1666 年，牛頓在劍橋的房間里，讓一束陽光穿過三棱鏡，世界第一次看見光分解成彩虹般的色彩。那一刻，人類擁有了一把解碼自然的新鑰匙——光譜儀。憑借光譜儀，科學家能夠以前所未有的精度去探測物質，認識世界。

300 多年過去，光譜儀已成為科研和工業的重要工具。依靠光譜儀和光譜成像技術，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據，從而實現對復雜環境和目標的實時精準測量與識別。光譜分析和光譜成像在物質成分分析、環境實時監測、衛星遙感、深空探測等領域具有重要的應用前景和價值。

然而，現有光譜成像技術（光譜相機）普遍依賴幾何分光與機械掃描等傳統模式，其系統復雜、體積龐大，難以實現小型化集成式發展，且價格昂貴。

因此，基于傳統光譜儀及其光譜成像技術已經無法滿足日益增長的對集成便攜式且具有快速響應特性的智能光譜成像儀的應用需求。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、工藝和結構的復雜性，片上微型紫外光譜成像技術長期存在空白，成為制約該領域發展的關鍵瓶頸。

為了解決這一難題，中國科學技術大學孫海定教授 iGaN 實驗室，聯合武漢大學劉勝院士團隊，成功研制出微型紫外光譜儀芯片，并實現片上光譜成像。

該芯片基于新型氮化鎵基（GaN）級聯光電二極管架構，并與深度神經網絡（DNN）算法深度融合，實現了高精度光譜探測與高分辨率多光譜成像，其光譜響應速度實現納秒級（國際已報道微型光譜儀中響應速度最快）。

該成果不僅填補了微型光譜儀技術在紫外波段的空白，同時展現了其在未來大規模可制造的緊湊型、便攜式光譜分析和快速光譜成像芯片，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等領域的廣闊應用前景。

圖丨相關論文（Nature Photonics）

近日，相關研究以《微型級聯二極管陣列光譜成像儀》（A Miniaturized Cascaded-Diode-Array Spectral Imager）為題，發表于 Nature Photonics 的 2025 年 12 月第 19 期上 [1]。

該論文的共同第一作者為余華斌博士、Muhammad Hunain Memon 博士、高志祥和姚銘家。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。

審稿人之一對該研究評價稱，研究人員展示了一種新的光譜分析和高光譜成像器件，并認定所提出的利用背靠背級聯兩個二極管結構設計構建光譜儀是極致簡單而又美妙的構思，且進一步強調該設計簡單到只需懂得最基本半導體知識就能理解它們的工作原理，并評價該設計具有很強的普適性。

最后，審稿人總結此次開發的這款紫外光譜儀芯片非常及時，而它所具備的超快響應速度是一個頗具亮點的性能優勢，這為整個微型光譜領域的發展提供了一個簡單且低成本的、未來可大規模制造和應用的重要方案。

圖丨微型化紫外光譜儀的光譜成像過程（Nature Photonics）

研究的積累：從高效發光到高靈敏度探測芯片，再到微型光譜儀芯片的開發

回想本科保研剛加入中科大孫海定教授 iGaN 實驗室的時候，余華斌博士的科研第一個課題是研制高效率紫外發光二極管（LED）。這種緊湊節能的半導體光源在消毒殺菌、紫外固化、非視距光通信、皮膚治療、工業加工等領域都有重要應用。

轉為博士生后，他在孫海定教授的指導下，專注于氮化鎵（GaN）和鋁鎵氮（AlGaN）材料體系的半導體光電器件及集成芯片，包括紫外 micro-LED 和 nano-LED、紫外-紅外寬譜探測器和片上信號傳輸集成芯片等。

在這些課題的研究中，光譜儀幾乎成為他和團隊小伙伴們每天離不開的科研“小助手”。且這些大大小小的光譜儀是大家能夠快速掌握，并理解半導體材料光學和其他物理特性的重要工具。光譜儀可以幫助我們分析半導體材料的禁帶寬度和晶體質量，以及光電器件的輻射復合效率和光譜響應特性等關鍵參數。

但與此同時，他和團隊也深切感受到傳統光譜儀的局限：動輒一臺設備占據半張光學平臺實驗桌，體積笨重、光路復雜、光柵校準調試響應遲緩，遠不能滿足未來對實時檢測和便攜應用的需求。

（中科大 iGaN 實驗室）

漸漸地，一個想法在他和團隊的心中萌生：既然他們在氮化鎵材料和光電器件方面已經積累了豐富經驗，“能否有一天，讓 GaN 光電探測器件替代復雜的光學部件，成為構建光譜儀的核心部件呢？”

如果能擺脫棱鏡與光柵的限制，把光譜解析能力“嵌入”到一枚“像指甲蓋大小”的芯片上，那么光譜儀或許也能縮小到像 LED 芯片一樣大小，并從實驗室走向微型化、智能化與普及化。

他和團隊常常在實驗桌前望著那臺龐大的光譜儀，設想：如果有那么一天，光譜儀可以被縮小到指尖大小，我們就可以把它嵌入到手機里、手環里，甚至無人機上，讓光譜儀走出實驗室，走向日常生活中。

圖丨傳統臺式光譜儀和微型光譜儀（中科大 iGaN 實驗室）

技術的突破：級聯光電二極管及其陣列的發明

在中科大孫海定教授和武漢大學劉勝院士的聯合指導下，余華斌和團隊經過反復構思、仿真設計并進行實驗驗證，最終設計并提出了一種基于 GaN/AlGaN 異質結的 N-P 結二極管和 P-N 結二極管通過背靠背連接而成的 N-P-N 級聯光電二極管。這一新結構的誕生是一個完全不同于傳統光譜儀的設計新思路，因為：

通過在不同偏壓下工作，每個二極管對紫外光的響應曲線都會發生明顯的變化。這種變化主要源于在不同電場條件下，光生載流子的分布、分離效率以及復合幾率存在差異，從而改變了器件對不同波長光子的吸收與轉化效率。

結果是，二極管在不同電壓下對紫外光的光譜敏感度呈現出差異化特征。換句話說，一枚 N-P-N 級聯光電二極管并不是只有一條固定的響應曲線，而是能夠通過外加偏壓實現“可編程”的光譜響應。

每一個偏壓條件都對應一條獨特的響應曲線，而多個偏壓下的響應集合，就構成了一組可調諧的光譜通道。這意味著，僅憑一枚小器件，就可以模擬出一個多通道光譜探測單元。

這種特性就像在芯片內部“寫入”了多個可調諧的光譜通道：每個通道對應一條偏壓下的響應曲線，多個通道組合在一起，就形成了一個豐富的響應函數集合。這樣一來，原本需要光柵或棱鏡來進行分光的過程，被巧妙地轉移到了電子調控層面。

光譜信息不再依賴傳統的體積龐大、機械結構復雜的光學分光系統，而是通過電壓掃描在一枚微小的芯片上完成。同時利用深度神經網絡算法，把這些通道信號組合起來，重建出完整的光譜曲線，大幅提升了解析精度。

圖丨 NPN 級聯二極管工作原理（Nature Photonics）

更重要的是，該器件可以在 2 英寸晶圓上實現大規模陣列化制備，并通過鍵合工藝完成光譜成像芯片的集成。在這種架構下，級聯光電二極管能夠通過外加偏壓精確調控載流子的波長依賴傳輸行為，從而實現電壓可調的雙向光譜響應。結合深度神經網絡算法，該芯片能夠對未知光譜進行高精度重構。

實驗結果表明，該光譜成像芯片在 250-365 nm 紫外波段展現出極高的性能：光譜重構準確，響應速度極快，光譜分辨率可達 0.62 nm，時間響應小于 10 納秒，比現有大多數微型光譜儀快上千倍，達到國際最快光譜探測感知。這不僅意味著它能夠捕捉光譜，還能實時跟蹤瞬態的物理和化學過程。

圖丨微型紫外光譜儀及其光譜分析結果（Nature Photonics）

基于這一微型光譜儀芯片，研究團隊進一步對不同有機物（橄欖油 A、花生油 B、動物油脂 C 和牛奶 D）的液滴樣品進行了空間分辨與單次直接成像。每一個像素點都能捕捉波長依賴的光電流信號，形成完整的三維數據集。利用神經網絡進行光譜重構后，成功生成了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吸收特性及其空間分布。

這一成果表明，微型化紫外光譜與成像芯片在有機物檢測、食品安全、環境監測等方面具有巨大的應用潛力，也標志著紫外光譜儀第一次真正走上了芯片，實現了從“笨重設備”到“智能芯片”的跨越。

圖丨微型紫外光譜儀的有機光譜檢測和成像結果（Nature Ph）

余華斌博士和團隊分享說：“我們在這項工作中提出并驗證了一種全新的微型化光譜儀芯片實現方案，并且首次將寬禁帶氮化物半導體作為光譜儀芯片的材料載體。展望未來，我認為這一架構具有廣闊的拓展潛力：通過改變芯片內化合物半導體的組分及其摻雜特性，或者直接采用其他二六族材料（如硫化鎘、氧化鋅）和三五族材料（如砷化鎵、磷化銦），該芯片的工作波段可以從紫外擴展到可見光甚至紅外區域。”

團隊負責人孫海定教授告訴 DeepTech：“此外，由于芯片制備工藝完全兼容現有先進的半導體大規模制造工藝，我相信其特征尺寸還可以進一步縮小到亞微米甚至納米級，從而實現更高分辨率的光譜成像。”

更為重要的是，孫海定補充稱：“在實驗開展和論證過程中，團隊的導師劉勝院士針對一些關鍵技術細節，包括光譜儀結構如何構造、氮化物材料外延生長過程、以及器件的單片集成與封裝方面等予以指導，并引導我們提前進行產業化布局包括專利申請等。該技術有望將光譜成像儀的成本降至傳統技術方案的百分之一，使光譜儀真正走向低成本、規模化和普及化應用。”

圖 | 劉勝院士（左）指導孫海定（孫海定）

該團隊相信：“就像曾經硅基 CCD/CMOS 芯片技術的不斷進步推動了數碼相機的大規模普及一樣，這枚新型氮化鎵基微型光譜芯片的問世，有望引領光譜成像邁入新一輪產業升級，尤其是為下一代小型化、便攜式和可穿戴光譜技術的大規模應用提供新的思路和解決方案。”

團隊與堅持：跨越時空的國際科研合奏曲

論文投稿時，余華斌已赴美國密歇根大學開展新的博士后研究工作。因此，大部分審稿回復的工作都是需要跨時區和跨國來合作完成。iGaN 實驗室與英國劍橋大學、浙江大學、武漢大學等團隊緊密溝通協作。在這過程中，時常因為十幾個小時的時差，凌晨三四點的視頻會議成了常態。

即使在 2025 年初春節期間，當大多數人沉浸在合家團聚的喜慶氛圍中時，iGaN 實驗室團隊成員繼續打磨論文。有時深夜又逢寒冷冬雨，街上已無出租車，團隊成員只能冒著寒風獨自步行回宿舍。冬夜冷風呼嘯，腦中卻只有一個念頭：必須在最短時間內把論文內容做到最好。

圖丨 iGaN 實驗室部分成員（中科大 iGaN 實驗室）

2025 年夏天，當 Nature Photonics 編輯發來錄用通知時，實驗室里并沒有喧囂的歡呼，反而大家都很平靜。大家想到的，是過去三年里數不清的重復實驗和測試，是那些一次次推倒重來的器件結構、工藝流程和測試系統，也是跨國合作里無數個深夜的屏幕燈光。

這項成果，成為國際首個微型紫外光譜儀芯片，不僅填補了紫外波段微型光譜儀的技術空白，也讓中國科研團隊在這一微型光譜儀前沿研究領域方向上實現了從“跟跑”到“領跑”的跨越。

圖 | 微型光譜儀覆蓋光譜波段（Nature Photonics）

光譜的未來：從實驗室走向應用

這枚只有指甲蓋大小的芯片，卻蘊含著改變世界的潛力。

日常食品安全

拿出手機，對著一顆蘋果掃一掃，就能立刻知道有沒有農藥殘留；對一杯牛奶一測，就能“讀出”是否含有三聚氰胺。食品檢測不再需要實驗室和專業人員，而是像掃碼支付一樣簡單快捷。

醫療健康監測

對于糖尿病患者而言，每天扎手指檢測血糖是一種長期的痛苦。未來，這枚芯片可以嵌入智能手環，實現實時、無創的血糖監測。不再有針刺，不再有等待，健康數據時刻在掌握之中。

環境保護與應急監測

無人機搭載光譜芯片，可以在城市上空實時監測大氣污染物的分布；在火災、爆炸或化學泄漏現場，它能迅速識別空氣中的有害氣體，為救援和處置贏得寶貴時間。

科研與工業應用

在實驗室里，它能以納秒級速度捕捉化學反應的瞬間變化，觀察燃燒過程的光譜特征，甚至跟蹤短壽命的生物事件。這些原本需要昂貴且笨重設備才能完成的實驗，如今有望用一枚芯片實現。

隨著技術成熟，這種光譜芯片可以被集成到手機、無人機、可穿戴設備中。那意味著未來的日常生活，或許就是一場“科幻變現實”的體驗：

購物時，手機能告訴你食材的新鮮度；運動時，手環實時監測體內代謝狀態；出行時，無人機為你繪制空氣質量地圖；醫療中，醫生通過一顆小小的芯片獲得全套代謝數據。

就像數碼相機替代了膠片相機一樣，微型化光譜儀可能重新定義人類“看世界”的方式：不僅僅看到形狀和顏色，還能即時解析物質的成分與本質。

氮化鎵被譽為第三代半導體材料，是國家戰略新興電子材料。而高效氮化鎵基藍光 LED 的發明，不僅改變了人類的照明方式，讓氮化鎵真正走進千家萬戶，相關科學家還因此獲得了諾貝爾物理學獎。但這只是氮化鎵光電子產業“發光發熱”的開始。

今天，基于氮化鎵的光譜芯片正為未來可能的高速、多功能的光電集成、光感知與光計算開辟出新的方向。隨著芯片與人工智能算法的結合，以及與產業界的深入協同，這一技術有望走出實驗室，廣泛應用于醫療健康、食品安全、環境監測和智能感知等領域。我們堅信氮化鎵不僅可以在傳統光電和電子芯片中繼續發揮舉足輕重的作用，而且有希望在新的研究賽道上讓它開出新的花，結出新的果。

目前，iGaN 團隊正在跟業界開展溝通和合作，希望盡快將微型光譜儀加以產業化。微型光譜儀能夠輕松搭載于無人機和機器人中，能夠突破人工檢測的場景限制，在環境監測、工業巡檢、農業生產等領域實現高效、精準且無人化的作業，大幅拓展光譜分析技術的應用邊界。

此外，微型光譜儀成本較低，能夠與其他傳感器相互集成，構建大規模分布式監測系統，實現多參數協同監測的立體化感知，形成覆蓋廣、密度高、全流程的監測網絡。

更重要的是，芯片化的光譜儀或光譜成像儀能夠輕易集成到手機和可穿戴設備中，讓人們可以隨時隨地識別果蔬表面的農藥殘留、鑒別珠寶首飾的材質真假、檢測呼出氣體的特定成分、判斷飲用水的純凈度和空氣中的污染物含量。

這種便攜式光譜檢測手段，不僅打破了傳統光譜分析對專業場景、大型設備的依賴，更讓普通大眾能以極低的門檻享受科技帶來的安全與便利。或許不久后，微型光譜儀將重新定義光譜分析技術的應用邊界，為智慧生活與產業升級注入全新動能。

參考資料：

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

排版：劉雅坤