CN112567215A - 用于传导辐射的装置、光检测器布置结构以及用于空间分辨光谱分析的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于传导辐射的装置、一种光检测器布置结构以及一种用于空间分辨光谱分析的方法。
Description
本发明涉及一种用于传导辐射的装置、一种光检测器布置结构以及一种用于空间分辨光谱分析的方法。
现有技术
在现有技术中，已知通常具有色散元件和/或光路的常规光谱仪用于检测光谱。色散元件通常用于按波长对入射辐射进行分类。光栅和棱镜通常被用作色散元件。这样，按波长或辐射组分分类的辐射就可以在固定的光检测器阵列的不同位点上成像，从而允许检查辐射的光谱分析。可替代地，可以使用色散元件在其中可以移动的光检测器。移动可以例如是转动。这通常需要复杂的机械学。具有色散元件或光路径的这种装置的缺点在于，这种装置通常因此非常大且笨重。特别地，如果要将这种装置安装在较小的电设备或电子设备中，期望的是光谱仪的设计可以节省空间且紧凑。例如US 2012/026 8745 A1公开了使用透镜布置结构运行的光谱仪的示例。现有技术中描述的常规装置的缺点在于，如果要检查的辐射分布在光谱灵敏度不同的一系列检测器上，那么将会失去可到达每个检测器的大量辐射强度。
此外，现有技术已知具有微型色散元件诸如光栅或成阵列的波导的光谱仪。在这些装置中，待检查的辐射按到达芯片上的波长分类，然后使用各种光检测器进行检测。然而，这些装置主要适用于在小的波长范围内进行检查。例如，US 8,282/882 B2公开了一种显微光谱仪，其中，波导的两个壳层通过槽连接，其中，槽可以用制成上层的材料填充。
从GB 2470115 A和EP 2 766 757 B1已知包括波导的光谱仪，其中，沿着其延伸范围(Verlaufs，延伸、延伸历程、延伸部、伸长范围)布置微盘共振器。可以基于共振器的尺寸设置或材料组成来限定依赖于波长的共振条件。只有波长符合共振条件的光才会有效地耦合到相应的共振器中，并可以被读出为光信号。共振器的特征在于窄共振条件，窄共振条件确保高的光谱分辨率。对于用于在较大范围内诸如300nm或以上进行光谱检测的应用，这些方法是不适合的，或者需要复杂的设计。
因此，本发明的问题是提供没有现有技术的缺点和不足的一种用于传导辐射的装置、一种光检测器布置结构以及一种光谱分析方法。所述装置应该可以不用占用空间的色散元件，也不用光路，来提供可以例如安装在移动设备诸如智能电话或平板中的紧凑的光谱仪装置。期望的是可以提供仍然覆盖比得上常规装置的光谱范围和光谱分辨率的特别紧凑的装置。特别地，光谱分析不应取决于热效应和/或统计效应，而应分别取决于装置的材料的选择和设计以及装置的结构或者装置的各个部件。此外，应该可以使用装置和方法来测量大范围的波长。
发明描述
该问题通过独立权利要求的特征解决。从属权利要求中描述了本发明的有利实施方式。根据本发明，提供了一种用于传导辐射的装置，该装置包括吸收元件。该装置的特征在于，吸收元件沿着其延伸范围具有变化的化学成分。优选的是，用于传导辐射的装置的特征在于，沿着吸收元件的延伸范围存在连续的材料梯度，以使吸收边缘的能量位置沿着吸收元件的延伸范围连续地变化。
出于本发明的目的，优选的是该装置被指定为和/或用作波导。因此，该装置特别地用于传导耦合到波导中或存在于波导中的辐射。出于本发明的目的，吸收元件优选地也可以被称为吸收器。出于本发明的目的，优选的是所提出的装置可以用作光谱仪。此外，优选的是将所提出的装置用作波长计。出于本发明的目的，非常特别优选的是，所提出的装置适于用于空间分辨光谱分析，使得出于本发明的目的装置可以优选地被称为用于空间分辨光谱分辨的装置。
出于本发明的目的，吸收元件优选地是用于吸收电磁辐射的部件，其中，由于吸收，可以生成光信号。术语吸收元件优选地理解为代表由光导材料——即在吸收电磁辐射时变得较导电的材料——制成的吸收元件。如果电磁辐射例如被半导体——半导体的带隙小于电磁辐射的光子能量——吸收，那么自由电子和电子空穴的数量会增加，使得传导性增加。如果向吸收元件施加电压，例如通过两个触点施加，那么吸收电磁辐射——其可以是依赖于波长的——可以直接被显示为光信号或光电流的增加。因此，光信号优选地是电信号，其在电磁辐射被吸收时变得能被吸收元件检测到。光信号优选地是光电流。
换言之，吸收元件具有变化的化学成分的特征可以描述为沿着吸收元件的材料梯度。本发明展现了相较于现有技术的转变，转变在于，专家们一直在努力提供特别均质的合金系统，以实现通常期望的均质材料性质。特别地，在半导体合金中使用不断变化的成分梯度相较于在部件内使用两种不同浓度以实现部件的不同功能的已知异质结构有所转变。这在例如所谓的量子阱中发生，在量子阱中，通过不同的浓度实现“势垒”和“阱”。然而，本发明相较于具有两种不同材料和/或元素浓度的这种部件有所转变，转变在于，特别地提出了吸收元件内的材料梯度，该材料梯度显示出连续的例如线性或大致线性的变化。
在吸收元件内设置材料梯度有利地允许沿着吸收元件或波导将吸收映射至具体位置。这允许对待检查并耦合到波导中的辐射进行特别准确的空间分辨光谱分析。在本发明的背景下，通过下述方式实现了提供特别准确的光谱分析，所述方式即在吸收元件中设置材料梯度，该材料梯度有效地影响吸收元件的吸收特性，使得可以实现对波长和检测位点的局部映射。这种映射选项允许所提出的装置中不需要色散元件，色散元件专家至今仍认为这种通用类型的装置需要色散元件。在这方面，本发明相较于现有技术中描述的进步也有所转变。优选地，还公开了使用波导进行空间分辨光谱分析或在光检测器应用中使用波导。
例如，沿着吸收元件的延伸范围可以存在N个光检测器阵列，N个光检测器全部适于检测辐射的变化吸收。由于辐射吸收的波长相关性沿着延伸范围变化，因此，可以通过光电流I1至IN的空间分辨测量来确定光谱。
根据本发明，发现通过连续的材料梯度，吸收边缘的能量位置可以沿着吸收元件的延伸范围变化。
出于本发明的目的，术语“吸收边缘”指不同吸收状态或强度之间优选地锐利即突然的过渡。例如，这可以指优选地电磁光谱中的区域，在该区域中，强吸收区域与弱吸收区域之间出现突然的差异。材料特别是具有直接带结构的半导体的吸收边缘优选地对应于下述光谱区域，在所述光谱区域中，吸收系数α从透光范围中的低值——通常小于1bis 10cm-1——升高至大值——通常为104bis 105cm-1。透光范围优选地指小于吸收边缘的光子能量的光谱区域，而吸收范围表征大于吸收边缘的光子能量的光谱区域。
术语“吸收系数”应以通常的含义理解。已知的是，可以通过吸收系数α来描述光的吸收，吸收系数描述了当按照朗伯比尔吸收定律穿过吸收介质时光强度的弱化。认为穿过具有厚度为d的材料后的强度被因子exp(-αd)减小。因此α的单位为1/长度，α通常表达为cm-1。
吸收边缘的能量位置也被称为光谱位置，优选地指不同吸收状态或强度之间出现突然过渡的光子能量。光谱位置优选地指吸收边缘的起点和终点(例如3.25eV和3.5eV)，但光谱位置的特征还可以在于起点和终点的平均值或者最急剧上升的点。
在具有直接带结构的合成半导体(诸如GaAs、InP、ZnO)中，吸收边缘的宽度相对小，通常在30meV光子能量的范围内或相应的波导区域内。在具有与直接带结构的半导体中，光可以在不涉及晶格振动的情况下被吸收，这优选地产生急剧的吸收边缘。吸收在具有间接带结构的半导体中升高得更慢，但取决于材料，是有限的。
存在一些机制需要吸收系数在吸收边缘急剧升高的准确光谱形式，特别是对于直接半导体而言。在低温处，所谓的“激子”效应促进在高温处晶格振动散射。这些效应的典型温度取决于半导体及其带隙。通常，可以认为吸收边缘在室温处由于热效应变宽。在固态溶液或合金半导体中，阳离子晶格或阴离子晶格或者这两种晶格的晶格格位被不同元素占据。示例包括(Al,Ga)As、Ga(As,P)或(Al,Ga)(As,P)。当然，具有超过4种元素的固态溶液或合金半导体也是可以的。这样，可以在二元端部部件(即，仅两种元素的复合半导体)之间实现材料性质的稳定变化。
这种固态溶液用在许多半导体异质结构中，即，其中多个半导体层堆叠在彼此顶部的结构。示例包括发光二极管、半导体激光器、晶体管(HEMT)或多结太阳功能电池。
使用固态溶液或半导体合金可以明确吸收边缘的光谱位置。根据本发明，提出了在吸收元件中包括化学梯度或材料梯度，以基于沿着延伸范围的位置使吸收边缘的光谱位置变化。优选的变化是在前区域从较高能量吸收边缘(即，约3.8eV)到较低能量吸收边缘(即，约3.3eV，见图3)。
吸收边缘的光谱位置优选地随半导体混合物的组分的局部化学浓度变化。
通过适当地选择浓度梯度的起始值和最终值及其功能形状(线性或非线性，如平方)，可以有利地明确吸收边缘沿着吸收元件的延伸范围的绝对光谱位置。
根据本发明的结构的实质性优点在于，可以通过选择材料梯度来明确吸收边缘的光谱位置(以及可选地宽度)，以允许进行依赖于位置的光谱分析。
取决于半导体材料的选择，吸收边缘处于红外(IR)、可见范围(VIS)或紫外范围(UV)内。吸收边缘的光谱位置跟随随化学变化的带隙Eg的进程。如果x指示化学变化，则Eg(x)是随化学变化的带隙的进程。如果化学浓度沿着吸收元件的延伸范围从x1变化为x2，则吸收边缘的光谱位置可以优选地大致从Eg(x1)变化至Eg(x2)。
因此，在吸收元件中使用连续的材料梯度允许为光谱仪提供大的检测范围，例如从300meV、400meV、500meV或以上，其中，为此目的，通过使化学浓度变化使吸收边缘的光谱位置在300meV、400meV、500meV或以上的范围内变化。
在优选的实施方式中，吸收边缘包括在前区域而不在后区域中的吸收边缘的较高能量位置。前区域优选地指面向辐射进入的区域，即，用于待检查的辐射的输入区域，而后区域面向输出侧。
较高能量指吸收边缘的光谱位置存在于较高能量处而不是后区域中(例如，在4eV而不是3.2eV处，见图3)，使得最初在前区域中吸收仅较高能量或高频辐射，即，辐射的具有在吸收边缘以上的光子能量的部分。
这种配置优选地确保辐射随着其传播通过装置越来越多地失去高能量部分，并且辐射的光谱朝向较低能量偏移。
出于本发明的目的，优选的是吸收元件包含下述材料，所述材料是二元半导体合金、三元半导体合金或四元半导体合金。这种材料的吸收元件可以特别地包含二元半导体合金材料、三元半导体合金材料或四元半导体合金材料。出于本发明的目的，这优选地指吸收元件包含至少部分地由半导体合金形成的材料，其中，合金优选地由两种、三种或四种合金组分组成。三元合金的示例是(Mg,Zn)O，即，镁、锌和氧的合金。吸收元件可以优选地包含(Mg,Zn)O，或者吸收元件的材料可以由(Mg,Zn)O形成。如果要在近UV范围内检查辐射，那么使用(Mg,Zn)O合金是特别有利的。出于本发明的目的，特别优选的是通过适当地选择吸收元件的材料来确定待检查的波长范围。
其他潜在合金包括(In,Ga)2O3和(Al,Ga)2O3，其可以例如通过在蓝宝石基底上气化来沉积。用于吸收元件的材料还可以选自包括下述的组：(Ge,Si)、(Ge,Si)C、(In,Ga)As、(Al,Ga)As、(Al,Ga,In)(As,P)、(In,Ga)N、(Al,Ga)N、(Al,In,Ga)N、(Cd,Zn)O、和/或Zn(O,S)，其中，各种材料优选地允许检查不同的光谱区域。用于吸收元件的材料还可以选自包括下述的组：(Al,Ga,In)As、(In,Ga)(As,P)、(Al,Ga,In)N、(Mg,Zn,Cd)O、和/或(Al,Ga,In)2O3。吸收元件可以优选地由不止一种合金材料构成。例如，波导的前区域可以包含(Mg,Zn)O材料，波导的后区域可以包含(Zn,Cd)O材料。这种波导可以例如用于检测波导的后部分中特别低的光子能量。不同材料之间的过渡可以例如是流体。例如，吸收元件可以具有多个材料梯度。出于本发明的目的，这种结构优选地被称为多梯度层的层状结构。
出于本发明的目的，特别优选的是，吸收元件包含合金半导体，其中化学成分的改变伴随着带隙和/或吸收边缘的改变。测试已经表明，特别地通过本发明的上下文提出的材料达到了这种条件。用于吸收元件的材料可以可替代地选自包括下述的组：(Mg,Zn)O、(In,Ga)2O3、(Si,Ge)、(Si,Ge)C、(Al,Ga)2O3、(In,Ga)As、(Al,Ga)As、(In,Ga)N、(Al,Ga)N、(Cd,Zn)O、Zn(O,S)、(Al,Ga,In)As、(Al,In,Ga)P、(Al,In,Ga)(As,P)、(Al,Ga,In)N、(Mg,Zn,Cd)O和/或(Al,Ga,In)2O3，其中，(In,Ga)2O3和(Al,Ga)2O3优选地布置在蓝宝石上。
在优选实施方式中，吸收元件包含直接半导体的半导体合金，特别优选地选自下述组：Mg,Zn)O、(In,Ga)2O3、(Al,Ga)2O3、(In,Ga)As、(Al,Ga)As、(In,Ga)N、(Al,Ga)N、(Cd,Zn)O、Zn(O,S)、(Al,Ga,In)As、(Al,In,Ga)P、(Al,In,Ga)(As,P)、(Al,Ga,In)N、(Mg,Zn,Cd)O、和/或(Al,Ga,In)2O3，其中，本领域技术人员知道，包含Al和Ga的半导体合金，取决于Al和Ga的比例，可以优选地是具有相应直接或间接带隙的直接或间接半导体。
出于本发明的目的，优选的是波导的光谱灵敏度范围取决于所使用的半导体材料及其设计，特别是吸收元件和吸收边缘的设计。在这方面，本发明通过适当的材料选择促进了波导或光谱仪的灵敏度范围的适应性。吸收元件的吸收特性因此可以有利地通过适当地选择半导体材料来调整。吸收元件的吸收特性特别地能通过吸收器内的材料梯度的设计来调整。在本发明的上下文中，可能优选的是分别沿着波导或吸收元件组合多个材料梯度。这样，可以惊人地覆盖较大的光谱范围或不同的光谱范围。
在本发明的上下文中，术语“变化的化学成分”优选地指吸收元件沿着其延伸范围具有变化的成分。例如，形成吸收元件的材料可以在前区域而不是后区域具有较大的带隙，前区域可以例如用作用于待检查的辐射的输入区域。材料可以在输入区域具有较大的镁含量，其中，镁的比例沿着吸收元件朝向输出区域递减，从而增加了锌的比例。例如，可以通过MgxZn,1-xO规格来描述(Mg,Zn)O合金系统的成分，使得较多的镁造成较少的锌。
在本发明的优选实施方式中，材料梯度是通过使半导体合金的合金组分的比例沿着吸收元件的延伸范围变化形成的。
在本发明的另一优选实施方式中，吸收元件包含通用形式AXB1-x的半导体合金，其中，A和B各自代表合金组分，x是A在半导体合金中的比例，其沿着吸收元件的延伸范围变化。
出于本发明的目的，还可能优选的是吸收元件包括二元合金、三元合金或四元合金，其中，每个合金组分的浓度或比例通过指数x彼此相关联。取决于包含合金组分A和B的例示合金的所选材料体系，用于合金AXB1-X的指数x可以优选地从0跑至1或者取0和1之间的值。中间值诸如0至0.9、0.8、0.7、0.6、0.5、0.4、0.3、0.2或者甚至0.1可以是优选的。同样地，可能优选的是使x在0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8或0.9至1.0之间跑动。任何组合，例如0.2至0.5或者0.1至0.3，也是可以想到的。通用形式AxB1-x可以应用于二元合金、三元合金或四元合金。例如，合金组分A和B还可以表征半导体混合物，或者吸收元件包含具有三种或更多种合金组分的半导体合金，其中，仅两种合金组分的比例变化。
对于特别优选的例示实施方式，MgxZn1-xO，吸收元件内化学材料梯度的存在可以优选地将其自身表达为指数x，从前区域至后区域变化，取0.3至0.0之间的值，其中值x＝0.3例如是在吸收元件的前区域中取的，其例如对应于待检查的辐射的输入区域，值x～0.0是在吸收元件的后区域中取的。
出于本发明的目的，优选的是材料梯度大致是线性的，其中，“大致”对于本领域技术人员不是不清楚的，因为本领域技术人员知道合金体系中的浓度的精度范围可以被调整。
术语诸如大致、约、大约、左右等优选地描述小于±20％、优选地小于±10％、更优选地小于±5％、特别地小于±1％的公差范围。大致、大约、约、左右等的指示总是公开并包括指示的确切值。
对于各个应用，材料梯度的非线性进程，如平方进程，可能是优选的。这些可以例如以下述形式表示：
x＝x0+x1·d+x2 d2,
其中，xi优选地表示优选为恒定的系数。
线性进程，例如为
x＝x0+x1·d
也可能是优选的。
对于一些应用可能优选的是，材料梯度的进程以下述函数描述
x＝x0+x1·d+x2·d2+x3·d3…
其中，xi优选地表示优选为恒定的系数。这种泰勒级数可以用于表示任何非线性函数。
在本发明的优选实施方式中，沿着吸收元件的延伸范围的材料梯度以单调上升或下降的方式变化，其中，材料梯度优选地显示出对沿着吸收元件的延伸范围的位置的线性或平方相关性。
出于本发明的目的，优选的是吸收元件对待检查的并耦合到波导中的辐射的辐射组分进行的吸收取决于材料，吸收元件的化学成分，装置或装置的部件的设计、布置，以及取决于辐射的性质而发生。吸收元件优选地被配置为取决于辐射的至少一种性质沿着装置的延伸范围在不同程度上吸收辐射。辐射的性质可以优选地是辐射的频率f或波长λ。出于本发明的目的，特别优选的是吸收在吸收元件中释放电荷载子。取决于所吸收的辐射的数量、能量和/或强度，释放不同数量的电荷载子，其中，电荷载子也可以包含不同的粒子能量。这些粒子能量优选地以电子伏特(eV)为单位来表达。
出于本发明的目的，特别优选的是吸收元件的材料优选地在每个点均包括锐利的吸收边缘。出于本发明的目的，特别优选的是吸收边缘使其能量位置沿着波导变化。吸收元件的材料优选地在前区域例如在波导的输入区域中具有大的带隙，其中光子能量最大的辐射优选地在该区域被吸收。出于本发明的目的，优选的是辐射的光子能量较高的部分主要随着辐射传播通过波导从辐射中被吸收。这改变辐射的光谱，因为其沿着波导越来越多地失去其高频部分，使得光谱优选地朝向较低光子能量偏移。出于本发明的目的，特别优选的是较低光子能量的辐射在波导的后区域中被吸收，其中，辐射的剩余残留被透射。
吸收优选地在波导内光子能量匹配吸收元件的材料的带隙的大小的位置以特定光子能量开始。在该位置可以设置一个或更多个光检测器，以检测吸收的开始。
应用测试表明，与现有技术不同，本发明不涉及热和/或统计效应对吸收元件的吸收边缘的任何主要影响，而是其是由材料成分或材料梯度的设计确定的。出于本发明的目的，特别优选的是本发明的性能参数不取决于热和/或统计效应，而取决于形成吸收元件的材料的设计，或者取决于吸收元件内的材料梯度的设计。
出于本发明的目的，特别优选的是在波导中对入射辐射的各种光谱部分进行分类，然后使用光检测器阵列进行检测。特别地在包括材料梯度的吸收元件中进行局部映射。这允许提供静止且非常紧凑的设计。另外，全部辐射优选地在相关光谱区域被转化为光信号，使得所提出的装置相比于常规装置特别有效。
出于本发明的目的，特别优选的是待检查的辐射分别被耦合到波导或吸收元件中。可以例如通过调整玻璃纤维或者通过聚焦到波导中来将辐射耦合到波导中。待检查的辐射优选地是红外(IR)、可见和/或紫外(UV)波长范围的辐射。待检查的辐射可以例如是IR、UV入射、可见光或激光辐射，辐射优选地是非单色的。波长分布可以优选地是任意的，其中，一个峰或多个峰可以是优选的。出于本发明的目的，优选的是待检查的辐射是电磁辐射。
出于本发明的目的，优选的是由于吸收元件内或沿着吸收元件设置的材料梯度，吸收元件的吸收特性随着材料的成分改变而改变。换言之，吸收器的化学成分的改变引起吸收元件的吸收边缘的改变。这有利地在辐射传播通过波导或沿着吸收元件传播期间也改变了光谱。出于本发明的目的，优选的是吸收元件被配置成使得短波辐射部分在波导或吸收元件的前区域中被吸收。前区域优选地在空间上在波导的输入区域的附近。
出于本发明的目的，术语“短波辐射”可以理解为具有相对较短的波长的辐射，其中，短波长λ以下述关系关联
c＝f·λ
至高频率f和高辐射能量；字母c在该等式中表示光的速度。吸收元件优选地被配置成使得长波辐射在吸收元件的后区域中被吸收，其中，吸收元件的化学成分及其吸收性能优选地持续地和稳定地变化，而不是突然地和陡然地变化。出于本发明的目的，优选的是所吸收的辐射可以在波导的后区域中与波导解耦合。
出于本发明的目的，优选的是可以布置在波导上和/或周围的光检测器形成光检测器布置结构，其中，光检测器或光检测器布置结构适于记录沿着波导和/或吸收元件释放的电荷载子、电荷载子的数目和/或电荷载子的能量。在第二方面，本发明因此涉及一种包括所提出装置的光检测器布置结构，其中，沿着装置存在N个光检测器，光检测器全部适于检测吸收元件沿着装置的延伸范围对辐射进行的变化的吸收。
出于本发明的目的，光检测器布置结构还可以优选地被称为光谱仪。
光检测器布置结构或光检测器可以优选地用于检测或检查传导通过布置结构的辐射。这有利地创造了对耦合到波导中的辐射进行空间分辨光谱分析的机会。光检测器布置结构优选地还可以用作光谱仪，本发明的特别益处在于，该布置结构允许提供特别紧凑的光谱仪，因为其可以没有色散元件，也没有光路。
出于本发明的目的，优选的是N个光检测器的数量在50至10,000的范围内，优选地在100至3,000的范围内，特别优选地在200至1,000的范围内。测试表明，特别地，具有200至1,000个光检测器的装置在装置的大小和覆盖的波长范围之间具有特别好的关系。出于本发明的目的，优选的是检测器的数量取决于待检查辐射的光谱的速度。还优选的是，检测器的数量取决于待检测的光谱通道的数量。检测器的数量优选地与波导的长度相关。换言之，检测器的数量和大小确定了波导的长度。
例如，光检测器可以沿着波导和/或吸收元件以规律的间隔布置，这些光检测器适于记录电荷载子。由于光检测器的规律布置，相对于其中包含的波长部分，可以以空间分辨率检查待检查的辐射。本发明的主要优点在于，所提出的波导的配置使得耦合到波导中的基本上所有光子都被吸收，因此可以有助于进行光谱分析或出于此目的进行评估。通过将被耦入的辐射的基本上所有光子均包括在光谱分析中，可以提供特别有效的部件。这特别地通过下述方式实现，基本上全部辐射均优选地转换为光响应。因此，信号强度大的信号优选地被获得，其可以特别好地被处理，并允许对收集的数据进行特别准确的分析。本发明的主要优点在于，辐射不需要被分裂来进行本发明上下文中的检查，而是可以检查入射进波导的光，这种检查基本上包括耦入的所有光子。
在优选的实施方式中，光检测器布置结构或光谱仪包括数据处理装置，其适于基于在光检测器处测量的光电流来确定辐射的光谱。
数据处理装置优选的是适合并被配置成接收、发送、储存和/或处理数据、优选地光电流的数据或其他测量数据的单元。数据处理单元优选地包括用于处理数据的集成电路、处理器、处理器芯片、微处理器和/或微控制器，以及用于储存数据的数据存储器，诸如硬盘、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)或者闪速存储器。
为了基于光检测器的所测量的光电流进行对入射辐射的光谱的确定，数据处理装置上优选地可以存在软件、固件或计算机程序，该程序包括执行公开的与方法相关的步骤。
数据处理装置可以例如是微处理器，微处理器是紧凑的，并可以安装在具有光检测器布置结构或光谱仪的壳体中。但是也可以想到个人计算机、膝上型电脑、平板等等，这些除了用于接收、发送、储存和/或处理数据的装置，还可以包括数据的显示器，以及输入装置，诸如键盘、鼠标、触屏等。本领域技术人员了解公开的与方法相关的优选(计算)步骤还可以优选地通过数据处理装置进行。
例如，数据处理装置可以优选地适于进行解折叠方法或去卷积方法和/或去卷积过程步骤，以基于所测量的光电流对耦合到波导中的辐射进行空间分辨光谱分析。作为解折叠的基础，数据处理装置上可以储存校准数据，其例如对应于光检测器阵列响应于不同波长的入射单色辐射的依赖于位置的光电流。
此外，所提出的波导还允许对待检查的和耦合到波导中的辐射进行时间分辨光谱分析。测试表明，依赖于时间的信号可以惊人地达到特别高的时间分辨率，其中，时间分辨率可以优选地精确到皮秒范围。本发明的特别优点在于，除了光谱分辨率，还可以达到特别高的时间分辨率。这意味着本发明可以有利地提供超高速扫描摄像机的功能。符合本发明的目的的是，将多个提出的波导大致平行地映射到彼此，从而形成波导的阵列，其可以优选地用作超光谱成像检测器。有利地，这种检测器可以用于测量光谱的线性或一维分布。优选地，出于本发明的目的，一维分布也称为1D分布。由于所提出的波导的平行布置，可以进行空间和光谱分辨测量。让专家群体特别惊讶的是，本发明为光检测器布置结构提供一种整体的、基于波导的方法，利用该光检测器布置结构，可以进行空间和光谱分辨测量。
通过堆叠这种波导的线性阵列，可以实现超光谱成像检测器的平面或二维阵列。优选地，出于本发明的目的，二维阵列称为2D或图示阵列。通过光响应数据的相应的进一步处理，本发明促进了光谱特征诸如光谱最大值的波长、光谱的宽度以及具体波长范围内的线和图像的1D或2D分布。另外，可以以高时间分辨率确定该信息，特别地这通过光检测器的速度或带宽来确定。
设置空间上靠近所提出的波导的用于形成光检测器布置结构的光检测器优选地允许将局部吸收的辐射转换为所谓的光响应，其中，光响应可以例如通过光电流形成。出于本发明的目的，优选的是，光电流是由于吸收元件的辐照而流动的电流。光电流优选地通过释放的电荷载子形成。出于本发明的目的，优选的是待检查的辐射的光谱可以沿着波导和/或吸收元件由光响应的侧向分布重构，至少近似地重构。
特别优选的是，包括所提出的波导的光检测器布置结构用作对期望入射光谱进行分析的光谱仪。装置优选地还可以用作波长计，其中，波长计优选地是适于确定和/或检测辐射的波长和/或光子能量的装置。本发明的特别的优点在于，可以在特别大的波长范围内测量入射辐射的波长。与本发明的优选的小大小相比，特别的大的波长范围特别惊人，实现这一点是因为本发明可以无需色散元件或光路。
出于本发明的目的，优选的是光检测器可以选自包括肖特基二极管、MSM二极管、pn二极管和/或光电导体的组，但不限于此。由于光检测器的选择的灵活性较高，因此本发明可以特别容易地适于不同应用要求，因此是非常通用的。图2示出了光检测器布置结构的例示实施方式。
与所提出的波导装置和所提出的光检测器布置结构相关的另一优点在于，可以提供特别小的光谱仪装置，其可以惊人地安装在甚至移动电子设备诸如智能电话、平板或移动电话中。特别地实现了提供超紧凑光谱仪装置的优点，因为所提出的装置可以无需光路，也无需色散元件。换言之，所提出的波导布置结构和所提出的光检测器布置结构不包括色散元件，也没有光路。色散元件可以例如是衍射栅或棱镜。本领域技术人员知道，其他光学元件可以被称为“色散元件”。由于本发明中可以省略色散元件，因此，可以提供特别紧凑且节省空间的光谱仪装置，虽然该光谱仪装置设计紧凑，但惊人地适于在非常大的波长范围内进行光谱分析。这是相较于现有技术的转变，转变之处在于，专家们至今为止仍认为光谱仪的大小与之后待分析的入射辐射的波长范围相关，或者特别地需要较大的装置才能在大的光谱范围内对辐射进行分析。
出于本发明的目的，优选的是使用脉冲激光沉积(PLD)的方法制作吸收元件。这样，可以有利地在吸收元件内精确地设置一种材料梯度，因为吸收元件内的成分沿着波导变化。出于本发明的目的，还可能优选的是使用其他方法诸如溅射沉积来产生材料梯度，溅射沉积优选地也被称为阴极溅射、分子束外延和/或化学沉积方法。
出于本发明的目的，特别优选的是形成吸收元件的合金的每种组分的浓度均具有梯度。出于本发明的目的，可能特别优选的是使用离子注入的方法在吸收元件中产生材料梯度。测试表明，离子注入方法产生特别强烈的材料梯度，从而允许将所提出的波导的长度降低至亚毫米范围。另外，可以想到各种产生方法，只要这些方法允许产生材料梯度。吸收元件优选地被构造为薄层(薄层技术)并存在于基底上，基底可以例如由硅晶圆形成。对于一些应用可能优选的是，基底包含蓝宝石、硅、锗、SiC、G2O3、SrTiO3、GaAs、InP、GaP或玻璃。
在本发明的优选实施方式中，用分子束外延(MBE)或化学气相沉积(CVD)或阴极溅射或脉冲激光沉积(PLD)的方法生产装置或装置的波导以及具有侧向材料梯度的吸收层。另外，可以想到各种生产方法，只要这些方法允许生产侧向材料梯度。
优选地通过适当地控制各种化学元素的设置并控制其沉积的位点，以膜沉积过程来生产连续的侧向材料梯度(波导或吸收元件的化学成分的梯度)。这例如可以通过在脉冲激光沉积中控制消融目标上的激光聚焦的局部位置——如果目标是径向分段的话——并相应地同步基底的转动来实现。目标上的激光的各种位置得到具有不同化学成分的被消融材料(参见Holger von Wenckstern,Zhipeng Zhang,Florian Schmidt,
Holger Hochmuth,Marius Grundmann,Continuous composition spread using pulsed-laser deposition with a single,segmented target,CrystEngComm 15,10020-10027(2013))。可以例如使用Holger von Wenckstern等人公开的方法步骤来实现连续的材料梯度。生产侧向材料梯度的其他方法是已知的，除了别的以外，这些方法使用可移动掩模(如，Marc D.Porter,Combinatorial Materials Science(John Wiley&Sons,Hoboken,NJ,2007))。
这些方法特别地可以用于生产长度在1cm、优选地小于1mm的范围内的波导，其中，尺寸如此小的波导可以有利地安装在移动设备诸如智能电话或平板中。吸收元件可以有利地具有50μm至20mm范围内、优选地100μm至10mm的范围内的长度。波导可以特别地具有在该优选长度范围内的长度。
这些值在具有直接带结构和急剧的吸收边缘的这种半导体材料中是特别优选的。出于本发明的目的，优选的是波导的长度取决于波导内吸收膜的吸收能力，特别地取决于吸收膜的厚度。例如，当使用(Si,Ge)作为半导体材料时，几毫米的波导长度可能是优选的。出于本发明的目的，特别优选的是，波导被制作为其长度允许沿着波导布置大量光检测器，使得有利地达到特别好的光谱分辨率。出于本发明的目的，特别优选的是可以将光检测器的数量调整为待光谱地捕获的范围。
吸收元件优选地具有伸长形状，其截面比其长度小，其长度对应于其延伸范围。截面尺寸与长度的比优选地被称为纵横比。纵横比可以例如为2、3、4、5、10、20或以上。
出于本发明的目的，优选的是吸收元件被布置在基底上。基底有利地适于为装置提供稳定性和机械强度，使得装置可以灵活地用于各种应用。基底特别地允许装置或所提出的光谱仪布置结构安装在移动通信设备诸如智能电话或其他移动设备中。优选地可以在基底和吸收元件之间设置覆层。图1示出了所产生的波导的例示结构。出于本发明的目的，可能优选的是波导特别地包括吸收器。但也可能优选的是波导既包括吸收器，也包括覆层，其中，覆层可以优选地显著厚于波导的吸收元件。出于本发明的目的，可能优选的是基底被用作覆层。如果基底的折射指数小于吸收器的折射指数，那么这可能是特别优选的。出于本发明的目的，可替代地，可能优选的是在吸收元件与基底之间布置足够厚的层，该层具有大于待检测辐射的波长的厚度以及比吸收器小的折射指数，该层可以用作覆层。这有利地防止辐射丢失，例如通过穿入基底。因此，设置覆层可以防止辐射丢失，以检查吸收。
出于本发明的目的，特别优选的是覆层或形成覆层的材料形成为对耦合到波导中的辐射是透明的。此外，出于本发明的目的，优选的是覆层的折射指数比基底的折射指数大得多。此外，出于本发明的目的，可能优选的是吸收元件的折射指数比基底的折射指数大得多，以促进在波导内传导辐射。出于本发明的目的，优选的是折射指数彼此足够不同。折射指数的不同应优选地在0.05至0.1的范围内。
在另一方面，本发明涉及一种用于对辐射进行空间分辨光谱分析的方法，该方法包括下述步骤：
a)提供波导，其中，波导包括吸收元件，吸收元件具有变化的化学成分，
b)提供辐射，其中，辐射耦合到波导中，
c)通过吸收元件根据吸收元件的化学成分和辐射的性质吸收辐射部分，其中，由于该吸收，吸收元件中释放电荷载子，
d)通过光检测器布置结构检测所释放的电荷载子，其中，光检测器沿着波导布置。
所提供的波导和光检测器布置结构的定义、技术优点和惊人的效果经过必要的修改适用于所提出的方法。
此外，方法可以包括用于评估所释放的电荷载子产生的信息的其他方法步骤。例如，所提出的方法可以包括解折叠方法或去卷积方法和/或去卷积方法步骤。出于本发明的目的，这些去卷积方法可以优选地称为解折叠方法。优选地是，在分析测量的结果时，这种方法优选地被用作数值方法步骤，作为用于对耦合到波导中的辐射进行空间分解光谱分析的方法的一部分。出于本发明的目的，优选的是从其重构辐射的功率谱的光响应自身展示为各种光检测器的光信号。可以用于确定光检测器阵列对入射单色辐射的响应的校准步骤可以用作解折叠的基础。
该方法可以优选地使用根据本发明的所提出的波导来实施。还可能优选的是使用其他波导。出于本发明的目的，吸收元件具有变化的化学成分的特征还可以优选地描述为吸收元件具有材料梯度。特别优选的是，吸收元件的特征在于材料梯度，以使吸收边缘的能量位置沿着吸收元件的延伸范围变化，以促进空间分辨光谱分析。
出于本发明的目的，还优选的是高能量辐射部分在波导的前区域被吸收，低能量辐射部分在波导的后区域被吸收，其中，吸收优选地是流动的。由于辐射的局部改变的吸收，因此可以在发生吸收的地方与相应辐射的光子能量之间建立关系。优选地，如上所述，吸收位点处的能量与材料的带隙之间存在联系。优选地，所吸收的辐射的能量影响所释放的电荷载子的数量和/或数目，使得可以根据确定的光电流推出辐射中的特定光子能量的部分，光电流优选地由释放的电荷载子生成。
出于本发明的目的，优选的是描述的特征可以或者单独地或者以任何组合对于本发明是必要的。
参照下述附图描述本发明，其中：
图1示出了穿过本发明的优选实施方式的示意截面；
图2示出了本发明的优选实施方式的示意顶视图；
图3示出了通过半导体合金的合金组分的比例沿着吸收元件的延伸范围的变化，吸收边缘的光谱位置的例示变化。
图1示出了穿过本发明的优选实施方式的示意截面(10)。特别地，图1示出了波导(10)，其中，图1示出的本发明的优选实施方式(10)包括基底(14)、覆层(16)和吸收元件(12)。覆层(16)优选地还可以称为“包层”。
图2示出了本发明的优选实施方式的示意顶视图(18)。光检测器(18)包括波导(10)以及布置在波导(10)的两侧上的一系列光检测器(20)。出于本发明的目的，优选的是光检测器(20)是互连的，使得其整体形成光检测器布置结构(18)。优选的是，两个光检测器(20)布置成彼此相对，其中，这种光检测器对中的第一光检测器(20)可以布置在波导(10)的右侧上，这种光检测器对中的第二光检测器(20)可以布置在波导(10)的左侧上。出于本发明的目的，还可能优选的是，第一光检测器(20)的触点布置在波导(10)的一侧上，另一触点在波导(10)的另一侧上。出于本发明的目的，还可能优选的是光检测器(20)的两个触点均附接至波导(10)的同一侧。
出于本发明的目的，特别优选的是吸收元件(12)具有材料梯度。材料梯度的存在指吸收元件(12)的化学成分随着吸收元件(12)的延伸范围而变化，使得吸收元件(12)在不同位置具有不同的化学成分。吸收元件(12)优选地包含具有两种、三种或四种合金组分的半导体合金，其中，材料梯度自身表现的方式为使得各个合金组分在吸收元件(12)的不同位置构成整个成分的不同比例。图2中的箭头以例示方式表示入射辐射和待分析辐射或其路径和/或方向。图2中的三个点优选地表示光检测器(20)的布置在波导(10)的该区域中也是连续的；然而，为简洁起见，图2中未示出波导(10)上方和下方两处受影响位点处的相应光检测器(20)。
图3示出了通过半导体合金的合金组分的比例沿着吸收元件的延伸范围的变化，吸收边缘的光谱位置的变化。
将参照(Mg,Zn)O体系的示例来描述操作模式，其中，所解释的原理可以类似地移用到其他半导体体系。在化学式为MgXZn1-XO的(Mg,Zn)O固态溶液中，x指示Mg含量。
图3在顶部示出了x＝0(即，纯ZnO)、x＝0.15(即，Mg0.15Zn0.85O)以及x＝0.29(即，Mg0.29Zn0.71O)的实验吸收光谱以及带边缘的相应相关光谱偏移。
x＝0的吸收边缘的光谱位置处于约3.3eV。x＝0.15的吸收边缘处于3.6eV左右，x＝0.29的吸收边缘略宽，光谱位置在3.9-4.1eV左右。
如底部附图示出，优选地实施了从前区域到后区域的大致连续的材料梯度，在该材料梯度处，x持续从0.0变化至0.29。
具有短波或较高能量吸收边缘的材料成分(在该情况下：镁含量高；x＝0.29)在波导或吸收元件的面向光的一侧上，而具有长波或低能量吸收边缘的材料成分(在该情况下：镁含量低；x＝0.0)存在于波导的后区域。
能量在4eV左右(波长310nm左右)的光子在前区域中被吸收，而能量在3.3eV左右(波长375nm左右)的光子在后区域中被吸收。当光传播通过装置时，辐射因此越来越多地失去高能量部分，使得辐射的光谱朝向较低能量偏移。
如所述，使用光检测器的布置结构，可以通过光电流信号检测辐射的变化吸收，并可以进行空间分辨光谱分析。
附图标记列表：
10 装置/波导
12 吸收元件
14 基底
16 包层/覆层
18 光检测器布置结构
20 光检测器
Claims (15)
1.一种用于传导辐射的装置(10)，包括吸收元件(12)，
其特征在于，
所述吸收元件(12)沿着其延伸范围具有变化的化学成分，所述成分的特征在于材料梯度，以使吸收边缘的能量位置沿着所述吸收元件(12)的延伸范围变化。
2.根据前一权利要求所述的装置(10)，
其特征在于，
所述吸收元件(12)包括在所述装置(10)的前区域中的所述吸收边缘的较高能量位置，所述辐射引入所述前区域，而不引入后区域，使得在所述辐射传播通过所述装置(10)期间，所述辐射越来越多地失去高能量部分，并且光谱朝向较低能量偏移。
3.根据前述权利要求中的任一项或若干项所述的装置(10)，
其特征在于，
所述吸收元件(12)布置在基底(14)上。
4.根据前述权利要求中的任一项或若干项所述的装置(10)，
其特征在于，
所述吸收元件(12)包含下述材料，所述材料是二元半导体合金、三元半导体合金或四元半导体合金。
5.根据前述权利要求中的任一项或若干项所述的装置(10)，
其特征在于，
所述材料梯度沿着所述吸收元件(12)的延伸范围以单调地上升或下降的方式变化，其中，所述材料梯度优选地显示出对沿着所述吸收元件(12)的延伸范围的位置的线性或平方相关性。
6.根据前述权利要求中的任一项或若干项所述的装置(10)，
其特征在于，
所述材料梯度是通过使半导体合金的合金组分的比例沿着所述吸收元件(12)的延伸范围变化形成的。
7.根据前述权利要求中的任一项或若干项所述的装置(10)，
其特征在于，
所述吸收元件(12)包括通用形式AxB1-x的半导体合金，其中，A和B分别代表合金组分，x是A在所述半导体合金中的比例，其沿着所述吸收元件(12)的延伸范围变化。
8.根据前述权利要求中的任一项或若干项所述的装置(10)，
其特征在于，
所述吸收边缘沿着所述吸收元件(12)的延伸范围的所述能量位置在至少300meV、优选地至少400meV、至少500meV的光谱区域内变化。
9.根据前述权利要求中的任一项或若干项所述的装置(10)，
其特征在于，
所述基底(14)与所述吸收元件(12)之间存在覆层(16)。
10.根据前述权利要求中的任一项或若干项所述的装置(10)，
其特征在于，
所述吸收元件(12)适于沿着所述装置(10)的延伸范围取决于辐射的波长在不同程度上吸收辐射。
11.根据前述权利要求中的任一项或若干项所述的装置(10)，
其特征在于，
所述吸收元件(12)具有在50μm至20mm范围内、优选地在100μm至10mm范围内的长度。
12.根据前述权利要求中的任一项或若干项所述的装置(10)，
其特征在于，
所述吸收元件(12)的材料选自包括下述的组：(Mg,Zn)O、(Si,Ge)、(Si,Ge)C、(In,Ga)2O3、(Al,Ga)2O3、(In,Ga)As、(Al,Ga)As、(In,Ga)N、(Al,Ga)N、(Cd,Zn)O、Zn(O,S)、(Al,Ga,In)As、(In,Ga)(As,P)、(Al,Ga,In)N、(Mg,Zn,Cd)O、(Al,Ga,In)(As,P)、(Al,In,Ga)N、和/或(Al,Ga,In)2O3。
13.一种光检测器布置结构(18)，包括根据前述权利要求中的任一项或若干项所述的装置(10)，
其特征在于，
沿着所述装置(10)设置了N个光检测器(20)，所述检测器全部适于检测所述吸收元件(12)沿着所述装置(10)的所述延伸范围对辐射进行的变化吸收。
14.根据前一权利要求所述的光检测器布置结构(18)，
其特征在于，
所述光检测器布置结构包括数据处理装置，所述数据处理装置适于基于由所述光检测器(20)测量的光电流来确定所述辐射的光谱。
15.一种用于空间分辨光谱分析的方法，
包括下述步骤：
a)提供波导(10)，其中，所述波导(10)包括吸收元件(12)，所述吸收元件(12)沿着其延伸范围具有变化的化学成分，所述成分的特征在于材料梯度，以使吸收边缘的能量位置沿着所述吸收元件(12)的延伸范围变化，
b)提供辐射，其中，所述辐射耦合到所述波导(10)中，
c)通过所述吸收元件(12)根据所述吸收元件(12)的化学成分以及所述辐射的性质来吸收辐射部分，其中，由于该吸收，所述吸收元件(12)中释放电荷载子，
d)通过光检测器布置结构(18)检测所释放的电荷载子，其中，N个光检测器(20)沿着所述波导(10)布置。
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