1 工作简介

         ——国际首个微型紫外光谱成像仪芯片

物质的光谱信息常被形象地称为“光基因”，当光照射到物质上产生光与物质的相互作用后，即可反映物质的本征属性。因此，光谱仪是解析成分、结构与特性的“光学密钥”。而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（材料科学）、环境实时监测与卫星遥感（地球科学）、深空探测（天文科学）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（对生物医学与制药、环境传感、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。

为了解决这一难题，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，成功研制出国际首个微型紫外光谱仪，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，其光谱响应速度实现超快纳秒级（国际已报道的所有微型光谱仪中响应速度最快）。

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、便携式光谱分析和快速光谱成像芯片，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。

该微型紫外光谱仪芯片基于一种新型GaN基级联光电二极管架构（图1a），并应用于光谱成像。该级联光电二极管架构由两个不对称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（国际最快）。

基于这一微型光谱仪芯片，研究团队成功地对不同有机物质（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。

该工作通过器件结构创新与先进深度学习算法相结合，提出并验证了一种全新的微型化光谱仪和光谱成像芯片实现方案。团队首次将宽禁带氮化物半导体作为光谱仪芯片的材料载体，拓宽了氮化物在新兴光电领域中的应用场景。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，这枚新型氮化镓基微型光谱芯片的问世，有望引领光谱成像迈入新一轮产业升级，尤其是为下一代小型化、便携式和可穿戴光谱技术的大规模普及提供新的思路和解决方案。

相关研究以“A Miniaturized Cascaded-Diode-Array Spectral Imager”为题，于2025年9月26日在线发表于Nature Photonics。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，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。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。

2 主要作者简介

第一作者

余华斌，现为密西根大学安娜堡分校博士后研究员。2024年于中国科学技术大学获博士学位，导师为孙海定教授。

长期从事宽禁带半导体材料、光电器件及其光电集成芯片研究。以第一作者或通讯作者（含共同）在Nature Photonics、Nature Electronics、IEEE International Electron Devices Meeting (IEDM) (2篇)、Laser & Photonics Reviews (2篇)、Nano-Micro Letters、IEEE Electron Devices Letters (4篇)、Advanced Optical Materials (2篇)、Small等期刊和会议发表论文30余篇，Google Scholar引用3000+，h指数30。多次受邀担任Progress in Quantum Electronics、Science China Information Sciences、iScience等期刊审稿人。

通讯作者

孙海定，中国科学技术大学微电子学院教授/博导，中科大iGaN实验室负责人，入选国家优青，安徽省杰青，中国科学院高层次人才计划等人才项目。

长期致力于氮化镓（GaN）半导体材料外延、紫外光电器件和电子器件设计与制备研究。共发表SCI论文180+篇，ESI高被引论文10+篇，Google引用7500+，其中以通讯作者发表包括Nature Photonics（1篇）、Nature Electronics（2篇，其中1篇封面）、Nature Com.（2篇）等国际重要SCI论文100+篇和4篇IEDM等国际电子器件顶会论文。受邀撰写4本专著章节，获国内外专利授权20余项，部分技术与工业界合作已经产业化。受邀担任IEDM/CLEO/IEEE IPC等多个国际电子/光电子器件领域顶会的组委会委员和TPC成员，并担任多个国际期刊如IEEE Photonics Technology Letters副主编以及Journal of Semiconductors、Nano-Micro Letters、和 Material Today Electronics 等期刊青年编委。以项目负责人主持多项国家重点研发计划、国家基金委等项目，连续5年入选科睿唯安全球前2%顶尖科学家榜单（World's Top 2% Scientists，2021-2025）并入选爱思唯尔“中国高被引学者”榜单（2024-2025）。

3 原文传递

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