单片集成超透镜真的能在背照式InGaAs/InP SPAD中突破光耦合瓶颈，并实现1550 nm下PDE提升37%吗？

此研究成功实现了InGaAs/InP单光子雪崩二极管(SPAD)与InP超透镜(Metalens)的单片集成(Monolithic Integration)。

这一结构创新为小型化、高性能的红外单光子探测器阵列奠定了基础，在量子科技、激光雷达(Lidar)和空间通信等应用中具有重要意义。

主要研究成果包括：

• 高性能光子探测效率(PDE)：在通信波长1550 nm处，集成超透镜的SPAD达到15.9%的最大PDE
  
  

• 显著的效率提升：相较于未集成超透镜的对照器件，单片集成超透镜使最大PDE实现约37%的相对增长
  
  

• 小型化设计：器件采用直径仅8 µm的小型有源区(Active Area)，配合100 µm × 100 µm的超透镜，将入射光子聚焦到光敏区域
  
  

• 高效聚焦能力：InP超透镜在目标焦平面上的聚焦光斑尺寸约1.3 µm(半高全宽FWHM)，接近衍射极限
  
  

• 工艺优势：通过单片集成克服了传统微透镜在小型化和精确对准方面的挑战，为实现小像素、高PDE的InGaAs/InP SPAD阵列提供了新途径

研究团队成员包括Yicheng Zhu、Wenjuan Wang、Min Zhou、Huidan Qu、Zhi Zhen、Pingping Chen和Wei Lu，来自上海量子科学研究中心、中国科学院上海技术物理研究所(红外物理国家重点实验室)、中国科学院大学和合肥国家实验室。

InGaAs/InP单光子雪崩二极管因其尺寸紧凑、成本低廉和操作简便等优势，广泛应用于量子技术、激光雷达和空间通信等关键领域。

然而，进一步提升SPAD阵列性能需要解决两大挑战：提升探测效率和最小化像素间串扰。

传统解决方案是将光电探测器与微透镜集成以增加填充因子(Fill Factor)。但随着器件小型化，传统微透镜面临严重的工艺瓶颈：

1.曲率与精度挑战：小型化要求传统微透镜实现更大的物理曲率，同时保持极高精度，制造难度日益增加

2.对准难度：微透镜与光敏区域的精确对准至关重要，但随着尺寸缩小，对准难度显著增加

对于InGaAs/InP SPAD阵列，还面临额外的复杂性：

1.InP基材料的加工难度较高
2.背部入射结构(Backside Illuminated, BSI)使透镜对准更加复杂

超透镜(Metalenses)作为由亚波长结构组成的平面光学元件，能够精确控制相位、偏振和振幅等光学参数，为解决上述挑战提供了新思路。

此研究针对InGaAs/InP BSI结构的特殊挑战，实现了InP超透镜在InGaAs/InP SPAD背部的单片集成，将入射光聚焦到高敏感区域，从根本上解决了小型化器件的光耦合效率问题。

SPAD器件结构
SPAD采用平面几何结构和背部照明，具有分离吸收、梯度、电荷和倍增(SAGCM)结构。

约6微米厚的外延层通过金属有机化学气相沉积(MOCVD)方法在N+型InP衬底上生长，包含一个InGaAs吸收层。

P+区通过扩散形成，设计了保护环(Guard Ring)结构防止边缘雪崩。衬底厚度约250 µm。

超透镜设计原理
超透镜由具有不同直径但相同高度的InP纳米柱组成，用于实现所需的相位梯度分布。

设计采用的相位剖面遵循标准超透镜方程式，通过改变亚波长尺度的介电纳米柱单元直径来实现相位剖面，其中波导效应是主要调控机制。

纳米柱高度设定为1.5 µm，边缘间距约200 nm，直径范围从200 nm到420 nm。

超透镜设计覆盖100 µm × 100 µm的方形区域，完全匹配未来SPAD阵列中单个像素的面积。

模拟显示，该超透镜的聚焦效率(将光凝聚到有源区)在无抗反射涂层情况下约60%，透射率约85%。

制备工艺流程
研究团队采用标准微电子工艺实现了InP超透镜与SPAD的单片集成：

1.衬底准备：在约250 µm厚的InP衬底上制备对准标记
2.硬掩模与光刻：沉积硬掩模后旋涂光刻胶(ZEP-520A)，使用电子束光刻(EBL)定义所需图案
3.图案转移：使用混合气体的反应离子刻蚀(RIE)工艺将图案转移到底层
4.超表面结构形成：利用感应耦合等离子体(ICP)刻蚀工艺在InP衬底中形成超表面结构(即InP纳米柱)
5.清洗与封装：使用缓冲溶液的湿法刻蚀去除残余硬掩模

为进行性能比较，制备了两个样品：器件A(集成超透镜)和器件B(未集成透镜)。

两者采用相同的外延材料和工艺步骤，均采用背部入射并封装在带热电冷却器(TEC)的TO-66管座中。为确保公平比较，两个器件均未涂覆抗反射层。

I-V特性与光电流分析
研究团队在室温下测量了器件A和器件B的准静态I-V特性。在穿通电压附近，器件A和B的光电流分别为特定值，器件A的光电流约是器件B的1.4倍,光耦合效率提升了近40%。

值得注意的是，虽然器件A的光电流在穿通电压处有所提高，但这种提升在准静态测量中并不十分显著。这是因为InGaAs/InP SPAD存在较大的横向电势梯度。

即使光子入射到有源区外部，通过扩散或漂移机制产生的载流子仍可被收集。在高偏压下，边缘电场未被有效抑制，导致聚焦光斑内产生的光生载流子的倍增增益略低。

研究预期当偏压进一步增加并运行于盖革模式(Geiger mode)时，此问题将得到缓解。

空间响应非均匀性
为研究横向电势梯度对光生载流子传输的影响，团队进行了光响应映射实验。

使用数值孔径为0.4的物镜聚焦入射光到器件B上，器件安装在3D平台上扫描。

结果显示，在穿通电压下的光电流映射图中，中心附近达到最大电流，而在直径约12 µm的圆形区域边缘,光电流仍超过最大值的一半。

这间接证实了，由于从中心到边缘存在显著的横向电势梯度，即使光子入射在有源区外的广泛区域，光载流子仍能被收集。

这也解释了在I-V曲线测量中，使用大直径光束照明时，器件A和B的光电流差异不显著的原因。

InP超透镜的光学性能
为确保超透镜性能，团队对其聚焦行为进行了独立表征。超透镜被制作在厚InP衬底上进行评估。

测量得到的焦长约248 µm，与设计值250 µm非常接近。测得的焦斑半高全宽(FWHM)约1.3 µm，表明其聚焦能力接近衍射极限。

当InP超透镜与InGaAs/InP SPAD单片集成时，焦点被定位在InGaAs吸收层附近。这确保了在精确对准情况下，入射光子被集中到器件的高敏感区域。

单光子探测性能
单光子探测性能在门控模式(Gated-mode)下表征。利用信号发生器产生两个同步脉冲信号，一个驱动脉冲激光器，另一个馈入SPAD。

SPAD的输出信号由时间相关单光子计数(TCSPC)系统采集。脉冲激光器的平均功率被衰减到每个脉冲约一个光子的水平，且SPAD被冷却至223 K以抑制暗噪声。

考虑光脉冲的泊松分布，PDE和归一化DCR分别通过特定公式计算。PDE与DCR之间的关系显示：

．器件A(带超透镜)：在高电压50.2 V时达到最大PDE 15.9%，对应DCR为284 kHz
．器件B(无透镜)：在高电压50.5 V时达到最大PDE11.6%，对应DCR为205 kHz

相较于器件B，器件A在最大PDE上实现了约37%的相对提升，明确证明了InP超透镜成功改善了器件的光耦合效率。

研究团队成功制备了具有小有源区的InGaAs/InP SPAD，并与InP超透镜进行了单片集成。

通过对比实验，明确观察到超透镜带来的PDE提升，这得益于超透镜有效地将入射光子聚焦到高光敏区域。

在1550 nm波长下，集成超透镜的SPAD可实现15.9%的最大PDE(对应HV为50.2 V)，而无透镜SPAD的最大PDE为11.6%(对应HV为50.5 V)。

这证明了集成InP超透镜带来了37%的最大PDE相对提升。

这项工作展示了超透镜在小像素SPAD上实现高效聚焦的能力，突显了其对未来开发大面阵、小像素SPAD阵列的巨大潜力。器件内在性能可通过进一步优化电场分布来提升。

此研究为克服传统微透镜在小型化器件中的局限性提供了新的解决方案，有望推动高性能单光子探测器阵列在量子通信、激光雷达和空间通信等领域的应用。