WO2016055047A1 - Vorrichtung zur spektrometrischen erfassung von licht mit einer photodiode, die monolithisch in die schichtstruktur eines wellenlängenselektiven filters integriert ist - Google Patents

Vorrichtung zur spektrometrischen erfassung von licht mit einer photodiode, die monolithisch in die schichtstruktur eines wellenlängenselektiven filters integriert ist Download PDF

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WO2016055047A1
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WO
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filter
layer
photoactive layer
light
photodiode
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PCT/DE2015/000503
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Maik LANGNER
Hartmut FRÖB
Vadim G. LYSSENKO
Markas Sudzius
Karl Leo
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Technische Universität Dresden
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    • Y02E10/549—Organic PV cells

Definitions

  • the invention relates to a device for the spectrometric detection of
  • a wavelength-adjustable filter for converting spectral information into location information
  • an organic photodiode designed as a detector for converting the location information into relayable electrical signals
  • the filter and the organic photodiode form a one-piece monolith, wherein the organic photodiode in a connection arrangement to the
  • Filter or the organic photodiode is merged into an integration into the filter
  • the filter at least consists of a spectral resolution element in the form of at least one layered photonic crystal representing the monolith, in which two layers of variable thickness D are formed along a direction perpendicular to the light incident, with a resonant layer being disposed between the two layers,
  • organic photodiode contacting the filter comprises at least the following detector layers:
  • the photoactive layer is between the two electrodes and one of the electrodes is in contact with the photonic crystal.
  • Such a conventional spectral resolving device 101 shown in FIG. 7, within a spectrometric device 102 consists of at least one filter 20, which converts the spectral information into location information, and a detector 30, which subsequently captures the acquired location information in a limited manner Wavelength range signal to be converted into a data stream.
  • the two components - filter 20 and detector 30 - are manufactured individually and then have to be adjusted and fixed. As a result, mass production is difficult to implement due to at least high costs and the mechanical stability and possibly necessary geometric expansion can prevent locations and purposes.
  • the document US 2014/0 106 468 A1 describes a photonic crystal sensor and a method for detecting an analytic.
  • the sensor consists of a photonic crystal
  • photonic crystal is formed from an analytic-sensitive polymeric material
  • the material is deformable upon contact with the analytic, wherein the contact alters an optical property of the photonic crystal or whose material changes a refractive index by contact with said analyte-sensitive material and the analyte-sensitive material forms part of a periodic structure of the photonic crystal,
  • the structure having alternating zones of relatively high refractive index and zones having a relatively low refractive index
  • alternating zones are provided in one or two orthogonal directions of the analyte-sensitive material.
  • the refractive index of the material of the photonic crystal in which the periodic structure has been imprinted is variable by contact with said analytic agent.
  • This sensor is designed for a specific analytic that has to interact with the sensor. Then, for example, the spectral shift of a resonance or a change in intensity is measured. It is disadvantageous that a certain time t (a few seconds to a few minutes) is necessary for this process until an equilibrium state is established, both during the detection of the analytic and during the subsequent reactivation of the sensor. In addition, it is not apparent in what form a broad spectrum of light is analyzed by the sensor.
  • the document US 2012/0 136 227 A1 describes a spectrophotometric sensor which comprises the following elements:
  • wavelength-discriminating detector disposed disposed on the sensor body, wherein the wavelength-discriminating detector
  • the wavelength discriminating detector detects light of one or more discrete wavelengths.
  • the organic light emitting diode or the organic photodetector may consist of:
  • one or more transparent electrode layers are one or more transparent electrode layers.
  • the disadvantage is that in the described sensor only a coarse resolution of a spectrum is possible, ie it can spectral bands of 50 - 100nm width are separated from each detected separately, since only on the absorption properties of the OLEDs or photodetectors detection / separation takes place. Furthermore, in the proposed use of OLEDs in reverse operation with poor efficiency of the Signal acquisition.
  • the detector system comprises
  • an optical sensor that outputs one or more sub-bands of optical wavelengths when illuminated with a wide band of optical wavelengths
  • a detector comprising at least one layer of laterally varying transmission characteristics, wherein the detector receives exit light through the optical sensor and transmits a portion of the received light at a position of at least one layer, the detector utilizing the position to detect wavelength changes as it emerges from the to determine the optical sensor.
  • a disadvantage is that the detector system requires an additional optical sensor for the preselection of the broadband spectrum and subsequent coupling into the detector. Furthermore, the description shows a complete monolithic connection between the spectral filter element and the optical read-out units, which makes it necessary to align the components with one another (at least I have found no mention of monolithic).
  • Another disadvantage is the use of conventional photosensors of inorganic semiconductor material, the production of which is complex and expensive. A combination or even an integration of the sensors in / with photonic crystals / n is difficult to impossible due to the different materials / processes for the production of the film structures of the photonic crystals.
  • the invention has for its object to provide a device for the spectrometric recording of light, which is designed so suitable that the spectral splitting of the input signal and the conversion into an evaluable data stream within a one-piece component structure take place simultaneously.
  • the use of organic semiconductors enables a cost-effective and easy to integrate production.
  • the filter's optical gain effects can increase the interaction of the detector with the spectrum of light to be analyzed, thereby improving its sensitivity.
  • a wavelength-adjustable filter for converting spectral information into location information
  • an organic photodiode designed as a detector for converting the location information into relayable electrical signals
  • the filter and the organic photodiode forming a one-piece monolith, wherein the organic photodiode is connected in a connection arrangement to the filter or the organic photodiode in an integration into the filter,
  • the filter at least
  • spectral resolution element in the form of at least one layered photonic crystal representing the monolith, in which two layers of variable thickness D are formed along a direction perpendicular to the light incident, with a resonant layer being disposed between the two layers,
  • contacting with the filter organic photodiode consists of at least the following detector layers
  • a wavelength-adjustable filter according to the invention denotes an optical component which can spatially separate spectral components of the light or of the light signal.
  • the wavelength adjustment is determined by the sequence of layers and the layer thicknesses of the individual layers.
  • organic photodiodes denote layer sequences of at least one photoactive, organic semiconductor material, as well as two electrodes for the removal of the generated charge carriers and thus the electrical signal generation.
  • Other auxiliary layers of dissimilar materials may be used to alter the efficiency or sensitivity (intensity or spectrum). These include electrons / hole blockers, transport layers for charge carriers, doped layers.
  • an adaptation of the optimum working spectrum of the detector to the spectral profile of the filter structure can be produced. This can be achieved, for example, by off-axis vapor deposition, temporary shading of individual areas, printing methods or spinning and dipping.
  • the functioning of a microresonator increases the interaction between the detector / photodiode and the filtered photons.
  • electromagnetic waves are formed in the resonant layer whose field amplitude has a multiple of the output value of the irradiated wave.
  • the intensity is proportional to the square of the amplitude, thus increasing its sensitivity in an organic detector with a photoactive material of low absorption coefficient.
  • the filter and the downstream of the entrance surface of the filter photodiode contact each other so that they form the monolithic unit, wherein the filter at least
  • spectral resolution element in the form of at least one photonic crystal, wherein at least one layer with variable
  • Thickness D is formed along a direction perpendicular to the incidence of light, wherein the contacting with the filter organic photodiode consists of at least the following detector layers:
  • the photoactive layer is between the two electrodes and one of the two electrodes is in contact with the photonic crystal.
  • the other of the two electrodes of the photoactive layer may be in communication with a plane-parallel sheet-like substrate.
  • charge carriers are located in the entire spectrally sensitive area.
  • the filter can be designed as a linear gradient filter with Bragg reflectors.
  • the filter may be formed as a wavelength-dependent microresonator, wherein the microresonator is designed as a dielectric mirror arrangement and at least consists of
  • a resonant layer disposed between the two mirror arrays.
  • the filter can be designed as a wavelength-adjustable microresonator, wherein the microresonator at least consists of:
  • a second layer stack having a second predetermined refractive index, wherein the first refractive index and the second refractive index
  • a resonant layer which is arranged between the two layer stacks
  • a transparent layer may be attached to one of the layer arrangements as a substrate for mechanical stabilization of the filter.
  • a spectrometric device for detecting light using the aforementioned device may at least comprise
  • a filter for converting spectral information into location information having an entrance surface to which the light components on the part of
  • a detector in the form of an organic photodiode for detecting the location information and converting the location information into relayable electrical signals
  • An evaluation unit which is connected via signal-carrying connecting lines to the organic photodiode, and
  • the filter and the photodiode arranged downstream of the entrance surface of the filter contact one another in such a way that they form an integral monolithic unit
  • the filter at least
  • spectral resolution element in the form of at least one layered photonic crystal, wherein at least one layer of variable thickness D is formed for setting a predetermined wavelength range along a direction perpendicular to the light incidence, wherein the photodiode contacting the filter consists of at least the following detector layers:
  • the photoactive layer is between the two electrodes and one of the two electrodes is in contact with the photonic crystal
  • the detector layers are located within the resonant layer of the photonic crystal of the filter.
  • the other of the two electrodes of the photoactive layer can with a mutually planar layered substrate in conjunction.
  • At least one of the electrodes of the detector can be structured.
  • the connecting lines for signal routing can be present between the detector and the evaluation unit.
  • a photonic crystal e.g. a microresonator is used, wherein at least one material layer with wavelength-adjustable variable thickness D along a direction perpendicular to the light incidence is executed.
  • a layer-sensitive layer structure along the spectral resolution element e.g. an organic photodiode / solar cell or perovskite, in which photons are converted into charge carriers.
  • the location of the signal can then be obtained via their electrodes and the spectral information can be obtained by calibration.
  • the detector can thus be arranged downstream of the filter so as to be directly contacting or even be embedded in the resonant layer in a more filter-engaging manner.
  • Fig. 1 is a schematic representation of a monolithic device for
  • Fig. 1b a third monolithic device according to the invention.
  • FIG. 1c show a fourth monolithic device according to the invention, a schematic representation of a spectrometric device for detecting light, in particular light pulses, with the monolithic device according to FIG. 1,
  • Fig. 3 is an illustration of the transmission of the structure photodiode
  • FIG. 4 is a plot of field amplitude without / with metal layer (eg Ag) in
  • FIG. 5 shows a representation of a field amplitude profile in the case of an arrangement of a model photodiode (10 nm Ag, 150 nm ZnPc, 20 nm Ag) behind a microcavity (resonant layer of a filter), the maximum field amplitude of the microresonator being in spite of the absorptive character of the photodiode a gain of "18 "corresponds,
  • Fig. 6 is a representation of the intensity profile of the electric field for the photodiode downstream of the microcavity of FIG. 5, plotted against wavelengths and the thickness of the organic layer and
  • Fig. 7 is a schematic representation of a spectrometric device for
  • FIG. 1 shows a device 1 for the spectrometric detection of light, in particular of light pulses
  • the device 1 at least comprises
  • a wavelength-adjustable filter 20 for converting spectral information into location information
  • the filter 20 and the organic photodiode 30 form a one-piece monolith, wherein the organic photodiode 30 is merged in a connection arrangement to the filter 20 or the organic photodiode 30 in an integration in the filter 20.
  • the filter 20 and the downstream of the entrance surface 5 of the filter 20 photodiode 30 contact each other so that they form the monolithic unit,
  • the filter 20 in detail, at least consists of a spectral resolution element in the form of at least one photonic crystal 21, in which at least one layer 2, 3 with variable wavelength-tunable adjustable thickness 0 is formed along a direction perpendicular to the light incidence,
  • organic photodiode 30 contacting the filter 20 comprises at least the following detector layers:
  • the photoactive layer 31 is located between the two electrodes 33, 32 and one of the two electrodes, the first electrode 33 is in close contact with the photonic crystal 21.
  • the other second electrode 32 of the photoactive layer 31 may be in communication with a mutually planar layered substrate 50.
  • the detector layers 33, 32, 31 of the photodiode 30 are located:
  • the photoactive layer 31 for charge carrier generation the photoactive layer 31 for charge carrier generation
  • the detector layers 33, 32, 31 can also be integrated into the filter 20 and form the monolithic unit with the surrounding filter 20.
  • charge carriers 40a can be located in the long-wave sensitive region and charge carriers 40b in the short-wave sensitive region of the photodiode 30 by means of incident light. Since the regularity / periodicity gives an analogy to the treatment of crystal structures in solid state theory, photonic structures are also called photonic crystals.
  • the dimensionality characterizes the number of spatial directions which have photonically effective variations, i.
  • a one-dimensional photonic crystal is refractive index-changed only in one spatial direction (e.g., upward), while the other two spatial directions (in-plane) have no variation.
  • the filter 20 may be formed as a linear gradient filter with Bragg reflectors.
  • the filter 20 may be formed as a wavelength-adjustable microresonator, wherein the microresonator is formed as a dielectric mirror assembly, which consists at least of
  • a resonant layer 4 disposed between the first mirror layer assembly 2 and the second mirror layer assembly 3, and
  • a transparent layer 50 as a stabilizing element
  • At least one of the two mirror layer assemblies 2, 3 or at least the resonant layer 4 is formed with variable continuously increasing thickness D along the direction perpendicular to the light incident.
  • the filter 20 shown in FIG. 1 can also be designed as a wavelength-adjustable microresonator 21, wherein the microresonator 21 at least consists of:
  • first layer stack 2 having a first predetermined refractive index
  • second layer stack 3 having a second predetermined refractive index, wherein the first refractive index and the second refractive index differ from each other
  • a resonant layer 4 which is arranged between the two layer stacks 2, 3,
  • At least one of the two layer stacks 2, 3 or at least the resonant layer 4 is formed with variable continuously increasing thickness D along the direction perpendicular to the light.
  • a transparent layer may be attached to one of the layer assemblies 2 or 3 as a substrate 50 for mechanical stabilization of the filter 20.
  • the wavelength tunable microresonator 21 may thus be used e.g. be wedge-shaped.
  • a second monolithic device 1 in the form of a wedge-shaped microresonator with a permutation of the existing electrodes 32, 33 at continuously increasing (divergent) thickness shown in FIG. 1.
  • Fig. 1b is a third monolithic device 1 also in the form of a wedge-shaped microresonator with a variable continuously increasing (divergent) thickness having resonant layer of FIG. 1, wherein the resonant layer 4 of Fig. 1 in Fig. 1 b by the integrated detector 30 is replaced and arranged with steadily increasing (divergent) thickness between the layers 2 and 3, shown.
  • a fourth monolithic device 1 in the form of a microresonator with partially stepwise divergent detector 30 is performed instead of the inner resonant layer 4, wherein the upper layer 2, although in their sections has a constant thickness, but through the step-shaped detector 30 the Step education of the detector 30 takes over, and the lower layer 3 is designed as a mutually planar, applied to the substrate 50 layer.
  • FIG. 3 shows a representation of the transmission of the structure (1T1S) 81T 2mC 1T (1S1T) 7 with a comparison of the transmission properties of a microcavity (MC) with the respective layer composition, including two dielectric mirror layers (1T1S) 8 1T and 1T (1S1T 7 and the various structures, wherein 2C is low refractive index material with K / 2 and 4C low refractive index material with ⁇ and 10 Ap 100Zp 10 Ap led to 10nm Ag, 100nm photodiode 30 (ZnPc - zinc phthalocyanine as a representative absorptive layer), 10nm Ag behind Microcavity (MC).
  • MC microcavity
  • (1T1S) 7 a dielectric mirror of seven titanium dioxide / silicon dioxide layer pairs
  • (1T1S) 8 a dielectric mirror of eight titanium dioxide / silicon dioxide layer pairs
  • FIG. 4 shows an illustration of the field amplitude without / with a silver layer at the edge of the resonant layer 4 of a microresonator 21, wherein despite the low transmittance of 20 nm silver, the arrangement in a field node only increases the field amplitude from the factor 25 to the factor 15 reduced.
  • FIG. 5 shows an illustration of a field amplitude profile in the case of an arrangement of a model photodiode (10 nm Ag, 150 nm ZnPc, 20 nm Ag) behind a microcavity, wherein, in spite of the absorptive nature of the photodiode, the maximum field amplitude of the microresonator is amplified by the factor "18 "corresponds.
  • Fig. 6 is a representation of the intensity profile of the electric field for the photodiode of FIG. 8, plotted over wavelengths near the Resonant frequency of the photodiode structure.
  • the ZnPc-zinc phthalocyanine (ZnPc) layer constitutes the photoactive layer 31 of the photodiode 30.
  • a filter 20 for converting spectral information into location information with an entrance surface 5, on which the light components 11, 12a, 13, 14a fall from the light source 10,
  • a detector 30 in the form of an organic photodiode for converting the location information into relayable electrical signals
  • an evaluation unit 60 which is connected via the electrical signals conductive connecting lines 34 to the photodiode 30, and
  • the filter 20 and the downstream behind the entrance surface 5 of the filter 20 photodiode 30 contact each other such that both components 20 and 30 form the one-piece monolithic unit according to the invention, wherein the filter 20 at least
  • spectral dissolving element in the form of at least one photonic crystal 21 in which at least one layer 2, 3 of variable thickness D is formed along a direction perpendicular to the incidence of light,
  • detector 20 contacting the filter 20 consists of at least the following detector layers
  • the photoactive layer 31 is located between the two electrodes 33, 32 and the one of the electrodes, the first electrode 33 with the photonic crystal 21 is in contact, and
  • the detector layers 31, 32, 33 are located within the resonant layer 4 of the photonic crystal 21 of the filter 20 or the detector layers 31, 32, 33 are simultaneously also formed as a resonant layer 4 and act as such.
  • the other one of the electrodes, the second electrode 32 of the photoactive layer 31 may communicate with a sheet-like substrate 50.
  • At least one of the electrodes 32, 33 of the detector 30 may be structured.
  • the signals emanating from the charge carriers 40a and / or 40b are conducted via the connecting lines 34 to the evaluation unit 60 for evaluation.
  • the light source 10 emits the required light.
  • Fig. 2 the following signal / light components and their functions are indicated:
  • the areas mentioned represent wavelength ranges.
  • the advantages of the monolithic device 1 according to the invention and of the spectrometric device 100 containing the monolithic device 1 are as follows:
  • the direct connection of the detector / photodiode 30 and the spectrally resolving element 20 - of the filter - precludes adjustment of the essential device components 30, 20. Furthermore, there is no need for a spectral calibration of the device 1.
  • the advantageously small extent and the simple possibility of encapsulating the photodiode 30 on / in the filter 20 allow it to be used in confined and stressed environments.
  • the structure of the monolithic device 1 of filter 20 and detector 30 of the present invention can be fabricated as a complete unit in one process (e.g., PVD methods for filter and detector layers), thereby providing a very low cost sensor.
  • a further advantage is that, as shown in Fig. 1, the detector / photodiode 30 is placed behind the high-Q filter (Q-factor) of the link to achieve a high spectral resolution of the input signal 11, 13 , LIST OF REFERENCE NUMBERS

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (1) zur spektrometrischen Erfassung von Licht, zumindest umfassend einen wellenlängeneinstellbaren Filter (20) zur Umwandlung von spektralen Informationen in Ortsinformationen und eine als Detektor ausgebildete organische Photodiode (30) zur Umwandlung der Ortsinformationen in weiterleitbare elektische Signale, wobei der Filter (20) und die organische Photodiode (30) einen einstückigen Monolith bilden, wobei die organische Photodiode (30) in einer Anbindungsanordnung an den Filter (20) oder die organische Photodiode (30) in einer Integration in den Filter (20) zusammenführt ist, wobei der Filter (20) zumindest aus einem spektral auflösenden Element in Form mindestens eines den Monolithen darstellenden, schichtartigen photonischen Kristalls (21) besteht, bei dem zwei Schichten (2, 3) mit variabler Dicke D entlang einer Richtung senkrecht zum Lichteinfall ausgebildet ist, wobei zwischen den beiden Schichten (2, 3) eine Resonanzschicht (4) angeordnet ist, wobei die mit dem Filter (20) kontaktierende organische Photodiode (30) zumindest aus folgenden Detektorschichten besteht: - einer photoaktiven Schicht (31), - einer ersten Elektrode (33) der photoaktiven Schicht (31) und - einer zweiten Elektrode (32) der photoaktiven Schicht (31), wobei die photoaktive Schicht (31) sich zwischen den beiden Elektroden (33, 32) befindet und eine der Elektroden (33) mit dem photonischen Kristall (21) in Kontakt steht. Dabei befinden sich die Detektorschichten (33, 32, 31): - die photoaktive Schicht (31), - die erste Elektrode (33) der photoaktiven Schicht (31) und - die zweite Elektrode (32) der photoaktiven Schicht (31), innerhalb der Resonanzschicht (4) des photonischen Kristalls (21) des Filters (20).

Description

VORRICHTUNG ZUR SPEKTROMETRISCHEN ERFASSUNG VON LICHT MIT EINER PHOTODIODE, DIE MONOLITHISCH IN DIE SCHICHTSTRUKTUR EINES WELLENLÄNGENSELEKTIVEN FILTERS INTEGRIERT IST
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur spektrometrischen Erfassung von
Licht, die zumindest umfasst
- einen wellenlängeneinstellbaren Filter zur Umwandlung von spektralen Informationen in Ortsinformationen und
- eine als Detektor ausgebildete organische Photodiode zur Umwandlung der Ortsinformationen in weiterleitbare elektrische Signale,
wobei der Filter und die organische Photodiode einen einstückigen Monolith bilden, wobei die organische Photodiode in einer Anbindungsanordnung an den
Filter oder die organische Photodiode in einer Integration in den Filter zusammenführt ist,
wobei der Filter zumindest aus einem spektral auflösenden Element in Form mindestens eines den Monolithen darstellenden, schichtartigen photonischen Kristalls besteht, bei dem zwei Schichten mit variabler Dicke D entlang einer Richtung senkrecht zum Lichteinfall ausgebildet ist, wobei zwischen den beiden Schichten eine Resonanzschicht angeordnet ist,
wobei die mit dem Filter kontaktierende organische Photodiode zumindest aus folgenden Detektorschichten besteht:
einer photoaktiven Schicht,
einer ersten Elektrode der photoaktiven Schicht und
einer zweiten Elektrode der photoaktiven Schicht,
wobei die photoaktive Schicht sich zwischen den beiden Elektroden befindet und eine der Elektroden mit dem photonischen Kristall in Kontakt steht.
Stand der Technik
Eine solche in Fig. 7 dargestellte, herkömmliche spektral auflösende Vorrichtung 101 innerhalb einer spektrometrischen Einrichtung 102 besteht aus mindestens einem Filter 20, der die spektrale Information in eine Ortsinformation umwandelt, sowie einem Detektor 30, der die erfasste Ortsinformation in Form des anschließend in einem begrenzten Wellenlängenbereich zuzuordnenden Signals in einen Datenstrom umwandelt. Die zwei Komponenten - Filter 20 und Detektor 30 - werden einzeln hergestellt und müssen anschließend justiert und fixiert werden. Dadurch ist eine Massenfertigung infolge zumindest hoher Kosten schwierig umzusetzen und die mechanische Stabilität sowie die gegebenenfalls notwendige geometrische Ausdehnung können Einsatzorte und Einsatzzwecke verhindern.
In der Druckschrift US 2014/0 106 468 A1 sind ein photonischer Kristallsensor und ein Verfahren zur Erfassung eines Analytikums beschrieben.
Der Sensor besteht aus einem photonischen Kristall,
wobei der photonische Kristall aus einem Analytikum-sensitiven polymerischen Material gebildet ist,
wobei das Material bei einem Kontakt mit dem Analytikum deformierbar ist, wobei durch den Kontakt eine optische Eigenschaft des photonischen Kristalls verändert wird oder von dessen Material ein Brechungsindex durch den Kontakt mit dem genannten Analytikum-sensitiven Material verändert wird und das Analytikum-sensitive Material einen Teil einer periodischen Struktur des photonischen Kristalls bildet,
wobei die Struktur wechselnde Zonen eines relativ hohen Brechungsindex und Zonen einen relativ niedrigen Brechungsindex hat,
wobei die wechselnden Zonen in einer oder zwei orthogonalen Richtungen des Analytikum-sensitiven Materials vorgesehen sind.
Das zugehörige Verfahren zur Herstellung eines solchen optischen Sensors, der den photonischen Kristall zur Erfassung eines Analytikums aufweist,
umfasst folgende Schritte:
Erzeugen eines Stempels mit einer Oberfläche, die ein Muster zum Aufdrucken einer periodischen Struktur für den photonischen Kristall enthält,
Erzeugen eines druckfähigen Analytikum-sensitiven Materials für den photonischen Kristall,
Aufdrucken der periodischen Struktur in das druckfähige Material durch Pressen der genannten Oberfläche des Stempels in eine Oberfläche des druckfähigen Materials,
wahlweise Härten des Materials, in das die periodische Struktur gedruckt worden ist, und
wobei das Aufdrucken und das wahlweise Härten des photonischen Kristalls durchgeführt werden,
wobei das Material des photonischen Kristalls, in den die periodische Struktur eingedruckt worden ist, deformierbar ist, wenn mit dem Analytikum kontaktiert wird,
wobei die Deformation des Materials eine optische Eigenschaft des photonischen Kristalls verändert oder
wobei der Brechungsindex des Materials des photonischen Kristalls, in dem die periodische Struktur eingedruckt worden ist, durch den Kontakt mit dem genannten Analytikum veränderlich ist. Der Nachteil besteht darin, dass dieser Sensor für ein spezifisches Analytikum konzipiert ist, dass dazu mit dem Sensor wechselwirken muss. Gemessen wird anschließend z.B.: die spektrale Verschiebung einer Resonanz oder eine Intensitätsänderung. Nachteilig ist es, dass für diesen Prozess eine gewisse Zeit t (einige s bis wenige min) bis zur Einstellung eines Gleichgewichtszustandes notwendig ist, sowohl bei der Erfassung des Analytikums als auch bei der anschließenden Reaktivierung des Sensors. Zusätzlich ist es nicht ersichtlich, in welcher Form ein breites Lichtspektrum durch den Sensor analysiert wird. In der Druckschrift US 2012/0 136 227 A1 ist ein spektrophotometrischer Sensor beschrieben, der aus folgenden Elementen:
einem Sensorkörper,
einem lichtemittierenden Element, das an dem Sensorkörper anliegt,
einem Wellenlängen unterscheidenden Detektor, der angeordnet an dem Sensorkörper angeordnet ist, wobei der Wellenlängen unterscheidende Detektor aus
einer organisches Licht emittierenden Diode oder einem organischen
Photodetektor
besteht.
Der Wellenlängen unterscheidende Detektor erfasst Licht einer oder mehrerer diskreter Wellenlängen.
Die organische Licht emittierende Diode oder der organische Photodetektor können bestehen aus:
einer organischen Schicht,
einer Substratschicht und
einer oder mehreren transparenten Elektrodenschichten.
Der Nachteil besteht darin, dass bei dem beschriebenen Sensor nur eine grobe Auflösung eine Spektrums möglich ist, d.h. es können spektrale Bänder von 50 - 100nm Breite voneinander getrennt erfasst werden, da ausschließlich über die Absorptionseigenschaften der OLEDs bzw. Photodetektoren eine Detektion/Separation stattfindet. Des Weiteren ist bei der vorgeschlagenen Verwendung von OLEDs im Rückwärtsbetrieb mit einer schlechten Effizienz der Signalerfassung zu rechnen.
In der Druckschrift US 2009/0 220 189 A1 ist ein Detektorsystem zur Erfassung von transmittierendem Licht mit lateralen Veränderungen beschrieben.
Das Detektorsystem umfasst
einen optischen Sensor, der ein oder mehrere Teil-Bande von optischen Wellenlängen ausgibt, wenn dieser mit einem breiten Band von optischen Wellenlängen beleuchtet werden, und
einen Detektor, der umfasst mindestens eine Schicht mit lateral veränderlichen Transmissionseigenschaften, wobei der Detektor Austrittslicht durch den optischen Sensor empfängt und einen Teil des empfangenen Lichts auf einer Position von mindestens einer Schicht durchlässt, wobei der Detektor die Position nutzt, um Wellenlängenänderungen beim Austritt aus dem optischen Sensor zu bestimmen.
Ein Nachteil besteht darin, dass das Detektorsystem einen zusätzlichen optischen Sensor zur Vorselektion des Breitbandspektrums und anschließenden Einkopplung in den Detektor benötigt. Des Weiteren ist aus der Beschreibung eine vollständige monolithische Verbindung zwischen spektralem Filterelement und den optischen Ausleseeinheiten ersichtlich, was eine Ausrichtung der Komponenten zueinander erforderlich macht (zumindest habe ich keine Erwähnung von monolithisch gefunden). Ein weiterer Nachteil ist die Verwendung von herkömmlichen Photosensoren aus anorganischen Halbleiter- Material, deren Herstellung aufwändig und kostenintensiv ist. Eine Kombination oder gar eine Integration der Sensoren in/mit photonische/n Kristalle/n ist auf Grund der unterschiedlichen Materialien/Verfahren zur Herstellung der Filmstrukturen der photonischen Kristalle schwierig bis unmöglich.
Aufgabe
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur spektrome- trischen Erfassung von Licht anzugeben, die derart geeignet ausgebildet ist, dass die spektrale Aufspaltung des Eingangssignals und die Umwandlung in einen auswertbaren Datenstrom innerhalb einer einstückigen Komponenten- Struktur gleichzeitig stattfinden. Die Verwendung von organischen Halbleitern ermöglicht eine kostengünstige und gut integrierbare Herstellung. Zusätzlich kann durch optische Verstärkungseffekte des Filters die Wechselwirkung des Detektors mit dem zu analysierenden Lichtspektrum erhöht und damit dessen Empfindlichkeit verbessert werden.
Beschreibung Die Aufgabe der Erfindung wird mittels der Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.
Die Vorrichtung zur spektrometrischen Erfassung von Licht
umfasst zumindest
- einen wellenlängeneinstellbaren Filter zur Umwandlung von spektralen Informationen in Ortsinformationen und
- eine als Detektor ausgebildete organische Photodiode zur Umwandlung der Ortsinformationen in weiterleitbare elektische Signale,
wobei der Filter und die organische Photodiode einen einstückigen Monolith bilden, wobei die organische Photodiode in einer Anbindungsanordnung an den Filter oder die organische Photodiode in einer Integration in den Filter zusammenführt ist,
wobei der Filter zumindest
aus einem spektral auflösenden Element in Form mindestens eines den Monolithen darstellenden, schichtartigen photonischen Kristalls besteht, bei dem zwei Schichten mit variabler Dicke D entlang einer Richtung senkrecht zum Lichteinfall ausgebildet ist, wobei zwischen den beiden Schichten eine Resonanzschicht angeordnet ist,
wobei die mit dem Filter kontaktierende organische Photodiode zumindest aus folgenden Detektorschichten besteht
- einer photoaktiven Schicht
- einer ersten Elektrode der photoaktiven Schicht und
- einer zweiten Elektrode der photoaktiven Schicht,
wobei die photoaktive Schicht sich zwischen den beiden Elektroden befindet und eine der Elektroden mit dem photonischen Kristall in Kontakt steht, wobei gemäß dem Kennzeichenteil des Patentanspruchs 1
die Detektorschichten:
die photoaktive Schicht,
die erste Elektrode der photoaktiven Schicht und
die zweite Elektrode der photoaktiven Schicht,
sich innerhalb der Resonanzschicht des photonischen Kristalls des Filters befinden. Ein wellenlängeneinstellbarer Filter im Sinne der Erfindung bezeichnet ein optisches Bauelement, das spektrale Komponenten des Lichts oder des Lichtsignals räumlich auftrennen kann. Die Wellenlängeneinstellung wird bestimmt durch die Schichtabfolge und die Schichtdicken der einzelnen Schichten.
Erfindungsgemäß bezeichnen organische Photodioden Schichtfolgen aus mindestens einem photoaktiven, organischen Halbleitermaterial, sowie zwei Elektroden zum Abtransport der generierten Ladungsträger und damit der elektrischen Signalerzeugung. Es können weitere Hilfsschichten aus abweichenden Materialien eingesetzt werden, um die Effizienz oder Empfindlichkeit (Intensität oder Spektrum) zu verändern. Dazu zählen Elektronen/Lochblocker, Transportschichten für Ladungsträger, dotierte Schichten. Über lokale Variation der Schichtzusammensetzung (beispielsweise der Art und Menge der absorbierenden Moleküle) kann eine Anpassung des optimalen Arbeitsspektrums des Detektors an den spektralen Verlauf der Filterstruktur hergestellt werden. Erreicht werden kann dies bspw. durch Off-Axis - Aufdampfverfahren, temporäre Abschattung von einzelnen Gebieten, Druckmethoden oder Schleuder und Tauchverfahren. In diesem Fall sorgt die Funktionsweise eines Mikroresonators zu einer erhöhten Wechselwirkung zwischen dem Detektor/der Photodiode und den gefilterten Photonen. Für resonante Frequenzen/Wellenlängen bilden sich in der Resonanzschicht stehende elektromagnetische Wellen aus, deren Feldamplitude ein Vielfaches des Ausgangswertes der eingestrahlten Welle besitzt. Die Intensität ist proportional zum Quadrat der Amplitude, damit erhöht sich bei einem organischem Detektor mit photoaktivem Material geringen Absorptionskoeffizientens dessen Empfindlichkeit.
In einer Modellbetrachtung eines Mikroresonators durchlaufen Photonen, die sich in der Resonanzschicht befinden, diese Q mal, wobei mit Q die Güte eines Mikroresonators angegeben wird, welche im wesentlichen durch das Reflexi- onsvermögen von dessen Spiegeln bestimmt wird. Je größer Q ist (je reflektiver seine Spiegel, Stand der Technik >1.000-10.000 ), umso öfter durchläuft ein Photon die Resonanzschicht, d.h. effektiv wird die Detektordicke vervielfacht und es erhöht sich drastisch die Wahrscheinlichkeit, dass ein Photon ein elektrisch detektierbares Elektron-Loch-Paar erzeugt.
Der Filter und die nach der Eintrittsfläche des Filters nachgeordnete Photodiode kontaktieren derart miteinander, dass sie die monolithische Einheit bilden, wobei der Filter zumindest
aus einem spektral auflösenden Element in Form mindestens eines photonischen Kristalls besteht, bei dem mindestens eine Schicht mit variabler
Dicke D entlang einer Richtung senkrecht zum Lichteinfall ausgebildet ist, wobei die mit dem Filter kontaktierende organische Photodiode zumindest aus folgenden Detektorschichten besteht:
der photoaktiven Schicht,
der ersten Elektrode der photoaktiven Schicht und
der zweiten Elektrode der photoaktiven Schicht,
wobei sich die photoaktive Schicht zwischen den beiden Elektroden befindet und eine der beiden Elektroden mit dem photonischen Kristall in Kontakt steht. Die andere der beiden Elektroden der photoaktiven Schicht kann mit einem planparallelen schichtartigen Substrat in Verbindung stehen.
In der photoaktiven Schicht der organischen Photodiode können sich durch Erzeugung mittels Lichteinstrahlung Ladungsträger im gesamten spektral sensitiven Bereich befinden.
Der Filter kann als linearer Verlaufsfilter mit Bragg-Reflektoren ausgebildet sein.
Der Filter kann als wellenlängenabhängiger Mikroresonator ausgebildet sein, wobei der Mikroresonator als eine dielektrische Spiegelanordnung ausgebildet ist und zumindest besteht aus
einer ersten Spiegelschichtanordnung mit abwechselnd hochbrechenden und niedrigbrechenden Materialschichten,
einer zweiten Spiegelschichtanordnung mit abwechselnd hochbrechenden und niedrigbrechenden Materialschichten und
einer Resonanzschicht, die zwischen den beiden Spiegelanordnungen angeordnet ist.
Der Filter kann andererseits als wellenlängeneinstellbarer Mikroresonator ausgebildet sein, wobei der Mikroresonator zumindest besteht aus:
- einem ersten Schichtstapel mit einem ersten vorgegebenen Brechungsindex,
- einem zweiten Schichtstapel mit einem zweiten vorgegebenen Brechungsindex, wobei sich der erste Brechungsindex und der zweite
Brechungsindex voneinander unterscheiden, und
- einer Resonanzschicht, die zwischen den beiden Schichtstapeln angeordnet ist,
wobei mindestens einer der beiden Schichtstapel oder zumindest die Resonanzschicht mit variabler stetig ansteigender Dicke D entlang der Richtung senkrecht zum Lichteinfall ausgebildet ist.
Eine transparente Schicht kann als Substrat zur mechanischen Stabilisierung des Filters an einer der Schichtanordnungen angebracht sein.
Der wellenlängenabhängige und -einstellbare Mikroresonator kann somit keilförmig ausgebildet sein. Eine spektrometrische Einrichtung zur Erfassung von Licht unter Einsatz der vorgenannten Vorrichtung kann zumindest umfassen
- eine Lichtquelle,
- einen Filter zur Umwandlung von spektralen Informationen in Ortsinformationen mit einer Eintrittsfläche, auf die die Lichtanteile seitens der
Lichtquelle fallen,
- einen Detektor in Form einer organischen Photodiode zur Erfassung der Ortsinformationen und Umwandlung der Ortsinformationen in weiterleitbare elektrische Signale,
- eine Auswerteeinheit, die über Signal führende Verbindungsleitungen mit der organischen Photodiode verbunden ist, und
- eine Anzeigeeinheit,
wobei gemäß dem Kennzeichenteil des Patentanspruchs 10
der Filter und die nach der Eintrittsfläche des Filters nachgeordnete Photodiode derart miteinander kontaktieren, dass sie eine einstückige monolithische Einheit bilden,
wobei der Filter zumindest
aus einem spektral auflösenden Element in Form mindestens eines schichtartigen photonischen Kristalls besteht, bei dem mindestens eine Schicht mit variabler Dicke D zur Einstellung eines vorgegebenen Wellenlängenbereiches entlang einer Richtung senkrecht zum Lichteinfall ausgebildet ist, wobei die mit dem Filter kontaktierende Photodiode zumindest aus folgenden Detektorschichten besteht:
- einer photoaktiven Schicht,
- einer ersten Elektrode der photoaktiven Schicht und
- einer zweiten Elektrode der photoaktiven Schicht,
wobei die photoaktive Schicht sich zwischen den beiden Elektroden befindet und eine der beiden Elektroden mit dem photonischen Kristall in Kontakt steht, und
die Detektorschichten sich innerhalb der Resonanzschicht des photonischen Kristalls des Filters befinden.
Die andere der beiden Elektroden der photoaktiven Schicht kann mit einem beiderseitig ebenen schichtartigen Substrat in Verbindung stehen.
Zumindest eine der Elektroden des Detektors kann strukturiert ausgebildet sein. Die Verbindungsleitungen zur Signalführung können zwischen dem Detektor und der Auswerteeinheit vorhanden sein.
Es gibt einen durchgelassenen Anteil des aus der Lichtquelle emittierten und einfallenden Lichtes nach dem Durchgang durch den Filter hindurch im transparenten Bereich der Vorrichtung, wobei der Anteil des durchgelassenen Lichtes Ladungsträger im sensitiven Bereich der photoaktiven Schicht erzeugt, die ein optisches Signal ausbilden und in ein weiterleitbares elektrisches Signal umgewandelt werden, und
wobei das jeweils erhaltene elektrische Signal über die Verbindungsleitungen an die Auswerteeinheit zur Auswertung geleitet wird.
Zusammenfassend kann beschrieben werden:
Als spektral auflösendes Element wird ein photonischer Kristall, z.B. ein Mikroresonator, eingesetzt, bei dem mindestens eine Materialschicht mit wellenlängeneinstellbarer variabler Dicke D entlang einer Richtung senkrecht zum Lichteinfall ausgeführt ist.
Für die Detektion wird eine sich entlang des spektral auflösenden Elementes ortssensitive Schichtstruktur, z.B. eine organische Photodiode/Solarzelle oder Perowskite, verwendet, in der Photonen in Ladungsträger umwandelt werden. Über deren Elektroden kann anschließend der Ort des Signals und durch eine Kalibrierung die spektrale Information erhalten werden.
Abhängig von der konkreten Schichtstruktur und den verwendeten Materialien kann der Detektor dem Filter somit unmittelbar kontaktierend nachgeordnet sein oder noch filtereingreifender in dessen Resonanzschicht eingebettet sein.
Weiterbildungen und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in weiteren Unteransprüchen angegeben. Die Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen mittels mehrerer Zeichnungen näher erläutert:
Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer monolithischen Vorrichtung zur
Erfassung von Licht, insbesondere von
Lichtimpulsen, wobei
Fig. 1a eine zweite monolithische Vorrichtung,
Fig. 1 b eine dritte monolithische erfindungsgemäße Vorrichtung und
Fig. 1c eine vierte monolithische erfindungsgemäße Vorrichtung zeigen, eine schematische Darstellung einer spektrometrischen Einrichtung zur Erfassung von Licht, insbesondere von Lichtimpulsen mit der monolithischen Vorrichtung nach Fig. 1 ,
Fig. 3 eine Darstellung der Transmission der Struktur Photodiode und
Mikrokavität (1T1S)8 1T 2mC 1T (1S1T) 7 in Abhängigkeit der Wellenlänge mit einem Vergleich der Transmissionseigenschaften einer einzelnen Mikrokavität mit der jeweiligen Schichtzusammensetzung, beinhaltend zwei dielektrische Spiegelschichten (1T1S)8 1T sowie 1T(1S1T)7 und den verschiedenen Strukturen, wobei 2C niedrigbrechendes Material mit einer optischen Dicke von K/2 und 4C niedrigbrechendes Material mit einer Dicke λ darstellen sowie 10/100
Ap 100/125Zp 10/20 Ap geführt zu 10/100nm Ag (Silber), 100/125nm Photodiode (ZnPc - Zinkphthalozyanin als repräsentative absorptive Schicht), 10/20nm Ag (Silber) hinter der Mikrokavität, Fig. 4 eine Darstellung der Feldamplitude ohne/mit Metallschicht (z.B. Ag) im
Inneren der Resonanzschicht eines Mikroresonators, wobei trotz des geringen Transmissionsgrades von 20nm Silber sich durch die Anordnung in einem Feldknoten die Erhöhung der Feldamplitude nur vom Faktor 25 auf den Faktor 15 reduziert,
Fig. 5 eine Darstellung eines Feldamplitudenverlaufs bei einer Anordnung einer Modell-Photodiode (10nm Ag, 150nm ZnPc, 20nm Ag) hinter einer Mikrokavität (Resonanzschicht eines Filters), wobei trotz des absorptiven Charakters der Photodiode die maximale Feldamplitude des Mikroresonators einer Verstärkung von„18" entspricht,
Fig. 6 eine Darstellung des Intensitätsverlaufes des elektrischen Feldes für die Photodiode nachgeordnet der Mikrokavität gemäß Fig. 5, aufgetragen über Wellenlängen sowie die Dicke der organischen Schicht und
Fig. 7 eine schematische Darstellung einer spektrometrischen Einrichtung zur
Erfassung von Licht mit einer Vorrichtung nach dem Stand der Technik.
In Fig. 1 ist eine Vorrichtung 1 zur spektrometrischen Erfassung von Licht, insbesondere von Lichtimpulsen dargestellt,
wobei die Vorrichtung 1 zumindest umfasst
- einen wellenlängeneinstellbaren Filter 20 zur Umwandlung von spektralen Informationen in Ortsinformationen und
- eine als Detektor ausgebildete organische Photodiode 30 zur Umwandlung der Ortsinformationen in weiterleitbare elektrische Signale. Der Filter 20 und die organische Photodiode 30 bilden einen einstückigen Monolithen, wobei die organische Photodiode 30 in einer Anbindungsanordnung an den Filter 20 oder die organische Photodiode 30 in einer Integration in den Filter 20 zusammengeführt ist. Der Filter 20 und die nach der Eintrittsfläche 5 des Filters 20 nachgeordnete Photodiode 30 kontaktieren derart miteinander, dass sie die monolithische Einheit bilden,
wobei der Filter 20 im Detail zumindest aus einem spektral auflösenden Element in Form mindestens eines photonischen Kristalls 21 besteht, bei dem mindestens eine Schicht 2, 3 mit variabler wellenlängenabgestimmter einstellbarer Dicke 0 entlang einer Richtung senkrecht zum Lichteinfall ausgebildet ist,
wobei die mit dem Filter 20 kontaktierende organische Photodiode 30 zumindest aus folgenden Detektorschichten besteht:
- einer photoaktiven Schicht 31 zur Ladungsträgererzeugung,
- einer ersten Elektrode 33 der photoaktiven Schicht 31 und
- einer zweiten Elektrode 32 der photoaktiven Schicht 31 ,
wobei die photoaktive Schicht 31 sich zwischen den beiden Elektroden 33, 32 befindet und eine der beiden Elektroden, die erste Elektrode 33 mit dem photonischen Kristall 21 in engem Kontakt steht.
Die andere zweite Elektrode 32 der photoaktiven Schicht 31 kann mit einem beiderseitig ebenen, als Schicht ausgebildeten Substrat 50 in Verbindung stehen.
Erfindungsgemäß befinden sich gemäß der Fig. 1b, Fig. 1c und Fig. 2 die Detektorschichten 33, 32, 31 der Photodiode 30:
- die photoaktive Schicht 31 zur Ladungsträgererzeugung,
- die erste Elektrode 33 der photoaktiven Schicht 31 und
- die zweite Elektrode 32 der photoaktiven Schicht 31
sich in Integration innerhalb der Resonanzschicht 4 des photonischen Kristalls 21 und zwischen den sich gegenüberliegenden Schichtanordnungen 2 und 3.
Die Detektorschichten 33, 32, 31 können aber auch in den Filter 20 integriert sein und mit dem umgebenden Filter 20 die monolithische Einheit bilden.
In der photoaktiven Schicht 31 der organischen Photodiode 30 insbesondere im sensitiven Bereich der Vorrichtung 1 können sich gemäß Fig. 2 durch Erzeugung mittels einfallenden Lichtes 11 bzw. 13 Ladungsträger 40a im langwellig sensitiven Bereich und Ladungsträger 40b im kurzwellig sensitiven Bereich der Photodiode 30 befinden. Da sich durch die Regelmäßigkeit/Periodizität eine Analogie zur Behandlung von Kristallstrukturen in der Festkörpertheorie ergibt, werden photonische Strukturen auch als photonische Kristalle bezeichnet.
Dabei kennzeichnet die Dimensionalität die Anzahl an Raumrichtungen, die photonisch wirksame Variationen besitzen, d.h. ein eindimensionaler photonischer Kristall ist nur in einer Raumrichtung (z.B. nach oben) mit einer Brechungsindexänderung versehen, während die beiden anderen Raumrichtungen (in der Ebene) keine Variation aufweisen. Der Filter 20 kann als linearer Verlaufsfilter mit Bragg-Reflektoren ausgebildet sein.
Der Filter 20 kann als wellenlängeneinstellbarer Mikroresonator ausgebildet sein, wobei der Mikroresonator als eine dielektrische Spiegelanordnung ausgebildet ist, der zumindest besteht aus
einer ersten Spiegelschichtanordnung 2 mit abwechselnd hochbrechenden und niedrigbrechenden Materialschichten,
einer zweiten Spiegelschichtanordnung 3 mit abwechselnd hochbrechenden und niedrigbrechenden Materialschichten,
einer Resonanzschicht 4, die zwischen der ersten Spiegelschichtanordnung 2 und der zweiten Spiegelschichtanordnung 3 angeordnet ist, und
einer transparenten Schicht 50 als stabilisierendes Element,
wobei mindestens eine der beiden Spiegelschichtanordnungen 2, 3 oder zumindest die Resonanzschicht 4 mit variabler stetig ansteigender Dicke D entlang der Richtung senkrecht zum Lichteinfall ausgebildet ist.
Der in Fig. 1 dargestellte Filter 20 kann aber auch als wellenlängeneinstellbarer Mikroresonator 21 ausgebildet sein, wobei der Mikroresonator 21 zumindest besteht aus:
einem ersten Schichtstapel 2 mit einem ersten vorgegebenen Brechungsindex, einem zweiten Schichtstapel 3 mit einem zweiten vorgegebenen Brechungsindex, wobei sich der erste Brechungsindex und der zweite Brechungsindex voneinander unterscheiden, und einer Resonanzschicht 4, die zwischen den beiden Schichtstapeln 2, 3 angeordnet ist,
wobei mindestens eine der beiden Schichtstapel 2, 3 oder zumindest die Resonanzschicht 4 mit variabler stetig ansteigender Dicke D entlang der Richtung senkrecht zum Lichteinfall ausgebildet ist.
Eine transparente Schicht kann als Substrat 50 zur mechanischen Stabilisierung des Filters 20 an einer der Schichtanordnungen 2 oder 3 angebracht sein. Der wellenlängeneinstellbare Mikroresonator 21 kann damit z.B. keilförmig ausgebildet sein.
In Fig. 1a ist eine zweite monolithische Vorrichtung 1 in Form eines keilförmigen Mikroresonators mit einer Vertauschung der vorhandenen Elektroden 32, 33 bei stetig ansteigender (divergenter) Dicke gemäß Fig. 1 dargestellt.
In Fig. 1b ist eine dritte monolithische Vorrichtung 1 ebenfalls in Form eines keilförmigen Mikroresonators mit einer eine variable stetig ansteigende (divergente) Dicke aufweisenden Resonanzschicht gemäß Fig. 1 , wobei die Resonanzschicht 4 aus Fig. 1 in Fig. 1 b durch den integrierten Detektor 30 ersetzt und mit stetig ansteigender (divergenter) Dicke zwischen den Schichten 2 und 3 integriert angeordnet ist, gezeigt.
In Fig. 1c ist eine vierte monolithische Vorrichtung 1 in Form eines Mikroresonators mit abschnittsweise stufenförmig divergent ausgebildeten Detektor 30 anstelle der inneren Resonanzschicht 4 ausgeführt, wobei die obere Schicht 2 zwar in ihren Abschnitten eine konstante Dicke aufweist, aber durch den stufenförmig ausgebildeten Detektor 30 die Stufenausbildung des Detektors 30 übernimmt, und die untere Schicht 3 als beiderseitig ebene, an dem Substrat 50 anliegende Schicht ausgeführt ist.
Die Resonanzschicht 4 des Mikroresonators 21 wird auch als Mikrokavität (MC) bezeichnet. In Fig. 3 ist eine Darstellung der Transmission der Struktur (1T1S) 81T 2mC 1T (1S1T) 7 mit einem Vergleich der Transmissionseigenschaften einer Mikrokavität (MC) mit der jeweiligen Schichtzusammensetzung gezeigt, beinhaltend zwei dielektrische Spiegelschichten (1T1S) 8 1T sowie 1T(1S1T)7 und den verschiedenen Strukturen, wobei 2C niedrigbrechendes Material mit K/2 und 4C niedrigbrechendes Material mit λ darstellen sowie 10 Ap 100Zp 10 Ap geführt zu 10nm Ag, 100nm Photodiode 30 (ZnPc - Zinkphthalozyanin als repräsentative absorptive Schicht), 10nm Ag hinter der Mikrokavität (MC).
Dabei bedeuten
1 T einer K/4 dicken Schicht Titandioxid,
2T einer KI2 dicken Schicht Titandioxid,
1S einer KI4 dicken Schicht Siliziumdioxid,
2S einer KI2 dicken Schicht Siliziumdioxid,
(1T1S)7 einem dielektrischen Spiegel aus sieben Titandioxid/Siliziumdioxid- Schichtpaaren,
(1T1S)8 einem dielektrischen Spiegel aus acht Titandioxid/Siliziumdioxid- Schichtpaaren,
2mC m Vielfachen einer λ/2-Schicht niedrigbrechenden Materials (n=1.5). In Fig. 4 ist eine Darstellung der Feldamplitude ohne/mit Silberschicht am Rand der Resonanzschicht 4 eines Mikroresonators 21 gezeigt, wobei trotz des geringen Transmissionsgrades von 20nm Silber sich durch die Anordnung in einem Feldknoten die Erhöhung der Feldamplitude nur vom Faktor 25 auf den Faktor 15 reduziert.
In Fig. 5 ist eine Darstellung eines Feldamplitudenverlaufs bei einer Anordnung einer Modell-Photodiode (10nm Ag, 150nm ZnPc, 20nm Ag) hinter einer Mikrokavität gezeigt, wobei trotz des absorptiven Charakters der Photodiode die maximale Feldamplitude des Mikroresonators einer Verstärkung mit dem Faktor „18" entspricht.
In Fig. 6 ist eine Darstellung des Intensitätsverlaufes des elektrischen Feldes für die Photodiode aus der Fig. 8 gezeigt, aufgetragen über Wellenlängen nahe der Resonanzfrequenz der Photodioden-Struktur.
Die Schicht aus ZnPc - Zinkphthalozyanin (ZnPc) stellt die photoaktive Schicht 31 der Photodiode 30 dar.
Die in Fig. 2 dargestellte spektrometrische Einrichtung 100 - Spektrometer - umfasst unter Einsatz der vorgenannten Vorrichtung 1
zumindest
eine Lichtquelle 10,
einen Filter 20 zur Umwandlung von spektralen Informationen in Ortsinformationen mit einer Eintrittsfläche 5, auf die die Lichtanteile 11 , 12a, 13, 14a seitens der Lichtquelle 10 fallen,
einen Detektor 30 in Form einer organischen Photodiode zur Umwandlung der Ortsinformationen in weiterleitbare elektrische Signale,
eine Auswerteeinheit 60, die über die elektrische Signale leitende Verbindungsleitungen 34 mit der Photodiode 30 verbunden ist, und
eine Anzeigeeinheit 35.
Dabei kontaktieren der Filter 20 und die hinter der Eintrittsfläche 5 des Filters 20 nachgeordnete Photodiode 30 derart miteinander, dass beide Komponenten 20 und 30 die erfindungsgemäße einstückige monolithische Einheit bilden, wobei der Filter 20 zumindest
aus einem spektral auflösendem Element in Form mindestens eines photonischen Kristalls 21 besteht, bei dem mindestens eine Schicht 2, 3 mit variabler Dicke D entlang einer Richtung senkrecht zum Lichteinfall ausgebildet ist,
wobei der mit dem Filter 20 kontaktierende Detektor 30 zumindest aus folgenden Detektorschichten besteht
einer photoaktiven Schicht 31 ,
einer ersten Elektrode 33 der photoaktiven Schicht 31 und
einer zweiten Elektrode 32 der photoaktiven Schicht 31 ,
wobei die photoaktive Schicht 31 sich zwischen den beiden Elektroden 33, 32 befindet und die eine der Elektroden, die erste Elektrode 33 mit dem photonischen Kristall 21 in Kontakt steht, und
die Detektorschichten 31 , 32, 33 sich innerhalb der Resonanzschicht 4 des photonischen Kristalls 21 des Filters 20 befinden oder die Detektorschichten 31 , 32, 33 gleichzeitig auch als Resonanzschicht 4 ausgebildet sind und als solche wirken.
Die andere der Elektroden, die zweite Elektrode 32 der photoaktiven Schicht 31 kann mit einem schichtartigen Substrat 50 in Verbindung stehen. Zumindest eine der Elektroden 32, 33 des Detektors 30 kann strukturiert ausgebildet sein.
Es gibt einen durchgelassenen Anteil 13 des einfallenden Lichtes aus der Lichtquelle 10 nach dem Durchgang durch den Filter 20 hindurch im transparenten Bereich der Vorrichtung 1 , wobei der durchgelassene Anteil 13 Ladungsträger 40a und/oder 40b im sensitiven Bereich der photoaktiven Schicht 31 erzeugt, wobei die Ladungsträger 40a und/oder 40b ein registrierbares Signal auslösen,
wobei im Detektor 30 die von den Ladungsträgern 40a und/oder 40b ausgehenden Signale über die Verbindungsleitungen 34 an die Auswerteeinheit 60 zur Auswertung geleitet werden.
Die Lichtquelle 10 emittiert das erforderliche Licht. In Fig. 2 sind folgende Signal-/Lichtanteile und ihre Funktionen angegeben: Dabei gibt es
einen langwelligen Anteil 1 1 des Lichtes beim Durchgang des Filters 20 im langwellig spektral sensitiven Bereich,
einen kurzwelligen Anteil 12a des Lichtes vor dem Auftreffen auf den Filter 20 im langwellig transparenten Bereich,
einen kurzwelligen Anteil 12b des Lichtes nach dem Auftreffen auf den Filter 20 im langwellig transparenten Bereich,
einen kurzwelligen Anteil 13 des Lichtes beim Durchgang des Filters 20 im kurzwellig spektral sensitiven Bereich,
einen langwelligen Anteil 14a des Lichtes vor dem Auftreffen auf den Filter 20 im kurzwellig transparenten Bereich und
einen langwelligen Anteil 14b des Lichtes nach dem Auftreffen auf den Filter 20 im kurzwellig transparenten Bereich.
Die genannten Bereiche stellen Wellenlängenbereiche dar.
Die Vorteile des erfindungsgemäßen monolithischen Vorrichtung 1 und der die monolithischen Vorrichtung 1 enthaltenden spektrometrischen Einrichtung 100 bestehen in Folgendem:
Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 ist durch die direkte Verbindung des Detektors/der Photodiode 30 und des spektral auflösenden Elements 20 - des Filters - eine Dejustage der wesentlichen Vorrichtungs-Komponenten 30, 20 ausgeschlossen. Des Weiteren entfällt eine spektrale Kalibrierung der Vorrichtung 1. Die vorteilhaft geringe Ausdehnung sowie die einfache Möglichkeit einer Kapselung der Photodiode 30 an/in den Filter 20 erlauben den Einsatz in beengten und beanspruchten Umgebungen.
Die Struktur der erfindungsgemäßen monolithischen Vorrichtung 1 aus Filter 20 und Detektor 30 lässt sich als komplette Einheit in einem Prozess herstellen (z.B. PVD-Verfahren für Filter- und Detektorschichten), wodurch ein sehr kostengünstiger Sensor entsteht.
Die Wahl von (teil-)transparenten Materialien für Filter 20 und Detektor 30 sowie Substrat 50 ermöglicht einen parallelen Durchgang des Lichtes bei gleichzeitiger Analyse des Spektrums.
Werden die Detektorschichten 33, 32, 31 in den Filter 20 integriert, kann bei geringem Materialeinsatz der photoaktiven Materialien in der photoaktiven Schicht 31 eine verbesserte Sensitivität erreicht werden (Feldverstärkung in Mikroresonatoren und eine hohe Anzahl von Umläufen resonanter Photonen). Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass, wie in Fig. 1 dargestellt, der Detektor/die Photodiode 30 hinter dem Filter 20 mit hoher Güte (Q-Faktor) der Anbindung angeordnet wird, um eine hohe spektrale Auflösung des Eingangssignals 11 , 13 zu erzielen. Bezugszeichenliste
1 Vorrichtung
2 erste Materialschicht mit vorgegebenem Brechungsindex
3 zweite Materialschicht mit unterschiedlich vorgegebenem Brechungsindex 4 Resonanzschicht/Mikrokavität
5 Eintrittsfläche des Filters
10 Lichtquelle
1 1 langwelliger Anteil des Lichtes beim Durchgang des Filters im langwellig spektral sensitiven Bereich
12a kurzwelliger Anteil des Lichtes vor dem Auftreffen auf den Filter im
langwellig transparenten Bereich
12b kurzwelliger Anteil des Lichtes nach dem Auftreffen auf den Filter im
langwellig transparenten Bereich
13 kurzwelliger Anteil des Lichtes beim Durchgang des Filter im kurz- wellig spektral sensitiven Bereich
14a langwelliger Anteil des Lichtes vor dem Auftreffen auf den Filter im
kurzwellig transparenten Bereich
14b langwelliger Anteil des Lichtes nach dem Auftreffen auf den Filter
im kurzwellig transparenten Bereich
20 Filter
21 photonischer Kristall/Mikroresonator
30 Detektor/organische Photodiode
31 photoaktive Schicht/Detektorschicht
32 zweite Elektrode der photoaktiven Schicht/zweite Detektorschicht 33 erste Elektrode der photoaktiven Schicht erste Detektorschicht
34 Verbindungsleitung/en
35 Anzeigeeinheit
40a Ladungsträger im langwellig sensitiven Bereich der photoaktiven Schicht 40b Ladungsträger im kurzwellig sensitiven Bereich der photoaktiven Schicht 50 Substrat
60 Auswerteeinheit
100 spektrometrische Einrichtung gemäß Erfindung
101 Vorrichtung nach dem Stand der Technik 102 spektrometrische Einrichtung nach dem Stand der Technik
Ag Silber
ZnPc Zinkphthalozyanin
MC Mikrokavität
PD Photodiode
T Titandioxid
S Siliziumdioxid
C niedrig brechendes Material (n=1.5)
D Dicke

Claims

Patentansprüche
1 . Vorrichtung (1) zur spektrometrischen Erfassung von Licht,
zumindest umfassend
- einen wellenlängeneinstellbaren Filter (20) zur Umwandlung von spektralen Informationen in Ortsinformationen und
eine als Detektor ausgebildete organische Photodiode (30) als Detektor zur Umwandlung der Ortsinformationen in weiterleitbare elektische Signale,
wobei der Filter (20) und die organische Photodiode (30) einen einstückigen Monolith bilden, wobei die organische Photodiode (30) in einer Anbindungsanordnung an den Filter (20) oder die organische Photodiode (30) in einer Integration in den Filter (20) zusammenführt ist,
wobei der Filter (20) zumindest
aus einem spektral auflösenden Element in Form mindestens eines den Monolithen darstellenden, schichtartigen photonischen Kristalls (21) besteht, bei dem zwei Schichten (2, 3) mit variabler Dicke D entlang einer Richtung senkrecht zum Lichteinfall ausgebildet ist, wobei zwischen den beiden Schichten (2, 3) eine Resonanzschicht (4) angeordnet ist,
wobei die mit dem Filter (20) kontaktierende organische Photodiode (30) zumindest aus folgenden Detektorschichten besteht:
- einer photoaktiven Schicht (31),
- einer ersten Elektrode (33) der photoaktiven Schicht (31) und
- einer zweiten Elektrode (32) der photoaktiven Schicht (31),
wobei die photoaktive Schicht (31) sich zwischen den beiden Elektroden (33,
32) befindet und eine der Elektroden (33) mit dem photonischen Kristall (21) in Kontakt steht,
dadurch gekennzeichnet,
dass sich die Detektorschichten (33, 32, 31):
- die photoaktive Schicht (31 ),
- die erste Elektrode (33) der photoaktiven Schicht (31 ) und
- die zweite Elektrode (32) der photoaktiven Schicht (31),
innerhalb der Resonanzschicht (4) des photonischen Kristalls (21) des Filters (20) befinden.
Vorrichtung nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Filter (20) und die nach der Eintrittsfläche (5) des Filters (20) nachgeordnete Photodiode (30) derart miteinander kontaktieren, dass sie die monolithische Einheit bilden,
wobei der Filter (20) zumindest
aus einem spektral auflösenden Element in Form mindestens eines schichtartigen photonischen Kristalls (21) besteht, bei dem mindestens eine Schicht (2, 3) mit wellenlängenabgestimmter einstellbarer Dicke D entlang einer Richtung senkrecht zum Lichteinfall ausgebildet ist,
wobei die mit dem Filter (20) kontaktierende organische Photodiode (30) zumindest aus folgenden Detektorschichten besteht
- der photoaktiven Schicht (31),
- der ersten Elektrode (33) der photoaktiven Schicht (31) und
- der zweiten Elektrode (32) der photoaktiven Schicht (31),
wobei die photoaktive Schicht (31) sich zwischen den beiden Elektroden (33, 32) befindet und eine der Elektroden (33) mit dem photonischen Kristall (21) in Kontakt steht.
Vorrichtung nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass eine der beiden Elektroden (32, 33) der photoaktiven Schicht (31) mit einem schichtartigen Substrat (50) in Verbindung steht.
Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet,
dass sich in der photoaktiven Schicht (31) der organischen Photodiode (30) durch Erzeugung mittels Lichtenstrahlung Ladungsträger (40a) im langwellig sensitiven Bereich und/oder Ladungsträger (40b) im kurzwellig sensitiven Bereich befinden. Vorrichtung nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Filter (20) als linearer Verlaufsfilter mit Bragg-Reflektoren ausgebildet ist.
Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Filter (20) als wellenlängenabhängiger und -einstellbarer Mikroresonator (21) ausgebildet ist, wobei der Mikroresonator (21) als eine dielektrische Spiegelanordnung ausgebildet ist,
zumindest bestehend aus
einer ersten Spiegelschichtanordnung (2) mit abwechselnd hochbrechenden und niedrigbrechenden Materialschichten,
einer zweiten Spiegelschichtanordnung (3) mit abwechselnd hochbrechenden und niedrigbrechenden Materialschichten und
einer Resonanzschicht (4), die sich zwischen den beiden Spiegelschichtanordnungen (2, 3) befindet.
Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Filter (20) als wellenlängenabhängiger und -einstellbarer Mikroresonator (21) ausgebildet ist, wobei der Mikroresonator (21) zumindest besteht aus:
- einem ersten Schichtstapel (2) mit einem ersten vorgegebenen Brechungsindex,
- einem zweiten Schichtstapel (3) mit einem zweiten vorgegebenen
Brechungsindex, wobei sich der erste Brechungsindex und der zweite Brechungsindex voneinander unterscheiden, und
- einer Resonanzschicht (4), die zwischen den beiden Schichtstapeln (2, 3) angeordnet ist,
wobei mindestens eine der beiden Schichtstapel (2, 3) oder zumindest die Resonanzschicht (4) mit variabler stetig ansteigender Dicke D entlang der Richtung senkrecht zum Lichteinfall ausgebildet ist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet,
dass eine transparente Schicht als Substrat (50) zur mechanischen Stabilisierung des Filters (20) an einer der Schichtanordnungen (2; 3) angebracht ist.
9. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7,
dadurch gekennzeichnet,
dass der wellenlängeneinstellbare Mikroresonator (21) keilförmig ausgebildet ist.
10. Spektrometrische Einrichtung (100) zur spektrometrischen Erfassung von Licht unter Einsatz einer Vorrichtung (1) nach den Ansprüchen 1 bis 9, zumindest umfassend
- eine Lichtquelle (10),
- einen Filter (20) zur Umwandlung von spektralen Informationen in
Ortsinformationen mit einer Eintrittsfläche (5), auf die die Lichtanteile (11 , 12a, 13, 14a) seitens der Lichtquelle (10) fallen,
- einen Detektor in Form einer Photodiode (30) zur Umwandlung der
Ortsinformationen in weiterleitbare elektrische Signale,
- eine Auswerteeinheit (60), die über elektrische Signal führende
Verbindungsleitungen (34) mit der Photodiode (30) verbunden ist, und
- eine Anzeigeeinheit (35),
dadurch gekennzeichnet,
dass der Filter (20) und die organische Photodiode (30) derart miteinander kontaktieren, dass sie eine monolithische Einheit bilden,
wobei der Filter (20) zumindest
aus einem spektral auflösendem Element in Form mindestens eines photonischen Kristalls (21) besteht, bei dem mindestens eine Schicht (2, 3) mit variabler Dicke D zur Einstellung eines vorgegebenen Wellenlängenbereiches entlang einer Richtung senkrecht zum Lichteinfall ausgebildet ist, wobei die mit dem Filter (20) kontaktierende Photodiode (30) zumindest aus folgenden Detektorschichten besteht:
- einer photoaktiven Schicht (31) zur Erzeugung von Ladungsträgern (40a, 40b),
- einer ersten Elektrode (33) der photoaktiven Schicht (31) und
- einer zweiten Elektrode (32) der photoaktiven Schicht (31),
wobei die photoaktive Schicht (31) sich zwischen den beiden Elektroden (33, 32) befindet und eine der beiden Elektroden (33) mit dem photonischen Kristall (21) in Kontakt steht und
die Detektorschichten (31 , 32, 33) sich innerhalb der Resonanzschicht (4) des photonischen Kristalls (21) des Filters (20) befinden.
1 1. Einrichtung nach Anspruch 10,
dadurch gekennzeichnet,
dass die andere der beiden Elektroden (32, 33) der photoaktiven Schicht (31) mit einem schichtartigen Substrat (50) in Verbindung steht.
12. Einrichtung nach Anspruch 10,
dadurch gekennzeichnet,
dass zumindest eine der Elektroden (33) der organischen Photodiode (30) strukturiert ausgebildet ist.
13. Einrichtung nach Anspruch 10,
dadurch gekennzeichnet,
dass Verbindungsleitungen (34) zwischen der Photodiode (30) und der Auswerteeinheit (6) vorhanden sind.
14. Einrichtung nach den Ansprüchen 10 bis 13,
dadurch gekennzeichnet,
dass es einen durchgelassnen Anteil (13) des Lichtes aus der Lichtquelle (10) nach dem Durchgang durch den Filter (20) hindurch im transparenten Bereich der Vorrichtung (1 ) gibt, wobei der durchgelassene Anteil (13) des Lichtes Ladungsträger (40a, 40b) im sensitiven Bereich der photoaktiven Schicht (31) erzeugt, und
wobei das jeweils erfasste Signal über die elektrische Signale leitenden Verbindungsleitungen (34) an die Auswerteeinheit (60) zur Auswertung geleitet wird.
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