[发明专利]集成于纳米线的片上光谱仪及其探测器阵列的制备方法

说明书

本发明提出一种集成于单根半导体纳米线的片上光谱仪，涉及到器件设计、器件制备方法和光谱仪工作原理等几个方面。基于半导体纳米线材料和电极金属的物性特点，合理设计集成于单根半导体纳米线的肖特基结型探测器阵列，待探测光通过设计的耦合器耦合进具有高反射率的半导体纳米线波导里面，肖特基二极管的高灵敏度以及波导增强的光和物质作用共同决定了器件具有高的光电探测率，可以探测弱光信号，从而实现芯片集成的微型光谱仪；本发明公开的这种宽光谱高探测率的片上光谱仪,能够检测微型结构、材料拉曼以及荧光，在生物医学、物联网涉及微型光谱检测领域有着重要的应用前景。

技术领域

本发明涉及一种半导体纳米材料、微纳光学、电学元件和系统，尤其涉及一种微型的芯片集成高探测率的光谱仪以及探测阵列的制备方法。

背景技术

在涉及到光与物质相互作用的科学和工程问题中，光谱分析是关键的研究工具。最近二十年，微型化乃至片上级的光谱探测分析系统的需求越来越急切，在微型化的过程中，对器件结构、分光材料和结构以及探测器提出了新的要求。微型光谱分析芯片属于国际前沿研究领域，目前对该领域的研究正逐步深入，宽光谱波长分辨实现、新应用的探索和新物理效应的研究已成为目前的关键点。Naure523,67(2015)报道了鲍捷和M.Bawendi合作的一种基于胶体量子点材料制作高分辨率光谱仪的新方法，采用不同禁带宽度的量子点作为滤波片，从而实现光谱分析；最近Science365,1017–1020(2019)报道了剑桥大学HasanTawfique的集成于单根带隙渐变的纳米线微型光谱仪，采用光导型的探测原理，通过背照射的方式探测发光物质的光谱实现光谱分析。这种微型化的器件设计在航空航天、智能器件、医疗卫生等领域具有广阔的应用前景，微型化、无滤波片、宽光谱的光谱分析芯片是人们追求的目标。

现行的微型光谱仪虽然取得了很大的进步，但是还有种种的局限性：采用微型光栅并没有从本质上打破原来构架，依然在空间上无法做到紧凑；采用光子晶体、超材料或者等离激元实现分光技术的这些方法一般成本较高，可分辨的光谱范围比较窄，待测光多采用背入射的方式到达探测器表面，容易使得原来的光谱失真，并且最重要的是现有的微型光谱系统很难实现高的探测率，这就使得片上光谱分析特别是弱光探测时受到很大的挑战。

发明内容

本发明的目的在于提供一种微型高探测率的集成于单根带隙渐变的半导体纳米线的片上光谱仪。其中包括制备集成于单根半导体纳米线肖特基二极管探测器阵列的方法，以及通过波导耦合的方法对芯片上待测光源的光谱重构。

本发明解决其技术问题采用的技术方案是：本发明公开一种集成于纳米线的片上光谱仪，包括集成于单根带隙渐变的半导体纳米线的肖特基探测器阵列，用以实现微型芯片集成的光谱探测；所述肖特基探测器阵列中的待探测光从所述带隙渐变的半导体纳米线端口入射，通过波导耦合方式沿纳米线传播检测；所述带隙渐变的半导体纳米线直径在100-1000nm，长度从几微米到几百微米量级。

本发明的进一步限定技术方案，前述的集成于纳米线的片上光谱仪，所述带隙渐变的半导体纳米线具有的高反射率带隙渐变材料为：CdSxSe1-x、ZnCdSxSe1-x、SiGeSn、或者三五族带隙渐变的纳米线。

前述的集成于纳米线的片上光谱仪，所述待探测光通过波导耦合器将光耦合进半导体纳米线，待测光从半导体纳米线的宽禁带端入射；波导耦合器为光栅波导或光纤波导将片上或者外部光源耦合进入探测器的波导结构，所述的肖特基探测器阵列均为肖特基二极管，所述肖特基二极管沿带隙渐变的半导体纳米线长度方向排布，且肖特基二极管设置方向与带隙渐变的半导体纳米线垂直。

一种用于集成于纳米线的片上光谱仪的肖特基探测器阵列制备方法，包括以下步骤：

1）在管式炉里面，以金颗粒为催化剂，在800-900℃蒸气压100-500mba的条件下采用气-液-固（VLS）引入移动源的方法制备出CdSSe带隙渐变的纳米线；