中新網(wǎng)杭州3月25日電(曹丹 張一馳)3月25日，據(jù)西安電子科技大學(xué)(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(tuán)隊(duì)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(cè)技術(shù)制造成本從“航天級(jí)”大幅降低至“平民級(jí)”，為該技術(shù)大規(guī)模進(jìn)入民用市場(chǎng)鋪平了道路。

　　短波紅外(SWIR)探測(cè)技術(shù)被譽(yù)為“感知之眼”，具有穿透霧霾、夜間成像、物質(zhì)識(shí)別等獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。然而長(zhǎng)期以來，受限于制造工藝復(fù)雜、成本高昂等因素，這項(xiàng)技術(shù)主要應(yīng)用于軍工和高端科研領(lǐng)域，單顆芯片價(jià)格動(dòng)輒數(shù)千美元，難以進(jìn)入普通消費(fèi)市場(chǎng)。

　　“短波紅外技術(shù)面臨一個(gè)‘不可能三角’：成本高、性能受限、集成難度大，這三者很難同時(shí)實(shí)現(xiàn)。”胡輝勇表示，目前主流的銦鎵砷(InGaAs)探測(cè)器雖性能優(yōu)異，但制造需采用昂貴的原料，無法兼容硅基CMOS產(chǎn)線，導(dǎo)致芯片良率低、成本居高不下。

　　為破解這一困局，研究團(tuán)隊(duì)選擇了硅鍺(SiGe)技術(shù)路線。該技術(shù)采用專有硅鍺外延工藝平臺(tái)進(jìn)行材料外延，再利用標(biāo)準(zhǔn)硅基CMOS工藝平臺(tái)制備探測(cè)器件，不僅將探測(cè)波段從硅的極限拓展至關(guān)鍵短波紅外區(qū)域，更巧妙地借助了成熟、低成本的8英寸/12英寸硅基產(chǎn)線。

　　“這意味著，我們可以用制造手機(jī)芯片的方式和成本基礎(chǔ)，去制造原本天價(jià)的短波紅外探測(cè)器。”團(tuán)隊(duì)技術(shù)核心成員王利明解釋，與銦鎵砷(InGaAs)技術(shù)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(fèi)電子、智能駕駛等百億級(jí)市場(chǎng)打開了大門。

　　然而，硅與鍺的原子排列周期存在4.2%的“錯(cuò)位”，這一“原子級(jí)”難題導(dǎo)致材料缺陷和探測(cè)器漏電，讓該技術(shù)在二十多年里難以走出實(shí)驗(yàn)室。

　　面對(duì)這一挑戰(zhàn)，團(tuán)隊(duì)在材料生長(zhǎng)、界面處理、器件設(shè)計(jì)等多個(gè)層面展開系統(tǒng)性攻關(guān)：設(shè)計(jì)多層漸變緩沖層配合低溫生長(zhǎng)技術(shù)，逐步減少材料內(nèi)的原子級(jí)失配；采用原位退火和鈍化技術(shù)抑制漏電現(xiàn)象；通過創(chuàng)新的單光子雪崩二極管(SPAD)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化電場(chǎng)分布，讓載流子信號(hào)更清晰、噪聲更低。

　　依托西電杭州研究院與團(tuán)隊(duì)創(chuàng)立的知芯半導(dǎo)體公司，團(tuán)隊(duì)打通了“器件設(shè)計(jì)仿真—材料外延生長(zhǎng)—專用工藝流片—匹配電路設(shè)計(jì)—成像系統(tǒng)驗(yàn)證”全流程自主研發(fā)閉環(huán)。此外，團(tuán)隊(duì)自主搭建了硅鍺外延系統(tǒng)，自研讀出電路與成像模組，形成從芯片到系統(tǒng)的完整解決方案。

　　目前，團(tuán)隊(duì)研制的硅鍺單光子探測(cè)器在近室溫條件下的核心性能已達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，在探測(cè)效率和噪聲抑制等關(guān)鍵指標(biāo)比肩行業(yè)領(lǐng)軍企業(yè)。這一突破為中國(guó)下一代“智能之眼”擺脫進(jìn)口依賴、實(shí)現(xiàn)自主可控奠定了堅(jiān)實(shí)根基。

　　下一步，團(tuán)隊(duì)將全力推進(jìn)核心產(chǎn)品定型，率先在單光子通信、激光測(cè)距等專用領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)市場(chǎng)突破；依托自主硅鍺工藝產(chǎn)線，快速構(gòu)建完整閉環(huán)能力，推動(dòng)技術(shù)成果從實(shí)驗(yàn)室走向市場(chǎng)。(完)