解碼光的“指紋”（下）：如何將光學分析實驗室“裝進”芯片

在上篇中，我們回顧了光譜學如何成為科學家手中解讀物質“光學指紋”的利器。但傳統光譜儀的“龐大身軀”仍是其走向更廣闊天地的枷鎖。如今，一場由微型化帶來的變革正在打破這一局限。中國科學技術大學與武漢大學的聯合團隊，成功研制出像芯片一樣微小的紫外光譜儀，將實驗室級別的分析能力，凝聚在方寸之間。本期（下篇），我們將深入這項突破性技術的核心，看它如何以精巧的設計與前沿的算法，為我們開啟一個“無處不光譜”的感知新時代。

雖然光譜儀聽起來很高科技，但其實在日常生活中我們早已接觸過它的“簡化版”。比如交警使用的呼氣式酒精檢測儀和地鐵的液體安全檢測器，很多都采用了近紅外光譜分析技術。盡管這些光譜設備性能普通、功能簡單，但仍有手掌大小，更遑論性能更優、功能更完備的實驗級光譜儀了。

某種呼氣式酒精測試儀

（圖片來源：Wikipedia）

為了突破這一局限，中國科學技術大學的孫海定教授iGaN實驗室，聯合武漢大學劉勝院士團隊，成功研制出微型化紫外光譜儀芯片，單個像素的尺寸僅為300μm×300μm，光譜分辨率和響應速度卻不輸傳統紫外光譜儀。

這項技術的創新之處在于，它不依賴傳統的幾何分光與機械掃描，而是基于氮化鎵（GaN）基垂直級聯n-p-n光電二極管陣列，結合深度神經網絡算法，實現了高精度光譜探測與高分辨率多光譜成像。

其中，n-p-n光電二極管由兩個不對稱的p-n二極管垂直級聯組成。不考慮漏電和反向擊穿的情況，二極管具有典型的單向導電特性，其電流只能從陽極流向陰極，無法反向導通。

即當二極管兩端施加正向電壓時（不考慮導通電壓），二極管進入“開啟”狀態，正向電流隨正向電壓的升高而顯著增大；當二極管兩端施加反向電壓時，二極管處于“關閉”狀態，此時反向電流幾乎為零。

垂直級聯n-p-n光電二極管結構示意圖（左）及二極管的電流-電壓特性曲線（右）

（圖片來源：參考文獻[1]（左）及Wikipedia（右））

光電二極管與常規二極管基本相似，但當有能量充足（大于材料的禁帶寬度）的光子照射在光電二極管上時，會激發結區的半導體材料產生電子-空穴對，并在外加電場的作用下定向移動形成光電流，改變二極管的電流大小，從而將光信號轉換為電信號。當外加電場為負時，光生電子-空穴對快速分離并流向外電路，使反向電流顯著增大，因此反向偏壓下光電二極管的光信號轉換效率、響應速度和檢測靈敏度都顯著提升；而正向偏壓下，光電二極管的光生電流被正向導通電流掩蓋，失去光敏功能，與普通二極管幾乎無異。

光電二極管的電流-電壓特性曲線隨外界光照強度的變化

（圖片來源：作者繪圖）

對于常規的氮化鎵基（GaN）或鋁鎵氮基（AlGaN）光電二極管而言，它們僅能對單一波長附近的窄波段紫外光進行選擇性吸收和響應，該波長由材料的禁帶寬度唯一決定。為了擴大二極管對紫外光的響應帶寬，孫海定教授iGaN實驗室團隊（以下簡稱iGaN團隊）生長了一層鋁組分梯度變化的AlGaN外延層，使該材料的禁帶寬度隨Al組分變化，實現了從250nm從（Al0.6Ga0.4N，深紫外波段）至365nm（GaN，近紫外波段）的寬光譜連續調控。

Al0.6-0Ga0.4-1N外延層的掃描透射電子顯微鏡及對應的X線能量色散譜元素分布圖

（圖片來源：參考文獻[1]）

進一步地，iGaN團隊將一個常規的GaN基二極管（頂部）和一個梯度漸變的AlGaN二極管（底部）反向垂直級聯在一起，以此實現了電可調諧的雙向光譜響應，使器件具備了紫外光譜分析的可能性。當有未知光線照射時，該級聯光電二極管主要有三種工作模式。

n-p-n級聯光電二極管在不同偏壓下工作時的光譜響應

（圖片來源：參考文獻[1]）

在負偏壓狀態下（V<0），底部二極管反偏工作，頂部二極管正偏導通（類似于單向導線）。此時，底部二極管產生大量的電子-空穴對并形成反向的光電流，由于兩個二極管方向相反，底部二極管的反向電流恰好與頂部二極管的正向導通方向一致，因此可順利正向通過頂部二極管，最終形成穩定的光電流回路。得益于梯度漸變的AlGaN二極管的寬光譜響應特性，此時器件呈現寬帶響應。

在正偏壓狀態下（V>0），底部二極管正偏導通，頂部二極管反偏工作，器件主要響應常規的GaN基二極管對應的長波長波段。

在零偏壓狀態下（V=0），當入射光為波長較短時，電子-空穴對主要由底部二極管產生；當入射光波長較長時，底部與頂部的二極管均能產生電子-空穴對，但由于兩個二極管方向相反，兩組電子-空穴對會相互抵消，最終器件僅保留對短波長光的窄帶響應。

由于該器件在不同偏壓下、對不同波段紫外光的響應程度不同且具有充分的正交性，因此該級聯光電二極管能夠通過外加偏壓，調控光譜儀的響應特性，從而實現電壓可調的雙向光譜響應。該器件的峰值波長精度約為0.62nm，響應速度小于10ns，工作帶寬為250-365nm，此前的微型光譜儀無法覆蓋這一波段。采集該器件的光響應數據，并將其用于算法訓練后，便可通過深度神經網絡（DNN）的重建算法測量未知入射光的光譜。

單個級聯光電二極管（上）及片上光譜成像儀（下）的工作原理示意圖

（圖片來源：參考文獻[1]）

在此基礎上，iGaN團隊進一步制備了10×10的級聯光電二極管陣列，每個陣列的總面積僅為1×1平方厘米。基于已有的數據模型和重建算法，iGaN團隊最終構建出一個微型片上光譜成像儀，并且每個二極管均可作為獨立的紫外光譜分析儀。

微型光譜成像儀芯片的示意圖（左）及鍵合引線在PCB板上的實物照片（右）

（圖片來源：參考文獻[1]）

為驗證成像儀芯片的性能，iGaN團隊利用其對橄欖油（A）、花生油（B）、動物油（C）和牛奶（D）四種有機物液滴進行了光譜成像，并通過其在紫外波段的吸收特性，清晰呈現出四種材料的空間分布及透射特性，測試結果與商用光譜儀高度一致，空間分辨率高達300μm×300μm，進一步驗證了光譜成像芯片的可靠性。

光譜成像儀芯片與商用光譜儀測得的有機物透射光譜對比圖

（圖片來源：參考文獻[1]）

相較于傳統光譜儀，這款微型光譜成像儀在顯著縮小體積、提高空間分辨率、降低生產成本的同時，還具有更高的便攜性、靈活性和可集成性，在許多全新場景中展現出廣闊的應用潛力。

光譜成像儀芯片在不同波長下重建得到的樣品光譜圖像（左）及樣品照片（右）

（圖片來源：參考文獻[1]）

例如，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，在環境監測、工業巡檢、農業生產等領域實現高效、精準且無人化的作業，大幅拓展光譜分析技術的應用邊界；微型光譜儀成本較低，能夠與其他傳感器相互集成，構建大規模分布式監測系統，實現多參數協同監測的立體化感知，形成覆蓋廣、密度高、全流程的監測網絡。

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備中，讓人們可以隨時隨地識別果蔬表面的農藥殘留、鑒別珠寶首飾的材質真假、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，不僅打破了傳統光譜分析對專業場景、大型設備的依賴，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的應用邊界，為智慧生活與產業升級注入全新動能。

參考文獻：

[1]Yu, H., Memon, M.H., Yao, M.et al.A Miniaturized Cascaded-Diode-Array Spectral Imager.Nat. Photon.(2025). https://doi.org/10.1038/s41566-025-01754-6

出品：科普中國

作者：梁坤 高志祥（中國科學技術大學）

監制：中國科普博覽