一种光电探测器、接收端设备和工作模式的切换方法与流程

本技术涉及半导体器件领域，尤其涉及一种光电探测器、接收端设备和工作模式切换方法。

背景技术：

1、激光雷达通常基于飞行时间(time of flight，tof)进行测距，激光雷达的一个核心器件是探测器。其工作原理是：激光器发出的激光脉冲通过光发射模块后达到目标物体，目标物体反射的回波脉冲信号通过光接收模块后被探测器接收，信号处理单元通过测量激光脉冲的收发时间间隔确定目标物体的距离信息及三维点云图像。

2、目前，在激光雷达系统的接收端，一般采用雪崩光电二极管(avalanchephotodiode，apd)作为探测器。远距离探测时，回波功率可能会由于太小会淹没在噪声中，从而影响信号的检测能力。若要实现远距离探测往往需要增大发射激光的功率，这样又会导致近距离的回波功率很强，容易引起探测器饱和，也会影响信号的检测能力。也就是说，当前探测器的工作模式较为单一，很难同时满足远距离和近距离的探测需求。

技术实现思路

1、本技术实施例提供了一种光电探测器、接收端设备和工作模式的切换方法，提高了光电探测器的探测范围，可以同时满足远距离和近距离的探测需求。

2、第一方面，本技术实施例提供了一种光电探测器。该光电探测器包括自底层至顶层依次排列的下接触层、倍增层、电荷电极层、吸收层和上接触层。其中，下接触层上形成有第一电极，上接触层上形成有第二电极，电荷电极层上形成有第三电极，电荷电极层用于电场调控。光电探测器具有第一工作模式和第二工作模式。当第二电极和第三电极上加载第一电压时光电探测器处于第一工作模式。当第一电极和第二电极上加载第二电压时光电探测器处于第二工作模式。光电探测器在第一工作模式下输出的电信号的增益小于在第二工作模式下输出的电信号的增益。

3、在该实施方式中，在近距离的强光探测场景中可以让光电探测器处于低增益工作模式，在远距离的弱光探测场景中可以光电探测器处于高增益工作模式，无论是近距离还是远距离探测场景都能保证信号的检测能力，提高了光电探测器的探测范围，可以同时满足远距离和近距离的探测需求。另外，本技术提供的光电探测器的结构紧凑，尺寸较小，成本更低。并且，光电探测器无需外加衰减器，降低了系统功耗。

4、在一些可能的实施方式中，本技术采用的是高掺杂的电荷电极层，具体地，电荷电极层的掺杂浓度高于吸收层的掺杂浓度，且电荷电极层的掺杂浓度高于倍增层的掺杂浓度。通常情况下，掺入的杂质越多，半导体材料的导电性越强，利于提升光电探测器的性能。

5、在一些可能的实施方式中，下接触层和电荷电极层的掺杂类型为n型掺杂，上接触层的掺杂类型为p型掺杂。在该实施方式中，提供了与电极接触的各层结构的掺杂类型，增强了本方案的可实现性。

6、在一些可能的实施方式中，下接触层与第一电极欧姆接触，上接触层与第二电极欧姆接触，电荷电极层与第三电极欧姆接触，利于电流的输入与输出。

7、在一些可能的实施方式中，光电探测器还包括扩散阻挡层，扩散阻挡层位于吸收层与上接触层之间。扩散阻挡层用于抑制空穴载流子反扩散至耗尽区，有助于提升光电探测器的性能。其中，耗尽区指的是在半导体pn结中，由于界面两侧半导体原有化学势的差异导致界面附近能带弯曲，从而形成能带弯曲区域电子或空穴浓度的下降的界面区域。

8、在一些可能的实施方式中，光电探测器还包括渐变层，渐变层位于吸收层与扩散阻挡层之间。渐变层用于减缓吸收层与扩散阻挡层之间载流子传输的迟滞，有助于提升光电探测器的性能。

9、在一些可能的实施方式中，下接触层包括衬底和缓冲层，缓冲层位于衬底上，衬底或缓冲层上形成有第一电极。其中，衬底起着支撑和固定的作用，使得光电探测器的整体结构更稳定。

10、在一些可能的实施方式中，电荷电极层包括电极层和电荷层，电极层位于电荷层上，电极层上形成有第三电极，电荷层用于电场调控，增强了本方案的灵活性。

11、在一些可能的实施方式中，光无论从上接触层入射还是从下接触层入射都可以实现类似的效果。

12、在一些可能的实施方式中，光电探测器还包括波导结构，光从波导结构的一端入射并沿着波导结构传输至吸收层，这种实现方式更有利于实现高性能探测和光电集成。

13、在一些可能的实施方式中，0.1um≤倍增层的厚度≤1um，便于提升高增益工作模式下的最大增益。

14、在一些可能的实施方式中，上接触层采用窄带隙高掺杂材料，下接触层和电荷电极层采用宽带隙高掺杂材料，便于实现欧姆接触，减少接触电阻。

15、在一些可能的实施方式中，下接触层的材料包括铟磷(inp)，倍增层的材料包括铟铝砷(inalas)，电荷电极层的材料包括inalas和inp，吸收层的材料包括铟镓砷(ingaas)，上接触层的材料包括铟镓砷磷(ingaasp)。在该实施方式中，光电探测器可主要应用于中短红外波段(800nm-1700nm)的探测。由于倍增层采用了inalas的低噪声倍增材料，可抑制隧穿暗电流，实现高增益、低噪声，且温度稳定性好。

16、在一些可能的实施方式中，下接触层、倍增层、电荷电极层、吸收层和上接触层的材料包括硅(si)。在该实施方式中，光电探测器可主要应用于短红外波段以及可见波段(300nm-1000nm)的探测，例如，可应用于相机、激光雷达和电荷耦合器件(charge coupleddevice，ccd)等。该实施方式使用硅光的工艺平台，具备成本更低、宽动态范围和高像素等优点。

17、在一些可能的实施方式中，下接触层、倍增层、电荷电极层和上接触层的材料包括si，吸收层的材料包括锗(ge)。在该实施方式中，光电探测器可主要应用于中短红外波段(800nm-1700nm)的探测，还能兼容硅光的工艺平台，该实施方式的成本较低。

18、第二方面，本技术实施例提供了一种接收端设备。该接收端设备包括信号处理器、驱动电源和如上述第一方面任一实施方式介绍的光电探测器。具体地，光电探测器用于将输入的光信号转换为电信号并将电信号输出至信号处理器。信号处理器用于根据电信号调节驱动电源向光电探测器输出的电压，并根据电信号选择光电探测器上用于加载电压的电极，以控制光电探测器在第一工作模式和第二工作模式之间切换。通过上述方式，提供了一种切换光电探测器工作模式的具体实现方式，提高了本方案的可实现性。

19、在一些可能的实施方式中，驱动电源向光电探测器的第二电极和第三电极输出第一电压，信号处理器具体用于：检测电信号的强度。若电信号的强度小于阈值，则调节驱动电源向光电探测器的第一电极和第二电极输出第二电压，以控制光电探测器从第一工作模式切换到第二工作模式。在该实施方式中，提供了一种切换光电探测器工作模式的具体场景，增强了本方案的实用性。

20、在一些可能的实施方式中，驱动电源向光电探测器的第一电极和第二电极输出第二电压，信号处理器具体用于：检测电信号的强度。若电信号的强度大于或等于阈值，则调节驱动电源向光电探测器的第二电极和第三电极输出第一电压，以控制光电探测器从第二工作模式切换到第一工作模式。在该实施方式中，提供了另一种切换光电探测器工作模式的具体场景，增强了本方案的灵活性。

21、第三方面，本技术实施例提供了一种工作模式的切换方法，该工作模式切换方法应用于如上述第一方面任一实施方式介绍的光电探测器。该方法包括：接收光电探测器输出的电信号。根据电信号调节向光电探测器输出的电压，并根据电信号选择光电探测器上用于加载电压的电极，以控制光电探测器在第一工作模式和第二工作模式之间切换。

22、在一些可能的实施方式中，光电探测器的第二电极和第三电极上加载第一电压，控制光电探测器在第一工作模式和第二工作模式之间切换包括：检测电信号的强度。若电信号的强度小于阈值，则向光电探测器的第一电极和第二电极输出第二电压，以控制光电探测器从第一工作模式切换到第二工作模式。

23、在一些可能的实施方式中，光电探测器的第一电极和第二电极上加载第二电压，控制光电探测器在第一工作模式和第二工作模式之间切换包括：检测电信号的强度。若电信号的强度大于或等于阈值，则向光电探测器的第二电极和第三电极输出第一电压，以控制光电探测器从第二工作模式切换到第一工作模式。

24、本技术实施例中，提供了一种垂直结构的光电探测器，包括自底层至顶层依次排列的下接触层、倍增层、电荷电极层、吸收层和上接触层。其中，下接触层、上接触层和电荷电极层上都设置有电极。该光电探测器具有高增益和低增益两种工作模式。具体地，当电荷电极层和上接触层上的电极加载电压时光电探测器处于低增益模式，当下接触层和上接触层上的电极加载电压时光电探测器处于高增益模式。也就是说，在近距离的强光探测场景中可以让光电探测器处于低增益工作模式，在远距离的弱光探测场景中可以光电探测器处于高增益工作模式，无论是近距离还是远距离探测场景都能保证信号的检测能力，提高了光电探测器的探测范围，可以同时满足远距离和近距离的探测需求。另外，本技术提供的光电探测器的结构紧凑，尺寸较小，成本更低。并且，光电探测器无需外加衰减器，降低了系统功耗。