CN110261333B - 一种微型光谱测试系统及测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微型光谱测试系统，包括光束准直模块和光电探测模块，其中被测光由光束准直模块进行准直然后投射到光电探测模块；所述光电探测模块包括可旋转的半导体基底层和覆盖在半导体基底层上的金属或类金属材料薄膜，光电探测模块向光面制备成光栅。本发明还公开了一种光谱测试方法，包括步骤：准直待测光谱的光束；转动光电探测模块，记录并分析每个转动角度对应输出的电信号，对应于光谱中波长的光强信息，实现待测光谱中各个波长光的光强信息测试。本发明具有高光谱分辨率、大工作波长范围和高集成度的光谱测试能力。

Description

一种微型光谱测试系统及测试方法

技术领域

本发明涉及光谱分析领域，特别涉及一种集成式的微型光谱测试系统及测试方法。

背景技术

光谱仪是解析入射光在宽光谱范围内不同波长相对强弱的一种设备，它是科学研究中最为常见的光学检测设备之一，也在光通信、遥感测绘、医药开发、医疗诊断、环境监控、农林业中都有重要应用。根据工作模式分为傅立叶变换红外光谱仪、拉曼光谱仪、光纤光谱仪和分光光度计等。这些系统要么利用光栅或棱镜对入射光进行空间色散，使得不同波长光投射到不同探测器，从而实现光谱信息获取；要么利用机械传动马达控制反射镜移动产生两束分光间的光程差，并利用傅立叶变换把时间域函数干涉图变换为频率域函数图，从而提取光谱信息。这些光谱分析系统的体积都较为庞大，而且内部光路和检测模块复杂，价格昂贵，因此不利于便携式或集成式的应用，例如即时诊疗、马路临检、野外检测等。

为此，科学家们开发了一系列微型光谱分析技术。2008年美国学者在光学仪器国际会议上报道了一种基于片上液晶波导结构的微型光谱分析技术，通过偏压调控液晶折射率，从而改变波导传输相位，获得片上傅立叶光谱分析能力，但受限于片上波导路由的距离光谱分辨率不足；2015年美国学者在《自然》杂志第524卷第67页报道了基于胶体量子点阵列的光谱仪，通过连续调节量子点吸收波长，得到低相关度的系列光谱，并通过算法实现光谱解析，但需要合成大量胶体量子点，并且大阵列的制备非常困难；2017年荷兰学者在《自然·通讯》杂志第8卷第2216页报道了一种基于GaAs衬底的微机电片上光谱仪，通过改变两个共振光子晶体腔的间距实现单波长的连续扫描，从而获得光谱信息，但工作波长范围仅30nm，需要制备非常复杂的双层空气桥结构，而且量子点的光电响应率很低；2017年美国学者在《科学报告》杂志第7卷第40793页报道了一种基于法布里-珀罗标准具滤波器阵列和图像传感器的集成光谱系统，但需要高难度的灰度曝光工艺，并且光学效率受限于标准具上金属镜的反射损耗；2018年瑞士学者在《科学》杂志第360卷第1105页报道了一种基于计算图像技术的光谱分析方法，将窄线宽超材料共振结构阵列芯片通过成像光路与CMOS图像传感器进行组装。

可以看到，以上述例子为代表的现有技术虽然都展现了微型光谱测试系统，但光谱分辨率有限、工作波长范围窄、系统复杂。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种微型光谱测试系统及测试方法，此系统及方法具有高光谱分辨率、大工作波长范围和高集成度的光谱测试能力。

本发明的目的通过以下的技术方案实现：

一种微型光谱测试系统，包括光束准直模块和光电探测模块，其中被测光由光束准直模块进行准直然后投射到光电探测模块；

所述光电探测模块包括可旋转的半导体基底层和覆盖在半导体基底层上的金属或类金属材料薄膜，光电探测模块向光面制备成光栅，也即半导体基底层和金属或类金属材料薄膜被制备成具有光栅结构的肖特基光电管，对不同角度入射的光形成不同波长处的吸收。由于光栅共振吸收波长与被测光的入射角一一对应，因此通过转动光电探测模块，扫描入射角就能测试入射光中不同波长分量的光电流响应，从而提取光谱信息。

所述光电探测模块向光面光栅的制备方法为：在半导体基底层上形成光栅后涂覆金属或类金属材料薄膜；或者在半导体基底层上涂覆金属或类金属材料薄膜，并在金属或类金属材料薄膜上形成光栅；或者在未形成光栅的半导体基底层上依次涂覆金属或类金属材料薄膜、非金属材料层，再在非金属材料层上形成非金属材料光栅。

更进一步地，所述光栅为一维或二维光栅。

更进一步地，所述金属包括金、铂、银、铜、铝和钛等中的至少一种。

更进一步地，所述类金属材料包括石墨烯、氮化钛、氮化锆、铟锡氧化物和氧化锌等中的至少一种。

更进一步地，所述非金属材料包括二氧化硅、氮化硅、氧化铝、氧化铪、氟化镁和聚甲基丙烯酸甲酯等中的至少一种。

优选的，所述光栅的周期为微型光谱测试系统工作波长范围中心波长的0.2倍～2倍；所述光栅的厚度为中心波长的0.02倍～0.2倍。

优选的，所述金属或类金属材料薄膜的厚度小于200纳米。

优选的，所述光电探测模块的半导体基底层在电压控制下相对入射光方向转动，改变入射角。

一种光谱测试方法，基于上述微型光谱测试系统，包括步骤：

准直待测光谱的光束；

在外加电压的控制下转动光电探测模块相对入射光方向转动，改变入射角；

扫描入射角，测试并记录并分析每个转动角度对应输出的电信号，对应于光谱中波长的光强信息，实现待测光谱中各个波长光的光强信息测试。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

1、本发明的微型光谱测试系统，通过在转动硅片上直接制备光栅结构的肖特基结，获得具有光电探测功能的转动硅片，且光栅在不同角度响应不同波长入射光的特点，通过转动光栅扫描入射角就可以实现入射光不同波长的光电流响应，从而实现集成式的微型光谱测试系统。

2、本发明的微型光谱测试系统中，同时利用带间跃迁机制探测光子能量大于半导体材料禁带宽度的光子，利用光子内发射机制探测光子能量小于半导体材料禁带宽度的光子，增大微型光谱测试系统的工作波长范围。

3、本发明的微型光谱测试系统中，硅和金属或类金属材料构成的光栅结构具有光场局域的作用，能同时增强基于共振吸收的光学传感和光电探测模块的光电转换，因此从两个方面实现性能提升。

附图说明

图1为本发明的微型光谱测试系统的示意图；

图2为本发明实施例一微型光谱测试系统的光电探测模块的剖视结构示意图；

图3为本发明实施例一的光电探测模块在正入射时的吸收光谱的计算结果；

图4(a)为本发明实施例一的光电探测模块在正入射时共振波长1114.5纳米处一个光栅结构单元的电场强度分布的计算结果；图4(b)为本发明实施例一的光电探测模块在正入射时非共振波长1150纳米处一个光栅结构单元的电场强度分布的计算结果；

图5(a)为本发明实施例一的光电探测模块在正入射时共振波长1114.5纳米处一个光栅结构单元的光吸收的计算结果；图5(b)为图5(a)标尺缩小后的计算结果；图5(c)为本发明实施例一的光电探测模块在正入射时非共振波长1150纳米处一个光栅结构单元的光吸收的计算结果；图5(d)为图5(c)标尺缩小后的计算结果；

图6为本发明实施例一的光电探测模块分别在入射角为5度、10度、15度、20度、25度和30度对应的吸收谱计算结果以及1.12微米到1.72微米范围内不同波长对应的共振角计算结果；

图7为本发明实施例一的光电探测模块表面光栅结构的扫描电子显微镜照片；

图8为本发明实施例一光电探测模块分别在0度和12度入射光照射下光在700纳米-1100纳米工作波段的测试结果；

图9为本发明实施例一光电探测模块在12到30度入射光照射下光电流响应度在1200-1550纳米工作波段的测试结果；

图10为本发明实施例二的微型光谱测试系统的光电探测模块的剖视结构示意图；

图11为本发明实施例二的光电探测模块在正入射时吸收光谱的计算结果；

图12为本发明实施例三的微型光谱测试系统的光电探测模块二维光栅的水平截面结构示意图；

图13为本发明实施例三的光电探测模块在正入射时吸收光谱的计算结果；

其中：1—硅片；2—光束准直模块；3—光栅；3-1—硅材料光栅；3-2—金膜；3-3二氧化硅光栅；3-4—二维圆盘阵列；4—第二电极。

具体实施方式

为了更好的理解本发明的技术方案，下面结合附图详细描述本发明提供的实施例，但本发明的实施方式不限于此。

参照图1所示，本发明的微型光谱测试系统包括光束准直模块和光电探测模块。光电探测模块通过微机电工艺技术制备在硅晶圆上，制备成光电探测模块的硅片1可在外加电压控制下进行精确的旋转；硅片1面向光束准直模块2的表面形成光栅3，并覆盖金属或类金属材料薄膜，构成金属或类金属材料-硅的肖特基结。硅片与金属或类金属材料薄膜界面存在表面等离子体波，入射光通过这种在平面内一个方向或两个垂直方向上周期性的结构，实现特定波长与表面等离子体波的波矢匹配，从而发生共振，由于金属或类金属材料的吸收损耗，表面等离子体波在传输过程中被吸收，因此入射光在特定波长处形成吸收峰；不满足匹配条件的波长分量的入射光被反射或透射。被测光经过光束准直模块2后入射到光栅上，一部分入射光被硅材料吸收并实现带间跃迁的光电转换，一部分入射光被金属或类金属材料吸收并基于光子内发射机制实现带间跃迁的光电转换，两种光电转换机制都将贡献给光电探测模块的输出。由于不同波长入射光在不同入射角被光栅共振吸收，通过控制硅片的角度来测试被测光中不同波长的光电流，从而提取光谱信息。

实施例一

参照图2所示，本实施例提供一种微型光谱测试系统，可转动硅片面向光束准直模块的第一表面形成一维硅材料光栅3-1，其中周期为1.1微米，硅材料光栅条宽为0.5微米，硅材料光栅深度35纳米；在硅材料光栅上覆盖金膜3-2，厚度60纳米。硅材料光栅和金膜共同组成光栅，并形成肖特基结，金膜作为光电探测模块的第一电极，在硅片背光的第二表面形成光电探测模块的第二电极4，为金材料，厚度200纳米。

不同波长的入射光在特定入射角时与光栅的表面等离子体波发生共振，共振条件由下式决定：

ksinθ+mG＝±k_sp (1)

其中k是入射光介质环境中的波矢，θ是入射角，G＝2π/P是光栅的格矢，P是光栅的周期，m是衍射阶数，k_sp是表面等离子体波的波矢。如图3所示，正入射时入射光与表面等离子体波共振发生在f₀＝1114.5纳米，峰值吸收率达到80％，半高宽(FWHM)为6纳米，品质因子(Q＝f₀/FWHM)超过180。而在非共振波长处的吸收很小，小于0.03％。这种窄带共振的光电探测器有利于提高光谱测试系统的分辨率。

图4a和图4b分别为本实施例在正入射情况下共振波长1114.5纳米和非共振波长1150纳米处电场强度在光电探测模块截面在一个光栅单元内的分布的计算结果。可以看到在发生共振时，入射光局域在金膜表面，电场增强因子达到16；而在非共振时，入射光的吸收很小，在金膜表面的电场非常弱。发生共振时局域在金膜表面的电场对表面介质环境很敏感，可以直接用来做光学传感，并获得光谱信息；图5a和图5c分别对应共振波长1114.5纳米和非共振波长1150纳米处的光电探测模块的吸收的计算结果，图5b和图5d为放大之后的结果。如图所示，该波长范围内两种模式的吸收都主要集中在金膜，硅片的硅材料中也有吸收，形成带间跃迁和光子内发射的双机制光电转换。发生共振时的吸收是非共振时的15倍，有利于光谱信息电读出功能的实现。

入射光中不同波长分量在不同的入射角发生光吸收，并且在一定波长范围内共振吸收波长和入射角一一对应。如图6所示，当入射角为5度、10度、15度、20度、25度和30度时，共振波长分别为1206纳米、1299纳米、1391纳米、1481纳米、1569纳米和1653纳米。不同角度入射对应的光谱都表现为一个较窄(<6纳米)的共振峰，通过调节光栅材料和结构尺寸，可以获得更窄带线宽，有利于实现光谱测试系统的高分辨率。此外，在一个特定入射角时，共振波长处的光吸收远大于非共振波长处的光吸收，所以特定角度下的光电响应和该角度下共振波长光的强度相关，通过归一化处理，可以实现单波长的光电响应检测，通过扫描入射角就可以获得整个光谱信息。而且，可以看到在0到35度范围内，共振波长和共振角有很好的线性关系，方便实现光谱的构建。

硅材料光栅可由步进式光刻机制备，本实施例制备的光栅的扫描电子显微镜照片如图7所示，可以看到均匀的周期性结构，周期1微米，光栅条的平均宽度为0.6微米，平均深度0.05微米。

图8为本实施例光电探测模块分别在0度和12度入射光照射下光在700纳米-1100纳米工作波段的测试结果，这个波段的光子能量大于硅材料的禁带宽度，因此是带间跃迁主导的光电探测机制。可以看到0度时共振发生在1050纳米，因此在1050纳米波长处形成一个光电流响应度峰值(>60mA/W)；12度时共振发生在820纳米，因此在820纳米波长处形成一个光电流响应度峰值(140mA/W)。图9为本实施例光电探测模块在12到30度入射光照射下光电流响应度在1200-1550纳米工作波段的测试结果，这个波段的光子能量小于硅材料的禁带宽度，因此是光子内发射主导的光电探测机制。可以看到不同入射光角度对应的光共振吸收发生在不同波长，即同一入射光对应的光共振发生在不同角度，通过扫描角度光电流谱，就可以通过不同角度对应的光电流谱获得原始光谱信息。

实施例二

图10为本实施例的微型光谱测试系统光电探测模块的剖视结构示意图。如图所示，本实施例中光电探测模块的制备通过在硅片表面覆盖金膜，然后再在金膜上形成二氧化硅光栅3-3，其中金膜厚度为80纳米，二氧化硅光栅3-3深度为155纳米，宽度为360纳米。图11为本实施例的光电探测模块在正入射光照射下的吸收谱的计算结果。共振发生在波长1068纳米处，峰值处吸收大于95％，半高宽<10纳米，品质因子Q大于100。第一、第二电极的形成和工作原理同实施例一。

实施例三

图12为本实施例的微型光谱测试系统光电探测模块的二维光栅的水平截面结构示意图。本实施例中光电探测模块的制备首先在硅片上沉积厚度180纳米的金膜，然后再在金膜上刻蚀出二维圆盘阵列3-4，圆盘高度100纳米，半径500纳米，圆盘周期为1400纳米。图13为本实施例的微型光谱测试系统在正入射光照射下的吸收谱的计算结果。正入射时入射光与表面等离子体波共振发生在1412纳米处。峰值处的吸收率大于98％，半高宽为4纳米。品质因子Q高达300。第一、第二电极的形成和工作原理同实施例一。

实施例四

本实施例提供一种光谱测试方法，使用上述微型光谱测试系统进行测试，包括步骤：

通过光束准直模块准直待测光谱的光束；

在电压控制下转动作为振镜的硅片，记录并分析每个转动角度对应输出的电信号，对应于光谱中波长的光强信息，实现待测光谱中各个波长光的光强信息测试。可使用电流源表或其他常用分析仪器分析电信号。

本发明所揭示的乃较佳实施例的一种或多种，凡是局部的变更或修饰而源于本发明的技术思想而为熟习该项技术的人所易于推知的，俱不脱离本发明的专利权范围。比如将本发明中硅片换成其他半导体材料，可在不同波长范围实现类似的微型光谱测试功能；采用其他形式的角度灵敏的金属-半导体微纳结构，也可以获得类似功能。

Claims (7)

1.一种微型光谱测试系统，其特征在于，包括光束准直模块和光电探测模块，其中被测光由光束准直模块进行准直然后投射到光电探测模块；

所述光电探测模块包括可旋转的半导体基底层和覆盖在半导体基底层上的金属或类金属材料薄膜，光电探测模块向光面制备成光栅；

光电探测模块向光面光栅的制备方法为：在半导体基底层上形成光栅后涂覆金属或类金属材料薄膜；或者在半导体基底层上涂覆金属或类金属材料薄膜，并在金属或类金属材料薄膜上形成光栅；或者在未形成光栅的半导体基底层上依次涂覆金属或类金属材料薄膜、非金属材料层，再在非金属材料层上形成非金属材料光栅；

所述光栅的周期大于等于微型光谱测试系统工作波长范围中心波长的0.2倍，小于微型光谱测试系统工作波长范围中心波长；所述光栅的厚度为中心波长的0.02倍~0.2倍；

光电探测模块的半导体基底层在电压控制下相对入射光方向转动，改变入射角。

2.根据权利要求1所述的微型光谱测试系统，其特征在于，所述光栅为一维或二维光栅。

3.根据权利要求1所述的微型光谱测试系统，其特征在于，所述金属包括金、铂、银、铜、铝和钛中的至少一种。

4.根据权利要求1所述的微型光谱测试系统，其特征在于，所述类金属材料包括石墨烯、氮化钛、氮化锆、铟锡氧化物和氧化锌中的至少一种。

5.根据权利要求1所述的微型光谱测试系统，其特征在于，所述非金属材料包括二氧化硅、氮化硅、氧化铝、氧化铪、氟化镁和聚甲基丙烯酸甲酯中的至少一种。

6.根据权利要求1所述的微型光谱测试系统，其特征在于，所述金属或类金属材料薄膜的厚度小于200纳米。

7.一种光谱测试方法，基于权利要求1-6任一项所述的微型光谱测试系统，其特征在于，包括步骤：

准直待测光谱的光束；

在外加电压的控制下转动光电探测模块相对入射光方向转动，改变入射角；

扫描入射角，测试并记录并分析每个转动角度对应输出的电信号，对应于光谱中波长的光强信息，实现待测光谱中各个波长光的光强信息测试。

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