北极芯微自研高性能SPAD，实现单光子感知芯片国产化突破

据麦姆斯咨询报道，近日，深圳北极芯微电子有限公司（下称“北极芯微”）宣布具备完全知识产权的高性能SPAD（单光子雪崩二极管）研制成功，顺利通过测试验收，并基于自研SPAD同步推出全新dToF（直接飞行时间测距）芯片和PCI（光子计数成像）芯片，实现单光子感知芯片国产化突破。

北极芯微SPAD芯片（晶圆）

北极芯微是一家专注于深度传感与微光成像芯片设计的高新技术企业，总部位于深圳，并设有武汉研发中心。作为国内最早迈入单光子传感器研究领域的团队，北极芯微一直从事SPAD开发、深度感知及微光成像算法研究与实现，并致力于打造更加敏捷高效的单光子感知芯片解决方案。

SPAD是一种具有单光子探测能力的光电器件，能够用光速实现距离测量，达到微秒级测量时间及亚毫米测量精度，同时它能以光子计数的方式进行图像采集，实现夜视成像或高速成像，是新一代单光子感知芯片的核心器件。基于SPAD的感知芯片广泛应用于激光雷达、激光对焦、接近传感、3D建模、微光成像、荧光分析等领域，目前每年使用量已超过十亿颗，并且是公认的低成本车载激光雷达最有竞争力的方案之一，有广阔的发展前景。据调研机构Yole Development预测，至2026年3D感知市场将保持14.5%的年复合增长率，2026年全球3D感知市场容量将达到150亿美元；且据另一调研机构Frost&Sullivan预测，至2025年图像芯片市场将保持11.9%的年复合增长率，2025年全球图像芯片销售额将达到330亿美元。

基于SPAD的感知芯片主要应用领域
部分图片来源于网络

SPAD研发涉及材料特性、雪崩机制以及工艺开发等诸多物理和工程问题，要求同时具备高时间分辨率、高一致性、低暗噪声、高探测效率等特性，具有极高的技术壁垒。目前相关可实用的技术被Sony、ST、AMS、Canon等国外大厂所垄断，国内厂商由于没有高性能、高可靠性的SPAD IP，其产品性能与国外大厂同类产品相比有较大差距。

北极芯微SPAD芯片结构示意图

认识到高性能SPAD的重要性和技术垄断性，并结合团队多年的技术积累，北极芯微志在将核心技术牢牢握在自己手中，从成立之初就选择了自研SPAD的艰难道路，基于丰富的设计经验研制出了具备完全知识产权的全新高性能SPAD，并一次性成功点亮。北极芯微研制的SPAD在关键性能上均明显高于竞品，打破了国外的技术垄断，具有以下优势：

● 时间分辨率高，单光子探测时间抖动小于25ps，达到世界领先水平，保证了亚毫米精度得以实现；

● 一致性好，击穿电压波动小于0.1V，达到世界领先水平，让产品生产标定更容易的同时可以获得更高的可靠性；

● 暗噪声小，暗计数率低至0.3cps/µm²，领先同类产品两个数量级；

● 红外灵敏度高，峰值波长650nm，且905nm探测效率达11%。

北极芯微SPAD单光子谱，清晰的单光子谱说明SPAD具备优异的单光子分辨能力

北极芯微SPAD击穿电压测试结果，击穿电压分布范围24.6-24.7V

与自研SPAD同步发布的还有DTS3040 dToF芯片和PCL7150 PCI芯片。

DTS3040 dToF芯片

DTS3040是一款单通道dToF芯片，片内集成自研的SPAD、高速TDC及测距算法协处理器，内置时间相关光子阈值算法等，能够实现高精度测距的同时保证优异抗环境光性能和抗干扰能力。DTS3040采用I2C和SPI接口，并使用紧凑可靠的光学LGA封装，可应用于无人机定高和避障、扫地机和AGV避障、loT（用户或物体存在检测）、容量检测（库存检测、液位检测等）、接近检测等领域。

PCL7150 光子计数成像芯片

PCL7150光子计数成像芯片是一款区别于传统CMOS和CCD的新型图像芯片，采用自研SPAD作为感光元件，可对单个光子进行检测，通过记录接收到的光子数量获取图像信息。PCL7150实现了像素层级的信号数字化，无需AD采样即可输出图像数据，因此输出帧率远高于CMOS图像芯片，可达15Kfps@25MHz时钟。同时PCL7150片内集成灰度质心算法，能够以53.8Kfps的速度输出质心数据，大幅提升测量速度。每个像素具备256阶灰度，并可通过多帧叠加灵活实现不同应用下所需图像深度。PCL7150可用于激光位移芯片、激光卡尺、扫地机避障雷达（三角法）、图像扫描等领域。

据悉，北极芯微DTS3040和PCL7150两款产品在发布前已获得客户的高度关注和跟进，目前已获得数百万元订单，并将于9月下旬开始供样及小批量交付。

据北极芯微透露，接下来北极芯微将基于自研的SPAD在年内推出高性价比单点dToF芯片及模组、8×8小面阵dToF芯片、微光成像面阵芯片及样机，并将持续快速推出一系列深度传感及微光成像芯片以丰富解决方案和进一步降低成本。北极芯微愿与友商一起构建单光子感知芯片生态，努力推动单光子感知芯片规模化应用，始终铭记让视觉传感更加敏捷高效的使命，造福消费者。

原文始发于微信公众号（MEMS）：北极芯微自研高性能SPAD，实现单光子感知芯片国产化突破