WO2020035531A1 - Vorrichtung und verfahren zur bestimmung einer wellenlänge einer strahlung - Google Patents

Vorrichtung und verfahren zur bestimmung einer wellenlänge einer strahlung Download PDF

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    • G01N2021/3125—Measuring the absorption by excited molecules

Definitions

  • the invention relates to a device and a method for determining a wavelength of radiation.
  • a dispersive element For the detection of the wavelength of a laser, a dispersive element is usually required, which sorts 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 photodetector array, as a result of which the wavelengths of the individual radiation components can be detected.
  • a disadvantage of such a device with a dispersive element is that the device for determining the wavelength is thereby very large and unwieldy. In particular, if the device is to be installed in a test setup, it would be desirable if a space-saving and compact design of such a device were available, which nevertheless can cover a comparable spectral range as the conventional devices.
  • Wavelength-sensitive devices and photodetectors are known in the prior art, which include indirect semiconductors, for example. Such indirect semiconductors usually have a slowly increasing absorption spectrum. A disadvantage of the use of indirect semiconductors, however, is that suitable semiconductor materials are not available for all wavelength ranges.
  • Fourier spectrometers are also known in the prior art, with which an interferogram of the incident radiation can be generated.
  • a Fourier spectrometer usually comprises an interferometer, with the Fourier spectrometer dividing the incident radiation into individual beams, each of which is directed to movable or fixed mirrors and is later used again. be brought together. In this way, the interferogram can be obtained, which can then be converted into a spectrum using a Fourier transformation.
  • WO 2006/071971 A2 discloses a reconfigurable, polarization-independent interferometer, but in the context of WO 2006/071971 A2 the incident optical signal is split up, as a result of which signal strength is undesirably lost.
  • the solution has the disadvantage that an optical waveguide is required, into which the incident radiation has to be coupled in a complex manner. This requires a lot of adjustment work and there is a risk of measurement errors if the coupling is not quite accurate. Waveguides with small dimensions are usually used, which exacerbates the problem of alignment and focusing.
  • the spectral range of the monolithic solution is limited to the broadening of the absorption edge of the material used.
  • An exemplary value for such a broadened absorption edge can be, for example, 16 meV, with InGaAsP, for example, being used as the photodetector material in known monolithic solutions.
  • the broadening of the absorption edge usually results from thermal and / or statistical effects.
  • 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.
  • a structure for determining a wavelength of radiation is known from US 2007/0125934, which comprises a stratification of a multiplicity of photodetectors each made of homogeneous materials, the photoconductive layers in each case being configured for the absorption of different wavelength ranges.
  • the signals from the individual detectors can be used to draw conclusions about the wavelength spectrum of the incident radiation.
  • the layer structure of US Pat. No. 6,632,701 A1 with a large number of individual detectors is also complex and also leads to a relatively large thickness.
  • the working range of the device is determined by the choice of indirect semiconductors for the respective detectors, the setting of the desired working ranges being severely restricted due to the material.
  • the device should do without a bulky dispersive element and without a waveguide in order to be able to provide a compact device. Furthermore, the device and the method are intended to be able to measure a large wavelength range, with a broadening of the absorption edge being in a range which clearly exceeds the values of 10 to 100 meV mentioned in the prior art.
  • the determination of the wavelength should not depend on thermal and / or statistical effects, but rather on the choice of material, the design and the structure of the device or the individual components of the device. It would also be desirable if the device could be manufactured using planar technology and illuminated from above. Description of the invention:
  • a device for determining a wavelength of radiation comprising at least two absorption elements which are arranged one above the other in a layer structure.
  • the device is characterized in that an upper absorption element has a vertically varying chemical composition and a lower absorption element is chemically homogeneous.
  • the device is preferably set up in a spectral detection range, the upper absorption element having a vertically varying chemical composition, which is characterized by a continuous material gradient, in order to set a wavelength-dependent absorption coefficient over the detection range.
  • the lower absorption element is essentially chemically homogeneous in order to set an absorption coefficient which is essentially constant over the detection range.
  • the device preferably represents a wave meter, a wave meter being a device which is set up to determine and / or detect a wavelength and / or photon energy of a radiation.
  • a wave meter being 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, for example in the infrared (IR), visible and / or ultraviolet (UV) spectral or wavelength range.
  • the incident radiation can be, for example, IR or UV radiation, visible light or laser radiation, the radiation preferably being essentially monochromatic.
  • Radiation encompasses exactly one defined frequency or wavelength, with small deviations Af or D1 with regard to the frequency or wavelength being permitted within the meaning of the invention and being intended to be encompassed by the term “essentially monochromatic”.
  • the term preferably also includes radiation in which up to 5% of the radiation deviates from the desired frequency or wavelength. In particular, there may also be a wavelength distribution, for example a peak or the maximum of a bell curve being in the range of a desired wavelength. It is particularly preferred in the sense of the invention that the radiation whose wavelength is to be determined is electromagnetic radiation.
  • the device is preferably also referred to as a wavemeter, the invention particularly relating to a wavemeter for electromagnetic radiation.
  • an absorption element is a preferably layer-like component of a device for absorbing radiation, which can preferably be electromagnetic radiation, and a photo signal can be generated on the basis of the absorption.
  • the term absorption element for the generation of photo signals is preferably understood to mean absorption elements made of photoconductive materials, ie materials which become more electrically conductive when electromagnetic radiation is absorbed. If electromagnetic radiation is absorbed, for example, 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.
  • an electrical voltage is applied to an absorption element, for example by means of two contacts, the possibly wavelength-dependent absorption of the electromagnetic radiation can be recorded directly as an increase in a photosignal or a photocurrent.
  • Photo signals therefore preferably mean electrical signals which can be detected by the absorption element when electromagnetic radiation is absorbed.
  • the photo signals are preferably photo currents.
  • an upper absorption element has a vertically varying chemical composition, which is preferably characterized by a material gradient in order to set a wavelength-dependent absorption coefficient.
  • a lower absorption element is chemically homogeneous in order to set an essentially constant absorption coefficient.
  • This advantageous construction means that a dispersive element can be dispensed with because the function of the dispersive element in the proposed layer structure is advantageously carried out by the upper absorption element, which has a material gradient, with a clear correlation of the incident wavelength with the strength of the absorption and attenuation the radiation can be provided as it passes through the device.
  • a first photocurrent 11 can be determined in relation to the upper absorption element and a second photocurrent I2 in relation to the lower absorption element, the wavelength of the incident radiation being determinable from the signal ratio 11/12 due to the different absorption characteristics.
  • a wavelength-dependent absorption coefficient is set in a detection range in the upper absorption element, which coefficient varies continuously over a spectral range of 100 meV, 200meV, 500 meV or more.
  • An incident radiation preferably a photosignal or photocurrent, is generated in the detection area, the quantity of which reflects the wavelength-dependent absorption coefficient in the detection area.
  • the lower absorption element is designed to be essentially chemically homogeneous and has an essentially spectrally constant absorption coefficient over the detection area.
  • the lower absorption element can comprise a semiconductor material or a semiconductor alloy, the absorption edge of which lies below the detection range, so that a constant photocurrent is generated in the detection range of the lower absorption element as far as possible regardless of the wavelength.
  • the wavelength of the incident radiation can be reliably determined by determining the ratio of the photocurrents of the two absorption elements.
  • the detection range preferably means that spectral range over which the absorption coefficient is varied depending on the wavelength, so that the determination based on the ratios of the photo signals is meaningful.
  • a wavelength-dependent absorption coefficient can be set by means of a continuous material gradient in the upper absorption element over a particularly wide detection range.
  • Absorption coefficient is to be understood in the usual sense.
  • 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 absorption edge of a semiconductor preferably corresponds to a spectral range in which the absorption coefficient a increases from small values in the transparency range, typically less than 1 to 10 cm 1 , to large values, typically 10 4 to 10 5 cm 1 .
  • compound semiconductors such as GaAs, InP, GaN, ZnO
  • the width of this spectral range is relatively small, typically in the range of 30 meV photon energy or the corresponding wavelength range.
  • Solid state solutions, alloy semiconductors are the lattice sites of the cation or anion lattice or both lattices occupied by various elements, examples being (AI, Ga) As, Ga (As, P) or (AI, Ga) (As, P) Mixture semiconductors or alloy semiconductors with more than 4 elements are also possible, which means that a constant change in the material properties between the binary end components (compound semiconductors consisting of two elements) can be achieved.
  • Such compound semiconductors are used in many semiconductor heterostructures, that is to say structures in which a plurality of semiconductor layers are stacked on top of one another. Examples are light emitting diodes, semiconductor lasers, transistors (HEMT) or multi-junction solar cells.
  • the spectral position of the absorption edge depending on the material.
  • Typical values for the width of the absorption edge for compound semiconductors are 50-150 meV.
  • the width of the absorption edge can also depend on other parameters such as electrical fields or microscopic variation of mechanical stresses in the material. However, the width of the absorption edge is fixed for a given material.
  • the width of the absorption edge that is the energy or wavelength range of interest for the proposed wavemeter, in which the absorption varies and changes from preferably very small values (for example 1 to 10 cm 1 ) to large values (for example 10 4 to 10 5 cm -1 ) changes, set for a given material.
  • the spectral position of the absorption edge preferably varies with the local chemical concentration of the components of a semiconductor mixture.
  • the width of the absorption edge of the entire layer is thus determined, in addition to the physical mechanisms already described, by superimposing the absorption edges of the various semiconductors with different chemical compositions.
  • the shape and, in particular, the width of the absorption edge and its absolute spectral position can advantageously be determined by suitable selection of the initial and final values of the material gradient and its functional shape (linear or non-linear, e.g. square). Typical values that can be achieved are much larger than the width of the absorption edge of a single semiconductor and can be 500 meV, 1 eV or more.
  • the spectral position and width of the area of the absorption edge of the upper absorption element and thus of the detection area is determined by the choice of the material gradient.
  • the absorption edge is in IR, VIS or UV.
  • the width is determined by the course of the band gap E g as a function of the concentration of the material and the width of the chemical variation used. 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. Therefore, if the chemical concentration in the layer varies from Xi to x 2 , the width of the absorption edge is preferably essentially
  • potential broadening mechanisms e.g. alloy spread, temperature-dependent scatter, inhomogeneous mechanical
  • the upper absorption element can comprise a semiconductor alloy in which the proportions of the alloy partners are dependent on the layer position is varied vertically.
  • Semiconductor alloy can preferably be characterized, for example, by a general form A x Bi-x, where A and B are alloy partners and x is the proportion of A in the semi-alloy which is varied vertically.
  • a continuous material gradient in the upper absorption element therefore allows the provision of a wavemeter with a wide detection range (for example of 500meV or more) whose spectral position (that is to say the start and end points, for example 3.5 eV and 4 eV) can be set.
  • the invention can influence the absorption edge, in particular the upper absorption element, significantly beyond the inevitable thermal and statistical effects.
  • the absorption behavior of the upper absorption element changes with the material gradient, so that the position of absorption edges in the spectrum preferably also changes.
  • the present invention deliberately changes the absorption behavior of the device by providing the material gradient, a change in the material gradient advantageously leading to a change in the absorption behavior.
  • the performance parameters of the device depend only insignificantly on the thermal and / or statistical effects, but rather on the choice of material, the design and the structure of the device or of the individual components. ten of the device, in particular of the absorption elements. It is also preferred that the device or the absorption elements can be illuminated from above.
  • the wavemeter does not comprise any waveguides, but rather can preferably be manufactured using a planar technology.
  • planar technology should preferably be understood such that all or a subset of the processing steps for manufacturing the device can be carried out “from above” and / or in flat geometry.
  • processing steps is understood in particular to mean the production of layers, the structuring of photolithography masks, the etching process for structuring, the contacting of the individual elements and / or passivations.
  • the components of the device which are preferably processed on a wafer, can be processed simultaneously and in parallel.
  • functional and / or quality tests can advantageously already be carried out at the wafer level before the separation.
  • the wafer can preferably also be used as a substrate.
  • the absorption edge is determined by the chemical composition of the absorption elements or by the chemical gradient, in particular within the upper absorption element.
  • the spectral sensitivity of the device or the wavemeter advantageously depends on the semiconductor materials used and / or the alloy semiconductor materials or on the configuration of the material gradient in the upper absorber.
  • the upper absorption element can also be referred to as the first absorption element and the lower absorption element as the second absorption element.
  • the incident radiation preferably radiates first through the first absorption element and then through the second absorption element, regardless of how the layer structure is oriented in space.
  • the radiation is directed onto the device in such a way that it radiates through the first absorption element in front of the second absorption element.
  • the upper and the lower absorption element are arranged on different sides of the substrate.
  • the upper absorption element is arranged on an upper side of the substrate and the lower absorption element is on the other side of the substrate, which for example forms an underside of the substrate.
  • This arrangement of the layer structure is preferably referred to as the “opposite” arrangement.
  • layer structure in the context of this embodiment of the invention is then preferably to be understood in such a way that the absorption elements can be present on different sides of the substrate or that the substrate is arranged indirectly or directly between the absorption elements.
  • the wording that the at least two absorption elements are arranged one above the other in a layer structure does not necessarily mean that the absorption elements are arranged on one side of the substrate, but also includes arrangements in which the absorption elements are on the front and the back of the substrate can be arranged.
  • the wavemeter preferably comprises a layer structure which comprises at least two absorption elements.
  • the layer structure 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. It is particularly preferred that the substrate material is transparent in the region of the wavelength to be measured so that the radiation to be examined can penetrate through the material.
  • the substrate material is preferably also suitable for serving as a contact surface.
  • the absorption elements are arranged one above the other in the layer structure, the upper absorption element preferably also being referred to as the first absorption element and the lower absorption element as the second absorption element.
  • the absorption elements can preferably also be referred to as absorbers.
  • the absorption elements are formed by photodetectors, the Photodetectors can be selected from a group including, but not limited to, photoconductor detectors, pn diodes and / or Schottky diodes.
  • the absorption elements comprise or are formed from photosensitive layers, the photosensitive layers preferably being able to be read out individually, ie being read out individually.
  • the absorbers are preferably formed from semiconductors and / or semiconductor alloys with different bandgaps or comprise at least one semiconductor material; direct semiconductor materials are particularly preferred.
  • the upper absorption element comprises a chemical gradient, which is preferably also referred to as a material gradient.
  • the wavelength range to be examined is determined by the suitable choice of the materials of the absorption elements.
  • the use of a (Mg.Zn) O alloy has proven to be particularly advantageous, for example, when UV radiation is to be investigated.
  • the upper absorber is present as a (Mg, Zn) 0 alloy or is at least partially formed from a (Mg, Zn) 0 material.
  • the chemical gradient and / or the material gradient can be linear or non-linear.
  • linear means that the proportion of a constituent of the alloy or of the material from which the upper absorption element is formed has a linear, that is to say a uniform and continuous, course from top to bottom.
  • the proportion of a constituent or alloy partner can decrease or increase, for example, from top to bottom, an application of the proportion depending on the thickness of the material preferably forming a straight line.
  • the fact that the course of the chemical or material gradient runs from top to bottom is preferably referred to in the sense of the invention as a “vertical” gradient.
  • the vertical gradient within the upper absorption element extends from materials with a high band gap to a low band gap or vice versa from materials with a low band gap to a high band gap. It may also be preferred for some applications that the upper absorbent element unite has a square or other nonlinear course of the material gradient. In the sense of the invention, it is particularly preferred that the energy position of the absorption edge changes over the thickness such that the wavelength range is covered uniformly. It is further preferred that there is in particular a linear relationship between absorption strength and wavelength and / or photon energy.
  • the dependency can also be designed to be non-linear as desired. It is particularly preferred to adapt the shape of the material gradient to the dependence of the absorption edge on the concentration.
  • the material gradient is monotonically increasing or decreasing vertically, the material gradient preferably having a linear or square dependency on the vertical position within the upper absorption element.
  • the vertical position preferably denotes a coordinate position along the layer thickness of the upper absorption element.
  • the invention also 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 material gradient within the absorption element, which is preferably monotonically increasing or decreasing, is proposed.
  • the material gradient within the absorption element can change linearly or essentially linearly along the vertical.
  • the device or the layer structure of the device using methods of molecular beam epitaxy (Molecular Beam Epitaxy, MBE) or chemical vapor deposition (Chemical Vapor Deposition, CVD) or cathode sputtering (sputtering) or pulsed laser deposition (PLD ) getting produced.
  • MBE molecular beam epitaxy
  • CVD chemical vapor deposition
  • sputtering cathode sputtering
  • PLD pulsed laser deposition
  • various manufacturing processes are conceivable, as long as this enables the creation of a material gradient.
  • the formation of a material gradient in the upper absorber can preferably be achieved by varying the partial pressures for the individual alloy components in molecular beam epitaxy.
  • chemical vapor deposition the supply of a precursor can be varied, so that a desired, vertically changing composition of the first absorption element results.
  • the chemical vapor deposition is preferably a metal-organic vapor deposition. It was completely surprising that the formation of a material gradient in the upper absorption element or the precise adjustment of the composition of the alloy that forms the upper absorption element enables the spectral sensitivity range of the absorption edge of the wavemeter to be set and designed.
  • a continuous vertical material gradient (gradient of the chemical composition along the growth direction) is preferably produced in a layer deposition process by means of the suitable continuous regulation of the provision of various chemical elements which are to be incorporated into the layer.
  • pulsed laser deposition this can be done, for example, by regulating the local position of the laser focus on the ablation target if the target is suitably segmented. Different positions of the laser on the target lead to ablated material with different chemical Composition (see Max Kn within, Philipp Storm, Gabriele Benndorf, Marius Grundmann, Holger von Wenckstern Combinatorial material Science and strain engineering enabled by pulsed laser deposition using radially segmented targets ACS Comb.
  • control mechanisms have to be applied to other usual deposition processes.
  • Other suitable processes such as molecular beam epitaxy and organometallic gas phase epitaxy for the production of semiconductor layers with vertical material gradients are known from the specialist literature and can be carried out by a person skilled in the art.
  • molecular beam epitaxy for example, the flow of different elements from different sources can be varied by continuously adjusting the source opening and / or the source temperature.
  • organometallic gas phase epitaxy various elements for layer growth can be offered by continuously regulating the introduction of various precursors into the gas flow by means of valve and flow control.
  • the material gradient is in a (Mg.Zn) O alloy system.
  • a (Mg, Zn) 0 alloy represents a particularly preferred example of a ternary alloy for the formation of the absorption elements, it being particularly preferred that the absorption elements are formed from ternary or quaternary alloys.
  • the particularly preferred (Mg, Zn) 0 alloy system can preferably be formed according to the specification Mg x Zni -x O, so that more magnesium results in less zinc.
  • the third component of the (Mg, Zn) Q alloy system is oxygen.
  • the material gradient in the upper absorption element is formed by a vertical variation of the proportions of the alloy partners of a semiconductor alloy.
  • the upper 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 vertically.
  • 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 the 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 even 0.1 can also be preferred: it may be preferred to run x between 0.1, 0.2, 0.3, 0.4, 0.5, 0.6, 0.7, 0.8 or 0.9 to 1.0. Any combination, for example 0.2 to
  • a x Bi_x is applicable to binary, ternary or quaternary alloys.
  • alloy partners A and B can also identify a semiconductor mixture, or the upper absorption element comprises a semiconductor alloy with three or more alloy partners, only the proportions of two alloy partners being varied.
  • Such an exemplary course of the index x is preferably referred to as a “square course.
  • the course of the material gradient is performed by a function
  • x xo + xrd + X2-d 2 + X 3 -d 3 ...
  • the Xi preferably representing coefficients which are preferably constant. Any non-linear functions can be set using such a Taylor series.
  • 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 is met in particular by the preferred materials proposed in the context of the present invention.
  • 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 upper and lower absorption element comprises a semiconductor alloy made of direct semiconductors, particularly preferably selected from the group (Mg, Zn) 0, (In, Ga) 203, (Al, Ga) 203, (In, 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 and / or (AI, Ga, ln) 203, the person skilled in the art knows that a semiconductor alloy comprising AIGa, depending on the proportions of Al and Ga, can be a direct or indirect semiconductor with a corresponding direct or indirect band gap.
  • the lower absorption element is chemically homogeneous.
  • this preferably means that the constituents and / or alloy partners of the material from which the lower absorption element is formed, evenly, ie preferably statistically distributed within the lower absorption element or within the layer which forms the second, lower absorption element.
  • the lower absorption element can be formed by an essentially pure ZnO layer.
  • the term chemically homogeneous with respect to the lower absorption element therefore preferably means a material composition which is not essentially varied vertically, but is essentially uniform or statistically constant along the vertical.
  • the lower absorption element is preferably designed to absorb all wavelengths in the wavelength range of the incident radiation, so that the wavelengths of the incident radiation can be determined using the wavemeter. It is preferred in the sense of the invention that the lower absorber is designed to be sensitive for a wide range of wavelengths in the sensitivity range.
  • the first and the second absorption element can be formed from the same material. However, it can also be preferred in the sense of the invention that the absorption elements consist of different materials.
  • a first photocurrent 11 can be determined in relation to the upper absorption element and a second photocurrent I2 can be determined in relation to the lower absorption element, the wavelength of the incident radiation being determinable from the signal ratio 11/12 is.
  • the layer structure comprises contacts between the absorption elements, the photocurrents 11 and I2 being measurable between the contacts. It is particularly preferred that the photocurrent 11 can be measured between the contacts that surround the upper absorption element, while the photocurrent I2 can be measured between the contacts that surround the lower absorption element. If the device consists of two absorption elements, the wavemeter preferably has three contacts, the contacts from top to bottom being referred to as first, second and third contacts.
  • the upper absorption element is arranged between the first and the second contact and that the photocurrent 11 is measured between the first and the second contact. It is further preferred that between the second and the lower contact element is arranged in the third contact and that the photocurrent I2 is measured between the second and the third contact. This is also shown in Figure 1, for example.
  • the photocurrent is a current which flows due to the radiation of the absorption elements between the contacts which surround the absorption elements and to which a voltage is preferably applied in each case. It is particularly preferred in the sense of the invention that charge carriers are released in the absorption elements by the absorption of the radiation.
  • a photocurrent is preferably formed by the released charge carriers.
  • the wavelength of the radiation to be examined can be reconstructed from the ratio of the photocurrents 11 and I2.
  • the device comprises a data processing device which is set up to calculate the ratio of the signals of the photocurrents and to determine the wavelength of the radiation taking into account the ratio.
  • 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, a 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 also a flash memory to save the data.
  • the data processing device can be both a microprocessor, for example, which can be installed compactly in a housing with the device.
  • a personal computer, a laptop, a tablet or the like is also conceivable, which, in addition to means for receiving, sending, storing and / or processing data, also includes displaying the data and an input means, such as a keyboard, a mouse, for example Touchscreen etc.
  • calibration data which are used to determine the wavelength from the ratio of the photocurrents, can preferably be present on the data processing device.
  • the absorption elements can further be preferred to arrange the absorption elements on the front and / or the back of a substrate, wherein the substrate can preferably be formed by a wafer.
  • the substrate can preferably be formed by a wafer.
  • the photodetectors obtained in this way can preferably be referred to as “opposing photodetectors”.
  • the substrate is at least partially transparent to the radiation in the wavelength range of interest. This advantageously avoids intermediate contacts at which photo signals can be lost, as a result of which the signal to be detected can be weakened.
  • the photodetectors are each configured identically or differently as a photoconductor, pn and / or Schottky diode.
  • the first and second absorption elements are attached to one side of the substrate.
  • the device comprises a number of N absorption elements and a number of at least N + 1 contacts.
  • the wavemeter comprises more than two absorption elements.
  • the different absorption elements absorb radiation in different wavelength ranges.
  • the different absorption elements can be set up to absorb radiation in different wavelength ranges or to detect and / or determine the corresponding different wavelengths. This is associated with the advantage that a spectral intensity distribution in this area can be measured separately.
  • the contacts can preferably also be designed as contact areas or contact layers.
  • the absorption elements can preferably also be layer-shaped, so that the absorption elements are arranged, for example, between the contact layers and can form a sandwich-like layer structure.
  • a proposed device can comprise a layer structure with a plurality of absorption elements, each of which has a material gradient.
  • a layer structure is preferably referred to in the sense of the invention as a layer structure with a plurality of gradient layers as absorption elements.
  • a layer structure can comprise one or more homogeneous layers as absorption elements. These homogeneous layers can be arranged between the gradient layers or as the start and / or end layer of a preferred layer structure. In the sense of the invention, it is particularly preferred if the homogeneous layers are matched to the gradient of the gradient layers in terms of design and material.
  • N photocurrents can be determined if the layer structure comprises N absorption elements. It is very particularly preferred in the sense of the invention that the radiation to be examined shines through the individual absorption elements one after the other, the absorption elements having a higher-energy absorption edge being passed through first. In other words, it is preferred in the sense of the invention that the incident radiation is passed through the absorption elements one after the other, the absorption elements being arranged with respect to the incident radiation that the absorption elements with a higher-energy absorption edge are first traversed and other absorption elements with a lower absorption edge are later irradiated by the incident radiation.
  • the absorption elements are arranged in the layer structure in accordance with their absorption edge, the absorption elements with a higher energy absorption edge preferably being arranged in the region of the layer structure to which the incident radiation first impinges.
  • the contacts are designed to be electrically conductive and transparent to radiation in a defined wavelength range.
  • the person skilled in the art can select suitable materials.
  • the conductivity of the contacts can be achieved, for example, in that the contacts are made of a conductive material or that the contacts have a conductive coating on their surface.
  • the contacts can be formed from a (Mg, Zn) 0 alloy, which can be doped with aluminum (Al) or gallium (Ga), for example.
  • the contacts comprise electrically conductive layers.
  • the term “in a defined wavelength range” can preferably be understood as a specific, selected and / or special wavelength range.
  • this is intended to mean the wavelength range of the incident radiation, which is preferably also referred to as the “relevant wavelength range”.
  • transparency in a defined wavelength range therefore preferably means that the transparent constituents of the device do not absorb radiation in the wavelength range of the incident radiation, or absorb it only insignificantly.
  • the term “relevant wavelength range” denotes the wavelength range in which a clear determination of the wavelength of the incident radiation is possible.
  • the absorption elements are set up to absorb radiation in the defined wavelength range. This applies in particular to the lower absorption element. In the sense of the invention, this preferably means that the second absorber has all wavelengths in the relevant range Absorbed wavelength range. This is achieved in particular by a sufficiently large thickness d2 of the material layer, which for example forms the lower absorber. In the sense of the invention, it is preferred that the thickness of the absorption elements can be selected as a function of the absorption capacity of the material. A thickness of the absorption elements is preferably in the range of the inverse absorption coefficient of the corresponding material.
  • the thicknesses of the absorption elements can be, for example, in a range from 100 to 200 nm, preferably between 140 and 160 nm and most preferably 150 nm. In the sense of the invention it can be preferred that the thicknesses d1 and d2 are of the same size; however, it can also be preferred for other applications that the thicknesses d1 and d2 have different values. In the case of indirect semiconductors, larger thicknesses of, for example, 100 ⁇ m can also be preferred.
  • a first photocurrent 11 can be determined in relation to the upper absorption element and a second photocurrent I2 in relation to the lower absorption element.
  • the photocurrents are preferably also referred to as photo signals, so that in the sense of the invention it can be particularly preferred to determine photo signals with respect to the absorption elements of the device, one wavelength the incident radiation can be determined from the signal ratio of the photo signals of the two absorption elements.
  • the photocurrents for an absorption element are measured in each case between the contacts between which the respective absorption element is arranged, with a voltage V1 being present at the first contact of the wavemeter and a voltage V2 at the second contact of the wavemeter.
  • the wavelength of the incident radiation can then be determined from the signal ratio 11/12, the signal ratio 11/12 preferably also being referred to as the quotient of the photocurrents.
  • the signal ratio depends on the wavelength of the incident radiation, the signal ratio depending in particular in a mathematically strictly monotonous manner on the wavelength of the incident radiation.
  • the layer structure comprising contacts and absorption elements or comprising contact layers and photoresistive layers which form the absorption elements are arranged on a substrate.
  • the invention relates to a method for determining a wavelength of radiation, which comprises the following steps: a) providing a device for detecting a wavelength of a
  • the device with which the method is carried out is a device proposed here for determining a wavelength of radiation.
  • the definitions, technical effects and surprising advantages described for the device apply analogously to the proposed method.
  • the device should be a wavemeter which comprises at least two absorption elements, the absorption elements being arranged one above the other in a layer structure.
  • an upper absorption element has a vertically varying chemical composition, which is characterized by a continuous material gradient that adjusts a wavelength-dependent absorption coefficient over the detection range.
  • a lower absorption element is chemically homogeneous. It is preferred in the sense of the invention that the absorption elements are arranged directly one above the other on the substrate and / or a carrier material.
  • the absorption elements are separated from one another by a transparent substrate, for example on the front and the back of the substrate, which can be formed, for example, by a wafer.
  • a transparent substrate for example on the front and the back of the substrate, which can be formed, for example, by a wafer.
  • the upper and the lower absorption element are arranged on different sides of the substrate.
  • the upper absorption element is arranged on an upper side of the substrate and the lower absorption element is on the other side of the substrate, which for example forms a lower side of the substrate.
  • This arrangement of the layer structure is preferably referred to as the “opposite” arrangement.
  • the signal ratio depends on the wavelength of the incident radiation, the signal ratio depending in particular in a mathematically strictly monotonous manner on the wavelength of the incident radiation.
  • the device can be illuminated from above during the implementation of the method.
  • this preferably means that the radiation preferably first falls on the upper absorption element and then penetrates through the further layers of the layer structure.
  • the fact that the device is illuminated from above when carrying out the method can preferably be achieved by providing the radiation whose wavelength is to be determined, the radiation preferably being directed onto the device, for example from above.
  • the upper absorption element which preferably has a chemically vertically varying material gradient, is preferably designed to absorb a first portion of the incident radiation and to convert it into a photocurrent signal 11.
  • the upper absorber can have the appropriate means for this.
  • the proposed method comprises the absorption of a first portion of the radiation by the upper absorption element and the conversion of the radiation into a photocurrent signal 11.
  • the lower absorption element is preferably set up to absorb a second portion of the incident radiation and into to convert a photocurrent signal I2, the second absorber preferably being chemical and homogeneous in terms of composition.
  • the lower absorber can also have the appropriate means for converting the radiation into a photocurrent signal.
  • the proposed method comprises the absorption of a second portion of the radiation by the lower absorption element and the conversion of the radiation into a photocurrent signal I2.
  • the upper absorption element has a different tically varying chemical composition and the lower absorption element is chemically homogeneous, a first photocurrent 11 being determinable with respect to the upper absorption element and a second photocurrent I2 being determinable with respect to the lower absorption element.
  • the wavelength of the radiation is determined taking into account the signal ratio 11/12.
  • the wavelength of the radiation incident on the device or the wavemeter from above is determined.
  • the wavelength of the incident radiation can be determined from the signal ratio 11/12. This can advantageously be achieved in that there is a preferably strictly monotonic dependency between the wavelength and the photocurrent quotient 11/12, so that the wavelength can advantageously be inferred from the ratio between the quantities.
  • the device can be calibrated by measuring the photocurrent ratio with monochromatic light sources of known wavelength.
  • the invention is therefore preferably calibratable in the sense of the invention.
  • FIG. 2 shows an alternative embodiment of the invention
  • FIG. 3 illustration of an exemplary design of the absorption spectrum by means of a variation in the proportions of the alloy partners of a semiconductor alloy
  • Figure 1 shows a schematic cross section through a preferred embodiment of the invention (10) and in particular a side view of a preferred embodiment of the proposed device (10).
  • a layer structure (16) is shown, which comprises absorption elements (12, 14) and contacts (18a, 18b, 18c).
  • the layer structure (16), which is shown in Figure 1 terminates at the top with an upper or first contact (18a).
  • a photoresistive layer is arranged beneath the first contact (18a) and preferably the upper absorption layer element (12) forms.
  • the second or middle contact (18b) is arranged below the upper absorber (12).
  • a photocurrent 11 can be measured between the first contact (18a) and the second contact (18b), which is connected to the upper absorption element (12), the first Contact (18a) a voltage V1 and a voltage V2 can be present at the second contact (18b).
  • the lower absorption element (14) is arranged below the second contact (18b).
  • the third or lower contact (18c) is arranged below the lower absorber (14), the five named layers (12, 14, 18a, 18b and 18c) forming the layer structure (16) of the wavemeter (10), the layer structure ( 16) can preferably be arranged on a substrate (20).
  • FIG. 2 shows an alternative embodiment of the invention.
  • FIG. 2 shows a layer structure (16) in which the absorption elements (12, 14) are arranged on different sides of a substrate (20).
  • the upper absorption element (12) is arranged on an upper side of the substrate (20)
  • the lower absorption element (14) is arranged on an underside of the substrate (20).
  • Contacts (18a, b, c) or contact layers can preferably be arranged between the absorption elements (12, 14) and the substrate (20).
  • the entirety of the contact layers 18a, b, c is preferably described in the description of the figures and the claims by the reference symbol “18”.
  • the photo signals are measured between two contacts (18) which each surround the first absorption element (12) and the second absorption element (14).
  • the first photo signal which is preferably formed by a first photo current 11
  • the second photo signal which is preferably formed by a second photo current I2
  • the photo signal is preferably produced in each case by the fact that charge carriers are released by the incident radiation in the absorption element (12, 14), the charge carriers being located within the absorption element. elements (12, 14) by the applied voltage in a directional movement from one contact (18) to another contact (18). This charge carrier current can preferably be measured as a photocurrent.
  • FIG. 3 illustrates an example of a design or the possibility of setting an absorption spectrum by means of a variation in the proportions of the alloy partners of a semiconductor alloy.
  • a wavelength-dependent absorption coefficient for a preferred detection range can thus be set by means of a variation of the alloy partners of the semiconductor system for setting the material gradient.
  • the detection range would extend, for example, from 3.3 eV to 4.2 eV and thus over a spectral range of almost 1 eV.
  • the lower absorption element will preferably have an absorption coefficient that is essentially independent of the wavelength over the detection range.
  • Mg0.0Zn1.0O i.e. pure ZnO, which from 3.3. eV a high absorption has on coefficient.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Bestimmung einer Wellenlänge einer Strahlung. Die Vorrichtung umfasst mindestens zwei Absorptionselemente (12, 14) zur Generation von Photosignalen, wobei die Absorptionselemente (12, 14) in einem Schichtaufbau (16) übereinander angeordnet vorliegen wobei ein oberes Absorptionselement (12) eine vertikal variierende chemische Zusammensetzung aufweist, welche durch einen Materialgradienten gekennzeichnet ist, um einen wellenlängenabhängigen Absorptionskoeffizienten einzustellen, und ein unteres Absorptionselement (14) chemisch homogen ausgebildet ist.

Description

VORRICHTUNG UND VERFAHREN ZUR BESTIMMUNG EINER WELLENLÄNGE
EINER STRAHLUNG
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Bestimmung einer Wel- lenlänge einer Strahlung.
Stand der Technik:
Im Stand der Technik sind zur Bestimmung einer Wellenlänge einer Strahlung verschiedene Vorrichtungen und Photodetektoren bekannt. Für die Detektion der Wel- lenlänge eines Lasers ist üblicherweise ein dispersives Element erforderlich, das die einfallende Strahlung nach Wellenlängen sortiert. Als dispersive Elemente werden üblicherweise Gitter oder Prismen eingesetzt. Die nach Wellenlänge sortierte Strahlung beziehungsweise die Strahlungsbestandteile können dann auf verschiedenen Orten eines Photodetektor-Arrays abgebildet werden, wodurch die Wellenlängen der einzelnen Strahlungsbestandteile detektiert werden können. Nachteilig an einer solchen Vorrichtung mit dispersivem Element ist, dass die Vorrichtung zur Wellenlängenbestimmung dadurch sehr groß und unhandlich wird. Insbesondere wenn die Vorrichtung in einen Versuchsaufbau eingebaut werden soll, wäre es aber wünschenswert, wenn eine raumsparende und kompakte Ausführung einer solchen Vor- richtung verfügbar wäre, die dennoch einen vergleichbaren Spektralbereich wie die herkömmlichen Vorrichtungen abdecken kann.
Im Stand der Technik sind wellenlängenempfindliche Vorrichtungen und Photodetektoren bekannt, die beispielsweise indirekte Halbleiter umfassen. Solche indi- rekten Halbleiter weisen üblicherweise ein langsam ansteigendes Absorptionsspektrum auf. Nachteilig an der Verwendung von indirekten Halbleitern ist es jedoch, dass es nicht für alle Wellenlängenbereiche entsprechende geeignete Halbleitermaterialien gibt. Ferner sind im Stand der Technik Fourier-Spektrometer bekannt, mit denen ein In- terferogramm der einfallenden Strahlung erstellt werden kann. Ein Fourier- Spektrometer umfasst üblicherweise ein Interferometer, wobei innerhalb des Fourier-Spektrometers eine Aufteilung der einfallenden Strahlung in Einzelstrahlen erfolgt, die jeweils auf bewegliche oder feste Spiegel gelenkt und später wieder zu- sammengeführt werden. Auf diese Weise kann das Interferogramm erhalten werden, das dann über eine Fourier-Transformation in ein Spektrum umgewandelt werden kann. Beispielsweise offenbart die WO 2006/071971 A2 ein rekonfigurierbares, polarisationsunabhängiges Interferometer, wobei im Kontext der WO 2006/071971 A2 das einfallende optische Signal allerdings aufgespaltet wird, wodurch Signalstärke unerwünschterweise verloren geht.
Darüber hinaus sind monolithische Lösungen bekannt, bei denen zwei Photodetektoren verwendet werden, die beispielsweise auf einem Wellenleiter angeordnet vorliegen. Beispielsweise offenbart die US 5,760/419 A einen Wellenlängenmesser mit zwei Photodetektoren bzw. Photodioden zwischen denen ein wellenlängenabhängiger Reflektor zwischengeschaltet wird. Es wird vorgeschlagen, aus einem Verhältnis der Photoströme der Photodetektoren auf die Wellenlänge der einfallenden Strahlung zu schließen. Hierbei sind die Photodetektoren in Bezug auf ihre spektrale Charakteristik identisch. Eine Selektivität für die Wellenlänge der einfallenden Strahlung resultiert aus der wellenlängenabhängigen Reflexionscharakteristik des Spiegels. Nachteilig an dieser Lösung ist jedoch der aufwendige und komplexe Aufbau eines wellenlängenabhängigen Reflektors, welcher im Falle der US 5,760/419 A beispielsweise durch einen dielektrischen Bragg-Spiegel mit mehr als 20 Schichten verwirklicht wird.
Zudem ist die Lösung ist mit dem Nachteil verbunden, dass ein Lichtwellenleiter erforderlich ist, in den die einfallende Strahlung aufwendig eingekoppelt werden muss. Dies erfordert einen hohen Justage-Aufwand und es besteht die Gefahr von Messfehlern, wenn die Einkopplung nicht ganz genau gelingt. Üblicherweise werden Wellenleiter mit kleinen Dimensionen verwendet, wodurch das Problem der Justage und der Fokussierung verschärft wird.
Darüber hinaus ist bei der monolithischen Lösung der Spektralbereich auf die Verbreiterung der Absorptionskante des verwendeten Materials beschränkt. Ein beispielhafter Wert für eine solche verbreiterte Absorptionskante kann beispielsweise bei 16 meV liegen, wobei bei bekannten monolithischen Lösungen beispielsweise InGaAsP als Photodetektor-Material verwendet wird. Die Verbreiterung der Absorptionskante ergibt sich üblicherweise durch thermische und/oder statistische Effekte. 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 ei- nem vorzugsweise elektromagnetischen Spektrum gemeint sein, in dem ein abrupter Unterschied zwischen einem Bereich starker Absorption und einem Bereich schwacher Absorption auftritt.
Aus der US 2007/0125934 ist ein Aufbau zur Bestimmung einer Wellenlänge einer Strahlung bekannt, welcher eine Schichtung einer Vielzahl von Photodetektoren aus jeweils homogenen Materialien umfasst, wobei die photoleitenden Schichten jeweils für die Absorption unterschiedlicher Wellenlängenbereiche konfiguriert sind. Anhand der Signale der einzelnen Detektoren können Rückschlüsse auf das Wellenlängenspektrum der einfallenden Strahlung gezogen werden. Der Schichtaufbau der US 6,632,701 A1 mit einer Vielzahl von einzelnen Detektoren ist jedoch ebenfalls aufwendig und führt zudem zu einer verhältnismäßig großen Dicke. Weiterhin wird der Arbeitsbereich der Vorrichtung durch die Wahl indirekter Halbleiter für die jeweiligen Detektoren festgelegt, wobei die Einstellung der gewünschten Arbeitsbereiche materialbedingt stark eingeschränkt ist.
Es ist demnach Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Bestimmung der Wellenlänge einer Strahlung bereitzustellen, die nicht die Nachteile und Mängel des Standes der Technik aufweisen. Die Vorrichtung soll ohne ein raumgreifendes dispersives Element und ohne Wellenleiter auskommen, um eine kompakte Vorrichtung bereitstellen zu können. Ferner soll mit der Vorrichtung und dem Verfahren ein großer Wellenlängenbereich ausgemessen werden können, wobei eine Verbreiterung der Absorptionskante in einem Bereich liegen soll, der die im Stand der Technik genannten Werte von 10 bis 100 meV deutlich übersteigt. Insbesondere soll die Bestimmung der Wellenlänge nicht von thermischen und/oder statistischen Effekten abhängen, sondern von der Materialauswahl, dem Design und der Struktur der Vorrichtung beziehungsweise der einzelnen Komponenten der Vorrichtung. Wünschenswert wäre es ferner, wenn die Vorrichtung unter Verwendung der Planartechnologie hergestellt und von oben beleuchtet werden kann. 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 Bestimmung einer Wellenlänge einer Strahlung vorgesehen, wobei die Vorrichtung mindestens zwei Absorptionselemente umfasst, die in einem Schichtaufbau übereinander angeordnet vorliegen. Die Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass ein oberes Absorptionselement eine vertikal variierende chemische Zusammensetzung aufweist und ein unteres Absorptionselement chemisch homogen ausgebildet ist. Bevorzugt ist die Vorrichtung in einem spektralen Detektionsbereich eingerichtet, wobei das obere Absorptionselement eine vertikal variierende chemische Zusammensetzung aufweist, welche durch einen kontinuierlichen Materialgradienten gekennzeichnet ist, um über den Detektionsbereich einen wellenlängenabhängigen Absorptionskoeffizienten einzustellen. Das untere Absorptionselement ist im Wesentlichen chemisch homogen ausgebil- det.um einen über den Detektionsbereich im Wesentlichen konstanten Absorptionskoeffizienten einzustellen.
Die Vorrichtung stellt vorzugsweise ein Wavemeter dar, wobei ein Wavemeter eine Vorrichtung darstellt, die dazu eingerichtet ist, eine Wellenlänge und/oder Photo- nenenergie 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, beispielsweise im infraroten (IR), sichtbaren und/oder ultravioletten (UV) Spektraloder Wellenlängenbereich. Bei der einfallenden Strahlung kann es sich beispiels- weise um IR-, oder UV-Strahlung, sichtbares Licht oder Laserstrahlung handeln, wobei die Strahlung vorzugsweise im Wesentlichen monochromatisch ist.
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.
Der Begriff„im Wesentlichen“ ist für den Durchschnittsfachmann daher auch im Zusammenhang mit einer monochromatischen Strahlung nicht unklar, weil der Fachmann weiß, dass„im Wesentlichen monochromatische Strahlung“ vorzugsweise Strahlung mit genau einer definierten Frequenz beziehungsweise Wellenlänge um- fasst, wobei im Sinne der Erfindung kleine Abweichungen Af oder Dl hinsichtlich der Frequenz oder Wellenlänge zulässig sein sollen und von dem Begriff„im Wesentlichen monochromatisch“ umfasst sein sollen. Der Begriff umfasst vorzugsweise auch solche Strahlung, bei der bis zu 5 % der Strahlung von der gewünschten Frequenz oder Wellenlänge abweicht. Insbesondere kann auch eine Wellenlängenverteilung vorliegen, wobei beispielsweise ein Peak oder das Maximum einer Glockenkurve im Bereich einer gewünschten Wellenlänge vorliegt. Es ist im Sinne der Erfindung insbesondere bevorzugt, dass es sich bei der Strahlung, deren Wellenlänge bestimmt werden soll, um elektromagnetische Strahlung handelt. Vorzugsweise wird die Vorrichtung im Folgenden auch als Wavemeter bezeichnet, wobei die Erfindung insbe- sondere ein Wavemeter für elektromagnetische Strahlung betrifft.
Ein Absorptionselement ist im Sinne der Erfindung eine vorzugsweise schichtartig ausgebildete Komponente einer Vorrichtung zur Absorption von Strahlung, bei der es sich bevorzugt um elektromagnetische Strahlung handeln kann, wobei aufgrund der Absorption ein Photosignal generiert werden kann. Unter dem Begriff Absorptionselement zur Generation von Photosignalen werden bevorzugt Absorptionsele- mente aus photoleitenden (engl photoconductive) Materialien verstanden, d.h. Ma- terialien, welche bei Absorptionen elektromagnetischer Strahlung elektrisch leitfähiger werden. Wenn elektromagnetische Strahlung beispielsweise von einem Halbleiter absorbiert wird, dessen Bandlücke kleiner als die Photonenenergie der elektromagnetischen Strahlung ist, erhöht sich die Anzahl der freien Elektronen und Elekt- ronenlöcher, sodass die elektrische Leitfähigkeit zunimmt. Wird an ein Absorptions- element beispielsweise mittels zweier Kontakte eine elektrische Spannung angelegt, so kann die ggf. wellenlängenabhängige Absorption der elektromagnetischen Strahlung unmittelbar als eine Erhöhung eines Photosignales bzw. eines Photostromes verzeichnet werden. Photosignale meinen mithin bevorzugt elektrische Signale, welche bei Absorption einer elektromagnetischen Strahlung durch das Absorptionselement detektiert werden können. Bevorzugt handelt es sich bei den Photosignalen um Photoströme. Im Kontext der vorliegenden Erfindung weist ein oberes Absorptionselement eine vertikal variierende chemische Zusammensetzung auf, welche bevorzugt durch einen Materialgradienten gekennzeichnet ist, um einen wellenlängenabhängigen Absorptionskoeffizienten einzustellen. Ein unteres Absorptionselement ist chemisch homogen ausgebildet, um einen im Wesentlichen konstanten Absorptionskoeffizienten einzustellen. Durch diesen vorteilhaften Aufbau kann auf ein dispersives Element verzichtet werden, weil die Funktion des dispersiven Elements in dem vorgeschlagenen Schichtaufbau vorteilhafterweise von dem oberen Absorptionselement, das einen Materialgradienten aufweist, übernommen wird, wobei eine eindeutige Korrelation der einfallenden Wellenlänge mit der Stärke der Absorption und Schwächung der Strahlung beim Durchgang durch die Vorrichtung bereitstellt werden kann.
So kann beispielsweise in Bezug auf das obere Absorptionselement ein erster Photostrom 11 ermittelt werden und in Bezug auf das untere Absorptionselement ein zweiter Photostrom I2, wobei aufgrund der unterschiedlichen Absorptionscharakte- ristika die Wellenlänge der einfallenden Strahlung aus dem Signal-Verhältnis 11/12 bestimmbar ist.
Beispielsweise kann es bevorzugt sein, dass im oberen Absorptionselement aufgrund eines Materialgradienten ein wellenlängenabhängiger Absorptionskoeffizient in einem Detektionsbereich eingestellt wird, welcher kontinuierlich über einen spekt- ralen Bereich von 100 meV, 200meV, 500 meV oder mehr variiert. In dem Detektionsbereich wird eine einfallende Strahlung, bevorzugt ein Photosignal bzw. Pho- tostrom, generiert, dessen Quantität den wellenlängenabhängigen Absorptionskoeffizient in dem Detektionsbereich reflektiert. Im Gegensatz dazu ist vorgesehen, dass das untere Absorptionselement im Wesentlichen chemisch homogen ausgestaltet ist und über den Detektionsbereich einen im Wesentlichen spektral konstanten Absorptionskoeffizienten aufweist. Beispielsweise kann das untere Absorptionselement ein Halbleitermaterial oder eine Halbleiterlegierung umfassen, dessen Absorptionskante unterhalb des Detektionsbereiches liegt, sodass im Detektionsbereich des unteren Absorptionselementes weitestgehend wellenlängenunabhängig ein konstanter Pho- tostrom generiert wird. Aufgrund der unterschiedlichen Absorptionscharakteristika der beiden Absorptionselemente im Detektionsbereich kann mittels der Bestimmung des Verhältnisses der Photoströme beider Absorptionselemente zuverlässig auf die Wellenlänge der ein- fallenden Strahlung geschlossen werden. Im Sinne der Erfindung meint der Detekti- onsbereich bevorzugt jenen spektralen Bereich über welchen der Absorptionskoeffizient wellenlängenabhängig variiert wird, sodass die Bestimmung anhand der Verhältnisse der Photosignale aussagekräftig möglich ist.
Erfindungsgemäß wurde erkannt, dass mittels eines kontinuierlichen Materialgradienten im oberen Absorptionselement über einen besonders breiten Detektionsbereich ein wellenlängenabhängiger Absorptionskoeffizienten eingestellt werden kann. Absorptionskoeffizient ist im üblichen Sinne zu verstehen. Bekanntermaßen kann die Absorption von Licht durch einen Absorptionskoeffizienten a beschrieben wer- den, der die Schwächung der Lichtintensität beim Durchgang durch ein absorbie- rendes 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 Absorptionskante eines Halbleiters entspricht bevorzugt einem spektralen Bereich, in dem der Absorptionskoeffizient a von geringen Werten im Transparenzbe- reich, typischerweise weniger als 1 bis 10 cm 1, auf große Werte, typischerweise 104 bis 105 cm 1, ansteigt. Bei Verbindungshalbleitern (wie z.B. GaAs, InP, GaN, ZnO) mit direkter Bandstruktur ist die Breite dieses Spektralbereichs 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- sehe" 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. Legierungshalbleiter mit mehr als 4 Elementen sind möglich. Hierdurch kann eine stetige Veränderung der Materialeigenschaften zwischen den binären Endkomponenten (Verbindungshalbleitern aus 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 ist es möglich, materialabhängig die spektrale Lage der Absorptionskante vorzugeben. Die zumeist zufällige Besetzung der Gitterplätze mit mehreren Elementen führt zu einem geringfügigen Verbreiterungsmecha- nismus der Absorptionskante, der sogenannten Legierungsverbreiterung. Typische Werte der Breite der Absorptionskante für Mischungshalbleiter sind 50-150 meV. Die Breite der Absorptionskante kann zudem von weiteren Parametern abhängen wie elektrischen Feldern oder mikroskopischer Variation mechanischer Verspan- nungen im Material. Für ein gegebenes Material liegt die Breite der Absorptionskan- te aber fest.
Somit ist die Breite der Absorptionskante, also der für den vorgeschlagenen Wavemeter interessanten Energie- bzw. Wellenlängenbereichs in welchem die Ab- sorption variiert und sich von bevorzugt sehr kleinen Werten (z.B. 1 bis 10 cm 1) auf große Werte (z.B. 104 bis 105 cm-1) ändert, für ein gegebenes Material festgelegt.
Um eine größere Breite der Absorptionskante bzw. eines Bereichs mit wellenlängenabhängigen Absorptionskoeffizienten und damit des Detektionsbereiches des Wavemeters zu erreichen, wird erfindungsgemäß vorgeschlagenen, einen chemi- schen Gradienten bzw. kontinuierlich Materialgradienten in das obere Absorptionselement einzubringen.
Die spektrale Lage der Absorptionskante variiert bevorzugt mit der lokalen chemischen Konzentration der Bestandteile einer Halbleitermischung. Damit wird die Breite der Absorptionskante der Gesamtschicht (mit chemischem Gradient) neben den bereits beschriebenen physikalischen Mechanismen durch die Überlagerung der Absorptionskanten der verschiedenen Halbleiter mit unterschiedlicher chemischer Zusammensetzung bestimmt. Durch die geeignete Wahl der Anfangs- und Endwerte des Materialgradienten sowie seiner funktionsmäßigen Form (linear oder nichtlinear, z.B. quadratisch) können damit die Form und insbesondere die Breite der Absorptionskante sowie deren absolute spektrale Lage vorteilhafterweise festgelegt werden. Typische erreichbare Werte sind viel größer als die Breite der Absorptionskante eines einzelnen Halbleiters und können 500 meV, 1 eV oder mehr betragen.
Ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Aufbaus ist es somit, dass die spektrale Lage und Breite des Bereichs der Absorptionskante des oberen Absorptionselemente und somit des Detektionsbereiches durch die Wahl des Materialgradienten festgelegt wird.
In Abhängigkeit der Wahl der Halbleitermaterialien liegt die Absorptionskante im IR, VIS oder UV. Die Breite wird durch den Verlauf der Bandlücke Eg als Funktion der Konzentration des Materials sowie der verwendeten Breite der chemischen Variation bestimmt. Wenn x die chemische Variation angibt, ist beispielsweise Eg(x) der Verlauf der Bandlücke als Funktion der chemischen Variation. Wenn die chemische Konzentration in der Schicht von Xi zu x2 variiert, ist daher die Breite der Absorptionskante bevorzugt im Wesentlichen |Eg(xi)- Eg(x2)| zuzüglich potentieller Verbreiterungsmechanismen (bspw. Legierungsverbreitung, temperaturabhängige Streuung, inhomogene mechanischen), welche ebenfalls von x abhängen können.
Beispielsweise kann das obere Absorptionselement eine Halbleiterlegierung umfassen, bei welcher die Anteile der Legierungspartner in Abhängigkeit der Schicht- position vertikal variiert wird. Bevorzugt kann Halbleiterlegierung beispielsweise durch eine allgemeine Form AxBi-x gekennzeichnet sein, wobei A und B jeweils Legierungspartner sind und x der Anteil von A in der Halblegierung ist, welcher vertikal variiert wird.
Die Verwendung eines kontinuierlichen Materialgradienten in dem oberen Absorptionselement erlaubt mithin die Bereitstellung eines Wavemeters mit breiten Detektionsbereich (beispielsweise von 500meV oder mehr) dessen spektrale Lage (also die Anfangs- und Endpunkte beispielsweise 3,5 eV und 4 eV) einstellbar ist.
Da im Kontext der vorliegenden Erfindung auf die Vorsehung eines separaten dis- persiven Elements verzichtet werden kann, wird es zudem möglich, eine besonders kompakte und raumsparende Wavemeter-Vorrichtung bereitzustellen, die trotz der kompakten Bauweise überraschenderweise dazu eingerichtet ist, Wellenlängen über einen sehr großen Wellenlängenbereich zu bestimmen. Dies stellt insofern eine Abkehr vom Stand der Technik dar, als das die Fachwelt bisher davon ausge- gangen war, dass die Größe des Wavemeters mit dem später zu erfassenden Wellenlängenbereich der einfallenden Strahlung korreliert beziehungsweise dass insbesondere größere Vorrichtungen erforderlich sind, um die Wellenlängen in einem großen Spektralbereich detektieren und auswerten zu können.
Anwendungstest haben gezeigt, dass mit der Erfindung eine Beeinflussung der Absorptionskante, insbesondere des oberen Absorptionselements, über die unvermeidbaren thermischen und statistischen Effekte hinaus deutlich vergrößert werden kann. Es ist im Sinne der Erfindung bevorzugt, dass sich das Absorptionsverhalten des oberen Absorptionselements mit dem Materialgradienten ändert, so dass sich vorzugsweise auch die Lage von Absorptionskanten im Spektrum ändert. Insofern wird mit der vorliegenden Erfindung das Absorptionsverhalten der Vorrichtung bewusst durch die Bereitstellung des Materialgradienten verändert, wobei eine Verän- derung des Materialgradienten vorteilhafterweise zu einer Veränderung des Absorptionsverhaltens führt. Es ist im Sinne der Erfindung insbesondere bevorzugt, dass die Leistungsparameter der Vorrichtung nur unwesentlich von den thermischen und/oder statistischen Effekten abhängen, sondern von der Materialauswahl, dem Design und der Struktur der Vorrichtung beziehungsweise der einzelnen Komponen- ten der Vorrichtung, insbesondere von den Absorptionselementen. Es ist ferner be- vorzugt, dass die Vorrichtung beziehungsweise die Absorptionselemente von oben beleuchtet werden kann/können.
Es ist im Sinne der Erfindung ganz besonders bevorzugt, dass das Wavemeter keine Wellenleiter umfasst, sondern bevorzugt unter Anwendung einer Planartechnologie hergestellt werden kann. Im Sinne der Erfindung ist der Begriff„Planartechnologie“ bevorzugt so zu verstehen, dass alle oder eine Teilmenge der Prozessierungs- schritte zur Herstellung der Vorrichtung„von oben“ und/oder in flacher Geometrie vorgenommen werden können. Unter dem Begriff„Prozessierungsschritte“ werden insbesondere die Schichtherstellung, die Strukturierung von Photolithographiemasken, der Ätzprozess zur Strukturierung, die Kontaktierung der einzelnen Elemente und/oder Passivierungen verstanden. Es ist im Sinne der Erfindung insbesondere bevorzugt, dass die Bauelemente der Vorrichtung, die bevorzugt auf einem Wafer prozessiert werden, gleichzeitig und parallel prozessiert werden können. Darüber hinaus können vorteilhafterweise Funktions- und/oder Qualitätstests bereits auf Waferlevel vor der Vereinzelung getätigt werden. Vorzugsweise kann der Wafer im Sinne der Erfindung auch als Substrat verwendet werden.
Im Kontext der vorliegenden Erfindung wird insbesondere die Absorptionskante von der chemischen Zusammensetzung der Absorptionselemente bestimmt beziehungsweise vom chemischen Gradienten insbesondere innerhalb des oberen Absorptionselements. Vorteilhafterweise hängt die spektrale Empfindlichkeit der Vorrichtung beziehungsweise des Wavemeters von den verwendeten Halbleitermaterialien und/oder den Legierungshalbleitermaterialien ab beziehungsweise von der Ausgestaltung des Materialgradienten im oberen Absorber. Es ist im Sinne der Erfindung bevorzugt, dass das obere Absorptionselement auch als erstes Absorptionselement bezeichnet werden kann und das untere Absorptionselement als zweites Absorptionselement. Vorzugsweise durchstrahlt die einfallende Strahlung zuerst das erste Absorptionselement und anschließend das zweite Absorptionselement, unabhängig davon, wie der Schichtaufbau im Raum orientiert ist. Es ist im Sinne der Erfindung bevorzugt, dass die Strahlung so auf die Vorrichtung gerichtet wird, dass sie das erste Absorptionselement vor dem zweiten Absorptionselement durchstrahlt. Es kann im Sinne der Erfindung bevorzugt sein, dass das obere und das untere Absorptionselement auf unterschiedlichen Seiten des Substrats angeordnet vorliegen. Es kann beispielsweise bevorzugt sein, dass das obere Absorptionselement auf einer Oberseite des Substrats angeordnet vorliegt und das untere Absorptions- element auf der anderen Substratseite, die beispielsweise eine Unterseite des Substrats bildet. Diese Anordnung des Schichtaufbaus wird vorzugsweise als„gegenüberliegende“ Anordnung bezeichnet. Der Begriff„Schichtaufbau“ ist im Kontext dieser Ausführungsform der Erfindung dann vorzugsweise so zu verstehen, dass die Absorptionselemente auf unterschiedlichen Seiten des Substrats vorliegen können beziehungsweise dass das Substrat mittelbar oder unmittelbar zwischen den Absorptionselementen angeordnet vorliegt. Die Formulierung, dass die mindestens zwei Absorptionselemente in einem Schichtaufbau übereinander angeordnet vorliegen, bedeutet also nicht notwendigerweise, dass die Absorptionselemente auf einer Seite des Substrats angeordnet vorliegen, sondern umfasst auch solchen Anordnungen, bei denen die Absorptionselemente auf der Vorder- und der Rückseite des Substrats angeordnet sein können.
Das Wavemeter umfasst vorzugsweise einen Schichtaufbau, der mindestens zwei Absorptionselemente umfasst. Vorzugsweise ist der Schichtaufbau 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. Es ist insbeson- dere bevorzugt, dass das Substratmaterial im Bereich der zu messenden Wellenlänge transparent ausgebildet ist, damit die zu untersuchende Strahlung durch das Material hindurchdringen kann. Vorzugsweise ist das Substratmaterial auch dafür geeignet, als Kontaktfläche zu dienen.
Die Absorptionselemente sind in dem Schichtaufbau übereinander angeordnet, wobei das obere Absorptionselement vorzugsweise auch als erstes Absorptionsele- ment bezeichnet wird und das untere Absorptionselement als zweites Absorptions- element. Die Absorptionselemente können im Sinne der Erfindung vorzugsweise auch als Absorber bezeichnet werden. Es ist im Sinne der Erfindung bevorzugt, dass die Absorptionselemente von Photodetektoren gebildet werden, wobei die Photodetektoren ausgewählt sein können aus einer Gruppe umfassend Photoleitungsdetektoren, pn-Dioden und/oder Schottky-Dioden, ohne darauf beschränkt zu sein. Es kann insbesondere auch bevorzugt sein, dass die Absorptionselemente photosensitive Schichten umfassen oder aus solchen gebildet sind, wobei die photosensitiven Schichten vorzugsweise einzeln ausgelesen werden können, d.h. einzeln auslesbar sind.
Die Absorber werden vorzugsweise von Halbleitern und/oder Halbleiterlegierungen mit verschiedener Bandlücke gebildet beziehungsweise umfassen sie mindestens ein Halbleitermaterial, besonders bevorzugt sind direkte Halbleitermaterialien. Das obere Absorptionselement umfasst einen chemischen Gradienten, der vorzugsweise auch als Materialgradient bezeichnet wird.
Es ist im Sinne der Erfindung besonders bevorzugt, dass der zu untersuchende Wellenlängenbereich durch die geeignete Wahl der Materialien der Absorptionsele- mente bestimmt wird. Die Verwendung einer (Mg.Zn)O-Legierung hat sich beispielsweise als besonders vorteilhaft erwiesen, wenn UV-Strahlung untersucht wer- den soll. Hierbei liegt der obere Absorber als eine (Mg,Zn)0-Legierung vor bezie- hungsweise ist zumindest teilweise aus einem (Mg,Zn)0-Material gebildet.
Der chemische Gradient und/oder der Materialgradient kann linear oder nicht-linear ausgebildet sein. Der Begriff„linear“ bedeutet im Kontext der vorliegenden Erfindung, dass der Anteil eines Bestandteils der Legierung oder des Materials, aus dem das obere Absorptionselement gebildet ist, von oben nach unten einen linearen, d.h. gleichmäßigen und stetigen Verlauf, aufweist. Der Anteil eines Bestandteils oder Legierungspartners kann beispielsweise von oben nach unten abnehmen oder zunehmen, wobei eine Auftragung des Anteils in Abhängigkeit zur Dicke des Materials vorzugsweise eine Gerade bildet. Dass der Verlauf des chemischen oder Material- Gradienten von oben nach unten verläuft, wird im Sinne der Erfindung bevorzugt als „vertikaler“ Gradient bezeichnet. Es ist im Sinne der Erfindung insbesondere bevor- zugt, dass der vertikale Gradient innerhalb des oberen Absorptionselements von Materialien mit hoher Bandlücke zu niedriger Bandlücke verläuft oder umgekehrt von Materialien mit niedriger Bandlücke zu hoher Bandlücke. Es kann für einige Anwendungen auch bevorzugt sein, dass das obere Absorptionselement einen quadratischen oder anders gearteten nichtlinearen Verlauf des Materialgradienten aufweist. Es ist im Sinne der Erfindung besonders bevorzugt, dass sich die energe- tische Lage der Absorptionskante über die Dicke so ändert, dass der Wellenlängenbereich gleichmäßig abgedeckt wird. Es ist ferner bevorzugt, dass insbesondere ein linearer Zusammenhang zwischen Absorptionsstärke und Wellenlänge und/oder Photonenenergie besteht. Diese Ziele können beispielsweise dadurch erreicht werden, dass eine Materialzusammensetzung x als Funktion der Dicke d wie folgt dargestellt werden kann:
x = xo + xrd + X2-d2,
wobei die vorzugsweise konstante Koeffizienten sind. Die Abhängigkeit kann aber auch beliebig nicht-linear ausgestaltet sein. Es ist insbesondere bevorzugt, die Ausformung des Materialgradienten auf die Abhängigkeit der Absorptionskante von der Konzentration abzustimmen.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Materialgradient vertikal monoton steigend oder fallend, wobei der Materialgradient bevorzugt eine lineare oder quad- ratische Abhängigkeit von der vertikalen Position innerhalb des oberen Absorptions- elementes aufweist. Die vertikale Position bezeichnet bevorzugt eine Koordinatenposition entlang der Schichtdicke des oberen Absorptionselementes.
Die Erfindung stellt auch insofern eine Abkehr vom Stand der Technik dar, als das 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 bevorzugt monoton steigend oder fallender, Materialgradient innerhalb des Absorptionselements vorgeschlagen wird. Beispielsweise kann sich Materialgradient innerhalb des Ab- sorptionselements linear oder im Wesentlichen linear entlang der Vertikalen ändern. Durch die Vorsehung des chemischen Gradienten im oberen Absorber kann der spektrale Bereich, in dem der Absorptionskoeffizient von im Wesentlichen null (z.B.
1 bis 10 cm 1) auf einen hohen Wert (z.B. 105 cm2 ) ansteigt, sehr groß werden und beispielsweise in einem Bereich von einigen 100 meV (beispielsweise 500 meV oder 1000 meV oder mehr) liegen. Die Erfindung ermöglicht somit vorteilhafterweise die Bestimmung von Wellenlängen in einem sehr großen Spektralbereich.
Es ist im Sinne der Erfindung bevorzugt, dass die Vorrichtung beziehungsweise der Schichtaufbau der Vorrichtung mit Methoden der Molekularstrahlepitaxie ( Molecular Beam Epitaxy, MBE) oder der chemischen Gasphasenabscheidung ( Chemical Va- por Deposition, CVD) oder Kathodenzerstäubung ( Sputtern ) oder gepulster Laserdeposition ( PLD ) hergestellt werden. Im Übrigen sind verschiedene Herstellungsverfahren denkbar, solange damit die Erzeugung eines Materialgradienten möglich ist. Die Ausbildung eines Materialgradienten im oberen Absorber kann vorzugsweise dadurch erreicht werden, dass bei der Molekularstrahlepitaxie die Partialdrücke für die einzelnen Legierungskomponenten variiert werden. Bei der chemischen Gasphasenabscheidung kann die Zufuhr eines Precursors variiert werden, so dass sich eine gewünschte, vertikal verändernde Zusammensetzung des ersten Absorptions- elements ergibt. Die chemische Gasphasenabscheidung ist vorzugsweise eine metall-organische Gasphasenabscheidung. Es war vollkommen überraschend, dass durch die Ausbildung eines Materialgradienten im oberen Absorptionselement beziehungsweise der genauen Einstellung der Zusammensetzung der Legierung, die das obere Absorptionselement bildet, der spektrale Empfindlichkeitsbereich der Absorptionskante des Wavemeters eingestellt und designt werden kann.
Die Herstellung eines kontinuierlichen vertikalen Materialgradienten (Gradienten der chemischen Zusammensetzung entlang der Wachstumsrichtung) erfolgt bevorzugt bei einem Schichtabscheidungsprozess über die geeignete kontinuierliche Regelung der Bereitstellung verschiedener chemischer Elemente, die in die Schicht eingebaut werden sollen. Dies kann beispielsweise bei der gepulsten Laserdeposition über die Regelung der örtlichen Position des Laserfokus auf dem Ablationstarget erfolgen, wenn das Target geeignet segmentiert aufgebaut ist. Verschiedene Positionen des Lasers auf dem Target führen zu ablatiertem Material mit verschiedener chemischer Komposition (vgl. Max Kneiß, Philipp Storm, Gabriele Benndorf, Marius Grundmann, Holger von Wenckstern Combinatorial material Science and strain engineering enab- led by pulsed laser deposition using radially segmented targets ACS Comb.
Sei. 20(11), 643-652 (2018)). Mittels der in Max Kneiß et al. offenbarten Verfahrensschritte lässt sich mithin beispielhaft ein kontinuierlicher Materialgradient erzielen. Hinreichend kleine Schritte bei der örtlichen Steuerung des Laserfokus führen zu einer kontinuierlichen Variation der angebotenen Elemente für das Schichtwachstum.
Bei anderen üblichen Depositionsverfahren sind andere Regelmechanismen anzuwenden. Aus der Fachliteratur sind weitere geeignete Verfahren wie Molekularstrahlepitaxie und metallorganische Gasphasenepitaxie zur Herstellung von Halbleiterschichten mit vertikalen Materialgradienten bekannt und können vom Fachmann ausgeführt werden. In der Molekularstrahlepitaxie kann beispielsweise der Fluss verschiedener Elemente aus verschiedenen Quellen durch die kontinuierliche Einstellung der Quellenöffnung und/oder der Quellentemperatur variiert werden. Bei der metallorganischen Gasphasenepitaxie kann das Angebot verschiedener Elemente für das Schichtwachstum durch die kontinuierliche Regelung der Einbringung verschiedener Precursoren in den Gasfluss durch Ventil- und Durchfluss-Steuerung erfolgen.
Es ist im Sinne der Erfindung insbesondere bevorzugt, dass der Materialgradient in einem (Mg.Zn)O-Legierungssystem vorliegt. Eine (Mg,Zn)0-Legierung stellt ein besonders bevorzugtes Beispiel für eine ternäre Legierung für die Bildung der Absorp- tiosnelemente dar, wobei es insbesondere bevorzugt ist, dass die Absorptionselemente aus ternären oder quaternären Legierungen gebildet sind. Das besonders bevorzugt (Mg,Zn)0-Legierungssystem kann vorzugsweise nach der Vorschrift MgxZni-xO gebildet sein, so dass ein Mehr an Magnesium ein Weniger an Zink zur Folge hat. Der dritte Bestandteil des (Mg,Zn)Q-Legierungssystems ist Sauerstoff.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird der Materialgradient im oberen Absorptionselement durch eine vertikale Variation der Anteile der Legierungspartner einer Halbleiterlegierung gebildet wird. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst das obere 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 vertikal 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 Material- System einer Beispiel-Legierung umfassend die Legierungspartner A und B kann der Index x für die Legierung AxBi-x vorzugsweise von 0 bis 1 laufen beziehungs- weise einen Wert zwischen 0 und 1 annehmen. Auch Zwischenwerte wie beispiels- weise 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 obere Absorptionselement umfasst eine Halbleiterlegierung mit drei oder mehr Le- gierungspartner, wobei lediglich die Anteile zweier Legierungspartner variiert werden.
Für das besonders bevorzugte Ausführungsbeispiel MgxZni-xO kann sich das Vorliegen eines chemischen Materialgradienten innerhalb des oberen Absorptionsele- ments vorzugsweise so äußern, dass der Index x von oben nach unten variierend einen Wert zwischen 0,3 bis 0,0 annimmt, wobei der Wert von x = 0,3 beispielsweise in einem oberen Bereich des Absorptionselements angenommen wird und der Wert von x = 0,0 in einem unteren Bereich des Absorptionselements. Es kann im Sinn der Erfindung insbesondere bevorzugt sein, dass die Variation des Index x über die Schichtdicke d in der folgenden Form dargestellt werden kann: x = Xo + Xrd + X2-d2,
wobei ein solcher, beispielhafter Verlauf des Index x vorzugsweise als„quadratischer Verlauf bezeichnet wird. 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.
Es ist im Sinne der Erfindung besonders bevorzugt, dass das Absorptionselement Legierungshalbleiter umfasst, bei denen eine Änderung der chemischen Zusam- mensetzung 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 ausgewählt 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 obere und untere Absorptions- element eine Halbleiterlegierung aus direkten Halbleitern, 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 AIGa bevorzugt in Abhängigkeit der Anteile von AI und Ga ein direkter oder indirekter Halbleiter, mit entsprechend direkter oder indi- rekter Bandlücke, sein kann.
Das untere Absorptionselement ist abweichend von dem oberen Absorptionselement chemisch homogen ausgebildet. Das bedeutet im Sinne der Erfindung bevorzugt, dass die Bestandteile und/oder Legierungspartner des Materials, aus dem das untere Absorptionselement gebildet ist, gleichmäßig, d.h. bevorzugt statistisch verteilt innerhalb des unteren Absorptionselements beziehungsweise innerhalb der Schicht, die das zweite, untere Absorptionselement bildet, vorliegen. Beispielsweise kann das untere Absorptionselement von einer im Wesentlichen reinen ZnO-Schicht gebildet werden. Der Begriff chemisch homogen in Bezug auf das untere Absorptionselement meint mithin bevorzugt eine Materialzusammensetzung, welche im Wesentlichen nicht vertikal variiert wird, sondern entlang der Vertikalen im Wesentlichen gleichmäßig bzw. statistisch konstant ist.
Vorzugsweise ist das untere Absorptionselement dazu eingerichtet, alle Wellenlängen im Wellenlängenbereich der einfallenden Strahlung zu absorbieren, so dass die Wellenlängen der einfallenden Strahlung mit dem Wavemeter bestimmt werden können. Es ist im Sinne der Erfindung bevorzugt, dass der untere Absorber für einen breiten Bereich von Wellenlängen im Empfindlichkeitsbereich sensitiv ausgebildet ist. Das erste und das zweite Absorptionselement können aus demselben Material gebildet sein. Es kann allerdings im Sinne der Erfindung auch bevorzugt sein, dass die Absorptionselemente aus unterschiedlichen Materialien bestehen.
Es ist im Sinne der Erfindung bevorzugt, dass in Bezug auf das obere Absorptionselement ein erster Photostrom 11 ermittelbar ist und in Bezug auf das untere Absorptionselement ein zweiter Photostrom I2 ermittelbar ist, wobei die Wellenlänge der einfallenden Strahlung aus dem Signal-Verhältnis 11/12 bestimmbar ist. Es ist im Sinne der Erfindung bevorzugt, dass der Schichtaufbau zwischen den Absorptionselementen Kontakte umfasst, wobei zwischen den Kontakten die Photoströme 11 und I2 messbar sind. Es ist insbesondere bevorzugt, dass zwischen den Kontakten, die das obere Absorptionselement umgeben, der Photostrom 11 gemessen werden kann, während zwischen den Kontakten, die das untere Absorptionslement umgeben, der Photostrom I2 gemessen werden kann. Wenn die Vorrichtung aus zwei Absorptionselementen besteht, weist das Wavemeter vorzugsweise drei Kontakte auf, wobei die Kontakte von oben nach unten bevorzugt als erster, zweiter und dritter Kontakt bezeichnet werden. Es ist im Sinne der Erfindung bevorzugt, dass zwischen dem ersten und dem zweiten Kontakt das obere Absorptionselement angeordnet vorliegt und dass zwischen dem ersten und dem zweiten Kontakt der Photostrom 11 gemessen wird. Es ist ferner bevorzugt, dass zwischen dem zweiten und dem dritten Kontakt das untere Absorptionselement angeordnet vorliegt und dass zwischen dem zweiten und dem dritten Kontakt der Photostrom I2 gemessen wird. Dies wird beispielsweise auch in Figur 1 dargestellt. Es ist im Sinne der Erfindung bevorzugt, dass es sich bei dem Photostrom um einen Strom handelt, der aufgrund der Bestrahlung der Absorptionselemente zwischen den Kontakten, die die Absorptionselemente umgeben und an die bevorzugt jeweils eine Spannung angelegt ist, fließt. Es ist im Sinne der Erfindung insbesondere bevorzugt, dass durch die Absorption der Strahlung Ladungsträger in den Absorptionselementen freigesetzt werden. Je nach Menge und/oder Energie 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. Vorzugweise wird ein Photostrom von den freigesetzten Ladungsträgern gebildet. Es ist im Sinne der Erfindung bevorzugt, dass die Wellenlänge der zu untersuchenden Strahlung aus dem Verhältnis der Photoströme 11 und I2 rekonstruiert werden kann.
In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Vorrichtung eine Datenverarbeitungsvorrichtung, welche dazu eingerichtet ist, das Verhältnis der Signale der Photoströme zu berechnen und unter Berücksichtigung des Verhältnisses die Wellenlänge 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, einen 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 me- mory zur Speicherung der Daten.
Zur Durchführung der Berechnung des Verhältnisses der Signale der Photoströme und Bestimmung der Wellenlänge der Strahlung unter Berücksichtigung des Verhältnisses 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 Vorrichtung 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 umfassten, 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 können auf der Datenverarbeitungsvorrichtung bevorzugt Kalibrationsdaten vorliegen, welche zur Bestimmung der Wellenlänge aus dem Verhältnis der Photoströme genutzt werden.
Es kann im Sinne der Erfindung ferner bevorzugt sein, die Absorptionselemente auf der Vorderseite und/oder der Rückseite eines Substrats anzuordnen, wobei das Substrat vorzugsweise von einem Wafer gebildet sein kann. Es kann beispielsweise bevorzugt sein, das erste oder obere Absorptionselement auf einer Vorderseite des Substrats aufzubringen und das zweite oder untere Absorptionselement auf einer Rückseite des Substrats. Es kann im Sinne der Erfindung auch bevorzugt sein, umgekehrt vorzugehen. Es kann im Sinne der Erfindung insbesondere bevorzugt sein, die beiden Substrathälften beispielsweise unabhängig voneinander und/oder nacheinander zu prozessieren. Die so erhaltenen Photodetektoren können im Sinne der Erfindung bevorzugt als„gegenüberliegende Photodetektoren“ bezeichnet werden. Für die Herstellung dieser sich gegenüberliegenden Photodetekoren ist es bevor- zugt, dass das Substrat für die Strahlung im interessierenden Wellenlängenbereich zumindest teilweise transparent ausgebildet ist. Dadurch werden vorteilhafterweise Zwischenkontakte vermieden, an denen Photosignale verloren gehen können, wodurch es zu einer Abschwächung des zu detektierenden Signals kommen kann. Es ist im Sinne der Erfindung bevorzugt, dass die Photodetektoren jeweils gleich oder unterschiedlich als Photoleitungs-, pn- und/oder oder Schottky-Diode ausgebil- det sind. In dieser Ausführungsform der Erfindung ist es besonders bevorzugt, dass das erste und das zweite Absorptionselement auf je einer Seite des Substrats an- bringt. Es ist im Sinne der Erfindung bevorzugt, dass die Vorrichtung eine Anzahl N Absorptionselemente und eine Anzahl von mindestens N+1 Kontakte umfasst. Es kann im Sinne der Erfindung auch bevorzugt sein, dass das Wavemeter mehr als zwei Absorptionselemente umfasst. In dieser Ausführungsform der Erfindung ist es ins- besondere bevorzugt, dass die verschiedenen Absorptionselemente Strahlung in unterschiedlichen Wellenlängenbereichen absorbieren. Mit anderen Worten können die verschiedenen Absorptionselemente dazu eingerichtet sein, Strahlung in unterschiedlichen Wellenlängenbereichen zu absorbieren beziehungsweise die entsprechenden unterschiedlichen Wellenlängen zu detektieren und/oder zu bestimmen. Dies ist mit dem Vorteil verbunden, dass dadurch eine spektrale Intensitätsverteilung in diesem Bereich getrennt gemessen werden kann. Vorzugsweise können die Kontakte auch als Kontaktbereiche oder Kontaktschichten ausgebildet sein. Die Absorptionselemente können bevorzugt ebenfalls schichtförmig ausgebildet sein, so dass die Absorptionselemente beispielsweise zwischen den Kontaktschichten angeordnet vorliegen und einen sandwichartigen Schichtaufbau bilden können. Beispielsweise kann eine vorgeschlagene Vorrichtung einen Schichtaufbau mit mehreren Absorptionselementen umfassen, die jeweils einen Materialgradienten aufweisen. Ein solcher Schichtaufbau wird im Sinne der Erfindung bevorzugt als Schichtaufbau mit mehreren Gradientenschichten als Absorptionselemente bezeichnet. Ein solcher Schichtaufbau kann neben den Gradientenschichten eine oder mehrere homogene Schichten als Absorptionselemente umfassen. Diese homogenen Schichten können zwischen den Gradientenschichten oder als Anfangs- und/oder Endschicht eines bevorzugten Schichtaufbaus angeordnet sein. Es ist im Sinne der Erfindung insbesondere bevorzugt, wenn die homogenen Schichten hinsichtlich Design und Material auf den Gradienten der Gradientenschichten abgestimmt sind.
Es ist im Sinne der Erfindung bevorzugt, dass N Photoströme ermittelt werden können, wenn der Schichtaufbau N Absorptionselemente umfasst. Es ist im Sinne der Erfindung ganz besonders bevorzugt, dass die zu untersuchende Strahlung nacheinander die einzelnen Absorptionselemente durchstrahlt, wobei die Absorptionselemente mit einer höherenergetischen Absorptionskante zuerst durchlaufen werden. Mit anderen Worten ist es im Sinne der Erfindung bevorzugt, dass die einfallende Strahlung nacheinander durch die Absorptionselemente geführt wird, wobei die Absorptionselemente im Hinblick auf die einfallende Strahlung so angeordnet sind, dass die Absorptionselemente mit einer höherenergetischen Absorptionskante zunächst durchquert werden und andere Absorptionselemente mit einer geringeren Absorptionskante von der einfallenden Strahlung später durchstrahlt werden. Es ist im Sinne der Erfindung ganz besonders bevorzugt, dass die Absorptionselemente entsprechend ihrer Absorptionskante in dem Schichtaufbau angeordnet sind, wobei die Absorptionselemente mit einer höherenergetischen Absorptionskante vorzugsweise in dem Bereich des Schichtaufbaus angeordnet sind, auf den die einfallende Strahlung zunächst auftrifft.
Es ist im Sinne der Erfindung bevorzugt, dass die Kontakte elektrisch leitfähig und transparent für Strahlung in einem definierten Wellenlängenbereich ausgebildet sind. Der Fachmann kann geeignete Materialien auswählen. Die Leitfähigkeit der Kontakte kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass die Kontakte aus einem leitfähigen Material hergestellt sind oder dass die Kontakte an ihrer Oberfläche eine leitfähige Beschichtung aufweisen. Beispielsweise können die Kontakte von einer (Mg,Zn)0-Legierung gebildet werden, die beispielsweise mit Aluminium (AI) oder Gallium (Ga) dotiert sein kann. Es kann im Sinne der Erfindung auch bevorzugt sein, dass die Kontakte elektrisch leitfähige Schichten umfassen. Der Begriff„in einem definierten Wellenlängenbereich“ kann vorzugsweise als ein bestimmter, ausgewählter und/oder spezieller Wellenlängenbereich verstanden werden. Im Kontext der vorliegenden Erfindung soll damit der Wellenlängenbereich der einfallenden Strahlung gemeint sein, der vorzugsweise auch als„relevanter Wellenlängenbereich“ bezeichnet wird. Transparenz in einem definierten Wellenlängenbereich bedeutet somit im Sinne der vorliegenden Erfindung bevorzugt, dass die transparenten Bestandteile der Vorrichtung Strahlung in dem Wellenlängenbereich der einfallenden Strahlung nicht oder nur unwesentlich absorbieren. Es ist im Sinne der Erfindung bevorzugt, dass der Begriff„relevanter Wellenlängenbereich“ den Wellenlängenbereich bezeichnet, in dem eine eindeutige Bestimmung der Wellenlänge der einfallenden Strahlung möglich ist.
Es ist im Sinne der Erfindung bevorzugt, dass die Absorptionselemente dazu eingerichtet sind, Strahlung in dem definierten Wellenlängenbereich zu absorbieren. Dies gilt insbesondere auch für das untere Absorptionselement. Dies bedeutet im Sinne der Erfindung bevorzugt, dass der zweite Absorber alle Wellenlängen im relevanten Wellenlängenbereich absorbiert. Dies wird insbesondere auch durch eine ausrei- chend große Dicke d2 der Materialschicht, die beispielweise den unteren Absorber bildet, erreicht. Es ist im Sinne der Erfindung bevorzugt, dass die Dicke der Absorp- tionselemente in Abhängigkeit vom Absorptionsvermögen des Materials ausgewählt werden können. Vorzugsweise liegt eine Dicke der Absorptionselemente im Bereich des inversen Absorptionskoeffizienten des entsprechenden Materials. Die Dicken der Absorptionselemente können beispielsweise in einem Bereich von 100 bis 200 nm, bevorzugt zwischen 140 und 160 nm und am meisten bevorzugt bei 150 nm liegen. Es kann im Sinne der Erfindung bevorzugt sein, dass die Dicken d1 und d2 gleich groß sind; es kann aber für andere Anwendungen ebenso bevorzugt sein, dass die Dicken d1 und d2 unterschiedliche Werte aufweisen. Bei indirekten Halbleitern können auch größere Dicken von beispielsweise 100 pm bevorzug sein.
Im Kontext der vorliegenden Erfindung kann in Bezug auf das obere Absorptionselement ein erster Photostrom 11 ermittelt werden und in Bezug auf das untere Absorptionselement ein zweiter Photostrom I2. Es ist im Sinne der Erfindung bevor- zugt, dass die Photoströme vorzugsweise auch als Photosignale bezeichnet wer- den, so dass es im Sinne der Erfindung insbesondere bevorzugt sein kann, in Be- zug auf die Absorptionselemente der Vorrichtung Photosignale zu ermitteln, wobei eine Wellenlänge der einfallenden Strahlung aus dem Signal-Verhältnis der Photosignale der beiden Absorptionselemente bestimmt werden kann. Die Photoströme für ein Absorptionselement werden jeweils zwischen den Kontakten gemessen, zwischen denen das jeweilige Absorptionselement angeordnet vorliegt, wobei beispielsweise an dem ersten Kontakt des Wavemeters eine Spannung V1 und an dem zweiten Kontakt des Wavemeters eine Spannung V2 anliegt. Die Wellenlänge der einfallenden Strahlung kann dann aus dem Signal-Verhältnis 11/12 bestimmt werden, wobei das Signal- Verhältnis 11/12 vorzugsweise auch als Quotient der Photoströme bezeichnet wird. Es ist im Sinne der Erfindung bevorzugt, dass das Signal- Verhältnis von der Wellenlänge der einfallenden Strahlung abhängt, wobei das Signal-Verhältnis insbesondere in mathematisch streng monotoner Weise von der Wel- lenlänge der einfallenden Strahlung abhängt. Es ist im Sinne der Erfindung bevorzugt, dass der Schichtaufbau umfassend Kontakte und Absorptionselemente beziehungsweise umfassend Kontaktschichten und photoresistive Schichten, die die Absorptionselemente bilden, auf einem Substrat angeordnet vorliegen. In einem weiteren Aspekt betrifft der Erfindung ein Verfahren zur Bestimmung einer Wellenlänge einer Strahlung, das die folgenden Schritte umfasst: a) Bereitstellung einer Vorrichtung zur Detektion einer Wellenlänge einer
Strahlung,
b) Bereitstellung einer Strahlung, deren Wellenlänge bestimmt werden soll, wobei die Strahlung auf die Vorrichtung gerichtet wird,
c) Absorption eines ersten Anteils der Strahlung durch das obere Absorpti- onselement und Umwandlung in ein Photostrom-Signal 11 ,
d) Absorption eines zweiten Anteils der Strahlung durch das untere Absorpti- onselement und Umwandlung in ein Photostrom-Signal I2
e) Bestimmung der Wellenlänge der Strahlung unter Berücksichtigung des Signal-Verhältnisses 11/12.
Es ist im Sinne der Erfindung bevorzugt, dass es sich bei der Vorrichtung, mit der das Verfahren durchgeführt wird, um eine hier vorgeschlagene Vorrichtung zur Bestimmung einer Wellenlänge einer Strahlung handelt. Die für die Vorrichtung beschriebenen Definitionen, technischen Wirkungen und überraschenden Vorteile gel- ten für das vorgeschlagene Verfahren analog. Insbesondere soll die Vorrichtung ein Wavemeter sein, das mindestens zwei Absorptionselemente umfasst, wobei die Absorptionselemente in einem Schichtaufbau übereinander angeordnet vorliegen. Ferner ist es bevorzugt, dass ein oberes Absorptionselement eine vertikal variierende chemische Zusammensetzung aufweist, welche durch einen kontinuierlichen Materialgradienten gekennzeichnet ist, der über den Detektionsbereich einen wellenlängenabhängigen Absorptionskoeffizienten einstellt. Ein unteres Absorptionselement ist chemisch homogen ausgebildet. Es ist im Sinne der Erfindung bevorzugt, dass die Absorptionselemente direkt übereinander angeordnet auf dem Substrat und/oder einem Trägermaterial vorliegen. Es kann für andere Anwendungen auch bevorzugt sein, dass die Absorptionselemente durch ein transparentes Substrat voneinander getrennt vorliegen, beispielsweise auf der Vorder- und der Rückseite des Substrats, das zum Beispiel von einem Wafer gebildet werden kann. Es kann im Sinne der Erfindung bevorzugt sein, dass das obere und das untere Absorptionselement auf unterschiedlichen Seiten des Substrats angeordnet vorliegen. Es kann beispielsweise bevorzugt sein, dass das obere Absorptionselement auf einer Oberseite des Substrats angeordnet vorliegt und das untere Absorptionselement auf der anderen Substratseite, die beispielsweise eine Unterseite des Sub- strats bildet. Diese Anordnung des Schichtaufbaus wird vorzugsweise als„gegenüberliegende“ Anordnung bezeichnet.
Es ist im Sinne der Erfindung bevorzugt, dass das Signal-Verhältnis von der Wellenlänge der einfallenden Strahlung abhängt, wobei das Signal-Verhältnis insbesondere in mathematisch streng monotoner Weise von der Wellenlänge der einfallenden Strahlung abhängt.
Es ist ferner bevorzugt, dass die Vorrichtung während der Durchführung des Verfah- rens von oben beleuchtet werden kann. Das bedeutet im Sinne der Erfindung bevorzugt, dass die Strahlung vorzugsweise zunächst auf das obere Absorptionselement fällt und dann durch die weiteren Schichten des Schichtaufbaus dringt. Dass die Vorrichtung bei der Durchführung des Verfahrens von oben beleuchtet wird, kann bevorzugt durch die Bereitstellung der Strahlung, deren Wellenlänge bestimmt werden soll, erreicht werden, wobei die Strahlung vorzugsweise - zum Beispiel von oben - auf die Vorrichtung gerichtet wird.
Das obere Absorptionselement, das vorzugsweise einen chemisch vertikal variierenden Materialgradienten aufweist, ist vorzugsweise dazu eingerichtet, einen ers- ten Anteil der einfallenden Strahlung zu absorbieren und in ein Photostrom-Signal 11 umzuwandeln. Dazu kann der obere Absorber über die entsprechenden erforderlichen Mittel verfügen. Das vorgeschlagene Verfahren umfasst in diesem Zusammenhang die Absorption eines ersten Anteils der Strahlung durch das obere Ab- sorptionselement und die Umwandlung der Strahlung in ein Photostrom-Signal 11. Das untere Absorptionselement ist vorzugsweise dazu eingerichtet, einen zweiten Anteil der einfallenden Strahlung zu absorbieren und in ein Photostrom-Signal I2 umzuwandeln, wobei der zweite Absorber bevorzugt chemisch und die Zusammensetzung betreffend homogen ausgebildet ist. Auch der untere Absorber kann über die entsprechenden erforderlichen Mittel zur Umwandlung der Strahlung in ein Pho- tostrom-Signal verfügen. Das vorgeschlagene Verfahren umfasst in diesem Zu- sammenhang die Absorption eines zweiten Anteils der Strahlung durch das untere Absorptionselement und die Umwandlung der Strahlung in ein Photostrom-Signal I2. Mit anderen Worten ist es bevorzugt, dass das obere Absorptionselement eine ver- tikal variierende chemische Zusammensetzung aufweist und das untere Absorptionselement chemisch homogen ausgebildet ist, wobei in Bezug auf das obere Ab- sorptionselement ein erster Photostrom 11 ermittelbar ist und in Bezug auf das unte- re Absorptionselement ein zweiter Photostrom I2 ermittelbar ist. In einem weiteren Verfahrensschritt erfolgt die Bestimmung der Wellenlänge der Strahlung unter Berücksichtigung des Signal-Verhältnisses 11/12. Es wird insbesondere die Wellenlänge der von oben auf die Vorrichtung beziehungsweise das Wavemeter einfallenden Strahlung bestimmt. Es ist im Sinne der Erfindung bevorzugt, dass die Wellenlänge der einfallenden Strahlung aus dem Signal-Verhältnis 11/12 bestimmt werden kann. Dies kann vorteilhafterweise dadurch erreicht werden, dass eine vorzugsweise streng monotone Abhängigkeit zwischen der Wellenlänge und dem Photostrom-Quotienten 11/12 besteht, so dass vorteilhafterweise aus dem Verhältnis zwischen den Größen auf die Wellenlänge geschlossen werden kann.
Es ist im Sinne der Erfindung bevorzugt, dass eine Kalibration der Vorrichtung durch Messungen des Photostrom-Verhältnisses mit monochromatischen Lichtquellen bekannter Wellenlänge erfolgen kann. Somit ist die Erfindung im Sinne der Erfindung bevorzugt kalibrierbar ausgebildet.
Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figuren näher beschrieben; es zeigt:
Figur 1 Darstellung eines schematischen Querschnitts durch eine be- vorzugte Ausführungsform der Erfindung
Figur 2 Darstellung einer alternativen Ausführungsform der Erfindung
Figur 3 Illustration eines beispielshaften Designs des Absorptionsspektrums mittels einer Variation der Anteile der Legierungs- partner einer Halbleiterlegierung
Figur 1 zeigt einen schematischen Querschnitt durch eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung (10) und insbesondere eine Seitenansicht einer bevorzugten Ausführungsform der vorgeschlagenen Vorrichtung (10). Dargestellt ist ein Schicht- aufbau (16), der Absorptionselemente (12, 14) und Kontakte (18a, 18b, 18c) umfasst. Der Schichtaufbau (16), der in Figur 1 dargestellt ist, schließt nach oben mit einem oberen oder ersten Kontakt (18a) ab. Unterhalb des ersten Kontakts (18a) ist eine photoresistive Schicht angeordnet, die vorzugsweise das obere Absorptions- element (12) bildet. Unterhalb des oberen Absorbers (12) ist der zweite oder mittlere Kontakt (18b) angeordnet. Es ist im Sinne der Erfindung bevorzugt, dass ein Photo- nenstrom 11 zwischen dem ersten Kontakt (18a) und dem zweiten Kontakt (18b) gemessen werden kann, der mit dem oberen Absorptionselement (12) in Verbin- dung gebracht wird, wobei am ersten Kontakt (18a) eine Spannung V1 und am zweiten Kontakt (18b) eine Spannung V2 anliegen kann. Unterhalb des zweiten Kontakts (18b) ist das untere Absorptionselement (14) angeordnet. Unterhalb des unteren Absorbers (14) ist der dritte oder untere Kontakt (18c) angeordnet, wobei die fünf genannten Schichten (12, 14, 18a, 18b und 18c) den Schichtaufbau (16) des Wavemeters (10) bilden, wobei der Schichtaufbau (16) vorzugsweise auf einem Substrat (20) angeordnet vorliegen kann.
Figur 2 zeigt eine alternative Ausführungsform der Erfindung. Insbesondere zeigt Figur 2 einen Schichtaufbau (16), bei dem die Absorptionselemente (12, 14) auf unterschiedlichen Seiten eines Substrats (20) angeordnet vorliegen. Bei dem in Figur 2 dargestellten beispielhaften Aufbau ist das obere Absorptionselement (12) auf einer Oberseite des Substrats (20) angeordnet, während das untere Absorptionselement (14) auf einer Unterseite des Substrats (20) angeordnet ist. Vorzugsweise können zwischen den Absorptionselementen (12, 14) und dem Substrat (20) jeweils Kontakte (18a, b, c) oder Kontaktschichten angeordnet sein. Die Gesamtheit der Kontaktschichten 18a, b, c wird in der Figurenbeschreibung und den Ansprüchen bevorzugt durch das Bezugszeichen„18“ beschrieben. Es ist im Sinne dieser Ausführungsform der Erfindung bevorzugt, dass die Photosignale, insbesondere die Photoströme, zwischen zwei Kontakten (18) gemessen werden, die jeweils das erste Absorptionselement (12) und das zweite Absorptionselement (14) umgeben. Es ist im Sinne der Erfindung ganz besonders bevorzugt, dass das erste Photosignal, das vorzugsweise von einem ersten Photostrom 11 gebildet wird, zwischen den beiden Kontakten (18) gemessen wird, die das erste Absorptionselement (12) umgeben. Es ist im Sinne der Erfindung ferner bevorzugt, dass das zweite Photosignal, das vorzugsweise von einem zweiten Photostrom I2 gebildet wird, zwischen den beiden Kontakten (18) gemessen wird, die das zweite Absorptionselement (14) umgeben. Das Photosignal wird vorzugsweise jeweils dadurch hervorgerufen, dass Ladungsträger durch die einfallende Strahlung in dem Absorptionselement (12, 14) freigesetzt werden, wobei die sich Ladungsträger innerhalb des Absorptionsele- ments (12, 14) durch die angelegte Spannung in einer gerichteten Bewegung von einem Kontakt (18) zu anderen Kontakt (18) bewegen. Dieser Ladungsträgerstrom kann vorzugsweise als Photostrom gemessen werden.
Figur 3 illustriert beispielhaft ein Design bzw. die Einstellmöglichkeit eines Absorptionsspektrums mittels einer Variation der Anteile der Legierungspartner einer Halbleiterlegierung.
Beispielhaft soll die Funktionsweise anhand des Beispiels eines (Mg.Zn)O-System beschrieben werden, wobei sich die erläuterten Prinzipien analog auf andere Halbleiterlegierungssystem übertragen lassen. In dem (Mg,Zn)0 Mischungshalbleiter mit der chemischen Formel MgxZni-xO gibt x den Mg-Gehalt an.
In Fig. 3 sind die schematischen Absorptionsspektren für x=0 (also reines ZnO) und x=0.4 (also Mgo.4Zno.6O) als durchgezogene Linien (1) bzw. (4) gezeigt. Die Absorp- tionskante für x=0 verläuft etwa im spektralen Bereich von 3.25-3.45 eV. Die Absorptionskante für x=0.4 verläuft etwa im spektralen Bereich von 4.0-4.2 eV. Wird in einer Schicht die chemische Konzentration während des Wachstums kontinuierlich und linear von x=0 bis x=0.4 variiert (vertikaler Materialgradient), ergibt sich das gestrichelt gezeichnete Absorptionsspektrum (2). Hier steigt die Absorption kontinu- ierlich über den gesamten breiten Spektralbereich von etwa 3.3-4.2 eV zwischen den Absorptionskanten von ZnO und Mgo.4Zno.60 an. Wird in einer Schicht, die chemische Konzentration kontinuierlich und linear von x=0.2 bis x=0.4 variiert, ergibt sich das gepunkt-gestrichelt gezeichnete Absorptionsspektrum (3). Hier ist nun die Breite des spektralen Bereichs der Absorptionskante geringer, etwa 3.6-4.2 eV.
Mittels einer Variation der Legierungspartner des Halbleitersystems zur Einstellung des Materialgradienten lässt sich somit ein wellenlängenabhängiger Absorptionsko- effizient für einen bevorzugten Detektionsbereich einstellen. Im Falle eines oberen Absorptionselementes mit einem Absorptionsspektrum (2) würde der Detektionsbereich sich beispielsweise von 3.3 eV bis 4.2 eV und mithin über einen spektralen Bereich von nahezu 1 eV erstrecken. Das untere Absorptionselement wird bevor- zugt einen über den Detektionsbereich im Wesentlichen wellenlängenunabhängigen Absorptionskoeffizienten aufweisen. In Bezug auf das Beispiel würde sich
Mg0.0Zn1.0O, also reines ZnO, anbieten, welches ab 3.3. eV einen hohen Absorpti- onskoeffizienten aufweist. Alternativ wären insbesondere auch andere Halbleiter oder Halbleiterlegierungen denkbar, deren Absorptionskante vorzugsweise unter- halb von 3.3 eV liegt.
Bezugszeichenliste:
10 Vorrichtung, insbesondere Wavemeter
12 oberes Absorptionselement
14 unteres Absorptionselement
16 Schichtaufbau
18 Kontakte (a: erster Kontakt, b: zweiter Kontakt, c: dritter Kontakt)
20 Substrat

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung (10) zur Bestimmung einer Wellenlänge einer Strahlung umfassend mindestens zwei Absorptionselemente (12, 14) zur Generation von Photosigna- len, wobei die Absorptionselemente (12, 14) in einem Schichtaufbau (16) übereinander angeordnet vorliegen
dadurch gekennzeichnet, dass
ein oberes Absorptionselement (12) eine vertikal variierende chemische Zusammensetzung aufweist, welche durch einen Materialgradienten gekennzeichnet ist, um einen wellenlängenabhängigen Absorptionskoeffizienten einzustellen, und ein unteres Absorptionselement (14) chemisch homogen ausgebildet ist.
2. Vorrichtung (10) nach Anspruch 1
dadurch gekennzeichnet, dass
die Absorptionselemente (12, 14) mindestens ein Halbleitermaterial umfassen.
3. Vorrichtung (10) nach Anspruch 1 oder 2
dadurch gekennzeichnet, dass
die Absorptionselemente (12, 14) binäre, ternäre oder quaternäre Legierungen von Halbleitern, bevorzugt direkten Halbleitern, umfassen.
4. Vorrichtung (10) nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche
dadurch gekennzeichnet, dass
der Materialgradient vertikal monoton steigend oder fallend variiert wird, wobei der Materialgradient bevorzugt eine lineare oder quadratische Abhängigkeit von der vertikalen Position innerhalb des oberen Absorptionselementes (12) aufweist.
5. Vorrichtung (10) nach einem oder mehreren vorherigen Ansprüche
dadurch gekennzeichnet, dass
der Materialgradient im oberen Absorptionselement (12) durch eine vertikale Variation der Anteile der Legierungspartner einer Halbleiterlegierung gebildet wird.
6. Vorrichtung (10) nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche
dadurch gekennzeichnet, dass
das oberen Absorptionselement (12) eine Halbleiterlegierung der allgemeinen Form AxBi-x umfasst, wobei A und B jeweils Legierungspartner kennzeichnen und x der Anteil von A in der Halblegierung ist, welcher vertikal variiert wird.
7. Vorrichtung (10) nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche
dadurch gekennzeichnet, dass
das obere Absorptionselement über einen spektralen Bereich von mindestens 100 meV, bevorzugt mindestens 200 meV, besonders bevorzugt mindestens
300 meV, einen monoton steigenden oder monoton fallenden Absorptionskoeffizienten aufweist.
8. Vorrichtung (10) einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche
dadurch gekennzeichnet, dass
ein Material für die Absorptionselemente (12, 14) ausgewählt ist 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, (ln,Ga)(As,P), (AI,Ga,ln)N, (Mg,Zn,Cd)0 oder (AI,Ga,ln)203.
9. Vorrichtung (10) nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass
die Absorptionselemente (12, 14) dazu eingerichtet sind, Strahlung in einem de- finierten Wellenlängenbereich zu absorbieren.
10. Vorrichtung (10) nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass
der Schichtaufbau (16) ein Substrat (20) umfasst, wobei das obere Absorptions- element (12) und das untere Absorptionselement (14) auf unterschiedlichen Seiten des Substrats (20) angeordnet vorliegen.
11. Vorrichtung (10) nach dem vorherigen Anspruch
dadurch gekennzeichnet, dass
das Substrat (20) für die Strahlung zumindest teilweise transparent ausgebildet ist.
12. Vorrichtung (10) nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass
der Schichtaufbau (16) zwischen den Absorptionselementen (12, 14) Kontakte (18) umfasst, wobei zwischen den Kontakten (18) Photosignale in Form von Photoströmen messbar sind.
13. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche
dadurch gekennzeichnet, dass
die Vorrichtung eine Datenverarbeitungsvorrichtung umfasst, welche dazu eingerichtet ist, das Verhältnis der Signale der Photoströme zu berechnen und unter Berücksichtigung des Verhältnisses die Wellenlänge der Strahlung zu be- stimmen.
14. Verfahren zur Bestimmung einer Wellenlänge einer Strahlung
umfassend die folgenden Schritte
a) Bereitstellung einer Vorrichtung zur Detektion einer Wellenlänge einer Strahlung gemäß einem der vorherigen Ansprüche,
b) Bereitstellung einer Strahlung, deren Wellenlänge bestimmt werden soll, wo- bei die Strahlung auf die Vorrichtung gerichtet wird,
c) Absorption eines ersten Anteils der Strahlung durch ein oberes Absorptionselement (12) und Umwandlung in ein Photostrom-Signal 11 ,
d) Absorption eines zweiten Anteils der Strahlung durch ein unteres Absorpti- onselement (14) und Umwandlung in ein Photostrom-Signal I2
e) Bestimmung der Wellenlänge der Strahlung unter Berücksichtigung des Signal-Verhältnisses 11/12.
15. Verfahren nach dem vorherigen Anspruch
dadurch gekennzeichnet, dass das Signal-Verhältnis von der Wellenlänge der einfallenden Strahlung abhängt.
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