Récemment, le laboratoire d'Igan dirigé par le professeur Haiding Sun à la School of Microelectronics, University of Science and Technology of China (USTC), ainsi que l'équipe de l'académicien Sheng Liu de l'Université de Wuhan, a développé avec succès la première image spectrale de l'ultraviolet (UV) réalisée sur le monde.
Sur la base d'une nouvelle architecture de photodiode en cascade de nitrure de gallium (GAN) et intégrée aux algorithmes de réseau neuronal profond (DNN), l'appareil atteint une détection spectrale de haute précision et une imagerie multispectrale haute résolution.
Avec une vitesse de réponse à l'échelle de la nanoseconde, il établit un nouveau record du monde pour le spectromètre miniaturisé le plus rapide signalé. L'ouvrage, intitulé «Un imageur spectral miniaturisé en cascade-diode-array», a été publié en ligne dans Photonique de la nature le 26 septembre 2025.
La technologie d'imagerie spectrale capture simultanément des informations spectrales et spatiales, permettant la mesure et l'identification précises d'environnements et de cibles complexes. Il a de larges applications dans l'analyse des matériaux, la surveillance environnementale, la télédétection par satellite et l'exploration en espace en profondeur.
Cependant, les imageurs spectraux conventionnels s'appuient sur des réseaux de diffraction et un balayage mécanique, ce qui les rend importants, complexes et coûteux, et limitant leur portabilité et leur intégration. En particulier, pour les applications en profondeur-UV / UV cruciales dans les biopharmaceutiques et la détection des molécules organiques, il n'y a pas eu de solution miniaturisée viable.
Pour surmonter ce défi, le laboratoire Igan a proposé une nouvelle architecture de photodiode en cascade à base de GaN (Fig. 1A) et a développé la première puce d'imagerie spectrale UV au monde. La structure se compose de deux diodes p – N asymétriques en cascade verticalement qui peuvent être fabriquées sous forme de tableaux sur des plaquettes de 2 pouces et intégrées par liaison (Fig. 1 B, C).
En appliquant un biais externe, le transport du transporteur présente un comportement dépendant de la longueur d'onde, permettant une réponse spectrale bidirectionnelle à tension de tension. À l'aide d'algorithmes DNN (Fig. 1D), l'appareil reconstruit les spectres inconnus avec une grande précision (Fig. 2A – C). En fonctionnant sur 250 à 365 nm, la puce atteint une résolution de ~ 0,62 nm et le temps de réponse <10 ns est le plus rapide parmi tous les spectromètres miniaturisés signalés.
En utilisant cette puce, l'équipe de recherche a réussi à résoudre spatialement l'imagerie à un seul coup de gouttelettes liquides biologiques, y compris l'huile d'olive, l'huile d'arachide, la graisse animale et le lait. Chaque pixel a enregistré des signaux de photocourant en fonction de la longueur d'onde, générant un ensemble de données tridimensionnel complet.
Après la reconstruction spectrale via des réseaux de neurones, des images spectrales à haute résolution ont été obtenues, montrant clairement les caractéristiques d'absorption UV distinctes (Fig. 2D) et les distributions spatiales (Fig. 2E) de différentes substances organiques. Ces démonstrations mettent en évidence le potentiel de la puce dans la reconnaissance moléculaire et les tests de sécurité alimentaire.
Ce travail présente et valide un nouveau paradigme pour les puces de spectromètre miniaturisées et, pour la première fois, utilise des semi-conducteurs de nitrure à bande large comme plate-forme de puce spectrale. Dans l'attente, en ajustant la composition et le dopage des matériaux, ou en introduisant d'autres semi-conducteurs composés (tels que CDS, ZnO, GaAs et INP), la gamme opérationnelle de cette architecture de puce pourrait être étendue des UV à visible et même infrarouge.
Étant donné que le processus de fabrication est entièrement compatible avec la fabrication de semi-conducteurs à grande échelle, les dimensions de la puce peuvent être encore réduites à des échelles submicrones ou nanométriques, ce qui permet une résolution plus élevée à moindre coût.
L'équipe prévoit que les coûts de production pourraient tomber à un centième aussi peu que des spectromètres conventionnels. Tout comme la technologie CCD / CMOS à base de silicium a permis l'adoption généralisée des appareils photo numériques, cette puce de spectromètre miniaturisée basée sur GAN est prête à conduire une nouvelle vague de progrès industriel en imagerie spectrale.
Les co-auteurs de ce travail sont le Dr Huabin Yu (Postdoc), le Dr Muhammad Hunain Memon (Postdoc), M. Zhixiang Gao (doctorat) et M. Mingjia Yao (étudiant de maître). Le professeur Haiding Sun of USTC est le seul auteur correspondant. L'académicien Sheng Liu (Université de Wuhan), le professeur Zongyin Yang (Université du Zhejiang) et le professeur Tawcique Hasan (Université de Cambridge) ont fourni un soutien et des conseils importants.
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