国产硅锗单光子雪崩二极管芯片问世 国产SPAD芯片大幅降低短波红外探测技术制造成本

 短波红外探测技术,被誉为现代科技的“感知之眼”。它拥有穿透薄雾、在黑夜中清晰成像,甚至能识别不同物质材质的独特能力。从智能手机在暗光环境下的精准对焦,到自动驾驶汽车在恶劣天气中的可靠“视力”,再到工业生产线上的无损质量检测,这项技术的前景无比广阔。然而,长期以来,这项强大的感知能力被禁锢在“象牙塔”内。主流方案依赖铟镓砷材料,虽然性能优异,但其制造需要昂贵的磷化铟衬底,且无法与成熟的硅基半导体生产线兼容,导致单颗芯片成本动辄数百甚至数千美元。这就像用制造航天飞机的方法去生产家用电器,高昂的成本使其难以飞入寻常百姓家。如今,一项来自国内研究团队的突破,正试图打破这个“不可能三角”,将这项“天价”技术拉下神坛,推向广阔的民用市场。

 攻克原子级失配的产业密码

 将成本降低百分之一的关键,在于选择了一条与全球半导体产业生态高度契合的技术路线——硅锗。研究团队的核心思路是,利用成熟的硅基CMOS工艺平台来制造短波红外探测器。硅是电子产业的基石,其生产线成熟且成本低廉。但纯硅材料对短波红外光子的吸收效率有限。锗材料则能高效吸收红外光,但硅与锗的原子排列周期存在4.2%的天然晶格失配,这种原子级的“错位”会导致材料缺陷和严重的器件漏电,让该技术在过去二十多年里始终难以走出实验室。

 为了攻克这一世界性难题,研究团队在材料生长、界面处理和器件设计等多个层面展开了系统性创新。他们设计了多层渐变缓冲层,配合低温生长技术,如同在两种材料之间搭建了柔和的“阶梯”,逐步缓解原子间的应力,减少缺陷。同时,采用原位退火和钝化技术,为材料表面穿上“保护衣”,有效抑制了漏电现象。在器件设计上,通过创新的单光子雪崩二极管结构优化内部电场分布,使得光生载流子信号更加清晰,噪声更低。这一系列组合拳,成功驯服了桀骜不驯的硅锗材料,让利用“造手机芯片的成本”去生产高性能短波红外探测器从梦想变为现实。

 从实验室到产线的全链条突破

 技术突破的价值最终体现在性能与可制造性上。在近室温工作条件下,团队研制的硅锗单光子探测器在探测效率、噪声抑制等核心指标上,已达到与国际一线梯队同台竞技的水平。这意味着,国产芯片在性能上已经具备了替代传统昂贵方案的底气。

 更为重要的是,团队构建了覆盖“器件设计仿真、材料外延生长、专用工艺流片、匹配电路设计、成像系统验证”的全链条自主研发能力。他们不仅自主搭建了硅锗外延系统,还自研了读出电路与成像模组,形成了从核心芯片到完整系统解决方案的闭环。据悉,一条专用的硅锗工艺流片线正在建设中,预计将于2026年底投产。这条产线将具备快速迭代、工艺可控和低成本验证的能力,为技术从实验室样品走向大规模市场应用提供了坚实的产能保障,确保了关键技术的自主可控。

 开启百亿级智能感知新市场

 成本的断崖式下降,为短波红外技术打开了通往百亿级民用市场的通道。最直接的影响将体现在消费电子领域。未来的智能手机摄像头可能集成这种芯片,让用户在雾霾天或夜晚也能拍摄出细节清晰的照片。在智能驾驶领域,车载激光雷达是自动驾驶汽车的“眼睛”,其核心探测器成本居高不下是行业普及的瓶颈之一。硅锗SPAD芯片有望将激光雷达接收端的核心成本大幅降低,加速高级别自动驾驶技术的落地。

 在工业领域,该技术可用于精密的无损检测。例如,在食品加工线上,它可以穿透包装检测内部水果的新鲜度或水分含量;在半导体制造中,可以用于晶圆缺陷的高精度筛查。此外,在单光子通信、激光测距、安防监控乃至医疗影像等领域,低成本、高性能的短波红外探测芯片都将催生全新的应用场景。这项突破不仅意味着一个芯片的诞生,更预示着万物互联的智能感知时代,将因为一双双更加敏锐且经济的“眼睛”而加速到来。