DE19724682A1

DE19724682A1 - Optisches Spektrometer

Info

Publication number: DE19724682A1
Application number: DE19724682A
Authority: DE
Inventors: Ronald A Powell
Original assignee: Varian Associates Inc
Current assignee: Varian Inc
Priority date: 1996-06-11
Filing date: 1997-06-11
Publication date: 1997-12-18
Also published as: AU707358B2; AU2353497A; US5703689A; JPH1062238A

Description

Die Erfindung betrifft die optische Spektrometrie und im besonderen Verfahren und Vorrichtungen zur Bestimmung der spektralen Dichte von Strahlung, die auf ein Material einfällt, welches durch eine temperaturabhängige Bandkantenverschiebung gekennzeichnet ist.

Die Erfassung eines optischen Spektrums, beispielsweise der Strahlungsdichte als Funktion der Energie oder der Wellenlänge, wird üblicherweise mit Instrumenten durchgeführt, die ein optisch dispersives oder dispergierendes Element, beispielsweise ein Prisma oder ein Gitter, verwenden, welches optische Strahlung räumlich in direkter Übereinstimmung mit der Wellenlänge (oder Frequenz) dispergiert bzw. separiert. Auf diese Weise werden diejenigen Wellenlängen, die im einfallenden Strahl vorhanden sind, räumlich für die Registrierung mit einem geeigneten Aufzeichnungsmedium, beispielsweise einer ladungsgekoppelten Einrichtung (Charge Coupled Device, CCD) oder Photodioden getrennt, wobei direkt die Verteilung der einfallenden optischen Wellenlängen erhalten wird.

Diese Instrumente formen, typischerweise mit der Hilfe eines optischen Systems, ein Bild in einer Fokusebene, beispielsweise mit der Hilfe von Linsen oder Gittern, welche mit anderen optischen Elementen zusammenarbeiten und welche alle für einen zufriedenstellenden Betrieb des Instruments in präzisem räumlichen Verhältnis hergestellt und gehalten werden müssen.

Typischerweise erfordern derartige dispersive Elemente eine räumlich relativ ausgedehnte Fokusebene, um einen großen Spektralbereich von gleichzeitig analysierter Strahlung aufzunehmen. Alternativ kann ein Abtast- oder Scannverfahren verwendet werden, um die sequentielle Analyse von einfallender optischer Strahlung vorzunehmen, welche in einer moderaten Erstreckung der beschränkten Fokusoberfläche aufgenommen wird. Dies wird üblicherweise durch Ausführen mechanischer Relativverdrehungen (oder von anderen sich wiederholenden Bewegungen) des dispergierenden Elementes oder von dessen Äquivalenten erreicht. Ferner kann eine präzise mechanische Stufe oder Baugruppe nötig sein, um ein derartiges Abtasten bzw. Scannen zu erreichen.

Für einen vorgegebenen Grad der Präzision bzw. der Auflösung, des (Energie- oder Wellenlängen-) Bereiches oder anderer Betriebsparameter ist das dispergierende Instrument typischerweise teuer, zerbrechlich und stellt hohe Anforderungen an die Sorgfalt, da derartige Instrumente Gitter, Diodenfeldspektrometer (Diode Array Spectrometer) und/oder CCDs umfassen kann. Der Stand der Technik wird rückblickend zusammengefaßt in Spectrochemical Analysis, J.D. Ingle Jr. und S.R. Crouch (Prentice Hall, 1988).

Nicht dispersive optische Spektrometer sind auf dem Gebiet gut bekannt. Normalerweise beruhen diese Instrumente auf optischen Filterelementen, die entsprechende Kanäle für die differentiellen Anteile des analysierten Spektrums bereit stellen. Aus praktischen Gründen erfordern diese Instrumente einen Kompromiß zwischen spektraler Auflösung und analysiertem spektralen Bereich, da typischerweise nur eine relativ geringe Anzahl von Filterelementen verwendbar ist.

Die vorstehend beschriebenen spektroskopischen Instrumente sind notwendigerweise für einen speziellen Spektralbereich konstruiert. Es ist sehr häufig der Fall, daß Instrumente, die für die Verwendung im sichtbaren oder dem UV-Bereich konstruiert sind so verschieden in ihrer Konstruktion sind, daß es schwierig ist, beide derartigen Instrumente in enger Nachbarschaft zueinander aufzunehmen. Ebenfalls transmittieren viele optische Materialien, die im sichtbaren Bereich gut durchlässig sind, nicht im fernen Ultravioletten (beispielsweise ist Quarz undurchlässig gegenüber ultravioletter Strahlung mit Wellenlängen unterhalb von ungefähr 1500 Angström).

Bei vielen Anwendungen auf dem Gebiet besteht Bedarf an einem optischen Spektrometer, welches extrem kompakt, preisgünstig (vielleicht sogar erweiterbar), mechanisch und gegenüber der Umwelt stabil und zuverlässig und in der Lage ist, einen breiten Spektralbereich mit einer relativ will kürlichen bzw. frei wählbaren Spezifikation zu überdecken.

Es ist beim Stand der Technik lange bekannt, die energetische Bandlückenverschiebung eines Halbleiters und die Abhängigkeit einer derartigen Verschiebung von der Temperatur dieses Halbleiters einzusetzen, um optische pyrometrische Techniken zu realisieren. Eine jüngere herkömmliche Technik zur Temperaturfernerfassungsmessung eines Halbleitermaterials wird im U.S. Patent Nr. 5,118,200 von Kirillov et al. beschrieben und wird hier durch Zitierung mit einbezogen und zum Gegenstand der Beschreibung gemacht. Dieses Patent beschreibt eine Temperaturmeßvorrichtung und Technik zur Verwendung mit Strahlungsheizung eines Substrates, welches durch eine temperaturabhängige Bandlückenenergie gekennzeichnet ist, wobei die Wellenlänge, die den Wendepunkt des Histographen der Wellenlänge als Funktion der Transmissionsintensität mit der Echtzeit-Substrattemperatur korreliert. Dies wurde kommerziell mittels den POINT^TM (Point-OF-INflection Thermometry) Produkten verwirklicht, welche dieses Konzept verwenden, um kontaktfreie Echtzeitmessung und Steuerung der Halbleiterwafertemperatur während der Waferbearbeitung zu gestatten. POINT^TM verwendet die Transmissionskante der Bandlücke des Halbleiters um als optisches Stufenfilter zu arbeiten. Diese Eigenschaft tritt in Kombination mit der Bestimmung der Wellenlänge auf, welche der Bandlückenenergieabhängigkeit von der Temperatur entspricht. Diese Kombination kann gekennzeichnet werden durch einen Wendepunkt, wobei die Wendepunktsposition verwendet wird, um die momentane Temperatur des Halbleiters zu messen. POINT^TM wird verwendet, um den Wendepunkt örtlich festzulegen, um die momentane Wafertemperatur festzustellen.

Eine optische Temperaturmeßeinrichtung zur Bestimmung der Temperatur eines Halbleiterkristalls mit einer temperaturabhängigen Bandlückenenergie wird in dem U.S. Patent Nr. 4,338,516 von Sharma beschrieben, bei welchem ein Kristall optisch abgetastet bzw. gescannt wird. Das Zeitverhalten der momentanen Wellenlänge, die über die Bandkantenwellenlänge an der Übergangskante tritt wird in Beziehung gesetzt mit der momentanen Temperatur des Kristalls. Sharma verwendet die temperaturabhängige Verschiebung der Bandlückenenergie eines Halbleiters nicht, um das Spektrum einer einfallenden Lichtquelle zu bestimmen, sondern wiederum um die Temperatur des Halbleiters zu erfassen. Die Temperaturerfassung des Halbleiters wird nicht iterativ in Antwort auf einen angelegten Temperaturgradienten bestimmt, wie es bei der hier beschriebenen Erfindung der Fall ist. Statt dessen wird die Wellenlänge des einfallenden Lichtes (beispielsweise einer breitbandigen Lichtquelle, wie einer Glühwendel oder einer schmalbandigen Lichtquelle, wie einer LED) iterativ durchlaufen und dann auf einen Sensor gerichtet. Um das Spektrum einer breitbandigen Lichtquelle zu durchlaufen, wird ein abtastender bzw. scannender Monochromator verwendet. Um die von einer LED emittierten Wellenlängen zu durchlaufen wird die Temperatur durchlaufen, da die durch eine LED emittierte schmale Wellenlänge sehr eng durch den Wert von deren Bandlücke bestimmt ist. Daher wird nur eine schmalbandige Wellenlänge und nicht das vollständige Spektrum, wie es hier beschrieben wird, durch den Sensor gerichtet. Das zyklische Erhitzen verschiebt die Wellenlänge der LED wirkungsvoll. In keinem Falle wird die Sensortemperatur iterativ geändert noch wird irgendein Versuch unternommen, das Spektrum des einfallenden Lichtes festzustellen.

Das U.S. Patent Nr. 5,213,985 von Sandroff et al. beschreibt eine optische Überwachungstechnik zur Messung der Temperatur innerhalb einer Bearbeitungskammer, bei welcher ein Halbleiter, der eine temperaturabhängige Bandlückenenergieverteilung aufweist optisch angeregt wird, um Photolumineszenz aufzuweisen. Die spektrale Auflösung der emittierten Photolumineszenz stellt ein direktes Maß der Bandlückenenergie des Halbleiters dar und die Temperatur des Halbleiters wird hiervon abgeleitet. Die Verwendung einer laserangeregten Photolumineszenz bei einem Halbleiter, beispielsweise GaAs, zur Messung von dessen Temperatur oder der Temperatur einer Kammer, die in direktem Kontakt mit diesem Halbleiter steht, geht diesem Patent voraus. Derartige Verfahren sind beim Stand der Technik gut bekannt. Siehe beispielsweise "High Temperature Band-to-Band Luminescence of GaAs and InP Excited by an Argon Ion Laser Beam" von D. Kirillov und J. Merz (J. Applied Physics, Seite 4104, 1983), an welchem Ort die Verwendung einer Lumineszenz als Sonde zur Messung der Temperatur innerhalb eines Laserflecks verwendet wird. Obwohl die Photolumineszenzspitzenstelle als Funktion der Temperatur die Abhängigkeit der Bandlückenenergie von der Temperatur wiedergibt, ist eine neue Spektrometerkonstruktion nicht der neue Gegenstand dieses Patents. In klarer Weise wird dort ein herkömmliches Spektrometer verwendet, um das Spektrum der Photolumineszenzstrahlung, die vom Halbleiter emittiert wird, zu messen.

Eine Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Festkörperspektrometer zur Erfassung eines optischen Spektrums bereit zustellen, bei welchem beispielsweise die relative Intensität I für einfallende Strahlung mit einem sehr breiten Bereich einfallender Wellenlängen λ als Funktion von λ erfaßt wird, welches nicht dispersive oder kollimierende Elemente (beispielsweise Linsen, Gitter etc.) und in manchen Ausführungsformen keine mehr-Element- Strahlungsdetektoren (beispielsweise CCDs, Photodiodenfelder, etc.) verwendet. Ferner soll dieses Spektrometer nicht mittels mechanischer Abtastung, unabhängig davon, ob dies iterativ oder nicht geschieht, betrieben werden.

Es ist einer weitere Aufgabe dieser Erfindung, ein Festkörperspektrometer bereitzustellen, welches kompakt, dauerhaft und für nahezu jede Feldanwendung zuverlässig und kostengünstig ist.

Die vorliegende Erfindung stellt ein optisches Spektrometer bereit, welches ein optisches Element umfaßt, das aus einem Material hergestellt ist, welches eine scharfe Bandlücke bereitstellt, welche dazu führt, daß die gesamte einfallende spektrale optische Verteilung oberhalb/unterhalb der Grenzwellenlänge (Cutoff Wavelength) (Bandlücke, Bandkante oder Transmissionskante) T_r(λ), die der gesamten Strahlung (welche lediglich durch die Bandlücke beschränkt ist) entspricht, zu einem Detektor übertragen wird, der ein Signal abgibt, welches zu der gesamten Strahlung, die durch das optische Element I(λ) transmittiert wurde, proportional ist. Das mathematische Integral, welches diesem transmittierten Spektrum bzw. durchgelassenem Spektrum entspricht, ist eine Größe, welche eine integrale Verteilung des optischen Spektrums beschreibt. Dann wird die Bandlücke beispielsweise durch Anlegen eines Temperaturgradienten manipuliert, um inkrementell den Grenzwert bzw. Cutoff-Wert der transmittierten Strahlung zu höheren/niedrigeren Wellenlängen zu verändern, wobei eine Verteilung, beispielsweise T_r(λ,T) bereitgestellt wird. Die Folge von optischen Intensitätswerten, beispielsweise Intensitäten (I(λ)) als Funktion der Wellenlänge (λ) ergeben bei mathematischer Integration über die Transmissionsverteilung des Grenzwertes, beispielsweise T_r(λ, T) als Funktion der Wellenlänge (λ) und der Temperatur (T), eine integrale Vor- bzw. Bias-Kurve I(T), von welcher das differentielle Spektrum dI(T)/dT durch Anwendung einer mathematischen Differenzierungsoperation als die optische Intensität zurückgewonnen wird.

Ein bevorzugter Mechanismus zur Umsetzung der Grenzwellenlänge des optischen Elementes besteht in einer gesteuerten Erhitzung/Abkühlung des optischen Elementes unter Verwendung des Joule-(oder Peltier-)Effekts, welches einen Temperaturgradienten zur Verfügung stellt. Da die Auflösung prinzipiell durch die Schärfe der Bandkante bestimmt ist, können Änderungen beispielsweise durch Dotieren des Halbleiters, um so die Bandkante zu verbreitern, erreicht werden.

Eine weitere Ausführungsform umfaßt das Erzeugen eines Temperaturgradientens in dem Halbleiter (mit einer temperaturabhängigen Bandlücke) durch Leiten eines elektrischen Stroms durch diesen, das Bereitstellen einer Wärmesenke an einem Ende, dann das Bewegen des einfallenden Lichtes relativ zum Material, um die Temperatur des Filterelementes wirkungsvoll zu ändern. Auf diese Weise wird man anstelle der Verwendung der Temperatur als Funktion der Zeit und der Durchführung der zeitlichen Integration die Temperatur als Funktion der Position erfassen und eine räumliche Differenzierung durchführen. Auf diese Weise würde ein räumlicher Parameter anstelle eines zeitlichen Parameters verwendet, um die Temperatur des Halbleiters zu erfassen.

Obwohl die Temperaturabhängigkeit der Bandlücke hier verwendet wird, um die Erfindung zu verwirklichen, können andere zweckmäßige Abhängigkeiten, beispielsweise vom Druck, von der Strömung, welche auf den gleichen Prinzipien wie sie hier beschrieben und diskutiert werden, beruhen, verwendet werden.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von bevorzugten Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen detaillierter beschrieben.

Es zeigen:

Fig. 1 das typische Verhalten der optischen Absorbtionskonstante für einen beliebigen willkürlichen typischen Halbleiter,

Fig. 1b das Temperaturverhalten der optischen Transmission bei einem willkürlichen typischen Halbleiter,

Fig. 1c die Temperaturabhängigkeit der Bandlückenverschiebung eines beliebigen willkürlichen typischen Halbleiters,

Fig. 2a einen schematisierten funktionellen Betrieb eines erfindungsgemäßen optischen Spektrometers,

Fig. 2b eine integrale Verteilung der optischen Strahlung, welche von transmittierten optischen Intensität herrührt, für eine Verteilung von Grenzwerten.

Fig. 3 zeigt ein teilweises Blockdiagramm von einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,

Fig. 4 zeigt eine Abwandlung der Einrichtung von Fig. 4, welche mehrere Halbleiterfilme verwendet.

Die hier beschriebene Erfindung verwendet die temperaturabhängige Verschiebung der Bandlücke eines Halbleiters als dispersives Element in einem Festkörperspektrometer. Das die hier beschriebene Technik mit sehr hoher spektraler Auflösung verwirklicht werden kann, beruht darauf, daß die Transmissionsfunktion des Lichtes, welches durch einen Halbleiter tritt, eine scharfe Stufe bei der Band-(Lücken)-Kante aufweist. Von der Wirkung her funktioniert das Spektrometer als optisches Bandpaßfilter, dessen Durchlaßenergie durch dessen Temperatur bestimmt ist.

Die Schärfe dieser Filterung hängt von der Tatsache ab, daß viele übliche Halbleiter, insbesondere diejenigen mit einer sogenannten "direkten" Bandlücke einen optischen Absorbtionskoeffizienten (α) aufweisen, der bei Energien, die größer als die Bandlückenenergie sind, schnell ansteigt. Beispielsweise weist in GaAs α eine im wesentlichen exponentielle Abhängigkeit von der Wellenlänge auf - ansteigend von unterhalb von 10 cm^-1 bis zu über 10 000 cm^-1 bei einer Abnahme der Wellenlänge von nur einigen wenigen Prozenten bei Raumtemperatur (20 nm von 900 nm). In Fig. 1a ist das typische Verhalten der optischen Absorbtionskonstante eines willkürlichen bzw. beliebigen Halbleiters dargestellt. Tatsächliche experimentelle Daten können entnommen werden aus Gallium Arsenide, ed. J.S. Blakemore (American Inst. of Physics, N.Y. 1987), Seite 25. Folglich verhält sich die Transmission von Licht durch selbst einen dünnen Halbleiterfilm wie eine Stufenfunktion, wie es in Fig. 1b dargestellt ist. Da die Transmissionsfunktion bereits eine inhärent exponentielle Funktion von α ist, weist dieses Verhalten von der Wirkung her eine doppelt exponentielle Abhängigkeit von der Transmission einer Wellenlänge ab, welches zu einer extrem scharfen Änderung der Transmission nahe der Bandkante führt, welche durch die Materialeigenschaften des Halbleiters "eingebaut" bzw. "built-in" ist.

Es ist gut bekannt, daß Halbleiter eine scharfe Bandlückenkante bei einer speziellen Wellenlänge (λ) aufweisen und daß diese Bandlückenkanten-Wellenlänge (λ_bg) eine gut definierte Funktion der Temperatur ist. Diese Temperaturabhängigkeit beruht vorherrschend auf der thermischen Ausdehnung des Halbleitergitters und zeigt typischerweise eine Verschiebung zu längeren Wellenlängen bei ansteigender Temperatur. Siehe Fig. 1c.

Mit diesen gegebenen Eigenschaften der meisten Halbleiter ist die Konstruktion und Funktion, die zur Ausbildung eines optischen Halbleiter-Festkörperspektrometers benötigt wird, wie folgt:
Vorzugsweise ein dünner Film eines Halbleitermaterials wird an einem transparenten Substrat angeordnet, aufgedampft oder aufgewachsen, welches ebenfalls als Wärmesenke für diesen Film dienen kann, um die Filmtemperatur schnell zu ändern. Das Halbleitermaterial wird so ausgewählt, daß dieses in dem interessierenden Spektralbereich eine Bandlücke aufweist. Die Bandlücke eines Halbleiters (E_g) ist stark materialabhängig und kann durch die geeignet Auswahl des Materials um einen Faktor von nahezu 100 geändert werden. Ferner kann die Bandlücke von Verbindungshalbleitern im wesentlichen über einen großen Energiebereich durch Aufwachsen des Materials mit einer geeigneten Stöchiometrie "abgestimmt" werden. Ungefähre Band-Lückendaten für eine Vielzahl von Materialien bei Raumtemperatur (300°K) sind zusammengefaßt in Tabelle I dargestellt.

Tabelle I

Die Daten in Tabelle I sind aus einer Vielzahl von veröffentlichten Quellen [1-5] zusammengefaßt. Die angegebenen Werte sollten als ungefähre Werte betrachtet werden, da die einzelnen Referenzen um bis zu 10% voneinander abweichen können. Die Energie (eV) wurde in Wellenlängen (µm) umgewandelt, wobei die Formel: Wellenlänge = 1,2398/Energie zugrunde gelegt wurde. Die Daten für 900 K wurden unter Verwendung der in Referenz 5 angegebenen Formeln berechnet.

[1] S. Adachi, J. Applied Physics 58 (3), 1. August 1985, auf den Seiten R1-R29.

[2] CRC Handbook of Chemistry and Physics, 71st edition (CRC Press), 1990-91, Kapitel 12, auf den Seiten 58-63.

[3] S. Rogalski and J. Piotrowsky in Progress in Quantum Electronics (Pergamon Press), Band 12, Nummer 2/3, 1988, Seite 153.

[4] American Institute of Physics Handbook, 3rd edition (Mc Graw-Hill), 1972, Kapitel 9, auf den Seiten 17, 24 und 63.

[5] Heterostructure Lasers: Part B (Materials & Operating Characteristics), eds. H.C. Casey and M.B. Panish (Academic Press 1978), Kapitel 5, Seite 9.

Das Halbleitermaterial muß mit einer Dicke aufgewachsen werden, die ausreichend ist, um alle einfallende Strahlung oberhalb der Bandlücke zu absorbieren. Der Film wird während der Sammlung des transmittierten Spektrums durch einen geeigneten Breitbandphotodetektor, beispielsweise eine CCD oder Photodiode, die hinter dem transparenten Substrat angeordnet ist, in einer gesteuerten Weise erwärmt. Mit anderen Worten bedeutet dies, daß ein thermischer Gradient an das Halbleitermaterial angelegt wird. (Alternativ kann ein Festkörperhalbleiter direkt oberhalb des Photodetektors angeordnet werden) . Dieses temperaturabhängige Transmissionsintensitätsspektrum wird bei einem Wert T₁ der Bandlückensteuerparameter gesammelt. Diese Größe T_r(λ, T₁) stellt das Integral der transmittierten Strahlung in dem Wellenlängenintervall dar, welches durch den Halbleiterfilm bei T₁ durchgelassen wird, wie in Fig. 2a mit dem schraffierten Anteil dargestellt, wobei die Kurve die gesamte einfallende Strahlung darstellt. Wenn der Parameter T über die Werte T_i systematisch inkrementell verändert wird, werden die sich ergebenden Größen T_r(λ, T_i) gesammelt, um die integrale Verteilung von Fig. 2b zu erhalten. Dies bedeutet, daß die Kurve von Fig. 2b die Größe

∫I(λ)T_r(λ,T_i)dλ

darstellt. Daraufhin wird die mathematisch erhaltene Ableitung der Transmissionsintensität ermittelt, welche bei bekannter Temperaturabhängigkeit der Grenzwellenlänge des Halbleiterfilms dem einfallenden differentiellen Strahlungsintensitätsspektrum als Funktion der Temperatur, wie in Fig. 2c dargestellt, äquivalent ist. Die in Fig. 2c erhaltene Verteilung entspricht daher der einfallenden spektralen Verteilung von Fig. 2a. Somit erfaßt dieses Festkörperhalbleiterspektrometer lediglich durch Verwendung der thermischen Eigenschaften des Halbleitermaterials selbst die spektrale Intensität der Strahlung, welche auf das Halbleitermaterial auftrifft.

Die Betriebswerte der Energie (oder der Wellenlänge) des beschriebenen Spektrometers wird durch die Bandlückenenergie des Halbleiters bei seiner Betriebstemperatur festgelegt. In vorteilhafter Weise ist die Bandlücke von Halbleitern (Eg) stark materialabhängig und kann um einen Faktor von nahezu 100 durch eine geeignete Materialauswahl geändert werden. Für das Spektrometer wird für dessen Funktion in einem erwünschten Spektralbereich ein Material mit geeigneter Bandlückenenergie ausgewählt. Bei Raumtemperatur (300°K) können beispielsweise Halbleiter mit Bandlücken in dem Vakuum-Ultraviolett-Spektralbereich (beispielsweise Diamant mit Eg = 5,4 eV oder Si mit Eg = 1,1 eV), im Nahen-Infrarot (beispielsweise GaAs mit Eg = 1,42 eV oder Ge mit Eg = 0,67 eV) und im Infraroten (InSb mit Eg = 0,17 eV) gefunden werden. Zusätzlich kann die Bandlücke von Verbindungshalbleitern, wie beispielsweise Al_xGa_1-xAs und HgCd_1-xTe über einen großen Energiebereich durch Aufwachsen des Materials mit einer geeigneten Stöchiometrie (beispielsweise Eg = 1,55 eV bei Al_0,1Ga_0,9As oder Eg = 1,90 eV bei Al_0,4Ga_0,6As) "abgestimmt" werden. Geeignete Bandlücken für eine Vielzahl von Materialien bei Raumtemperatur sind in Tabelle I zusammengefaßt und zeigen, daß durch Auswahl eines geeigneten Materials Spektren über einen sehr großen Energiebereich von unterhalb 0,15 eV bis oberhalb von ungefähr 5,5 eV (d. h. von unterhalb ungefähr 2500 Å bis ungefähr 8 µm oder größer) aufgezeichnet werden können. Obwohl der Absolutwert der Bandlücke gegenüber der Materialauswahl sehr empfindlich ist, ist die Wirkung der Temperatur auf die Bandlücke für die meisten Materialien beachtlich ähnlich - die Bandlücke zeigt eine mehr oder weniger lineare Abnahme mit ansteigender Temperatur in der Größenordnung von 5 × 10^-4 eV pro °C. Lediglich zur Erläuterung zeigt Tabelle I die für ausgewählte Materialien im Bereich der Raumtemperatur (20°C ≈ 300 K) bis 620°C (900 K) erwarteten Bandlückendaten. Wenn somit GaAs in dem Spektrometer verwendet würde und dessen Temperatur von 300-900 K geändert würde, könnten Spektren im Bereich von ungefähr 0,9-1,1 µm aufgezeichnet werden und so weiter.

Obwohl die Erfindung nicht auf einen beliebigen Spektralbereich beschränkt ist, könnte aus verschiedenen Gründen eine attraktive Anwendung des Festkörperspektrometers im nahen Infrarotbereich von ungefähr 3 bis 12 µm liegen.

Die am höchsten entwickelte qualitativ hochwertige Aufwachstechnologie (Epitaxie durch MBE und MOCVD) wurde bei diesen Filmen von III-V und II-VI Legierungen, beispielsweise GaIn_1-xSb, Ga_xIn_1-xAs, PbSn_1-xTe, Hg_xCd_1-xTe angewandt, deren Bandlücken durch eine geeignete Auswahl von x exakt im nahen IR angeordnet werden können. Da die Ausgangswafer der Wahl (GaAs, PbTe, CdTe) Bandlücken haben, die größer als diejenigen der jeweiligen an diesen aufgewachsenen Filme, können diese als transparentes Substrat für das erwünschte Spektrometer dienen.

Die energetischen Lücken der Halbleiter nehmen typischerweise mit der Temperatur um 0,5 meV/°K ab. Aufgrund dieser Tatsache sollte eine 2 bis 5°K Änderung der Temperatur, welche zu einer Verschiebung von nur einigen wenigen cm^-1 führt, bei ungefähr 5 µm Wellenlänge erreichbar sein - welches mit dem heutigen Stand der Technik bei konventionellen FTIR-Spektrometern vergleichbar ist.

Fig. 3 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung, bei welcher einfallende Strahlung 20 auf einen dünnen widerstandsbeheizten Halbleiterfilm 22 fällt. Dies kann eine strukturierte Form sein, um die erwünschte Heizgleichmäßig- und -artigkeit über den ausgewählten optisch empfindlichen Bereich bereitzustellen. Der Film wird an einem transparenten Substrat 26 abgeschieden, welches so ausgewählt ist, daß es eine Wärmesenke für den Film bereitstellt, um die Temperatur mit minimaler thermischer Antwortzeit zu ändern. Der Film wird so ausgewählt, daß dieser in dem interessierenden Bereich eine Bandlücke aufweist und ausreichend dick ist, beispielsweise 2 bis 3 µm, während er dünn genug ist, um eine annehmbare schnelle thermische Antwortzeit bereitzustellen.

Der Film 22 wird durch die Temperatursteuereinrichtung 24 beheizt, welche wiederum auf einen Thermokoppler-Temperatursensor 25 oder einen äquivalenten Sensor und eine Systemsteuereinrichtung 30 anspricht. Es sei festgehalten, daß eine Vielzahl derartiger Temperatursensoren verwendbar sind. Eine Breitbandphotodiode 28 "sieht" den Film und stellt ein Signal zur Verfügung, welches zur Gesamtintensität der durch den Film und das Substrat durchgelassenen Strahlungsintensität proportional ist. Dieses Signal wird durch elektronische Standardeinrichtungen, wie es für Fachleute auf diesem Gebiet bekannt ist, bearbeitet und der Systemsteuereinrichtung 30 zugeführt. Die Steuereinrichtung 30 umfaßt einen digitalen Prozessor zum Speichern und Bearbeiten der optischen Daten und zur Bereitstellung von Signalen zur Temperatursteuereinrichtung 24, um die Temperatur des Halbleiterfilms 22 zu ändern. Die Steuereinrichtung 30 akkumuliert bzw. sammelt das integrale Spektrum durch die geeignete Änderung der Temperatur und führt dann die Differenzierung durch, um das einfallende optische Spektrum wiederzugewinnen, welches durch eine Einrichtung 32 angezeigt oder in anderer Weise dargestellt werden kann.

Die Erfindung kann anstelle eines Films auch mit einem Halbleiter-Festkörpermaterial durchgeführt werden.

Bei einer alternativen Ausführungsform werden eine Vielzahl von verschiedenen Halbleiterfilmen so angeordnet, daß diese durch einen gemeinsamen Photodetektor 28, wie es in Fig. 4 dargestellt wird, "beobachtet werden", wobei die Bezugszeichen im wesentlichen denjenigen von Fig. 3 entsprechen. Die verschiedenen Halbleiterfilme weisen eine entsprechende Vielfalt von Bandlücken-Verhalten in einem gemeinsamen Temperaturbereich auf, und können derart ausgewählt werden, daß diese verschiedene spektrale Darstellungen ergeben, die so verarbeitet werden können, daß diese einen breiteren Spektralbereich zur Verfügung stellen, als diese mit einem einzigen Halbleiterfilm möglich wäre. Die verschiedenen Signale I_a, I_b, I_c, I_d tragen die Information, die aus der durch den jeweiligen Halbleiterfilm 22 _a, 22 _b, 22 _c, 22 _d, gewonnen werden. Eine zweckmäßige Art der Bereitstellung einer Vielzahl von Bandlücken besteht darin, ein ternäres Material, wie beispielsweise Al_xCa_1-xAs abzuscheiden und den Al-Bruchteil x in jedem Film zu ändern - wobei die Bandlücke eine starke Abhängigkeit von x aufweist.

Die vorliegende Erfindung offenbart somit neben anderem einen optischen Breitbanddetektor, welcher die Gesamtintensität I(λ, α) messen kann, die zumindest einem Teil eines optischen Spektrums darstellt, das durch ein optisches Transmissionselement mit scharfer Bandlücke geführt wird, wobei die Bandlücke durch einen Bandlücken-Steuerparameter T über ein erwünschtes Wellenlängenintervall änderbar ist. Das differentielle Spektrum bzw. Spektrum der einfallenden optischen Strahlung wird durch die Differenzierung von I(λ, α) in Bezug auf den Parameter T gewonnen.

Claims

1. Verfahren zur Erfassung eines Spektrums von einfallender Strahlung umfassend die Schritte des:

(a) Bereitstellens von wenigstens einer Schicht eines Materials, wobei das Material eine Bandlückenenergie aufweist, wobei die Schicht vorzugsweise an einem transparenten Substrat mit einer Dicke abgeschieden oder angebracht wird, die ausreicht, um im wesentlichen alle einfallende Strahlung mit Energie, die oberhalb der Bandlückenenergie liegt, zu absorbieren,
(b) Erhitzen, vorzugsweise gesteuertes Erhitzen, der Schicht, um einen Temperaturgradienten oder eine Temperaturverteilung entlang des Materials zu erzeugen, während einfallende Strahlung durch die, vorzugsweise gesteuert, erhitzte Schicht gerichtet wird,
(c) Messen der Intensität der transmittierten Strahlung als Funktion des Temperaturgradienten oder der Temperaturverteilung in dem Material,
(d) Differenzieren der Intensität in Bezug auf die Temperatur, um die Intensität oder die differenzierte Intensität als Funktion der Wellenlänge zu erhalten.

2. Verfahren zur Erfassung der spektralen Verteilung von Strahlung, die auf eine Schicht von Material auffällt, wobei das Material gekennzeichnet ist durch eine Bandlückenenergie, wobei die Schicht vorzugsweise an einem Substrat abgeschieden oder angebracht ist, wobei das Substrat im wesentlichen für die Strahlung transparent ist und wobei die Schicht eine Dicke hat, die ausreicht, um im wesentlichen lediglich nur einfallende Strahlung mit höheren Energien als die Bandlücke durchzulassen, umfassend:
das Halten der Schicht bei einer Vielzahl von Temperaturen,
das Richten der Strahlung auf die Schicht,
das Messen der Intensität der transmittierten Strahlung für jede aus der Vielzahl von Temperaturen der Schicht,
Feststellen einer entsprechenden Vielzahl von durchgelassenen Intensitäten als funktionales Verhältnis in bezug auf die Vielzahl von Temperaturen,
Analysieren des funktionalen Verhältnis, um im wesentlichen eine mathematische Ableitung des funktionalen Verhältnis der Intensität als Funktion der entsprechenden Temperaturen zu erhalten,
Ermitteln von vorzugsweise einer entsprechenden Vielzahl von Ableitungen oder Ableitungswerten für jede aus der Vielzahl von Temperaturen, wobei eine differentielle Änderung der Gesamtstrahlungsintensität, die durch das Material durchgelassen wird als Funktion der Temperatur direkt mit dem Spektrum in Zusammenhang bringbar ist.

3. Vorrichtung zum Erfassen des Spektrums von einfallender Strahlung umfassend:
einen Film eines Materials oder einen Festkörper eines Materials, wobei das Material eine Bandlücke aufweist und eine derartige Dicke hat, daß im wesentlichen einfallende Strahlung mit Energien oberhalb der Bandlücke absorbiert wird,
wobei das Material insbesondere an einem strahlungsdurchlässigen Wärmesenke-Substrat angeordnet ist, welches mit diesem zusammenwirkt, um eine zweckmäßige thermische Antwortzeit bereitzustellen,
eine Einrichtung zur Erhitzung des Films oder des Festkörpers, um so einen Temperaturgradienten entlang des Films oder des Festkörpers aufrechtzuerhalten,
eine Einrichtung zum Erfassen der Strahlungsintensität bei einer Vielzahl von Temperaturen, die dem thermischen Gradienten entsprechen,
eine Einrichtung zum Messen der durchgelassenen Intensität bei vorzugsweise jeder Temperatur aus der Vielzahl von Temperaturen,
eine Einrichtung zum Sammeln einer Vielzahl von Intensitätsmessungen, die vorzugsweise der Vielzahl von Temperaturmessungen entsprechen,
eine Einrichtung zum Erfassen einer differentiellen Änderung der Intensität, die einer differentiellen Änderung der Temperatur entspricht, um aus dieser einer Ableitungsfunktion zu erhalten.

4. Verfahren zur Erfassung der Verteilung von optischer Strahlung, umfassend die Schritte des

(a) Durchlassens von einfallender Strahlung durch ein optisches Diskriminationselement, wobei Strahlung unterhalb eines Grenzwertes nicht durchgelassen wird,
(b) Erfassen und Aufzeichnen der Gesamtintensität der durchgelassenen Strahlung,
(c) Bewirken einer vorzugsweise gesteuerten Änderung der Grenzwellenlänge in Antwort auf einen Parameter T,
(d) Differenzieren der gesamten Strahlungsleistung als Funktion von T in Bezug auf T, wobei sich ein Spektrum oder differentielles Spektrum ergibt.

5. Vorrichtung zur Erfassung der Verteilung von optischer Strahlung, insbesondere von optischen Spektren umfassend:

(a) eine Einrichtung zum Durchlassen von einfallender Strahlung durch ein optisches Diskriminationselement, wobei Strahlung unterhalb eines Grenzwertes von dem Diskriminationselement im wesentlichen nicht durchgelassen wird,
(b) eine Einrichtung zum Erfassen und Aufzeichnen der Gesamtintensität der durchgelassenen Strahlung,
(c) eine Einrichtung zum Bewirken einer vorzugsweise gesteuerten Änderung der Grenzwellenlänge in Antwort auf einen Parameter T,
(d) eine Einrichtung zum Differenzieren der gesamten Strahlungsleistung als Funktion von T in Bezug auf T, welche ein Spektrum oder differentielles Spektrum ausgibt.