北極芯微自研高性能SPAD，實現單光子感知芯片國產化突破

  近日，深圳北極芯微電子有限公司（下稱“北極芯微”）宣布具備完全知識產權的高性能SPAD（單光子雪崩二極管）研制成功，順利通過測試驗收，并基于自研SPAD同步推出全新dToF（直接飛行時間測距）芯片和PCI（光子計數成像）芯片，實現單光子感知芯片國產化突破。

北極芯微SPAD芯片（晶圓）

  北極芯微是一家專注于深度傳感與微光成像芯片設計的高新技術企業(yè)，總部位于深圳，并設有武漢研發(fā)中心。作為國內最早邁入單光子傳感器研究領域的團隊，北極芯微一直從事SPAD開發(fā)、深度感知及微光成像算法研究與實現，并致力于打造更加敏捷高效的單光子感知芯片解決方案。

  SPAD是一種具有單光子探測能力的光電器件，能夠用光速實現距離測量，達到微秒級測量時間及亞毫米測量精度，同時它能以光子計數的方式進行圖像采集，實現夜視成像或高速成像，是新一代單光子感知芯片的核心器件。基于SPAD的感知芯片廣泛應用于激光雷達、激光對焦、接近傳感、3D建模、微光成像、熒光分析等領域，目前每年使用量已超過十億顆，并且是公認的低成本車載激光雷達最有競爭力的方案之一，有廣闊的發(fā)展前景。據調研機構Yole Development預測，至2026年3D感知市場將保持14.5%的年復合增長率，2026年全球3D感知市場容量將達到150億美元；且據另一調研機構Frost&Sullivan預測，至2025年圖像芯片市場將保持11.9%的年復合增長率，2025年全球圖像芯片銷售額將達到330億美元。

基于SPAD的感知芯片主要應用領域

部分圖片來源于網絡

  SPAD研發(fā)涉及材料特性、雪崩機制以及工藝開發(fā)等諸多物理和工程問題，要求同時具備高時間分辨率、高一致性、低暗噪聲、高探測效率等特性，具有極高的技術壁壘。目前相關可實用的技術被Sony、ST、AMS、Canon等國外大廠所壟斷，國內廠商由于沒有高性能、高可靠性的SPAD IP，其產品性能與國外大廠同類產品相比有較大差距。

北極芯微SPAD芯片結構示意圖

  認識到高性能SPAD的重要性和技術壟斷性，并結合團隊多年的技術積累，北極芯微志在將核心技術牢牢握在自己手中，從成立之初就選擇了自研SPAD的艱難道路，基于豐富的設計經驗研制出了具備完全知識產權的全新高性能SPAD，并一次性成功點亮。北極芯微研制的SPAD在關鍵性能上均明顯高于競品，打破了國外的技術壟斷，具有以下優(yōu)勢：

  · 時間分辨率高，單光子探測時間抖動小于25ps，達到世界領先水平，保證了亞毫米精度得以實現；

  · 一致性好，擊穿電壓波動小于0.1V，達到世界領先水平，讓產品生產標定更容易的同時可以獲得更高的可靠性；

  · 暗噪聲小，暗計數率低至0.3cps/μm2，領先同類產品兩個數量級；

  · 紅外靈敏度高，峰值波長650nm，且905nm探測效率達11%。

北極芯微SPAD單光子譜，清晰的單光子譜說明SPAD具備優(yōu)異的單光子分辨能力

北極芯微SPAD擊穿電壓測試結果，擊穿電壓分布范圍24.6-24.7V

  與自研SPAD同步發(fā)布的還有DTS3040 dToF芯片和PCL7150 PCI芯片。

  DTS3040 dToF芯片

  DTS3040是一款單通道dToF芯片，片內集成自研的SPAD、高速TDC及測距算法協處理器，內置時間相關光子閾值算法等，能夠實現高精度測距的同時保證優(yōu)異抗環(huán)境光性能和抗干擾能力。DTS3040采用I2C和SPI接口，并使用緊湊可靠的光學LGA封裝，可應用于無人機定高和避障、掃地機和AGV避障、loT（用戶或物體存在檢測）、容量檢測（庫存檢測、液位檢測等）、接近檢測等領域。

  PCL7150 光子計數成像芯片

  PCL7150光子計數成像芯片是一款區(qū)別于傳統CMOS和CCD的新型圖像芯片，采用自研SPAD作為感光元件，可對單個光子進行檢測，通過記錄接收到的光子數量獲取圖像信息。PCL7150實現了像素層級的信號數字化，無需AD采樣即可輸出圖像數據，因此輸出幀率遠高于CMOS圖像芯片，可達15Kfps@25MHz時鐘。同時PCL7150片內集成灰度質心算法，能夠以53.8Kfps的速度輸出質心數據，大幅提升測量速度。每個像素具備256階灰度，并可通過多幀疊加靈活實現不同應用下所需圖像深度。PCL7150可用于激光位移芯片、激光卡尺、掃地機避障雷達（三角法）、圖像掃描等領域。

  據悉，北極芯微DTS3040和PCL7150兩款產品在發(fā)布前已獲得客戶的高度關注和跟進，目前已獲得數百萬元訂單，并將于9月下旬開始供樣及小批量交付。

  據北極芯微透露，接下來北極芯微將基于自研的SPAD在年內推出高性價比單點dToF芯片及模組、8×8小面陣dToF芯片、微光成像面陣芯片及樣機，并將持續(xù)快速推出一系列深度傳感及微光成像芯片以豐富解決方案和進一步降低成本。北極芯微愿與友商一起構建單光子感知芯片生態(tài)，努力推動單光子感知芯片規(guī)模化應用，始終銘記讓視覺傳感更加敏捷高效的使命，造福消費者。