解码光的“指纹”（下）：如何将光学分析实验室“装进”芯片

在上篇中，我们回顾了光谱学如何成为科学家手中解读物质“光学指纹”的利器。但传统光谱仪的“庞大身躯”仍是其走向更广阔天地的枷锁。如今，一场由微型化带来的变革正在打破这一局限。中国科学技术大学与武汉大学的联合团队，成功研制出像芯片一样微小的紫外光谱仪，将实验室级别的分析能力，凝聚在方寸之间。本期（下篇），我们将深入这项突破性技术的核心，看它如何以精巧的设计与前沿的算法，为我们开启一个“无处不光谱”的感知新时代。

虽然光谱仪听起来很高科技，但其实在日常生活中我们早已接触过它的“简化版”。比如交警使用的呼气式酒精检测仪和地铁的液体安全检测器，很多都采用了近红外光谱分析技术。尽管这些光谱设备性能普通、功能简单，但仍有手掌大小，更遑论性能更优、功能更完备的实验级光谱仪了。

某种呼气式酒精测试仪

（图片来源：Wikipedia）

为了突破这一局限，中国科学技术大学的孙海定教授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，单个像素的尺寸仅为300μm×300μm，光谱分辨率和响应速度却不输传统紫外光谱仪。

这项技术的创新之处在于，它不依赖传统的几何分光与机械扫描，而是基于氮化镓（GaN）基垂直级联n-p-n光电二极管阵列，结合深度神经网络算法，实现了高精度光谱探测与高分辨率多光谱成像。

其中，n-p-n光电二极管由两个不对称的p-n二极管垂直级联组成。不考虑漏电和反向击穿的情况，二极管具有典型的单向导电特性，其电流只能从阳极流向阴极，无法反向导通。

即当二极管两端施加正向电压时（不考虑导通电压），二极管进入“开启”状态，正向电流随正向电压的升高而显著增大；当二极管两端施加反向电压时，二极管处于“关闭”状态，此时反向电流几乎为零。

垂直级联n-p-n光电二极管结构示意图（左）及二极管的电流-电压特性曲线（右）

（图片来源：参考文献[1]（左）及Wikipedia（右））

光电二极管与常规二极管基本相似，但当有能量充足（大于材料的禁带宽度）的光子照射在光电二极管上时，会激发结区的半导体材料产生电子-空穴对，并在外加电场的作用下定向移动形成光电流，改变二极管的电流大小，从而将光信号转换为电信号。当外加电场为负时，光生电子-空穴对快速分离并流向外电路，使反向电流显著增大，因此反向偏压下光电二极管的光信号转换效率、响应速度和检测灵敏度都显著提升；而正向偏压下，光电二极管的光生电流被正向导通电流掩盖，失去光敏功能，与普通二极管几乎无异。

光电二极管的电流-电压特性曲线随外界光照强度的变化

（图片来源：作者绘图）

对于常规的氮化镓基（GaN）或铝镓氮基（AlGaN）光电二极管而言，它们仅能对单一波长附近的窄波段紫外光进行选择性吸收和响应，该波长由材料的禁带宽度唯一决定。为了扩大二极管对紫外光的响应带宽，孙海定教授iGaN实验室团队（以下简称iGaN团队）生长了一层铝组分梯度变化的AlGaN外延层，使该材料的禁带宽度随Al组分变化，实现了从250nm从（Al0.6Ga0.4N，深紫外波段）至365nm（GaN，近紫外波段）的宽光谱连续调控。

Al0.6-0Ga0.4-1N外延层的扫描透射电子显微镜及对应的X线能量色散谱元素分布图

（图片来源：参考文献[1]）

进一步地，iGaN团队将一个常规的GaN基二极管（顶部）和一个梯度渐变的AlGaN二极管（底部）反向垂直级联在一起，以此实现了电可调谐的双向光谱响应，使器件具备了紫外光谱分析的可能性。当有未知光线照射时，该级联光电二极管主要有三种工作模式。

n-p-n级联光电二极管在不同偏压下工作时的光谱响应

（图片来源：参考文献[1]）

在负偏压状态下（V<0），底部二极管反偏工作，顶部二极管正偏导通（类似于单向导线）。此时，底部二极管产生大量的电子-空穴对并形成反向的光电流，由于两个二极管方向相反，底部二极管的反向电流恰好与顶部二极管的正向导通方向一致，因此可顺利正向通过顶部二极管，最终形成稳定的光电流回路。得益于梯度渐变的AlGaN二极管的宽光谱响应特性，此时器件呈现宽带响应。

在正偏压状态下（V>0），底部二极管正偏导通，顶部二极管反偏工作，器件主要响应常规的GaN基二极管对应的长波长波段。

在零偏压状态下（V=0），当入射光为波长较短时，电子-空穴对主要由底部二极管产生；当入射光波长较长时，底部与顶部的二极管均能产生电子-空穴对，但由于两个二极管方向相反，两组电子-空穴对会相互抵消，最终器件仅保留对短波长光的窄带响应。

由于该器件在不同偏压下、对不同波段紫外光的响应程度不同且具有充分的正交性，因此该级联光电二极管能够通过外加偏压，调控光谱仪的响应特性，从而实现电压可调的双向光谱响应。该器件的峰值波长精度约为0.62nm，响应速度小于10ns，工作带宽为250-365nm，此前的微型光谱仪无法覆盖这一波段。采集该器件的光响应数据，并将其用于算法训练后，便可通过深度神经网络（DNN）的重建算法测量未知入射光的光谱。

单个级联光电二极管（上）及片上光谱成像仪（下）的工作原理示意图

（图片来源：参考文献[1]）

在此基础上，iGaN团队进一步制备了10×10的级联光电二极管阵列，每个阵列的总面积仅为1×1平方厘米。基于已有的数据模型和重建算法，iGaN团队最终构建出一个微型片上光谱成像仪，并且每个二极管均可作为独立的紫外光谱分析仪。

微型光谱成像仪芯片的示意图（左）及键合引线在PCB板上的实物照片（右）

（图片来源：参考文献[1]）

为验证成像仪芯片的性能，iGaN团队利用其对橄榄油（A）、花生油（B）、动物油（C）和牛奶（D）四种有机物液滴进行了光谱成像，并通过其在紫外波段的吸收特性，清晰呈现出四种材料的空间分布及透射特性，测试结果与商用光谱仪高度一致，空间分辨率高达300μm×300μm，进一步验证了光谱成像芯片的可靠性。

光谱成像仪芯片与商用光谱仪测得的有机物透射光谱对比图

（图片来源：参考文献[1]）

相较于传统光谱仪，这款微型光谱成像仪在显著缩小体积、提高空间分辨率、降低生产成本的同时，还具有更高的便携性、灵活性和可集成性，在许多全新场景中展现出广阔的应用潜力。

光谱成像仪芯片在不同波长下重建得到的样品光谱图像（左）及样品照片（右）

（图片来源：参考文献[1]）

例如，微型光谱仪能够轻松搭载于无人机和机器人中，能够突破人工检测的场景限制，在环境监测、工业巡检、农业生产等领域实现高效、精准且无人化的作业，大幅拓展光谱分析技术的应用边界；微型光谱仪成本较低，能够与其他传感器相互集成，构建大规模分布式监测系统，实现多参数协同监测的立体化感知，形成覆盖广、密度高、全流程的监测网络。

更重要的是，芯片化的光谱仪或光谱成像仪能够轻易集成到手机和可穿戴设备中，让人们可以随时随地识别果蔬表面的农药残留、鉴别珠宝首饰的材质真假、检测呼出气体的特定成分、判断饮用水的纯净度和空气中的污染物含量。这种便携式光谱检测手段，不仅打破了传统光谱分析对专业场景、大型设备的依赖，更让普通大众能以极低的门槛享受科技带来的安全与便利。

或许不久后，微型光谱仪将重新定义光谱分析技术的应用边界，为智慧生活与产业升级注入全新动能。

参考文献：

[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：科普中国

作者：梁坤 高志祥（中国科学技术大学）

监制：中国科普博览