科技日?qǐng)?bào)訊 （記者王禹涵）3月30日，記者從西安電子科技大學(xué)獲悉，該校胡輝勇教授團(tuán)隊(duì)成功研制出基于硅鍺工藝的單光子雪崩二極管（SPAD）芯片，將短波紅外探測(cè)技術(shù)的制造成本大幅降低。這項(xiàng)突破讓原本單顆動(dòng)輒數(shù)千美元的高端芯片，有望以百分之一的成本進(jìn)入智能手機(jī)、車(chē)載激光雷達(dá)等領(lǐng)域。
短波紅外技術(shù)具備穿透霧霾、在黑夜中清晰成像的能力，還可識(shí)別不同物質(zhì)的材質(zhì)特征。它在智能手機(jī)暗光拍照、車(chē)載激光雷達(dá)、工業(yè)無(wú)損檢測(cè)等領(lǐng)域擁有廣闊前景。但長(zhǎng)期以來(lái)，主流方案多采用銦鎵砷材料，雖然性能出色，卻受限于昂貴的磷化銦襯底，難以與硅基CMOS（互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體）工藝兼容，單顆芯片成本動(dòng)輒數(shù)百至數(shù)千美元。
“這就像用造航天飛機(jī)的方式去造家用電器，成本與規(guī)模不在一個(gè)量級(jí)。”團(tuán)隊(duì)核心成員王利明打了個(gè)比方。
胡輝勇團(tuán)隊(duì)選擇了一條與現(xiàn)有半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈高度契合的技術(shù)路線(xiàn)——硅鍺。他們利用硅鍺外延工藝平臺(tái)完成材料生長(zhǎng)，再借助標(biāo)準(zhǔn)硅基CMOS工藝平臺(tái)制備探測(cè)器件，將探測(cè)范圍拓展至短波紅外波段。“這意味著，我們是在用造手機(jī)芯片的成本，去做過(guò)去只有‘天價(jià)’才能實(shí)現(xiàn)的短波紅外探測(cè)器。”王利明說(shuō)。
不過(guò)，硅與鍺的原子排列周期之間存在4.2%的晶格失配，這種錯(cuò)位會(huì)導(dǎo)致材料缺陷和探測(cè)器漏電，讓該技術(shù)在20多年里難以走出實(shí)驗(yàn)室。為了攻克這一難題，團(tuán)隊(duì)在多個(gè)環(huán)節(jié)同時(shí)發(fā)力：設(shè)計(jì)多層漸變緩沖層配合低溫生長(zhǎng)技術(shù)，逐步減少原子級(jí)失配；采用原位退火和鈍化技術(shù)抑制漏電；通過(guò)創(chuàng)新的SPAD結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化電場(chǎng)分布，讓信號(hào)更清晰、噪聲更低。
如今，團(tuán)隊(duì)已構(gòu)建起覆蓋“器件設(shè)計(jì)—材料外延—工藝流片—電路匹配—系統(tǒng)驗(yàn)證”的全鏈條自主研發(fā)能力。正在推進(jìn)的硅鍺專(zhuān)用流片線(xiàn)預(yù)計(jì)2026年底建成，將為后續(xù)產(chǎn)品迭代提供快速驗(yàn)證與可控產(chǎn)能支撐。
（責(zé)任編輯：蔡文斌）
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