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(kāi)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(kāi)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(guò)干法深紫外光刻和蝕刻來(lái)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(wú)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(wú)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(guò)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(lái)提高PDE。
審核編輯:劉清
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原文標(biāo)題:基于超構(gòu)表面的平面微透鏡提升SPAD像素的PDE
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