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(jù)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(xiàn)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(tǒng)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(diào)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(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(shù)（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(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(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(qū)域。每個區(qū)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(diào)節(jié)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(chǎn)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