光电探测器、光电探测器的制备方法、光电探测器阵列和光电探测终端与流程

本发明涉及光子探测技术领域，特别是涉及一种光电探测器、光电探测器的制备方法、光电探测器阵列和光电探测终端。

背景技术：

随着科技的进步和社会的发展，光电探测器应用的领域越来广泛，相应的对光电探测器的要求也就越高；尤其针对诸如深度探测(如激光雷达)、医疗感应及量子通信等高精端行业中，基于单个光子探测的光电探测器的要求更加严苛。

但是，发明人发现，目前光电探测器的光吸收效率较低，会直接影响产品的性能。

技术实现要素：

基于此，有必要针对上述技术问题提供了一种光电探测器、光电探测器的制备方法、光电探测器阵列和光电探测终端，以有效提升光吸收效率，进而来改善光电探测器件的性能。

在一个可选的实施例中，本申请提供了一种光电探测器，包括衬底和形成于该衬底之上的光学谐振腔：所述光学谐振腔包括：

光吸收层，具有相对的光线入射外表面和底部外部表面，以及位于所述光线入射表面与所述底部表面之间的外侧壁；

陷光结构(lighttrap)层，覆盖于所述光线入射表面；以及

光反射结构层，覆盖于所述光吸收层的所述底部外表面和/或所述外侧壁上；

其中，所述光反射结构层用于反射透过所述陷光结构层射入所述光学谐振腔中的外部光线，以增加该外部光线在所述光吸收层中的传播光程，进而有效提升光电探测器的光子吸收效率。

在一个可选的实施例中，所述衬底为具有光反射功能的衬底，以进一步提升光学谐振腔底部的光反射能力。

在一个可选的实施例中，所述衬底为金属衬底、具有分布式布拉格反射镜结构的衬底、具有soi结构的衬底或者具有hcg(highcontrastgrating，高对比度光栅)结构的衬底。其中，soi可用于表示绝缘体上的硅(silicononinsulator)或者绝缘体上的半导体(semiconductoroninsulator)，在本申请的部分实施例中是以soi表示绝缘体上的硅进行举例说明的，但在不冲突的前提下，本领域人员应该能够理解，可将绝缘体上的硅的衬底结构替换为绝缘体上的半导体的衬底结构。

在一个可选的实施例中，所述衬底为soi结构衬底时，该衬底包括至少两层叠置的soi复合层。

在一个可选的实施例中，所述陷光结构层具有凹凸结构，用于改变透过该陷光结构层射入所述光学谐振腔内的所述外部光线的传播方向。

在一个可选的实施例中，所述凹凸结构为纳米级的结构；

其中，所述凹凸结构呈阵列式分布于所述陷光结构层的表面。

在一个可选的实施例中，所述凹凸结构的纵截面为锯齿形或方波形。

在一个可选的实施例中，所述凹凸结构的纵截面为锯齿形时，该凹凸结构为四棱锥体。

在一个可选的实施例中，所述凹凸结构包括凸起和凹槽；

其中，所述凹凸结构的纵截面为方波形时，所述凸起和/或所述凹槽的横截面形状为正多边形和圆形中的至少一种。

在一个可选的实施例中，所述凹凸结构以四方密排或六方密排的方式分布于所述陷光结构层的表面。

在一个可选的实施例中，所述光反射结构层覆盖于所述光吸收层的所述底部外表面上时，该光反射结构层包括：

底部反射层，覆盖在所述光吸收层的所述底部外表面，用于对射向所述底部外表面的光线进行反射，以与所述陷光结构层形成第一光学谐振结构。

在一个可选的实施例中，所述底部反射层的材质为金属或介电材料。

在一个可选的实施例中，所述底部反射层为所述介电材料时，该介电材料可为氧化硅、氮化硅和/或其他材质。

在一个可选的实施例中，所述光反射结构层覆盖于所述光吸收层的所述外侧壁时，该光反射结构层包括：

侧壁反射墙，环绕所述光吸收层设置于所述衬底上，用于形成第二光学谐振结构；

其中，所述第二光线谐振结构用于对经所述陷光结构层改变方向，且射向所述侧壁反射墙进行来回反射。

在一个可选的实施例中，所述侧壁反射墙为填充深沟槽(deeptrenchisolation，简称dti)所形成的光反射隔离结构。

在一个可选的实施例中，所述侧壁反射墙包括：

绝缘层，覆盖于所述深沟槽的底部及侧壁；以及

反射层，填充于所述深沟槽中；

其中，所述深沟槽延伸至所述衬底的上表面或内部。

在一个可选的实施例中，所述绝缘层的材质包括氧化硅，以及

所述反射层的材质包括氧化硅、无定形硅、多晶硅或金属中的至少一种。

在一个可选的实施例中，上述的光电探测器还可包括：

电路层，临近所述陷光结构层设置于所述衬底之上，用于将所述光吸收层所吸收的光信号转换为电信号；以及

微透镜，用于将接收的外部光线汇聚至该陷光结构层的光入射外表面。

在一个可选的实施例中，所述光电探测器为单光子探测器(singlephotonavalanchediode，简称spad)、雪崩二极管(avalanchephotodiode，简称apd)或硅光倍增管(siliconphotomultiplier，简称sipm)。

在一个可选的实施例中，本申请还提供了另一种光电探测器，可包括衬底、底部反射层、光吸收层、陷光结构层和侧壁反射墙：

其中，所述底部反射层、所述光吸收层和所述陷光结构层，沿远离所述衬底的方向，依次设置于所述衬底之上；

在所述光吸收层的厚度方向，所述侧壁反射墙贯穿该光吸收层至所述底部反射层或所述衬底；以及

所述侧壁反射墙与所述陷光结构和所述底部反射层形成环绕所述光吸收层的密封式光学谐振腔，用于对经所述陷光结构射入所述光吸收层的外部光线进行反射，进而增加该外部光线在光吸收层中的光程，以有效的提升光电探测器的光吸收效率。

在一个可选的实施例中，所述陷光结构层具有纳米级的凹凸结构；

其中，所述凹凸结构呈阵列式分布于所述陷光结构层的表面。

在一个可选的实施例中，所述凹凸结构的纵截面为锯齿形或方波形。

在一个可选的实施例中，所述凹凸结构包括凸起和凹槽；

其中，所述凹凸结构的纵截面为方波形时，所述凸起和/或所述凹槽的横截面形状为正多边形和圆形中的至少一种。

在一个可选的实施例中，所述凹凸结构以四方密排或六方密排的方式分布于所述陷光结构层的表面。

在一个可选的实施例中，所述底部反射层的材质为金属或氧化硅。

在一个可选的实施例中，所述侧壁反射墙为填充深沟槽所形成的光反射隔离结构。

在一个可选的实施例中，所述侧壁反射墙包括：

绝缘层，覆盖于所述深沟槽内表面；以及

反射层，填充于内表面覆盖有所述绝缘层的所述深沟槽中；

其中，所述深沟槽延伸至所述衬底的上表面或内部。

在一个可选的实施例中，所述绝缘层的材质包括氧化硅，以及

所述反射层的材质包括氧化硅、无定形硅、多晶硅或金属中的至少一种。

在一个可选的实施例中，上述的光电探测器还可包括：

电路层，临近所述陷光结构层设置于所述衬底之上，用于将所述光吸收层所吸收的光信号转换为电信号；以及

微透镜，用于将接收的外部光线汇聚至该陷光结构层的光入射表面。

在一个可选的实施例中，所述光电探测器为单光子探测器、雪崩二极管或硅光倍增管。

在一个可选的实施例中，本申请还提供了一种光电探测器，可包括：

衬底；

底部反射层，覆盖所述衬底的上表面；

光吸收层，形成于所述底部反射层的上表面；

侧壁反射墙，沿厚度方向贯穿所述光吸收层至所述底部反射层；以及

陷光结构层，设置于所述光吸收层的上表面；

其中，所述光吸收层中形成有第一掺杂区、第二掺杂区、第三掺杂区、第四掺杂区和第五掺杂区；所述第一掺杂区、第二掺杂区和所述第三掺杂区中掺杂离子为第一类型离子，所述第四掺杂区和第五掺杂区中的掺杂离子为第二类型离子；所述第三掺杂区中的离子浓度大于所述第二掺杂区中的离子浓度，所述五掺杂区中的离子浓度大于所述第四掺杂区的离子浓度，且所述第一掺杂区中的离子浓度沿背离所述底部反射层的方向逐渐降低；以及

第二掺杂区、第三掺杂区、第四掺杂区和第五掺杂区均形成于所述第一掺杂区中；所述第三掺杂区形成于所述侧壁反射墙与所述光吸收层的交界处，且该第三掺杂区与所述第二掺杂区、所述第四掺杂区之间均有间隙；所述第四掺杂区形成于所述光吸收层上表面的位置处；所述第五掺杂区形成于所述第四掺杂区中所述光吸收层的上表面位置处，且所述陷光结构设置于该第五掺杂区中，该陷光结构底部表面与所述第四掺杂区接触。

在一个可选的实施例中，上述的光电探测器还可包括：

绝缘复合层，临近所述侧壁反射墙设置于所述光吸收层的上表面；

淬灭电阻层，形成于所述绝缘复合层中；以及

形成于所述绝缘复合层之上的第一电极和第二电极；

其中，所述第一电极与所述第三掺杂区电连接，所述第二电极分别与所述淬灭电阻和所述第五掺杂区电连接。

在一个可选的实施例中，所述陷光结构层包括基于浅沟槽工艺刻蚀所述光吸收层所形成的纳米结构薄膜。

在一个可选的实施例中，所述纳米结构层具有若干沟槽，所述陷光结构层还包括：

填充薄膜，用于填充所述若干沟槽，以使的所述陷光结构层具有平坦的表面。

在一个可选的实施例中，所述纳米结构薄膜的上表面位置处形成有第六掺杂区；

其中，所述第六掺杂区中的掺杂离子为所述第一类型离子。

在一个可选的实施例中，所述第二掺杂区中的离子浓度大于所述第一掺杂区中离子浓度，所述第六掺杂区的离子浓度大于所述第二掺杂区的离子浓度，所述第三掺杂区的离子浓度大于所述第六掺杂区的离子浓度；

其中，所述第三掺杂区、所述第四掺杂区和所述第六掺杂区均为重掺杂区。

在一个可选的实施例中，所述第一类型的离子为p型离子，所述第二类型的离子为n型离子。

在一个可选的实施例中，本申请还提供了一种光电探测器阵列，包括呈阵列式分布的多个光感测单元；

其中，所述光感测单元包括如上述任意一项所述的光电探测器；以及

所述光电探测器包括光反射结构层时，所述光反射结构层覆盖于所述光学谐振腔的侧壁，以在提升光电探测器阵列的光吸收效率的同时，利用该光反射结构层或侧壁反射墙等元件，将相邻的光感测单元予以光隔离，有效避免出现光串扰的缺陷。

在一个可选的实施例中，本申请还提供了一种光电探测器的制备方法，可包括：

提供一衬底，并于所述衬底上形成硅外延层；所述硅外延层中形成有掺杂渐变区，所述掺杂渐变区包括多个器件单元区；

在所述单元器件区的交界位置处制备侧壁隔离墙，以用于将相邻的所述器件单元区予以光电隔离；

于所述器件单元区中制备多个子掺杂区后，在所述硅外延层的顶部制备陷光结构；以及

在所述硅外延层的顶部表面制备淬灭电阻和各电极结构。

在一个可选的实施例中，可在生长硅外延层的同时，边外延生长边进行掺杂工艺，以在制备形成硅外延层的同时，在该硅外延层中形成掺杂渐变区；另外，也可在外延生长形成硅外延层之后，在进行掺杂工艺，以在制备完成的硅外延层中形成上述的掺杂渐变区。

在一个可选的实施例中，所述衬底为金属衬底、具有分布式布拉格反射镜结构的衬底或具有soi结构的衬底。

在一个可选的实施例中，所述的方法还可包括：

在所述衬底上制备底部反射层后，在所述底部反射层之上形成硅外延层。

在一个可选的实施例中，所述在所述硅外延层的顶部制备陷光结构的步骤，包括：

采用浅沟槽刻蚀工艺，刻蚀所述硅外延层的顶部，以形成若干纳米级光学结构。

在一个可选的实施例中，所述方法还可包括：

在所述硅外延层的顶部表面制备淬灭电阻和各电极结构之后，对所述若干纳米级光学结构进行表面钝化和/或电学绝缘处理。

在一个可选的实施例中，所述掺杂渐变区中离子的浓度，沿背离衬底方向上逐渐降低。

在一个可选的实施例中，基于沟槽刻蚀填充工艺制备所述侧壁隔离墙。

在一个可选的实施例中，所述基于沟槽刻蚀填充工艺制备所述侧壁隔离墙的步骤，包括：

采用深沟槽刻蚀工艺，在所述单元器件区的交界位置处形成深沟槽；

沉积绝缘层覆盖于所述深沟槽的底部及侧壁；以及

制备反射层充满所述深沟槽；

其中，所述深沟槽延伸至所述衬底的上表面或内部。

在一个可选的实施例中，所述绝缘层的材质包括氧化硅，以及

所述反射层的材质包括氧化硅、无定形硅、多晶硅或金属中的至少一种。

在一个可选的实施例中，本申请还提供了一种光子芯片，可包括上述任一实施例中所阐述的光电探测器。

在一个可选的实施例中，本申请还提供了一种光电探测终端，可包括：

设备本体；

如上述的光电探测器阵列，与所述设备本体连接；

其中，所述设备本体通过所述光电探测器阵列进行光子的光电感测。

在一个可选的实施例中，所述光电探测终端包括激光雷达设备、移动通讯设备和图像处理设备。

附图说明

图1是一个可选的实施例中光电探测器的截面结构示意图；

图2a是另一个可选的实施例中光电探测器的截面结构示意图；

图2b是图2a中所示陷光结构散射入射光线的示意图；

图3是一个可选的实施例中具有密封式光学谐振腔的光电探测器的结构示意图；

图4a是另一个可选的实施例中具有密封式光学谐振腔的光电探测器的结构示意图；

图4b是图4a所示光反射结构反射隔离入射光线的示意图；

图4c是图4a中所示soi衬底的结构示意图；

图5是一个可选的实施例中具有锯齿形纳米结构的陷光结构的截面示意图；

图6是一个可选实施例中纳米结构呈正方形排列的示意图；

图7是一个可选实施例中纳米结构呈六方密排方式排列的示意图；

图8是一个可选实施例中纳米结构以孔状阵列方式排列的示意图；

图9是一个可选实施例中基于浅沟槽刻蚀工艺形成的方波形纳米结构的示意图；

图10是一个可选实施例中基于浅沟槽刻蚀工艺形成的锯齿形纳米结构的示意图；

图11a为单光子探测器的等效电路元器件；

图11b为硅光倍增管的等效电路图；

图11c为单光子探测器阵列板的俯视图；

图11d为图11c中单光子探测器阵列板中光电感测单元的等效电路图；

图12为串扰提升器件噪声基底的示意图；

图13为一个可选的实施例中光电探测器的器件结构示意图；

图14为一个可选的实施例中光电探测器阵列的器件结构示意图；

图15为另一个可选的实施例中光电探测器的器件结构示意图；

图16为一个可选的实施例中设置有微透镜的光电探测器的器件结构示意图；

图17为一个可选的实施例中激光雷达接收端的结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

针对传统的光电探测器的光子吸收效率较低的技术问题，本申请的实施例中创造性的提出一种新的光电探测器，通过在光吸收层上的设置陷光结构层(lighttrappingstructure)，同时在光吸收层的底部表面和/或侧壁上制备光反射结构层，进而使得陷光结构层与光反射结构层形成具有优良光反射性能的光学谐振腔，从而能有效增加外部光线在光吸收层中传播的光程，进而有效提升光子吸收效率。

图1是一个可选的实施例中光电探测器的截面结构示意图。如图1所示，一种光电探测器，可包括衬底11及设置在该衬底11之上的光学谐振腔10等，且该光学谐振腔可包括光反射结构层12、光吸收层13和陷光结构层14等部件：光吸收层13可具有相对的光线入射外表面(如图1中所示的上表面)和底部外表面(如图1中所示的下表面)，以及位于光线入射表面与底部表面之间的外侧壁(如图1中所示的周侧侧壁)。其中，陷光结构层14覆盖于上述光吸收层13的光线入射表面(即如图1中所示的上表面)，以用于对接收所接收的外部光线进行反射、折射和散射等，进而将入射的外部光线分散光吸收层13中的多个角度，从而增加外部光线在光吸收层13中的光程；同时，光反射结构层12则可覆盖在光吸收层13的侧壁上，以环绕该光吸收层13形成在该光吸收层12延展方向上的第一光学谐振腔，从而对透过陷光结构层14并被该陷光结构层14改变传播方向的外部光线进行来回的反射，即该第一光学谐振腔可对如图1中所示沿光吸收层13延展方向上的光线进行来回反射，以进一步增加外部光线在所述吸收层13中传播的光程。其中，上述的陷光结构层14与光吸收层13的材质可相同或不同；例如，可基于同一结构膜层，制备上述的陷光结构层14和光吸收层13，也可在光吸收层13之上采用其他的工艺或材质单独制备上述的陷光结构层14。

在一个可选的实施例中，如图1所示，上述的衬底11可为具有光信号反射功能的衬底，例如金属衬底、具有分布式布拉格反射镜(distributedbraggreflection，简称dbr)的衬底或具有soi(silicon-on-insulator，绝缘体上的硅)结构的衬底等，以使得该衬底11在反射入射光线增加光程的同时，与上述的陷光结构层14形成在光吸收层13厚度方向上的第三谐振腔，以进一步的增加外部光线在该光吸收层13中的光程。而为了进一步提升衬底11的光信号反射功能，还可在该衬底11中设置至少两个(如两个或三个等)叠置的soi复合层。

图2a是另一个可选的实施例中光电探测器的截面结构示意图，图2b是图2a中所示陷光结构散射入射光线的示意图。如图2a～2b所示，在另一个可选的实施例中，一种光电探测器，可包括衬底21及设置在该衬底21之上的光学谐振腔20等，且该光学谐振腔可包括光反射结构层22、光吸收层23和陷光结构层24等部件：光吸收层23可具有相对的光线入射外表面(如图2中所示的上表面)和底部外表面(如图2中所示的下表面)，以及位于光线入射表面与底部表面之间的外侧壁(如图2中所示的周侧侧壁)。其中，陷光结构层24可覆盖于上述光吸收层23的光线入射表面(即如图2中所示的上表面)，以用于对接收所接收的外部光线28进行反射、折射和散射等，进而将入射的外部光线分散光吸收层23中的多个角度(如图2b中所示的沿光吸收层23延展方向传播的入射光线)，从而增加外部光线在光吸收层23中的光程；同时，光反射结构层22则可覆盖在光吸收层23的底部外表面上，以与上述的陷光结构层24形成在该光吸收层22厚度方向上的第二光学谐振腔，从而对透过陷光结构层24并被该陷光结构层24改变传播方向的外部光线进行来回的反射，即该第二光学谐振腔可对如图2中所示沿光吸收层23厚度方向上的光线进行来回反射，以进一步增加外部光线在所述吸收层23中传播的光程。

图3是一个可选的实施例中具有密封式光学谐振腔的光电探测器的结构示意图。如图3所示，可基于图1、2a～2b所示光电探测器结构的基础上，本实施例中提供了另一种光电探测器，可包括衬底31及设置在该衬底31之上的光学谐振腔30等，该光学谐振腔可包括光反射结构层、光吸收层34和陷光结构层35等部件，且该光反射结构层可包括侧壁反射墙32和底部反射层33。光吸收层34可具有相对的光线入射外表面(如图3中所示的上表面)和底部外表面(如图3中所示的下表面)，以及位于光线入射表面与底部表面之间的外侧壁(如图3中所示的周侧侧壁)。其中，陷光结构层35可覆盖于上述光吸收层34的光线入射表面(即如图3中所示的上表面)，以用于对接收所接收的外部光线38进行反射、折射和散射等，进而将入射的外部光线分散光吸收层34中的多个角度，从而增加外部光线在光吸收层34中的光程；同时，侧壁反射墙32可覆盖在光吸收层34的外侧壁上(即该侧壁反射墙32环绕光吸收层34的四周)，以形成在该光吸收层34延展方向上的横向光学谐振腔，从而对如图3中所示沿光吸收层34延展方向上的外部光线进行来回反射；而底部反射层33则可覆盖在光吸收层34的底部外表面上(即该底部反射层33位于光吸收层34与衬底31之间)，以与上述的陷光结构层35形成在该光吸收层34厚度方向上的纵向光学谐振腔，从而对如图3中所示沿光吸收层34厚度方向上的光线进行来回反射；即上述的侧壁反射墙32、底部反射层33和陷光结构层35围绕光吸收层34形成一个密封式的光学谐振腔，且该密封式的光学谐振腔30能够同时实现图1中所示光学谐振腔10和图2中所示光学谐振腔20的功能，即对透过陷光结构层35所形成的各个角度的入射光线均能实现来回的反射，从而进一步增加外部光线在光吸收层34中传播的光程，有效提升光电探测器的光子吸收效率。

图4a是另一个可选的实施例中具有密封式光学谐振腔的光电探测器的结构示意图；图4b是图4a所示光反射结构反射隔离入射光线的示意图，图4c是图4a中所示soi衬底的结构示意图。如图4a～4b所示，可基于图3所示光电探测器结构的基础上，本实施例中提供了另一种光电探测器，可包括衬底41及设置在该衬底41之上的光学谐振腔40等，该光学谐振腔可包括光反射结构层、光吸收层44和陷光结构层45等部件，且该光反射结构层可包括侧壁反射墙42和底部反射层43。光吸收层44可具有相对的光线入射外表面(如图4a～4b中所示的上表面)和底部外表面(如图4a～4b中所示的下表面)，以及位于光线入射表面与底部表面之间的外侧壁(如图4a～4b中所示的周侧侧壁)。其中，陷光结构层45可覆盖于上述光吸收层44的光线入射表面(即如图4a～4b中所示的上表面)，侧壁反射墙42形成于底部反射层33之上，并可覆盖在光吸收层44的外侧壁上(即该侧壁反射墙42环绕光吸收层44的四周)，而底部反射层43则可覆盖在光吸收层44的底部外表面上(即该底部反射层43位于光吸收层44与衬底41之间)，即上述的侧壁反射墙42、底部反射层43和陷光结构层45围绕光吸收层44形成一个密封式的光学谐振腔，且该密封式的光学谐振腔40能够同时实现图1中所示光学谐振腔10和图2中所示光学谐振腔20的功能，即对透过上述陷光结构层45后，所形成的各个角度的外部入射光线48均能实现来回的反射，从而进一步增加外部光线在光吸收层44中传播的光程，有效提升光电探测器的光子吸收效率。

在一个可选的实施例中，如图2～3、4a～4b所示，上述实施例中的衬底21、31、41等均可为具有光信号反射功能的衬底，例如金属衬底、具有分布式布拉格反射镜的衬底、具有soi结构(如双层叠置soi结构)的衬底或者具有hcg结构的衬底等，而底部反射层的43的材质可为金属或氧化硅(如sio2)等，以提升在沿光吸收层厚度方向上所形成的光学谐振腔的反射光的性能。

需要注意的是，在本申请实施例中的soi结构均可包括依次层叠的硅基底、氧化层和硅层，而双层叠置soi结构则是包括依次层叠的硅基底、第一氧化层、第一硅层、第二氧化层和第二硅层。例如，如图4c所示，衬底41为多膜层层叠硅基底，具体可包括依次层叠的硅基底411、第一氧化层412、第一硅层413、第二氧化层414和第二硅层415等。

在一个可选的实施例中，如图3～4所示，上述的侧壁反射墙42可为填充深沟槽而形成的光反射隔离结构，且该侧壁反射墙42的材质可包括金属、绝缘材料等；进一步地，该侧壁反射墙42可反射层和包围该反射层的绝缘层，如该绝缘层为覆盖在上述深沟槽内壁上的氧化膜(如氧化硅)，而反射层则可为继续填充上述深沟槽的光反射结构，且该反射层的材质可包括氧化硅、无定形硅、多晶硅或金属等具有良好光反射性能的材质。

图5是一个可选的实施例中具有锯齿形纳米结构(nano-structure)的陷光结构的截面示意图。如图4～5所示，在一个可选的实施例中，覆盖于上述光吸收层44的光线入射表面(即如图4～5中所示的上表面)的陷光结构层可具有凹凸结构，以用于改变透过陷光结构层入射光线的传播方向，使得射入光吸收层44中的外部光线具有多个传播角度，以增加外部光线在光吸收层44中的传播光程。为了提升陷光结构层的光学性能，可设置该陷光结构层中的凹凸结构的纳米级的结构，且该凹凸结构可呈阵列式分布，进而使得凹凸结构的纵截面为图1～4中所示的方波形，也可使得凹凸结构的纵截面为图5所示的锯齿形，且可包括正三角形和倒三角形的锯齿波形。

图6是一个可选实施例中纳米结构呈正方形排列的示意图，图7是一个可选实施例中纳米结构呈六方密排方式排列的示意图，图8是一个可选实施例中纳米结构以孔状阵列方式排列的示意图。如图6～8所示，上述的陷光结构中纳米结构可呈图6所示的正方形阵列47排列，也可为图7中所示的六方密排方式48或四方密排(图中未示出)的方式排列，同时也可采用图8所示的孔状阵列方式49排列。另外，各种阵列中的排列元素可为凸起、凹槽或孔洞等，例如图6中所示的方形凸起471、图7中所示的圆形凹槽481及图8中所示的圆形孔洞491等，具体的形状及排列方式可根据实际情况进行调整，本申请的实施例对此不予限定。

图9是一个可选实施例中基于浅沟槽刻蚀工艺形成的方波形纳米结构的示意图，图10是一个可选实施例中基于浅沟槽刻蚀工艺形成的锯齿形纳米结构的示意图。如图9～10所示，上述的陷光结构层可为通过浅沟槽工艺(shallowtrenchisolation，简称sti)刻蚀光吸收层44而形成凹槽结构，然后在通过填充诸如绝缘材料或钝化等工艺，形成图9中包括截面为方波形凹凸结构501的陷光结构层50，或者图10中包括截面为三角波形凹凸结构601的陷光结构层60等。

需要注意的是，在本申请实施例中纳米结构的排布方式也可为随机分布的方式，纳米结构的立体形状可为诸如椎体或倒椎体(如四棱椎体)等规则形状，也可为不规则的形状，且该纳米结构中包括凹凸结构的单元尺寸一般在几十纳米至一微米(例如20nm～1μm，具体可为20nm、80nm、120nm、200nm、350nm、450nm、500nm、600nm、700nm、800nm、850nm或1μm等)的范围内，即本申请实施例中对于纳米结构的尺寸和形状可不做限定，只要该纳米结构能够对外部入射光线进行散射、折射和反射等光学操作，从而使得沿同一角度入射的外部光线入射至光吸收层时具有多个角度即可。

在一个可选的实施例中，上述的光电探测器还可包括与光吸收层电连接的电路层，用于将该光吸收层所吸收的光信号转换为电信号，且该电路层中可包括淬灭电阻、电极等元器件。

在另一个可选的实施例中，为了进一步提升光电探测器感测光子的能力，还可在陷光结构之上设置微透镜，用以将外部光线汇聚至陷光结构的光入射表面上。

在另一个可选的实施例中，上述的光电探测器可为单光子探测器、雪崩二极管或硅光倍增管等光子感测器件，同时上述的光电探测器也可为采用iii-v族或iv族材质制备的spad，例如ingaasspad或者si/gespad等。

在一个可选的实施例中，本申请还提供了一种光电探测器阵列，例如单光子探测器阵列(spadarray)或硅光倍增管(sipmarray)可包括呈阵列式分布的多个光感测单元，而每个光感测单元均可包括如本申请任一实施例中所阐述的光电探测器；其中，在相邻的光感测单元之间形成有利用诸如填充深沟槽而形成侧壁反射墙，用以形成在光吸收层延展方向上形成光学谐振腔，来提升光电探测器阵列的光子捕捉效率的同时，利用该侧壁反射墙还可对相邻的光感测单元的光信号进行隔离等操作，进而同时有效消除相邻光感测单元之间的光串扰缺陷。

在一个可选的实施例中，本申请还提供了一种光子芯片，可包括上述任一实施例中所阐述的光电探测器或光电探测器阵列，该光子芯片可为测距芯片、深度成像芯片和飞行时间(timeofflight，简称tof)芯片等。

在一个可选的实施例中，本申请还提供了一种光电探测终端，可包括相互连接的设备本体和上述的光电探测器阵列(或光子芯片等)，且设备本体可通过本申请任一实施例中所阐述的光电探测器阵列进行光子的光电感测。其中，上述的光电探测终端可包括感光测距设备(如激光雷达)、移动通讯设备(如手机)和图像处理设备(如摄像机)等。

下面就结合实际的应用，以光电探测器为单光子探测器(spad)或硅光倍增管(sipm)应用于激光雷达为例，对光电探测器、光电探测器阵列及光电探测器终端进行详细说明，但需要说明的是，在实际的应用中，本申请实施例中的sipm及spad阵列相关的应用于tof(timeofflight)芯片和/或手机上的深度成像芯片等光子芯片中。具体的：

光电探测器(如光子探测器等)被可被广泛应用于诸如深度探测(如激光雷达)、医学成像、量子通信等技术领域中，而在具体使用过程中一般可采用诸如单个单光子探测器(spad)，硅光倍增管(sipm)以及spad阵列等形式进行应用。

图11a为单光子探测器的等效电路元器件，图11b为硅光倍增管的等效电路图，图11c为单光子探测器阵列板的俯视图，图11d为图11c中单光子探测器阵列板中光电感测单元的等效电路图。如图11a所示，由于单个单光子探测器等效为一个光电二极管70，即单光子探测器为二进制元器件，其只具有“有输出信号”和“没有输出信号”两个状态，而为了测量所接收光子的强度信号，可以硅光倍增管或单光子探测器阵列的形式应用在诸如激光雷达等深度探测领域中。

如图11b所示，硅光倍增管的等效电路71中，由于单光子探测器711的输出端子out均并联在一起，以作为一个整体输出信号，并通过利用图11b中所示的spad子单元，即可实现对光信号强度的识别

如图11c～11d所示，由于单光子探测器阵列(spadarray)72中，每个感测单元721均是单独输出，从而可以应用于诸如激光雷达(flashlidar)等设备中直接生成影像。

但是，由于传统的单光子探测器、硅光倍增管以及spad阵列等均是基于硅基的平面结构，进而使得外部光子进入器件层(devicelayer)是垂直入射或是近似垂直入射，即使得光电探测器的光子吸收效率与器件层(即光吸收层)的厚度成正相关。例如，当激光雷达使用近红外波段(如905nm波长)时，由于器件层的厚度较薄，使得硅基spad光吸收效率较低，甚至会导致激光雷达出现“盲区”，从而无法及时捕获远处的光信号。

图12为串扰提升器件噪声基底的示意图。如图12所示，横坐标用于表征时间t，纵坐标用于表征造型恒响应s，虚线a用于表征没有串扰时器件的噪声阈值，而虚线b用于表征存在串扰时器件的噪声阈值。由于spad器件使用过程中会有暗计数(darkcountrate，简称dcr)，不仅会使得spad阵列中光感测单元之间存在较大的串扰，同时如图12所示，会大大提升器件的噪声基底。例如，当一个光感测单元(如spad单元)由于诸如热效应或其他原因，导致非信号光触发时，进而会导致相邻的光感测单元也出现非信号光触发，由此就会进一步导致没有串扰时器件的噪声阈值远低于存在串扰时器件的噪声阈值，即针对作为光信号捕捉器件的sipm或spad阵列，其中存在串扰时，在激光雷达系统中会增大该串扰噪声，进而会严重影响设备的信噪比。

传统的技术中，一般是通过增加器件层的厚度来提升spad器件的光吸收效率，但过厚的器件层不仅会增加生产工艺的难度，提升制造成本，且无法实现与传统coms工艺兼容；同时，较厚的器件层还会显示增加器件的抖动时间(jittertime)，进而会大大降低诸如距离探测的准确度。

另外，平面结构的单光子探测器、硅光倍增管以及spad阵列等器件层的表面均需要制备防反射层(anti-reflectionlayer)，该防反射层的防反射效果会随着入射角度增大而降低，进而也就导致了探测器的光吸收效率随光线入射角度增大而降低。

图13为一个可选的实施例中光电探测器的器件结构示意图。如图13所示，在一个可选的实施例中，本申请还提供了一种光电探测器，可包括衬底801、底部反射层802、光吸收层800、侧壁反射墙811和陷光结构层(图中未标记)，且该陷光结构层包括纳米结构807和保护填充结构808，且底部反射层802可覆盖衬底801的上表面，而光吸收层800则可形成于底部反射层802的上表面，侧壁反射墙811则可沿厚度方向贯穿光吸收层800至底部反射层802的表面或之中，陷光结构层则可设置在光吸收层的上表面，以对外部入射光线进行散射、折射和反射等光学操作，从而使得沿同一角度入射的外部光线入射至光吸收层800时具有多个角度。

进一步的，如图13所示，上述的光吸收层800中形成有第一掺杂区803、第二掺杂区804、第三掺杂区810、第四掺杂区805和第五掺杂区806。其中，上述的第一掺杂区803、第二掺杂区804和第三掺杂区810中掺杂离子为第一类型离子，而第四掺杂区805和第五掺杂区806中的掺杂离子则为第二类型离子，即第一类型离子与第二类型离子为种类相异的两种离子。同时，上述的第三掺杂区810中的离子浓度大于第二掺杂区804中的离子浓度，而第五掺杂区806中的离子浓度大于第四掺杂区805中的离子浓度，且该第一掺杂区803中的离子浓度沿背离上述底部反射层802的方向逐渐降低。

进一步的，如图13所示，上述第二掺杂区804、第三掺杂区810、第四掺杂区805和第五掺杂区806均形成于第一掺杂区803中，且第三掺杂区810形成于侧壁反射墙812与光吸收层800的交界处，同时该第三掺杂区810与第二掺杂区804、第四掺杂区805之间均形成有间隙，且第四掺杂区805形成于光吸收层03上表面的位置处，陷光结构层设置于第四掺杂区805的上表面；第五掺杂区806临近陷光结构的一端端部，形成于第四掺杂区805中光吸收层800的上表面位置处，以用于将该第四掺杂区域其他器件电连接；例如，可通过电极与淬灭电阻电连接。其中，上述的陷光结构层为通过浅沟槽工艺刻蚀光吸收层800的上表面后，形成上述的纳米结构807和保护填充结构808，侧壁反射墙812沿光电探测器的侧壁811环绕光吸收层800。

在一个可选的实施例中，如图13所示，上述的光电探测器还可包括绝缘复合层809、淬灭电阻层815、第一电极814和第二电极813，且绝缘复合层809可临近所述侧壁反射墙811设置于所述光吸收层800的上表面；而淬灭电阻层815则可形成于所述绝缘复合层809中，而第一电极814和第二电极813则可形成于所述绝缘复合层809之上。其中，所述第一电极814与所述第三掺杂区810电连接，所述第二电极813分别与所述淬灭电阻816和所述第五掺杂区806电连接。另外，由于第三掺杂区810临近深沟侧壁进行高浓度离子掺杂(即临近侧壁反射墙812进行设置)，同时上述第一电极814又与该第三掺杂区810连接，进而可以有效降低诸如spad等光电探测器的寄生电阻，提高雪崩电流及增强电信号。

在一个可选的实施例中，如图13所示，纳米结构807的上表面位置处形成有第六掺杂区(图中未标记)，且该第六掺杂区中的掺杂离子为所述第一类型离子。所述第六掺杂区的离子浓度大于所述第二掺杂区804的离子浓度，所述第三掺杂区810的离子浓度大于等于所述第六掺杂区的离子浓度，所述第五掺杂区806和所述第六掺杂区均可为重掺杂区，且不同类型离子的重掺杂区之间的离子掺杂浓度可相同或不同，具体可根据实际的工艺及器件性能需求而设定。在一个可选的实施例中，如图13所示，上述的第一类型的离子可为p型离子，而所述第二类型的离子对应为n型离子；相应的，当第一类型的离子可为n型离子，而所述第二类型的离子对应为p型离子。

在一个可选的实施例中，基于如图13所示结构的基础上，可在第二电极813的下方的光吸收层800中，还增加一个掺杂离子类型为第二类型离子的第八掺杂区(图中未示出)，该第八掺杂区可分别与第二掺杂区804及第四掺杂区805接触，且位于淬灭电阻815的下方，用以形成环绕上述第二掺杂区804及第四掺杂区805的保护环(guardring)，以有效降低器件的噪声，提升产品的光感测性能。

图14为一个可选的实施例中光电探测器阵列的器件结构示意图。如图14所示，基于图13所示结构的基础上，一种光电探测器阵列可包括至少两个相邻的光感测单元，如图14所述的第一光感测单元816和第二光感测单元817，且每个光观测单元均可采用如图13相同或进行的结构，即通过设置在底部的底部反射层820与陷光结构层819形成的光学谐振腔，能够实现在纵向方向上增加入射光线在光吸收层中的光程；同理，在两个相邻的光感测单元816和光感测单元817之间，形成有一个隔离反射结构818，该隔离反射结构818可通过深沟槽刻蚀工艺后通过填充绝缘材料或金属等，形成如图14所示的隔离反射结构818。由于该隔离反射结构818是环绕光吸收层的侧壁设置，故而该隔离反射结构818能够独自形成在光吸收层延展方向的光学谐振腔，进而实现对经陷光结构819改变传播方向的入射光线进行来回反射，以在增加入射光线在光吸收层中传播光程的同时，还能对相邻的光感测单元之间起到光隔离串扰的左右，进而有效提升光电探测器阵列的光吸收效率和抗串扰的能力。

图15为另一个可选的实施例中光电探测器的器件结构示意图。如图15所示，可基于图13所示结构的基础上进行改进，即该光电探测器可包括依次叠置的衬底821、底部反射层822和光吸收层823，且在光吸收层823的顶部表面形成全覆盖的陷光结构层，该陷光结构层可包括纳米结构827和保护填充结构826，同时在光吸收层823的侧壁上环绕覆盖有侧墙反射隔离结构824，以使得该侧墙反射隔离结构824、陷光结构层与底部反射层822三者之间形成一个全闭合封闭的光学谐振腔，以进一步的提升器件的光吸收效率。

图16为一个可选的实施例中设置有微透镜的光电探测器的器件结构示意图。如图16所示，可基于图13所示结构的基础上，通过光电探测器850的光入射表面设置微透镜851，进而照射至该微透镜851的外部光线852均汇聚至光电探测器850中的陷光结构上，继而来提升光电探测器的感光性能。同时，也能够将外部光线汇聚至光电感测器的光敏感区域，以进一步的提升器件的光吸收效率。

图17为一个可选的实施例中激光雷达接收端的结构示意图。如图17所示，一种激光雷达接收端，可包括本申请任一实施例中所阐述的光电探测器及光电探测器阵列(例如sipm或spad阵列等)，下面以spad阵列为例进行说明；该激光雷达接收端包括spad阵列857和透镜858，且该spad阵列中的任一spad的结构均可为本申请实施例中光电探测器的结构，且当外部光线859透光透镜858照射至spad阵列857上时，能够利用陷光结构、底部反射层及侧壁隔离墙等部件，形成能够有效增加外部光线857在光吸收层中的光程，进而来有效提升激光雷达的光子捕捉效率。

采用本申请实施例中的技术方案，针对基于sipm或spad阵列的激光雷达，不仅能够有效提升器件的信噪比，增加激光雷达探测距离，改善探测质量，同时还能有效降低激光雷达接收端的成本，提升产品良率；另外，还能确保激光雷达位于子光线感测单元具有根号响应性能，降低光源波长漂移对激光雷达性能的影响。

在一个可选的实施例中，本申请还提供了一种光电探测器的制备方法，具体可包括以下步骤：

步骤s1，提供soi衬底。

步骤s2，采用外延生长硅工艺，于上述的soi衬底相对的两侧面上形成硅外延层。

步骤s3，对硅外延层进行p型离子掺杂形成掺杂渐变区，且所述掺杂渐变区中沿背离衬底方向上，离子的浓度逐渐降低。其中，也可在步骤s2中外延生长硅外延层的同时进行掺杂工艺，即边生长边掺杂，以在外延形成硅外延层的同时，在该硅外延层中形成上述的掺杂渐变区。

步骤s4，对掺杂渐变区进行刻蚀，形成延伸至衬底的深沟槽(dti)；于该深沟槽的内壁上沉积或生长氧化物薄膜后，填充金属、多晶硅或绝缘材料(如二氧化硅)等充满所述深沟槽，以在该深沟槽中形成具有反射光且隔断光电的侧壁隔离墙。(可增加大致的工艺参数范围)

步骤s5，继续在硅外延层中通过等离子注入等工艺形成各掺杂区域。

步骤s6，在硅外延层的表面进行诸如sti刻蚀等工艺，以形成表面纳米光学结构，并在表面钝化或离子掺杂后，形成具有保护层的陷光结构。

步骤s7，在制备淬灭电阻(quenchingresistor)及各电极结构后，继续表面钝化和/或电学绝缘处理，以形成光电感测器或光电感测器阵列等器件。

上述实施例中光电探测器的制备方法，不仅能够兼容coms工艺，还能使得所制备的单个光电感测器(如spad)光吸收效率大幅度提升，有效解决了相邻光电感测单元的串扰问题，同时还保持了对外部光线进行宽光谱和宽入射角度的光子捕捉，同时还能确保抖动(jitter)时间不变的前提下，确保诸如激光雷达等深度测量设备的测量准确性。

需要注意的是，在本申请任一实施例中，所有的材质为硅(si)的膜层可部分或全部利用锗(ge)或者iii-v族等材料进行替换，具体可根据光电探测器的光电性能要求及所需探测的光线的种类进行选择。例如，当光电探测器需要针对红外光线进行探测时，即可将上述的各个硅膜层替换为锗膜层或锗硅膜层，以提升光电探测器对于红外光线的探测精度及灵敏度。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。