我国科研团队成功研制微型紫外光谱仪芯片，填补紫外波段微型光谱技术空白

    光谱信息作为物质的“光基因”，能够反映物质本征属性。光谱成像技术凭借“谱图合一”的特性，可同步获取检测目标的光谱特征与空间几何特征等多维度数据，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应用前景与战略价值。然而，传统光谱成像技术依赖几何分光与机械扫描模式，存在系统复杂、体积庞大、难以集成、成本高昂等问题，无法满足集成便携式、快速响应智能光谱成像仪的应用需求。尤其在对生物制药、有机物及分子检测具有重要意义的深紫外/紫外波段，受材料、工艺与结构复杂性限制，片上微型紫外光谱成像技术长期处于空白状态，成为制约该领域发展的关键瓶颈。
    2025年9月26日，中国科学技术大学微电子学院孙海定教授领衔的iGaN实验室，联合武汉大学刘胜院士团队，在国际顶级期刊《NaturePhotonics》在线发表题为“AMiniaturizedCascadedDiodeArraySpectralImager”的研究成果。该团队成功研制出基于氮化镓（GaN）的微型紫外光谱仪芯片，并实现片上光谱成像，不仅填补了微型光谱仪技术在紫外波段的空白，更为紧凑型、便携式光谱分析与成像芯片的大规模制造及应用奠定基础。

    核心技术突破：GaN级联架构与DNN算法深度融合
    为解决传统光谱技术的微型化难题，研究团队创新提出新型技术路径，通过硬件架构设计与算法优化的协同，实现紫外波段光谱探测的高精度与高响应速度。
    1.GaN基级联光电二极管架构创新：芯片核心采用两个不对称pn二极管垂直级联结构，可在2英寸晶圆上完成阵列化制备，并通过键合工艺实现光谱成像芯片集成。该架构可通过外加偏压调控载流子的波长依赖传输行为，实现电压可调的双向光谱响应，突破传统结构光谱响应固定的局限，为宽波段、灵活探测提供硬件基础。
    2.深度神经网络（DNN）算法融合：针对光谱信息重构需求，团队将芯片获取的光电流信号与DNN算法深度结合，实现对未知光谱信息的高精度重构。在紫外波段（250365纳米）测试中，该芯片光谱分辨率达0.62纳米，响应速度快至10纳秒，兼顾探测精度与响应效率，满足实时检测场景需求。

    应用验证：有机物质光谱成像测试成效显著
    为验证芯片性能与应用潜力，研究团队以橄榄油、花生油、动物油脂、牛奶等有机物质液滴为检测对象，开展光谱成像实验，充分体现芯片在有机检测领域的实用价值。
    实验中，芯片每个像素可捕获波长相关的光电流信号，形成完整三维数据集。经DNN算法光谱重构后，生成高分辨率光谱图像，清晰呈现不同有机物质在紫外波段的独特吸收特性及其空间分布，实现有机物质的空间分辨与单次直接成像。对比商业光谱仪测试数据，该芯片的光谱重构结果高度吻合，证明其精度可媲美传统大型设备，为替代传统光谱仪、实现设备小型化提供关键支撑。

    未来发展前景：多波段扩展与低成本规模化应用可期
    该研究提出的微型光谱仪芯片架构具有极强的扩展性与产业化潜力，未来可通过技术优化进一步拓展应用边界，降低应用成本。
    波段覆盖范围扩展：通过调整芯片内化合物材料组分及掺杂特性，或采用硫化镉、氧化锌等二六族化合物半导体，以及砷化镓、磷化铟等三五族化合物半导体材料，可将芯片工作范围从紫外光扩展至可见光、红外光波段，覆盖更多领域检测需求，如红外波段环境气体监测、可见光波段物质成分分析等。
    尺寸优化与成本降低：芯片制备工艺完全兼容现有先进半导体大规模制造流程，未来可将特征尺寸进一步缩小至亚微米甚至纳米级，提升光谱成像分辨率；同时，规模化生产可大幅降低制造成本，预计成本可降至传统光谱仪的百分之一，为便携式、可穿戴式光谱探测设备的普及提供经济可行性。
    正如硅基CCD/CMOS芯片推动数码相机大规模普及，该GaN基微型光谱芯片的问世，有望引领光谱成像技术进入产业升级新阶段，为下一代小型化、便携式智能光谱设备的发展提供技术范式。

    研究团队：多学科协作奠定科研基础
    该成果的取得离不开研究团队的长期积累与多学科协作。通讯作者孙海定教授为中国科学技术大学微电子学院教授、博导，iGaN实验室负责人，长期致力于GaN半导体材料外延、紫外光电器件与电子器件设计制备研究，入选科睿唯安全球前2%顶尖科学家榜单、爱思唯尔“中国高被引学者”榜单，主持多项国家级科研项目；第一作者余华斌博士后、MuhammadHunainMemon博士后、高志祥博士研究生、姚铭家硕士研究生等在宽禁带半导体领域具有深厚研究积累。此外，武汉大学刘胜院士、浙江大学杨宗银教授、剑桥大学TawfiqueHasan教授为研究提供重要指导与支持，多学科力量协同为技术突破提供保障。
    该微型紫外光谱仪芯片的研制成功，标志着我国在光谱技术微型化领域掌握核心竞争力，为后续技术产业化与应用落地奠定坚实基础，将推动光谱成像技术在高通量实时生物分子检测、片上集成式传感等领域的广泛应用。
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