(57)【要約】本発明は、放射線を伝導するためのデバイス、光検出器構成、および空間分解スペクトル分析のための方法に関するものである。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
吸収要素（１２）を備えた、放射線を伝導するためのデバイス（１０）であって、
前記吸収要素（１２）は、その延在部に沿って変化する化学組成を有し、前記化学組成は、前記吸収要素（１２）の前記延在部に沿った吸収端のエネルギー位置を変化させるための材料勾配によって特徴付けられることを特徴とする、デバイス（１０）。
【請求項２】
前記吸収要素（１２）は、前記放射線が導入される前記デバイス（１０）の前部領域に、後部領域よりも前記吸収端のより高いエネルギー位置を有し、それにより、前記デバイス（１０）を通る前記放射線の伝播中に、前記放射線はますます高エネルギー部分を失い、スペクトルはより低いエネルギーに向かってシフトするようになっていることを特徴とする、請求項１に記載のデバイス（１０）。
【請求項３】
前記吸収要素（１２）は、基板（１４）上に配置されていることを特徴とする、請求項１または２に記載のデバイス（１０）。
【請求項４】
前記吸収要素（１２）は、二元系、三元系、または四元系の半導体合金である材料を含むことを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載のデバイス（１０）。
【請求項５】
系
前記吸収要素（１２）の前記延在部に沿った前記材料勾配は、単調に増加または減少するように変化し、前記材料勾配は、好ましくは、前記吸収要素（１２）の前記延在部に沿った前記位置に対して線形または二次の依存性を示すことを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一項に記載のデバイス（１０）。
【請求項６】
前記材料勾配は、前記吸収要素（１２）の前記延在部に沿って半導体合金の合金成分の比率を変化させることによって形成されることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一項に記載のデバイス（１０）。
【請求項７】
前記吸収要素（１２）は、一般式ＡＸＢ１−Ｘの半導体合金を含み、ＡおよびＢはそれぞれ合金成分を表し、ｘは、前記吸収要素（１２）の前記延在部に沿って変化する前記半導体合金中のＡの比率であることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一項に記載のデバイス（１０）。
【請求項８】
前記吸収要素（１２）の前記延在部に沿った前記吸収端の前記エネルギー位置は、少なくとも３００ｍｅＶ、好ましくは少なくとも４００ｍｅＶ、少なくとも５００ｍｅＶのスペクトル領域にわたって変化することを特徴とする、請求項１〜７のいずれか一項に記載のデバイス（１０）。
【請求項９】
クラッド層（１６）が、前記基板（１４）と前記吸収要素（１２）との間に存在することを特徴とする、請求項１〜８のいずれか一項に記載のデバイス（１０）。
【請求項１０】
前記吸収要素（１２）は、前記デバイス（１０）の前記延在部に沿って、前記放射線の波長に応じて異なる程度に前記放射線を吸収するように適合されていることを特徴とする、請求項１〜９のいずれか一項に記載のデバイス（１０）。
【請求項１１】
前記吸収要素（１２）は、５０μｍ〜２０ｍｍの範囲、好ましくは１００μｍ〜１０ｍｍの範囲の長さを有することを特徴とする、請求項１〜１０のいずれか一項に記載のデバイス（１０）。
【請求項１２】
前記吸収要素（１２）の材料は、（Ｍｇ、Ｚｎ）Ｏ、（Ｓｉ、Ｇｅ）、（Ｓｉ、Ｇｅ）Ｃ、（Ｉｎ、Ｇａ）２Ｏ３、（Ａｌ、Ｇａ）２Ｏ３、（Ｉｎ、Ｇａ）Ａｓ、（Ａｌ、Ｇａ）Ａｓ、（Ｉｎ、Ｇａ）Ｎ、（Ａｌ、Ｇａ）Ｎ、（Ｃｄ、Ｚｎ）Ｏ、Ｚｎ（Ｏ、Ｓ）、（Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ）Ａｓ、（Ｉｎ、Ｇａ）（Ａｓ、Ｐ）、（Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ）Ｎ、（Ｍｇ、Ｚｎ、Ｃｄ）Ｏ、（Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ）（Ａｓ、Ｐ）、（Ａｌ、Ｉｎ、Ｇａ）Ｎ、および／または（Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ）２Ｏ３を含む群から選択されることを特徴とする、請求項１〜１１のいずれか一項に記載のデバイス（１０）。
【請求項１３】
多数のＮ個の光検出器（２０）が前記デバイス（１０）に沿って提供され、これらの検出器は、前記デバイス（１０）の前記延在部に沿った前記吸収要素（１２）による前記放射線の変化する吸収を検出するように全体として適合されていることを特徴とする、請求項１〜１２のいずれか一項に記載のデバイス（１０）を含む光検出器構成（１８）。
【請求項１４】
前記光検出器構成は、前記光検出器（２０）によって測定された光電流に基づいて前記放射線のスペクトルを決定するように適合されたデータ処理デバイスを有することを特徴とする、請求項１３に記載の光検出器構成（１８）。
【請求項１５】
空間分解スペクトル分析の方法であって、
ａ）導波路（１０）を提供するステップであって、前記導波路（１０）は、吸収要素（１２）を備え、前記吸収要素（１２）は、その延在部に沿って変化する化学組成を有し、前記化学組成は、前記吸収要素（１２）の前記延在部に沿った吸収端のエネルギー位置を変化させるための材料勾配によって特徴付けられる、ステップと、
ｂ）放射線を提供するステップであって、前記放射線は、前記導波路（１０）内に結合される、ステップと、
ｃ）前記吸収要素（１２）の前記化学組成および前記放射線の特性に応じて、前記吸収要素（１２）によって放射線部分を吸収するステップであって、電荷担体が、前記吸収により前記吸収要素（１２）内に放出される、ステップと、
ｄ）光検出器構成（１８）によって前記放出された電荷担体を検出するステップであって、多数のＮ個の光検出器（２０）が前記導波路（１０）に沿って配置されている、ステップと
を含む、方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、放射線を伝導するためのデバイス、光検出器構成、および空間分解スペクトル分析のための方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
先行技術において、典型的には分散要素および／または光路を有する、スペクトルを検出するための従来の分光計が知られている。分散要素は通常、入射放射線を波長で分類するために使用される。格子またはプリズムが、通常、分散要素として使用される。次に、波長または放射線成分によって分類された放射線を、固定光検出器アレイの様々な場所で画像化することができ、放射線のスペクトル分析を調べることができる。あるいはまた、分散要素を動かすことができる光検出器を使用することができる。動きは、例えば、回転とすることができる。これには通常、複雑な機構が必要である。分散要素または光路を有するそのようなデバイスの不利な点は、そのようなデバイスがしばしば非常に大きく、この理由のために扱いにくいことである。特に、そのようなデバイスがより小さな電気的または電子的デバイスに設置される場合、分光計の省スペースでコンパクトな設計が利用可能であることが望ましいであろう。例えば、レンズ構成を使用して動作する分光計の例は、特許文献１に開示されている。従来技術に記載されている従来のデバイスの欠点は、スペクトル感度が異なる一連の検出器に検査される放射線が分散される場合、各検出器に利用可能な大量の放射線強度が失われることである。
【０００３】
さらに、格子またはアレイ状導波路などの微細加工された分散要素を有する分光計は、先行技術から知られている。これらのデバイスでは、検査対象の放射線が波長ごとにチップ上に分類され、様々な光検出器を使用して検出される。しかしながら、このようなデバイスは、主に狭い波長範囲での検査に適している。例えば、特許文献２は、導波路の２つのシェル層がスロットによって互いに接続され、例えば、スロットが上層を構成する材料で満たされ得るマイクロ分光計を開示している。
【０００４】
導波路を含む分光計は、特許文献３および特許文献４から知られており、その延在に沿ってマイクロディスク共振器が配置されている。波長に依存する共振条件は、共振器の寸法または材料組成に基づいて定義され得る。共振条件を満たす波長の光だけが、それぞれの共振器に効果的に結合し、光信号として読み取ることができる。共振器は、高いスペクトル分解能を保証する狭い共振条件によって特徴付けられる。３００ｎｍ以上など、より広い範囲にわたるスペクトル検出を目的とした用途の場合、このようなアプローチは適切ではないか、または複雑な設計が必要となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国特許出願公開第２０１２／０２６８４５号明細書
【特許文献２】米国特許第８，２８２，８８２号明細書
【特許文献３】独国特許出願公開第２４７０１１５号明細書
【特許文献４】欧州特許第２７６６７５７号明細書
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】Ｈｏｌｇｅｒ  ｖｏｎ  Ｗｅｎｃｋｓｔｅｒｎ，  Ｚｈｉｐｅｎｇ  Ｚｈａｎｇ，  Ｆｌｏｒｉａｎ  Ｓｃｈｍｉｄｔ，  Ｊoｒｇ  Ｌｅｎｚｎｅｒ，  Ｈｏｌｇｅｒ  Ｈｏｃｈｍｕｔｈ，  Ｍａｒｉｕｓ  Ｇｒｕｎｄｍａｎｎ，  Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ  ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ  ｓｐｒｅａｄ  ｕｓｉｎｇ  ｐｕｌｓｅｄ−ｌａｓｅｒ  ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ  ｗｉｔｈ  ａ  ｓｉｎｇｌｅ，  ｓｅｇｍｅｎｔｅｄ  ｔａｒｇｅｔ（「単一のセグメント化されたターゲットによるパルスレーザー蒸着を使用した連続組成拡散」），  ＣｒｙｓｔＥｎｇＣｏｍｍ  １５，  １００２０−１００２７  （２０１３）
【非特許文献２】Ｍａｒｃ  Ｄ．  Ｐｏｒｔｅｒ，  Ｃｏｍｂｉｎａｔｏｒｉａｌ  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ  Ｓｃｉｅｎｃｅ（「組み合わせ材料科学」）  （Ｊｏｈｎ  Ｗｉｌｅｙ  ＆  Ｓｏｎｓ，  Ｈｏｂｏｋｅｎ，  ＮＪ，  ２００７）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
したがって、本発明の課題は、従来技術の不利な点および欠点を有さない、放射線を伝導するためのデバイス、光検出器構成、およびスペクトル分析方法を提供することである。このデバイスは、例えばスマートフォンまたはタブレットなどのモバイル装置に設置可能なコンパクトな分光計デバイスを提供するために、スペースを消費する分散要素および光路なしで機能する必要がある。従来のデバイスに匹敵するスペクトル範囲およびスペクトル分解能を依然としてカバーする、特にコンパクトなデバイスが提供され得ることが望ましいであろう。特に、スペクトル分析は、熱的および／または統計的効果に依存するのではなく、材料の選択と設計、およびデバイスの構造またはデバイスの個々の構成要素にそれぞれ依存する必要がある。さらに、このデバイスと方法を使用して、広範囲の波長を測定できる必要がある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この課題は、独立請求項の構成によって解決される。本発明の有利な実施形態は、従属請求項に記載されている。本発明によれば、吸収要素を含む放射線を伝導するためのデバイスが提供される。デバイスは、吸収要素がその延在に沿って変化する化学組成を有することを特徴とする。放射線を伝導するためのデバイスは、吸収要素の延在に沿って連続的に吸収端のエネルギー位置を変化させるために、吸収要素の延在に沿って連続的な材料勾配が存在することを特徴とすることが好ましい。
【０００９】
本発明の目的のために、デバイスは導波路として指定されるおよび／または機能することが好ましい。したがって、このデバイスは、導波路に結合された、または導波路内に存在する放射線を伝導するために特に使用される。吸収要素はまた、本発明の目的のために、好ましくは吸収剤と呼ばれ得る。本発明の目的のために、提案されたデバイスが分光計として使用され得ることが好ましい。提案されたデバイスを波長計として使用することがさらに好ましい。本発明の目的のために、提案されたデバイスが空間分解スペクトル分析での使用に適合され、その結果、デバイスが、本発明の目的のために、好ましくは空間分解スペクトル分析のためのデバイスとも呼ばれ得ることが非常に特に好ましい。
【００１０】
本発明の目的のための吸収要素は、好ましくは、電磁放射線を吸収するための構成要素であり、吸収により光信号を生成することができる。吸収要素という用語は、好ましくは、光伝導性材料、すなわち、電磁放射線を吸収するときに、より導電性になる材料で作られた吸収要素を表すと理解される。例えば、電磁放射線が、そのバンドギャップが電磁放射線の光子エネルギーよりも小さい半導体によって吸収される場合、自由電子および正孔の数が増加し、その結果、導電率が増加する。電圧が、例えば２つの接点を使用して、吸収要素に印加される場合、波長に依存する可能性のある吸収電磁放射線を、光信号または光電流の増加として直接記録できる。したがって、光信号は、好ましくは、電磁放射線が吸収されるときに吸収要素によって検出可能になる電気信号である。光信号は、好ましくは光電流である。
【００１１】
吸収要素が変化する化学組成を有するという構成は、言い換えれば、吸収要素に沿った材料勾配として説明することができる。典型的には所望の均質な材料特性を達成するために、特に均質な合金系を提供することに専門家は常に努力してきたという点で、本発明は、従来技術からの転換を表す。特に、半導体合金で絶えず変化する組成勾配を使用すると、構成要素内部で、例えば２つの異なる濃度が構成要素の異なる機能を実装するために使用される既知のヘテロ構造から離れる。これは、例えば、「障壁」および「井戸」が異なる濃度で実装されている、いわゆる量子井戸で発生する。しかしながら、本発明は、２つの異なる材料および／または元素濃度を有するそのような構成要素から離れ、特に、連続的な、例えば線形または実質的に線形な変化を示す吸収要素内部の材料勾配が提案される。
【００１２】
吸収要素内部に材料勾配を提供することにより、吸収要素または導波路に沿った特定の位置に吸収をマッピングすることが有利に可能になる。これにより、放射線の特に正確な空間分解スペクトル分析を調べて、導波路に結合することができる。特に正確なスペクトル分析の提供は、波長および検出部位の局所マッピングが可能になるように、吸収要素の吸収挙動に有利に影響を与える吸収要素内の材料勾配を提供することによって、本発明の文脈で達成される。このマッピングオプションにより、提案されたデバイス内の分散要素を排除でき、分散要素の専門家は、分散要素をこの汎用タイプのデバイスにまだ必要であると考えていた。この点で、本発明はまた、先行技術に記載された開発から離れる。好ましくは、空間分解スペクトル分析を実行するための導波路の使用、または光検出器用途における導波路の使用も開示される。
【００１３】
例えば、Ｎ個の光検出器のアレイは、吸収要素の延在に沿って存在することができ、全体として、放射線の変化する吸収を検出するように適合されている。放射線吸収の波長依存性は延在に沿って変化するため、スペクトルは、光電流Ｉ１からＩＮの空間分解測定によって決定できる。
【００１４】
本発明によれば、吸収端のエネルギー位置は、連続的な材料勾配によって、吸収要素の延在に沿って変化させることができることが見出された。
【００１５】
本発明の目的のために、「吸収端」という用語は、異なる吸収状態または強度の間における、好ましくは鋭い、すなわち、突然の遷移を示す。例えば、これは、好ましくは電磁スペクトルにおいて、強い吸収の領域と弱い吸収の領域との間に急激な差が生じる領域を意味し得る。材料、特に直接バンド構造を有する半導体の吸収端は、好ましくは、吸収係数αが透明範囲の低い値（典型的には１未満〜１０ｃｍ−１）から大きな値（典型的には、１０４〜１０５ｃｍ−１）に上昇するスペクトル領域に対応する。透明範囲は、好ましくは、吸収端よりも小さい光子エネルギーのスペクトル領域を指定し、一方、吸収範囲は、吸収端よりも大きい光子エネルギーのスペクトル領域を特徴付ける。
【００１６】
「吸収係数」という用語は、典型的な意味で解釈されるべきである。光の吸収は、ランベルト・ベールの吸収法則に従って、吸収媒体を通過するときの光強度の弱化を表す吸収係数αによって説明され得ることが知られている。厚さｄの材料を通過した後の強度は、係数ｅｘｐ（−αｄ）だけ減少すると言われている。したがって、αの単位は１／長さであり、αは通常ｃｍ−１で表される。
【００１７】
吸収端のエネルギー位置は、スペクトル位置とも呼ばれ、好ましくは、異なる吸収状態または強度の間の突然の遷移が発生する光子エネルギーを指す。スペクトル位置は、好ましくは、吸収端の開始点および終了点（例えば、３．２５ｅＶおよび３．５ｅＶ）を意味するが、スペクトル位置は、開始点および終了点の平均値または最も急な上昇点によって特徴付けることもできる。
【００１８】
直接バンド構造を有する複合半導体（ＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＺｎＯなど）では、吸収端の幅は比較的小さく、通常は３０ｍｅＶの光子エネルギーまたはそれぞれの導波路領域の範囲内である。直接バンド構造を有する半導体では、格子振動を伴わずに光を吸収できるため、好ましくは急峻な吸収端をもたらす。間接バンド構造を有する半導体では吸収の上昇が遅くなるが、材料によっては吸収が制限される。
【００１９】
特に吸収端での直接半導体の場合、吸収係数の急激な上昇の正確なスペクトル形状を必要とするいくつかのメカニズムが存在する。低温では、いわゆる「励起子」効果が、高温では、格子振動からの散乱が、しばしば寄与する。これらの影響の典型的な温度は、半導体とそのバンドギャップに依存する。しかしながら、一般的に、熱の影響により、室温では吸収端は広がると考えられる。固体溶液または合金半導体では、陽イオンまたは陰イオン格子、あるいは両方の格子の格子部位が異なる元素によって占められている。例には、（Ａｌ、Ｇａ）Ａｓ、Ｇａ（Ａｓ、Ｐ）、または（Ａｌ、Ｇａ）（Ａｓ、Ｐ）が含まれる。もちろん、４つを超える元素を有する固体溶液または合金半導体も可能である。このようにして、材料特性の着実な変化を、バイナリエンドコンポーネント（つまり、２つの元素のみの化合物半導体）間で実現できる。
【００２０】
このような固体溶液は、多くの半導体ヘテロ構造、すなわち、複数の半導体層が互いに積み重ねられている構造で使用される。例としては、発光ダイオード、半導体レーザー、トランジスタ（ＨＥＭＴ）、または多接合太陽電池が含まれる。
【００２１】
吸収端のスペクトル位置は、固体溶液または半導体合金を使用して特定することができる。本発明によれば、化学勾配または材料勾配を吸収要素に組み込んで、延在に沿った位置に基づいて吸収端のスペクトル位置を変化させることが提案されている。好ましい変化は、前部領域のより高いエネルギーの（例えば、約３．８ｅＶの）吸収端からより低いエネルギーの（例えば、約３．３ｅＶの、図３を参照）吸収端までである。
【００２２】
吸収端のスペクトル位置は、好ましくは、半導体混合物の成分の局所的な化学濃度によって変化する。
【００２３】
濃度勾配およびその機能的形状（線形または非線形、例えば二次）の開始値および終了値を適切に選択することにより、吸収要素の延在に沿った吸収端の絶対スペクトル位置を有利に特定することができる。
【００２４】
したがって、本発明に係る構造の実質的な利点は、位置依存スペクトル分析を可能にするために材料勾配を選択することによって、吸収端のスペクトル位置（および任意選択で幅）を特定できることである。
【００２５】
半導体材料の選択に応じて、吸収端は、赤外（ＩＲ）、可視範囲（ＶＩＳ）、または紫外範囲（ＵＶ）にある。吸収端のスペクトル位置は、化学変化の関数としてバンドギャップＥｇの延在に従う。ｘが化学的変化を示す場合、Ｅｇ（ｘ）は化学的変化の関数としてのバンドギャップの延在である。化学濃度が吸収要素の延在に沿ってｘ１からｘ２まで変化する場合、吸収端のスペクトル位置は、好ましくは、Ｅｇ（ｘ１）からＥｇ（ｘ２）まで実質的に変化し得る。
【００２６】
したがって、吸収要素における連続的な材料勾配の使用は、吸収端のスペクトル位置が変化する、例えば３００ｍｅＶ、４００ｍｅＶ、５００ｍｅＶ、またはそれ以上からの大きな検出範囲を有する分光計の提供を可能にし、この目的のために、３００ｍｅＶ、４００ｍｅＶ、５００ｍｅＶ、またはそれ以上の範囲にわたって化学濃度を変化させることにより、吸収端のスペクトル位置は変化する。
【００２７】
好ましい一実施形態では、吸収要素は、後部領域よりも前部領域に吸収端のより高いエネルギー位置を含む。前部領域は、好ましくは、放射線入口に面する領域、すなわち、検査される放射線の入力領域を指定し、後部領域は、出力側に面する。
【００２８】
高エネルギーは、吸収端のスペクトル位置が後部領域よりも高いエネルギーで（例えば、３．２ｅＶではなく４ｅＶで、図３を参照）存在することを意味し、最初はより高いエネルギーまたは高周波放射線のみが、前部領域、つまり、吸収端よりも上の光子エネルギーを有する放射線の部分で吸収される。
【００２９】
このような構成は、好ましくは、放射線がデバイスを通って伝播し、放射線のスペクトルがより低いエネルギーに向かってシフトするにつれて、放射線がますます高エネルギー部分を失うことを確実にする。
【００３０】
本発明の目的のために、吸収要素は、二元系、三元系、または四元系の半導体合金である材料を含むことが好ましい。材料の吸収要素は、特に、二元系、三元系、または四元系の半導体合金材料を含むことができる。これは、好ましくは、本発明の目的のために、吸収要素が、半導体合金から少なくとも部分的に形成される材料を含み、合金が好ましくは２、３、または４つの合金成分からなることを意味する。三元合金の例は、（Ｍｇ、Ｚｎ）Ｏ、つまりマグネシウム、亜鉛、および酸素の合金である。吸収要素は、好ましくは（Ｍｇ、Ｚｎ）Ｏを含むことができるか、または吸収要素の材料は、（Ｍｇ、Ｚｎ）Ｏによって形成することができる。（Ｍｇ、Ｚｎ）Ｏ合金の使用は、近紫外範囲の放射線を検査する場合に特に有利である。本発明の目的のために、検査される波長範囲は、吸収要素の材料の適切な選択によって決定されることが特に好ましい。
【００３１】
他の可能な合金には、（Ｉｎ、Ｇａ）２Ｏ３および（ＡＩ、Ｇａ）２Ｏ３が含まれ、これらは、例えば、サファイア基板上への蒸着によって堆積され得る。吸収要素の材料は、（Ｇｅ、Ｓｉ）、（Ｇｅ、Ｓｉ）Ｃ、（Ｉｎ、Ｇａ）Ａｓ、（Ａｌ、Ｇａ）Ａｓ、（Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ）（Ａｓ、Ｐ）、（Ｉｎ、Ｇａ）Ｎ、（Ａｌ、Ｇａ）Ｎ、（Ａｌ、Ｉｎ、Ｇａ）Ｎ、（Ｃｄ、Ｚｎ）Ｏ、および／またはＺｎ（Ｏ、Ｓ）を含む群からさらに選択することができ、様々な材料は、好ましくは、異なるスペクトル領域の検査を可能にする。さらに、吸収要素の材料は、（Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ）Ａｓ、（Ｉｎ、Ｇａ）（Ａｓ、Ｐ）、（Ａｌ、Ｇａ、ｌｎ）Ｎ、（Ｍｇ、Ｚｎ、Ｃｄ）Ｏ、および／または（Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ）２Ｏ３を含む群から選択することができる。吸収要素はまた、好ましくは、複数の合金材料から構成することができる。例えば、導波路の前部領域は（Ｍｇ、Ｚｎ）Ｏ材料を含むことができ、導波路の後部領域は（Ｚｎ、Ｃｄ）Ｏ材料を含むことができる。そのような導波路は、例えば、導波路の後部における特に低い光子エネルギーを検出するために使用することができる。異なる材料間の遷移は、例えば流動的であり得る。例えば、吸収要素は複数の材料勾配を有することができる。このような構造は、本発明の目的のために、好ましくは、複数の勾配層の層状構造と呼ばれる。
【００３２】
本発明の目的のために、吸収要素は、化学組成の変化がバンドギャップおよび／または吸収端の変化を伴う合金半導体を含むことが特に好ましい。試験は、特に本発明の文脈で提案された材料によって、この条件が満たされることを示した。あるいはまた、吸収要素の材料は、（Ｍｇ、Ｚｎ）Ｏ、（Ｉｎ、Ｇａ）２Ｏ３、（Ｓｉ、Ｇｅ）、（Ｓｉ、Ｇｅ）Ｃ、（Ａｌ、Ｇａ）２Ｏ３、（Ｉｎ、Ｇａ）Ａｓ、（Ａｌ、Ｇａ）Ａｓ、（Ｉｎ、Ｇａ）Ｎ、（Ａｌ、Ｇａ）Ｎ、（Ｃｄ、Ｚｎ）Ｏ、Ｚｎ（Ｏ、Ｓ）、（Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ）Ａｓ、（Ａｌ、Ｉｎ、Ｇａ）Ｐ、（Ａｌ、Ｉｎ、Ｇａ）（Ａｓ、Ｐ）、（Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ）Ｎ、（Ｍｇ、Ｚｎ、Ｃｄ）Ｏ、および／または（Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ）２Ｏ３を含む群から選択することができ、（Ｉｎ、Ｇａ）２Ｏ３および（Ａｌ、Ｇａ）２Ｏ３は、好ましくは、サファイア上に配置される。
【００３３】
好ましい一実施形態では、吸収要素は、直接半導体の半導体合金を含み、特に好ましくは、（Ｍｇ、Ｚｎ）Ｏ、（Ｉｎ、Ｇａ）２Ｏ３、（Ａｌ、Ｇａ）２Ｏ３、（Ｉｎ、Ｇａ）Ａｓ、（Ａｌ、Ｇａ）Ａｓ、（Ｉｎ、Ｇａ）Ｎ、（Ａｌ、Ｇａ）Ｎ、（Ｃｄ、Ｚｎ）Ｏ、Ｚｎ（Ｏ、Ｓ）、（Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ）Ａｓ、（Ａｌ、Ｉｎ、Ｇａ）Ｐ、（Ａｌ、Ｉｎ、Ｇａ）（Ａｓ、Ｐ）、（Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ）Ｎ、（Ｍｇ、Ｚｎ、Ｃｄ）Ｏ、および／または（Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ）２Ｏ３の群から選択され、当業者は、ＡｌおよびＧａを含む半導体合金が、ＡｌおよびＧａの比率に応じて、好ましくは、それぞれ直接または間接バンドギャップを有する直接または間接半導体であり得ることを知っている。
【００３４】
本発明の目的のために、導波路のスペクトル感度範囲は、使用される半導体材料およびその設計、特に吸収要素および吸収端の設計に依存することが好ましい。この点で、本発明は、適切な材料の選択によって、導波路または分光計の感度範囲の調整可能性を容易にする。したがって、吸収要素の吸収挙動は、半導体材料の適切な選択によって有利に調整することができる。特に、吸収要素の吸収挙動は、吸収体内の材料勾配の設計によっても調整可能である。本発明の文脈において、導波路または吸収要素に沿ってそれぞれ複数の材料勾配を組み合わせることが好ましい場合もある。このようにして、より広いスペクトル範囲または異なるスペクトル範囲を驚くほどカバーすることができる。
【００３５】
本発明の文脈における「変化する化学組成」という用語は、好ましくは、吸収要素がその延在に沿って変化する組成を有することを意味する。例えば、吸収要素が形成される材料は、例えば、検査される放射線の入力領域として使用され得る前部領域において後部領域よりも大きなバンドギャップを有することができる。材料は、入力領域でより多くのマグネシウム含有量を有することができ、マグネシウムの割合は、吸収要素に沿って出力領域に向かって減少し、それにより、例えば亜鉛の割合が増加する。例えば、（Ｍｇ、Ｚｎ）Ｏ合金系の組成は、ＭｇＸＺｎ１−ＸＯの形で記述できるため、マグネシウムが多いほど亜鉛は少なくなる。
【００３６】
本発明の好ましい一実施形態では、材料勾配は、吸収要素の延在に沿って半導体合金の合金成分の比率を変化させることによって形成される。
【００３７】
本発明の別の好ましい一実施形態では、吸収要素は、一般形態ＡＸＢ１−Ｘの半導体合金を含み、ＡおよびＢはそれぞれ合金成分を表し、ｘは、半導体合金中のＡの比率であり、吸収要素の延在に沿って変化する。
【００３８】
本発明の目的のために、吸収要素は、二元系、三元系、または四元系合金を含み、各合金成分の濃度または比率は、指数ｘを介して互いに連結されていることが好ましい場合もある。合金成分ＡおよびＢを含む例示的な合金の選択された材料系に応じて、合金ＡＸＢ１−Ｘの指数ｘは、好ましくは、０から１までの範囲であるか、または０から１の間の値をとることができる。０から０．９、０．８、０．７、０．６、０．５、０．４、０．３、０．２、またはさらには０．１までなどの中間値が好ましい場合がある。同様に、ｘを０．１、０．２、０．３、０．４、０．５、０．６、０．７、０．８、または０，９から１．０までの範囲とすることが好ましい場合がある。任意の組み合わせ、例えば０．２から０．５または０．１から０．３もまた考えられる。一般的な形式のＡＸＢ１−Ｘは、２元、３元、または４元の合金に適用できる。例えば、合金成分ＡおよびＢはまた、半導体混合物を特徴付けることができるか、または吸収要素は、３つ以上の合金成分を有する半導体合金を含み、２つの合金成分の比率のみが変化する。
【００３９】
特に好ましい例示的な実施形態、ＭｇＸＺｎ１−ＸＯの場合、吸収要素内の化学的材料勾配の存在は、好ましくは、前部領域から後部領域まで変化する指数ｘが０．３〜０．０の間の値を取り、値ｘ＝０．３は、例えば、検査される放射線の入力領域に対応する吸収要素の前部領域で想定され、値ｘ〜０．０は、吸収要素の後方領域で想定されるようにそれ自体を表すことができる。
【００４０】
本発明の目的のために、材料勾配は実質的に線形であることが好ましく、当業者は合金系の濃度を調整可能な精度の範囲を知っているので、「実質的に」は当業者には不明確ではない。
【００４１】
実質的に、約、おおよそ、およそなどの用語は、±２０％未満、好ましくは±１０％未満、より好ましくは±５％未満、特に±１％未満の許容範囲を説明する。実質的に、おおよそ、約、およそなどの表示は、常に表示された正確な値を開示し含む。
【００４２】
個々の用途の場合、材料勾配の非線形な延在、例えば、二次のものが好ましい場合がある。これらは、例えば次の形式で表すことができる。
ｘ＝ｘ０＋ｘ１?ｄ＋ｘ２・ｄ２
ただし、ｘｉは、好ましくは一定である係数を表すことが好ましい。
例えば、
ｘ＝ｘ０＋ｘ１?ｄ
のような線形な延在もまた好ましい場合がある。
【００４３】
いくつかの用途では、材料勾配の延在が関数：
ｘ＝ｘ０＋ｘ１?ｄ＋ｘ２?ｄ２＋ｘ３?ｄ３…
によって記述されることが好ましい場合がある。
ただし、ｘｉは、好ましくは一定である係数を表すことが好ましい。このようなテイラー級数は、任意の非線形関数を表すために使用できる。
【００４４】
本発明の好ましい実施形態では、吸収要素の延在に沿った材料勾配は、単調増加または減少する様式で変化し、材料勾配は、好ましくは、吸収要素の延在に沿った位置に対して線形または二次の依存性を示す。
【００４５】
本発明の目的のために、吸収要素によって検査され、導波路に結合される放射線の放射線成分の吸収は、材料、吸収要素の化学組成、設計、デバイスまたはデバイスの構成要素の配置、および放射線の特性に応じて行われることが好ましい。吸収要素は、好ましくは、放射線の少なくとも１つの特性に応じて、デバイスの延在に沿って異なる程度に放射線を吸収するように構成される。放射線の特性は、好ましくは、放射線の周波数ｆまたは波長λであり得る。本発明の目的のために、吸収が吸収要素内の電荷担体を放出することが特に好ましい。吸収された放射線の量、エネルギー、および／または強度に応じて、異なる量の電荷担体が放出され、電荷担体はまた、異なる粒子エネルギーを含むことができる。これらの粒子エネルギーは、好ましくは、単位としての電子ボルト（ｅＶ）で表される。
【００４６】
本発明の目的のために、吸収要素の材料は、好ましくは、各点で鋭い吸収端を含むことが特に好ましい。本発明の目的のために、吸収端が導波路に沿ってそのエネルギー位置を変化させることが特に好ましい。吸収要素の材料は、好ましくは、前部領域、例えば導波路の入力領域に大きなバンドギャップを有し、それにより、最大の光子エネルギーを有する放射線が好ましくはこの領域に吸収される。本発明の目的のためには、放射線が導波路を通って伝播するときに、主に、より高い陽子エネルギーを有する放射線の部分が放射線から吸収されることが好ましい。これにより、放射のスペクトルが変化する。これによって、導波路に沿ってその高周波部分がますます失われるため、スペクトルがより低い光子エネルギーに向かってシフトすることが好ましい。本発明の目的のために、より低い光子エネルギーの放射線が導波路の後部領域で吸収され、そこで放射線の残りが透過されることが特に好ましい。
【００４７】
吸収は、好ましくは、光子エネルギーが吸収要素の材料のバンドギャップのサイズと一致する導波路内の位置での特定の光子エネルギーで始まる。吸収の開始を検出するために、この位置に１つまたは複数の光検出器を設けることができる。
【００４８】
従来技術とは異なり、本発明は、熱的および／または統計的効果による吸収要素の吸収端の主要な影響を含まないが、それは、材料組成または材料勾配の設計によって決定されることを応用試験は示した。本発明の目的のために、本発明の性能パラメータは、熱的および／または統計的効果に依存しないが、吸収要素が形成される材料の設計、または吸収要素内の材料勾配の設計に依存することが特に好ましい。
【００４９】
本発明の目的のために、入射放射線の様々なスペクトル部分が導波路内で分類され、次いで光検出器アレイを使用して検出されることが好ましい。ローカルマッピングは、材料勾配を含む吸収要素内で特に起こる。これにより、動かない非常にコンパクトなデザインを提供できる。また、提案されたデバイスが従来のデバイスと比較して特に効率的となるように、放射線全体が関連するスペクトル領域で光信号に変換されることが好ましい。
【００５０】
本発明の目的のために、検査される放射線は、導波路または吸収要素にそれぞれ結合されることが好ましい。放射線は、例えば、ガラス繊維を調整することによって、または導波路に集光することによって、導波路に結合することができる。検査される放射線は、好ましくは、赤外（ＩＲ）、可視、および／または紫外（ＵＶ）波長範囲の放射線である。検査される放射線は、例えば、ＩＲ、ＵＶ放射線、可視光、またはレーザー放射線とすることができ、放射線は、好ましくは非単色である。波長分布は、好ましくは任意とすることができ、１つまたは複数のピークが好ましい場合がある。本発明の目的のために、検査される放射線は、電磁放射線であることが好ましい。
【００５１】
本発明の目的のために、吸収要素内またはそれに沿って提供される材料勾配のために材料の組成が変化するにつれて、吸収要素の吸収挙動が変化することが好ましい。言い換えれば、吸収体の化学組成の変化は、吸収要素の吸収端の変化を引き起こす。これはまた、導波路を通ってまたは吸収要素に沿って放射線が伝播する間にスペクトルを有利に変化させる。本発明の目的のために、吸収要素は、短波放射線部分が導波路または吸収要素の前部領域で吸収されるように構成されることが好ましい。前部領域は、好ましくは、導波路の入力領域の空間的近傍にある。
【００５２】
「短波放射線」という用語は、本発明の目的のための比較的短い波長を有する放射線として理解することができ、短波長λは、関係：
ｃ＝ｆ?λ
によって高周波ｆおよび高放射エネルギーに結び付けられており、文字ｃは、この式において光速を表す。吸収要素は、好ましくは、長波放射線が吸収要素の後部領域で吸収されるように構成され、吸収要素の化学組成およびその吸収挙動は、いきなりに突然にではなく、連続的に着実に変化するのが好ましい。本発明の目的のために、吸収された放射線は、導波路の後部領域において導波路から分離され得ることが好ましい。
【００５３】
本発明の目的のために、導波路上および／または導波路の周囲に配置できる光検出器が光検出器構成を形成し、光検出器または光検出器構成が、放出された電荷担体、それらの数、および／またはそれらのエネルギーを導波路および／または吸収要素に沿って記録するように適合されることが好ましい。したがって、第２の態様では、本発明は、多数のＮ個の光検出器がデバイスに沿って存在し、それらの全体として、デバイスの延在に沿って吸収要素による放射線の変化する吸収を検出するように適合されている、提案されたデバイスを含む光検出器構成に関するものである。
【００５４】
光検出器構成はまた、好ましくは、本発明の目的のために分光計と呼ばれ得る。
【００５５】
光検出器構成または光検出器は、好ましくは、構成を介して伝導される放射線を検出または検査するために使用することができる。これは、導波路に結合された放射線の空間分解スペクトル分析の機会を有利に作り出す。光検出器構成は、分光計としても使用できることが好ましく、この構成は、分散要素なしで、光路なしで行うことができるので、この構成が特にコンパクトな分光計の提供を可能にすることは、本発明の特別な利点である。
【００５６】
本発明の目的のために、Ｎ個の光検出器の数は、５０〜１００００の範囲、好ましくは１００〜３０００の範囲、特に好ましくは約２００〜１０００の範囲であることが好ましい。試験では、特に２００〜１０００個の光検出器を備えたデバイスは、デバイスのサイズとカバーされる波長範囲との間に特に良好な関係があることが示されている。本発明の目的のために、検出器の数は、放射線のスペクトルが検査される速度に依存することが好ましい。検出器の数は、検出されるスペクトルチャネルの数に依存することがさらに好ましい。検出器の数は、好ましくは、導波路の長さと相関している。言い換えれば、検出器の数およびサイズが導波路の長さを決定する。
【００５７】
例えば、光検出器は、導波路および／または吸収要素に沿って一定の間隔で配置することができ、これらの光検出器は、電荷担体を記録するように適合されている。光検出器の規則的な配置により、検査される放射線は、そこに含まれる波長部分に関して空間分解能で検査され得る。本発明の主な利点は、提案された導波路の構成が、導波路に結合された実質的にすべての光子が吸収され、したがってスペクトル分析に寄与できるか、またはこの目的のために評価できるようなものであることである。入力された放射線の実質的にすべての光子をスペクトル分析に含めることにより、特に効率的な構成要素を提供することができる。これは、実質的に全放射線が好ましくは光応答に変換されるという点で特に達成される。結果として、特によく処理することができ、収集されたデータの特に正確な分析を可能にする、大きな信号強度の信号が得られることが好ましい。本発明の文脈において検査のために放射線を分割する必要はないが、導波路に入射する光の検査が可能であり、実質的に結合して入力されたすべての光子を含む検査が可能であることは、本発明の主な利点である。
【００５８】
好ましい一実施形態では、光検出器構成または分光計は、光検出器で測定された光電流に基づいて放射線のスペクトルを決定するように適合されたデータ処理デバイスを含む。
【００５９】
データ処理デバイスは、データを、好ましくは、光電流または他の測定データのデータを受信、送信、格納、および／または処理するのに適し、そうするように構成されたユニットである。データ処理ユニットは、好ましくは、データを処理するための集積回路、プロセッサ、プロセッサチップ、マイクロプロセッサ、および／またはマイクロコントローラ、ならびにデータを格納するためのハードディスク、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、リードオンリーメモリ（ＲＯＭ）、またはフラッシュメモリなどのデータメモリを含む。
【００６０】
光検出器の測定された光電流に基づいて入射放射線のスペクトルの決定を実行するために、ソフトウェア、ファームウェア、または好ましくは、本方法に関連して開示されるステップを実行するためのコマンドを含むコンピュータプログラムが、データ処理デバイス上に存在され得る。
【００６１】
データ処理デバイスは、例えば、コンパクトであり、光検出器構成または分光計を備えたハウジングに設置することができるマイクロプロセッサとすることができる。しかしながら、パーソナルコンピュータ、ラップトップ、タブレットなどもまた考えられ、データを受信、送信、保存、および／または処理するための手段に加えて、データの表示装置ならびに入力手段、例えば、キーボード、マウス、タッチスクリーンなどもまた含まれる。当業者は、この方法に関連して開示される好ましい（計算）ステップもまた、好ましくはデータ処理デバイスによって実行され得ることを理解している。
【００６２】
例えば、データ処理デバイスは、好ましくは、測定された光電流に基づいて導波路に結合された放射線の空間分解スペクトル分析を実行するために、展開法またはデコンボリューション法および／またはデコンボリューションプロセスのステップを実行するように適合させることができる。展開の基礎として、較正データをデータ処理デバイスに保存することができ、これは、例えば、異なる波長の入射単色放射線に対する光検出器アレイに応答する位置依存の光電流に対応する。
【００６３】
さらに、提案された導波路はまた、放射線の時間分解スペクトル分析が検査され、導波路に結合されることを可能にする。試験は、時間依存信号に対して特に高い時間分解能を驚くほど達成できることを示しており、時間分解能は好ましくはピコ秒範囲まで下げることができる。スペクトル分解能に加えて、特に高い時間分解能を同時に達成できることは、本発明の特別なメリットである。これは、ストリークカメラの機能が本発明によって有利に提供され得ることを意味する。本発明の目的に沿って、いくつかの提案された導波路を互いに実質的に平行にマッピングし、それによって、好ましくはハイパースペクトル画像検出器として使用できる導波路のアレイを形成する。有利なことに、そのような検出器は、スペクトルの線形または一次元分布を測定するために使用することができる。好ましくは、本発明の目的のための一次元分布は、１Ｄ分布とも呼ばれる。提案された導波路の並列配置により、特に空間的およびスペクトル的に分解された測定を実行することができる。本発明が、空間的およびスペクトル的に分解された測定を実行することができる光検出器構成へのモノリシックな導波路ベースのアプローチを提供することは、専門家コミュニティにとって特に驚くべきことであった。
【００６４】
このような導波路の線形アレイを積み重ねることにより、ハイパースペクトル画像検出器の平面的または二次元アレイを実現することができる。好ましくは、本発明の目的のための２次元アレイは、２Ｄまたは画像アレイと呼ばれる。光応答データのそれぞれのさらなる処理によって、本発明は、スペクトルの最大の波長、スペクトルの幅、および特定の波長範囲の線または画像などのスペクトルの特徴の１Ｄまたは２Ｄ分布の測定を促進する。さらに、この情報は、特に光検出器の速度および／または帯域幅によって決定される高い時間分解能で決定することができる。
【００６５】
光検出器構成を形成するために提案された導波路に空間的に近い光検出器を提供することは、好ましくは、局所的に吸収された放射線のいわゆる光応答への変換を可能にし、光応答は、例えば、光電流によって形成され得る。本発明の目的のために、光電流は、吸収要素の照射のために流れる電流であることが好ましい。光電流は、好ましくは、放出された電荷担体によって形成される。本発明の目的のために、検査される放射線のスペクトルが、導波路および／または吸収要素に沿った光応答の横方向分布から、少なくともおおよそ再構築され得ることが好ましい。
【００６６】
提案された導波路を含む光検出器構成が、所望の入射スペクトルの分析のための分光計として使用されることが特に好ましい。デバイスは、好ましくは、波長計としても使用することができ、波長計は、好ましくは、放射線の波長および／または光子エネルギーを決定および／または検出するように適合されたデバイスである。本発明の特別な利点は、入射放射線の波長の測定が、特に広い波長範囲で可能になることである。本発明が分散要素または光路なしで行うことができるために可能になる、本発明の好ましい小さいサイズと比較した場合、特に広い波長範囲は特に驚くべきことである。
【００６７】
本発明の目的のために、光検出器は、ショットキーダイオード、ＭＳＭダイオード、ｐｎダイオード、および／または光伝導体を含む群から選択され得るがこれらに限定されないことが好ましい。光検出器の選択におけるより高い柔軟性のために、本発明は、異なる用途要件に特に容易に適合させることができ、したがって、非常に用途が広い。光検出器構成の例示的な一実施形態を図２に示す。
【００６８】
提案された導波路デバイスおよび提案された光検出器構成に関連する別の利点は、特に小型の分光計デバイスを提供できることであり、これは驚くべきことに、スマートフォン、タブレット、または携帯電話などのモバイル電子デバイス内にさえ設置できる。超小型分光計デバイスを提供する利点は特に、提案されたデバイスが光路なしで、分散要素なしで済ますことができるという点で達成される。言い換えれば、提案された導波路構成および提案された光検出器構成は、分散要素を含まず、光路を含まない。分散要素は、例えば、回折格子またはプリズムであり得る。当業者は、他のどの光学要素を「分散要素」と呼ぶことができるかを知っている。本発明では分散素子を省略できるので、特にコンパクトで省スペースの分光計デバイスを提供することが可能になり、そのコンパクトな設計にもかかわらず、驚くべきことに非常に広い波長範囲にわたる放射線をスペクトル分析するのに適合される。これは、分光計のサイズが後で分析される入射放射線の波長範囲と相関する、または放射線を広いスペクトル範囲で分析できるようにするためにより大きなデバイスが特に必要であると専門家がこれまで想定していたという点で、従来技術からの転換である。
【００６９】
本発明の目的のために、吸収要素は、パルスレーザー蒸着（ＰＬＤ：Ｐｕｌｓｅｄ  Ｌａｓｅｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）の方法を使用して作製されることが好ましい。このようにして、吸収要素内の組成が導波路に沿って変化させることにより、正確に１つの材料勾配を吸収要素内に有利に設定することができる。本発明の目的のために、好ましくは、陰極スパッタリング、分子線エピタキシー、および／または化学堆積法とも呼ばれるスパッタ堆積などの他の方法を使用して材料勾配を生成することが好ましい場合もある。
【００７０】
本発明の目的のために、吸収要素を形成する合金の各成分の濃度が勾配を有することが特に好ましい。本発明の目的のために、イオン注入の方法を使用して吸収要素に材料勾配が生成されることが特に好ましい場合がある。試験は、イオン注入法が特に強い材料勾配をもたらし、提案された導波路の長さをサブミリメートルの範囲に短縮することを可能にすることを示した。そうでなければ、材料勾配の生成を可能にする限り、様々な製造方法が考えられる。吸収要素は、好ましくは薄層（薄層技術）として構成され、例えばシリコンウェハによって形成することができる基板上に存在する。いくつかの用途では、基板は、サファイア、シリコン、ゲルマニウム、ＳｉＣ、Ｇ２Ｏ３、ＳｒＴｉＯ３、ＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＧａＰ、またはガラスを含むことが好ましい場合がある。
【００７１】
本発明の好ましい実施形態では、デバイスまたはデバイスの導波路および横方向の材料勾配を有する吸収層は、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）または化学気相成長法（ＣＶＤ）または陰極スパッタリングまたはパルスレーザー蒸着（ＰＬＤ）の方法で製造される。そうでなければ、横方向の材料勾配の生成を可能にする限り、様々な生成方法が考えられる。
【００７２】
連続的な横方向の材料勾配（導波路または吸収要素の化学組成の勾配）は、好ましくは、様々な化学要素の提供の適切な連続制御およびそれらの堆積部位の制御を通じて、膜堆積プロセスで生成される。これは、例えば、ターゲットが適切な放射状にセグメント化されている場合、パルスレーザー蒸着においてアブレーションターゲット上のレーザー焦点の局所位置を制御することによって、したがって基板の回転を同期させることによって行うことができる。ターゲット上のレーザーの様々な位置により、化学組成の異なるアブレーションされた材料が生成される（非特許文献１を参照）。したがって、連続的な材料勾配は、例えば、非特許文献１によって開示された方法ステップを使用して達成することができる。とりわけ可動マスクを使用する、横方向の材料勾配を生成する他の方法が知られている（例えば、非特許文献２）。
【００７３】
そのような方法は、特に、１ｃｍの範囲内の長さ、好ましくは１ｍｍ未満の長さを有する導波路を製造するために使用することができ、そのような小さい寸法の導波路は、スマートフォンまたはタブレットなどのモバイル装置に有利に設置することができる。吸収要素は、特に、５０μｍ〜２０ｍｍの範囲、好ましくは１００μｍ〜１０ｍｍの範囲内の長さを有することができる。導波路もまた、特に、この好ましい長さの範囲内の長さを有することができる。
【００７４】
これらの値は、直接バンド構造および急峻な吸収端を有するそのような半導体材料において特に好ましい。本発明の目的のために、導波路の長さは、材料の吸収容量、特に導波路内の吸収膜の厚さに依存することが好ましい。例えば、半導体材料として（Ｓｉ、Ｇｅ）を使用する場合、数ミリメートルの導波路長が好ましい場合がある。本発明の目的のために、導波路は、導波路に沿って多数の光検出器の配置を可能にする長さで作られ、その結果、特に良好なスペクトル分解能が有利に達成されることが特に好ましい。本発明の目的のために、光検出器の数を、スペクトル的に捕捉される範囲に調整することができることが特に好ましい。
【００７５】
吸収要素は、好ましくは細長い形状を有し、その断面は、その延在に対応するその長さに比べて小さい。長さに対する断面寸法の比率は、好ましくはアスペクト比と呼ばれる。アスペクト比は、例えば、２、３、４、５、１０、２０、またはそれ以上であり得る。
【００７６】
本発明の目的のために、吸収要素が基板上に配置されることが好ましい。基板は、デバイスが様々な用途に柔軟に使用できるように、デバイスの安定性および機械的強度を与えるように有利に適合されている。基板は、特に、スマートフォンまたは別のモバイル装置などのモバイル通信装置へのデバイスまたは提案された分光計構成の設置を可能にする。クラッド層は、好ましくは、基板と吸収要素との間に提供され得る。その結果得られた導波路の例示的な構造を図１に示す。本発明の目的のために、例えば、導波路が特に吸収体を含むことが好ましい場合がある。しかしながら、導波路が吸収体とクラッド層の両方を含むことが好ましい場合もあり、クラッド層は、特に好ましくは、導波路の吸収要素よりも著しく厚くすることができる。本発明の目的のために、基板がクラッド層として使用されることが好ましい場合がある。これは、基板の屈折率が吸収体の屈折率よりも小さい場合に特に好ましい可能性がある。あるいはまた、検出される放射線の波長よりも厚く、吸収体よりも小さい屈折率を有する十分に厚い層が、吸収要素と基板との間に配置されることが好ましい場合があり、この層は、本発明の目的のためのクラッド層として使用され得る。これは、例えば基板に浸透することによって、放射線が導波路から失われるのを有利に防ぐ。したがって、クラッド層を設けることで、吸収を検査するために放射線が失われるのを防ぐことができる。
【００７７】
本発明の目的のために、クラッド層またはクラッド層を形成する材料が、導波路に結合される放射線を通過させることが特に好ましい。本発明の目的のために、クラッド層の屈折率が基板の屈折率よりもかなり大きいことがさらに好ましい。本発明の目的のために、吸収要素の屈折率が、導波路内部での放射線の伝導を促進するために、基板の屈折率よりもかなり大きいことがさらに好ましい場合がある。本発明の目的のためには、屈折率が互いに十分に異なることが好ましい。屈折率の差は、好ましくは０．０５〜０．１の範囲内であるべきである。
【００７８】
別の一態様では、本発明は、空間分解スペクトル分析のための方法であって、
ａ）導波路を提供するステップであって、導波路は、吸収要素を含み、吸収要素は、変化する化学組成を有するステップと、
ｂ）放射線を提供するステップであって、放射線は、導波路内に結合されるステップと、
ｃ）吸収要素の化学組成および放射線の特性に応じて、吸収要素によって放射線部分を吸収するステップであって、電荷担体が、吸収により吸収要素内に放出されるステップと、
ｄ）光検出器構成によって放出された電荷担体を検出するステップであって、光検出器が導波路に沿って配置されているステップとを含む、方法に関するものである。
【００７９】
導波路および光検出器構成の提供される定義、技術的利点および驚くべき効果は、提案された方法に準用する。
【００８０】
さらに、この方法は、放出された電荷担体から生じる情報を評価するための他の方法ステップを含み得る。例えば、提案された方法は、展開またはデコンボリューション法および／またはデコンボリューション法のステップを含み得る。これらのデコンボリューション法は、本発明の目的のために、好ましくは展開法と呼ぶことができる。そのような方法は、導波路に結合された放射線の空間分解スペクトル分析のための方法の一部として測定結果を分析するとき、好ましくは数値的な方法ステップとして使用されることが好ましい。本発明の目的のために、放射線のパワースペクトルが再構築される光応答が、様々な光検出器の光信号によって現れることが好ましい。入射単色放射線に対する光検出器アレイの応答を決定できる較正ステップは、展開の基礎として使用できる。
【００８１】
この方法は、好ましくは、本発明に従って提案された導波路を使用して実行することができる。しかしながら、他の導波路を使用することが好ましい場合もある。吸収要素が様々な化学組成を有するという構成はまた、本発明の目的のために、吸収要素が材料勾配を有するという点で好ましく説明され得る。空間分解スペクトル分析を促進するために、吸収要素は、吸収要素の延在に沿って吸収端のエネルギー位置を変化させる材料勾配によって特徴付けられることが特に好ましい。
【００８２】
本発明の目的のために、高エネルギー放射線部分が導波路の前部領域で吸収され、低エネルギー放射線部分が導波路の後部領域で吸収されることがさらに好ましく、吸収は好ましくは流体である。放射線の吸収が局所的に変化するため、吸収が起こる場所とそれぞれの放射線の光子エネルギーとの間に関係を確立することができる。好ましくは、上記のように、エネルギーと吸収部位での材料のバンドギャップとの間に関係がある。好ましくは、吸収された放射線のエネルギーは、放出される電荷担体の量および／または数に影響を及ぼし、その結果、放射線中の特定の光子エネルギーの部分は、好ましくは放出された電荷担体によって生成される決定された光電流から推測され得る。
【００８３】
本発明の目的のために、説明された構成が、単独または任意の組み合わせのいずれかで本発明に必須であり得ることが好ましい。
【００８４】
本発明は、以下の図を参照して説明される。
【図面の簡単な説明】
【００８５】
【図１】本発明の好ましい一実施形態の概略断面図を示す。
【図２】本発明の好ましい一実施形態の概略上面図を示す。
【図３】吸収要素の延在に沿った半導体合金の合金成分の比率の変化による吸収端のスペクトル位置の例示的な変化を示す。
【発明を実施するための形態】
【００８６】
図１は、本発明（１０）の好ましい一実施形態の概略断面図を示している。特に、図１は、導波路（１０）を示し、図１に示される本発明（１０）の実施形態は、基板（１４）、クラッド層（１６）、および吸収要素（１２）を含む。クラッド層（１６）は、好ましくは「クラッド」とも呼ぶことができる。
【００８７】
図２は、本発明（１８）の好ましい一実施形態の概略上面図を示す。光検出器構成（１８）は、導波路（１０）、ならびに導波路（１０）の両側に配置された一連の光検出器（２０）を含む。本発明の目的のために、それらの全体が光検出器構成（１８）を形成するように、光検出器（２０）が相互接続されていることが好ましい。２つの光検出器（２０）が互いに対向して配置され、そのような光検出器対の第１の光検出器（２０）は、導波路（１０）の右側に配置することができ、そのような光検出器対の第２の光検出器（２０）は、導波路（１０）の右側に配置することができることが好ましい。本発明の目的のために、第１の光検出器（２０）の一方の接点が導波路（１０）の一方の側に配置され、他方の接点が導波路（１０）の反対側に配置されることが好ましい場合もある。本発明の目的のために、光検出器（２０）の両方の接点が導波路（１０）の同じ側に取り付けられることがさらに好ましい場合がある。
【００８８】
本発明の目的のために、吸収要素（１２）が材料勾配を有することが特に好ましい。材料勾配の存在は、吸収要素（１２）の化学組成が吸収要素（１２）の延在に伴って変化し、その結果、吸収要素（１２）が異なる場所で異なる化学組成を有することを意味する。吸収要素（１２）は、好ましくは、２つ、３つ、または４つの合金成分を有する半導体合金を含み、材料勾配は、個々の合金成分が、吸収要素（１２）の異なる位置で全体の組成の様々な割合を構成するようにそれ自体を表す。図２の矢印は、入射放射線と分析対象の放射線、またはその経路および／または方向を例示的に表している。図２の３つのドットは、好ましくは、光検出器（２０）の構成が導波路（１０）のこの領域でも継続することを記号で表しているが、明確にするために、導波路（１０）の上下の２つの影響を受ける部位にあるそれぞれの光検出器（２０）は図２には示されていない。
【００８９】
図３は、吸収要素の延在に沿った半導体合金の合金成分の比率の変化による吸収端のスペクトル位置の変化を示している。
【００９０】
動作モードは、（Ｍｇ、Ｚｎ）Ｏ系の一例を参照して説明され、説明された原理は、他の半導体系に同様に移行させることができる。化学式ＭｇＸＺｎ１−ＸＯを有する（Ｍｇ、Ｚｎ）Ｏ固体溶液において、ｘはＭｇ含有量を示す。
【００９１】
図３は、ｘ＝０（すなわち、純ＺｎＯ）、ｘ＝０．１５（すなわち、Ｍｇ０．１５Ｚｎ０．８５Ｏ）、およびｘ＝０．２９（すなわち、Ｍｇ０．２９Ｚｎ０．７１Ｏ）の実験的吸収スペクトルおよびバンドエッジのそれぞれの関連するスペクトルシフトを上部に示している。
【００９２】
ｘ＝０の場合の吸収端のスペクトル位置は、約３．３ｅＶである。ｘ＝０．１５の場合の吸収端は、約３．６ｅＶであり、ｘ＝０．２９の場合の吸収端は、約３．９〜４．１ｅＶのスペクトル位置によりわずかに広がっている。
【００９３】
下部の図に示されているように、前部領域から後部領域への実質的に連続的な材料勾配が好ましくは実施され、ここで、ｘは、例えば、０．０から０．２９まで連続的に変化する。
【００９４】
短波またはより高いエネルギーの吸収端（この場合：高マグネシウム含有量；ｘ＝０．２９）を有する材料組成物は、光に面する導波路または吸収要素の側にあり、一方、長波またはより低いエネルギーの吸収端（この場合：低マグネシウム含有量；ｘ＝０．０）を有する材料組成物は、導波路または吸収要素の後部領域に存在する。
【００９５】
前部領域では、約４ｅＶのエネルギー（波長約３１０ｎｍ）を有する光子が吸収されるが、後部領域では、約３．３ｅＶのエネルギー（波長約３７５ｎｍ）の光子が吸収される。したがって、光がデバイスを通って伝播するとき、放射線はますます高エネルギー部分を失い、その結果、放射線のスペクトルはより低いエネルギーに向かってシフトする。
【００９６】
説明したように、放射線の変化する吸収は、光検出器の構成を使用して光電流信号によって検出することができ、空間分解スペクトル分析を実行することができる。
【符号の説明】
【００９７】
１０   デバイス／導波路
１２   吸収要素
１４   基板
１６   クラッド（層）
１８   光検出器配列
２０   光検出器
【図１】
2021534581.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【国際調査報告】
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