在前照式SPAD像素上實(shí)現(xiàn)的兩代基于超構(gòu)表面的平面微透鏡設(shè)計(jì)

平面微透鏡非常適合于單光子雪崩二極管（SPAD）像素，SPAD像素通常在單波長(zhǎng)光照明下工作（飛行時(shí)間測(cè)距或熒光壽命應(yīng)用），與最先進(jìn)的CMOS像素相比，SPAD像素尺寸相當(dāng)大，填充因子較低。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，格勒諾布爾-阿爾卑斯大學(xué)（Université Grenoble Alpes）和意法半導(dǎo)體（STMicroelectronics）的研究人員提出了在前照式（FSI）SPAD像素上實(shí)現(xiàn)的兩代基于超構(gòu)表面（metasurface）的平面微透鏡設(shè)計(jì)。這種平面微透鏡是傳統(tǒng)基于回流工藝的折射式微透鏡的替代品，其在設(shè)計(jì)方面提供了更多的自由度，特別是設(shè)計(jì)離軸微透鏡以收集SPAD光電二極管周圍光的能力。研究人員在意法半導(dǎo)體SPAD芯片上制備了兩代微透鏡，并對(duì)其進(jìn)行了表征。研究人員驗(yàn)證了基于擴(kuò)展超構(gòu)表面的微透鏡的靈敏度有所改進(jìn)，還證實(shí)了光刻能力對(duì)超構(gòu)表面性能的影響，強(qiáng)調(diào)了獲得先進(jìn)深紫外光刻的必要性。

超構(gòu)表面所使用的單一結(jié)構(gòu)或超構(gòu)原子，是嵌入低折射率介質(zhì)（氧化硅）中的高折射率材料（非晶硅）的納米柱（nanoscale pillar）。納米柱引起的相移由其幾何形狀控制，該幾何形狀由間距、蓋層厚度和柱體參數(shù)（高度和直徑）所決定。

超構(gòu)原子的幾何形狀由超構(gòu)原子間距、氧化硅蓋層厚度和柱體參數(shù)（高度和直徑）所決定

研究人員還考慮了超構(gòu)原子的布局策略。對(duì)于第一代基于超構(gòu)表面的微透鏡，研究人員考慮了超構(gòu)原子排列的方形布局。為了改進(jìn)空間采樣，第二代中還實(shí)施了三角形布局。

用于設(shè)計(jì)超構(gòu)表面的布局形狀：方形布局（左）和三角形布局（右）

對(duì)于基于超構(gòu)表面的平面微透鏡的開發(fā)，研究人員考慮32×32的SPAD陣列。SPAD共享N阱，以4×4分組為一個(gè)86.4 μm×86.4 μm單元。SPAD本身的尺寸為10.5 μm×11.5 μm。因此，研究人員利用該能力設(shè)計(jì)了具有超構(gòu)表面的離軸微透鏡，與傳統(tǒng)的基于回流工藝的折射式微透鏡（即10.5 μm×11.5 μm）相比，擴(kuò)大了占位面積，從而收集了更多的光。

共享同一N阱的4×4 SPAD單元布局

研究人員將32×32的SPAD陣列劃分為8個(gè)8×16 SPAD的區(qū)域。每個(gè)區(qū)域都被給定設(shè)計(jì)的平面微透鏡覆蓋。

平面微透鏡覆蓋的32×32 SPAD陣列視圖

超構(gòu)表面的制造工藝流程從40 nm CMOS前照式SPAD晶圓上的光學(xué)基座（SiO2）沉積和平坦化開始，然后，沉積非晶硅（aSi）的低應(yīng)力層并使其平坦化。超構(gòu)原子通過干法深紫外光刻和蝕刻來確定。最后，SiO2沉積和平坦化確保了柱體的封裝，并且調(diào)節(jié)覆蓋厚度，以最大限度地減少超構(gòu)表面的反射。

平面微透鏡的工藝流程示意圖（左）和SEM傾斜圖（右）

與基于回流工藝的折射式微透鏡相比，無論基于超構(gòu)表面的平面微透鏡如何，光子探測(cè)效率（PDE）都得到了改善。對(duì)于第一個(gè)擴(kuò)展設(shè)計(jì)，靈敏度提高了30%，色散較小。而對(duì)于最大的微透鏡（21.6 μm×21.6 μm），研究人員將中心微透鏡的PDE提高了2.3倍，并且在任何情況下，PDE都高于參考對(duì)象（基于回流工藝的折射式微透鏡）。

PDE測(cè)量：無透鏡SPAD、集成折射式微透鏡的SPAD、集成超構(gòu)表面微透鏡的SPAD

總而言之，這項(xiàng)研究工作驗(yàn)證了基于超構(gòu)表面的平面微透鏡在SPAD像素級(jí)的好處和可行性。研究人員展示了在前照式CMOS晶圓頂部處理封裝在二氧化硅中的深亞波長(zhǎng)非晶硅柱以產(chǎn)生微透鏡的能力。在32×32 SPAD陣列上的測(cè)量證實(shí)了這種技術(shù)的重要性。通過設(shè)計(jì)離軸微透鏡，與基于回流工藝的折射式微透鏡相比，研究人員利用4×4 SPAD組周圍的可用空間來提高PDE。

審核編輯：劉清