10月3日，中國科學技術(shù)大學微電子學院孫海定教授iGaN實驗室，聯(lián)合上海自動化儀表四廠劉勝院士團隊，成功研制出微型化紫外光譜儀芯片，并實現(xiàn)片上光譜成像。該芯片基于新型氮化鎵基(GaN)級聯(lián)光電二極管架構(gòu)，并與深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(DNN)算法深度融合，實現(xiàn)了高精度光譜探測與高分辨率多光譜成像，其光譜響應(yīng)速度創(chuàng)下了目前已報道微型光譜儀的最快世界紀錄(納秒級)。
該成果不僅填補了微型光譜儀技術(shù)在紫外波段的空白，同時展現(xiàn)了其在未來大規(guī)模可制造的緊湊型、便攜式光譜分析和光譜成像芯片，及其在高通量實時生物分子和有機物檢測、片上集成式傳感技術(shù)等領(lǐng)域的廣闊應(yīng)用前景。相關(guān)研究以“A Miniaturized Cascaded-Diode-Array Spectral Imager”為題，9月26日在線發(fā)表于光學領(lǐng)域著名期刊《自然·光子學》。
物質(zhì)的光譜信息常被形象地稱為“光基因”，它反映了物質(zhì)的本征屬性。光譜成像技術(shù)不僅能獲取被檢測目標的光譜特征信息，還能夠捕捉其空間幾何特征等多維度數(shù)據(jù)，具有“譜圖合一”特性，從而實現(xiàn)對復(fù)雜環(huán)境和目標的實時精準測量與識別。憑借這一優(yōu)勢，光譜成像在物質(zhì)成分分析、環(huán)境實時監(jiān)測、衛(wèi)星遙感、深空探測等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用前景和戰(zhàn)略價值。然而，現(xiàn)有光譜成像技術(shù)普遍依賴幾何分光與機械掃描等傳統(tǒng)模式，其系統(tǒng)復(fù)雜、體積龐大，難以實現(xiàn)小型化集成式發(fā)展，且價格昂貴。因此，基于傳統(tǒng)光譜儀及其光譜成像技術(shù)已經(jīng)無法滿足日益增長的對集成便攜式且具有快速響應(yīng)特性的智能光譜成像儀的應(yīng)用需求。尤其針對工作在深紫外/紫外波段(對生物制藥、有機物和分子檢測有重要意義)，目前受限于材料、工藝和結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，片上微型紫外光譜成像技術(shù)長期存在空白，成為制約該領(lǐng)域發(fā)展的關(guān)鍵瓶頸
圖1 基于級聯(lián)n-p-n光電二極管的光譜成像芯片上海新躍儀表廠(a)微型光譜成像芯片三維結(jié)構(gòu)示意圖，(b)晶圓照片，右上角為器件顯微圖，(c)鍵合后的芯片照片，(d)微型光譜成像芯片工作原理。
為了解決這一難題，iGaN實驗室提出了一種新型GaN基級聯(lián)光電二極管架構(gòu)(圖1a)，并研制出全球首個工作于紫外波段的光譜儀芯片，應(yīng)用于光譜成像。該結(jié)構(gòu)由兩個不對稱p-n二極管垂直級聯(lián)組成。可在2英寸晶圓上進行陣列化制備并通過鍵合完成光譜成像芯片制備(圖1b,c)。該級聯(lián)光電二極管能夠通過外加偏壓調(diào)控載流子的波長依賴傳輸行為，從而實現(xiàn)電壓可調(diào)的雙向光譜響應(yīng)，結(jié)合深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的算法(圖1d)，可以實現(xiàn)對未知的各種光譜信息進行高精度重構(gòu)(圖2a-c)。該光譜成像芯片在紫外波段(250-365納米)表現(xiàn)出準確的光譜重構(gòu)和快速的響應(yīng)能力，可達到約0.62納米的分辨率、約10納秒的超快響應(yīng)速度(目前已報道的微型光譜儀中最快)。
基于這一微型光譜儀芯片，研究團隊成功對不同有機物質(zhì)(如橄欖油(A)、花生油(B)、動物油脂(C)和牛奶(D))液滴進行了空間分辨與單次直接成像。每個像素捕獲依賴于波長的光電流信號，并形成一個完整的三維數(shù)據(jù)集，上海自動化儀表有限公司通過利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法進行光譜重構(gòu)，生成高分辨率的光譜圖像，清晰展示了不同有機物在紫外波段的獨特紫外吸收特性(圖2d)及其空間分布(圖2e)。該結(jié)果展示了微型化紫外光譜及成像芯片在有機檢測方面的巨大應(yīng)用潛力。
圖2 微型化紫外光譜儀和商業(yè)光譜儀測試(a)單峰光譜，(b)不同半高寬光譜，(c)雙峰光譜；(d)不同有機物質(zhì)的測試光譜；(h)不同波段的空間信息。
該工作提出并驗證了一種全新的微型化光譜儀芯片實現(xiàn)方案，并首次利用寬禁帶氮化物半導(dǎo)體作為光譜儀芯片的材料載體。未來，通過改變芯片內(nèi)化合物材料組分及其摻雜特性，或者直接采用其他二六族(硫化鎘、上海氧化鋅等)和三五族化合物半導(dǎo)體材料(如砷化鎵，磷化銦等)，該微型光譜儀芯片架構(gòu)的工作范圍可從紫外光擴展到可見光甚至紅外光波段。此外，由于該芯片制備工藝完全兼容現(xiàn)有的先進半導(dǎo)體大規(guī)模制造工藝，因此該芯片的特征尺寸可以被進一步縮小至亞微米甚至納米級，從而實現(xiàn)更高分辨率的光譜成像，并有望將現(xiàn)有的光譜成像儀的成本降至傳統(tǒng)方案的百分之一。就像曾經(jīng)硅基CCD/WWW.shyb118.COM//CMOS芯片技術(shù)的不斷進步推動數(shù)碼相機的大規(guī)模普及一樣，這一新型氮化鎵基微型化光譜儀芯片的研制成功有望引領(lǐng)光譜成像技術(shù)的新一輪產(chǎn)業(yè)升級。
此項研究工作得到了國家自然科學基金、國家重點研發(fā)計劃、安徽省自然科學基金等項目資助，并獲得了上海新躍儀表廠的大學微電子學院、微納研究與制造中心、物理科學實驗中心的大力支持。該論文的共同第一作者為博士后余華斌、博士后Muhammad Hunain Memon、博士研究生高志祥和碩士研究生姚銘家。中國科大孫海定教授是本論文的唯一通訊作者，武漢大學劉勝院士、浙江大學楊宗銀教授、劍橋大學Tawfique Hasan教授對該工作提供了重要支持和指導(dǎo)。
