近日，中国科学技术大学微电子学院孙海定教授iGaN实验室，联合武汉大学刘胜院士团队，成功研制出微型化紫外光谱仪芯片，并实现片上光谱成像。该芯片基于新型氮化镓基（GaN）级联光电二极管架构，并与深度神经网络（DNN）算法深度融合，实现了高精度光谱探测与高分辨率多光谱成像，其光谱响应速度创下了目前已报道微型光谱仪的最快世界纪录（纳秒级）。u9Y知多少教育网-记录每日最新科研教育资讯

该成果不仅填补了微型光谱仪技术在紫外波段的空白，同时展现了其在未来大规模可制造的紧凑型、便携式光谱分析和光谱成像芯片，及其在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的广阔应用前景。相关研究以“A Miniaturized Cascaded-Diode-Array Spectral Imager”为题，9月26日在线发表于光学领域著名期刊《自然·光子学》。u9Y知多少教育网-记录每日最新科研教育资讯

物质的光谱信息常被形象地称为“光基因”，它反映了物质的本征属性。光谱成像技术不仅能获取被检测目标的光谱特征信息，还能够捕捉其空间几何特征等多维度数据，具有“谱图合一”特性，从而实现对复杂环境和目标的实时精准测量与识别。凭借这一优势，光谱成像在物质成分分析、环境实时监测、卫星遥感、深空探测等领域具有重要的应用前景和战略价值。然而，现有光谱成像技术普遍依赖几何分光与机械扫描等传统模式，其系统复杂、体积庞大，难以实现小型化集成式发展，且价格昂贵。因此，基于传统光谱仪及其光谱成像技术已经无法满足日益增长的对集成便携式且具有快速响应特性的智能光谱成像仪的应用需求。尤其针对工作在深紫外/紫外波段（对生物制药、有机物和分子检测有重要意义），目前受限于材料、工艺和结构的复杂性，片上微型紫外光谱成像技术长期存在空白，成为制约该领域发展的关键瓶颈。u9Y知多少教育网-记录每日最新科研教育资讯

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图1 基于级联n-p-n光电二极管的光谱成像芯片：（a）微型光谱成像芯片三维结构示意图，（b）晶圆照片，右上角为器件显微图，u9Y知多少教育网-记录每日最新科研教育资讯

（c）键合后的芯片照片，（d）微型光谱成像芯片工作原理。u9Y知多少教育网-记录每日最新科研教育资讯

为了解决这一难题，iGaN实验室提出了一种新型GaN基级联光电二极管架构（图1a），并研制出全球首个工作于紫外波段的光谱仪芯片，应用于光谱成像。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并通过键合完成光谱成像芯片制备（图1b,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（图1d），可以实现对未知的各种光谱信息进行高精度重构（图2a-c）。该光谱成像芯片在紫外波段（250-365纳米）表现出准确的光谱重构和快速的响应能力，可达到约0.62纳米的分辨率、约10纳秒的超快响应速度（目前已报道的微型光谱仪中最快）。u9Y知多少教育网-记录每日最新科研教育资讯

基于这一微型光谱仪芯片，研究团队成功对不同有机物质（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。每个像素捕获依赖于波长的光电流信号，并形成一个完整的三维数据集，通过利用神经网络算法进行光谱重构，生成高分辨率的光谱图像，清晰展示了不同有机物在紫外波段的独特紫外吸收特性（图2d）及其空间分布（图2e）。该结果展示了微型化紫外光谱及成像芯片在有机检测方面的巨大应用潜力。u9Y知多少教育网-记录每日最新科研教育资讯

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图2 微型化紫外光谱仪和商业光谱仪测试（a）单峰光谱，（b）不同半高宽光谱，（c）双峰光谱；（d）不同有机物质的测试光谱；（h）不同波段的空间信息。u9Y知多少教育网-记录每日最新科研教育资讯

该工作提出并验证了一种全新的微型化光谱仪芯片实现方案，并首次利用宽禁带氮化物半导体作为光谱仪芯片的材料载体。未来，通过改变芯片内化合物材料组分及其掺杂特性，或者直接采用其他二六族（硫化镉、氧化锌等）和三五族化合物半导体材料（如砷化镓，磷化铟等），该微型光谱仪芯片架构的工作范围可从紫外光扩展到可见光甚至红外光波段。此外，由于该芯片制备工艺完全兼容现有的先进半导体大规模制造工艺，因此该芯片的特征尺寸可以被进一步缩小至亚微米甚至纳米级，从而实现更高分辨率的光谱成像，并有望将现有的光谱成像仪的成本降至传统方案的百分之一。就像曾经硅基CCD/CMOS芯片技术的不断进步推动数码相机的大规模普及一样，这一新型氮化镓基微型化光谱仪芯片的研制成功有望引领光谱成像技术的新一轮产业升级。u9Y知多少教育网-记录每日最新科研教育资讯

此项研究工作得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划、安徽省自然科学基金等项目资助，并获得了中国科学技术大学微电子学院、微纳研究与制造中心、物理科学实验中心的大力支持。该论文的共同第一作者为博士后余华斌、博士后Muhammad Hunain Memon、博士研究生高志祥和硕士研究生姚铭家。中国科大孙海定教授是本论文的唯一通讯作者，武汉大学刘胜院士、浙江大学杨宗银教授、剑桥大学Tawfique Hasan教授对该工作提供了重要支持和指导。u9Y知多少教育网-记录每日最新科研教育资讯

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41566-025-01754-6u9Y知多少教育网-记录每日最新科研教育资讯

（微电子学院、科研部）u9Y知多少教育网-记录每日最新科研教育资讯