吹干高密度光谱仪300165

基于GaN波长选择纳米结构吸收体的片上光谱仪
   提到氮化镓大家首先会想到什么？我首先会想到的是充电器，是的GaN材料是目前半导体 研究的热点，由于它具有宽的直接带隙、搞得热导率等优点，在微电子领域具有广阔的前景。目前来自密歇根大学的Pei-Cheng Ku课题组最新研究成果，提出并证明了一种基于波长选择半导体光电二极管的光谱仪概念。通过改变单个InGaN / GaN纳米柱的直径，调整单个光电二极管的吸收特性，使吸收的截止波长在整个芯片 上都发生了变化。且本设计对角度不敏感，使用了14个光电二极管，重构波长范围为450-590nm，通过正交匹配追踪增强的非负最小二乘算法，重建了测试光源的光谱。
通过改变单个氮化镓纳米柱直径来控制的发射波长，纳米柱是通过光刻和蚀刻来制作的，本光谱仪采用了14个光电二极管阵列组成，提出并证明了一种机遇波长选择的半导体光电二极管的光谱仪概念。如图所示为其纳米柱结构的SEM图和结构示意图。

图1：纳米柱SEM图及结构示意图
首先使用单色仪对每个光电二极管的光响应进行表征，入射光的波长从450-590nm，步长为1nm，测量了14个不同纳米柱直径的光电二极管的响应度。如图所示，对每个光电二极管的光响应进行了表征，随着纳米柱直径减小，对应于吸收开始的最长波长定义的吸收截止波长蓝移，膜和1毫米直径器件在较短波长下的响应度可能会增加一个额外的台阶。

图2：(a)不同纳米柱直径的14个光电二极管的测量响应度。(b)测量的响应度归一化为每个光电二极管中纳米柱的总横截面积。
如图2所示峰值响应度随着直径的减小而减小，这主要是由于InGaN光吸收面积的减小。而b图显示了每个光电二极管中总纳米柱面积的归一化响应度。在获得所有14个光电二极管的响应度后，我们通过用包含两个商用发光二极管的测试光源照射样品来演示光谱功能。在发光二极管输出和样品之间没有使用外部光学器件。此外，我们还使用商用光谱仪(海洋光学HR2000)测量了测试光源的光谱，用来做对比。我们从第I个光电二极管测得的光电流(0 V)表示为Ipi。光电二极管的数量比用于表征的波长的数量少得多，得到一个欠定的系统，已经开发了多种算法用于光谱重建。在这项工作中，采用了非负最小二乘算法(NNLS)，来求解此欠定系统，如图所示为其重构光谱对比；

图3：测试光源光谱对比示意图；
如图3所示，重构光谱与商用海洋光谱仪对比可知，重构光谱在峰的位置接近商用光谱仪的测试光谱，但谱形上相距很多，可以在算法上进一步优化，增加迭代次数和容差能够更接近原始光谱；本文提出并证明了一种基于波长选择半导体光电二极管的光谱仪，为微型光谱仪的进一步发展提供了新思路。