西电杭州研究院发布硅锗SPAD芯片 推动短波红外走进民用领域

　中新网杭州3月25日电(曹丹 张一驰)3月25日，据西安电子科技大学(下称“西电”)杭州研究院集成电路研究所最新消息，该所胡辉勇团队于近日成功研制出基于硅锗工艺的单光子雪崩二极管(SPAD)芯片，将短波红外(SWIR)探测技术制造成本从“航天级”大幅降低至“平民级”，为该技术大规模进入民用市场铺平了道路。

西安电子科技大学杭州研究院一景。(资料图，西安电子科技大学杭州研究院供图)

　　短波红外(SWIR)探测技术被誉为“感知之眼”，具有穿透雾霾、夜间成像、物质识别等独特优势。然而长期以来，受限于制造工艺复杂、成本高昂等因素，这项技术主要应用于军工和高端科研领域，单颗芯片价格动辄数千美元，难以进入普通消费市场。

　　“短波红外技术面临一个‘不可能三角’：成本高、性能受限、集成难度大，这三者很难同时实现。”胡辉勇表示，目前主流的铟镓砷(InGaAs)探测器虽性能优异，但制造需采用昂贵的原料，无法兼容硅基CMOS产线，导致芯片良率低、成本居高不下。

　　为破解这一困局，研究团队选择了硅锗(SiGe)技术路线。该技术采用专有硅锗外延工艺平台进行材料外延，再利用标准硅基CMOS工艺平台制备探测器件，不仅将探测波段从硅的极限拓展至关键短波红外区域，更巧妙地借助了成熟、低成本的8英寸/12英寸硅基产线。

　　“这意味着，我们可以用制造手机芯片的方式和成本基础，去制造原本天价的短波红外探测器。”团队技术核心成员王利明解释，与铟镓砷(InGaAs)技术相比，硅锗路线的理论成本可降至其百分之一到十分之一，为消费电子、智能驾驶等百亿级市场打开了大门。

　　然而，硅与锗的原子排列周期存在4.2%的“错位”，这一“原子级”难题导致材料缺陷和探测器漏电，让该技术在二十多年里难以走出实验室。

　　面对这一挑战，团队在材料生长、界面处理、器件设计等多个层面展开系统性攻关：设计多层渐变缓冲层配合低温生长技术，逐步减少材料内的原子级失配；采用原位退火和钝化技术抑制漏电现象；通过创新的单光子雪崩二极管(SPAD)结构设计优化电场分布，让载流子信号更清晰、噪声更低。

　　依托西电杭州研究院与团队创立的知芯半导体公司，团队打通了“器件设计仿真—材料外延生长—专用工艺流片—匹配电路设计—成像系统验证”全流程自主研发闭环。此外，团队自主搭建了硅锗外延系统，自研读出电路与成像模组，形成从芯片到系统的完整解决方案。

　　目前，团队研制的硅锗单光子探测器在近室温条件下的核心性能已达到国际先进水平，在探测效率和噪声抑制等关键指标比肩行业领军企业。这一突破为中国下一代“智能之眼”摆脱进口依赖、实现自主可控奠定了坚实根基。

　　下一步，团队将全力推进核心产品定型，率先在单光子通信、激光测距等专用领域实现市场突破；依托自主硅锗工艺产线，快速构建完整闭环能力，推动技术成果从实验室走向市场。(完)