这双超级眼睛即将飞入寻常百姓家

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创新录
　　聚焦科技前沿
　　解密科研故事
　　>>专家简介
　　 胡辉勇，西安电子科技大学微电子学院副院长、教授、博士生导师，国家重点研发计划项目负责人，长期从事与光电子、微电子相关的科研和教学工作。获国家教学成果二等奖1项，省部科技进步二等奖二项，发表学术论文近200篇，获授权国家发明专利60余项。
　　 手机能看穿雾霾，汽车在黑夜中拥有“火眼金睛”，甚至能识别物体的“指纹”，这听起来像科幻电影吗？一项来自西安电子科技大学的“黑科技”突破，正让这一切加速走进现实！
　　 近期，西安电子科技大学胡辉勇教授团队宣布，成功研制出基于硅锗工艺的单光子雪崩二极管（SPAD）芯片。这项成果最震撼的地方在于，它把原本“天价”的短波红外探测芯片成本，从数千美元降到了原来的百分之一。这意味着，过去只在航天、军事领域才能用得起的“超级眼睛”，即将“飞入寻常百姓家”。
　　 近日，华商报大风新闻记者专访了胡辉勇教授，向大家揭秘这项“黑科技”。
　　可捕捉极其微弱的光信号
　　 华商报：请讲讲单光子雪崩二极管（SPAD）芯片到底是什么？
　　 胡辉勇：单光子雪崩二极管的作用就是将光或者光信号转变为电信号，电信号再由处理器进行处理得到我们想要的信息。光是由无数个单个光子（也可以称之为一个光子）汇聚起来的，SPAD之所以叫单光子雪崩二极管，就是它能把“一个光子”这样极其微弱的光信号捕捉到，变成一个可以数出来的电脉冲信号。这是在形容单光子探测器的灵敏度非常高，拥有可以探测单个光子的能力。对于光信号极其微弱或需要极高灵敏度的应用场景非常重要，如现有车载激光雷达、微光夜视仪、量子通信、深空探测等已有利用单光子探测技术的案例。
　　能探测到人眼不可见的光
　　 华商报：大家都叫它探测领域的“超级眼睛”，它和手机、相机里的普通摄像头，最核心的区别在哪？厉害在什么地方？
　　 胡辉勇：之所以称为“超级眼睛”，从三个方面来解释单光子探测技术和普通探测技术的区别：第一，灵敏度差别很大。普通相机需要非常多的光（就是光线好）的情况下才能拍摄、成像，甚至有时候为了更好地成像，还需要补光。而单光子探测技术，哪怕光线极其微弱，人眼几乎看不到的情况下，依然能够捕捉到足够的光子进行成像。第二，单光子探测技术可以实现距离探测。普通手机、相机拍照，都是形成二维图像，没有距离信息。而单光子技术还能探测到距离信息，就是我们日常说的三维成像。第三，可以看到更多的波长。手机、相机等普通摄像头探测的是人眼可见的光，我们称之为可见光，波长通常是380-780纳米的光。超过780纳米波长的光，人眼就无法看到，相机也无法工作。这时候单光子探测技术的作用就体现出来，它能探测到人眼不可见的光。如果想要探测780-1100纳米波长的光，就需要用Si(硅)的单光子探测芯片，如果想要探测超过1100纳米波长的光短波红外光，就需要用到其他材料单光子探测芯片来实现，比如InGaAs(铟镓砷)、SiGe(硅锗)等材料的探测器。
　　硅锗技术路线能大幅降低成本
　　 华商报：团队用硅锗材料研制出这款芯片，为什么会选择这个技术路线？
　　 胡辉勇：如果想要探测更长波段，传统的硅材料无法做到，就需要使用其他材料，如铟镓砷、硅锗等材料体系。之所以选择硅锗，主要有几个方面的原因：第一，我们团队一直在围绕硅锗半导体开展材料外延、半导体电子、光子以及光电器件结构设计性能优化、专用工艺开发、专用读出电路以及模块开发的全链条研究，拥有二十多年的研究积累，在硅锗技术方向上，我们团队有绝对的技术优势。第二，相较于现有的短波红外技术路线，硅锗技术路线的成本更低。主要是因为其生产过程能够兼容成熟的12英寸的CMOS工艺线，这样能够大幅降低成本，才能实现短波红外技术规模化的民用普及；通过将锗引入硅基平台，可在标准CMOS产线上制造短波红外探测器，从而以手机芯片的成本生产原本天价的红外传感器，制造成本可降至铟镓砷路线的百分之一。此外，硅锗探测器具备室温工作能力，无需复杂制冷系统，容易读出电路集成，实现小型化和低功耗。
　　研究数十年
　　解决了两种原子晶格失配难题
　　 华商报：研发过程中，硅和锗两种原子存在晶格失配难题，这个难题通俗来讲是什么？团队花了多长时间、用什么办法攻克的？
　　 胡辉勇：举个简单例子，有两种尺寸的积木，想要把每个积木中心对齐，且无缝地拼在一起，要么大的积木压缩成小积木尺寸，变成鼓包，要么小积木被拉伸到大积木的尺寸，就会出现裂隙，这个就是晶格失配通俗的理解。同样的，想要把晶格不同的硅原子和锗原子整齐排列在一起，就会出现鼓包、裂隙等缺陷现象，在工作时会成为更易漏电的通道，导致芯片噪声更大，无法分辨单光子级微弱信号，这就是晶格失配所带来的问题。
　　 要解决鼓泡、裂隙等问题，需要采取特殊的措施或策略。我们团队经过数十年研究积累，现在采用的解决方法主要包括以下几个方面：在材料生长方面，提出多层渐变缓冲层配合低温选区生长技术，逐步释放晶格失配应力；采用原位循环退火和后钝化工艺，抑制漏电。在器件结构方面，创新设计了新型SACM型SPAD结构，优化边缘及体内电场分布，降低噪声并提升单光子探测效率。
　　“天价”芯片成本降到百分之一
　　 华商报：此前这类芯片成本高达数千美元，堪称“天价”，主要贵在哪里？用在哪些领域？
　　 胡辉勇：短波红外探测的主流技术路线是铟镓砷（InGaAs）探测器。其优点是探测灵敏度高、响应速度快，芯片噪声可控，在短波红外波段量子效率优异，能够满足高端科研的严苛要求。然而，该路线存在明显短板：材料体系与主流硅基CMOS工艺不兼容，需要在价格昂贵的磷化铟衬底上进行制备，同时必须依赖专用化合物半导体产线制造，目前的主流产线规格多为3英寸，导致开发成本高、芯片良品率低、分摊后单颗芯片成本极高等问题，单颗面阵的探测器售价通常达数千美元以上；且需要专门配套制冷系统才能稳定工作，增加了他测系统体积和功耗。这些缺点使得短波红外探测长期局限于军事、航天、科学探索等高端领域，难以进入消费电子、智能驾驶等千亿级民用市场。
　　 华商报：如何实现成本断崖式下降，直接把成本降到原来的百分之一的？
　　 胡辉勇：我们采用硅锗材料技术路线，代替原有的铟镓砷技术，通过长期的科学攻关和技术积累，团队在解决器件设计、材料外延、工艺开发等科学与工程难题后，硅锗芯片性能已接近铟镓砷，同时硅锗技术路线芯片可在8英寸及12英寸等大尺寸硅晶圆上制备加工，由于硅基工艺材料成本低、工艺成熟度高、良品率及稳定性高、晶圆尺寸大、产能充足等突出优势，使得硅锗技术路线下获得的短波红外芯片成本极低，相较铟镓砷短波红外芯片成本可降至百分之一。
　　核心性能已达到国际先进水平
　　 华商报：成本大幅降低后，芯片的探测性能、使用寿命会不会打折扣？和国际高端同类芯片相比，我们的芯片性能处于什么水平？
　　 胡辉勇：芯片的成本降低主要源自低成本的材料、成熟的硅工艺和更大尺寸的量产线，芯片的性能、寿命和芯片成本没有直接的关联，也不会受成本的影响。由于迭代时间短、产业化进度不足等原因，现阶段硅锗短波红外芯片的技术参数和成熟的铟镓砷短波红外芯片仍有一些差距，但随着技术进一步的迭代、产业化更加成熟，探测器的性能指标很快可与竞品持平或超越。
　　 与国际水平相比，我们制备的芯片在近室温条件下的核心性能已达到国际先进水平，探测效率与暗噪声等关键指标比肩行业领军企业，如日本索尼、美国意法半导体。该技术强调CMOS兼容性和室温工作能力，在产业化可行性上具有明显的后发优势。整体而言，我国在该领域已从长期跟随进入与国际并跑、局部领跑的新阶段，为下一代短波红外“智能之眼”的规模化应用奠定了坚实基础。
　　将会成手机等消费电子上的标配
　　 华商报：这项成果落地后，未来“超级眼睛”会最先走进我们生活的哪些场景？这款芯片会不会像手机芯片一样，成为电子产品的标配？
　　 胡辉勇：首先，可以非常确定地说，短波红外探测芯片，在不久的将来会成为手机、手表等消费电子上的标配，可以扩展更多的使用体验，比如，户外人脸识别更精准、逆光下使用体验更好，摄像头可实现更远距离聚焦，夜间成像效果更佳等等。不单在手机上，只要产业化更加成熟，成本降到足够低，像素规模更大，更多的场景都将会普及，比如无人机及机器人避障、扫地机及割草机物质识别、AR/VR三维动作捕捉、冰箱食品新鲜度检测、洗衣机衣服材质检测、手表手环测量乳酸、血糖精准监测等场景。
　　这项短波红外探测技术应用领域广泛
　　 华商报：除了大众生活，它在工业、医疗、自动驾驶等领域，还能发挥哪些意想不到的作用？
　　 胡辉勇：在工业领域，可以通过将硅锗短波红外探测芯片搭载在无人机上，给农作物做“糖度检测”、病虫害检测、水质检测等；在食品分选线时，可以快速识别水果的“水伤”和内部糖度；火灾现场，可以穿烟透霾，实现精准识别和救援；自动驾驶、无人机等的导航避障激光雷达探测距离更远，安全冗余更高；还在医疗等很多场景有重要的应用。
　　 在民用领域，可为乘用车、无人机、机器人提供三维环境感知能力，并广泛应用于消费电子、智能安防、量子通信与计算中的信号探测、距离传感及高性能成像。
　　 华商报：大概再过多久，我们就能在市面上买到搭载这款国产芯片的产品？
　　 胡辉勇：我们已经在和多个头部厂商合作，基于硅锗短波红外芯片，针对性地开发应用产品，包括消费电子、工业、无人机等领域的相关厂商。相信在1-2年的时间，就能够在消费电子产品上体验到短波红外探测技术了。
　　实现了研发和生产的自主可控
　　 华商报：这款芯片的成功，对我国高端红外探测芯片国产化、打破国外技术垄断，有什么样的意义？
　　 胡辉勇：高性能的InGaAs短波红外单光子探测器芯片，属于美西方国家对中国禁运的高端芯片之一。硅锗单光子探测技术，不仅解决了高端短波红外探测芯片“用不起”的痛点，还能实现技术的自主可控，掌握从设计到制造的全流程能力，把技术从实验室推向广阔的民用市场，这将会催生海量新的应用场景。总结来说，硅锗单光子探测芯片的突破，不仅实现了研发和生产的自主可控，更在于它开辟了一条低成本、高性能、可大规模制造的短波红外技术的崭新道路。 华商报大风新闻记者 李明 任婷