科學通報 | 微型紫外光譜成像儀

在光學探測、空間科學、醫藥制造和材料分析等眾多領域中, 能夠同時記錄光譜與空間分布的光譜成像儀, 像一臺既能拍照又能看懂每個像素所含“物質成分”的超級相機. 它們已然成為現代科學儀器體系中不可或缺的重要光學檢測設備 [1] , 為材料辨識、環境監測、質量控制和科學探索提供極為豐富的物質光學信息. 然而, 許多傳統光譜成像系統都離不開臺式光譜儀, 并配合光柵、濾光片或干涉光學元件等關鍵部件方可實現光譜成像 [ 2 , 3 ] . 這些元件需要極高的加工精度, 其中一些結構還依賴可移動的機械組件進行掃描分光, 使得整個光譜分析系統體積龐大、光路復雜、成本較高, 難以滿足高精度原位可移動檢測以及空間載荷等對輕量化、便攜式與可穿戴式應用需求. 因此, 如何突破傳統光譜儀和光譜成像儀對復雜光學分光結構的限制, 將光譜成像微型化、智能化和便攜式發展, 已經成為相關領域的重要科研攻關方向.

沿著這一方向, 未來光譜儀的核心架構逐漸從“精密復雜光學結構”轉移到“新型器件與先進算法”上, 這便催生了所謂的“計算光譜技術”. 這種方法的主要理念是將相對簡單的光電探測器與數學算法相結合, 通過計算手段重建輸入光的光譜信息, 從而降低對復雜光路的依賴. 在這種設計思路指引下, 光譜儀分光核心單元可以大幅簡化, 光譜儀的體積也能隨之縮小 [ 4 , 5 ] . 為了實現這一點, 一個關鍵目標是讓光探測器具備“隨偏壓調諧光譜響應”的能力, 即探測器在不同的工作電壓下呈現不同的光譜敏感區域, 等效實現多個濾光片或色散結構的效果, 從而大幅壓縮光譜儀的尺寸和體積.

近年來, 科研人員圍繞這一目標提出了一些創新方案, 并在可見光和紅外波段取得了一系列進展. 例如, 基于黑磷納米線的器件能夠通過外電場調控帶隙, 從而實現可切換的光譜響應 [6] ; 二維范德華異質結利用層間能帶對準變化實現偏壓調節 [7] ; 有機場效應器件通過調控異質結界面電荷分布實現多波段切換 [8] . 然而, 在紫外及深紫外波段, 受限于材料體系、器件結構以及系統可擴展性等因素, 微型化光譜儀和光譜成像技術長期處于空白狀態, 尤其缺乏同時具備陣列化能力、支持單次成像, 并兼容成熟半導體工藝的片上光譜成像方案. 相比之下, 半導體光電二極管是經過數十年發展、極為成熟可靠的光電器件. 光電二極管陣列已廣泛應用于電荷耦合器件(charge-coupled device, CCD)和互補金屬氧化物半導體(complementary metal oxide semiconductor, CMOS)圖像傳感器中, 其響應速度快、暗電流低、噪聲小、加工工藝成熟, 能夠穩定工作在成千上萬個像素規模. 因此, 如果能夠在光電二極管中引入類似“可調諧光譜編碼”的能力, 即器件在不同偏壓條件下對不同波長光表現出差異化響應, 從而為同一入射光生成一組具有光譜特征的電信號“編碼”, 并結合光譜重建算法反推出入射光的真實光譜分布, 就有機會實現真正意義上的“片上光譜成像”體系. 這種體系不僅具有良好的可擴展性和大規模可制造性, 還能夠借助成熟的工藝平臺實現低成本量產.

然而, 傳統的光電二極管由單一的p-n結構成, 電流具有嚴格的單向流動特性, 因此其光響應曲線在結構確定后基本固定, 很難通過外加電壓連續調諧光譜響應. 即便過去也有研究嘗試使用n-p-n結構實現雙波段或寬帶探測, 但這些器件往往只能對某些離散波段產生不同的靈敏度, 而無法實現連續光譜的可調諧選擇, 更無法滿足需要精細光譜重建的計算光譜學應用 [ 9 , 10 ] .

受CCD相機和CMOS傳感器“camera-on-a-chip”發展新范式的啟發, 我們提出了一種新的微型光譜成像儀結構, 通過對半導體器件內部載流子輸運行為的電學調控, 實現對入射光譜信息的選擇性響應, 完全擺脫了傳統臺式光譜儀中必備的光柵、濾光片及機械掃描結構, 從而在系統層面實現了高度緊湊和可集成的光譜探測. 該微型光譜儀基于氮化鎵/鋁鎵氮(GaN/AlGaN)薄膜的垂直堆疊n-p-n光電二極管架構, 通過背靠背的方式將兩個不對稱的p-n垂直集成在單個光電二極管中 [11] . 具體而言, 器件包含一個基于GaN的光電二極管, 以及一個帶有Al組分梯度漸變的AlGaN光電二極管, 并通過高質量金屬有機物化學氣相沉積(metal organic chemical vapor deposition, MOCVD)外延生長在2英寸藍寶石襯底上. 在此基礎上, 我們進一步將該級聯n-p-n光電二極管結構擴展為二維陣列, 實現了無需機械掃描的單次光譜成像. 該片上光譜成像芯片能夠同時獲取空間和光譜信息, 從而驗證了該器件架構在陣列化、高速光譜成像系統中的可行性. 與以往依賴低維或有機材料的微型光譜儀方案不同, 該器件架構遵循CCD/CMOS圖像傳感器的陣列化設計理念, 將光譜功能直接嵌入像素和陣列層級, 為實現高分辨率、可擴展的片上光譜成像系統提供了清晰的技術路徑和全新的解決方案.

圖1(a) 為垂直級聯結構的截面示意圖, 頂部GaN基二極管和底部AlGaN基二極管以背靠背的方式堆疊, 同時材料組分和能帶結構沿垂直方向逐層變化. 值得注意的是, 在AlGaN部分引入了Al組分連續變化的AlGaN梯度層, 使得器件內部的能帶結構連續變化. 這種連續的能帶梯度不僅降低了界面處的能帶突變, 也使得不同深度區域對應不同的光生載流子吸收位置與能量分布, 從而為電壓可調諧光譜調控提供了理論基礎.

圖1 (a) 器件結構示意圖; (b) 不同波長下的響應度曲線; (c) 重構光譜曲線; (d) 不同半峰寬光譜曲線重構; (e) 雙峰光譜曲線重構; (f) 器件響應速度表征; (g) 四種有機物透射光譜曲線重構結果; (h) 不同波長下的光譜成像結果 [11]

通過進一步的光電測量, 這種級聯結構在不同偏壓條件下展現出不同的光譜響應行為. 圖1(b) 顯示了器件在從負偏壓到正偏壓的連續變化過程中, 光譜響應呈現出偏壓調控的雙極性特征. 當施加反向偏壓時, 底部AlGaN基二極管處于反偏工作狀態, 對深紫外波段具有更明顯的響應; 而當施加正向偏壓時, 上部GaN二極管處于主導狀態, 對長波紫外的響應增強. 因此, 器件的光響應靈敏度可隨著電壓的極性和大小自由切換, 從而呈現不同的光譜選擇性. 相較于傳統單結二極管固定不變的光譜響應曲線, 這種“電壓驅動的光譜可調諧性”為光譜分析提供了一種全新的調控手段, 也是實現計算光譜重建的關鍵.

當這種調控機制與深度學習光譜重建算法結合之后, 單個級聯二極管就具備了重建未知光譜的能力. 圖1(c) 展示了器件在 250~365?nm 范圍內對單峰光的重建結果. 可以看到, 重建曲線(實線)與標準商用光譜儀的測量結果(虛線)高度一致, 峰值位置誤差平均僅約 0.62?nm, 這表明器件在整個工作波段內都能實現精確的光譜還原. 圖1(d) 給出了寬帶光和窄帶光的重建結果, 即使光譜的半峰寬有所不同, 重建曲線依然能夠保持良好的形狀一致性. 圖1(e) 展示了雙峰光譜的重建, 當兩個光譜峰之間的間隔只有 5.8?nm 時, 重建算法仍然能準確分辨兩個峰值, 說明器件對復雜光譜同樣具有出色的分辨能力.

為了實現實時光譜成像, 器件的響應速度也是一個重要指標. 圖1(f) 顯示了器件在納秒激光脈沖激發下的瞬態響應曲線, 上升和下降沿均在納秒級, 響應速度遠超多數基于材料調控的微型光譜器件. 這意味著該結構不僅能夠進行精確光譜分析, 也非常適合用于高速光譜探測和實時成像任務.

在單點光譜分析成功驗證之后, 研究團隊進一步展示了其陣列化能力, 這是通往實際光譜成像應用的關鍵一步. 基于成熟的半導體工藝, 制備了一個10×10的垂直級聯二極管陣列, 使每個像素都能夠獨立進行偏壓調諧和光譜編碼. 圖1(g) 展示了不同有機材料(橄欖油、花生油、豬油和牛奶)的透射光譜, 它們在深紫外區域具有顯著差異, 為后續成像識別提供了依據.

在實際成像實驗中, 每個像素記錄不同偏壓下的光電流信號, 并通過計算將其重建為對應位置的光譜分布. 圖1(h) 展示了不同波長下重建出的光譜圖像, 由于不同材料在特定紫外波長下的透射率不同, 它們在圖像中呈現出清晰的差異化區域, 從而實現了基于光譜特征的材料辨識. 值得強調的是, 這一成像過程只需要單次曝光即可完成, 不依賴任何光學掃描或復雜機械結構, 真正實現了“光譜-空間”信息的同時獲取.

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 [ 11 , 12 ] . 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 [13] , 從而實現更高分辨率的光譜成像, 并有望將現有光譜成像儀的成本降至傳統方案的百分之一.

綜合以上結果可以看到, 這種基于級聯光電二極管結構的片上光譜成像方案, 在光譜編碼能力、光譜分辨精度、響應速度以及陣列擴展性方面都展示出優異的綜合性能. 該工作展示了一條全新的微型化光譜儀設計路線, 也為未來在便攜式分析儀器、生物化學檢測、材料分析、工業質檢乃至空間載荷等場景中, 構建輕量化、高靈敏、可集成的便攜式光譜成像系統提供了技術基礎. 隨著進一步的工藝優化和算法發展, 這類片上光譜成像技術有望真正走向實用化, 在更多應用領域發揮重要作用.

參考文獻

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[13] Yang J, Liu K, Chen X, et al. Recent advances in optoelectronic and microelectronic devices based on ultrawide-bandgap semiconductors . Prog Quantum Electron , 2022 , 83: 100397

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