为什么一块单片集成的 InP 超透镜，就能让 InGaAs/InP SPAD 的 1550 nm 探测效率暴涨 37%？

一、研究成就与核心亮点

此研究报道了一种创新的InGaAs/InP单光子雪崩光电二极管，首次成功实现了背面照明结构与InP衬底超透镜(Metalens)的单片(Monolithic)集成。

超透镜作为一种能够自由调控光场的新型平面光学元件，被用于增强光电探测器性能。

核心成就：
1.单片集成突破： 攻克了InP衬底材料微纳加工复杂性，以及BSI结构中光学元件精确对准的技术难题，直接在InP衬底上制备了由InP纳米柱构成的超透镜结构

2.器件微型化与高效聚光： SPAD有效区域直径仅8 µm，超透镜(100µm ×100µm)将入射光子高效聚焦至该敏感区域，测得焦斑半高全宽(FWHM)约1.3 µm，接近衍射极限

3.性能显著提升： 集成超透镜的器件在1550 nm波长下实现最高光子探测效率(PDE)达15.9%，对应暗计数率(DCR)为284 kHz；相比未集成透镜的对照器件，PDE获得37%的相对提升

4应用潜力： 为实现小像素、高PDE的InGaAs/InP SPAD阵列提供了新途径，支持微型化、多维度光子探测器发展

研究团队： 此研究由中国科学院上海技术物理研究所、上海量子科学研究中心、中国科学院大学及合肥国家实验室联合完成，获国家自然科学基金、上海市科委及国家科技重大专项资助。 

二、研究背景：挑战与技术瓶颈

InGaAs/InP SPAD因其紧凑尺寸、低成本和易操作等优势，广泛应用于量子技术、激光雷达(Lidar)和空间通信领域。

在构建大规模阵列或追求极限性能时，提升探测效率并最小化阵列串扰至关重要。

传统技术面临的挑战：
1.器件微型化需求：缩小敏感区域以降低暗计数率并提升集成度，同时需要将更多入射光子聚焦到小面积敏感区域

2.传统微透镜局限性：随着光电探测器持续微型化，制造更小微透镜变得极其困难，精确对准也极具挑战性

3.InGaAs/InP平台特殊困难：
．InP衬底材料加工复杂度高
．为与读出电路耦合，InGaAs/InP SPAD通常采用BSI结构，使超透镜对准过程更加复杂

超透镜的优势： 超透镜作为由亚波长超原子组成的平面光学元件，以其扁平结构为器件集成和微型化提供了巨大潜力，能够精确控制光的相位、偏振和振幅。

虽然已在硅基SPAD上取得进展，但在InGaAs/InP平台上的集成仍面临材料工艺和BSI结构对准的双重挑战。

三、解决方案：InP超透镜单片集成策略

此研究提出将InP超透镜单片集成至BSI结构InGaAs/InP SPAD的InP衬底上，利用平面光学特性克服传统微透镜瓶颈。

超透镜设计原理：
该透射式超透镜由直径不同但高度相同的InP纳米柱构成。

所需相位分布φ(r)遵循方程：

φ(r) = (2π/λ)·(√(r² + f²) - n_s·f)

其中λ为波长，_s为衬底折射率，f为设计焦距(200 µm)。通过在亚波长尺度调整介电纳米柱直径，利用波导效应实现相位调控。

结构参数：
．纳米柱边缘间距：~800 nm
．纳米柱高度：2.2 µm
．直径范围：300-700 nm
．覆盖区域：100  µm × 100 µm方形

模拟结果显示，在无抗反射涂层情况下，超透镜聚焦效率约45%，透射率约79%。增加抗反射层将进一步提升性能。

四、器件结构与制备工艺

SPAD结构： 采用平面BSI结构的SAGCM(独立吸收、梯度、电荷与倍增)层设计，约3 µm厚外延层通过MOCVD方法生长在n型InP衬底上。

器件有效区域直径8 µm，设计保护环结构防止边缘过早击穿。衬底厚度约200 µm,与超透镜焦距精确匹配。

超透镜单片集成工艺：
1.对准标记制备：在200 µm厚InP衬底上制备对准标记
2.硬掩模沉积：沉积SiO₂硬掩模层
3.电子束曝光：将光刻胶旋涂到SiO₂层，使用电子束曝光定义图案
4.图案转移：通过CHF₃和O₂混合气体反应离子刻蚀(RIE)将图案转移至SiO₂
5.超表面结构形成：使用感应耦合等离子体(ICP)刻蚀，利用Cl₂、H₂和Ar混合气体在InP衬底形成纳米柱结构
6.掩模去除： 使用缓冲HF溶液湿法刻蚀去除残余SiO₂

对照组设计： 制备器件A(集成超透镜)和器件B(无透镜对照)，采用完全相同工艺和外延材料，均无抗反射层,确保公平比较。

五、性能表征与结果分析

超透镜聚焦性能： 在200 µm厚InP衬底上独立制备超透镜进行表征，测得焦距约196 µm(与设计值200 µm接近)，焦斑FWHM约1.3 µm，接近衍射极限。

该焦斑尺寸远小于8 µm有效区域，证实超透镜具备高效聚光能力。

准静态I-V特性：

室温下测量1550 nm激光照射(输入功率100 nW)时的光电流。在穿通电压附近，器件A光电流为13.2 µA，器件B为10.5 µA，提升约26%。

由于入射光束直径(~500 µm)远大于有效区域，非有效区域光生载流子通过扩散/漂移也能被收集，故差异并非极度显著。

空间响应映射： 以10 µm步长扫描穿通电压下的光响应分布。光电流峰值位于中心区域约14 µA，在直径40 µm圆形区域周边仍超过最大值一半，反映显著横向电势梯度的存在。

单光子探测性能(蓋革模式)：
测试条件：器件冷却至223K，脉冲激光1550 nm、重复频率1 MHz，SPAD由1 MHz脉冲信号驱动(脉宽5 ns)。

关键结果：
器件A(集成超透镜)：最大PDE达15.9%(DCR为284 kHz)，崩溃电压30.73 V
器件B(无透镜)： 最大PDE为11.6%(DCR为236 kHz)，崩溃电压30.39 V
性能提升： 集成超透镜使最大PDE获得约37%的相对提升

这一显著提升直接验证了InP超透镜成功将入射光子高效聚焦到8 µm直径敏感区域，极大提高了光学耦合效率。

六、总结与展望

此研究成功展示了InP超透镜与InGaAs/InP SPAD的单片集成，为下一代高性能、小像素红外SPAD阵列提供了可行方案。

通过将100 µm × 100 µm超透镜集成到200 µm厚InP衬底上，实现了1.3 µm FWHM的接近衍射极限聚焦，使1550 nm波长下PDE相对提升37%。

这项工作确立了单片集成超透镜在InGaAs/InP平台的可行性，特别对需要高像素密度、低串扰和高探测效率的应用(如100 µm像素的SPAD阵列)具有重大意义。

未来研究应集中于电场优化，改善横向电场分布，进一步提升器件固有性能。

技术类比： 这一突破如同将传统体积庞大且难以精确对准的折射式透镜，替换为高度微型化、数字化设计的平面光栅。

单片集成的InP超透镜通过亚波长纳米柱的相位调控阵列，以分子级精度将所有入射光子汇聚成1.3 µm光束，精准射入8 µm敏感区域。

这种单片集成策略既确保了光学元件与探测器间的绝对对准精度，又避免了传统透镜的体积限制和工艺难度，实现了PDE的本质性提升。