科学通报 | 微型紫外光谱成像仪

在光学探测、空间科学、医药制造和材料分析等众多领域中, 能够同时记录光谱与空间分布的光谱成像仪, 像一台既能拍照又能看懂每个像素所含“物质成分”的超级相机. 它们已然成为现代科学仪器体系中不可或缺的重要光学检测设备 [1] , 为材料辨识、环境监测、质量控制和科学探索提供极为丰富的物质光学信息. 然而, 许多传统光谱成像系统都离不开台式光谱仪, 并配合光栅、滤光片或干涉光学元件等关键部件方可实现光谱成像 [ 2 , 3 ] . 这些元件需要极高的加工精度, 其中一些结构还依赖可移动的机械组件进行扫描分光, 使得整个光谱分析系统体积庞大、光路复杂、成本较高, 难以满足高精度原位可移动检测以及空间载荷等对轻量化、便携式与可穿戴式应用需求. 因此, 如何突破传统光谱仪和光谱成像仪对复杂光学分光结构的限制, 将光谱成像微型化、智能化和便携式发展, 已经成为相关领域的重要科研攻关方向.

沿着这一方向, 未来光谱仪的核心架构逐渐从“精密复杂光学结构”转移到“新型器件与先进算法”上, 这便催生了所谓的“计算光谱技术”. 这种方法的主要理念是将相对简单的光电探测器与数学算法相结合, 通过计算手段重建输入光的光谱信息, 从而降低对复杂光路的依赖. 在这种设计思路指引下, 光谱仪分光核心单元可以大幅简化, 光谱仪的体积也能随之缩小 [ 4 , 5 ] . 为了实现这一点, 一个关键目标是让光探测器具备“随偏压调谐光谱响应”的能力, 即探测器在不同的工作电压下呈现不同的光谱敏感区域, 等效实现多个滤光片或色散结构的效果, 从而大幅压缩光谱仪的尺寸和体积.

近年来, 科研人员围绕这一目标提出了一些创新方案, 并在可见光和红外波段取得了一系列进展. 例如, 基于黑磷纳米线的器件能够通过外电场调控带隙, 从而实现可切换的光谱响应 [6] ; 二维范德华异质结利用层间能带对准变化实现偏压调节 [7] ; 有机场效应器件通过调控异质结界面电荷分布实现多波段切换 [8] . 然而, 在紫外及深紫外波段, 受限于材料体系、器件结构以及系统可扩展性等因素, 微型化光谱仪和光谱成像技术长期处于空白状态, 尤其缺乏同时具备阵列化能力、支持单次成像, 并兼容成熟半导体工艺的片上光谱成像方案. 相比之下, 半导体光电二极管是经过数十年发展、极为成熟可靠的光电器件. 光电二极管阵列已广泛应用于电荷耦合器件(charge-coupled device, CCD)和互补金属氧化物半导体(complementary metal oxide semiconductor, CMOS)图像传感器中, 其响应速度快、暗电流低、噪声小、加工工艺成熟, 能够稳定工作在成千上万个像素规模. 因此, 如果能够在光电二极管中引入类似“可调谐光谱编码”的能力, 即器件在不同偏压条件下对不同波长光表现出差异化响应, 从而为同一入射光生成一组具有光谱特征的电信号“编码”, 并结合光谱重建算法反推出入射光的真实光谱分布, 就有机会实现真正意义上的“片上光谱成像”体系. 这种体系不仅具有良好的可扩展性和大规模可制造性, 还能够借助成熟的工艺平台实现低成本量产.

然而, 传统的光电二极管由单一的p-n结构成, 电流具有严格的单向流动特性, 因此其光响应曲线在结构确定后基本固定, 很难通过外加电压连续调谐光谱响应. 即便过去也有研究尝试使用n-p-n结构实现双波段或宽带探测, 但这些器件往往只能对某些离散波段产生不同的灵敏度, 而无法实现连续光谱的可调谐选择, 更无法满足需要精细光谱重建的计算光谱学应用 [ 9 , 10 ] .

受CCD相机和CMOS传感器“camera-on-a-chip”发展新范式的启发, 我们提出了一种新的微型光谱成像仪结构, 通过对半导体器件内部载流子输运行为的电学调控, 实现对入射光谱信息的选择性响应, 完全摆脱了传统台式光谱仪中必备的光栅、滤光片及机械扫描结构, 从而在系统层面实现了高度紧凑和可集成的光谱探测. 该微型光谱仪基于氮化镓/铝镓氮(GaN/AlGaN)薄膜的垂直堆叠n-p-n光电二极管架构, 通过背靠背的方式将两个不对称的p-n垂直集成在单个光电二极管中 [11] . 具体而言, 器件包含一个基于GaN的光电二极管, 以及一个带有Al组分梯度渐变的AlGaN光电二极管, 并通过高质量金属有机物化学气相沉积(metal organic chemical vapor deposition, MOCVD)外延生长在2英寸蓝宝石衬底上. 在此基础上, 我们进一步将该级联n-p-n光电二极管结构扩展为二维阵列, 实现了无需机械扫描的单次光谱成像. 该片上光谱成像芯片能够同时获取空间和光谱信息, 从而验证了该器件架构在阵列化、高速光谱成像系统中的可行性. 与以往依赖低维或有机材料的微型光谱仪方案不同, 该器件架构遵循CCD/CMOS图像传感器的阵列化设计理念, 将光谱功能直接嵌入像素和阵列层级, 为实现高分辨率、可扩展的片上光谱成像系统提供了清晰的技术路径和全新的解决方案.

图1(a) 为垂直级联结构的截面示意图, 顶部GaN基二极管和底部AlGaN基二极管以背靠背的方式堆叠, 同时材料组分和能带结构沿垂直方向逐层变化. 值得注意的是, 在AlGaN部分引入了Al组分连续变化的AlGaN梯度层, 使得器件内部的能带结构连续变化. 这种连续的能带梯度不仅降低了界面处的能带突变, 也使得不同深度区域对应不同的光生载流子吸收位置与能量分布, 从而为电压可调谐光谱调控提供了理论基础.

图1 (a) 器件结构示意图; (b) 不同波长下的响应度曲线; (c) 重构光谱曲线; (d) 不同半峰宽光谱曲线重构; (e) 双峰光谱曲线重构; (f) 器件响应速度表征; (g) 四种有机物透射光谱曲线重构结果; (h) 不同波长下的光谱成像结果 [11]

通过进一步的光电测量, 这种级联结构在不同偏压条件下展现出不同的光谱响应行为. 图1(b) 显示了器件在从负偏压到正偏压的连续变化过程中, 光谱响应呈现出偏压调控的双极性特征. 当施加反向偏压时, 底部AlGaN基二极管处于反偏工作状态, 对深紫外波段具有更明显的响应; 而当施加正向偏压时, 上部GaN二极管处于主导状态, 对长波紫外的响应增强. 因此, 器件的光响应灵敏度可随着电压的极性和大小自由切换, 从而呈现不同的光谱选择性. 相较于传统单结二极管固定不变的光谱响应曲线, 这种“电压驱动的光谱可调谐性”为光谱分析提供了一种全新的调控手段, 也是实现计算光谱重建的关键.

当这种调控机制与深度学习光谱重建算法结合之后, 单个级联二极管就具备了重建未知光谱的能力. 图1(c) 展示了器件在 250~365 nm 范围内对单峰光的重建结果. 可以看到, 重建曲线(实线)与标准商用光谱仪的测量结果(虚线)高度一致, 峰值位置误差平均仅约 0.62 nm, 这表明器件在整个工作波段内都能实现精确的光谱还原. 图1(d) 给出了宽带光和窄带光的重建结果, 即使光谱的半峰宽有所不同, 重建曲线依然能够保持良好的形状一致性. 图1(e) 展示了双峰光谱的重建, 当两个光谱峰之间的间隔只有 5.8 nm 时, 重建算法仍然能准确分辨两个峰值, 说明器件对复杂光谱同样具有出色的分辨能力.

为了实现实时光谱成像, 器件的响应速度也是一个重要指标. 图1(f) 显示了器件在纳秒激光脉冲激发下的瞬态响应曲线, 上升和下降沿均在纳秒级, 响应速度远超多数基于材料调控的微型光谱器件. 这意味着该结构不仅能够进行精确光谱分析, 也非常适合用于高速光谱探测和实时成像任务.

在单点光谱分析成功验证之后, 研究团队进一步展示了其阵列化能力, 这是通往实际光谱成像应用的关键一步. 基于成熟的半导体工艺, 制备了一个10×10的垂直级联二极管阵列, 使每个像素都能够独立进行偏压调谐和光谱编码. 图1(g) 展示了不同有机材料(橄榄油、花生油、猪油和牛奶)的透射光谱, 它们在深紫外区域具有显著差异, 为后续成像识别提供了依据.

在实际成像实验中, 每个像素记录不同偏压下的光电流信号, 并通过计算将其重建为对应位置的光谱分布. 图1(h) 展示了不同波长下重建出的光谱图像, 由于不同材料在特定紫外波长下的透射率不同, 它们在图像中呈现出清晰的差异化区域, 从而实现了基于光谱特征的材料辨识. 值得强调的是, 这一成像过程只需要单次曝光即可完成, 不依赖任何光学扫描或复杂机械结构, 真正实现了“光谱-空间”信息的同时获取.

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 [ 11 , 12 ] . 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 [13] , 从而实现更高分辨率的光谱成像, 并有望将现有光谱成像仪的成本降至传统方案的百分之一.

综合以上结果可以看到, 这种基于级联光电二极管结构的片上光谱成像方案, 在光谱编码能力、光谱分辨精度、响应速度以及阵列扩展性方面都展示出优异的综合性能. 该工作展示了一条全新的微型化光谱仪设计路线, 也为未来在便携式分析仪器、生物化学检测、材料分析、工业质检乃至空间载荷等场景中, 构建轻量化、高灵敏、可集成的便携式光谱成像系统提供了技术基础. 随着进一步的工艺优化和算法发展, 这类片上光谱成像技术有望真正走向实用化, 在更多应用领域发挥重要作用.

参考文献

[1] Yang Z, Albrow-Owen T, Cai W, et al. Miniaturization of optical spectrometers . Science , 2021 , 371: eabe0722

[2] Redding B, Liew S F, Sarma R, et al. Compact spectrometer based on a disordered photonic chip . Nat Photon , 2013 , 7: 746 -751

[3] Cai G, Li Y, Zhang Y, et al. Compact angle-resolved metasurface spectrometer . Nat Mater , 2024 , 23: 71 -78

[4] Yang Z, Albrow-Owen T, Cui H, et al. Single-nanowire spectrometers . Science , 2019 , 365: 1017 -1020

[5] Bao J, Bawendi M G. A colloidal quantum dot spectrometer . Nature , 2015 , 523: 67 -70

[6] Yuan S, Naveh D, Watanabe K, et al. A wavelength-scale black phosphorus spectrometer . Nat Photon , 2021 , 15: 601 -607

[7] Yoon H H, Fernandez H A, Nigmatulin F, et al. Miniaturized spectrometers with a tunable van der Waals junction . Science , 2022 , 378: 296 -299

[8] He X, Li Y, Yu H, et al. A microsized optical spectrometer based on an organic photodetector with an electrically tunable spectral response . Nat Electron , 2024 , 7: 694 -704

[9] Senda K, Terakawa S, Hiroshima Y, et al. Analysis of n-p-n photodiode in p-well CPD image sensors . IEEE Trans Electron Devices , 1984 , 31: 1873 -1877

[10] Tang X, Ackerman M M, Chen M, et al. Dual-band infrared imaging using stacked colloidal quantum dot photodiodes . Nat Photonics , 2019 , 13: 277 -282

[11] Yu H, Memon M H, Yao M, et al. A miniaturized cascaded-diode-array spectral imager . Nat Photon , 2025 , 19: 1322 -1329

[12] van Deurzen L, Kim E, Pieczulewski N, et al. Using both faces of polar semiconductor wafers for functional devices . Nature , 2024 , 634: 334 -340

[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

《科学通报》是中国科学院主管、中国科学院和国家自然科学基金委员会共同主办的综合性中文学术期刊，致力于快速报道自然科学各学科基础理论和应用研究的最新研究动态、消息、进展, 点评研究动态和学科发展趋势。

• 旬刊，每10天出版1期；

• 栏目：进展、评述、快讯、论文、观点、科技前沿、科学访谈、亮点述评、悦读科学等；

• 中国科学院文献情报中心分区表综合性大类1区TOP期刊；

• 中国科技期刊卓越行动计划领军期刊；

• 《中国科技论文与引文数据库》和《中国科学引文数据库》的源期刊，同时被EI、ESCI和Scopus等收录；

• 期刊官网：http://csb.scichina.com.

转载、投稿请留言

| 关注科学通报 | 了解科学前沿