中科大造出首個紫外光譜成像芯片，成本有望直降99%

1666 年，牛頓在劍橋的房間里，讓一束陽光穿過三棱鏡，世界第一次看見光分解成彩虹般的色彩。那一刻，人類擁有了一把解碼自然的新鑰匙——光譜儀。憑借光譜儀，科學(xué)家能夠以前所未有的精度去探測物質(zhì)，認(rèn)識世界。

300 多年過去，光譜儀已成為科研和工業(yè)的重要工具。依靠光譜儀和光譜成像技術(shù)，不僅能獲取被檢測目標(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)，從而實現(xiàn)對復(fù)雜環(huán)境和目標(biāo)的實時精準(zhǔn)測量與識別。光譜分析和光譜成像在物質(zhì)成分分析、環(huán)境實時監(jiān)測、衛(wèi)星遙感、深空探測等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用前景和價值。

然而，現(xiàn)有光譜成像技術(shù)（光譜相機）普遍依賴幾何分光與機械掃描等傳統(tǒng)模式，其系統(tǒng)復(fù)雜、體積龐大，難以實現(xiàn)小型化集成式發(fā)展，且價格昂貴。

因此，基于傳統(tǒng)光譜儀及其光譜成像技術(shù)已經(jīng)無法滿足日益增長的對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(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，片上微型紫外光譜成像技術(shù)長期存在空白，成為制約該領(lǐng)域發(fā)展的關(guān)鍵瓶頸。

為了解決這一難題，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)孫海定教授 iGaN 實驗室，聯(lián)合武漢大學(xué)劉勝院士團隊，成功研制出微型紫外光譜儀芯片，并實現(xiàn)片上光譜成像。

該芯片基于新型氮化鎵基（GaN）級聯(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，實現(xiàn)了高精度光譜探測與高分辨率多光譜成像，其光譜響應(yīng)速度實現(xiàn)納秒級（國際已報道微型光譜儀中響應(yīng)速度最快）。

該成果不僅填補了微型光譜儀技術(shù)在紫外波段的空白，同時展現(xiàn)了其在未來大規(guī)模可制造的緊湊型、便攜式光譜分析和快速光譜成像芯片，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(shù)等領(lǐng)域的廣闊應(yīng)用前景。

圖丨相關(guān)論文（來源：Nature Photonics）

近日，相關(guān)研究以《微型級聯(lián)二極管陣列光譜成像儀》（A Miniaturized Cascaded-Diode-Array Spectral Imager）為題，發(fā)表于 Nature Photonics 的 2025 年 12 月第 19 期上 [1]。

該論文的共同第一作者為余華斌博士、Muhammad Hunain Memon 博士、高志祥和姚銘家。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 教授對該工作提供了重要支持和指導(dǎo)。

審稿人之一對該研究評價稱，研究人員展示了一種新的光譜分析和高光譜成像器件，并認(rèn)定所提出的利用背靠背級聯(lián)兩個二極管結(jié)構(gòu)設(shè)計構(gòu)建光譜儀是極致簡單而又美妙的構(gòu)思，且進一步強調(diào)該設(shè)計簡單到只需懂得最基本半導(dǎo)體知識就能理解它們的工作原理，并評價該設(shè)計具有很強的普適性。

最后，審稿人總結(jié)此次開發(fā)的這款紫外光譜儀芯片非常及時，而它所具備的超快響應(yīng)速度是一個頗具亮點的性能優(yōu)勢，這為整個微型光譜領(lǐng)域的發(fā)展提供了一個簡單且低成本的、未來可大規(guī)模制造和應(yīng)用的重要方案。

圖丨微型化紫外光譜儀的光譜成像過程（來源：Nature Photonics）

研究的積累：從高效發(fā)光到高靈敏度探測芯片，再到微型光譜儀芯片的開發(fā)

回想本科保研剛加入中科大孫海定教授 iGaN 實驗室的時候，余華斌博士的科研第一個課題是研制高效率紫外發(fā)光二極管（LED）。這種緊湊節(jié)能的半導(dǎo)體光源在消毒殺菌、紫外固化、非視距光通信、皮膚治療、工業(yè)加工等領(lǐng)域都有重要應(yīng)用。

轉(zhuǎn)為博士生后，他在孫海定教授的指導(dǎo)下，專注于氮化鎵（GaN）和鋁鎵氮（AlGaN）材料體系的半導(dǎo)體光電器件及集成芯片，包括紫外 micro-LED 和 nano-LED、紫外-紅外寬譜探測器和片上信號傳輸集成芯片等。

在這些課題的研究中，光譜儀幾乎成為他和團隊小伙伴們每天離不開的科研“小助手”。且這些大大小小的光譜儀是大家能夠快速掌握，并理解半導(dǎo)體材料光學(xué)和其他物理特性的重要工具。光譜儀可以幫助我們分析半導(dǎo)體材料的禁帶寬度和晶體質(zhì)量，以及光電器件的輻射復(fù)合效率和光譜響應(yīng)特性等關(guān)鍵參數(shù)。

但與此同時，他和團隊也深切感受到傳統(tǒng)光譜儀的局限：動輒一臺設(shè)備占據(jù)半張光學(xué)平臺實驗桌，體積笨重、光路復(fù)雜、光柵校準(zhǔn)調(diào)試響應(yīng)遲緩，遠(yuǎn)不能滿足未來對實時檢測和便攜應(yīng)用的需求。

（來源：中科大 iGaN 實驗室）

漸漸地，一個想法在他和團隊的心中萌生：既然他們在氮化鎵材料和光電器件方面已經(jīng)積累了豐富經(jīng)驗，“能否有一天，讓 GaN 光電探測器件替代復(fù)雜的光學(xué)部件，成為構(gòu)建光譜儀的核心部件呢？”

如果能擺脫棱鏡與光柵的限制，把光譜解析能力“嵌入”到一枚“像指甲蓋大小”的芯片上，那么光譜儀或許也能縮小到像 LED 芯片一樣大小，并從實驗室走向微型化、智能化與普及化。

他和團隊常常在實驗桌前望著那臺龐大的光譜儀，設(shè)想：如果有那么一天，光譜儀可以被縮小到指尖大小，我們就可以把它嵌入到手機里、手環(huán)里，甚至無人機上，讓光譜儀走出實驗室，走向日常生活中。

圖丨傳統(tǒng)臺式光譜儀和微型光譜儀（來源：中科大 iGaN 實驗室）

技術(shù)的突破：級聯(lián)光電二極管及其陣列的發(fā)明

在中科大孫海定教授和武漢大學(xué)劉勝院士的聯(lián)合指導(dǎo)下，余華斌和團隊經(jīng)過反復(fù)構(gòu)思、仿真設(shè)計并進行實驗驗證，最終設(shè)計并提出了一種基于 GaN/AlGaN 異質(zhì)結(jié)的 N-P 結(jié)二極管和 P-N 結(jié)二極管通過背靠背連接而成的 N-P-N 級聯(lián)光電二極管。這一新結(jié)構(gòu)的誕生是一個完全不同于傳統(tǒng)光譜儀的設(shè)計新思路，因為：

通過在不同偏壓下工作，每個二極管對紫外光的響應(yīng)曲線都會發(fā)生明顯的變化。這種變化主要源于在不同電場條件下，光生載流子的分布、分離效率以及復(fù)合幾率存在差異，從而改變了器件對不同波長光子的吸收與轉(zhuǎn)化效率。

結(jié)果是，二極管在不同電壓下對紫外光的光譜敏感度呈現(xiàn)出差異化特征。換句話說，一枚 N-P-N 級聯(lián)光電二極管并不是只有一條固定的響應(yīng)曲線，而是能夠通過外加偏壓實現(xiàn)“可編程”的光譜響應(yīng)。

每一個偏壓條件都對應(yīng)一條獨特的響應(yīng)曲線，而多個偏壓下的響應(yīng)集合，就構(gòu)成了一組可調(diào)諧的光譜通道。這意味著，僅憑一枚小器件，就可以模擬出一個多通道光譜探測單元。

這種特性就像在芯片內(nèi)部“寫入”了多個可調(diào)諧的光譜通道：每個通道對應(yīng)一條偏壓下的響應(yīng)曲線，多個通道組合在一起，就形成了一個豐富的響應(yīng)函數(shù)集合。這樣一來，原本需要光柵或棱鏡來進行分光的過程，被巧妙地轉(zhuǎn)移到了電子調(diào)控層面。

光譜信息不再依賴傳統(tǒng)的體積龐大、機械結(jié)構(gòu)復(fù)雜的光學(xué)分光系統(tǒng)，而是通過電壓掃描在一枚微小的芯片上完成。同時利用深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，把這些通道信號組合起來，重建出完整的光譜曲線，大幅提升了解析精度。

圖丨 NPN 級聯(lián)二極管工作原理（來源：Nature Photonics）

更重要的是，該器件可以在 2 英寸晶圓上實現(xiàn)大規(guī)模陣列化制備，并通過鍵合工藝完成光譜成像芯片的集成。在這種架構(gòu)下，級聯(lián)光電二極管能夠通過外加偏壓精確調(diào)控載流子的波長依賴傳輸行為，從而實現(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)算法，該芯片能夠?qū)ξ粗庾V進行高精度重構(gòu)。

實驗結(jié)果表明，該光譜成像芯片在 250-365 nm 紫外波段展現(xiàn)出極高的性能：光譜重構(gòu)準(zhǔn)確，響應(yīng)速度極快，光譜分辨率可達(dá) 0.62 nm，時間響應(yīng)小于 10 納秒，比現(xiàn)有大多數(shù)微型光譜儀快上千倍，達(dá)到國際最快光譜探測感知。這不僅意味著它能夠捕捉光譜，還能實時跟蹤瞬態(tài)的物理和化學(xué)過程。

圖丨微型紫外光譜儀及其光譜分析結(jié)果（來源：Nature Photonics）

基于這一微型光譜儀芯片，研究團隊進一步對不同有機物（橄欖油 A、花生油 B、動物油脂 C 和牛奶 D）的液滴樣品進行了空間分辨與單次直接成像。每一個像素點都能捕捉波長依賴的光電流信號，形成完整的三維數(shù)據(jù)集。利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進行光譜重構(gòu)后，成功生成了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吸收特性及其空間分布。

這一成果表明，微型化紫外光譜與成像芯片在有機物檢測、食品安全、環(huán)境監(jiān)測等方面具有巨大的應(yīng)用潛力，也標(biāo)志著紫外光譜儀第一次真正走上了芯片，實現(xiàn)了從“笨重設(shè)備”到“智能芯片”的跨越。

圖丨微型紫外光譜儀的有機光譜檢測和成像結(jié)果（來源：Nature Ph）

余華斌博士和團隊分享說：“我們在這項工作中提出并驗證了一種全新的微型化光譜儀芯片實現(xiàn)方案，并且首次將寬禁帶氮化物半導(dǎo)體作為光譜儀芯片的材料載體。展望未來，我認(rèn)為這一架構(gòu)具有廣闊的拓展?jié)摿Γ和ㄟ^改變芯片內(nèi)化合物半導(dǎo)體的組分及其摻雜特性，或者直接采用其他二六族材料（如硫化鎘、氧化鋅）和三五族材料（如砷化鎵、磷化銦），該芯片的工作波段可以從紫外擴展到可見光甚至紅外區(qū)域。”

團隊負(fù)責(zé)人孫海定教授告訴 DeepTech：“此外，由于芯片制備工藝完全兼容現(xiàn)有先進的半導(dǎo)體大規(guī)模制造工藝，我相信其特征尺寸還可以進一步縮小到亞微米甚至納米級，從而實現(xiàn)更高分辨率的光譜成像。”

更為重要的是，孫海定補充稱：“在實驗開展和論證過程中，團隊的導(dǎo)師劉勝院士針對一些關(guān)鍵技術(shù)細(xì)節(jié)，包括光譜儀結(jié)構(gòu)如何構(gòu)造、氮化物材料外延生長過程、以及器件的單片集成與封裝方面等予以指導(dǎo)，并引導(dǎo)我們提前進行產(chǎn)業(yè)化布局包括專利申請等。該技術(shù)有望將光譜成像儀的成本降至傳統(tǒng)技術(shù)方案的百分之一，使光譜儀真正走向低成本、規(guī)模化和普及化應(yīng)用。”

圖 | 劉勝院士（左）指導(dǎo)孫海定（來源：孫海定）

該團隊相信：“就像曾經(jīng)硅基 CCD/CMOS 芯片技術(shù)的不斷進步推動了數(shù)碼相機的大規(guī)模普及一樣，這枚新型氮化鎵基微型光譜芯片的問世，有望引領(lǐng)光譜成像邁入新一輪產(chǎn)業(yè)升級，尤其是為下一代小型化、便攜式和可穿戴光譜技術(shù)的大規(guī)模應(yīng)用提供新的思路和解決方案。”

團隊與堅持：跨越時空的國際科研合奏曲

論文投稿時，余華斌已赴美國密歇根大學(xué)開展新的博士后研究工作。因此，大部分審稿回復(fù)的工作都是需要跨時區(qū)和跨國來合作完成。iGaN 實驗室與英國劍橋大學(xué)、浙江大學(xué)、武漢大學(xué)等團隊緊密溝通協(xié)作。在這過程中，時常因為十幾個小時的時差，凌晨三四點的視頻會議成了常態(tài)。

即使在 2025 年初春節(jié)期間，當(dāng)大多數(shù)人沉浸在合家團聚的喜慶氛圍中時，iGaN 實驗室團隊成員繼續(xù)打磨論文。有時深夜又逢寒冷冬雨，街上已無出租車，團隊成員只能冒著寒風(fēng)獨自步行回宿舍。冬夜冷風(fēng)呼嘯，腦中卻只有一個念頭：必須在最短時間內(nèi)把論文內(nèi)容做到最好。

圖丨 iGaN 實驗室部分成員（來源：中科大 iGaN 實驗室）

2025 年夏天，當(dāng) Nature Photonics 編輯發(fā)來錄用通知時，實驗室里并沒有喧囂的歡呼，反而大家都很平靜。大家想到的，是過去三年里數(shù)不清的重復(fù)實驗和測試，是那些一次次推倒重來的器件結(jié)構(gòu)、工藝流程和測試系統(tǒng)，也是跨國合作里無數(shù)個深夜的屏幕燈光。

這項成果，成為國際首個微型紫外光譜儀芯片，不僅填補了紫外波段微型光譜儀的技術(shù)空白，也讓中國科研團隊在這一微型光譜儀前沿研究領(lǐng)域方向上實現(xiàn)了從“跟跑”到“領(lǐng)跑”的跨越。

圖 | 微型光譜儀覆蓋光譜波段（來源：Nature Photonics）

光譜的未來：從實驗室走向應(yīng)用

這枚只有指甲蓋大小的芯片，卻蘊含著改變世界的潛力。

日常食品安全

拿出手機，對著一顆蘋果掃一掃，就能立刻知道有沒有農(nóng)藥殘留；對一杯牛奶一測，就能“讀出”是否含有三聚氰胺。食品檢測不再需要實驗室和專業(yè)人員，而是像掃碼支付一樣簡單快捷。

醫(yī)療健康監(jiān)測

對于糖尿病患者而言，每天扎手指檢測血糖是一種長期的痛苦。未來，這枚芯片可以嵌入智能手環(huán)，實現(xiàn)實時、無創(chuàng)的血糖監(jiān)測。不再有針刺，不再有等待，健康數(shù)據(jù)時刻在掌握之中。

環(huán)境保護與應(yīng)急監(jiān)測

無人機搭載光譜芯片，可以在城市上空實時監(jiān)測大氣污染物的分布；在火災(zāi)、爆炸或化學(xué)泄漏現(xiàn)場，它能迅速識別空氣中的有害氣體，為救援和處置贏得寶貴時間。

科研與工業(yè)應(yīng)用

在實驗室里，它能以納秒級速度捕捉化學(xué)反應(yīng)的瞬間變化，觀察燃燒過程的光譜特征，甚至跟蹤短壽命的生物事件。這些原本需要昂貴且笨重設(shè)備才能完成的實驗，如今有望用一枚芯片實現(xiàn)。

隨著技術(shù)成熟，這種光譜芯片可以被集成到手機、無人機、可穿戴設(shè)備中。那意味著未來的日常生活，或許就是一場“科幻變現(xiàn)實”的體驗：

• 購物時，手機能告訴你食材的新鮮度；
• 運動時，手環(huán)實時監(jiān)測體內(nèi)代謝狀態(tài)；
• 出行時，無人機為你繪制空氣質(zhì)量地圖；
• 醫(yī)療中，醫(yī)生通過一顆小小的芯片獲得全套代謝數(shù)據(jù)。

就像數(shù)碼相機替代了膠片相機一樣，微型化光譜儀可能重新定義人類“看世界”的方式：不僅僅看到形狀和顏色，還能即時解析物質(zhì)的成分與本質(zhì)。

氮化鎵被譽為第三代半導(dǎo)體材料，是國家戰(zhàn)略新興電子材料。而高效氮化鎵基藍(lán)光 LED 的發(fā)明，不僅改變了人類的照明方式，讓氮化鎵真正走進千家萬戶，相關(guān)科學(xué)家還因此獲得了諾貝爾物理學(xué)獎。但這只是氮化鎵光電子產(chǎn)業(yè)“發(fā)光發(fā)熱”的開始。

今天，基于氮化鎵的光譜芯片正為未來可能的高速、多功能的光電集成、光感知與光計算開辟出新的方向。隨著芯片與人工智能算法的結(jié)合，以及與產(chǎn)業(yè)界的深入?yún)f(xié)同，這一技術(shù)有望走出實驗室，廣泛應(yīng)用于醫(yī)療健康、食品安全、環(huán)境監(jiān)測和智能感知等領(lǐng)域。我們堅信氮化鎵不僅可以在傳統(tǒng)光電和電子芯片中繼續(xù)發(fā)揮舉足輕重的作用，而且有希望在新的研究賽道上讓它開出新的花，結(jié)出新的果。

目前，iGaN 團隊正在跟業(yè)界開展溝通和合作，希望盡快將微型光譜儀加以產(chǎn)業(yè)化。微型光譜儀能夠輕松搭載于無人機和機器人中，能夠突破人工檢測的場景限制，在環(huán)境監(jiān)測、工業(yè)巡檢、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)高效、精準(zhǔn)且無人化的作業(yè)，大幅拓展光譜分析技術(shù)的應(yīng)用邊界。

此外，微型光譜儀成本較低，能夠與其他傳感器相互集成，構(gòu)建大規(guī)模分布式監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)多參數(shù)協(xié)同監(jiān)測的立體化感知，形成覆蓋廣、密度高、全流程的監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)。

更重要的是，芯片化的光譜儀或光譜成像儀能夠輕易集成到手機和可穿戴設(shè)備中，讓人們可以隨時隨地識別果蔬表面的農(nóng)藥殘留、鑒別珠寶首飾的材質(zhì)真假、檢測呼出氣體的特定成分、判斷飲用水的純凈度和空氣中的污染物含量。

這種便攜式光譜檢測手段，不僅打破了傳統(tǒng)光譜分析對專業(yè)場景、大型設(shè)備的依賴，更讓普通大眾能以極低的門檻享受科技帶來的安全與便利。或許不久后，微型光譜儀將重新定義光譜分析技術(shù)的應(yīng)用邊界，為智慧生活與產(chǎn)業(yè)升級注入全新動能。

參考資料：

https://www.nature.com/articles/s41566-025-01754-6

排版：劉雅坤