北極芯微自研高性能SPAD，實現(xiàn)單光子感知芯片國產(chǎn)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(chǎn)權(quán)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(shù)成像）芯片，實現(xiàn)單光子感知芯片國產(chǎn)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(shè)計的高新技術(shù)企業(yè)，總部位于深圳，并設(shè)有武漢研發(fā)中心。作為國內(nèi)最早邁入單光子傳感器研究領(lǐng)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(xiàn)，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(xiàn)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(shù)的方式進行圖像采集，實現(xiàn)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(yīng)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(lǐng)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(jù)調(diào)研機構(gòu)Yole Development預(yù)測，至2026年3D感知市場將保持14.5%的年復(fù)合增長率，2026年全球3D感知市場容量將達到150億美元；且據(jù)另一調(diào)研機構(gòu)Frost&Sullivan預(yù)測，至2025年圖像芯片市場將保持11.9%的年復(fù)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(yīng)用領(lǐng)域

部分圖片來源于網(wǎng)絡(luò)

  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(shù)壁壘。目前相關(guān)可實用的技術(shù)被Sony、ST、AMS、Canon等國外大廠所壟斷，國內(nèi)廠商由于沒有高性能、高可靠性的SPAD IP，其產(chǎn)品性能與國外大廠同類產(chǎn)品相比有較大差距。

北極芯微SPAD芯片結(jié)構(gòu)示意圖

  認識到高性能SPAD的重要性和技術(shù)壟斷性，并結(jié)合團隊多年的技術(shù)積累，北極芯微志在將核心技術(shù)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(shè)計經(jīng)驗研制出了具備完全知識產(chǎn)權(quán)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(guān)鍵性能上均明顯高于競品，打破了國外的技術(shù)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(lǐng)先水平，保證了亞毫米精度得以實現(xiàn)；

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

  · 暗噪聲小，暗計數(shù)率低至0.3cps/μm2，領(lǐng)先同類產(chǎn)品兩個數(shù)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(jié)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(nèi)集成自研的SPAD、高速TDC及測距算法協(xié)處理器，內(nèi)置時間相關(guān)光子閾值算法等，能夠?qū)崿F(xiàn)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(xué)LGA封裝，可應(yīng)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(lǐng)域。

  PCL7150 光子計數(shù)成像芯片

  PCL7150光子計數(shù)成像芯片是一款區(qū)別于傳統(tǒng)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(shù)量獲取圖像信息。PCL7150實現(xiàn)了像素層級的信號數(shù)字化，無需AD采樣即可輸出圖像數(shù)據(jù)，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(nèi)集成灰度質(zhì)心算法，能夠以53.8Kfps的速度輸出質(zhì)心數(shù)據(jù)，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(xiàn)不同應(yīng)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(lǐng)域。

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

  據(jù)北極芯微透露，接下來北極芯微將基于自研的SPAD在年內(nèi)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(gòu)建單光子感知芯片生態(tài)，努力推動單光子感知芯片規(guī)?；瘧?yīng)用，始終銘記讓視覺傳感更加敏捷高效的使命，造福消費者。