CN116454144A - 一种超表面阵列及单片集成超表面的雪崩焦平面芯片 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种超表面阵列及单片集成超表面的雪崩焦平面芯片，包括像元阵列，所述像元阵列上包括具有第一表面和与第一表面相对的第二表面的衬底以及形成于所述衬底的第一表面的焦平面阵列和第二表面的超表面阵列，所述超表面阵列包括若干呈阵列分布于衬底上的透射单元，所述透射单元包括若干按预设周期分布于所述衬底上的微纳结构，所述微纳结构包括形成于所述衬底上的基底及形成于所述基底上的微结构透射柱，所述微结构透射柱的平面尺寸自透射单元的中心向四周依次增大；与现有技术相比，本发明能够有效改善焦平面阵列有源区尺寸缩小与光能收集之间的冲突，进而提升焦平面阵列的光子探测效率。
Description
技术领域
本发明涉及近红外光电探测器技术领域，特别是涉及一种超表面阵列及单片集成超表面的雪崩焦平面芯片。
背景技术
盖革雪崩焦平面探测器技术是三维成像激光雷达的关键驱动技术，作为其核心组件，具有高灵敏度、高距离分辨率、高成像效率的特点。盖革雪崩焦平面探测器由盖革雪崩焦平面芯片和读出电路芯片倒装互连而成，通过盖革雪崩焦平面芯片内部光电转换效应和高增益，将入射光转换成电信号，并发大输入到读出电路芯片中，最后进行数据处理形成图像。
盖革雪崩焦平面芯片中有源区面积较小，通常采用微透镜阵列芯片通过光学胶贴装方式与雪崩探测器阵列芯片混合集成，将光汇聚到有源区。但随着盖革雪崩焦平面芯片向小像素、高探测器效率、低暗计数后脉冲的技术方向发展，有源区面积逐步缩小，导致盖革雪崩焦平面探测器的光子探测效率不断下降。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种超表面阵列及单片集成超表面的雪崩焦平面芯片，以解决现有技术中因有源区面积缩小后光子探测效率较低的问题。
为达到上述目的，本发明的一技术方案提供一种超表面阵列，包括若干呈阵列分布于衬底上的透射单元，所述透射单元包括若干按预设周期分布于所述衬底上的微纳结构，所述微纳结构包括形成于所述衬底上的基底及形成于所述基底上的微结构透射柱，所述微结构透射柱的平面尺寸自透射单元的中心向四周依次增大。
进一步的，所述微结构透射柱的平面尺寸在所述预设周期内按照预设步进变化，使所述微结构透射柱的相位于一预设范围内变化，所述预设周期为250～500nm，所述预设步进为10～50nm，所述相位变化的预设范围为0～2π。
进一步的，所述透射单元中微结构透射柱在xy平面上的相位分布满足以下条件：
其中：为透射单元中微结构透射柱在xy平面上的相位分布，f为焦距，λ0为入射光的波长，x,y分别为透射单元的焦点处在xy平面上的横向投影距离和纵向投影距离，m为相位变化的倍数；
进一步的，所述微结构透射柱的高度h≥400nm，且所述微结构透射柱的高度满足以下条件：
其中：λ0为入射光的波长，n1,n2分别为微结构透射柱的表面介质及衬底的折射率。
进一步的，所述透射单元还包括一一形成于所述微结构透射柱表面的介质膜，所述介质膜的折射率小于所述衬底的折射率。
为达到上述目的，本发明的另一技术方案提供一种单片集成超表面的雪崩焦平面芯片，包括像元阵列，所述像元阵列上包括具有第一表面和与第一表面相对的第二表面的衬底以及形成于所述衬底的第一表面的焦平面阵列，其特征在于，还包括单片集成于所述衬底的第二表面的超表面阵列，所述超表面阵列为如上所述的超表面阵列。
进一步的，所述焦平面阵列包括依次形成于所述衬底的第一表面之上的缓冲层、外延层、帽层和电极层，所述焦平面探测阵列的厚度为10～200μm。
进一步的，所述焦平面阵列包括若干呈阵列分布的探测单元，所述探测单元与所述透射单元一一对应设置，每一探测单元上均形成有一探测入射光的有源区，入射光经所述超表面阵列的探测单元相位调制后聚焦于所述有源区。
进一步的，所述像元阵列包括若干呈阵列分布的像元单元，每一像元单元均包括所述衬底以及形成于所述衬底第一表面和第二表面的探测单元和透射单元，相邻像元单元间刻蚀形成有隔离沟道，相邻像元单元的像元中心间距为25～100μm。
进一步的，所述焦平面阵列的工作波长的范围为0.9～1.7μm，光谱响应起始于0.9μm，且所述焦平面阵列的截止波长于一预设低温的蓝移情况下大于所述工作波长。
本发明通过在衬底的上、下表面分别集成焦平面阵列和超表面阵列，通过改变超表面阵列中微结构透射柱的直径，可以对近红外波段的传输相位进行调制，使得入射光能够聚焦于焦平面阵列的有源区，以提高入射光的汇聚效率；并且，本发明的以高折射率的衬底作为入射光的传播介质，直接在像元阵列上单片集成与焦平面阵列对应的且具有微结构透射柱的超表面阵列，能够提高器件的对位精准度，同时，超表面阵列具有高填充因子和超衍射汇聚的作用，可以有效提高光能的耦合效率，改善焦平面阵列有源区尺寸缩小与光能收集之间的冲突，进而提升焦平面阵列的光子探测效率。
附图说明
图1为本发明的单片集成超表面的雪崩焦平面芯片的结构示意图。
图2为微纳结构的结构示意图。
图3为透射单元表面的相位变化示意图。
图4(a)为采用球透镜的填充因子示意图。
图4(b)为采用本发明的超表面阵列的填充因子示意图。
说明书附图标记如下：
像元单元100、衬底1、焦平面阵列2、探测单元21、有源区22、超表面阵列3、透射单元31、介质膜32、微纳结构33、微结构透射柱331、基底332。
具体实施方式
下面通过具体实施方式进一步详细说明：
实施例1
如图1所示，本发明的单片集成超表面的雪崩焦平面芯片包括像元阵列，所述像元阵列上采用蚀刻工艺形成有隔离沟道(图未示)，以在所述像元阵列中形成若干呈阵列分布的像元单元100，每一像元单元100均能够作为一个独立的结构对入射光进行探测。在本实施例中，根据隔离沟道在像元阵列平面上的分布方向或方式，所述像元单元100的形状可以是六边形、正方形或圆形等；根据隔离沟道的数量，所述像元阵列的规模为2×2～2048×2048；根据相邻两隔离沟道之间的间距，相邻两像元单元100的像元中心间距为25～100μm。
所述像元阵列包括衬底1、焦平面阵列2和超表面阵列3，衬底1具有相对设置的第一表面和第二表面，所述焦平面阵列2沉积于所述衬底1的第一表面，所述超表面阵列3沉积于所述衬底1的第二表面；在本实施例中，所述衬底1采用InP衬底，所述第一表面为衬底1的正面，第二表面为衬底1的背面。所述焦平面阵列2的超表面阵列3采用单片集成的方式分别沉积于衬底1的正面和背面，使得超表面阵列3能够对入射光的相位进行调制并汇聚入射光，使入射光穿过衬底1，以便焦平面阵列2能够探测到汇聚后的入射光。所述隔离沟道通过从上至下刻蚀至衬底1，进而形成相对独立的像元单元100。
所述焦平面阵列2包括依次沉积于所述衬底1的第一表面之上的缓冲层、外延层、帽层和电极层，所述外延层采用InGaAs/InGaAsP/InP外延材料体系，经光刻、扩散掺杂、介质膜钝化、干法刻蚀、金属蒸发和衬底1减薄等化合物半导体工艺制备而成，根据功能层划分为从下至上依次层叠设置的吸收层、渐变层、电荷层及倍增层，以分别对入射光进行分离吸收、渐变、电荷转移及倍增，构成SAGCM外延结构。在本实施例中，所述焦平面阵列2的厚度为10～200μm，前述制备外延层的工艺均可采用现有技术实现，且制备工艺的参数可根据焦平面阵列2或外延层的规模及尺寸进行适应性的调整，本实施例不做赘述。
所述焦平面阵列2由若干与像元单元100对应的探测单元21形成，所述探测单元21对应一个像元单元100并位于衬底1的第一表面上，由从上往下刻蚀至衬底1的隔离沟道隔离后形成能够独立探测入射光的探测结构。每一探测单元21上均均形成有一有源区22，入射光经所述超表面阵列3进行相位调制后聚焦于所述有源区22，使得有源区22能够稳定探测入射光。在本实施例中，所述有源区22的直径为小于或等于5μm，以有利于实现器件的小像素、高探测器效率、低暗计数后脉冲技术；所述有源区22的结构可以是采用扩散掺杂工艺形成的阶梯结平面型结构，也可以是采用湿法刻蚀工艺形成的台面型结构。
在本实施例中，所述焦平面阵列2的工作波长的范围为0.9～1.7μm，以便于能够探测近红外波段的入射光；所述焦平面阵列2的光谱响应起始于0.9μm，所述焦平面阵列2的截止波长于一预设低温(如223K)时且处于蓝移情况下仍能够大于所述工作波长，使得器件具有稳定的探测性能。
所述超表面阵列3包括若干呈阵列分布于衬底1的第二表面的透射单元31以及覆盖于超表面阵列3表面的介质膜32，所述透射单元31的数值孔径NA为1～2，所述透射单元31与所述探测单元21一一对应设置，每一透射单元31作为一个独立的透光结构，能够分别对入射光进行相位调制后汇聚于所述探测单元21的有源区22，所述介质膜32能够改善整个超表面阵列3的折射率，以提高入射光的汇聚效率。所述超表面阵列3采用折射率的衬底材料(即InP材料)，并经电子束曝光、磁中性环放电刻蚀、低温离子束沉积等微纳加工工艺制备而成，以提高入射光的汇聚效率，进而提高焦平面对于光子的整体探测效率。在本实施例中，所述透射单元31的结构平面尺寸为25～100μm，前述超表面阵列3的制备工艺均可采用现有技术实现，且制备工艺的参数可根据超表面阵列3的规模及平面尺寸进行适应性的调整，本实施例不做赘述。
如图2所示，所述透射单元31包括若干按预设周期分布于所述衬底1上的微纳结构33，所述微纳结构33包括形成于所述衬底1上的基底332及形成于所述基底332上的微结构透射柱331；所述微结构透射柱331的形状可以是圆柱体、正方体、长方体或者其他的多面体结构，本实施例优选采用圆柱体形状的微结构透射柱331。所述微结构透射柱331对入射光的偏振状态不敏感，每一微结构透射柱331与对应的基底332都能够形成一个类似截断波导的共振结构，通过设置对应的预设周期的数值能够有效避免入射光的次级衍射效应；在本实施例中，所述预设周期为250～500nm。
所述微结构透射柱331的平面尺寸(或直径)自透射单元31的中心向四周依次增大，且所述微结构透射柱331的平面尺寸小于所述预设周期，也即微结构透射柱331在衬底1上分布时，其平面尺寸在所述预设周期内变化，位于透射单元31中心的微结构透射柱331的平面尺寸最小，位于透射单元31外周的微结构透射柱331的平面尺寸最大。所述微结构透射柱331的平面尺寸自所述透射单元31的中心向四周按照预设步进均匀增加，使得不同平面尺寸的微结构透射柱331之间的有效折射率具有差值，通过微结构透射柱331的有效折射率差，能够形成一系列相位变化在一预设范围内微结构透射柱331的超表面，以满足近红外波段工作波长的相位调控。在本实施例中，所述微结构透射柱331的平面尺寸在变化时，预设步进为10～50nm，所述相位变化的预设范围为0～2π。
为实现聚焦功能，所述透射单元31中微结构透射柱331在xy平面上的相位分布时，需满足到焦点相位相等或者相差2π的整数倍，以获得相位变化范围为0～2π的微结构透射柱331。所述相位分布需满足以下条件：
其中：为透射单元31中微结构透射柱331在xy平面上的相位分布；f为焦距，即衬底1的厚度；λ0为入射光的波长；x,y分别为透射单元31的焦点处在xy平面上的横向投影距离和纵向投影距离；m为相位变化的倍数。
所述透射单元31中不同平面尺寸的微结构透射柱331的具有相同的高度，其高圆柱高度为h≥400nm，结合微结构透射柱331的平面尺寸，通过设置具有高纵横比的微结构透射柱331，能够提高微结构透射柱331对入射光的汇聚效率，并且要实现对入射光进行调控，所述微结构透射柱331的高度在设置时，需满足以下条件：
其中：λ0为入射光的波长，n1,n2分别为微结构透射柱331的表面介质及衬底1的折射率。
所述介质膜32完全覆盖于所述微结构透射柱331的外表面，以增强微结构透射柱331的透射效果。在本实施例中，所述介质膜32可采用氧化硅、二氧化钛、Al2O3沉积得到，其厚度为100～200nm，折射率介于1.5～3之间并小于所述衬底1的折射率。
本实施例的单片集成超表面的雪崩焦平面芯片通过在像元阵列上单片集成超表面阵列3，并通过改变超表面阵列3中微结构透射柱331的平面尺寸和高度，以调整微结构透射柱331的纵横比，可对近红外波段的传输相位进行调制，使得入射光能够聚焦于焦平面阵列2的有源区22，以提高入射光的汇聚效率，进而提高器件的对位精准度，使超表面阵列3兼具高填充因子和超衍射汇聚，从而改善焦平面阵列2有源区22尺寸缩小与光能收集之间的冲突，提升焦平面阵列2的光子探测效率。
实施例2
本实施例示例性地给出了本发明在具体应用时的实例，本实施例以像元阵列的阵列规模为32×32、像元单元100间的像元间距为50μm为例进行说明。
本实施例的单片集成超表面的雪崩焦平面芯片包括InP衬底以及形成于InP衬底正面的焦平面阵列2和形成于InP衬底背面的超表面阵列3。所述InP衬底的对工作波长为1550nm的入射光几乎不吸收，所述InP衬底的厚度即为超表面阵列3的焦距尺寸，为减轻短焦距引起的旁瓣，所述InP衬底的厚度设计为100μm。当入射光从超表面阵列3透射出来后，能够穿过InP衬底汇入焦平面阵列2的有源区22。
所述焦平面阵列2包括依次沉积在InP衬底正面的N型InP缓冲层、I型InGaAs吸收层、N型InGaAsP渐变层、N型InP电荷层、非掺InP倍增层、P型InP帽层，InP帽层之上为欧姆接触层P电极金属(即电极层)，焦平面阵列2的探测单元21采用阶梯结平面型结构，其有源区22通过二次掺杂形成，有源区22的尺寸为5μm。
所述焦平面阵列2具有与像元阵列的阵列规模相同的透射单元31(即所述焦平面阵列2具有32×32个透射单元31)，每个透射单元31均采用InP材料沉积得到若干微结构透射柱331，所述微结构透射柱331以周期P＝500排布在InP衬底上，在微结构透射柱331的表面采用Al2O3沉积有一层厚度为170nm的介质膜32，以增强透射效果，实现偏振不无光的入射光的汇聚。
本实施例的微结构透射柱331与对应的基底332都能够形成一个类似截断波导的共振结构，在设置微结构透射柱331的尺寸结构时，根据等效波导原理，一定横截面的光束在自由空间传播时，由于衍射作用将会发散，利用高折射率的介质InP材料(折射率n为3.2)沉积微结构透射柱331可以限制光束，进行波导传输。从波导出射后的波束相位和透射率由波导基模的传输特性决定，同时，基模的传输特性由介质(也即微结构透射柱331)折射率和尺寸决定，因此，对于本实施例中的圆柱体结构的微结构透射柱331，其模式本征方程如下所示：
其中：β为传播常数，β＝neff/k0，neff为微结构透射柱331的有效折射率，k0为波矢，k0＝2π/λ0，λ0为入射光的波长(本实施例为1550nm)；d为微结构透射柱331的直径；m为相位变化的倍数；n1,n2分别为微结构透射柱331的表面介质和InP衬底的折射率；n 0为等效波导的折射率。
根据上述公式(3)，可计算出微结构透射柱331的有效折射率。
根数上述公式(2)，可计算得到的微结构透射柱331的高度需满足h≥718nm，同时，为了提高微结构透射柱331的高纵横比，本实施例中，所述微结构透射柱331的高柱设定为1400nm，将微透镜透射柱的直径控制在150～440nm之间按照10nm步进变化，由此，实现对入射光的调控。
由于本实施例中超表面阵列3的焦距为InP衬底的厚度，入射光的波长为1550nm，周期为500nm，由此，可以得到微结构透射柱331的相位变化如图3所示。
如图4(a)和图4(b)所示，将本实施例的单片集成超表面的雪崩焦平面芯片的填充因子与集成普通球透镜的填充因子进行对比，本实施例的超表面阵列3的填充因子可近似达到100％，远高于采用球透镜时60％的填充因子。
由此，本实施例的单片集成超表面的雪崩焦平面芯片，通过设置高填充因子、超衍射汇聚的超表面阵列3，能够有效提高光能耦合效率，改善焦平面阵列2有源区22尺寸缩小与光能收集之间的冲突，从而提升焦平面阵列2的光子探测效率。
Claims (10)
1.一种超表面阵列，包括若干呈阵列分布于衬底上的透射单元，其特征在于，所述透射单元包括若干按预设周期分布于所述衬底上的微纳结构，所述微纳结构包括形成于所述衬底上的基底及形成于所述基底上的微结构透射柱，所述微结构透射柱的平面尺寸自透射单元的中心向四周依次增大。
2.根据权利要求1所述的超表面阵列，其特征在于，所述微结构透射柱的平面尺寸在所述预设周期内按照预设步进变化，使所述微结构透射柱的相位于一预设范围内变化，所述预设周期为250～500nm，所述预设步进为10～50nm，所述相位变化的预设范围为0～2π。
3.根据权利要求2所述的超表面阵列，其特征在于，所述透射单元中微结构透射柱在xy平面上的相位分布满足以下条件：
其中：为透射单元中微结构透射柱在xy平面上的相位分布，f为焦距，λ0为入射光的波长，x,y分别为透射单元的焦点处在xy平面上的横向投影距离和纵向投影距离，m为相位变化的倍数。
4.根据权利要求1所述的超表面阵列，其特征在于，所述微结构透射柱的高度h≥400nm，且所述微结构透射柱的高度满足以下条件：
其中：λ0为入射光的波长，n1,n2分别为微结构透射柱的表面介质及衬底的折射率。
5.根据权利要求1所述的超表面阵列，其特征在于，所述透射单元还包括一一形成于所述微结构透射柱表面的介质膜，所述介质膜的折射率小于所述衬底的折射率。
6.一种单片集成超表面的雪崩焦平面芯片，包括像元阵列，其特征在于，所述像元阵列上包括具有第一表面和与第一表面相对的第二表面的衬底以及形成于所述衬底的第一表面的焦平面阵列，其特征在于，还包括单片集成于所述衬底的第二表面的超表面阵列，所述超表面阵列为如权利要求1～5任一项所述的超表面阵列。
7.根据权利要求6所述的单片集成超表面的雪崩焦平面芯片，其特征在于，所述焦平面阵列包括依次形成于所述衬底的第一表面之上的缓冲层、外延层、帽层和电极层，所述焦平面探测阵列的厚度为10～200μm。
8.根据权利要求6所述的单片集成超表面的雪崩焦平面芯片，其特征在于，所述焦平面阵列包括若干呈阵列分布的探测单元，所述探测单元与所述透射单元一一对应设置，每一探测单元上均形成有一探测入射光的有源区，入射光经所述超表面阵列的探测单元相位调制后聚焦于所述有源区。
9.根据权利要求8所述的单片集成超表面的雪崩焦平面芯片，其特征在于，所述像元阵列包括若干呈阵列分布的像元单元，每一像元单元均包括所述衬底以及形成于所述衬底第一表面和第二表面的探测单元和透射单元，相邻像元单元间刻蚀形成有隔离沟道，相邻像元单元的像元中心间距为25～100μm。
10.根据权利要求6所述的单片集成超表面的雪崩焦平面芯片，其特征在于，所述焦平面阵列的工作波长的范围为0.9～1.7μm，光谱响应起始于0.9μm，且所述焦平面阵列的截止波长于一预设低温的蓝移情况下大于所述工作波长。
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| CN202310378541.7A CN116454144A (zh) | 2023-04-10 | 2023-04-10 | 一种超表面阵列及单片集成超表面的雪崩焦平面芯片 |
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