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西電杭州研究院發布硅鍺SPAD芯片 推動短波紅外走進民用領域

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西電杭州研究院發布硅鍺SPAD芯片 推動短波紅外走進民用領域

【西電杭州研究院發布硅鍺SPAD芯片 推動短波紅外走進民用領域】杭州3月25日電(曹丹 張一馳)3月25日 ， 據西安電子科技大學(下稱“西電”)杭州研究院集成電路研究所最新消息 ， 該所胡輝勇團隊于近日成功研制出基于硅鍺工藝的單光子雪崩二極管(SPAD)芯片 ， 將短波紅外(SWIR)探測技術制造成本從“航天級”大幅降低至“平民級” ， 為該技術大規模進入民用市場鋪平了道路 。

西安電子科技大學杭州研究院一景 。 (資料圖 ， 西安電子科技大學杭州研究院供圖)
短波紅外(SWIR)探測技術被譽為“感知之眼” ， 具有穿透霧霾、夜間成像、物質識別等獨特優勢 。 然而長期以來 ， 受限于制造工藝復雜、成本高昂等因素 ， 這項技術主要應用于軍工和高端科研領域 ， 單顆芯片價格動輒數千美元 ， 難以進入普通消費市場 。
“短波紅外技術面臨一個‘不可能三角’：成本高、性能受限、集成難度大 ， 這三者很難同時實現 。 ”胡輝勇表示 ， 目前主流的銦鎵砷(InGaAs)探測器雖性能優異 ， 但制造需采用昂貴的原料 ， 無法兼容硅基CMOS產線 ， 導致芯片良率低、成本居高不下 。為破解這一困局 ， 研究團隊選擇了硅鍺(SiGe)技術路線 。 該技術采用專有硅鍺外延工藝平臺進行材料外延 ， 再利用標準硅基CMOS工藝平臺制備探測器件 ， 不僅將探測波段從硅的極限拓展至關鍵短波紅外區域 ， 更巧妙地借助了成熟、低成本的8英寸/12英寸硅基產線 。
“這意味著 ， 我們可以用制造手機芯片的方式和成本基礎 ， 去制造原本天價的短波紅外探測器 。 ”團隊技術核心成員王利明解釋 ， 與銦鎵砷(InGaAs)技術相比 ， 硅鍺路線的理論成本可降至其百分之一到十分之一 ， 為消費電子、智能駕駛等百億級市場打開了大門 。
然而 ， 硅與鍺的原子排列周期存在4.2%的“錯位” ， 這一“原子級”難題導致材料缺陷和探測器漏電 ， 讓該技術在二十多年里難以走出實驗室 。
面對這一挑戰 ， 團隊在材料生長、界面處理、器件設計等多個層面展開系統性攻關：設計多層漸變緩沖層配合低溫生長技術 ， 逐步減少材料內的原子級失配；采用原位退火和鈍化技術抑制漏電現象；通過創新的單光子雪崩二極管(SPAD)結構設計優化電場分布 ， 讓載流子信號更清晰、噪聲更低 。
依托西電杭州研究院與團隊創立的知芯半導體公司 ， 團隊打通了“器件設計仿真—材料外延生長—專用工藝流片—匹配電路設計—成像系統驗證”全流程自主研發閉環 。 此外 ， 團隊自主搭建了硅鍺外延系統 ， 自研讀出電路與成像模組 ， 形成從芯片到系統的完整解決方案 。
目前 ， 團隊研制的硅鍺單光子探測器在近室溫條件下的核心性能已達到國際先進水平 ， 在探測效率和噪聲抑制等關鍵指標比肩行業領軍企業 。 這一突破為中國下一代“智能之眼”擺脫進口依賴、實現自主可控奠定了堅實根基 。
下一步 ， 團隊將全力推進核心產品定型 ， 率先在單光子通信、激光測距等專用領域實現市場突破；依托自主硅鍺工藝產線 ， 快速構建完整閉環能力 ， 推動技術成果從實驗室走向市場 。 (完)

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