硅光检测器、测距方法及装置与流程

本发明涉及图像传感器技术领域，具体而言，涉及一种硅光检测器、测距方法及装置。

背景技术：

硅基材料由于其与cmos(complementarymetaloxidesemiconductor，互补金属氧化物半导体)制造工艺的相容性及低成本的性质，近来在图像传感器领域被广泛应用。通常，硅基材料为间接带隙半导体材料，并且由于其能带间隙为～1.2ev的限制，使得基于硅材料的图像传感器(cmosimagesensor)在近红外波段的量子效率大为降低。对于基于硅基的tof(timeofflight，飞行时间测距)器件，由于其主动光源一般为近红外波段，在该波段过低的量子效率会使得tof芯片具有较大的测距误差，如何提高硅基材料的量子效率变得尤为重要。

现有技术中，可以通过增加外延层厚度的方式增加光吸收，从而提高量子效率，但是这种方式会导致传感器芯片像元之间的串扰增加。dti(弥散张量成像)虽然可以在一定程度上缓解串扰，但是深dti的工艺过程会增加整个像元制备过程中的工艺难度。另外，还可以通过在硅表面引入金字塔结构的黑硅工艺来减少反射，增加吸收，但是此工艺过程也会因此造成图像传感器芯片像元内部光串扰严重，仍然需要深dti技术来减少隔离串扰。

技术实现要素：

本发明的目的在于，针对上述现有技术中的不足，提供一种硅光检测器、测距方法及装置，以便于解决现有技术中存在的硅光检测器光吸收效率差，量子率较低，导致测距结果准确性较低的问题。

为实现上述目的，本申请实施例采用的技术方案如下：

第一方面，本申请实施例提供了一种硅光检测器，包括：探测器及光增强吸收阵列；

所述探测器用于接收光信号，生成电信号；

所述光增强吸收阵列设置于所述探测器表面，用于增加探测器对于光信号的吸收，其中，所述光增强吸收阵列的几何结构基于所述光信号的波段信息与所述探测器本身材料在所述光信号的光学性质获得，所述光学性质至少包括所述探测器的折射率或吸收率。

可选地，所述光增强吸收阵列包括至少一个凸出实体，或者，至少一个中空腔体；所述凸出实体的几何结构包括对称结构或非对称结构，所述中空腔体的几何结构包括对称结构或非对称结构。

可选地，所述光增强吸收阵列的几何结构至少包括硅环阵列，或，硅圆柱阵列。

可选地，所述光增强吸收阵列为所述硅环阵列；每个硅环的内径、外径以及厚度根据所述探测器对所述光信号的吸收率获得。

可选地，所述光增强吸收阵列为所述硅圆柱阵列；每个硅圆柱的半径及厚度根据所述探测器对所述光信号的吸收率获得。

可选地，所述探测器对光信号的吸收率根据所述光增强吸收阵列的结构、所述探测器及所述光增强吸收阵列的反射率以及折射率计算得到。

可选地，所述硅环阵列中各硅环厚度为20nm，外径为280nm，内径为170nm时，对于940nm的所述光信号，所述硅环之间间距为1500nm。

可选地，所述硅圆柱厚度为20nm，半径为180nm时，对于940nm的所述光信号，所述硅环之间间距为1400nm。

第二方面，本申请实施例还提供了一种测距方法，应用于上述第一方面所述的硅光检测器，所述方法包括：

根据所述硅光检测器接收的光信号产生电信号；

根据所述电信号，获取所述探测器输出的信号参数；

根据所述信号参数，计算所述探测器与目标物体之间的距离。

第三方面，本申请实施例还提供了一种测距装置，应用于上述第二方面所述的测距方法中，所述装置包括：信号生成模块、获取模块、计算模块；

信号生成模块，用于根据硅光检测器接收的光信号产生电信号；

获取模块，用于根据电信号，获取探测器输出的信号参数；

计算模块，用于根据信号参数，计算探测器与目标物体之间的距离。

本申请的有益效果是：

本申请实施例提供一种硅光检测器、测距方法及装置，该硅光检测器包括探测器及光增强吸收阵列；探测器用于接收光信号，生成电信号；光增强吸收阵列设置于探测器表面，用于增加探测器对于光信号的吸收，其中，光增强吸收阵列的几何结构基于光信号的波段信息与探测器本身材料在光信号的光学性质获得，光学性质至少包括探测器的折射率或吸收率。通过在硅光检测器的探测器表面设置光增强吸收阵列，可以在硅光检测器的探测器表面产生表面等离激元共振现象，从而增加了硅光检测器整体的消光比例，增强了硅光检测器在近红外波段的光吸收，增强了硅光检测器在近红外波段(尤其是对于波长在900nm左右的近红外波段)的光电转换效率，从而有效提升量子效率。

其中，光增强吸收阵列的几何结构可以包括硅环阵列，或，硅圆柱阵列。当光增强吸收阵列的几何结构为硅环阵列时，硅环阵列中各硅环厚度为20nm，外径为280nm，内径为170nm时，对于940nm的光信号，硅环之间间距为1500nm时，硅光检测器的光吸收效果较好，从而使得光电转换效率较高，量子率较高。当光增强吸收阵列的几何结构为硅圆柱阵列时，硅圆柱厚度为20nm，半径为180nm，对于940nm的光信号，硅环之间间距为1400nm时，硅光检测器的光吸收效果较好，从而使得光电转换效率较高，量子率较高。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本申请实施例提供的一种硅光检测器俯视结构示意图；

图2为本申请实施例提供的一种硅光检测器侧视结构示意图；

图3为本申请实施例提供的一种光增强吸收阵列的结构示意图；

图4为本申请实施例提供的一种有/无光增强吸收阵列情况下对于探测器光学性质影响的波形示意图；

图5为本申请实施例提供的一种探测器不同光学性质在有/无光增强吸收阵列情况下的变化波形示意图；

图6为本申请实施例提供的一种光增强吸收阵列几何结构尺寸变化与探测器光学性质变化波形示意图；

图7为本申请实施例提供的一种特定尺寸下，光增强吸收阵列中几何结构间距与探测器光学性质的变化波形示意图；

图8为本申请实施例提供的另一种光增强吸收阵列的结构示意图；

图9为本申请实施例提供的另一种有/无光增强吸收阵列情况下对于探测器光学性质影响的波形示意图；

图10为本申请实施例提供的另一种探测器不同光学性质在有/无光增强吸收阵列情况下的变化波形示意图；

图11为本申请实施例提供的另一种光增强吸收阵列几何结构尺寸变化与探测器光学性质变化波形示意图；

图12为本申请实施例提供的另一种特定尺寸下，光增强吸收阵列中几何结构间距与探测器光学性质的变化波形示意图；

图13为本申请实施例提供的一种测距方法的流程示意图；

图14为本申请实施例提供的一种测距装置结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1为本申请实施例提供的一种硅光检测器俯视结构示意图；图2为本申请实施例提供的一种硅光检测器侧视结构示意图。请参照图1和图2进行理解。该硅光检测器，包括：探测器及光增强吸收阵列；探测器110用于接收光信号，生成电信号；光增强吸收阵列设置于探测器表面，用于增加探测器对于光信号的吸收，其中，光增强吸收阵列的几何结构基于光信号的波段信息与探测器本身材料在光信号的光学性质获得，光学性质至少包括探测器的折射率或吸收率。

首先，需要对光增强吸收阵列增加探测器对于光信号的吸收的原理进行说明，以便于更好的理解本发明的技术点。

可选地，先对表面等离激元现象进行说明，表面等离激元是材料表面自由电荷与外部电场、光场相互作用下形成的集体震荡，并沿着材料表面传播。对于体块(约为尺寸大于10倍波长)的材料来说，其震荡的频率如公式1所示：

其中ωsp为表面等离激元的频率，ωp为此材料的等离子振荡频率，εm和εd分别为该材料与周围介质的复介电常数。

而对于材料表面传播与入射光波长近似(约为0.1-10倍波长)的结构来说，表面等离激元的震荡被局限在物体表面做往复的振荡。其振荡频率和物体尺寸，几何结构，材料，入射光波长等相关。局域表面等离激元共振越强时，其近场增强就会越强，就会有越多的能量被局域在近场，传递给附近的材料或者以热量的形式散失掉，结果导致其消光截面的增加。对于球体，其消光截面σext可以表示为如下公式2：

其中，c为光速、v为球体的体积，εd为周围介质的介电常数，ε'm(ω)和ε”m(ω)分别表示球体材料介电常数的实部和虚部，即εm(ω)＝ε'm(ω)+iε”m(ω)。所以当ε'm(ω)+2εd＝0时，其消光截面最大，意味着最多的能量被局域在了结构表面而非产生了反射或者透射。

也即，本申请方案中，通过在硅光检测器的探测器表面设置光增强吸收阵列，可以在硅光检测器的探测器表面产生表面等离激元共振现象，从而增加了硅光检测器整体的消光比例，增强了硅光检测器在近红外波段的光吸收，增强了硅光检测器在近红外波段的光电转换效率，从而有效提升量子效率。

如图1所示，光增强吸收阵列可以包括不同的结构，可选地，光增强吸收阵列的结构可以根据硅光检测器接收的光信号的波段信息、以及探测器的材料在该光信号下的光学性质确定。对于光增强吸收阵列的几何结构的确定，可以通过下述具体实施例进行理解。

可选地，图1仅示例性的展示了光增强吸收阵列中每个结构的一种形状，也即圆形，而在实际设置过程中，光增强吸收阵列中每个结构的形状可以不限于圆形，也可以是圆环、方形、五边形、六边形等各种多边形。

综上，本实施例提供的硅光检测器，包括探测器及光增强吸收阵列；探测器用于接收光信号，生成电信号；光增强吸收阵列设置于探测器表面，用于增加探测器对于光信号的吸收，其中，光增强吸收阵列的几何结构基于光信号的波段信息与探测器本身材料在光信号的光学性质获得，光学性质至少包括探测器的折射率或吸收率。通过在硅光检测器的探测器表面设置光增强吸收阵列，可以在硅光检测器的探测器表面产生表面等离激元共振现象，从而增加了硅光检测器整体的消光比例，增强了硅光检测器在近红外波段的光吸收，增强了硅光检测器在近红外波段的光电转换效率，从而有效提升量子效率，该阵列设置于传感器内，保证了传感器工作的高效性和准确性。

可选地，光增强吸收阵列包括至少一个凸出实体，或者，至少一个中空腔体；凸出实体的几何结构包括对称结构或非对称结构，中空腔体的几何结构包括对称结构或非对称结构。

可选地，当凸出实体或者中空腔体为非圆形或者非正多边形时，该凸出实体或者中空腔体的几何结构为非对称结构，当凸出实体或者中空腔体为圆形或者正多边形时，该凸出实体或者中空腔体的几何结构为对称结构。具体地，无论凸出实体或者中空腔体的几何结构为对称结构还是非对称结构，均可以增强探测器对光信号的吸收。

可选地，光增强吸收阵列的几何结构至少包括硅环阵列，或，硅圆柱阵列。

本申请实施例中以光增强吸收阵列的几何结构为硅环阵列，或，硅圆柱阵列为例进行说明。

图3为本申请实施例提供的一种光增强吸收阵列的结构示意图。可选地，如图3所示，光增强吸收阵列为硅环阵列；其中，每个硅环的内径、外径以及厚度根据探测器对光信号的吸收率获得，通过吸收率模拟或者实验值的最优化提供了尺寸设计的依据，保证了整个阵列在使用过程中对于光吸收后光量子转化最高的效率，其中探测器的折射率或者透射率可以间接反映出探测器的吸收率，例如通过增强阵列方法，减少透射率或者折射率中至少一个值，进而获得更大的吸收率。

图4为本申请实施例提供的一种有/无光增强吸收阵列情况下对于探测器光学性质影响的波形示意图。图5为本申请实施例提供的一种探测器不同光学性质在有/无光增强吸收阵列情况下的变化波形示意图。

其中，可以使用有限元软件(comsolmultiphysics)对设置了光增强吸收阵列的探测器的性能参数等进行仿真模拟，得到上述的波形示意图，其中，探测器的光学性质可以包括：反射率、透射率、吸收率和绝对吸收率。其中，绝对吸收率为不考虑反射的吸收率情况下的绝对吸收率。可选地，探测器对光信号的吸收率根据光增强吸收阵列的结构、探测器及光增强吸收阵列的反射率以及折射率计算得到。

具体地，图4(1)为无光增强吸收阵列情况下，探测器的反射率、透射率、吸收率以及绝对吸收率波形示意图；图4(2)为有光增强吸收阵列情况下，探测器的反射率、透射率、吸收率以及绝对吸收率波形示意图。其中，图4(1)和4(2)中，曲线1表示透射率，曲线2表示反射率，曲线3表示吸收率，曲线4表示绝对透射率。

由图4可得出，在有光增强吸收阵列情况下，探测器的反射率和透射率相对于无光增强吸收阵列时，有所下降；而探测器的吸收率和绝对吸收率相对于无光增强吸收阵列时，有所上升。也即，在本申请的硅光检测器的探测器表面设置了光增强吸收阵列后，探测器对光信号的吸收更强，从而可以有效提高光电转换效率，进一步提高量子效率。

具体地，图5(1)为有/无光增强吸收阵列情况下，透射率的变化波形示意图；图5(2)为有/无光增强吸收阵列情况下，反射率的变化波形示意图；图5(3)为有/无光增强吸收阵列情况下，吸收率的变化波形示意图；图5(4)为有/无光增强吸收阵列情况下，绝对吸收率的变化波形示意图。其中，图5(1)、5(2)、5(3)、5(4)中，曲线1均表示无光增强吸收阵列，曲线2均表示有光增强吸收阵列。

其中，在波长为940nm处，反射率、透射率、吸收率及绝对吸收率的变化如下表1所示：

进一步地可以说明，在有光增强吸收阵列时，探测器的反射率和透射率有所下降，吸收率和绝对吸收率有所提高。

图6为本申请实施例提供的一种光增强吸收阵列几何结构尺寸变化与探测器光学性质变化波形示意图。其中，图6(1)为光增强吸收阵列几何结构尺寸变化与透射率变化波形示意图；图6(2)为光增强吸收阵列几何结构尺寸变化与反射率变化波形示意图；图6(3)为光增强吸收阵列几何结构尺寸变化与绝对吸收率变化波形示意图；图6(4)为光增强吸收阵列几何结构尺寸变化与吸收率变化波形示意图。其中，光增强吸收阵列几何结构尺寸变化均是对于940nm波长的光信号对应产生的。

通过数值模拟和理论计算，可以看出，当改变光增强吸收阵列中每个硅环内外径参数时，其对于940nm波长的光反射率、透射率、吸收率并不相同，成上下起伏的状态。其中，当外径半径为280nm时，吸收率(0.755)和绝对吸收率(0.523)达到最大值。

可选地，在一些实施例中，光增强吸收阵列中每个几何结构之间的间距也一定程度上会影响探测器的光吸收率。以光增强吸收阵列为硅环阵列为例，当改变光增强吸收阵列中每个硅环间距时，探测器对于红外光的吸收率以及绝对吸收率会产生改变，不同的硅环间距对应不同的共振波长。通过数值模拟与理论计算，计算了当改变硅环之间的间距时，所对应940nm波长红外光的吸收强度。

图7为本申请实施例提供的一种特定尺寸下，光增强吸收阵列中几何结构间距与探测器光学性质的变化波形示意图。其中，光增强吸收阵列中硅环的厚度为20nm，外径为280nm，内径为170nm，也即图7为光增强吸收阵列中硅环的厚度为20nm，外径为280nm，内径为170nm时，光增强吸收阵列对于940nm波长红外光的吸收率和绝对吸收率变化波形示意图。其中，曲线1表示吸收率，曲线2表示绝对吸收率。

当考虑探测器表面产生的反射时，光增强吸收阵列中硅环之间间距为600-1520nm的范围内，当间距为1500nm时，探测器对于940nm波长红外光的吸收率达到最大，为62.46％，不考虑探测器表面产生的反射时，探测器对于940nm波长红外光的绝对吸收率接近84.49％。

综上所述，为了增强硅光检测器对于近红外光的吸收，制作光增强吸收阵列时其间距需要经过计算，不同的波长有分别其对应的尺寸间距，大于此间距或者小于此间距都会导致对于所需要红外光的吸收减弱。具体地在设计和制作过程中计算逻辑也可以被预置在机器中，实现计算机辅助制造的目的。

由上述多个仿真实验结果分析可知，本实施例中，硅环阵列中各硅环厚度为20nm，外径为280nm，内径为170nm时，对于940nm的光信号，硅环之间间距为1500nm时，硅光检测器的光吸收效果较好，从而使得光电转换效率较高，量子率较高。

可选地，光增强吸收阵列为硅圆柱阵列；每个硅圆柱的半径及厚度根据探测器对光信号的吸收率获得。

图8为本申请实施例提供的另一种光增强吸收阵列的结构示意图。可选地，如图8所示，光增强吸收阵列为硅圆柱阵列；其中，每个硅圆柱的半径及厚度根据探测器对光信号的吸收率获得。

图9为本申请实施例提供的另一种有/无光增强吸收阵列情况下对于探测器光学性质影响的波形示意图。图10为本申请实施例提供的另一种探测器不同光学性质在有/无光增强吸收阵列情况下的变化波形示意图。

具体地，与光增强吸收阵列为硅环阵列时研究过程类似。图9(1)为无光增强吸收阵列情况下，探测器的反射率、透射率、吸收率以及绝对吸收率波形示意图；图9(2)为有光增强吸收阵列情况下，探测器的反射率、透射率、吸收率以及绝对吸收率波形示意图。其中，图9(1)和9(2)中，曲线1表示透射率，曲线2表示反射率，曲线3表示吸收率，曲线4表示绝对吸收率。

由图9可得出，在有光增强吸收阵列情况下，探测器的反射率和透射率相对于无光增强吸收阵列时，有所下降；而探测器的吸收率和绝对吸收率相对于无光增强吸收阵列时，有所上升。

图10(1)为有/无光增强吸收阵列情况下，透射率的变化波形示意图；图10(2)为有/无光增强吸收阵列情况下，反射率的变化波形示意图；图10(3)为有/无光增强吸收阵列情况下，吸收率的变化波形示意图；图10(4)为有/无光增强吸收阵列情况下，绝对吸收率的变化波形示意图。其中，图10(1)、10(2)、10(3)、10(4)中，曲线1均表示无光增强吸收阵列，曲线2均表示有光增强吸收阵列。

其中，在波长为940nm处，反射率、透射率、吸收率及绝对吸收率的变化如下表2所示：

同样的可以说明，在有光增强吸收阵列时，探测器的反射率和透射率有所下降，吸收率和绝对吸收率有所提高。

图11为本申请实施例提供的另一种光增强吸收阵列几何结构尺寸变化与探测器光学性质变化波形示意图。其中，图11(1)为光增强吸收阵列几何结构尺寸变化与透射率变化波形示意图；图11(2)为光增强吸收阵列几何结构尺寸变化与反射率变化波形示意图；图11(3)为光增强吸收阵列几何结构尺寸变化与绝对吸收率变化波形示意图；图11(4)为光增强吸收阵列几何结构尺寸变化与吸收率变化波形示意图。其中，光增强吸收阵列几何结构尺寸变化均是对于940nm波长的光信号对应产生的。

通过数值模拟和理论计算，可以看出，当改变光增强吸收阵列的内外径参数时，其对于940nm波长的光反射率、透射率、吸收率并不相同，成上下起伏的状态。当外径半径为80nm时，可以显著增强绝对吸收率(0.723)，当外径半径为240nm时，吸收率(相对吸收率)达到最高(0.812)。

图12为本申请实施例提供的另一种特定尺寸下，光增强吸收阵列中几何结构间距与探测器光学性质的变化波形示意图。其中，光增强吸收阵列中硅圆柱的厚度为20nm，半径为180nm，也即图12为光增强吸收阵列中硅圆柱的厚度为20nm，半径为180nm时，光增强吸收阵列对于940nm波长红外光的吸收率和绝对吸收率变化波形示意图。其中，曲线1表示吸收率，曲线2表示绝对吸收率。

当考虑探测器表面产生的反射时，光增强吸收阵列中硅圆柱之间间距为1220nm时，探测器对于940nm波长红外光的吸收率达到最大，为79.45％；而当光增强吸收阵列中硅圆柱采用同样尺寸时，不考虑探测器表面产生的反射时，光增强吸收阵列中硅圆柱之间间距为1400nm时，探测器对于940nm波长红外光的绝对吸收率达到最大，为94.76％。

由上述对于光增强吸收阵列为硅圆柱阵列进行的仿真实验结果分析可知，本实施例中，硅圆柱厚度为20nm，半径为180nm，对于940nm的光信号，硅环之间间距为1400nm时，硅光检测器的光吸收效果较好，从而使得光电转换效率较高，量子率较高。

综上所述，本申请实施例提供的硅光检测器，包括探测器及光增强吸收阵列；探测器用于接收光信号，生成电信号；光增强吸收阵列设置于探测器表面，用于增加探测器对于光信号的吸收，其中，光增强吸收阵列的几何结构基于光信号的波段信息与探测器本身材料在光信号的光学性质获得，光学性质至少包括探测器的折射率或吸收率。通过在硅光检测器的探测器表面设置光增强吸收阵列，可以在硅光检测器的探测器表面产生表面等离激元共振现象，从而增加了硅光检测器整体的消光比例，增强了硅光检测器在近红外波段的光吸收，增强了硅光检测器在近红外波段的光电转换效率，从而有效提升量子效率。

其中，光增强吸收阵列的几何结构可以包括硅环阵列，或，硅圆柱阵列。当光增强吸收阵列的几何结构为硅环阵列时，硅环阵列中各硅环厚度为20nm，外径为280nm，内径为170nm时，对于940nm的光信号，硅环之间间距为1500nm时，硅光检测器的光吸收效果较好，从而使得光电转换效率较高，量子率较高。当光增强吸收阵列的几何结构为硅圆柱阵列时，硅圆柱厚度为20nm，半径为180nm，对于940nm的光信号，硅环之间间距为1400nm时，硅光检测器的光吸收效果较好，从而使得光电转换效率较高，量子率较高。

图13为本申请实施例提供的一种测距方法的流程示意图，可选地，该测距方法应用上述的硅光检测器，该方法的执行主体可以是该硅光检测器。如图13所示，该方法可以包括：

s101、根据硅光检测器接收的光信号产生电信号。

s102、根据电信号，获取探测器输出的信号参数。

s103、根据信号参数，计算探测器与目标物体之间的距离。

可选地，应用该硅光检测器执行该测距方法时，其实现原理和技术效果与硅光检测器类似，在此不再赘述。

图14为本申请实施例提供的一种测距装置结构示意图，该装置可以包括信号生成模块201、获取模块202、计算模块203。

信号生成模块201，用于根据硅光检测器接收的光信号产生电信号；

获取模块202，用于根据电信号，获取探测器输出的信号参数；

计算模块203，用于根据信号参数，计算探测器与目标物体之间的距离。

上述装置用于执行前述实施例提供的方法时，其实现原理和技术效果类似，在此不再赘述。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。