中科大造出首个紫外光谱成像芯片，成本有望直降99%

1666 年，牛顿在剑桥的房间里，让一束阳光穿过三棱镜，世界第一次看见光分解成彩虹般的色彩。那一刻，人类拥有了一把解码自然的新钥匙——光谱仪。凭借光谱仪，科学家能够以前所未有的精度去探测物质，认识世界。

300 多年过去，光谱仪已成为科研和工业的重要工具。依靠光谱仪和光谱成像技术，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，从而实现对复杂环境和目标的实时精准测量与识别。光谱分析和光谱成像在物质成分分析、环境实时监测、卫星遥感、深空探测等领域具有重要的应用前景和价值。

然而，现有光谱成像技术（光谱相机）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（对生物制药、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，成功研制出微型紫外光谱仪芯片，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纳秒级（国际已报道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。

图丨相关论文（来源：Nature Photonics）

近日，相关研究以《微型级联二极管阵列光谱成像仪》（A Miniaturized Cascaded-Diode-Array Spectral Imager）为题，发表于 Nature Photonics 的 2025 年 12 月第 19 期上 [1]。

该论文的共同第一作者为余华斌博士、Muhammad Hunain Memon 博士、高志祥和姚铭家。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。

审稿人之一对该研究评价称，研究人员展示了一种新的光谱分析和高光谱成像器件，并认定所提出的利用背靠背级联两个二极管结构设计构建光谱仪是极致简单而又美妙的构思，且进一步强调该设计简单到只需懂得最基本半导体知识就能理解它们的工作原理，并评价该设计具有很强的普适性。

最后，审稿人总结此次开发的这款紫外光谱仪芯片非常及时，而它所具备的超快响应速度是一个颇具亮点的性能优势，这为整个微型光谱领域的发展提供了一个简单且低成本的、未来可大规模制造和应用的重要方案。

图丨微型化紫外光谱仪的光谱成像过程（来源：Nature Photonics）

研究的积累：从高效发光到高灵敏度探测芯片，再到微型光谱仪芯片的开发

回想本科保研刚加入中科大孙海定教授 iGaN 实验室的时候，余华斌博士的科研第一个课题是研制高效率紫外发光二极管（LED）。这种紧凑节能的半导体光源在消毒杀菌、紫外固化、非视距光通信、皮肤治疗、工业加工等领域都有重要应用。

转为博士生后，他在孙海定教授的指导下，专注于氮化镓（GaN）和铝镓氮（AlGaN）材料体系的半导体光电器件及集成芯片，包括紫外 micro-LED 和 nano-LED、紫外-红外宽谱探测器和片上信号传输集成芯片等。

在这些课题的研究中，光谱仪几乎成为他和团队小伙伴们每天离不开的科研“小助手”。且这些大大小小的光谱仪是大家能够快速掌握，并理解半导体材料光学和其他物理特性的重要工具。光谱仪可以帮助我们分析半导体材料的禁带宽度和晶体质量，以及光电器件的辐射复合效率和光谱响应特性等关键参数。

但与此同时，他和团队也深切感受到传统光谱仪的局限：动辄一台设备占据半张光学平台实验桌，体积笨重、光路复杂、光栅校准调试响应迟缓，远不能满足未来对实时检测和便携应用的需求。

（来源：中科大 iGaN 实验室）

渐渐地，一个想法在他和团队的心中萌生：既然他们在氮化镓材料和光电器件方面已经积累了丰富经验，“能否有一天，让 GaN 光电探测器件替代复杂的光学部件，成为构建光谱仪的核心部件呢？”

如果能摆脱棱镜与光栅的限制，把光谱解析能力“嵌入”到一枚“像指甲盖大小”的芯片上，那么光谱仪或许也能缩小到像 LED 芯片一样大小，并从实验室走向微型化、智能化与普及化。

他和团队常常在实验桌前望着那台庞大的光谱仪，设想：如果有那么一天，光谱仪可以被缩小到指尖大小，我们就可以把它嵌入到手机里、手环里，甚至无人机上，让光谱仪走出实验室，走向日常生活中。

图丨传统台式光谱仪和微型光谱仪（来源：中科大 iGaN 实验室）

技术的突破：级联光电二极管及其阵列的发明

在中科大孙海定教授和武汉大学刘胜院士的联合指导下，余华斌和团队经过反复构思、仿真设计并进行实验验证，最终设计并提出了一种基于 GaN/AlGaN 异质结的 N-P 结二极管和 P-N 结二极管通过背靠背连接而成的 N-P-N 级联光电二极管。这一新结构的诞生是一个完全不同于传统光谱仪的设计新思路，因为：

通过在不同偏压下工作，每个二极管对紫外光的响应曲线都会发生明显的变化。这种变化主要源于在不同电场条件下，光生载流子的分布、分离效率以及复合几率存在差异，从而改变了器件对不同波长光子的吸收与转化效率。

结果是，二极管在不同电压下对紫外光的光谱敏感度呈现出差异化特征。换句话说，一枚 N-P-N 级联光电二极管并不是只有一条固定的响应曲线，而是能够通过外加偏压实现“可编程”的光谱响应。

每一个偏压条件都对应一条独特的响应曲线，而多个偏压下的响应集合，就构成了一组可调谐的光谱通道。这意味着，仅凭一枚小器件，就可以模拟出一个多通道光谱探测单元。

这种特性就像在芯片内部“写入”了多个可调谐的光谱通道：每个通道对应一条偏压下的响应曲线，多个通道组合在一起，就形成了一个丰富的响应函数集合。这样一来，原本需要光栅或棱镜来进行分光的过程，被巧妙地转移到了电子调控层面。

光谱信息不再依赖传统的体积庞大、机械结构复杂的光学分光系统，而是通过电压扫描在一枚微小的芯片上完成。同时利用深度神经网络算法，把这些通道信号组合起来，重建出完整的光谱曲线，大幅提升了解析精度。

图丨 NPN 级联二极管工作原理（来源：Nature Photonics）

更重要的是，该器件可以在 2 英寸晶圆上实现大规模阵列化制备，并通过键合工艺完成光谱成像芯片的集成。在这种架构下，级联光电二极管能够通过外加偏压精确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。结合深度神经网络算法，该芯片能够对未知光谱进行高精度重构。

实验结果表明，该光谱成像芯片在 250-365 nm 紫外波段展现出极高的性能：光谱重构准确，响应速度极快，光谱分辨率可达 0.62 nm，时间响应小于 10 纳秒，比现有大多数微型光谱仪快上千倍，达到国际最快光谱探测感知。这不仅意味着它能够捕捉光谱，还能实时跟踪瞬态的物理和化学过程。

图丨微型紫外光谱仪及其光谱分析结果（来源：Nature Photonics）

基于这一微型光谱仪芯片，研究团队进一步对不同有机物（橄榄油 A、花生油 B、动物油脂 C 和牛奶 D）的液滴样品进行了空间分辨与单次直接成像。每一个像素点都能捕捉波长依赖的光电流信号，形成完整的三维数据集。利用神经网络进行光谱重构后，成功生成了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吸收特性及其空间分布。

这一成果表明，微型化紫外光谱与成像芯片在有机物检测、食品安全、环境监测等方面具有巨大的应用潜力，也标志着紫外光谱仪第一次真正走上了芯片，实现了从“笨重设备”到“智能芯片”的跨越。

图丨微型紫外光谱仪的有机光谱检测和成像结果（来源：Nature Ph）

余华斌博士和团队分享说：“我们在这项工作中提出并验证了一种全新的微型化光谱仪芯片实现方案，并且首次将宽禁带氮化物半导体作为光谱仪芯片的材料载体。展望未来，我认为这一架构具有广阔的拓展潜力：通过改变芯片内化合物半导体的组分及其掺杂特性，或者直接采用其他二六族材料（如硫化镉、氧化锌）和三五族材料（如砷化镓、磷化铟），该芯片的工作波段可以从紫外扩展到可见光甚至红外区域。”

团队负责人孙海定教授告诉 DeepTech：“此外，由于芯片制备工艺完全兼容现有先进的半导体大规模制造工艺，我相信其特征尺寸还可以进一步缩小到亚微米甚至纳米级，从而实现更高分辨率的光谱成像。”

更为重要的是，孙海定补充称：“在实验开展和论证过程中，团队的导师刘胜院士针对一些关键技术细节，包括光谱仪结构如何构造、氮化物材料外延生长过程、以及器件的单片集成与封装方面等予以指导，并引导我们提前进行产业化布局包括专利申请等。该技术有望将光谱成像仪的成本降至传统技术方案的百分之一，使光谱仪真正走向低成本、规模化和普及化应用。”

图 | 刘胜院士（左）指导孙海定（来源：孙海定）

该团队相信：“就像曾经硅基 CCD/CMOS 芯片技术的不断进步推动了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应用提供新的思路和解决方案。”

团队与坚持：跨越时空的国际科研合奏曲

论文投稿时，余华斌已赴美国密歇根大学开展新的博士后研究工作。因此，大部分审稿回复的工作都是需要跨时区和跨国来合作完成。iGaN 实验室与英国剑桥大学、浙江大学、武汉大学等团队紧密沟通协作。在这过程中，时常因为十几个小时的时差，凌晨三四点的视频会议成了常态。

即使在 2025 年初春节期间，当大多数人沉浸在合家团聚的喜庆氛围中时，iGaN 实验室团队成员继续打磨论文。有时深夜又逢寒冷冬雨，街上已无出租车，团队成员只能冒着寒风独自步行回宿舍。冬夜冷风呼啸，脑中却只有一个念头：必须在最短时间内把论文内容做到最好。

图丨 iGaN 实验室部分成员（来源：中科大 iGaN 实验室）

2025 年夏天，当 Nature Photonics 编辑发来录用通知时，实验室里并没有喧嚣的欢呼，反而大家都很平静。大家想到的，是过去三年里数不清的重复实验和测试，是那些一次次推倒重来的器件结构、工艺流程和测试系统，也是跨国合作里无数个深夜的屏幕灯光。

这项成果，成为国际首个微型紫外光谱仪芯片，不仅填补了紫外波段微型光谱仪的技术空白，也让中国科研团队在这一微型光谱仪前沿研究领域方向上实现了从“跟跑”到“领跑”的跨越。

图 | 微型光谱仪覆盖光谱波段（来源：Nature Photonics）

光谱的未来：从实验室走向应用

这枚只有指甲盖大小的芯片，却蕴含着改变世界的潜力。

日常食品安全

拿出手机，对着一颗苹果扫一扫，就能立刻知道有没有农药残留；对一杯牛奶一测，就能“读出”是否含有三聚氰胺。食品检测不再需要实验室和专业人员，而是像扫码支付一样简单快捷。

医疗健康监测

对于糖尿病患者而言，每天扎手指检测血糖是一种长期的痛苦。未来，这枚芯片可以嵌入智能手环，实现实时、无创的血糖监测。不再有针刺，不再有等待，健康数据时刻在掌握之中。

环境保护与应急监测

无人机搭载光谱芯片，可以在城市上空实时监测大气污染物的分布；在火灾、爆炸或化学泄漏现场，它能迅速识别空气中的有害气体，为救援和处置赢得宝贵时间。

科研与工业应用

在实验室里，它能以纳秒级速度捕捉化学反应的瞬间变化，观察燃烧过程的光谱特征，甚至跟踪短寿命的生物事件。这些原本需要昂贵且笨重设备才能完成的实验，如今有望用一枚芯片实现。

随着技术成熟，这种光谱芯片可以被集成到手机、无人机、可穿戴设备中。那意味着未来的日常生活，或许就是一场“科幻变现实”的体验：

• 购物时，手机能告诉你食材的新鲜度；
• 运动时，手环实时监测体内代谢状态；
• 出行时，无人机为你绘制空气质量地图；
• 医疗中，医生通过一颗小小的芯片获得全套代谢数据。

就像数码相机替代了胶片相机一样，微型化光谱仪可能重新定义人类“看世界”的方式：不仅仅看到形状和颜色，还能即时解析物质的成分与本质。

氮化镓被誉为第三代半导体材料，是国家战略新兴电子材料。而高效氮化镓基蓝光 LED 的发明，不仅改变了人类的照明方式，让氮化镓真正走进千家万户，相关科学家还因此获得了诺贝尔物理学奖。但这只是氮化镓光电子产业“发光发热”的开始。

今天，基于氮化镓的光谱芯片正为未来可能的高速、多功能的光电集成、光感知与光计算开辟出新的方向。随着芯片与人工智能算法的结合，以及与产业界的深入协同，这一技术有望走出实验室，广泛应用于医疗健康、食品安全、环境监测和智能感知等领域。我们坚信氮化镓不仅可以在传统光电和电子芯片中继续发挥举足轻重的作用，而且有希望在新的研究赛道上让它开出新的花，结出新的果。

目前，iGaN 团队正在跟业界开展沟通和合作，希望尽快将微型光谱仪加以产业化。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。

此外，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。

参考资料：

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

排版：刘雅坤