单像素P-graded-N结光谱仪

01导读

上海科技大学信息学院陈佰乐、虞晶怡教授联合团队在超微型光谱仪相关领域取得重要突破。团队基于III-V族材料首次提出了P-graded-N结的全新技术路线实现超微型光谱仪，并设计神经光谱场的重建方法进行光谱重构，在国际上首次实现了兼顾亚微米尺寸、低制造成本、强鲁棒性、低功耗且可以量产的单探测器超微型光谱仪。

研究成果以“Single-pixel P-graded-N junction spectrometers”为题，于2024年2月27日发表在Nature Communications上。

02研究背景

光谱测量是科学和工业研究中非常强大且广泛使用的表征工具之一。传统的光谱仪通常需要使用机械可移动的部件，如光栅或迈克尔逊干涉实现分光，尽管能够实现超高的光谱分辨率和极宽的光谱范围，但其笨重的尺寸和重量阻碍了将它们集成到实验室光学系统、汽车电子系统、工业检测设备，甚至是智能手机的可能。现如今，食品安全监测、小型医疗设备、便携可穿戴设备等领域撬动着上千亿的市场，对微型化的光谱仪千呼万唤。 传统思路里，由于光谱通道数直接影响光谱仪的性能，但光谱通道数目的增加势必会带来尺寸的增加，因而传统的光谱仪小型化方案范式中难以克服尺寸于性能的权衡关系。

最新的研究中，基于计算重构法的微型光谱仪则可以通过计算处理来弥补通道数目的限制，而在基于计算重构法的技术路线中，鲜有方案能够同时兼顾亚微米尺寸、低制造成本、强鲁棒性、低功耗及大规模可重复性这些指标，满足上述面向应用的需求仍是该领域的难点问题。

03研究创新点

III-V族半导体材料在过去的几十年的发展中已经成熟量产，并且在高性能光电探测器中得到了大量的应用。上海科技大学研究团队首次提出了一种基于该材料的P-graded-N结单像素光电探测器新方案，完成了对入射光的光谱检测，实现了光谱仪的功能。P-graded-N结型光谱仪通过改变结的工作偏压实现了探测器响应截止波长动态可调，从而实现了不同光谱的光入射时器件电流输出行为的不同，进而构造了光谱重构的空间。

图一 P-graded-N结微型光谱仪工作流程图

在测量未知光谱时，随着偏压的增加，P-graded-N结产生新的耗尽区，光谱仪表现出更长的截止波长。因此，P-graded-N结光谱仪具有独特的“电压积累”响应矩阵：更高的电压具有更宽的光谱响应曲线。然而，这些曲线的重叠使得光谱重建问题变得复杂。基于L1或L2正则化的传统方法需要精细的参数调整才能实现高分辨率的重建。

图二 P-graded-N结微型光谱仪光谱重构结果

研究团队提出一种全新的全自动化人工智能光谱重建方法，从测量的电流电压曲线中提取深度特征，然后通过神经场（Neural Fields, NFs）重建连续光谱。通过进一步的细化过程，重建的光谱函数能够符合基于物理的光谱响应积分约束，以实现更高的光谱精度。该方法只需在仿真数据集上进行训练，避免了传统深度学习方法需要大量训练用实测数据的问题。通过提出的神经光谱场重建方法，渐变带隙PN结光谱仪实现高达0.30 nm的光谱重建精度和高达10 nm的光谱分辨率，并且光谱范围广泛，涵盖从480 nm到820 nm的范围。

图三: 渐变带隙PN结光谱仪的成像结果与阵列设计

此外，研究团队还进行了单探测器高光谱扫描成像，以验证P-graded-N结微型光谱仪的高光谱成像潜力，实验成功实现基于漫反射表面和普通LED光照明条件下的高光谱成像，展示出器件在类似应用场景中低噪声、高信噪比的卓越优势，有潜力结合焦平面阵列技术进行阵列集成，可进一步实现瞬时高光谱成像。

04总结与展望

该研究在国际上首次提出P-graded-N结这一实现微型光谱仪的全新技术路线。此方案设计的微型光谱仪，在制备上适配标准的晶圆级III-V族半导体工艺，制备成本低；单个光谱仪具有极小的面积，达到微米级别；器件可靠，鲁棒性强，功耗低；可重复性佳，具备大规模生产和集成的巨大潜力。该技术与焦平面阵列（FPA）制备工艺兼容，未来应用在更多实际领域中去。

上海科技大学信息科学与技术学院博士生王景熠、王梓，硕士生潘贝贝和为本工作共同第一作者。上海科技大学信息科学与技术学院陈佰乐教授和虞晶怡教授为本工作共同通讯作者，上海科技大学为第一完成单位。本项研究器件制造得到了上海科技大学量子器件中心的支持，相关计算得到上海科技大学图信中心高性能计算平台支持。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-46066-5