国产硅锗单光子雪崩二极管芯片问世

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。

“这就像用造航天飞机的方式去造家用电器，成本与规模不在一个量级。”团队核心成员王利明打了个比方。

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。

与InGaAs技术相比，硅锗路线的理论成本可降至其百分之一到十分之一，为消费电子、智能驾驶等百亿级市场打开了大门。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。

依托西电杭州研究院与团队创立的科技公司，团队打通了“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”全流程自主研发闭环。此外，团队自主搭建了硅锗外延系统，自研读出电路与成像模组，形成从芯片到系统的完整解决方案。

同时，正在建设的硅锗专用流片线预计2026年底投产，具备快速迭代、工艺可控、低成本验证能力。这意味着，从一张设计图纸到最终能用的成像系统，所有核心环节都掌握在自己手里，西电杭研院不仅保障了关键技术的自主可控，也为后续产品快速迭代、大规模推向市场打下坚实基础。

目前，团队研制的硅锗单光子探测器在近室温条件下的核心性能已达到国际先进水平，在探测效率和噪声抑制等关键指标比肩行业领军企业。这一突破为中国下一代“智能之眼”摆脱进口依赖、实现自主可控奠定了坚实根基。下一步，团队将全力推进核心产品定型，率先在单光子通信、激光测距等专用领域实现市场突破；依托自主硅锗工艺产线，快速构建完整闭环能力，推动技术成果从实验室走向市场。

芯片制造中的SiGe

在现代半导体技术中，随着器件尺寸的不断缩小，传统的硅基材料逐渐难以满足高性能和低功耗的需求。SiGe（硅锗）作为一种复合材料，因其独特的物理和电学特性，在半导体芯片制造中得到了广泛应用。

外延(Epitaxy, 简称Epi)是指在单晶衬底上生长一层与衬底具有相同晶格排列的单晶材料。外延层可以是同质外延层（如Si/Si），也可以是异质外延层（如SiGe/Si或SiC/Si）。实现外延生长的方法有很多，包括分子束外延(MBE)，超高真空化学气相沉积(UHV/CVD)，常压及减压外延(ATM & RP Epi)等。

通过在外延过程中引入一定比例的锗（Ge），形成的SiGe单晶层不仅能够降低带隙宽度，还可以增大晶体管的特征截止频率fT(cut-off frequency)，这使得它在无线和光通信高频器件方面应用十分广泛。此外，在先进的CMOS集成电路工艺中，利用Ge与Si的晶格常数失配(约4%)引入的晶格应力来提高电子或者空穴的迁移率，从而增大器件的工作饱和电流以及响应速度。