SPAD|用于SPAD像素的基于元表面的平面微透镜

andyo7

引言

做CIS的同学都知道，Sensor的pixel表面都有一个Microlens，用于聚光，而SPAD本质上也是一个光电二极管，为了起到同样的作用，各个厂家也对SPAD上的Microlens进行了研究。今天我们将介绍意法半导体ST发布论文为大家介绍SPAD上微透镜的应用。

在本文中，我们提出了两代基于元表面的平面微透镜的设计，它们在正面照明SPAD像素上实现。这种微透镜是传统回流微透镜的替代品。它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光电二极管周围的光的能力。在STMicroelectronics SPAD上制备了两代微透镜，并对其进行了表征。我们验证了基于扩展超表面的微透镜所提供的灵敏度提高。我们还证实了光刻能力对超表面性能的影响，强调了获得先进深紫外光刻的必要性。

1. Introduction

平面微透镜非常适合SPAD像素，SPAD像素通常在单色照明（飞行时间或荧光寿命应用）下工作，并且与最先进的CMOS像素相比，表现出相当大的像素尺寸和更低的填充因子。我们之前演示了菲涅耳波带板透镜和提出的基于元表面的微透镜。在本文中，我们介绍STMicroelectronics SPAD阵列上两代基于超表面的平面微透镜的设计、制造和表征结果。

2. 元原子与平面微透镜设计

我们的单一结构，或元原子，是嵌入低折射率介质（氧化硅）中的高折射率材料（非晶硅）的纳米级柱。由柱引起的相移由其几何形状控制，该几何形状由间距限定，顶盖厚度和支柱的参数：高度和直径如下图所示：



几何形状
我们还考虑了铺路策略。对于第一代基于元表面的微透镜，我们考虑了元原子排列的方形铺设。为了改进空间采样，第二代中还实施了三角形铺设如下图所示：



两代微透镜
我们将柱库定义为具有铺砌和前三个参数固定的柱集，并且柱的直径在光刻可实现的范围内变化：最小直径由最小临界尺寸（CD）定义，最大直径定义为间原子间距减去最小空间。在所有可能的库中，我们选择涵盖从0到2的相移的库?同时提供最佳传输，如下图所示:



库生成以及工作流
第一代库基于500nm和420nm间距，而第二代库更具侵略性，具有370nm的间原子间距。在这两种情况下，考虑的最小CD和空间都是100nm。

3. 平面微透镜设计

3.1 SPAD像素

针对本次设计，我们考虑32x32的SPAD阵列。在86.4x86.4um2的单元内，SPAD以4x4一组进行共享N-well。SPAD单个空间维度为10.5x11.5um2。因此，与传统的基于折射回流的微透镜相比，我们使用设计具有超表面的离轴微透镜的能力来扩展占地面积从而收集更多的光。



4x4 SPAD3.2 平面微透镜

我们将32×32的SPAD阵列划分为8×16SPAD的8个区域。每个区域都由给定的微透镜设计覆盖，如下图所示：



32x32 SPAD

一个没有任何微透镜的区域，以获得作为参考的裸露SPAD灵敏度

具有微透镜的一个区域具有与回流区域相同的占地面积。这将用于与折射微透镜进行直接比较。

具有中间占地面积的微透镜的三个区域面积S为16.5x16.6um2，是两倍参考面积。

具有尽可能大的占地面积的微透镜的三个区域，面积为21.6x21.6um2，是参考面积3.86倍。

需要注意的是，对于占地面积大于参考的微透镜，其设计因其在4x4 SPAD组内的位置而异（见上图中左下角的图片）。考虑到布局对称性，我们区分了四个不同的像素：中心、顶部、角落和侧面，如下图：



spad
微透镜光轴以感兴趣的SPAD为中心。当微透镜和SPAD具有相同的印迹时，光轴以其为中心。但当微透镜表面延伸到SPAD印迹之外时，光轴偏移。元表面的目标相位轮廓对应于将平面波弯曲成球面波的完美透镜：



公式
空间坐标表示为x和y、微透镜光轴的偏移x0和y0、微透镜的焦距f以及感兴趣的波长λ（在我们的情况下为940nm）。为了对该相位轮廓进行编码，我们考虑经典的查找表方法。

4. 超表面制造

工艺流程始于40nm CMOS正面照明SPAD晶片，具有光学基座（SiO2）沉积和平坦化。然后，沉积并平坦化非晶硅树脂（aSi）的低应力层。元原子是通过干式深紫外光刻和蚀刻来定义的。最后，SiO2沉积和平坦化确保了柱的封装，并调整了覆盖厚度，以最大限度地减少超表面的反射，如下图：



制造工艺
5. 光电特性

A 实验建立

SPAD阵列的电光特性是在晶圆级使用基于Accretech 300mm探测器的专用探测站进行的。光源为Thorlabs M940L3 LED，通过Thorlabs带通滤波器FBH940-10进行过滤（FWHM=10nm）。通过LabSphere积分球确保阵列上的均匀照明。球体输出和晶片之间的固定距离模拟f/10角度分布。使用校准的辐射计（UDT221）记录光强度。

为了评估微透镜的性能，我们计算光子检测效率（PDE），即量子效率：



PDE
其中Φ940nm是单位面积下每秒的光子数，a^2是spad面积，LCR是光计数率，DCR是暗计数率，分别是SPAD在照明和黑暗中触发的频率。由于这些计数率通常取决于超过SPAD击穿电压的过量偏置，我们首先评估每个电路的平均击穿电压。对于LCR和DCR测量，过量偏置被设置为高于击穿电压1.5V。
B 实验结果

已经表征了基于元表面的微透镜的生成以及具有折射微透镜的SPAD（参考过程）和没有微透镜的裸SPAD。下图显示了所有这些配置的PDE:



PDE Result
正如预期的那样，对于裸露的SPAD和具有单一表面的微透镜，无论SPAD如何，PDE几乎是相同的。事实上，4种SPAD（中心、顶部、角落、侧面）的布局在该表面S1上几乎相同。在这种配置中，折射微透镜比基于元表面的微透镜具有更高的灵敏度，因为它以连续的方式弯曲相位，与在空间和相位值上对相位轮廓进行采样的元表面相反。

对于延伸表面，，我们清楚地看到，PDE取决于位置（中心、顶部、角落、侧面）：中心的（图中的点）比角落的数据更敏感。造成这种影响的根本原因有两个。首先，给定微透镜下的布局取决于其位置：角微透镜主要位于围绕4×4光电二极管的金属互连上方，顶部和侧面微透镜下方的布局并不完全相同。其次，对于给出的相位，到光轴的距离越大，相位的斜率就越大。因此，当元原子在空间上对相位进行采样时，这会导致可能的混叠。随着更激进的设计规则（较小的间距和CD以及三角形铺砌的使用），第二代元表面具有更高和更少的分散性能。

与回流微透镜相比，无论基于元表面的微透镜如何，PDE都得到了改善。对于我们的第一个扩展设计，灵敏度提高了30%，色散很小。而对于大型微透镜（S3.86），我们将中心微透镜的PDE提高了2.3%，并且在任何情况下，PDE都高于参考（回流微透镜）。

6. 结论

这项工作验证了基于元表面的微透镜在像素级的兴趣和可行性。我们展示了我们在正面照明CMOS晶片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32x32 SPAD阵列上的测量证实了这种技术的兴趣。通过设计离轴微透镜的能力，与经典回流微透镜相比，我们利用4x4 SPAD组周围的可用空间来提高PDE。

7. 结束语

今天为大家介绍了意法半导体针对SPAD所设计微透镜而发布的技术论文，介绍不同的微透镜结构对于Pixel性能的影响。希望对大家对于SPAD有着更深入了解与提升。

好了今天就到这里，希望今天可以给您带来对于传感器的更深的认知，喜欢的同学可以进行朋友圈分享以及点击文章在看。另外，对论文感兴趣的同学可以follow我的Github论文仓库，也可以加入知识星球以及交流群，获取一手行业资料~