北極芯微自研高性能SPAD，實(shí)現(xiàn)單光子感知芯片國(guó)產(chǎn)化突破

  近日，深圳北極芯微電子有限公司（下稱(chēng)“北極芯微”）宣布具備完全知識(shí)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(guò)測(cè)試驗(yàn)收，并基于自研SPAD同步推出全新dToF（直接飛行時(shí)間測(cè)距）芯片和PCI（光子計(jì)數(shù)成像）芯片，實(shí)現(xiàn)單光子感知芯片國(guó)產(chǎn)化突破。

北極芯微SPAD芯片（晶圓）

  北極芯微是一家專(zhuān)注于深度傳感與微光成像芯片設(shè)計(jì)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(guó)內(nèi)最早邁入單光子傳感器研究領(lǐng)域的團(tuán)隊(duì)，北極芯微一直從事SPAD開(kāi)發(fā)、深度感知及微光成像算法研究與實(shí)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(cè)能力的光電器件，能夠用光速實(shí)現(xiàn)距離測(cè)量，達(dá)到微秒級(jí)測(cè)量時(shí)間及亞毫米測(cè)量精度，同時(shí)它能以光子計(jì)數(shù)的方式進(jìn)行圖像采集，實(shí)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(dá)、激光對(duì)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(guò)十億顆，并且是公認(rèn)的低成本車(chē)載激光雷達(dá)最有競(jìng)爭(zhēng)力的方案之一，有廣闊的發(fā)展前景。據(jù)調(diào)研機(jī)構(gòu)Yole Development預(yù)測(cè)，至2026年3D感知市場(chǎng)將保持14.5%的年復(fù)合增長(zhǎng)率，2026年全球3D感知市場(chǎng)容量將達(dá)到150億美元；且據(jù)另一調(diào)研機(jī)構(gòu)Frost&Sullivan預(yù)測(cè)，至2025年圖像芯片市場(chǎng)將保持11.9%的年復(fù)合增長(zhǎng)率，2025年全球圖像芯片銷(xiāo)售額將達(dá)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(lái)源于網(wǎng)絡(luò)

  SPAD研發(fā)涉及材料特性、雪崩機(jī)制以及工藝開(kāi)發(fā)等諸多物理和工程問(wèn)題，要求同時(shí)具備高時(shí)間分辨率、高一致性、低暗噪聲、高探測(cè)效率等特性，具有極高的技術(shù)壁壘。目前相關(guān)可實(shí)用的技術(shù)被Sony、ST、AMS、Canon等國(guó)外大廠所壟斷，國(guó)內(nèi)廠商由于沒(méi)有高性能、高可靠性的SPAD IP，其產(chǎn)品性能與國(guó)外大廠同類(lèi)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(rèn)識(shí)到高性能SPAD的重要性和技術(shù)壟斷性，并結(jié)合團(tuán)隊(duì)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(jì)經(jīng)驗(yàn)研制出了具備完全知識(shí)產(chǎn)權(quán)的全新高性能SPAD，并一次性成功點(diǎn)亮。北極芯微研制的SPAD在關(guān)鍵性能上均明顯高于競(jìng)品，打破了國(guó)外的技術(shù)壟斷，具有以下優(yōu)勢(shì)：

  · 時(shí)間分辨率高，單光子探測(cè)時(shí)間抖動(dòng)小于25ps，達(dá)到世界領(lǐng)先水平，保證了亞毫米精度得以實(shí)現(xiàn)；

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

  · 暗噪聲小，暗計(jì)數(shù)率低至0.3cps/μm2，領(lǐng)先同類(lèi)產(chǎn)品兩個(gè)數(shù)量級(jí)；

  · 紅外靈敏度高，峰值波長(zhǎng)650nm，且905nm探測(cè)效率達(dá)11%。

北極芯微SPAD單光子譜，清晰的單光子譜說(shuō)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(cè)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(cè)距算法協(xié)處理器，內(nèi)置時(shí)間相關(guān)光子閾值算法等，能夠?qū)崿F(xiàn)高精度測(cè)距的同時(shí)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(wú)人機(jī)定高和避障、掃地機(jī)和AGV避障、loT（用戶或物體存在檢測(cè)）、容量檢測(cè)（庫(kù)存檢測(cè)、液位檢測(cè)等）、接近檢測(cè)等領(lǐng)域。

  PCL7150 光子計(jì)數(shù)成像芯片

  PCL7150光子計(jì)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(duì)單個(gè)光子進(jìn)行檢測(cè)，通過(guò)記錄接收到的光子數(shù)量獲取圖像信息。PCL7150實(shí)現(xiàn)了像素層級(jí)的信號(hào)數(shù)字化，無(wú)需AD采樣即可輸出圖像數(shù)據(jù)，因此輸出幀率遠(yuǎn)高于CMOS圖像芯片，可達(dá)15Kfps@25MHz時(shí)鐘。同時(shí)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(cè)量速度。每個(gè)像素具備256階灰度，并可通過(guò)多幀疊加靈活實(shí)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(jī)避障雷達(dá)（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(jìn)，目前已獲得數(shù)百萬(wàn)元訂單，并將于9月下旬開(kāi)始供樣及小批量交付。

  據(jù)北極芯微透露，接下來(lái)北極芯微將基于自研的SPAD在年內(nèi)推出高性?xún)r(jià)比單點(diǎn)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(jī)，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(jìn)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(dòng)單光子感知芯片規(guī)模化應(yīng)用，始終銘記讓視覺(jué)傳感更加敏捷高效的使命，造福消費(fèi)者。