基于超构表面的平面微透镜提升SPAD像素的PDE

平面微透镜非常适合于单光子雪崩二极管（SPAD）像素，SPAD像素通常在单波长光照明下工作（飞行时间测距或荧光寿命应用），与最先进的CMOS像素相比，SPAD像素尺寸相当大，填充因子较低。

据麦姆斯咨询报道，格勒诺布尔-阿尔卑斯大学（Université Grenoble Alpes）和意法半导体（STMicroelectronics）的研究人员提出了在前照式（FSI）SPAD像素上实现的两代基于超构表面（metasurface）的平面微透镜设计。这种平面微透镜是传统基于回流工艺的折射式微透镜的替代品，其在设计方面提供了更多的自由度，特别是设计离轴微透镜以收集SPAD光电二极管周围光的能力。研究人员在意法半导体SPAD芯片上制备了两代微透镜，并对其进行了表征。研究人员验证了基于扩展超构表面的微透镜的灵敏度有所改进，还证实了光刻能力对超构表面性能的影响，强调了获得先进深紫外光刻的必要性。

超构表面所使用的单一结构或超构原子，是嵌入低折射率介质（氧化硅）中的高折射率材料（非晶硅）的纳米柱（nanoscale pillar）。纳米柱引起的相移由其几何形状控制，该几何形状由间距、盖层厚度和柱体参数（高度和直径）所决定。

超构原子的几何形状由超构原子间距、氧化硅盖层厚度和柱体参数（高度和直径）所决定

研究人员还考虑了超构原子的布局策略。对于第一代基于超构表面的微透镜，研究人员考虑了超构原子排列的方形布局。为了改进空间采样，第二代中还实施了三角形布局。

用于设计超构表面的布局形状：方形布局（左）和三角形布局（右）

对于基于超构表面的平面微透镜的开发，研究人员考虑32×32的SPAD阵列。SPAD共享N阱，以4×4分组为一个86.4 μm×86.4 μm单元。SPAD本身的尺寸为10.5 μm×11.5 μm。因此，研究人员利用该能力设计了具有超构表面的离轴微透镜，与传统的基于回流工艺的折射式微透镜（即10.5 μm×11.5 μm）相比，扩大了占位面积，从而收集了更多的光。

共享同一N阱的4×4 SPAD单元布局

研究人员将32×32的SPAD阵列划分为8个8×16 SPAD的区域。每个区域都被给定设计的平面微透镜覆盖。

平面微透镜覆盖的32×32 SPAD阵列视图

超构表面的制造工艺流程从40 nm CMOS前照式SPAD晶圆上的光学基座（SiO2）沉积和平坦化开始，然后，沉积非晶硅（aSi）的低应力层并使其平坦化。超构原子通过干法深紫外光刻和蚀刻来确定。最后，SiO2沉积和平坦化确保了柱体的封装，并且调节覆盖厚度，以最大限度地减少超构表面的反射。

平面微透镜的工艺流程示意图（左）和SEM倾斜图（右）

与基于回流工艺的折射式微透镜相比，无论基于超构表面的平面微透镜如何，光子探测效率（PDE）都得到了改善。对于第一个扩展设计，灵敏度提高了30%，色散较小。而对于最大的微透镜（21.6 μm×21.6 μm），研究人员将中心微透镜的PDE提高了2.3倍，并且在任何情况下，PDE都高于参考对象（基于回流工艺的折射式微透镜）。

PDE测量：无透镜SPAD、集成折射式微透镜的SPAD、集成超构表面微透镜的SPAD

总而言之，这项研究工作验证了基于超构表面的平面微透镜在SPAD像素级的好处和可行性。研究人员展示了在前照式CMOS晶圆顶部处理封装在二氧化硅中的深亚波长非晶硅柱以产生微透镜的能力。在32×32 SPAD阵列上的测量证实了这种技术的重要性。通过设计离轴微透镜，与基于回流工艺的折射式微透镜相比，研究人员利用4×4 SPAD组周围的可用空间来提高PDE。