技术负责人：王利明

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关键词：硅基锗、短波红外单光子探测器、激光雷达

项目概况：

（一）项目背景

国内在硅基锗探测器的像素规模、探测距离和分辨率等方面与国外相比仍存在一定差距。这主要是由于国内在以下关键技术领域的研究投入不足：高探测效率、低暗计数的硅基锗SPAD结构及阵列的工艺实现，近像素“感知-计算”融合处理电路和系统架构，高能效“收-发”协同的数据压缩机制与降噪算法，以及远距离单光子成像的测试与验证。因此，难以实现“器件-电路-算法-系统”等多方面的技术协同突破。

a)  高探测效率、低噪声的短波红外SPAD结构及阵列

硅基SPAD在接近1微米的波长下性能有所下降，难以有效探测短波红外光子（如1310 nm和1550 nm），这限制了其光谱响应范围和探测距离的提升。相比之下，锗在红外波长范围内具有高效的吸收能力，其在室温下的截止波长约为1800nm。与响应同波段的InGaAs SPAD相比，硅基锗SPAD能够与CMOS工艺兼容，具有明显的低成本和高良率优势。因此，发展与硅CMOS兼容的锗SPAD是满足部分单光子探测及成像场景对更宽光谱范围和更长探测距离需求的必然趋势。而开发高填充率、高探测效率、低串扰、低暗计数的大规模硅基锗SPAD器件阵列，是实现高分辨率芯片化单光子激光雷达系统的重要前提条件之一。通过提升这些关键技术，国内可以在单光子探测及成像领域取得更大的突破，并缩小与国际先进水平的差距。

b) 高能效系统级提升

此外，国内在“感知-计算”融合处理电路和系统架构、高能效“收-发”协同的数据压缩机制与降噪算法，以及远距离单光子成像测试与验证等方面的研究也需进一步加强。这些领域的进步，将有助于推动“器件-电路-算法-系统”多方面技术的协同发展，从而实现整体性能的提升和技术的跨越式进步。

综上所述，提升硅基锗短波红外单光子探测器的各项关键技术，是推动国内单光子探测及成像技术发展的重要举措。通过在这些领域持续投入和创新，国内有望在这一前沿技术领域取得更大的成就，并实现从跟随到引领的跨越。

此外，短波红外激光雷达技术在各个领域的广泛应用不仅提高了工作效率和数据精准性，还为许多行业带来了创新和变革的机遇，未来拥有百亿美元的市场规模。而随着国内智驾汽车市场的快速增长，国内激光雷达整机企业的发展迅猛，逐步超越国外，但核心光电芯片如硅基/锗硅单光子探测器和高速高能效感算一体的读出处理芯片还主要来自欧美和日本等地。车载激光雷达整机成本的不断降低，使得国内激光雷达厂家的利润空间越来越小，市场的持续健康发展面临挑战。因此，推动核心芯片和器件的国产研发与生产势在必行。与此同时，面对国内外各科研机构、公司的研发方案多种多样，建立国内乃至国际统一的行业标准，促进激光雷达组件生产标准化也迫在眉睫，这将有利于提升各分立模组供应商的协同效应，建立模组与整机之间的模式化应用方案，从而推动整个产业的健康发展。

（二）项目简介

针对激光雷达系统对三维成像探测高灵敏度、高分辨率、高精度、低成本、小型化的需求，基于硅锗CMOS工艺和吸收-电荷-倍增分离型雪崩探测器机构，研究硅基锗高性能短波红外单光子探测技术，完善“器件模型-工艺优化-读出电路-成像系统”系统链条。重点研究关键性能指标如单光子探测率和雪崩增益等的提升方案，优化单光子探测器单元器件及阵列芯片关键工艺，高效匹配读出及淬灭电路，开发室温硅基锗短波红外单光子阵列芯片。研制基于新型低成本硅基短波红外单光子探测器的激光雷达样机。

本项目采用国内CMOS兼容工艺，开发高性能单光子探测芯片，获得硅锗SPAD结构与制备工艺、阵列化探测器芯片、高匹配度读出、淬灭电路，完成基于室温高性能硅锗单光子探测芯片的激光雷达原型模组搭建和功能演示。兼容硅基CMOS制备工艺、提高器件良率以及工艺可靠性，极大的降低成本，有利于促进集成化单光子激光雷达降本增效和大规模普及。项目研发完成后，预期可获得室温下工作硅基锗探测器件及硅基锗单光子探测芯片、单光子三维成像模组样机，并进行产业化验证，推动单光子激光雷达传感器芯片及模组在车载、工业及消费等领域的产业化应用，积极对接社会融资，完成中试量产。

本项目将构建高性能光电探测器与集成芯片的技术和人才高地，突破产业技术瓶颈，解决产业难题，提升陕西省光子产业链产品的核心竞争力水平。项目完成后，可产生极大的社会效益，对促进国防安全、智能化网联汽车战略等方面均具有重大意义。关键核心技术攻关将致力于突破室温硅基锗单光子探测器结构研发、优化器件制备核心工艺、扩展大规模阵列、匹配专用读出、淬灭电路、集成化激光雷达模组测试等难题。加强自主创新力度，努力实现高端传感器关键核心技术自主可控，解决“卡脖子”问题。相关研究成果可广泛应用于远距离侦察、深空探测等国家重大工程领域，这对我国提高自主创新能力、建设创新型国家战略具有重要意义。同时通过关键技术攻关，立足科学研究与产业化实践融合，以高水平科研推动工程量产创新和相关教学创新，促进产学研协同，形成创新人才培养体系，为国家推进科技创新和解决卡脖子问题培养专门人才。

通过集中攻关室温硅基锗单光子探测器结构研发、优化器件制备核心工艺、扩展大规模阵列、匹配专用读出、淬灭电路、集成化激光雷达模组测试等关键技术，逐步突破室温工作、大阵列、低暗计数、低成本等关键指标的瓶颈，可有效推动基于CMOS工艺的芯片化单光子激光雷达向更远探测距离、更高分辨率、更高精度等方向发展，促进微小型化全固态激光雷达的应用和普及。从产业实施方面来说，通过关键技术攻关，将逐渐完成三维成像芯片与激光雷达成像模组的产业化突破，同时匹配相应地市场化拓展节奏：以智能家居、智慧交通、智能园区等相关产品为突破口，以高品质芯片为核心竞争力，以新一代单光子探测产品为发力点，大力开拓芯片化激光雷达模组在智能驾驶、低空飞行器等新兴领域的应用。

项目将建立人才交流培养机制，有效促进人才交流及学生培养。支持项目组科研人员到国外相关领域高校和研究机构，进行出国深造或交流访问，提升大平台科研人员对单光子传感器芯片与成像领域的国际研究前沿把握度、研究热点敏感度；立足高校人才培养的使命，强化科研育人，以国家和产业需求为牵引，积极探索工程硕士培养模式，加强与企业产学研深度融合，进行人才联合培养，通过师生共同参与关键技术攻关，将人才培养与科研合作互融互促，实现校企深度融合创新发展。在高质量培养研究生的前提下，解决行业企业的实际需求，为国家培养一批具有突出技术创新能力、善于解决复杂工程问题的工程技术领军人才。

（三）关键技术与创新点

本项目针对激光雷达系统对三维成像探测高灵敏度、高分辨率、高精度、低成本、小型化的需求，基于硅锗CMOS工艺和吸收-电荷-倍增分离型雪崩探测器机构，研究硅基锗高性能短波红外单光子探测技术，完善“器件模型-工艺优化-读出电路-成像系统”系统链条。重点研究关键性能指标如单光子探测率和雪崩增益等的提升方案，优化单光子探测器单元器件及阵列芯片关键工艺，高效匹配读出及淬灭电路，开发室温硅基锗短波红外单光子阵列芯片。研制基于新型低成本硅基短波红外单光子探测器的激光雷达样机。以下是本项目涉及的关键技术：

1、关键技术一：室温硅锗单光子探测器设计与仿真

研究室温高性能硅基锗单光子雪崩探测器件结构及仿真模型。重点研究吸收-电荷-雪崩分离型雪崩探测器的层结构和物理参数关键设计；研究通电荷层掺杂浓度、选区注入形状等对器件电场再分布、暗电流、光电转化效率等单光子探测关键指标的影响；提出电荷区/屏蔽环复合新结构，抑制侧壁强电场向锗吸收层延伸，进一步降低器件主要漏电沟道，获得极低器件暗电流，优化设计出室温工作高性能硅基锗单光子雪崩探测器件结构。

2、关键技术二：

研究基于硅/锗体系的低暗计数单光子探测器微纳制备工艺。研究高质量、低缺陷密度的硅/锗材料异质外延生长技术；提出低高温两步法和双台阶选区外延方法，突破硅锗异质外延过程中表面粗糙度及位错缺陷抑制方法；分析硅/锗材料刻蚀机理，优化刻蚀工艺获得低粗糙度的侧壁表面；进一步研究高可靠性钝化方法，显著降低表面态及缺陷密度，提高器件间工艺均匀性，抑制光生载流子侧表面复合几率及器件暗计数，解决传统硅锗倍增探测器噪声大、探测效率低、无法室温工作的难题；研制出室温工作高性能硅锗单光子探测单元器件。

3、关键技术三：

研究缩放比例、隔离结构及参数对暗计数、后脉冲、光学串扰及定时抖动的影响趋势；研究深槽隔离、填充材料对光学直接串扰及次生光子串扰的作用原理，提出光学及电学串扰高层次模型；研究更低脉冲死时间、更高填充率和更大动态范围的淬灭复位电路设计方案；设计基于同步采样的高精度时间数字转换器，降低死时间，消除传统时间数字转换器的堆积效应；实现高效读出电路匹配的硅基锗单光子探测器阵列。

本项目创新点包括：

1、采用和CMOS工艺兼容的SACM型硅基锗单光子探测器结构，创新性地提出双台阶选区外延方法降低外延层缺陷密度，并采用化学湿法腐蚀和氧等离子体钝化的方法实现高效侧表面钝化，降低工艺复杂度的同时，可显著提高像素良率及均匀性，实现室温工作、低暗计数、小型化的硅基锗单光子探测阵列芯片是本项目的一个创新点。

2、创新性地采用SOI工艺以及深槽隔离加埋层电极结构，可进一步优化非平面侧边电场及衬底体漏电，并同时实现低的光学及电学串扰，提高器件良率和器件均匀性，实现高一致性的SPAD大面阵是本研究的一个创新点。

3、在单像素中对淬灭电路尺寸进行优化设计，以实现低抖动的输入脉冲信号，从而提高单光子探测精度；复合结构简单的无源淬灭和同步时钟淬灭两种淬灭机制，在资源消耗极低的同时兼顾超大动态范围的入射光信号。并结合数字域的时间/空间相关噪声滤除策略实现非相关噪声的滤除，实现数据量压缩和噪声抑制是本研究的一个创新点。

技术成果清单：

技术成熟度：

概念验证 原理样机 工程样机 中试 产业化

合作方式：

联合研发 技术入股 转让 授权（许可） 面议