科學(xué)通報 | 微型紫外光譜成像儀

在光學(xué)探測、空間科學(xué)、醫(yī)藥制造和材料分析等眾多領(lǐng)域中, 能夠同時記錄光譜與空間分布的光譜成像儀, 像一臺既能拍照又能看懂每個像素所含“物質(zhì)成分”的超級相機(jī). 它們已然成為現(xiàn)代科學(xué)儀器體系中不可或缺的重要光學(xué)檢測設(shè)備 [1] , 為材料辨識、環(huán)境監(jiān)測、質(zhì)量控制和科學(xué)探索提供極為豐富的物質(zhì)光學(xué)信息. 然而, 許多傳統(tǒng)光譜成像系統(tǒng)都離不開臺式光譜儀, 并配合光柵、濾光片或干涉光學(xué)元件等關(guān)鍵部件方可實(shí)現(xiàn)光譜成像 [ 2 , 3 ] . 這些元件需要極高的加工精度, 其中一些結(jié)構(gòu)還依賴可移動的機(jī)械組件進(jìn)行掃描分光, 使得整個光譜分析系統(tǒng)體積龐大、光路復(fù)雜、成本較高, 難以滿足高精度原位可移動檢測以及空間載荷等對輕量化、便攜式與可穿戴式應(yīng)用需求. 因此, 如何突破傳統(tǒng)光譜儀和光譜成像儀對復(fù)雜光學(xué)分光結(jié)構(gòu)的限制, 將光譜成像微型化、智能化和便攜式發(fā)展, 已經(jīng)成為相關(guān)領(lǐng)域的重要科研攻關(guān)方向.

沿著這一方向, 未來光譜儀的核心架構(gòu)逐漸從“精密復(fù)雜光學(xué)結(jié)構(gòu)”轉(zhuǎn)移到“新型器件與先進(jìn)算法”上, 這便催生了所謂的“計算光譜技術(shù)”. 這種方法的主要理念是將相對簡單的光電探測器與數(shù)學(xué)算法相結(jié)合, 通過計算手段重建輸入光的光譜信息, 從而降低對復(fù)雜光路的依賴. 在這種設(shè)計思路指引下, 光譜儀分光核心單元可以大幅簡化, 光譜儀的體積也能隨之縮小 [ 4 , 5 ] . 為了實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn), 一個關(guān)鍵目標(biāo)是讓光探測器具備“隨偏壓調(diào)諧光譜響應(yīng)”的能力, 即探測器在不同的工作電壓下呈現(xiàn)不同的光譜敏感區(qū)域, 等效實(shí)現(xiàn)多個濾光片或色散結(jié)構(gòu)的效果, 從而大幅壓縮光譜儀的尺寸和體積.

近年來, 科研人員圍繞這一目標(biāo)提出了一些創(chuàng)新方案, 并在可見光和紅外波段取得了一系列進(jìn)展. 例如, 基于黑磷納米線的器件能夠通過外電場調(diào)控帶隙, 從而實(shí)現(xiàn)可切換的光譜響應(yīng) [6] ; 二維范德華異質(zhì)結(jié)利用層間能帶對準(zhǔn)變化實(shí)現(xiàn)偏壓調(diào)節(jié) [7] ; 有機(jī)場效應(yīng)器件通過調(diào)控異質(zhì)結(jié)界面電荷分布實(shí)現(xiàn)多波段切換 [8] . 然而, 在紫外及深紫外波段, 受限于材料體系、器件結(jié)構(gòu)以及系統(tǒng)可擴(kuò)展性等因素, 微型化光譜儀和光譜成像技術(shù)長期處于空白狀態(tài), 尤其缺乏同時具備陣列化能力、支持單次成像, 并兼容成熟半導(dǎo)體工藝的片上光譜成像方案. 相比之下, 半導(dǎo)體光電二極管是經(jīng)過數(shù)十年發(fā)展、極為成熟可靠的光電器件. 光電二極管陣列已廣泛應(yīng)用于電荷耦合器件(charge-coupled device, CCD)和互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(complementary metal oxide semiconductor, CMOS)圖像傳感器中, 其響應(yīng)速度快、暗電流低、噪聲小、加工工藝成熟, 能夠穩(wěn)定工作在成千上萬個像素規(guī)模. 因此, 如果能夠在光電二極管中引入類似“可調(diào)諧光譜編碼”的能力, 即器件在不同偏壓條件下對不同波長光表現(xiàn)出差異化響應(yīng), 從而為同一入射光生成一組具有光譜特征的電信號“編碼”, 并結(jié)合光譜重建算法反推出入射光的真實(shí)光譜分布, 就有機(jī)會實(shí)現(xiàn)真正意義上的“片上光譜成像”體系. 這種體系不僅具有良好的可擴(kuò)展性和大規(guī)模可制造性, 還能夠借助成熟的工藝平臺實(shí)現(xiàn)低成本量產(chǎn).

然而, 傳統(tǒng)的光電二極管由單一的p-n結(jié)構(gòu)成, 電流具有嚴(yán)格的單向流動特性, 因此其光響應(yīng)曲線在結(jié)構(gòu)確定后基本固定, 很難通過外加電壓連續(xù)調(diào)諧光譜響應(yīng). 即便過去也有研究嘗試使用n-p-n結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)雙波段或?qū)拵綔y, 但這些器件往往只能對某些離散波段產(chǎn)生不同的靈敏度, 而無法實(shí)現(xiàn)連續(xù)光譜的可調(diào)諧選擇, 更無法滿足需要精細(xì)光譜重建的計算光譜學(xué)應(yīng)用 [ 9 , 10 ] .

受CCD相機(jī)和CMOS傳感器“camera-on-a-chip”發(fā)展新范式的啟發(fā), 我們提出了一種新的微型光譜成像儀結(jié)構(gòu), 通過對半導(dǎo)體器件內(nèi)部載流子輸運(yùn)行為的電學(xué)調(diào)控, 實(shí)現(xiàn)對入射光譜信息的選擇性響應(yīng), 完全擺脫了傳統(tǒng)臺式光譜儀中必備的光柵、濾光片及機(jī)械掃描結(jié)構(gòu), 從而在系統(tǒng)層面實(shí)現(xiàn)了高度緊湊和可集成的光譜探測. 該微型光譜儀基于氮化鎵/鋁鎵氮(GaN/AlGaN)薄膜的垂直堆疊n-p-n光電二極管架構(gòu), 通過背靠背的方式將兩個不對稱的p-n垂直集成在單個光電二極管中 [11] . 具體而言, 器件包含一個基于GaN的光電二極管, 以及一個帶有Al組分梯度漸變的AlGaN光電二極管, 并通過高質(zhì)量金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積(metal organic chemical vapor deposition, MOCVD)外延生長在2英寸藍(lán)寶石襯底上. 在此基礎(chǔ)上, 我們進(jìn)一步將該級聯(lián)n-p-n光電二極管結(jié)構(gòu)擴(kuò)展為二維陣列, 實(shí)現(xiàn)了無需機(jī)械掃描的單次光譜成像. 該片上光譜成像芯片能夠同時獲取空間和光譜信息, 從而驗證了該器件架構(gòu)在陣列化、高速光譜成像系統(tǒng)中的可行性. 與以往依賴低維或有機(jī)材料的微型光譜儀方案不同, 該器件架構(gòu)遵循CCD/CMOS圖像傳感器的陣列化設(shè)計理念, 將光譜功能直接嵌入像素和陣列層級, 為實(shí)現(xiàn)高分辨率、可擴(kuò)展的片上光譜成像系統(tǒng)提供了清晰的技術(shù)路徑和全新的解決方案.

圖1(a) 為垂直級聯(lián)結(jié)構(gòu)的截面示意圖, 頂部GaN基二極管和底部AlGaN基二極管以背靠背的方式堆疊, 同時材料組分和能帶結(jié)構(gòu)沿垂直方向逐層變化. 值得注意的是, 在AlGaN部分引入了Al組分連續(xù)變化的AlGaN梯度層, 使得器件內(nèi)部的能帶結(jié)構(gòu)連續(xù)變化. 這種連續(xù)的能帶梯度不僅降低了界面處的能帶突變, 也使得不同深度區(qū)域?qū)?yīng)不同的光生載流子吸收位置與能量分布, 從而為電壓可調(diào)諧光譜調(diào)控提供了理論基礎(chǔ).

圖1 (a) 器件結(jié)構(gòu)示意圖; (b) 不同波長下的響應(yīng)度曲線; (c) 重構(gòu)光譜曲線; (d) 不同半峰寬光譜曲線重構(gòu); (e) 雙峰光譜曲線重構(gòu); (f) 器件響應(yīng)速度表征; (g) 四種有機(jī)物透射光譜曲線重構(gòu)結(jié)果; (h) 不同波長下的光譜成像結(jié)果 [11]

通過進(jìn)一步的光電測量, 這種級聯(lián)結(jié)構(gòu)在不同偏壓條件下展現(xiàn)出不同的光譜響應(yīng)行為. 圖1(b) 顯示了器件在從負(fù)偏壓到正偏壓的連續(xù)變化過程中, 光譜響應(yīng)呈現(xiàn)出偏壓調(diào)控的雙極性特征. 當(dāng)施加反向偏壓時, 底部AlGaN基二極管處于反偏工作狀態(tài), 對深紫外波段具有更明顯的響應(yīng); 而當(dāng)施加正向偏壓時, 上部GaN二極管處于主導(dǎo)狀態(tài), 對長波紫外的響應(yīng)增強(qiáng). 因此, 器件的光響應(yīng)靈敏度可隨著電壓的極性和大小自由切換, 從而呈現(xiàn)不同的光譜選擇性. 相較于傳統(tǒng)單結(jié)二極管固定不變的光譜響應(yīng)曲線, 這種“電壓驅(qū)動的光譜可調(diào)諧性”為光譜分析提供了一種全新的調(diào)控手段, 也是實(shí)現(xiàn)計算光譜重建的關(guān)鍵.

當(dāng)這種調(diào)控機(jī)制與深度學(xué)習(xí)光譜重建算法結(jié)合之后, 單個級聯(lián)二極管就具備了重建未知光譜的能力. 圖1(c) 展示了器件在 250~365?nm 范圍內(nèi)對單峰光的重建結(jié)果. 可以看到, 重建曲線(實(shí)線)與標(biāo)準(zhǔn)商用光譜儀的測量結(jié)果(虛線)高度一致, 峰值位置誤差平均僅約 0.62?nm, 這表明器件在整個工作波段內(nèi)都能實(shí)現(xiàn)精確的光譜還原. 圖1(d) 給出了寬帶光和窄帶光的重建結(jié)果, 即使光譜的半峰寬有所不同, 重建曲線依然能夠保持良好的形狀一致性. 圖1(e) 展示了雙峰光譜的重建, 當(dāng)兩個光譜峰之間的間隔只有 5.8?nm 時, 重建算法仍然能準(zhǔn)確分辨兩個峰值, 說明器件對復(fù)雜光譜同樣具有出色的分辨能力.

為了實(shí)現(xiàn)實(shí)時光譜成像, 器件的響應(yīng)速度也是一個重要指標(biāo). 圖1(f) 顯示了器件在納秒激光脈沖激發(fā)下的瞬態(tài)響應(yīng)曲線, 上升和下降沿均在納秒級, 響應(yīng)速度遠(yuǎn)超多數(shù)基于材料調(diào)控的微型光譜器件. 這意味著該結(jié)構(gòu)不僅能夠進(jìn)行精確光譜分析, 也非常適合用于高速光譜探測和實(shí)時成像任務(wù).

在單點(diǎn)光譜分析成功驗證之后, 研究團(tuán)隊進(jìn)一步展示了其陣列化能力, 這是通往實(shí)際光譜成像應(yīng)用的關(guān)鍵一步. 基于成熟的半導(dǎo)體工藝, 制備了一個10×10的垂直級聯(lián)二極管陣列, 使每個像素都能夠獨(dú)立進(jìn)行偏壓調(diào)諧和光譜編碼. 圖1(g) 展示了不同有機(jī)材料(橄欖油、花生油、豬油和牛奶)的透射光譜, 它們在深紫外區(qū)域具有顯著差異, 為后續(xù)成像識別提供了依據(jù).

在實(shí)際成像實(shí)驗中, 每個像素記錄不同偏壓下的光電流信號, 并通過計算將其重建為對應(yīng)位置的光譜分布. 圖1(h) 展示了不同波長下重建出的光譜圖像, 由于不同材料在特定紫外波長下的透射率不同, 它們在圖像中呈現(xiàn)出清晰的差異化區(qū)域, 從而實(shí)現(xiàn)了基于光譜特征的材料辨識. 值得強(qiáng)調(diào)的是, 這一成像過程只需要單次曝光即可完成, 不依賴任何光學(xué)掃描或復(fù)雜機(jī)械結(jié)構(gòu), 真正實(shí)現(xiàn)了“光譜-空間”信息的同時獲取.

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、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(kuò)展到可見光甚至紅外光波段 [ 11 , 12 ] . 此外, 由于該芯片制備工藝完全兼容現(xiàn)有的先進(jìn)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(jìn)一步縮小至亞微米甚至納米級 [13] , 從而實(shí)現(xiàn)更高分辨率的光譜成像, 并有望將現(xiàn)有光譜成像儀的成本降至傳統(tǒng)方案的百分之一.

綜合以上結(jié)果可以看到, 這種基于級聯(lián)光電二極管結(jié)構(gòu)的片上光譜成像方案, 在光譜編碼能力、光譜分辨精度、響應(yīng)速度以及陣列擴(kuò)展性方面都展示出優(yōu)異的綜合性能. 該工作展示了一條全新的微型化光譜儀設(shè)計路線, 也為未來在便攜式分析儀器、生物化學(xué)檢測、材料分析、工業(yè)質(zhì)檢乃至空間載荷等場景中, 構(gòu)建輕量化、高靈敏、可集成的便攜式光譜成像系統(tǒng)提供了技術(shù)基礎(chǔ). 隨著進(jìn)一步的工藝優(yōu)化和算法發(fā)展, 這類片上光譜成像技術(shù)有望真正走向?qū)嵱没? 在更多應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)揮重要作用.

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