在前照式SPAD像素上實現的兩代基于超構表面的平面微透鏡設計

平面微透鏡非常適合于單光子雪崩二極管（SPAD）像素，SPAD像素通常在單波長光照明下工作（飛行時間測距或熒光壽命應用），與最先進的CMOS像素相比，SPAD像素尺寸相當大，填充因子較低。

據麥姆斯咨詢報道，格勒諾布爾-阿爾卑斯大學（Université Grenoble Alpes）和意法半導體（STMicroelectronics）的研究人員提出了在前照式（FSI）SPAD像素上實現的兩代基于超構表面（metasurface）的平面微透鏡設計。這種平面微透鏡是傳統基于回流工藝的折射式微透鏡的替代品，其在設計方面提供了更多的自由度，特別是設計離軸微透鏡以收集SPAD光電二極管周圍光的能力。研究人員在意法半導體SPAD芯片上制備了兩代微透鏡，并對其進行了表征。研究人員驗證了基于擴展超構表面的微透鏡的靈敏度有所改進，還證實了光刻能力對超構表面性能的影響，強調了獲得先進深紫外光刻的必要性。

超構表面所使用的單一結構或超構原子，是嵌入低折射率介質（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（高度和直徑）所決定。

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

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

用于設計超構表面的布局形狀：方形布局（左）和三角形布局（右）

對于基于超構表面的平面微透鏡的開發，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計了具有超構表面的離軸微透鏡，與傳統的基于回流工藝的折射式微透鏡（即10.5 μm×11.5 μm）相比，擴大了占位面積，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8×16 SPAD的區域。每個區域都被給定設計的平面微透鏡覆蓋。

平面微透鏡覆蓋的32×32 SPAD陣列視圖

超構表面的制造工藝流程從40 nm CMOS前照式SPAD晶圓上的光學基座（SiO2）沉積和平坦化開始，然后，沉積非晶硅（aSi）的低應力層并使其平坦化。超構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，并且調節覆蓋厚度，以最大限度地減少超構表面的反射。

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，無論基于超構表面的平面微透鏡如何，光子探測效率（PDE）都得到了改善。對于第一個擴展設計，靈敏度提高了30%，色散較小。而對于最大的微透鏡（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都高于參考對象（基于回流工藝的折射式微透鏡）。

PDE測量：無透鏡SPAD、集成折射式微透鏡的SPAD、集成超構表面微透鏡的SPAD

總而言之，這項研究工作驗證了基于超構表面的平面微透鏡在SPAD像素級的好處和可行性。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非晶硅柱以產生微透鏡的能力。在32×32 SPAD陣列上的測量證實了這種技術的重要性。通過設計離軸微透鏡，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