Ученые создали первый миниатюрный УФ-спектрометр на чипе

Рис. 1. Дизайн и принцип работы миниатюрного УФ-спектрометра на чипе. (a) Концептуальная схема каскадной архитектуры фотодиодов на основе GaN. (b) Структура устройства, состоящая из двух вертикально каскадных асимметричных p–n диодов, изготовленных на 2-дюймовой пластине. (c) Интеграция на уровне чипа посредством сращивания пластин. (d) Процесс спектрального восстановления с помощью алгоритмов глубоких нейронных сетей. Автор: Мухаммад Хунаин Мемон

Исследователи из Лаборатории iGaN под руководством профессора Хайдина Суна в Университете науки и технологий Китая (USTC) совместно с командой академика Шенга Лю из Уханьского университета разработали первый в мире миниатюрный чип для ультрафиолетового спектрометра, реализовав спектральное изображение на чипе.

Устройство, основанное на новой архитектуре каскадных фотодиодов из нитрида галлия (GaN) и интегрированное с алгоритмами глубоких нейронных сетей (DNN), обеспечивает высокоточное спектральное детектирование и многоспектральную съемку с высоким разрешением.

Скорость отклика на наносекундном масштабе устанавливает новый мировой рекорд для миниатюрных спектрометров. Работа под названием «Миниатюрный каскадный диодный спектральный формирователь изображений» была опубликована онлайн в журнале Nature Photonics 26 сентября 2025 года.

Новая архитектура преодолевает ограничения традиционных спектральных систем, которые громоздки, сложны и дороги из-за использования дифракционных решеток и механического сканирования. Особенно остро стояла проблема отсутствия миниатюрных решений для глубокого УФ-диапазона, критически важного в биотехнологиях и детектировании органических молекул.

Чип работает в диапазоне 250–365 нм с разрешением около 0,62 нм и временем отклика менее 10 нс, что является самым быстрым показателем среди всех известных миниатюрных спектрометров.

Рис. 2. Производительность и демонстрация формирования изображений спектрометром на чипе. (a–c) Результаты спектрального восстановления падающего света с использованием каскадного массива фотодиодов в сочетании с нейросетевыми алгоритмами. (d) Различные УФ-спектры поглощения органических жидкостей, включая оливковое масло, арахисовое масло, животный жир и молоко. (e) Результаты пространственно разрешенного спектрального изображения, четко различающие и отображающие распределение различных органических капель. Автор: Мухаммад Хунаин Мемон

С помощью этого чипа исследователи успешно выполнили пространственно разрешенное одновременное изображение капель органических жидкостей. Каждый пиксель записывал зависящие от длины волны сигналы фототока, генерируя полный трехмерный набор данных. После спектрального восстановления через нейронные сети были получены спектральные изображения высокого разрешения, четко показывающие различные УФ-характеристики поглощения и пространственное распределение органических веществ.

Технология изготовления полностью совместима с крупномасштабным полупроводниковым производством, что позволяет уменьшить размеры чипа до субмикронного или нанометрового масштаба для более высокого разрешения при меньшей стоимости. Команда ожидает, что стоимость производства может упасть до одной сотой от стоимости обычных спектрометров.

ИИ: Эта разработка — значительный шаг в миниатюризации аналитического оборудования. Подобно тому, как КМОП-технология сделала цифровые камеры повсеместными, этот чип может сделать спектральный анализ доступным для повседневного использования в медицине, экологическом мониторинге и даже в смартфонах будущего.