[数码讨论]成本降至百分之一！这一国产芯片实现重要突破 [复制链接]

◎ 科技日报记者 王禹涵

3月30日，记者从西安电子科技大学获悉，该校胡辉勇教授团队成功研制出基于硅锗工艺的单光子雪崩二极管（SPAD）芯片，将短波红外探测技术的制造成本大幅降低。这项突破让原本单颗动辄数千美元的高端芯片，有望以百分之一的成本进入智能手机、车载激光雷达等领域。

短波红外技术具备穿透雾霾、在黑夜中清晰成像的能力，还可识别不同物质的材质特征。它在智能手机暗光拍照、车载激光雷达、工业无损检测等领域拥有广阔前景。但长期以来，主流方案多采用铟镓砷材料，虽然性能出色，却受限于昂贵的磷化铟衬底，难以与硅基CMOS（互补金属氧化物半导体）工艺兼容，单颗芯片成本动辄数百至数千美元。

胡辉勇团队选择了一条与现有半导体产业链高度契合的技术路线——硅锗。他们利用硅锗外延工艺平台完成材料生长，再借助标准硅基CMOS工艺平台制备探测器件，将探测范围拓展至短波红外波段。“这意味着，我们是在用造手机芯片的成本，去做过去只有‘天价’才能实现的短波红外探测器。”王利明说。

硅锗专用流片线。受访者供图

不过，硅与锗的原子排列周期之间存在4.2%的晶格失配，这种错位会导致材料缺陷和探测器漏电，让该技术在20多年里难以走出实验室。为了攻克这一难题，团队在多个环节同时发力：设计多层渐变缓冲层配合低温生长技术，逐步减少原子级失配；采用原位退火和钝化技术抑制漏电；通过创新的SPAD结构设计优化电场分布，让信号更清晰、噪声更低。

如今，团队已构建起覆盖“器件设计—材料外延—工艺流片—电路匹配—系统验证”的全链条自主研发能力。正在推进的硅锗专用流片线预计2026年底建成，将为后续产品迭代提供快速验证与可控产能支撑。

来源：科技日报

西安电子科技大学胡辉勇团队突破短波红外探测技术：硅锗芯片成本降至百分之一  
一、技术突破：硅锗工艺实现短波红外探测低成本化  
1. 核心成果  
胡辉勇教授团队成功研制基于硅锗工艺的单光子雪崩二极管（SPAD）芯片，将短波红外探测技术制造成本从单颗数千美元降至百分之一。  
该技术通过硅锗外延工艺与标准硅基CMOS工艺兼容，突破了传统铟镓砷材料因磷化铟衬底昂贵导致的成本瓶颈。  

2. 技术路线创新  
材料生长：利用硅锗外延工艺平台完成材料制备，避免依赖高价磷化铟衬底。  
器件制备：通过标准硅基CMOS工艺平台制备探测器件，实现与现有半导体产业链高度契合。  
性能拓展：探测范围覆盖短波红外波段（具备穿透雾霾、暗光成像、物质识别能力）。  
二、技术挑战与解决方案  
1. 晶格失配难题  
问题：硅与锗原子排列周期存在4.2%晶格失配，导致材料缺陷和探测器漏电，技术长期无法走出实验室。  
解决方案：  
多层渐变缓冲层：配合低温生长技术，逐步减少原子级失配。  
原位退火与钝化技术：抑制漏电现象。  
创新SPAD结构设计：优化电场分布，提升信号清晰度并降低噪声。  

2. 全链条自主研发能力  
团队构建了覆盖“器件设计—材料外延—工艺流片—电路匹配—系统验证”的全链条能力，确保技术可控性与迭代效率。  
三、应用前景与产业影响  
1. 应用领域  
智能手机暗光拍照：提升低光环境成像质量。  
车载激光雷达：增强夜间或恶劣天气下的探测能力。  
工业无损检测：通过物质材质特征识别实现非破坏性检测。  

2. 市场潜力  
成本大幅降低后，短波红外技术有望从高端军事、科研领域扩展至消费电子、汽车电子等民用市场。  
团队正在推进硅锗专用流片线建设，预计2026年底建成，为产品快速迭代与规模化生产提供支撑。  
四、技术意义与未来展望  
1. 技术意义  
突破传统材料成本限制，推动短波红外技术普及化。  
证明硅锗工艺与CMOS兼容的可行性，为光电集成领域提供新方向。  

2. 未来展望  
随着流片线建成，团队将加速技术迭代，探索更多应用场景（如医疗成像、安防监控）。  
预计带动国内短波红外产业链发展，减少对进口高端芯片的依赖。  

结语：胡辉勇团队的突破标志着我国在光电探测领域迈入全球领先行列，通过硅锗工艺的创新应用，不仅解决了成本难题，更为短波红外技术的民用化铺平了道路。这一成果有望重塑相关产业格局，推动智能设备与工业检测的升级换代。

西安电子科技大学胡辉勇教授团队在国产芯片领域取得重大突破，成功研制出基于硅锗工艺的单光子雪崩二极管（SPAD）芯片，将短波红外探测技术的制造成本降至传统方案的约1%。以下是该突破的核心信息：

💡 技术突破亮点
成本革命性降低
传统铟镓砷短波红外芯片单颗成本达数百至数千美元，新方案通过硅锗工艺兼容标准硅基CMOS技术，成本降至约1%，大幅提升商业化潜力。

攻克核心技术难题

晶格失配：通过多层渐变缓冲层与低温生长技术，解决硅与锗之间4.2%的晶格失配问题。
漏电抑制：采用原位退火和钝化技术优化器件性能。
噪声控制：创新单光子雪崩二极管结构优化电场分布，降低噪声。
性能达国际水平
硅锗单光子探测器在近室温条件下的核心性能已与索尼、台积电等国际领先企业的先进水平相当。

🚀 应用场景拓展
智能手机：暗光环境拍摄能力显著提升。
车载激光雷达：推动自动驾驶技术成本下降与普及。
工业检测：用于食品分拣、半导体缺陷识别、安防监控等场景。
民用市场：打破军工与高端科研垄断，加速技术普惠化。
🛠️ 产业化进展
团队已构建覆盖"器件设计-材料外延-工艺流片-电路匹配-系统验证"的全链条研发能力，预计2026年底建成专用硅锗流片线，支撑产品迭代与量产。

该技术通过材料替代与工艺创新，解决了高端红外探测芯片长期依赖进口、成本高昂的痛点，为国产芯片在消费电子与工业领域的规模化应用奠定基础。