EP3837514A1 - Vorrichtung zur leitung von strahlung, eine photodetektor-anordnung und ein verfahren zur ortsaufgelösten spektralanalyse - Google Patents

Vorrichtung zur leitung von strahlung, eine photodetektor-anordnung und ein verfahren zur ortsaufgelösten spektralanalyse

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Publication number
EP3837514A1
EP3837514A1 EP19762723.5A EP19762723A EP3837514A1 EP 3837514 A1 EP3837514 A1 EP 3837514A1 EP 19762723 A EP19762723 A EP 19762723A EP 3837514 A1 EP3837514 A1 EP 3837514A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
absorption
radiation
absorption element
waveguide
course
Prior art date
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Pending
Application number
EP19762723.5A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Marius Grundmann
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Universitaet Leipzig
Original Assignee
Universitaet Leipzig
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Universitaet Leipzig filed Critical Universitaet Leipzig
Publication of EP3837514A1 publication Critical patent/EP3837514A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/25—Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands
    • G01N21/31—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
    • G01J3/28—Investigating the spectrum
    • G01J3/2803—Investigating the spectrum using photoelectric array detector
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
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    • G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
    • G01J3/02—Details
    • G01J3/0256—Compact construction
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    • G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
    • G01J3/12—Generating the spectrum; Monochromators
    • G01J2003/1213—Filters in general, e.g. dichroic, band
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/25—Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands
    • G01N21/31—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry
    • G01N2021/3125—Measuring the absorption by excited molecules

Definitions

  • the invention relates to a device for guiding radiation, a photodetector arrangement and a method for spatially resolved spectral analysis.
  • spectrometers are known in the prior art for the detection of a spectrum, which usually have a dispersive element and / or an optical beam path.
  • the dispersive element is usually used to sort the incident radiation by wavelength.
  • Grids or prisms are usually used as dispersive elements.
  • the radiation sorted according to wavelength or the radiation components can then be imaged on different locations of a fixed photodetector array, whereby a spectral analysis of the radiation to be examined can be carried out.
  • a photodetector in which the dispersive element can be moved.
  • the movement can be a rotation, for example. This typically requires complex mechanics.
  • a disadvantage of such a device with a dispersive element or optical beam path is that the corresponding devices are often very large and bulky. In particular, if the device is to be installed in a smaller electrical or electronic device, it would be desirable if a space-saving and compact design of the spectrometer were available.
  • An example of a spectrometer that works, for example, with a lens arrangement is disclosed in US 2012/026 8745 A1.
  • a disadvantage of conventional devices which are described in the prior art is that when the radiation to be examined is divided over a number of detectors which have a different spectral sensitivity, a high level of radiation intensity is required for the individual detector Is available, is lost.
  • spectrometers with microfabricated dispersive elements such as gratings or arrayed waveguides
  • the radiation to be examined is lengths sorted on a chip and then detected with different photodetectors.
  • such devices are mostly only suitable for examinations in small wavelength ranges.
  • a miniature spectrometer is disclosed in US Pat. No. 8,282 / 882 B2, in which two cladding layers of a waveguide are connected to one another with a slot, wherein the slot can be filled, for example, with the material from which the upper cladding layer is formed.
  • GB 24701 15 A and EP 2 766 757 B1 disclose spectrometers comprising a waveguide, along the course of which micro-disk resonators are present.
  • a wavelength-dependent resonance condition can be defined on the basis of the dimensioning or material composition of the resonators. Only light with a wavelength that meets the resonance condition will be effectively coupled into a respective resonator and can be read out as a photo signal.
  • the resonators are characterized by narrow resonance conditions, which ensure a high spectral resolution.
  • such approaches are not suitable or structurally complex for applications for spectral detection over larger ranges, for example of 300 nm or more.
  • the device should do without a bulky dispersive element and without an optical beam path in order to be able to provide a compact spectrometer device that can also be installed, for example, in mobile devices, such as smartphones or tablets. It would be desirable if a particularly compact device could be provided which nevertheless covers a comparable spectral range and spectral resolution as the conventional devices.
  • the spectral analysis should not depend on thermal and / or statistical effects, but rather on the selection and design of the material and the structure of the device or of the individual components of the device.
  • the device and the method should make it possible to measure a large wavelength range Description of the invention:
  • a device for guiding radiation which comprises an absorption element.
  • the device is characterized in that the absorption element has a chemical composition that varies along its course.
  • the device for guiding radiation is preferably characterized in that there is a continuous material gradient along the course of the absorption element in order to vary the energetic position of an absorption edge continuously along the course of the absorption element.
  • the device is referred to as a waveguide and / or functions.
  • the device is therefore used to conduct radiation that is coupled into or is present in the waveguide.
  • the absorption element can preferably also be referred to as an absorber.
  • the proposed device can be used as a spectrometer. It is further preferred to use the proposed device as a wavemeter. It is very particularly preferred in the sense of the invention that the proposed device is set up to be used for spatially resolved spectral analysis, so that the device in the sense of the invention can preferably also be referred to as a device for spatially resolved spectral analysis.
  • an absorption element is preferably a component for the absorption of electromagnetic radiation, it being possible to generate a photo signal on the basis of the absorption.
  • the term absorption element is preferably understood to mean absorption elements made of photoconductive materials, ie materials which become more electrically conductive when absorbed by electromagnetic radiation. If, for example, electromagnetic radiation is absorbed by a semiconductor whose band gap is smaller than the photon energy of the electromagnetic radiation, the number of free electrons and electron holes increases, so that the electrical conductivity increases. Is an absorption element, for example by means of two contacts electrical voltage is applied, the wavelength-dependent absorption of the electromagnetic radiation, if any, can be directly recorded as an increase in a photosignal or a photocurrent. Photo signals therefore preferably mean electrical signals which can be detected when an electromagnetic radiation is absorbed by the absorption element. The photo signals are preferably photo currents.
  • the feature that the absorption element has a varying chemical composition can be described as a material gradient along the absorption element.
  • the invention represents a departure from the prior art in that the experts have always tried to provide particularly homogeneous alloy systems in order to achieve the usually desired homogeneous material properties.
  • the use of a continuously changing composition gradient in a semiconductor alloy turns away from the known heterostructures, in which, for example, two different concentrations are used within a component in order to implement different functions of the component. This happens, for example, in so-called quantum pots, in which the "barrier" and the "pot are realized by different concentrations.
  • the present invention turns away precisely from such components with two different material and / or element concentrations, in which in particular a continuously, for example linearly or essentially linearly changing material gradient within the absorption element is proposed.
  • the material gradient within the absorption element it is advantageously possible to assign the absorption of different wavelengths to a specific location along the absorption element or the waveguide.
  • the radiation to be examined and coupled into the waveguide can be analyzed particularly spatially-resolved, particularly precisely spectrally.
  • the provision of the particularly precise spectral analysis is achieved in the context of the present invention by the provision of the material gradient in the absorption element, which advantageously influences the absorption behavior of the absorption element, so that a local assignment of wavelength and detection location is made possible.
  • This assignment option allows the proposed device can be dispensed with a dispersive element, with experts having previously assumed that a dispersive element is required in devices of the type mentioned. In this respect, the invention also turns in this point away from the development described in the prior art.
  • a use of the waveguide for carrying out a spatially resolved spectral analysis or a use of the waveguide in a photodetector arrangement is also preferably disclosed.
  • N-photodetectors along the course of the absorption element, all of which are set up to detect the varying absorption of the radiation. Since the wavelength dependence of the absorption of the radiation varies along the course, the spectrum can be determined by a spatially resolved measurement of photocurrents I to IN.
  • the energetic position of the absorption edge can be varied by means of a continuous material gradient along the course of the absorption element.
  • the term “absorption edge” preferably denotes a preferably sharp, ie abrupt transition between different absorption states or strengths. For example, this can mean a region in a preferably electromagnetic spectrum in which there is an abrupt difference between a region of strong absorption and a region of weak absorption.
  • the absorption edge of a material preferably corresponds to a spectral range in which the absorption coefficient a increases from low values in the transparency range, typically less than 1 to 10 cm 1, to large values, typically 10 4 to 10 5 cm -1 .
  • the transparency region preferably denotes a spectral region for photon energies smaller than the absorption edge, while an absorption region denotes a spectral region for photon energies larger than the absorption edge.
  • the term absorption coefficient is to be understood in the usual sense. As is known, the absorption of light can be described by an absorption coefficient a, which describes the weakening of the light intensity when passing through an absorbing medium in accordance with the Lambert-Beer absorption law. This means that the intensity after the passage of the material of thickness d is reduced by the factor exp (-ad). The unit of a is therefore 1 / length; a is typically given in cm -1 .
  • the energetic position of the absorption edge is also referred to as the spectral position and preferably means the photon energy at which the abrupt transition between different absorption states or strengths takes place.
  • the spectral position preferably means the start and end points of an absorption edge (for example 3.25 eV and 3.5 eV), the spectral position also being characterized by an average of the start and end points or the point of the steepest rise can.
  • the width of an absorption edge is relatively small, typically in the range of 30 meV photon energy or the corresponding wavelength range.
  • the absorption of light is possible without the participation of lattice vibrations, which preferably leads to a steep absorption edge.
  • semiconductors with an indirect band structure the absorption increases more slowly, but is limited due to the material.
  • Mixture semiconductors of this type are used in many semiconductor heterostructures, that is to say structures in which a plurality of semiconductor layers are stacked on one another. Examples are light emitting diodes, semiconductor lasers, transistors (HEMT) or multi-junction solar cells.
  • a compound semiconductor or a semiconductor alloy it is possible to specify the spectral position of the absorption edge depending on the material.
  • the variation from a higher-energy absorption edge (for example at approximately 3.8 eV) in a front region to a low-energy absorption edge (for example at approximately 3.3 eV, cf. FIG. 3) is preferred.
  • the spectral position of the absorption edge preferably varies with the local chemical concentration of the components of a semiconductor mixture.
  • the absolute spectral position of the absorption edge along the course of the absorption element can thus advantageously be determined by a suitable choice of the initial and end values of the concentration gradient and its functional shape (linear or non-linear, e.g. square).
  • a major advantage of the construction according to the invention is therefore that the spectral position (and possibly width) of the absorption edge) can be determined by the choice of a material gradient in order to enable a location-dependent spectral analysis.
  • the absorption edge lies in the infrared (IR), visible range (VIS) or in the ultraviolet range (UV).
  • the spectral position of the absorption edge follows the course of the band gap E g as a function of chemical variation. If x indicates the chemical variation, E g (x) is, for example, the course of the band gap as a function of the chemical variation. If the chemical concentration varies along the course of the absorption element from Xi to X2, the spectral position of the absorption edge can therefore preferably vary essentially from E g (xi) to Eg (x 2 ).
  • a continuous material gradient in the absorption element therefore allows the provision of a spectrometer with a large detection range, for example of 300 meV, 400 meV, 500meV or more, for which purpose the spectral position of the absorption edge by varying the chemical concentration over a range of 300 meV, 400 meV, 500meV or more is varied.
  • the absorption element has a higher energy position of the absorption edge in a front area than in a rear area.
  • the front area preferably designates that area which faces the radiation entrance, that is to say the coupling area for the radiation to be examined, the rear area facing the exit side.
  • Higher energy means that the spectral position of the absorption edge is at a higher energy than in the rear area (for example at 4 eV instead of 3.2 eV, see FIG. 3), so that initially only higher-energy or high-frequency radiation is absorbed in the front area. namely that portion of the radiation whose photon energy is above the absorption edge.
  • Such a configuration preferably ensures that during propagation of the radiation by the device, the radiation increasingly loses high-energy components and the spectrum of the radiation shifts to lower energies.
  • the absorption element comprises a material which is a binary, ternary or quaternary semiconductor alloy.
  • the absorption element of the material can in particular comprise a binary, ternary or quaternary semiconductor alloy material.
  • the absorption element comprises a material which is at least partially formed by a semiconductor alloy, the alloy preferably consisting of two, three or four alloy partners.
  • An example of a ternary alloy is (Mg, Zn) 0, ie an alloy of magnesium, zinc and oxygen.
  • the absorption element can preferably comprise (Mg, Zn) 0 or the material of the absorption element can be formed by (Mg, Zn) 0.
  • the use of a (Mg.Zn) O alloy is particularly advantageous when radiation in the near UV range is to be examined. It is particularly preferred in the sense of the invention that the wavelength range to be examined is determined by the suitable choice of the materials of the absorption elements.
  • the material for the absorption element can also be selected from a group comprising (Ge, Si), (Ge, Si) C, (In, Ga) As, (Al, Ga) As, (Al, Ga, In) (As, P), (ln, Ga) N, (AI, Ga) N, (AI, ln, Ga) N, (Cd, Zn) 0 and / or Zn (0, S), the different materials preferably being examined differently Enable spectral ranges.
  • the material for the absorption element can also be selected from a group comprising (AI, Ga, ln) As, (ln, Ga) (As, P), (AI, Ga, ln) N, (Mg, Zn, Cd ) 0 and / or (AI, Ga, ln) 2 0 3 .
  • the absorption element can also be composed of more than one alloy material.
  • a front region of a waveguide can comprise a (Mg.Zn) O material and a rear region of the waveguide can comprise a (Zn, Cd) 0 material.
  • the transition between the different materials can, for example, be designed to be fluid.
  • the absorption element can have several material gradients.
  • such a structure is preferably referred to as a layer structure with a plurality of gradient layers.
  • the absorption element comprises alloy semiconductors in which a change in the chemical composition is accompanied by a change in the band gap and / or the absorption edge. Tests have shown that this requirement, in particular, by the preferred materials proposed in the context of the present invention are met.
  • the material for the absorption elements can alternatively be selected from a group comprising (Mg, Zn) 0, (In, Ga) 2 0 3 , (Si.Ge), (Si, Ge) C, (Al, Ga) 2 0 3 , (ln, Ga) As, (AI, Ga) As, (ln, Ga) N, (AI, Ga) N, (Cd, Zn) 0, Zn (0, S),
  • the absorption element comprises a semiconductor alloy made of direct semiconductors, particularly preferably selected from the group Mg, Zn) 0, (ln, Ga) 2 0 3 , (AI, Ga) 2 0 3 , (ln, Ga) As, (AI, Ga) As, (ln, Ga) N, (AI, Ga) N, (Cd, Zn) 0, Zn (0, S), (AI, Ga, ln) As, (AI, ln, Ga ) P, (AI, ln, Ga) (As, P), (AI, Ga, ln) N,
  • a semiconductor alloy comprising AI and Ga preferably, depending on the proportions of AI and Ga, is a direct or indirect semiconductor can be corresponding to a direct or indirect band gap.
  • the spectral sensitivity range of the waveguide depends on the semiconductor material used and its design, in particular the absorption element and the absorption edge.
  • the invention enables the sensitivity range of the waveguide or the spectrometer to be adjusted by a suitable choice of material.
  • the absorption behavior of the absorption element can thus advantageously be set by a suitable selection of the semiconductor material.
  • the absorption behavior of the absorption element can also be adjusted by the design of the material gradient within the absorber.
  • the term “varying chemical composition” preferably means that the absorption element is composed differently along its course.
  • the material from which the absorption element is formed have a larger band gap in a front area, which can also be used, for example, as a coupling area for the radiation to be examined, than in the rear area.
  • the material can have a larger proportion of magnesium in the coupling region, this proportion of magnesium decreasing in the direction of the coupling region in the course of the absorption element, as a result of which, for example, the proportion of zinc can increase.
  • the composition of the (Mg, Zn) 0 alloy system can be described by the specification Mg x Zni -x O, so that more magnesium results in less zinc.
  • the material gradient is formed by varying the proportions of the alloy partners of a semiconductor alloy along the course of the absorption element.
  • the absorption element comprises a semiconductor alloy of the general form A x Bi-x, where A and B each identify alloy partners and x is the proportion of A in the semi-alloy which is varied along the course of the absorption element.
  • the absorption elements comprise other binary, ternary or quaternary alloys, the concentrations or proportions of the individual alloy partners being coupled to one another via an index x.
  • the index x for alloy A x Bi -x can preferably run from 0 to 1 or assume a value between 0 and 1. Intermediate values such as 0 to 0.9, 0.8, 0.7, 0.6, 0.5, 0.4, 0.3, 0.2 or 0.1 can also be preferred: it can also be preferred to let his x run between 0.1, 0.2, 0.3, 0.4, 0.5, 0.6, 0.7, 0.8 or 0.9 to 1.0.
  • a x Bi-x is applicable to binary, ternary or quaternary alloys.
  • alloy partners A and B can also identify a semiconductor mixture, or else the absorption element comprises a semiconductor alloy with three or more alloy partners, only the proportions of two alloy partners being varied.
  • Mg x Zni -x O the presence of a chemical material gradient within the absorption element can preferably be expressed in such a way that the index x assumes a value between 0.3 and 0.0, varying from a front area to a rear area.
  • the material gradient runs essentially linearly, the formulation “essentially” being not unclear to the person skilled in the art, since the person skilled in the art knows in what accuracy range the concentrations in an alloy system can be set.
  • non-linear, for example quadratic, profiles of the material gradient can also be preferred for individual applications.
  • these can be represented in the following form:
  • Xi preferably represent coefficients, which are preferably constant.
  • a linear course can also be, for example, as
  • the course of the material gradient is performed by a function
  • x xo + xrd + X 2 -d 2 + X3-d 3 ... is described, the Xi preferably representing coefficients which are preferably constant. Any non-linear functions can be set using such a Taylor series.
  • the material gradient is varied monotonically increasing or decreasing along the course of the absorption element, the material gradient preferably having a linear or quadratic dependence on the position along the course of the absorption element.
  • absorption of radiation components of the radiation to be examined and coupled into the waveguide by the absorption element depends on the material, the chemical composition of the absorption element, the design, the arrangement of the device or the components of the Device and depending on the properties of the radiation.
  • the absorption element is preferably set up to absorb the radiation along the course of the device to different extents depending on at least one property of the radiation.
  • the properties of the radiation can preferably be the frequency f or the wavelength l of the radiation.
  • charge carriers are released in the absorption element by the absorption of the radiation. Depending on the amount, energy and / or intensity of the absorbed radiation, different numbers of charge carriers are released, the charge carriers in particular also being able to have different particle energies. These particle energies are preferably specified in the unit electron volts (eV).
  • the material of the absorption element preferably has a sharp absorption edge at each point. It is preferred in the sense of the invention that the absorption edge varies continuously along the waveguide in its energetic length.
  • the material of the absorption element preferably has a large band gap in the front region, for example in the region of the coupling region of the waveguide, as a result of which the radiation with the greatest photon energy is preferably absorbed in this region.
  • the spectrum of the radiation changes, whereby it increasingly loses its high-frequency components in the course of the waveguide, as a result of which the spectrum preferably shifts to lower photon energies.
  • the absorption of a certain photon energy preferably begins at the location within the waveguide at which the photon energy corresponds to the size of the band gap of the material of the absorption element.
  • a photodetector or several photodetectors could be arranged at this location in order to detect the start of the absorption.
  • the invention in contrast to the prior art, does not essentially influence the absorption edge of the absorption element through thermal and / or statistical effects, but is determined by the material composition or the design of the material gradient. In the sense of the invention, it is particularly preferred that the performance parameters of the invention do not depend on the thermal and / or statistical effects, but rather on the design of the material from which the absorption element is formed or on the design of the material gradient within the absorption element.
  • the different spectral components of the incident radiation in the waveguide are sorted by location and then detected with the photodetector array. This local assignment takes place in particular in the absorption element, which has a material gradient. This enables an immovable and very compact design to be provided.
  • essentially all of the radiation in the relevant spectral range is preferably converted into a photo signal, so that the proposed device is particularly efficient in comparison with conventional devices.
  • the radiation to be examined is coupled into the waveguide or the absorption element.
  • the radiation can be coupled into the waveguide, for example, by adapting an optical fiber or by focusing.
  • the radiation to be examined is preferably radiation in the infrared (IR), visible and / or ultraviolet (UV) spectral or wavelength range.
  • the radiation to be examined can be, for example, IR, UV radiation, visible light or laser radiation, the radiation preferably being essentially non-monochromatic.
  • An arbitrary wavelength distribution can preferably also be present, with one peak or several peaks, for example, being preferred.
  • the radiation to be examined is electromagnetic radiation.
  • the material gradient within the absorption element or along its course changes the absorption behavior of the absorption element with the change in the composition of the material.
  • the change in the chemical composition of the absorber leads to a change in the absorption edge of the absorption element.
  • This advantageously also changes the spectrum during the propagation of the radiation through the waveguide or along the absorption element.
  • the absorption element is designed such that short-wave radiation components are absorbed in a front area of the waveguide or of the absorption element.
  • the front region of the waveguide is preferably in spatial proximity to the coupling region of the waveguide.
  • short-wave radiation can preferably be understood as radiation with a comparatively short wavelength, with a short wavelength l relating to the relation
  • the absorption element is designed in such a way that long-wave radiation is absorbed in a rear region of the absorption element, the chemical composition of the absorption element and its absorption behavior preferably changing continuously and continuously and not abruptly or abruptly. It is preferred in the sense of the invention that non-absorbed radiation can be coupled out of the waveguide in a rear region of the waveguide.
  • photodetectors which can be arranged on and / or around the waveguide, form a photodetector arrangement, the photodetectors or the photodetector arrangement being set up, the released charge carriers, their number and / or to register their energies along the waveguide and / or the absorption element.
  • the invention thus relates to a photodetector arrangement comprising a proposed device, a number of N photodetectors being arranged along the device, the entirety of which are set up to provide a variable absorption of the radiation by the absorption element along the course of the device to detect.
  • the photodetector arrangement can also be referred to as a spectrometer.
  • a radiation that is guided through the arrangement can preferably be detected or investigated with the photodetector arrangement or the photodetectors. This advantageously creates a possibility for spatially resolved spectral analysis for radiation that is coupled into a waveguide.
  • the photodetector arrangement can preferably also be used as a spectrometer, it being a particular merit of the invention that the arrangement surprisingly enables a particularly compact spectrometer to be provided, since it does not require a dispersive element and no beam path.
  • the number of N photodetectors in a range from 50 to 10,000, preferably in a range from 100 to 3,000 and particularly preferably in a range from about 200 to 1,000. Tests have shows that devices with 200 to 1,000 photodetectors in particular have a particularly good ratio between the size of the device and the covered wavelength range.
  • the number of detectors depends on the speed with which the spectrum of the radiation is to be examined. It is further preferred that the number of detectors depends on the number of spectral channels that are to be detected. The number of detectors preferably correlates with the length of the waveguide. In other words, the number and size of the detectors determine its length.
  • photodetectors can be arranged at regular intervals along the waveguide and / or the absorption element, which are set up to register the charge carriers. Due to the regular arrangement of the photodetectors, the radiation to be examined can be examined in a spatially resolved manner with regard to the contained wavelength components. It is an essential advantage of the present invention that essentially all photons that are coupled into the waveguide are absorbed by the design of the proposed waveguide and can therefore contribute to spectral analysis or can be evaluated for this purpose. By including essentially all photons of the coupled radiation in the spectral analysis, a particularly efficient component can be made available. This is achieved in particular in that essentially all of the radiation is converted into a photoresponse.
  • An important advantage of the present invention is that in the context of the present invention the radiation does not have to be divided in order to be examined, but rather that an examination of the incident light in a waveguide is made possible, with essentially all of the injected during the examination Participate photons.
  • the photodetector arrangement or the spectrometer comprises a data processing device which is set up for this to determine the spectrum of the radiation on the basis of the photocurrents measured at the photodetectors.
  • the data processing device is preferably a unit which is suitable and configured for receiving, transmitting, storing and / or processing data, preferably photocurrents or other measurement data.
  • the data processing unit preferably comprises an integrated circuit, a processor, a processor chip, microprocessor and / or microcontroller for processing data, and also a data memory, for example a hard disk, a random access memory (RAM), a read-only memory (ROM) or else a flash memory for storing the data.
  • software, firmware or a computer program can preferably be stored on the data processing device, which includes commands to carry out the steps disclosed in connection with the method.
  • the data processing device can, for example, be both a microprocessor, which can be installed compactly in a housing with the photodetector arrangement or the spectrometer.
  • a personal computer, a laptop, a tablet or the like is also conceivable, which, in addition to means for receiving, transmitting, storing and / or processing data, also includes displaying the data and an input means, such as a keyboard, a mouse, etc. Touchscreen etc.
  • the data processing device can preferably be set up to carry out deconvolution methods and / or deconvolution method steps in order to carry out a spatially resolved spectral analysis of radiation coupled into the waveguide on the basis of the measured photocurrents.
  • calibration data can be stored on the data processing device, which correspond, for example, to the location-dependent photocurrents as a response of the photodetector array to incident monochromatic radiation of different wavelengths.
  • the proposed waveguide also enables time-resolved spectral analysis of the radiation to be examined and coupled into the waveguide. Tests have shown that, surprisingly, a particularly high time resolution can be achieved for time-dependent signals, the time resolution preferably being able to go into the picosecond range.
  • a number of proposed waveguides are to be arranged essentially parallel to one another, as a result of which an array of waveguides is formed which can preferably be used as a hyperspectral imaging detector.
  • Linear or one-dimensional distributions of spectra can advantageously be measured with such a detector.
  • one-dimensional distributions are preferably also referred to as 1-D distributions. Due to the parallel arrangement of proposed waveguides, measurements with spatial and spectral resolution can be carried out in particular. It was particularly surprising for the specialist world that the present invention provides a monolithic, waveguide-based approach for a photodetector arrangement, with which measurements with spatial and spectral resolution can be carried out.
  • two-dimensional arrays are preferably referred to as 2D or pictorial arrays.
  • the invention makes it possible to measure 1-D or 2D distributions of spectral features, such as, for example, wavelength of the spectral maximum, width of the spectrum, and lines or images in specific wavelength ranges. This information can also be determined with a high time resolution, which is determined in particular by the speed and / or bandwidth of the photodetectors.
  • photodetectors in close proximity to the proposed waveguide to form a photodetector arrangement preferably enables the locally absorbed radiation to be converted into a so-called photoresponse, the photoresponse being able to be formed, for example, by a photocurrent.
  • a photocurrent is a current which flows due to the irradiation of the absorption element.
  • the photocurrent is preferably formed by the released charge carriers.
  • the spectrum of the radiation to be examined can be at least approximately reconstructed from the lateral distribution of the photoresponse along the waveguide and / or the absorption element.
  • the photodetector arrangement comprising a proposed waveguide is used as a spectrometer for the analysis of any incident spectrum.
  • the device can preferably also be used as a wave meter, a wave meter preferably representing a device which is set up to determine and / or detect a wavelength and / or photon energy of a radiation.
  • a particular advantage of the invention is that the measurement of the wavelength of the incident radiation is made possible in a particularly large wavelength range.
  • the particularly large wave range is particularly surprising in comparison to the preferred small size of the present invention, which is made possible by the fact that a dispersive element or an optical beam path can be dispensed with in the context of the present invention.
  • the photodetectors can be selected from a group comprising Schottky diodes, MSM diodes, pn diodes and / or photoconductors, without being limited thereto. Due to the high flexibility in the selection of the photodetectors, the invention can be adapted particularly easily to different application requirements and is therefore versatile in use.
  • An exemplary embodiment of the photodetector arrangement is shown in FIG. 2.
  • Another advantage associated with the proposed waveguide device and the proposed photodetector arrangement is that a particularly small spectrometer device can be provided which, surprisingly, can even be installed in mobile electronic devices, such as smartphones, tablets or mobile telephones can.
  • the advantage of providing an ultra-compact spectrometer device is achieved in particular in that the proposed device manages without an optical beam path and without a dispersive optical element.
  • the proposed waveguide device and the proposed photodetector arrangement comprise no dispersive element and no optical beam path.
  • a dispersive element can be, for example, a diffraction grating or a prism.
  • the person skilled in the art knows which other optical elements can be referred to as “dispersive elements”. Since the provision of a dispersive element can be dispensed with in the context of the present invention, it becomes possible to provide a particularly compact and space-saving spectrometer device which, despite the compact design, is surprisingly set up to spectrally emit radiation over a very large wavelength range analyze.
  • the absorption element is produced using methods of laser beam evaporation (pulsed laser deposition, PLD).
  • PLD pulse laser deposition
  • a material gradient within the absorption element can advantageously be set particularly precisely by varying the composition within the absorption element along the waveguide.
  • concentration of the individual constituents of the alloy that forms the absorption element has a gradient.
  • the material gradient in the absorption element is produced using methods of ion implantation. Tests have shown that particularly strong material gradients can be produced by the ion implantation method, as a result of which the length of the proposed waveguide can be reduced to a sub-millimeter range. In addition, various manufacturing processes are conceivable, as long as this enables the creation of a material gradient.
  • the absorption element is preferably designed as a thin layer (thin-layer technology) and is present on a substrate which can be formed, for example, by a silicon wafer. It may also be preferred for some applications that the substrate comprises sapphire, silicon, germanium, SiC, G 2 O 3 , SrTi0 3 , GaAs, InP, GaP or glasses.
  • the device or the waveguide of the device and the absorption layer with a lateral material gradient using methods of molecular beam epitaxy (Molecular Beam Epitaxy, MBE) or chemical vapor deposition (CVD) or cathode sputtering (sputtering) or pulsed laser deposition ( PLD).
  • MBE molecular beam epitaxy
  • CVD chemical vapor deposition
  • sputtering cathode sputtering
  • PLD pulsed laser deposition
  • various manufacturing methods are conceivable as long as it enables the generation of a lateral material gradient.
  • a continuous lateral material gradient (gradient of the chemical composition along the waveguide or the absorption element) is preferably produced in a layer deposition process by means of the suitable continuous control of the provision of various chemical elements and the control of the location of their deposition. This can be done, for example, in the case of pulsed laser deposition by regulating the local position of the laser focus on the ablation target if the target is suitably structured in a radially segmented manner and the rotation of the substrate synchronized thereto.
  • Such methods can be used in particular to produce waveguides with lengths in the range of 1 cm, preferably less than 1 mm, wherein waveguides with such small dimensions can advantageously be installed in mobile devices, such as smartphones or tablets.
  • the absorption element can in particular have a length in a range from 50 pm to 20 mm, preferably in a range from 100 pm to 10 mm.
  • the waveguide can also have a length in this preferred length range.
  • the length of the waveguide depends on the absorption capacity of the materials and in particular on the thickness of the absorption layer within the waveguide. For example, when using (Si.Ge) as the semiconductor material, a length of the waveguide of a few millimeters may be preferred. It is very particularly preferred in the sense of the invention that the waveguide is made so long that a large number of photodetectors can be arranged along the waveguide, so that a particularly good spectral resolution is advantageously achieved. In the sense of the invention, it is particularly preferred that the number of photodetectors can be adapted to the region to be recorded spectrally.
  • the absorption elements have an elongated shape, the cross-sectional dimension of which is small compared to the length, which corresponds to the course.
  • the ratio of cross-sectional dimension to length is preferably referred to as the aspect ratio.
  • the aspect ratio of the absorption element can preferably be, for example, 2, 3, 4, 5, 10, 20 or more. It is preferred in the sense of the invention that the absorption element is arranged on a substrate.
  • the substrate is advantageously designed to give the device stability and mechanical strength, so that the device can be used flexibly for various applications.
  • the substrate in particular enables the device or the proposed spectrometer arrangement to be installed in a mobile communication device, such as a smartphone or another mobile device.
  • a cladding layer can preferably be arranged between the substrate and the absorption element.
  • the waveguide comprises in particular an absorber.
  • the waveguide comprises both an absorber and a cladding layer, it being particularly preferred that the cladding layer is made significantly thicker than the absorption element of the waveguide.
  • the substrate serves as a cladding layer. This can be preferred in particular if the refractive index of the substrate is smaller than the refractive index of the absorber.
  • a sufficiently thick layer with a thickness of preferably more than one wavelength of the radiation to be detected with a lower refractive index than the absorber is present between the absorption element and the substrate, which layer can serve as a cladding layer in the sense of the invention.
  • the provision of the cladding layer can therefore prevent radiation from being lost for the examination of the absorption.
  • the cladding layer or the material from which the cladding layer is formed is transparent to the radiation coupled into the waveguide. It is further preferred in the sense of the invention that a refractive index of the cladding layer is considerably larger than the refractive index of the substrate. In the sense of the invention, it can also be preferred that a refractive index of the absorption element is considerably larger than a refractive index of the substrate in order to enable the radiation to be conducted within the waveguide. For the purposes of the invention, it is preferred that the refractive indices differ sufficiently from one another. The difference in the refractive indices should preferably be in a range from 0.05 to 0.1.
  • the invention relates to a method for spatially resolved spectral analysis for radiation, the method comprising the following steps: a) providing a waveguide, the waveguide comprising an absorption element and the absorption element having a varying chemical composition,
  • the method can include further method steps for evaluating the information resulting from the released charge carriers.
  • the proposed method can include deployment or deconvolution methods and / or deconvolution method steps.
  • these deconvolution processes can preferably also be referred to as deconvolution processes.
  • Such methods can preferably be used as a preferably numerical method step in the evaluation of the measurement results in the context of a method for spatially resolved spectral analysis of radiation coupled into a waveguide.
  • it is preferred that the photoresponse from which the power spectrum of the radiation is reconstructed is manifested by the photo signals of the various photodetectors.
  • calibration steps serve to determine the response of the photodetector array to incident monochromatic radiation of different wavelengths.
  • the method can preferably be carried out with a proposed waveguide according to the present invention. However, it can also be preferred to use other waveguides.
  • the feature according to which the absorption element has a varying chemical composition can preferably also be described in the sense of the invention in that the absorption element has a material gradient.
  • the absorption element is characterized by a material gradient in order to vary the energetic position of an absorption edge along the course of the absorption element in order to enable spatially resolved spectral analysis.
  • high-energy radiation components are absorbed in a front region of the waveguide and low-energy radiation components in a rear region of the waveguide, the absorption preferably running fluently. Due to the locally changing absorption of the radiation, a relationship can be established between the location at which the absorption takes place and the photon energy of the corresponding radiation. As described above, there is preferably a relationship between the energy of the absorbed radiation and the band gap of the material at the absorption site.
  • the energy of the absorbed radiation preferably influences the amount and / or number of the released charge carriers, so that the fraction of a certain photon energy in the radiation can be inferred from the determined photocurrent, which is preferably generated by the released charge carriers.
  • FIG. 1 shows a schematic cross section through a preferred embodiment of the invention
  • Figure 2 shows a schematic plan view of a preferred embodiment of the invention
  • FIG. 3 illustration of an exemplary variation of the spectral position of an absorption edge by means of a variation of the proportions of the alloy partners of a semiconductor alloy along the course of the absorption element
  • FIG. 1 shows a schematic cross section through a preferred embodiment of the invention (10).
  • FIG. 1 shows a waveguide (10), the exemplary embodiment of the invention (10) shown in FIG. 1 comprising a substrate (14), a cladding layer (16) and an absorption element (12).
  • the cladding layer (16) can preferably also be referred to as “cladding”.
  • FIG. 2 shows a schematic top view of a preferred embodiment of a photodetector arrangement (18).
  • the photodetector arrangement (18) comprises a waveguide (10) and a row of photodectors (20) which are arranged on both sides along the waveguide (10).
  • the photodetectors (20) are connected to one another so that, in their entirety, they form a photodetector arrangement (18).
  • Two photodetectors (20) are preferably arranged opposite one another, a first photodetector (20) of such a pair of photodetectors being arranged on the right side of the waveguide (10) and a second photodetector (20) of such a photodetector. Couple can be arranged on the left side of the waveguide (10).
  • a contact of a first photodetector (20) is arranged on one side of the waveguide (10) and the other contact on the other side of the waveguide (10). It can further be preferred in the sense of the invention that the photodetectors (20) are attached to the same side of the waveguide (10) with both contacts.
  • the absorption element (12) has a material gradient.
  • the presence of a material gradient means that the chemical composition of the absorption element (12) varies with the course of the absorption element (12), so that the absorption element (12) has a different composition at different points. has composition.
  • the absorption element (12) preferably comprises a semiconductor alloy with two, three or four alloy partners, the material gradient preferably expressing itself in the fact that at different locations of the absorption element (12) the individual alloy partners have varying components in the overall composition of the semiconductor alloy.
  • the arrow in FIG. 2 symbolizes, by way of example, the incident radiation to be analyzed or its path and / or direction.
  • the three points in FIG. 2 should preferably symbolize that the arrangement of photodetectors (20) also continues in this area of the waveguide (10); for reasons of clarity, however, the corresponding photodetectors (20) at the two affected locations above and below the waveguide (10) are not shown in FIG. 2.
  • FIG. 3 illustrates, by way of example, a variation in the spectral position of an absorption edge by means of a variation in the proportions of the alloy partners of a semiconductor alloy along the course of the absorption element.
  • an essentially continuous material gradient from a front area to a rear area is preferably realized, in which x is varied continuously from 0.0 to 0.29, for example.
  • x is varied continuously from 0.0 to 0.29, for example.
  • photons with an energy of approx. 4 eV are absorbed in the front area
  • photons with an energy of approx. 3.3 eV are absorbed in the rear area.
  • the arrangement of photodetectors can be used to detect the varying absorption of the radiation on the basis of the photocurrent signal and to carry out a spatially resolved spectral analysis.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Leitung von Strahlung, eine Photodetektor-Anordnung und ein Verfahren zur ortsaufgelösten Spektralanalyse für Strahlung.

Description

VORRICHTUNG ZUR LEITUNG VON STRAHLUNG,
EINE PHOTODETEKTOR-ANORDNUNG UND EIN VERFAHREN ZUR ORTSAUFGELÖSTEN SPEKTRALANALYSE
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Leitung von Strahlung, eine Photodetek- tor-Anordnung und ein Verfahren zur ortsaufgelösten Spektralanalyse.
Stand der Technik:
Im Stand der Technik sind zur Detektion eines Spektrums konventionelle Spektrometer bekannt, die üblicherweise über ein dispersives Element und/oder einen optischen Strahlengang verfügen. Das dispersive Element wird üblicherweise dazu verwendet, die einfallende Strahlung nach Wellenlängen zu sortieren. Als dispersive Elemente werden üblicherweise Gitter oder Prismen eingesetzt. Die nach Wellenlänge sortierte Strahlung beziehungsweise die Strahlungsbestandteile können dann auf verschiedene Orte eines feststehenden Photodetektor-Arrays abgebildet werden, wodurch eine Spektralanalyse der zu untersuchenden Strahlung erfolgen kann. Alternativ kann mit einem Photodetektor gearbeitet werden, bei dem das dispersive Element bewegt werden kann. Die Bewegung kann beispielsweise eine Drehung sein. Dies erfordert typischerweise eine aufwendige Mechanik. Nachteilig an einer solchen Vorrichtung mit dispersivem Element oder optischem Strahlengang ist, dass die entsprechenden Vorrichtungen dadurch häufig sehr groß und unhandlich sind. Insbesondere wenn die Vorrichtung in einem kleineren elektrischen oder elektronischen Gerät eingebaut werden soll, wäre es aber wünschenswert, wenn eine raum- sparende und kompakte Ausführung des Spektrometers verfügbar wäre. Ein Bei- spiel für ein Spektrometer, das beispielsweise mit einer Linsenanordnung arbeitet, wird in der US 2012 / 026 8745 A1 offenbart. Nachteilig an konventionellen Vorrichtungen, die im Stand der Technik beschrieben sind, ist, dass bei einer Aufteilung der zu untersuchenden Strahlung auf eine Reihe von Detektoren, die eine unterschiedli- che spektrale Empfindlichkeit aufweisen, ein hohes Maß an Strahlungsintensität, das für den einzelnen Detektor zur Verfügung steht, verloren geht.
Es sind im Stand der Technik im Bereich der integrierten Optik ferner Spektrometer mit mikrofabrizierten dispersiven Elementen, wie Gittern oder arrayed waveguides, bekannt. Bei diesen Vorrichtungen wird die zu untersuchende Strahlung nach Wel- lenlängen auf einem Chip sortiert und dann mit verschiedenen Photodetektoren de- tektiert. Allerdings sind solche Vorrichtungen zumeist nur für Untersuchungen in kleinen Wellenlängenbereichen geeignet. Beispielsweise wird in der US 8,282/882 B2 ein Miniaturspektrometer offenbart, bei dem zwei Mantelschichten eines Wellenleiters mit einem Schlitz miteinander verbunden sind, wobei der Schlitz beispielsweise mit dem Material, aus dem die obere Mantelschicht gebildet ist, gefüllt sein kann.
Aus der GB 24701 15 A und EP 2 766 757 B1 sind Spektrometer umfassend einen Wellenleiter bekannt, entlang dessen Verlaufs Mikro-Disk-Resonatoren vorliegen. Anhand der Dimensionierung oder Materialzusammensetzung der Resonatoren kann eine wellenlängenabhängige Resonanzbedingung festgelegt werden. Nur Licht mit einer Wellenlänge, welche die Resonanzbedingung erfüllt, wird effektiv in einen jeweiligen Resonator einkoppeln und kann als Photosignal ausgelesen werden. Die Resonatoren zeichnen sich durch enge Resonanzbedingungen aus, welche eine hohe spektrale Auflösung gewährleisten. Für Anwendungen zur spektralen Detektion über größere Bereiche von beispielsweise von 300 nm oder mehr sind derartige Ansätze jedoch nicht geeignet oder konstruktiv aufwendig.
Es ist demnach Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zur Leitung von Strahlung, eine Photodetektor-Anordnung und ein Spektralanalyse-Verfahren bereitzustellen, die nicht die Nachteile und Mängel des Standes der Technik aufweisen. Die Vorrichtung soll ohne ein raumgreifendes dispersives Element und ohne optischen Strahlengang auskommen, um eine kompakte Spektrometer-Vorrichtung bereitstellen zu können, die beispielsweise auch in Mobilgeräten, wie Smartphone oder Tablets, eingebaut werden kann. Es wäre wünschenswert, wenn eine besonders kompakte Vorrichtung bereitgestellt werden kann, die dennoch einen vergleichbaren Spektralbereich und eine spektrale Auflösung wie die herkömmlichen Vorrichtungen abdeckt. Insbesondere soll die Spektralanalyse nicht von thermischen und/oder statistischen Effekten abhängen, sondern von der Auswahl und dem Design des Materials und der Struktur der Vorrichtung beziehungsweise der einzelnen Komponenten der Vorrichtung. Ferner soll mit der Vorrichtung und dem Verfahren möglich sein, einen großen Wellenlängenbereich auszumessen Beschreibung der Erfindung:
Gelöst wird die Aufgabe durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche. Vorteil- hafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen beschrie- ben. Erfindungsgemäß ist eine Vorrichtung zur Leitung von Strahlung vorgesehen, die ein Absorptionselement umfasst. Die Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass das Absorptionselement eine entlang seines Verlaufs variierende chemische Zusammensetzung aufweist. Bevorzugt ist die Vorrichtung zur Leitung von Strahlung dadurch kennzeichnet, dass sich entlang des Verlaufs des Absorptionselementes ein kontinuierlicher Materialgradienten vorliegt, um die energetische Lage einer Absorptionskante kontinuierlich entlang des Verlaufes des Absorptionselementes zu variieren.
Es ist im Sinne der Erfindung bevorzugt, dass die Vorrichtung als Wellenleiter bezeichnet wird und/oder fungiert. Insbesondere dient die Vorrichtung daher zur Leitung von Strahlung, die in den Wellenleiter eingekoppelt wird oder vorliegt. Das Absorptionselement kann im Sinne der Erfindung vorzugsweise auch als Absorber bezeichnet werden. Es ist im Sinne der Erfindung bevorzugt, dass die vorgeschlagene Vorrichtung als Spektrometer verwendet werden kann. Es ist ferner bevorzugt, die vorgeschlagene Vorrichtung als Wavemeter zu verwenden. Es ist im Sinne der Erfindung ganz besonders bevorzugt, dass die vorgeschlagene Vorrichtung dafür eingerichtet ist, zur ortsaufgelösten Spektralanalyse verwendet zu werden, so dass die Vorrichtung im Sinne der Erfindung bevorzugt auch als Vorrichtung zur ortsaufgelösten Spektralanalyse bezeichnet werden kann.
Ein Absorptionselement ist im Sinne der Erfindung bevorzugt eine Komponente zur Absorption von elektromagnetischer Strahlung, wobei aufgrund der Absorption ein Photosignal generiert werden kann. Unter dem Begriff Absorptionselement werden bevorzugt Absorptionselemente aus photoleitenden (engl photoconductive) Mate- rialien verstanden, d.h. Materialien, welche bei Absorptionen elektromagnetischer Strahlung elektrisch leitfähiger werden. Wenn elektromagnetische Strahlung bei- spielsweise von einem Halbleiter absorbiert wird, dessen Bandlücke kleiner als die Photonenenergie der elektromagnetischen Strahlung ist, erhöht sich die Anzahl der freien Elektronen und Elektronenlöcher, sodass die elektrische Leitfähigkeit zunimmt. Wird an ein Absorptionselement beispielsweise mittels zweier Kontakte eine elektrische Spannung angelegt, so kann die ggf. wellenlängenabhängige Absorption der elektromagnetischen Strahlung unmittelbar als eine Erhöhung eines Photosigna- les bzw. eines Photostromes verzeichnet werden. Photosignale meinen mithin be- vorzugt elektrische Signale, welche bei Absorption einer elektromagnetischen Strah- lung durch das Absorptionselement detektierbar werden. Bevorzugt handelt es sich bei den Photosignalen um Photoströme.
Das Merkmal, dass das Absorptionselement eine variierende chemische Zusammensetzung aufweist, kann mit anderen Worten als Materialgradient entlang des Absorptionselements beschrieben werden. Die Erfindung stellt insofern eine Abkehr vom Stand der Technik dar, als dass die Fachwelt bisher stets bemüht war, besonders homogene Legierungssysteme bereitzustellen, um die üblicherweise erwünschten homogenen Materialeigenschaften zu erzielen. Insbesondere die Verwendung eines sich kontinuierlich ändernden Zusammensetzungsgradienten in einer Halbleiterlegierung wendet sich von den bekannten Hetero-Strukturen ab, bei denen beispielsweise zwei verschiedene Konzentrationen innerhalb eines Bauteils verwendet werden, um verschiedene Funktionen des Bauteils zu realisieren. Dies geschieht beispielsweise bei sogenannten Quantentöpfen, bei denen die„Barriere“ und der„Topf durch unterschiedliche Konzentrationen realisiert werden. Allerdings wendet sich die vorliegende Erfindung gerade von solchen Bauteilen mit zwei unterschiedlichen Material- und/oder Elementkonzentrationen ab, in dem insbesondere ein sich kontinuierlich, beispielsweise linear oder im Wesentlichen linear, ändernder Materialgradient innerhalb des Absorptionselements vorgeschlagen wird.
Durch die Vorsehung des Materialgradienten innerhalb des Absorptionselements ist es vorteilhafterweise möglich, der Absorption verschiedener Wellenlängen einem bestimmten Ort entlang des Absorptionselements beziehungsweise des Wellenleiters zuzuordnen. Dadurch kann die zu untersuchende und in den Wellenleiter eingekoppelte Strahlung vorzugsweise ortsaufgelöst besonders genau spektral analysiert werden. Die Bereitstellung der besonders genauen Spektralanalyse wird im Kontext der vorliegenden Erfindung durch die Vorsehung des Materialgradienten im Absorptionselement erreicht, der vorteilhafterweise das Absorptionsverhalten des Absorptionselements beeinflusst, so dass eine lokale Zuordnung von Wellenlänge und Detektionsort ermöglicht wird. Durch diese Zuordnungsmöglichkeit kann bei der vorgeschlagenen Vorrichtung auf ein dispersives Element verzichtet werden, wobei die Fachwelt bisher davon ausgegangen war, dass ein dispersives Element bei Vorrichtungen der genannten Gattung erforderlich sind. Insofern wendet sich die Erfindung auch in diesem Punkt von der im Stand der Technik beschriebenen Entwicklung ab. Vorzugsweise wird auch eine Verwendung des Wellenleiters zur Durchführung einer ortsaufgelösten Spektralanalyse offenbart beziehungsweise eine Verwendung des Wellenleiters in einer Photodetektor-Anordnung.
So kann beispielsweise entlang des Verlaufs des Absorptionselementes eine Anordnung von N-Photodetektoren vorliegen, welche in ihrer Gesamtheit dazu eingerichtet sind, die variierende Absorption der Strahlung zu detektieren. Da die Wellenlängenabhängigkeit der Absorption der Strahlung entlang des Verlaufs variiert, kann durch eine ortsaufgelöste Messung von Photoströmen l· bis IN das Spektrum bestimmt werden.
Erfindungsgemäß wurde erkannt, dass mittels eines kontinuierlichen Materialgradienten entlang des Verlaufs des Absorptionselementes die energetische Lage der Absorptionskante variiert werden kann.
Der Begriff„Absorptionskante“ bezeichnet im Sinne der Erfindung bevorzugt einen vorzugsweise scharfen, d.h. sprunghaften Übergang zwischen unterschiedlichen Absorptionszuständen oder -stärken. Beispielsweise kann damit ein Bereich in einem vorzugsweise elektromagnetischen Spektrum gemeint sein, in dem ein abrupter Unterschied zwischen einem Bereich starker Absorption und einem Bereich schwacher Absorption auftritt. Die Absorptionskante eines Materials, insbesondere eines Halbleiters mit direkter Bandstruktur entspricht bevorzugt einem spektralen Bereich in dem der Absorptionskoeffizient a von geringen Werten im Transparenzbereich, typischerweise weniger als 1 bis 10 cm 1 auf große Werte, typischerweise 104 bis 105 cm-1, ansteigt. Der Transparenzbereich bezeichnet bevorzugt einen spektralen Bereich für Photonenenergien kleiner als die Absorptionskante, während ein Absorptionsbereich einen spektralen Bereich kennzeichnet für Photonenenergien größer als die Absorptionskante. Der Begriff Absorptionskoeffizient ist im üblichen Sinne zu verstehen. Bekannter- maßen kann die Absorption von Licht durch einen Absorptionskoeffizienten a beschrieben werden, der die Schwächung der Lichtintensität beim Durchgang durch ein absorbierendes Medium gemäß des Lambert-Beer'schen Absorptionsgesetzes beschreibt. Dieses lautet, dass die Intensität nach dem Durchgang des Materials der Dicke d um den Faktor exp(-ad) verringert ist. Die Einheit von a ist damit 1 /Länge; a wird typischerweise in cm-1 angegeben.
Die energetische Lage der Absorptionskante wird auch als spektrale Lage bezeich- net und meint bevorzugt die Photonenenergie bei welcher der sprunghafte Übergang zwischen unterschiedlichen Absorptionszuständen oder -stärken erfolgt. Be- vorzugt meint die spektrale Lage die Anfangs- und Endpunkte einer Absorptionskante (beispielsweise 3,25 eV und 3,5 eV), wobei die spektrale Lage auch durch einen Mittelwert der Anfangs- und Endpunkte oder den Punkt des steilsten Anstiegs ge- kennzeichnet werden kann.
Bei Verbindungshalbleitern (wie z.B. GaAs, InP, GaN, ZnO) mit direkter Bandstruktur ist die Breite einer Absorptionskante relativ klein, typischerweise im Bereich von 30 meV Photonenenergie bzw. dem entsprechenden Wellenlängenbereich. In einem Halbleiter mit direkter Bandstruktur ist die Absorption von Licht ohne die Beteiligung von Gitterschwingungen möglich, was bevorzugt zu einer steilen Absorptionskante führt. In Halbleitern mit indirekter Bandstruktur steigt die Absorption langsamer an, ist jedoch materialbedingt beschränkt.
Es gibt einige Mechanismen, die die exakte spektrale Form eines steilen Anstiegs des Absorptionskoeffizienten, insbesondere bei direkten Halbleitern an der Absorptionskante bedingen. Bei geringen Temperaturen tragen oft sogenannte "exzitoni- sche" Effekte bei, bei höheren Temperaturen Streuung an Gitterschwingungen. Es hängt vom Halbleiter und dessen Bandlücke ab, was typische Temperaturen für diese Effekte sind. Im Allgemeinen ist aber davon auszugehen, dass bei Raumtemperatur die Absorptionskante durch thermische Effekte verbreitert ist. In Mischungs- Halbleitern bzw. Legierungshalbleitern ( solid state Solutions, alloy semiconductors) sind die Gitterplätze des Kationen- oder des Anionengitters oder beider Gitter durch verschiedene Elemente besetzt. Beispiele sind (AI,Ga)As, Ga(As,P) oder (AI,Ga)(As,P). Auch Mischungshalbleiter bzw. Legierungshalbleitern mit mehr als 4 Elementen sind natürlich möglich. Hierdurch kann eine stetige Veränderung der Materialeigenschaften zwischen den binären Endkomponenten (also Verbindungs- halbleitern aus nur zwei Elementen) erreicht werden.
Solche Mischungshalbleiter werden in vielen Halbleiter-Heterostrukturen, also Strukturen in denen mehrere Halbleiterschichten aufeinandergestapelt sind, verwendet. Beispiele sind Leuchtdioden, Halbleiter-Laser, Transistoren (HEMT) oder multi- junction Solarzellen.
Mittels eines Mischungshalbleiters bzw. einer Halbleiterlegierung ist es möglich, materialabhängig die spektrale Lage der Absorptionskante vorzugeben. Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen einen chemischen Gradienten bzw. Materialgradienten in das Absorptionselement einzubringen, um die spektrale Lage der Absorptionskante ortsabhängig entlang des Verlaufs zu variieren. Bevorzugt erfolgt die Variation von einer höherenergetischen Absorptionskante (bspw. bei ca. 3,8 eV) in einem vorderen Bereich zu einer niederenergetischen Absorptionskante (bspw. bei ca. 3,3 eV, vgl. Fig. 3).
Die spektrale Lage der Absorptionskante variiert bevorzugt mit der lokalen chemischen Konzentration der Bestandteile einer Halbleitermischung.
Durch die geeignete Wahl der Anfangs- und Endwerte des Konzentrationsgradienten sowie seiner funktionsmäßigen Form (linear oder nicht-linear, z.B. quadratisch) kann somit die absolute spektrale Lage der Absorptionskante entlang des Verlaufs des Absorptionselementes vorteilhafterweise festgelegt werden.
Ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Aufbaus ist es somit, dass die spektrale Lage (und ggf. Breite) der Absorptionskante) durch die Wahl eines Materialgradienten festlegbar ist, um eine ortsabhängige Spektralanalyse zu ermöglichen.
In Abhängigkeit der Wahl der Halbleitermaterialien, liegt die Absorptionskante im Infrarot (IR), sichtbaren Bereich (VIS) oder im ultravioletten Bereich (UV). Die spektrale Lage der Absorptionskante folgt dem Verlauf der Bandlücke Eg als Funktion der chemischen Variation. Wenn x die chemische Variation angibt, ist beispielsweise Eg(x) der Verlauf der Bandlücke als Funktion der chemischen Variation. Wenn die chemische Konzentration entlang des Verlaufs des Absorptionselementes von Xi zu X2 variiert, kann daher die spektrale Lage der Absorptionskante bevorzugt im Wesentlichen von Eg(xi) zu Eg(x2) variieren.
Die Verwendung eines kontinuierlichen Materialgradienten in dem Absorptionselement erlaubt mithin die Bereitstellung eines Spektrometers mit einem großen Detektionsbereich, beispielsweise von 300 meV, 400 meV, 500meV oder mehr, wobei zu diesem Zweck die spektrale Lage der Absorptionskante durch Variation der chemischen Konzentration über einen Bereich von 300 meV, 400 meV, 500meV oder mehr variiert wird.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist das Absorptionselement in einem vorderen Bereich eine höherenergetische Lage der Absorptionskante auf, als in einem hinteren Bereich. Der vordere Bereich bezeichnet bevorzugt jenen Bereich, welcher dem Strahlungseintritt zugewandt ist, also dem Einkopplungsbereich für die zu untersuchende Strahlung, wobei der hintere Bereich der Austrittsseite zugewandt ist.
Höherenergetisch meint, dass die spektrale Lage der Absorptionskante an einer höheren Energie vorliegt als im hinteren Bereich (beispielsweise bei 4 eV anstatt 3,2 eV, vgl. Fig. 3), sodass im vorderen Bereich zunächst nur höherenergetisch bzw. hochfrequente Strahlung absorbiert wird, nämlich jener Anteil der Strahlung deren Photonenenergie oberhalb der Absorptionskante liegt.
Durch eine derartige Konfiguration wird bevorzugt sichergestellt, dass während einer Propagation der Strahlung durch die Vorrichtung die Strahlung zunehmend hochenergetische Anteile verliert und sich das Spektrum der Strahlung zu geringeren Energien verschiebt.
Es ist im Sinne der Erfindung bevorzugt, dass das Absorptionselement ein Material umfasst, das eine binäre, ternäre oder quaternäre Halbleiterlegierung ist. Das Absorptionselement des Materials kann insbesondere ein binäres, ternäres oder quaternäres Halbleiterlegierung-Material umfassen. Das bedeutet im Sinne der Erfin- düng bevorzugt, dass das Absorptionselement ein Material umfasst, das zumindest teilweise von einer Halbleiterlegierung gebildet wird, wobei die Legierung vorzugs- weise aus zwei, drei oder vier Legierungspartnern besteht. Ein Beispiel für eine ter- näre Legierung ist (Mg,Zn)0, also eine Legierung aus Magnesium, Zink und Sauer- stoff. Vorzugsweise kann das Absorptionselement (Mg,Zn)0 umfassen beziehungsweise das Material des Absorptionselements kann von (Mg,Zn)0 gebildet werden. Die Verwendung einer (Mg.Zn)O-Legierung ist besonders dann von Vorteil, wenn Strahlung im Nah-UV-Bereich untersucht werden soll. Es ist im Sinne der Erfindung besonders bevorzugt, dass der zu untersuchende Wellenlängenbereich durch die geeignete Wahl der Materialien der Absorptionselemente bestimmt wird.
Andere möglich Legierungen sind (ln,Ga)203 und (AI,Ga)203, die beispielsweise auf einem Saphir-Substrat aufgedampft werden können. Das Material für das Absorptionselement kann ferner ausgewählt sein aus einer Gruppe umfassend (Ge,Si), (Ge,Si)C, (ln,Ga)As, (AI,Ga)As, (AI,Ga,ln)(As,P), (ln,Ga)N, (AI,Ga)N, (AI,ln,Ga)N, (Cd,Zn)0 und/oder Zn(0,S), wobei die unterschiedlichen Materialen vorzugsweise die Untersuchung unterschiedlicher Spektralbereiche ermöglichen. Das Material für das Absorptionselement kann darüber hinaus auch ausgewählt sein aus einer Gruppe umfassend (AI,Ga,ln)As, (ln,Ga)(As,P), (AI,Ga,ln)N, (Mg,Zn,Cd)0 und/oder (AI,Ga,ln)203. Vorzugsweise kann das Absorptionselement auch aus mehr als einem Legierungsmaterial zusammengesetzt sein. Beispielsweise kann ein vorderer Bereich eines Wellenleiters ein (Mg.Zn)O-Material umfassen und ein hinterer Bereich des Wellenleiters ein (Zn,Cd)0-Material. Mit einem solchen Wellenleiter können beispielsweise im hinteren Teil des Wellenleiters besonders niedrige Photonen- Energien detektiert werden. Der Übergang zwischen den unterschiedlichen Materialien kann beispielsweise fließend ausgestaltet sein. Beispielsweise kann das Absorptionselement mehrere Materialgradienten aufweisen. Ein solcher Aufbau wird im Sinne der Erfindung bevorzugt als Schichtaufbau mit mehreren Gradientenschichten bezeichnet.
Es ist im Sinne der Erfindung besonders bevorzugt, dass das Absorptionselement Legierungshalbleiter umfasst, bei denen eine Änderung der chemischen Zusammensetzung mit einer Veränderung der Bandlücke und/oder der Absorptionskante einhergeht. Tests haben gezeigt, dass diese Voraussetzung insbesondere von den bevorzugten Materialien, die im Kontext der vorliegenden Erfindung vorgeschlagen werden, erfüllt wird. Das Material für die Absorptionselemente kann alternativ aus- gewählt sein aus einer Gruppe umfassend (Mg,Zn)0, (ln,Ga)203, (Si.Ge), (Si,Ge)C, (AI,Ga)203, (ln,Ga)As, (AI,Ga)As, (ln,Ga)N, (AI,Ga)N, (Cd,Zn)0, Zn(0,S),
(AI,Ga,ln)As, (AI,ln,Ga)P, (AI,ln,Ga)(As,P), (AI,Ga,ln)N, (Mg,Zn,Cd)0 und/oder (AI,Ga,ln)203, wobei das (ln,Ga)203 und das (AI,Ga)203 bevorzugt auf Saphir angeordnet vorliegen.
In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das Absorptionselement eine Halbleiterlegierung aus direkten Halbleiter, besonders bevorzugt ausgewählt aus der Gruppe Mg,Zn)0, (ln,Ga)203, (AI,Ga)203, (ln,Ga)As, (AI,Ga)As, (ln,Ga)N, (AI,Ga)N, (Cd,Zn)0, Zn(0,S), (AI,Ga,ln)As, (AI,ln,Ga)P, (AI,ln,Ga)(As,P), (AI,Ga,ln)N,
(Mg,Zn,Cd)0 und/oder (AI,Ga,ln)203, wobei der Fachmann weiß, dass eine Halbleiterlegierung umfassend AI und Ga bevorzugt in Abhängigkeit der Anteile von AI und Ga ein direkter oder indirekter Halbleiter, mit entsprechend direkter oder indirekter Bandlücke sein kann.
Es ist im Sinne der Erfindung bevorzugt, dass der spektrale Empfindlichkeitsbereich des Wellenleiters von dem verwendeten Halbleitermaterial und dessen Design, insbesondere des Absorptionselementes und der Absorptionskante, abhängt. Insofern ermöglicht die Erfindung eine Einstellbarkeit des Empfindlichkeitsbereichs des Wellenleiters beziehungsweise des Spektrometers durch eine geeignete Materialauswahl. Durch eine geeignete Auswahl des Halbleitermaterials kann somit vorteilhafterweise das Absorptionsverhalten des Absorptionselements eingestellt werden. Insbesondere ist das Absorptionsverhalten des Absorptionselements auch durch die Ausgestaltung des Materialgradienten innerhalb des Absorbers einstellbar. Es kann im Kontext der vorliegenden Erfindung auch bevorzugt sein, mehrere Materialgradienten entlang eines Wellenleiters beziehungsweise eines Absorptionselements mit- einander zu kombinieren. Dadurch kann überraschenderweise ein größerer Spekt- ralbereich oder verschiedene Spektralbereiche abgedeckt werden.
Der Begriff der„variierenden chemischen Zusammensetzung“ bedeutet im Kontext der vorliegenden Erfindung bevorzugt, dass das Absorptionselement entlang seines Verlaufs unterschiedlich zusammengesetzt ist. Beispielsweise kann das Material, aus dem das Absorptionselement gebildet ist, in einem vorderen Bereich, der beispielsweise auch als Einkopplungsbereich für die zu untersuchende Strahlung verwendet werden kann, eine größere Bandlücke aufweisen als in dem hinteren Bereich. Das Material kann im Einkopplungsbereich einen größeren Anteil an Magne- sium aufweisen, wobei dieser Anteil an Magnesium im Verlauf des Absorptionselements in Richtung Auskopplungsbereich abnimmt, wodurch beispielsweise der Anteil des Zinks zunehmen kann. Beispielsweise kann die Zusammensetzung des (Mg,Zn)0-Legierungssystems durch die Vorschrift MgxZni-xO beschrieben werden, so dass ein Mehr an Magnesium ein Weniger an Zink zur Folge hat.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird der Materialgradient durch eine Variation der Anteile der Legierungspartner einer Halbleiterlegierung entlang des Verlaufs des Absorptionselementes gebildet wird.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird umfasst das Absorptionselement eine Halbleiterlegierung der allgemeinen Form AxBi-x, wobei A und B jeweils Legierungspartner kennzeichnen und x der Anteil von A in der Halblegierung ist, welcher entlang des Verlaufs des Absorptionselementes variiert wird.
Es kann im Sinne der Erfindung ebenso bevorzugt sein, dass die Absorptionselemente andere binäre, ternäre oder quaternäre Legierungen umfassen, wobei die Konzentrationen beziehungsweise Anteile der einzelnen Legierungspartner über einen Index x miteinander gekoppelt sind. Abhängig von dem gewählten Materialsystem einer Beispiel-Legierung umfassend die Legierungspartner A und B kann der Index x für die Legierung AxBi-x vorzugsweise von 0 bis 1 laufen beziehungsweise einen Wert zwischen 0 und 1 annehmen. Auch Zwischenwerte wie beispielsweise 0 bis 0,9, 0,8, 0,7, 0,6, 0,5, 0,4, 0,3, 0,2 oder auch 0,1 können bevorzugt sein: Ebenso kann es bevorzugt sein x zwischen 0,1 , 0,2, 0,3, 0,4, 0,5, 0,6, 0,7, 0,8 oder 0,9 bis 1 ,0 laufen zu lassen. Auch beliebige Kombinationen beispielsweise 0,2 bis 0,5 oder auch 0,1 bis 0,3 sind denkbar. Die allgemeine Form AxBi-x ist auf binäre, ternäre oder quaternäre Legierungen anwendbar. Beispielsweise können die Legierungspartner A und B auch eine Halbleitermischung kennzeichnen oder aber das Absorptionselement umfasst eine Halbleiterlegierung mit drei oder mehr Legierungspartner, wobei lediglich die Anteile zweier Legierungspartner variiert werden. Für das besonders bevorzugte Ausführungsbeispiel MgxZni-xO kann sich das Vorliegen eines chemischen Materialgradienten innerhalb des Absorptionselements vorzugsweise so äußern, dass der Index x von einem vorderen Bereich zu einem hinteren Bereich variierend einen Wert zwischen 0,3 bis 0,0 annimmt, wobei der Wert von x = 0,3 beispielsweise in einem vorderen Bereich des Absorptionselements angenommen wird, der beispielsweise einem Einkopplungsbereich für die zu untersuchende Strahlung entspricht, und der Wert von x ~ 0,0 in einem hinteren Bereich des Absorptionselements.
Es ist im Sinne der Erfindung bevorzugt, dass der Materialgradient im Wesentlichen linear verläuft, wobei die Formulierung„im Wesentlichen“ für den Fachmann nicht unklar ist, da der Fachmann weiß, im welchem Genauigkeitsbereich die Konzentrationen in einem Legierungssystem eingestellt werden können.
Begriffe wie im Wesentlichen, ungefähr, etwa, ca. etc. beschreiben bevorzugt einen Toleranzbereich von weniger als ± 20%, bevorzugt weniger als ± 10 %, noch stärker bevorzugt weniger als ± 5% und insbesondere weniger als ± 1 %. Angaben von im Wesentlichen, ungefähr, etwa, ca. etc. offenbaren und umfassen stets auch den exakten genannten Wert.
Es können für einzelne Anwendungen aber auch nicht-lineare, beispielsweise quadratische Verläufe des Materialgradienten bevorzugt sein. Diese können beispiels- weise in der folgenden Form dargestellt werden:
x = xo + xrd + X2-d2,
wobei die Xi vorzugsweise Koeffizienten darstellen, die bevorzugt konstant sind. Auch kann ein linearer Verlauf beispielsweise als
x = xo + xrd
bevorzugt sein.
Es kann für einige Anwendungen auch bevorzugt sein, dass der Verlauf des Materialgradienten durch eine Funktion
x = xo + xrd + X2-d2 + X3-d3 ... beschrieben wird, wobei die Xi vorzugsweise Koeffizienten darstellen, die bevorzugt konstant sind. Mittels eine derartigen Taylorreihe können beliebige nicht-lineare Funktionen eingestellt werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird der Materialgradient entlang des Verlaufs des Absorptionselementes monoton steigend oder fallend variiert, wobei der Materialgradient bevorzugt eine lineare oder quadratische Abhängigkeit von der Position entlang des Verlaufs des Absorptionselementes aufweist.
Es ist im Sinne der Erfindung bevorzugt, dass eine Absorption von Strahlungsantei- len der zu untersuchenden und in den Wellenleiter eingekoppelten Strahlung durch das Absorptionselement in Abhängigkeit von dem Material, der chemischen Zusammensetzung des Absorptionselements, dem Design, der Anordnung der Vorrichtung beziehungsweise der Komponenten der Vorrichtung und in Abhängigkeit von den Eigenschaften der Strahlung erfolgt. Vorzugsweise ist das Absorptionselement dazu eingerichtet, die Strahlung entlang des Verlaufs der Vorrichtung in Abhängigkeit von mindestens einer Eigenschaft der Strahlung unterschiedlich stark zu absorbieren. Bei den Eigenschaften der Strahlung kann es sich vorzugsweise um die Frequenz f oder die Wellenlänge l der Strahlung handeln. Es ist im Sinne der Erfindung insbesondere bevorzugt, dass durch die Absorption der Strahlung Ladungsträger in dem Absorptionselement freigesetzt werden. Je nach Menge, Energie und/oder Intensität der absorbierten Strahlung werden unterschiedlich viele Ladungsträger freigesetzt, wobei die Ladungsträger insbesondere auch unterschiedliche Teilchenenergien aufweisen können. Diese Teilchenenergien werden vorzugsweise in der Einheit Elektronenvolt (eV) angegeben.
Es ist im Sinne der Erfindung insbesondere bevorzugt, dass das Material des Absorptionselements vorzugsweise an jeder Stelle jeweils eine scharfe Absorptionskante aufweist. Es ist im Sinne der Erfindung bevorzugt, dass die Absorptionskante in ihrer energetischen Lange kontinuierlich entlang des Wellenleiters variiert. Vorzugsweise weist das Material des Absorptionselements im vorderen Bereich, beispielsweise im Bereich des Einkopplungsbereichs des Wellenleiters, eine große Bandlücke auf, wodurch vorzugsweise in diesem Bereich die Strahlung mit der größten Photonen-Energie absorbiert wird. Es ist im Sinne der Erfindung bevorzugt, dass bei der Propagation der Strahlung durch den Wellenleiter verstärkt die Anteile der Strahlung mit den höheren Photonen-Energien aus der Strahlung herausabsor- biert werden. Dadurch verändert sich das Spektrum der Strahlung, wobei es im Verlauf des Wellenleiters zunehmend seine hochfrequenten Anteile verliert, wodurch sich das Spektrum vorzugsweise zu geringeren Photonen-Energien verschiebt. Es ist im Sinne der Erfindung insbesondere bevorzugt, dass Strahlung mit geringerer Photonen-Energie im hinteren Bereich des Wellenleiters absorbiert wird, wobei ein verbleibender Rest der Strahlung transmittiert wird.
Vorzugsweise beginnt die Absorption einer bestimmten Photonen-Energie an dem Ort innerhalb des Wellenleiters, an dem die Photonen-Energie der Größe der Bandlücke des Materials des Absorptionselements entspricht. An diesem Ort könnte ein Photodetektor oder könnten mehrere Photodetektoren angeordnet vorliegen, um den Beginn der Absorption zu detektieren.
Anwendungstest haben gezeigt, dass mit der Erfindung in Abkehr zum Stand der Technik eine Beeinflussung der Absorptionskante des Absorptionselements nicht wesentlich durch thermische und/oder statistische Effekte besteht, sondern durch die Materialzusammensetzung beziehungsweise die Gestaltung des Materialgradienten bestimmt ist. Es ist im Sinne der Erfindung insbesondere bevorzugt, dass die Leistungsparameter der Erfindung nicht von den thermischen und/oder statistischen Effekten abhängen, sondern vom Design des Materials, aus dem das Absorptionselement gebildet ist beziehungsweise vom Design des Materialgradienten innerhalb des Absorptionselements.
Es ist im Sinne der Erfindung bevorzugt, dass die verschiedenen spektralen Anteile der einfallenden Strahlung im Wellenleiter nach dem Ort sortiert und mit dem Pho- todetektorarray dann detektiert werden. Diese lokale Zuordnung erfolgt insbesondere in dem Absorptionselement, das einen Materialgradienten aufweist. Dadurch kann eine unbewegte und sehr kompakte Bauform bereitgestellt werden. Zudem wird vorzugsweise im Wesentlichen die gesamte Strahlung im relevanten spektralen Bereich in ein Photosignal umgesetzt, so dass die vorgeschlagene Vorrichtung im Vergleich zu konventionellen Vorrichtungen besonders effizient ist. Es ist im Sinne der Erfindung bevorzugt, dass die zu untersuchende Strahlung in den Wellenleiter beziehungsweise das Absorptionselement eingekoppelt wird. Die Strahlung kann beispielsweise durch die Anpassung einer Glasfaser oder durch eine Fokussierung in den Wellenleiter eingekoppelt werden. Vorzugsweise handelt es sich bei der zu untersuchenden Strahlung um Strahlung im infraroten (IR), sichtbaren und/oder ultravioletten (UV) Spektral- oder Wellenlängenbereich. Bei der zu untersuchenden Strahlung kann es sich beispielsweise um IR-, UV-Strahlung, sichtbares Licht oder Laserstrahlung handeln, wobei die Strahlung vorzugsweise im Wesentlichen nicht monochromatisch ist. Vorzugsweise kann auch eine beliebige Wellenlängenverteilung vorliegen, wobei beispielsweise ein Peak oder mehrere Peaks bevorzugt sein können. Es ist im Sinne der Erfindung insbesondere bevorzugt, dass es sich bei der Strahlung, die untersucht werden soll, um elektromagnetische Strahlung handelt.
Es ist im Sinne der Erfindung bevorzugt, dass sich durch den vorgesehenen Materialgradienten innerhalb des Absorptionselements beziehungsweise entlang seines Verlaufs das Absorptionsverhalten des Absorptionselements mit der Änderung der Zusammensetzung des Materials ändert. Mit anderen Worten kommt es durch die Änderung der chemischen Komposition des Absorbers zu einer Änderung der Absorptionskante des Absorptionselements. Damit ändert sich vorteilhafterweise auch das Spektrum während der Propagation der Strahlung durch den Wellenleiter beziehungsweise entlang des Absorptionselements. Es ist dabei im Sinne der Erfindung bevorzugt, dass das Absorptionselement so ausgebildet ist, dass kurzwellige Strahlungsanteile in einem vorderen Bereich des Wellenleiters beziehungsweise des Absorptionselements absorbiert werden. Vorzugsweise liegt der vordere Bereich des Wellenleiters in räumlicher Nähe zum Einkopplungsbereich des Wellenleiters vor.
Der Begriff„kurzwellige Strahlung“ kann im Sinne der Erfindung bevorzugt als Strahlung mit vergleichsweise kurzer Wellenlänge verstanden werden, wobei eine kurze Wellenlänge l über die Relation
c = f l
mit einer hohen Frequenz f und einer hohen Strahlungsenergie verbunden ist; der Buchstabe c bezeichnet in dieser Gleichung die Lichtgeschwindigkeit. Vorzugsweise ist das Absorptionselement so ausgebildet, dass langwellige Strahlung in einem hinteren Bereich des Absorptionselements absorbiert wird, wobei sich die chemi- sche Zusammensetzung des Absorptionselements und sein Absorptionsverhalten bevorzugt kontinuierlich und stetig ändern und nicht sprunghaft oder abrupt. Es ist im Sinne der Erfindung bevorzugt, dass nicht absorbierte Strahlung in einem hinteren Bereich des Wellenleiters aus dem Wellenleiter ausgekoppelt werden kann.
Es ist im Sinne der Erfindung bevorzugt, dass Photodetektoren, die auf und/oder um den Wellenleiter herum angeordnet sein können, eine Photodetektor-Anordnung bilden, wobei die Photodetektoren beziehungsweise die Photodetektor-Anordnung dazu eingerichtet sind/ist, die freigesetzten Ladungsträger, ihre Anzahl und/oder ihre Energien entlang des Wellenleiters und/oder des Absorptionselements zu registrieren. Die Erfindung betrifft somit in einem zweiten Aspekt eine Photodetektor- Anordnung umfassend eine vorgeschlagene Vorrichtung, wobei entlang der Vorrichtung eine Anzahl von N Photodetektoren angeordnet vorliegt, die in ihrer Gesamtheit dazu eingerichtet sind, eine variierende Absorption der Strahlung durch das Absorptionselement entlang des Verlaufs der Vorrichtung zu detektieren.
Die Photodetektor-Anordnung kann im Sinne der Erfindung auch als Spektrometer bezeichnet werden.
Vorzugsweise kann mit der Photodetektor-Anordnung beziehungsweise den Photodetektoren eine Strahlung, die durch die Anordnung geführt wird, detektiert beziehungsweise untersucht werden. Dadurch wird vorteilhafterweise eine Möglichkeit zur ortsaufgelösten Spektralanalyse für Strahlung, die in einem Wellenleiter eingekoppelt ist, geschaffen. Vorzugsweise kann die Photodetektor-Anordnung auch als Spektrometer verwendet werden, wobei es einen besonderen Verdienst der Erfindung darstellt, dass mit der Anordnung überraschenderweise ein besonders kompaktes Spektrometer bereitgestellt werden kann, da es ohne dispersives Element und ohne Strahlengang auskommt.
Es ist im Sinne der Erfindung bevorzugt, dass die Anzahl von N Photodetektoren in einem Bereich von 50 bis 10.000, bevorzugt in einem Bereich von 100 bis 3.000 und besonders bevorzugt in einem Bereich von etwa 200 bis 1.000. Tests haben ge- zeigt, dass insbesondere Vorrichtungen mit 200 bis 1.000 Photodetektoren ein besonders gutes Verhältnis zwischen Größe der Vorrichtung und abgedecktem Wel- lenlängenbereich aufweisen. Es ist im Sinne der Erfindung bevorzugt, dass die Anzahl der Detektoren von der Geschwindigkeit abhängt, mit der das Spektrum der Strahlung untersucht werden soll. Es ist ferner bevorzugt, dass die Anzahl der Detektoren von der Anzahl der spektralen Kanäle anhängt, die detektiert werden sollen. Vorzugsweise korreliert die Anzahl der Detektoren mit der Länge des Wellenleiters. Mit anderen Worten bestimmt die Anzahl und die Größe der Detektoren dessen Länge.
Beispielsweise können entlang des Wellenleiters und/oder des Absorptionselements in regelmäßigen Abständen Photodetektoren angeordnet sein, die dazu eingerichtet sind, die Ladungsträger zu registrieren. Durch die regelmäßige Anordnung der Photodetektoren kann die zu untersuchende Strahlung hinsichtlich der enthaltenen Wel- lenlängen-Anteile ortsaufgelöst untersucht werden. Es stellt einen wesentlichen Vorteil der vorliegenden Erfindung dar, dass durch die Ausbildung des vorgeschlagenen Wellenleiters im Wesentlichen alle Photonen, die in den Wellenleiter eingekoppelt werden, absorbiert werden und mithin zur Spektralanalyse beitragen beziehungs- weise zu diesem Zwecke ausgewertet werden können. Durch die Einbeziehung von im Wesentlichen allen Photonen der eingekoppelten Strahlung bei der Spektralanalyse kann ein besonders effizientes Bauelement zur Verfügung gestellt werden. Dies wird insbesondere dadurch erreicht, dass vorzugsweise im Wesentlichen die gesamte Strahlung in eine Photoresponse umgewandelt wird. Dadurch werden vor- zugsweise besonders gut zu verarbeitende Signale mit großer Signalstärke erhal- ten, die eine besonders genaue Auswertung der ermittelten Daten ermöglichen. Ein wesentlicher Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass im Kontext der vorliegenden Erfindung die Strahlung nicht aufgeteilt werden muss, um untersucht zu werden, sondern dass eine Untersuchung des einfallenden Lichts in einem Wel- lenleiter ermöglicht wird, wobei bei der Untersuchung im Wesentlichen alle eingekoppelten Photonen teilnehmen.
In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Photodetektor-Anordnung bzw. das Spektrometer eine Datenverarbeitungsvorrichtung, welche dazu eingerichtet anhand der an den Photodetektoren gemessenen Photoströme das Spektrum der Strahlung zu bestimmen.
Die Datenverarbeitungsvorrichtung ist bevorzugt eine Einheit, welche zum Empfang, Senden, Speichern und/oder Verarbeiten von Daten, bevorzugt von Photoströmen oder anderen Messdaten, geeignet und konfiguriert ist. Die Datenverarbeitungseinheit umfasst bevorzugt einen integrierten Schaltkreis, einen Prozessor, einen Prozessorchip, Mikroprozessor und/oder Mikrokontroller zur Verarbeitung von Daten, sowie einen Datenspeicher, beispielsweise eine Festplatte, einen random access memory (RAM), einen read-only memory (ROM) oder auch einen flash memory zur Speicherung der Daten.
Zur Durchführung der Bestimmung des Spektrums der einfallenden Strahlung anhand der gemessenen Photoströme der Photodetektoren kann auf der Datenverarbeitungsvorrichtung bevorzugt eine Software, Firmware bzw. ein Computerprogramm gespeichert vorliegen, welches Befehle umfasst, die im Zusammenhang mit dem Verfahren offenbarten Schritte auszuführen.
Die Datenverarbeitungseinrichtung kann beispielsweise sowohl ein Mikroprozessor sein, welcher kompakt in einem Gehäuse mit der Photodetektor-Anordnung bzw. des Spektrometers installierbar ist. Aber auch ein Personal Computer, ein Laptop, ein Tablet oder dergleichen ist denkbar, welcher neben Mitteln zum Empfang, Senden, Speichern und/oder Verarbeiten von Daten auch ein Anzeigen der Daten sowie eine Eingabemittel umfassen, wie beispielsweise ein Keyboard, ein Maus, ein Touchscreen etc. Der Fachmann erkennt, dass bevorzugte (Berechnungs)schritte, welche im Zusammenhang mit dem Verfahren offenbart werden, ebenfalls bevorzugt von der Datenverarbeitungsvorrichtung vorgenommen werden können.
Beispielsweise kann die Datenverarbeitungsvorrichtung bevorzugt dazu eingerichtet sein, Entfaltungs- beziehungsweise Dekonvolutions-Methoden und/oder Dekonvolu- tions-Verfahrensschritte auszuführen, um anhand der gemessenen Photoströme eine ortsaufgelösten Spektralanalyse einer in den Wellenleiter eingekoppelten Strahlung durchzuführen. Als Grundlage für die Entfaltung können Kalibrationsdaten auf der Datenverarbeitungsvorrichtung gespeichert vorliegen, welche die beispielsweise die ortsabhängigen Photoströme als Response des Photodetektorarrays auf einfallende monochromatische Strahlung verschiedener Wellenlänge entsprechen. Darüber hinaus ermöglicht der vorgeschlagene Wellenleiter auch eine zeitaufgelöste Spektralanalyse der zu untersuchenden und in den Wellenleiter eingekoppelten Strahlung. Tests haben gezeigt, dass überraschenderweise eine besonders hohe Zeitauflösung für zeitabhängige Signale erreicht werden kann, wobei die Zeitauflösung vorzugsweise bis in den Pikosekundenbereich gehen kann. Es stellt ein besonderes Verdienst der Erfindung dar, dass neben der spektralen Auflösung gleichzeitig eine besonders hohe Zeitauflösung erreicht werden kann. Dadurch kann vorteilhafterweise mit der Erfindung die Funktionalität einer streak- Kamera zur Verfügung gestellt werden. Es ist im Sinne der Erfindung eine Anzahl von vorgeschlagenen Wellenleitern im Wesentlichen parallel zueinander anzuordnen, wodurch ein Array von Wellenleitern gebildet wird, das vorzugsweise als hyperspectral imaging- Detektor benutzt werden kann. Vorteilhafterweise können mit einem solchen Detektor lineare oder eindimensionale Verteilungen von Spektren gemessen werden. Vor- zugsweise werden eindimensionale Verteilung im Sinne der Erfindung bevorzugt auch als 1 D-Verteilungen bezeichnet. Durch die parallele Anordnung von vorgeschlagenen Wellenleitern können insbesondere orts- und spektral aufgelöste Mes- sungen durchgeführt werden. Es war für die Fachwelt insbesondere überraschend, dass mit der vorliegenden Erfindung ein monolithischer, Wellenleiter-basierter Ansatz für eine Photodetektor-Anordnung zur Verfügung gestellt wird, mit dem orts- und spektral aufgelösten Messungen durchgeführt werden können.
Durch Stapelung von linearen Arrays solcher Wellenleiter können auch flächige oder zweidimensionale Arrays von hyperspectral imaging- Detektoren erreicht werden. Vorzugsweise werden zweidimensionale Arrays im Sinne der Erfindung bevorzugt als 2D- oder bildhafte Arrays bezeichnet. Mit der entsprechenden Weiterverarbei- tung der Photoresponse-Daten ermöglicht die Erfindung, 1 D- oder 2D-Verteilungen spektraler Merkmale, wie zum Beispiel Wellenlänge des spektralen Maximums, Breite des Spektrums sowie Zeilen beziehungsweise Bilder in bestimmten Wellenlängenbereichen, zu messen. Diese Informationen können zudem mit hoher Zeitauf- lösung bestimmt werden, die insbesondere durch die Geschwindigkeit und/oder Bandbreite der Photodetektoren bestimmt ist. Die Vorsehung von Photodetektoren in räumlicher Nähe zu dem vorgeschlagenen Wellenleiter zur Bildung einer Photodetektor-Anordnung ermöglicht vorzugsweise die Umwandlung der lokal absorbierten Strahlung in eine sogenannte Photo- response, wobei die Photoresponse beispielsweise von einem Photostrom gebildet werden kann. Es ist im Sinne der Erfindung bevorzugt, dass es sich bei einem Photostrom um einen Strom handelt, der aufgrund der Bestrahlung des Absorptionselements fließt. Vorzugweise wird der Photostrom von den freigesetzten Ladungsträgern gebildet. Es ist im Sinne der Erfindung bevorzugt, dass das Spektrum der zu untersuchenden Strahlung aus der lateralen Verteilung der Photoresponse entlang des Wellenleiters und/oder des Absorptionselements zumindest näherungsweise rekonstruiert werden kann.
Es ist besonderes bevorzugt, dass die Photodetektor-Anordnung umfassend einen vorgeschlagenen Wellenleiter als Spektrometer für die Analyse eines beliebigen einfallenden Spektrums eingesetzt wird. Vorzugsweise kann die Vorrichtung auch als Wavemeter verwendet werden, wobei ein Wavemeter bevorzugt eine Vorrichtung darstellt, die dazu eingerichtet ist, eine Wellenlänge und/oder Photonenenergie einer Strahlung festzustellen und/oder zu detektieren. Ein besonderer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass die Messung der Wellenlänge der einfallenden Strahlung in einem besonders großen Wellenlängenbereich ermöglicht wird. Der besonders große Wellenbereich überrascht insbesondere im Vergleich zu der bevorzugten geringen Größe der vorliegenden Erfindung, die dadurch ermöglicht wird, dass im Kontext der vorliegenden Erfindung auf ein dispersives Element oder einen optischen Strahlengang verzichtet werden kann.
Es ist im Sinne der Erfindung bevorzugt, dass die Photodetektoren ausgewählt sein können aus einer Gruppe umfassend Schottky-Dioden, MSM-Dioden, pn-Dioden und/oder Photoleiter, ohne darauf beschränkt zu sein. Durch die hohe Flexibilität bei der Auswahl der Photodetektoren kann die Erfindung besonders einfach an unterschiedliche Anwendungsanforderungen angepasst werden und ist somit vielseitig einsetzbar. Eine beispielhafte Ausgestaltung der Photodetektor-Anordnung wird in Fig. 2 gezeigt. Ein weiterer Vorteil, der mit der vorgeschlagenen Wellenleiter-Vorrichtung und der vorgeschlagenen Photodetektor-Anordnung verbunden ist, ist, dass eine besonders kleine Spektrometer-Vorrichtung bereitgestellt werden kann, die überraschenderweise sogar in mobilen elektronischen Vorrichtungen, wie Smartphone, Tablets oder Mobiltelefonen, eingebaut werden kann. Der Vorteil, eine ultra-kompakte Spektrometer-Vorrichtung bereitzustellen, wird insbesondere dadurch erreicht, dass die vorgeschlagene Vorrichtung ohne optischen Strahlengang und ohne dispersives optisches Element auskommt. Mit anderen Worten umfassen die vorgeschlagene Wellenleiter-Vorrichtung und die vorgeschlagene Photodetektoren-Anordnung kein dispersives Element und keinen optischen Strahlengang. Ein dispersives Element kann beispielsweise ein Beugungsgitter oder ein Prisma sein. Der Fachmann weiß, welche weiteren optischen Elemente als„dispersive Elemente“ bezeichnet werden können. Da im Kontext der vorliegenden Erfindung auf die Vorsehung eines disper- siven Elements verzichtet werden kann, wird es möglich, eine besonders kompakte und raumsparende Spektrometer-Vorrichtung bereitzustellen, die trotz der kompakten Bauweise überraschenderweise dazu eingerichtet ist, Strahlung über einen sehr großen Wellenlängenbereich spektral zu analysieren. Dies stellt insofern eine Abkehr vom Stand der Technik dar, als das die Fachwelt bisher davon ausgegangen war, dass die Größe des Spektrometers mit dem später zu analysierenden Wellenlängenbereich der einfallenden Strahlung korreliert beziehungsweise dass insbesondere größere Vorrichtungen erforderlich sind, um die Strahlung in einem großen Spektralbereich analysieren zu können.
Es ist im Sinne der Erfindung bevorzugt, dass das Absorptionselement unter Verwendung von Methoden des Laserstrahlverdampfens (pulsed laser deposition, PLD) hergestellt wird. Auf diese Weise kann vorteilhafterweise besonders genau ein Materialgradient innerhalb des Absorptionselements eingestellt werden, indem die Zusammensetzung innerhalb des Absorptionselements entlang des Wellenleiters variiert wird. Es kann im Sinne der Erfindung auch bevorzugt sein, den Materialgradienten mit anderen Verfahren, wie der Sputterdeposition, die vorzugsweise auch als Kathodenzerstäubung bezeichnet wird, Molekularstrahlepitaxie und/oder chemischen Depositionsverfahren herzustellen. Es ist im Sinne der Erfindung insbesondere bevorzugt, dass die Konzentration der einzelnen Bestandteile der Legierung, die das Absorptionselement bildet, einen Gradienten aufweist. Es kann im Sinne der Erfindung auch bevorzugt sein, dass der Materialgradient im Absorptionselement mit Methoden der lonen-lmplantation her- gestellt wird. Tests haben gezeigt, dass durch das lonen-lmplantation-Verfahren besonders starke Materialgradienten hergestellt werden können, wodurch die Länge des vorgeschlagenen Wellenleiters auf einen Sub-Millimeter-Bereich reduziert werden kann. Im Übrigen sind verschiedene Herstellungsverfahren denkbar, solange damit die Erzeugung eines Materialgradienten möglich ist. Vorzugsweise ist das Absorptionselement als dünne Schicht (Dünnschichttechnologie) ausgebildet und liegt auf einem Substrat vor, welches beispielsweise von einem Silizium-Wafer gebildet werden kann. Es kann für einige Anwendungen auch bevorzugt sein, dass das Substrat Saphir, Silizium, Germanium, SiC, G2O3, SrTi03, GaAs, InP, GaP oder Gläser umfasst.
In bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung wird die Vorrichtung beziehungsweise der Wellenleiter der Vorrichtung und die Absorptionsschicht mit lateralem Materialgradient mit Methoden der Molekularstrahlepitaxie (Molecular Beam Epitaxy, MBE) oder der chemischen Gasphasenabscheidung ( Chemical Vapor Deposition, CVD) oder Kathodenzerstäubung ( Sputtern ) oder gepulster Laserdeposition ( PLD ) hergestellt. Im Übrigen sind verschiedene Herstellungsverfahren denkbar, solange damit die Erzeugung eines lateralen Materialgradienten möglich ist.
Die Herstellung eines kontinuierlichen lateralen Materialgradienten (Gradienten der chemischen Zusammensetzung entlang des Wellenleiters bzw. des Absorptionselementes) erfolgt bevorzugt bei einem Schichtabscheidungsprozess über die geeignete kontinuierliche Regelung der Bereitstellung verschiedener chemischer Elemente und der Regelung des Ortes ihrer Deposition. Dies kann beispielsweise bei der gepulsten Laserdeposition über die Regelung der örtlichen Position des Laserfokus auf dem Ablationstarget erfolgen, wenn das Target geeignet radial segmentiert aufgebaut ist und die dazu synchronisierte Rotation des Substrats. Verschiedene Positionen des Lasers auf dem Target führen zu ablatiertem Material mit verschiedener chemischer Komposition (vgl. Holger von Wenckstern, Zhipeng Zhang, Florian Schmidt, Jörg Lenzner, Holger Hochmuth, Marius Grundmann, Continuous composition spread using pulsed-laser deposition with a single, segmented target, CrystEngComm 15, 10020-10027 (2013)). Mittels der in Holger von Wenckstern et al. offenbarten Verfahrensschritte lässt sich mithin beispielhaft ein kontinuierlicher Materialgradient erzielen. In der Literatur sind weitere Verfahren zur Herstellung eines lateralen Materialgradienten bekannt, die unter anderem mit beweglichen Masken arbeiten (z.B. Marc D. Porter, Combinatorial Materials Science (John Wiley & Sons, Hoboken, NJ, 2007)).
Mit solchen Verfahren können insbesondere Wellenleiter mit Längen im Bereich von 1 cm, bevorzugt kleiner als 1 mm hergestellt werden, wobei Wellenleiter mit so geringen Abmessungen vorteilhafterweise in Mobilgeräte, wie Smartphones oder Tab- lets, eingebaut werden können. Das Absorptionselement kann insbesondere eine Länge in einem Bereich von 50 pm bis 20 mm aufweisen, bevorzugt in einem Bereich von 100 pm bis 10 mm. Insbesondere kann auch der Wellenleiter eine Länge in diesem bevorzugten Längenbereich aufweisen.
Diese Werte sind insbesondere bei solchen Halbleitermaterialien bevorzugt, bei denen eine direkte Bandstruktur vorliegt und eine steile Absorptionskante auftritt. Es ist im Sinne der Erfindung besonders bevorzugt, dass die Länge des Wellenleiters vom Absorptionsvermögen der Materialien und insbesondere von der Dicke der Absorptionsschicht innerhalb des Wellenleiters abhängt. Beispielsweise kann bei der Verwendung von (Si.Ge) als Halbleitermaterial eine Länge des Wellenleiters von einigen Millimetern bevorzugt sein. Es ist im Sinne der Erfindung ganz besonders bevorzugt, dass der Wellenleiter so lang ausgebildet ist, dass eine große Anzahl von Photodetektoren entlang des Wellenleiters angeordnet werden kann, so dass vorteilhafterweise eine besonders gute spektrale Auflösung erreicht wird. Es ist im Sinne der Erfindung insbesondere bevorzugt, dass die Anzahl der Photodetektoren an den spektral zu erfassenden Bereich angepasst werden kann.
Bevorzugt weist, dass Absorptionselemente eine längliche Form auf, dessen Querschnittsdimension klein im Vergleich zur Länge ist, welche dem Verlauf entspricht. Das Verhältnis von Querschnittsdimension zur Länge wird bevorzugt als Aspektverhältnis bezeichnet. Bevorzugt kann das Aspektverhältnis des Absorptionselementes beispielweise 2, 3, 4, 5, 10, 20 oder mehr betragen. Es ist im Sinne der Erfindung bevorzugt, dass das Absorptionselement auf einem Substrat angeordnet vorliegt. Das Substrat ist vorteilhafterweise dazu eingerichtet, der Vorrichtung Stabilität und eine mechanische Festigkeit zu verleihen, so dass die Vorrichtung flexibel für verschiedene Anwendungen eingesetzt werden kann. Das Substrat ermöglicht insbesondere den Einbau der Vorrichtung beziehungsweise der vorgeschlagenen Spektrometer-Anordnung in einer mobilen Kommunikationsvorrichtung, wie einem Smartphone oder einem anderen mobile device. Vorzugsweise kann zwischen dem Substrat und dem Absorptionselement eine Mantelschicht angeordnet vorliegen. Es ergibt sich ein beispielhafter Aufbau des Wellenleiters, wie er in Figur 1 dargestellt wird. Es kann im Sinne der Erfindung beispielsweise bevorzugt sein, dass der Wellenleiter insbesondere einen Absorber umfasst. Es kann aber auch bevorzugt sein, dass der Wellenleiter sowohl einen Absorber, als auch eine Mantelschicht umfasst, wobei es insbesondere bevorzugt sein kann, dass die Mantelschicht deutlich dicker ausgebildet ist als das Absorptionselement des Wellenleiters. Es kann im Sinne der Erfindung bevorzugt sein, dass das Substrat als Mantelschicht dient. Dies kann insbesondere dann bevorzugt sein, wenn der Brechungsindex des Substrats kleiner als der Brechungsindex des Absorbers ist. Es kann alternativ bevorzugt sein, dass zwischen dem Absorptionselement und dem Substrat eine hinreichend dicke Schicht mit einer Dicke von vorzugsweise mehr als einer Wellenlänge der zu detektierenden Strahlung mit kleinerem Brechungsindex als dem Absorber vorliegt, die als Mantelschicht im Sinne der Erfindung dienen kann. Dadurch wird vorteilhafterweise vermieden, dass Strahlung aus dem Wellenleiter verloren geht, indem sie beispielsweise in das Substrat eindringt. Durch die Vorsehung der Mantelschicht kann daher vermieden werden, dass Strahlung für die Untersuchung der Absorption verloren geht.
Es ist im Sinne der Erfindung insbesondere bevorzugt, dass die Mantelschicht beziehungsweise das Material, aus dem die Mantelschicht gebildet ist, für die in den Wellenleiter eingekoppelte Strahlung durchsichtig ist. Es ist im Sinne der Erfindung ferner bevorzugt, dass ein Brechungsindex der Mantelschicht erheblich größer ist als der Brechungsindex des Substrats. Es kann im Sinne der Erfindung darüber hinaus bevorzugt sein, dass ein Brechungsindex des Absorptionselements erheblich größer ist als ein Brechungsindex des Substrats, um die Leitung der Strahlung innerhalb des Wellenleiters zu ermöglichen. Es ist im Sinne der Erfindung bevorzugt, dass sich die Brechungsindizes hinreichend deutlich voneinander unterscheiden. Die Differenz der Brechungsindizes sollte vorzugsweise in einem Bereich von 0,05 bis 0, 1 liegen. In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zur ortsaufgelösten Spektralanalyse für Strahlung, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: a) Bereitstellung eines Wellenleiters, wobei der Wellenleiter ein Absorptionselement umfasst und das Absorptionselement eine variierende chemische Zusammensetzung aufweist,
b) Bereitstellung einer Strahlung, wobei die Strahlung in den Wellenleiter eingekoppelt wird,
c) Absorption von Strahlungsanteilen durch das Absorptionselement in Abhängigkeit von der chemischen Zusammensetzung des Absorptionsele- ments und Eigenschaften der Strahlung, wobei durch die Absorption Ladungsträger in dem Absorptionselement freigesetzt werden, d) Detektion der freigesetzten Ladungsträger durch eine Photodetektor- Anordnung, wobei die Photodetektoren entlang des Wellenleiters angeordnet vorliegen.
Für das vorgeschlagene Verfahren gelten die für den Wellenleiter und die für die Photonendetektor-Anordnung beschriebenen Definitionen, technischen Vorteile und überraschenden Wirkungen analog.
Darüber hinaus kann das Verfahren weitere Verfahrensschritte zur Auswertung der Informationen, die sich aus den freigesetzten Ladungsträgern ergeben, umfassen. Beispielsweise kann das vorgeschlagene Verfahren Entfaltungs- beziehungsweise Dekonvolutions-Methoden und/oder Dekonvolutions-Verfahrensschritte umfassen. Diese Dekonvolutions-Verfahren können im Sinne der Erfindung bevorzugt auch als Entfaltungs-Verfahren bezeichnet werden. Vorzugsweise können solche Methoden als ein bevorzugt numerischer Verfahrensschritt bei der Auswertung der Messer- gebnisse im Rahmen eines Verfahrens zur ortsaufgelösten Spektralanalyse einer in einen Wellenleiter eingekoppelten Strahlung eingesetzt werden. Es ist im Sinne der Erfindung bevorzugt, dass sich die Photoresponse, aus der das Leistungsspektrum der Strahlung rekonstruiert wird, durch die Photosignale der verschiedenen Pho- todetektoren manifestiert. Als Grundlage für die Entfaltung können Kalibrations- schritte dienen, mit denen die Response des Photodetektorarrays auf einfallende monochromatische Strahlung verschiedener Wellenlänge bestimmt werden kann.
Das Verfahren kann vorzugsweise mit einem vorgeschlagenen Wellenleiter gemäß der vorliegenden Erfindung ausgeführt werden. Es kann aber auch bevorzugt sein, andere Wellenleiter zu verwenden. Das Merkmal, wonach das Absorptionselement eine variierende chemische Zusammensetzung aufweist, kann im Sinne der Erfindung vorzugsweise auch dadurch beschrieben werden, dass das Absorptionselement einen Materialgradienten aufweist. Insbesondere ist es bevorzugt, dass das Absorptionselement durch einen Materialgradienten gekennzeichnet ist, um die energetische Lage einer Absorptionskante entlang des Verlaufes des Absorptionselementes zu variieren, um eine ortsaufgelöste spektrale Analyse zu ermöglichen.
Es ist im Sinne der Erfindung weiterhin bevorzugt, dass hochenergetische Strahlungsanteile in einem vorderen Bereich des Wellenleiters und niederenergetische Strahlungsanteile in einem hinteren Bereich des Wellenleiters absorbiert werden, wobei die Absorption vorzugsweise fließend verläuft. Durch die sich örtlich verändernde Absorption der Strahlung kann eine Relation hergestellt werden zwischen dem Ort, an dem die Absorption stattfindet, und der Photonenenergie der entsprechenden Strahlung. Vorzugsweise besteht - wie oben beschrieben - ein Zusammenhang zwischen der Energie der absorbierten Strahlung und der Bandlücke des Materials am Absorptionsort. Vorzugsweise beeinflusst die Energie der absorbierten Strahlung die Menge und/oder Anzahl der freigesetzten Ladungsträger, so dass von dem ermittelten Photostrom, der bevorzugt durch die freigesetzten Ladungsträger erzeugt wird, auf den Anteil einer bestimmten Photonen-Energie in der Strahlung geschlossen werden kann.
Es ist im Sinne der Erfindung bevorzugt, dass die beschriebenen Merkmale einzeln für sich oder auch in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein können.
Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figuren näher beschrieben; es zeigt:
Figur 1 Darstellung eines schematischen Querschnitts durch eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung Figur 2 Darstellung einer schematischen Draufsicht auf eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung
Figur 3 Illustration einer beispielshaften Variation der spektralen Lage einer Absorptionskante mittels einer Variation der Anteile der Legierungspartner einer Halbleiterlegierung entlang des Verlaufs des Absorptionselementes
Figur 1 zeigt einen schematischen Querschnitt durch eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung (10). Insbesondere zeigt Figur 1 einen Wellenleiter (10), wobei die in Figur 1 dargestellte beispielhafte Ausgestaltung der Erfindung (10) ein Substrat (14), eine Mantelschicht (16) und ein Absorptionselement (12) umfasst. Die Mantelschicht (16) kann vorzugsweise auch als„cladding“ bezeichnet werden.
Figur 2 zeigt eine schematische Draufsicht auf eine bevorzugte Ausführungsform einer Photodetektor-Anordnung (18). Die Photodetektor-Anordnung (18) umfasst einen Wellenleiter (10), sowie eine Reihe von Photodektoren (20), die auf beiden Seiten entlang des Wellenleiters (10) angeordnet vorliegen. Es ist im Sinne der Erfindung bevorzugt, dass die Photodetektoren (20) miteinander verschaltet sind, so dass sie in ihrer Gesamtheit eine Photodetektor-Anordnung (18) bilden. Vorzugsweise sind jeweils zwei Photodetektoren (20) gegenüberliegend zueinander ange- ordnet, wobei je ein erster Photodetektor (20) eines solchen Photodetektor-Paares auf der rechten Seite des Wellenleiters (10) angeordnet sein kann und ein zweiter Photodetektor (20) eines solchen Photodetektor-Paares auf der linken Seite des Wellenleiters (10) angeordnet sein kann. Es kann im Sinne der Erfindung auch be- vorzugt sein, dass ein Kontakt eines ersten Photodetektors (20) auf der einen Seite des Wellenleiters (10) angeordnet ist und der andere Kontakt auf der anderen Seite des Wellenleiters (10). Es kann ferner im Sinne der Erfindung bevorzugt sein, dass die Photodetektoren (20) mit beiden Kontakten auf derselben Seite des Wellenleiters (10) angebracht sind.
Es ist im Sinne der Erfindung ganz besonders bevorzugt, dass das Absorptionsele- ment (12) einen Materialgradienten aufweist. Das Vorhandensein eines Materialgra- dienten bedeutet, dass die chemische Zusammensetzung des Absorptionselements (12) mit dem Verlauf des Absorptionselements (12) variiert, so dass das Absorptionselement (12) an unterschiedlichen Stellen jeweils eine unterschiedliche Zusam- mensetzung aufweist. Das Absorptionselement (12) umfasst bevorzugt eine Halb- leiterlegierung mit zwei, drei oder vier Legierungspartnern, wobei sich der Materialgradient bevorzugt darin äußert, dass an unterschiedlichen Orten des Absorptionselements (12) die einzelnen Legierungspartner variierende Bestandteile an der Gesamtzusammensetzung der Halbleiterlegierung aufweisen. Der Pfeil in Figur 2 symbolisiert beispielhaft die einfallende und zu analysierende Strahlung beziehungsweise ihren Weg und/oder Richtung. Die drei Punkte in Figur 2 sollen vorzugsweise symbolisieren, dass sich die Anordnung von Photodetektoren (20) auch in diesem Bereich des Wellenleiters (10) fortsetzt; aus Gründen der Übersichtlichkeit sind die entsprechenden Photodetektoren (20) an den zwei betroffenen Stellen oberhalb und unterhalb des Wellenleiters (10) jedoch in Figur 2 nicht dargestellt.
Figur 3 illustriert beispielshaft eine Variation der spektralen Lage einer Absorptionskante mittels einer Variation der Anteile der Legierungspartner einer Halbleiterlegierung entlang des Verlaufs des Absorptionselementes.
Beispielhaft soll die Funktionsweise anhand des Beispiels eines (Mg,Zn)0-System beschrieben werden, wobei sich die erläuterten Prinzipien analog auf andere Halbleiterlegierungssystem übertragen. In dem (Mg,Zn)0 Mischungshalbleiter mit der chemischen Formel MgxZni-xO gibt x den Mg-Gehalt an.
In Fig. 3 sind oben die experimentellen Absorptionsspektren für x=0 (also reines ZnO), x=0.15 (also Mgo.15ZnO.e5O) und x=0.29 (also Mgo.29ZnO.71O) und die damit verbundene spektrale Verschiebung der Bandkante gezeigt.
Die spektrale Lage der Absorptionskante für x=0 liegt bei ca. 3,3 eV. Die Absorptionskante für x=0, 15 bei ca. 3,6 eV und die Absorptionskante für x=0,29 ist leicht verbreitert mit einer spektralen Lage von ca. 3,9 - 4, 1 eV.
Wie in der unteren Abbildung illustriert, wird bevorzugt ein im Wesentlichen kontinuierlicher Materialgradient von einem vorderen Bereich zu einem hinteren Bereich realisiert, bei welchem x bspw. kontinuierlich von 0,0 auf 0,29 variiert wird. Auf der lichtzugewandten Seite des Wellenleiters bzw. des Absorptionselementes befindet sich eine Materialzusammensetzung mit kurzwelliger bzw. höherenergeti- scher Absorptionskante (hier: hoher Magnesiumanteil; x=0,29), während im hinteren Bereich des Wellenleiters bzw. Absorptionselementes eine Materialzusammenset- zung mit einer langwelligen bzw. niederenergetischen Absorptionskante (hier: geringer Magnesiumanteil; x=0,0) vorliegt.
Während im vorderen Bereich mithin Photonen mit einer Energie von ca. 4 eV (Wellenlänge ca. 310 nm) absorbiert wird, werden im hinteren Bereich Photonen mit ei- ner Energie von ca. 3,3 eV (Wellenlänge ca. 375 nm) absorbiert. Bei einer Propagation des Lichtes durch die Vorrichtung verliert die Strahlung mithin zunehmend hochenergetische Anteile, sodass sich das Spektrum der Strahlung zu geringeren Energien verschiebt. Mittels einer Anordnung von Photodetektoren kann, wie beschrieben, die variierende Absorption der Strahlung anhand der Photostrom-Signal detektiert und eine ort- aufgelöste spektrale Analyse durchgeführt werden.
Bezugszeichenliste:
10 Vorrichtung/Wellenleiter 12 Absorptionselement 14 Substrat
16 Mantelschicht/cladding 18 Photodetektor-Anordnung
20 Photodetektor

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung (10) zur Leitung von Strahlung umfassend ein Absorptionselement (12)
dadurch gekennzeichnet, dass
das Absorptionselement (12) eine entlang seines Verlaufs variierende chemische Zusammensetzung aufweist, welche durch einen Materialgradienten gekennzeichnet ist, um die energetische Lage einer Absorptionskante entlang des Verlaufes des Absorptionselementes (12) zu variieren.
2. Vorrichtung (10) gemäß dem vorherigen Anspruch,
dadurch gekennzeichnet, dass
in einem vorderen Bereich der Vorrichtung (10) in welche die Strahlung eingeleitet wird das Absorptionselement (12) eine höherenergetische Lage der Absorptionskante aufweist, als in einem hinteren Bereich, sodass während einer Propagation der Strahlung durch die Vorrichtung (10) die Strahlung zunehmend hochenergetische Anteile verliert und sich das Spektrum der Strahlung zu geringeren Energien verschiebt.
3. Vorrichtung (10) nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche
dadurch gekennzeichnet, dass
das Absorptionselement (12) auf einem Substrat (14) angeordnet vorliegt.
4. Vorrichtung (10) nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche
dadurch gekennzeichnet, dass
das Absorptionselement (12) ein Material umfasst, das eine binäre, ternäre oder quaternäre Halbleiterlegierung ist.
5. Vorrichtung (10) nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche
dadurch gekennzeichnet, dass
der Materialgradient entlang des Verlaufs des Absorptionselementes (12) monoton steigend oder fallend variiert wird, wobei der Materialgradient bevorzugt eine lineare oder quadratische Abhängigkeit von der Position entlang des Verlaufs des Absorptionselementes (12) aufweist.
6. Vorrichtung (10) nach einem oder mehreren vorherigen Ansprüche
dadurch gekennzeichnet, dass
der Materialgradient durch eine Variation der Anteile der Legierungspartner einer Halbleiterlegierung entlang des Verlaufs des Absorptionselementes (12) gebildet wird.
7. Vorrichtung (10) nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche
dadurch gekennzeichnet, dass
das Absorptionselement (12) eine Halbleiterlegierung der allgemeinen Form AcBi.c umfasst, wobei A und B jeweils Legierungspartner kennzeichnen und x der Anteil von A in der Halblegierung ist, welcher entlang des Verlaufs des Absorptionselementes (12) variiert wird.
8. Vorrichtung (10) nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche
dadurch gekennzeichnet, dass
die energetische Lage der Absorptionskante entlang des Verlaufes des Absorp- tionselementes (12) über einem spektralen Bereich von mindestens 300 meV, bevorzugt mindestens 400 meV, mindestens 500 meV variiert wird.
9. Vorrichtung (10) nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass
zwischen dem Substrat (14) und dem Absorptionselement (12) eine Mantelschicht (16) angeordnet vorliegt.
10. Vorrichtung (10) nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass
das Absorptionselement (12) dazu eingerichtet ist, die Strahlung entlang des Verlaufs der Vorrichtung (10) in Abhängigkeit von der Wellenlänge der Strahlung unterschiedlich stark zu absorbieren.
11. Vorrichtung (10) nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass
das Absorptionselement (12) eine Länge in einem Bereich von 50 pm bis 20 mm aufweist, bevorzugt einem Bereich von 100 miti bis 10 mm.
12. Vorrichtung (10) nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche
dadurch gekennzeichnet, dass
ein Material für das Absorptionselement (12) ausgewählt ist aus einer Gruppe umfassend (Mg,Zn)0, (Si.Ge), (Si,Ge)C, (ln,Ga)203, (AI,Ga)203, (ln,Ga)As, (AI,Ga)As, (ln,Ga)N, (AI,Ga)N, (Cd.Zn)O, Zn(0,S), (AI,Ga,ln)As, (ln,Ga)(As,P), (AI,Ga,ln)N, (Mg,Zn,Cd)0, (AI,Ga,ln)(As,P), (AI,ln,Ga)N und/oder (AI, Ga, ln)203.
13. Photodetektor-Anordnung (18) umfassend eine Vorrichtung (10) nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche
dadurch gekennzeichnet, dass
entlang der Vorrichtung (10) eine Anzahl von N Photodetektoren (20) angeordnet vorliegen, die in ihrer Gesamtheit dazu eingerichtet sind, eine variierende Absorption der Strahlung durch das Absorptionselement (12) entlang des Verlaufs der Vorrichtung (10) zu detektieren.
14. Photodetektor-Anordnung (18) gemäß dem vorherigen Anspruch
dadurch gekennzeichnet, dass die Photodetektor-Anordnung eine Datenver- arbeitungsvorrichtung umfasst, welche dazu eingerichtet ist anhand der an den Photodetektoren (20) gemessenen Photoströme das Spektrum der Strahlung zu bestimmen.
15. Verfahren zur ortsaufgelösten Spektralanalyse
umfassend die folgenden Schritte
a) Bereitstellung eines Wellenleiters (10), wobei der Wellenleiter (10) ein Ab- sorptionselement (12) umfasst und das Absorptionselement (12) eine variierende chemische Zusammensetzung aufweist, welche durch einen Materialgradien- ten gekennzeichnet ist, um die energetische Lage einer Absorptionskante ent- lang des Verlaufes des Absorptionselementes (12) zu variieren
b) Bereitstellung einer Strahlung, wobei die Strahlung in den Wellenleiter (10) eingekoppelt wird,
c) Absorption von Strahlungsanteilen durch das Absorptionselement (12) in Ab- hängigkeit von der chemischen Zusammensetzung des Absorptionselements (12) und Eigenschaften der Strahlung, wobei durch die Absorption Ladungsträ- ger in dem Absorptionselement (12) freigesetzt werden,
d) Detektion der freigesetzten Ladungsträger durch eine Photodetektor- Anordnung (18), wobei eine Anzahl von N Photodetektoren (20) entlang des Wellenleiters (10) angeordnet vorliegen.
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