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中新网杭州3月25日电(曹丹 张一驰)3月25日，据西安电子科技大学(下称“西电”)杭州研究(jiu)院集成电路研究(jiu)所最(zui)新消息，该所胡辉勇团队于近日成功研制出基于硅锗(zhe)工(gong)艺的单光子雪崩二极管(SPAD)芯片，将(jiang)短波红外(SWIR)探测技术制造成本从“航天级”大幅降低(di)至“平民级”，为该技术大规模进入民用市场(chang)铺平了道路。
西安电子科技大学杭州研究(jiu)院一景。(资料图，西安电子科技大学杭州研究(jiu)院供(gong)图)
短波红外(SWIR)探测技术被誉为“感(gan)知之眼”，具有穿透雾霾、夜间成像、物(wu)质识(shi)别等独(du)特优势。然而长期(qi)以来，受限于制造工(gong)艺复杂、成本高昂等因素(su)，这项技术主(zhu)要应用于军工(gong)和(he)高端(duan)科研领域，单颗(ke)芯片价格动辄数千美(mei)元，难以进入普(pu)通消费市场(chang)。
“短波红外技术面(mian)临(lin)一个‘不可能三角’：成本高、性能受限、集成难度大，这三者很难同时实(shi)现。”胡辉勇表示，目前(qian)主(zhu)流的铟镓砷(InGaAs)探测器虽性能优异，但制造需采用昂贵的原料，无法兼(jian)容硅基CMOS产线，导(dao)致芯片良率低(di)、成本居高不下。
为破解这一困局，研究(jiu)团队选择了硅锗(zhe)(SiGe)技术路线。该技术采用专有硅锗(zhe)外延工(gong)艺平台进行材料外延，再利用标准硅基CMOS工(gong)艺平台制备(bei)探测器件，不仅将(jiang)探测波段从硅的极限拓展至关键短波红外区域，更巧妙地借(jie)助了成熟、低(di)成本的8英寸(cun)/12英寸(cun)硅基产线。
“这意味(wei)着，我们可以用制造手机芯片的方式和(he)成本基础(chu)，去制造原本天价的短波红外探测器。”团队技术核心成员王利明解释，与铟镓砷(InGaAs)技术相比，硅锗(zhe)路线的理论(lun)成本可降至其百分之一到十分之一，为消费电子、智(zhi)能驾(jia)驶等百亿级市场(chang)打(da)开了大门。
然而，硅与锗(zhe)的原子排列周期(qi)存在4.2%的“错位”，这一“原子级”难题(ti)导(dao)致材料缺陷和(he)探测器漏电，让该技术在二十多(duo)年里难以走出实(shi)验室。
面(mian)对这一挑战，团队在材料生(sheng)长、界面(mian)处理、器件设计等多(duo)个层面(mian)展开系统性攻关：设计多(duo)层渐变缓冲层配合低(di)温生(sheng)长技术，逐步(bu)减少材料内的原子级失配；采用原位退火和(he)钝化(hua)技术抑制漏电现象；通过创新的单光子雪崩二极管(SPAD)结构设计优化(hua)电场(chang)分布，让载流子信号更清晰、噪声更低(di)。
依托西电杭州研究(jiu)院与团队创立的知芯半导(dao)体公司(si)，团队打(da)通了“器件设计仿真—材料外延生(sheng)长—专用工(gong)艺流片—匹(pi)配电路设计—成像系统验证”全流程自主(zhu)研发闭(bi)环。此外，团队自主(zhu)搭建了硅锗(zhe)外延系统，自研读出电路与成像模组(zu)，形成从芯片到系统的完整解决方案。
目前(qian)，团队研制的硅锗(zhe)单光子探测器在近室温条(tiao)件下的核心性能已达到国际先进水平，在探测效(xiao)率和(he)噪声抑制等关键指(zhi)标比肩行业领军企业。这一突破为中国下一代“智(zhi)能之眼”摆脱进口依赖、实(shi)现自主(zhu)可控奠定了坚实(shi)根(gen)基。
下一步(bu)，团队将(jiang)全力推进核心产品定型，率先在单光子通信、激光测距(ju)等专用领域实(shi)现市场(chang)突破；依托自主(zhu)硅锗(zhe)工(gong)艺产线，快(kuai)速构建完整闭(bi)环能力，推动技术成果从实(shi)验室走向市场(chang)。(完)
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