教授對(duì)該工作提供了重要支持和指導(dǎo)。

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