国产硅锗SPAD芯片问世 短波红外探测加速迈向民用

来源：科技日报

科技日报记者 王禹涵

3月30日，记者从西安电子科技大学获悉，该校胡辉勇教授团队成功研制出基于硅锗工艺的单光子雪崩二极管（SPAD）芯片，将短波红外探测技术的制造成本从“航天级”拉入“平民级”。这项突破让原本单颗动辄数千美元的高端芯片，有望以百分之一的成本进入智能手机、车载激光雷达等民用领域。

短波红外技术具备穿透雾霾、在黑夜中清晰成像的能力，还可识别不同物质的材质特征。它在智能手机暗光拍照、车载激光雷达、工业无损检测等领域拥有广阔前景。但长期以来，主流方案多采用铟镓砷材料，虽然性能出色，却受限于昂贵的磷化铟衬底，难以与硅基CMOS工艺兼容，单颗芯片成本动辄数百至数千美元。

“这就像用造航天飞机的方式去造家用电器，成本与规模不在一个量级。”团队核心成员王利明打了个比方。

胡辉勇教授团队选择了一条与现有半导体产业链高度契合的技术路线——硅锗。他们利用硅锗外延工艺平台完成材料生长，再借助标准硅基CMOS工艺平台制备探测器件，既将探测范围拓展至短波红外波段，也顺势接入成熟、低成本的8英寸与12英寸硅基产线。“这意味着，我们是在用造手机芯片的成本结构，去做过去只有‘天价’才能实现的短波红外探测器。”王利明说。

不过，硅与锗的原子排列周期之间存在4.2%的晶格失配，这种错位会导致材料缺陷和探测器漏电，让该技术在20多年里难以走出实验室。

为了攻克这一难题，团队在多个环节同时发力：设计多层渐变缓冲层配合低温生长技术，逐步减少原子级失配；采用原位退火和钝化技术抑制漏电；通过创新的SPAD结构设计优化电场分布，让信号更清晰、噪声更低。

如今，团队已构建起覆盖“器件设计—材料外延—工艺流片—电路匹配—系统验证”的全链条自主研发能力。正在推进的硅锗专用流片线预计2026年底建成，将为后续产品迭代提供快速验证与可控产能的支撑。

在近室温条件下，团队研制的硅锗单光子探测器在探测效率、噪声抑制等关键指标上，已具备与国际主流水平同台竞争的能力。“从一张设计图纸，到最终可用的成像系统，所有核心环节都掌握在我们自己手中。”胡辉勇表示，团队将聚焦核心产品定型，率先在单光子通信、激光测距等领域打开市场。