国产硅锗单光子雪崩二极管芯片成功研制

科技日报西安讯 3月30日，记者从西安电子科技大学获悉，胡辉勇教授带领的科研团队，研发出采用硅锗工艺的单光子雪崩二极管（SPAD）芯片，有效降低了短波红外探测技术的制造费用。这项新技术有望让原本价格高达数千美元的高端红外芯片，以大约百分之一的成本推广应用到智能手机、汽车激光雷达等领域。

短波红外探测不仅可以穿透雾霾，还能在夜间环境下成像清晰，还具备识别各种材料属性的能力。目前，这一技术广泛被看好，将在智能手机暗光拍摄、自动驾驶车辆的雷达系统，以及工业检测等方向带来巨大革新。然而，以往主流的短波红外芯片多用铟镓砷材料，其制造依赖价格昂贵的磷化铟衬底，且无法通过标准硅基CMOS工艺大规模生产，导致单颗芯片造价一直高居数百到数千美元。

团队成员王利明形象地表示，传统方式就像是用造航天器的标准去造普通家用电器，生产成本和市场规模根本不在一个层级。

针对成本和量产难题，胡辉勇团队选择了与半导体产业链协同的硅锗路线。他们在硅锗外延材料平台上进行生长，然后利用成熟的硅基CMOS工艺生产出探测器，将短波红外探测延伸到更广应用。这种方法让短波红外芯片接近如今手机芯片的成本，大大突破了高价格壁垒。

不过，硅和锗的原子周期存在约4.2%的晶格差异，容易造成材料缺陷和探测器漏电，使得这一方案困扰科研界二十余年。为此，团队采用多层渐变缓冲层结合低温生长来逐步减少晶格失配，并配合原位退火和钝化技术，有效控制漏电现象。同时，创新的SPAD结构优化了电场分布，让检测信号更纯净、噪声更低。

目前，团队已经建立起从器件设计、材料生长、工艺流片、电路对接到系统测试的自主全流程研发能力。硅锗专用流片线也已启动建设，计划2026年底投产，届时将为新一代红外芯片的加快升级及量产提供有力支撑。