星宸科技—未来激光雷达探测器SPAD/SiPM芯片领导者
$星宸科技(SZ301536)$ $国科微(SZ300672)$
问了好久的问题，今天终于在业绩交流会上解答了：公司车规dToF激光雷达SPAD芯片SS905HP（高线数）与SS901（低线数）形成高低搭配，最大探测距离300～600米，最大点云输出能力为800万点每秒，分辨率588*90，像素尺寸10.08um pixel size，光子探测效率PDE＞30%@ 905nm，单颗芯片可实现128/192/256/384/512线 Lidar，多颗芯片拼接能实现1000+线 Lidar，是市场上极具竞争力的Lidar SPAD SOC。很多人可能不知道这意味着什么？但是我完全可以负责任告诉你，碾压市面上所有SPAD芯片，包括索尼IMX459（供货华为）和滨松（供货速腾）。
SPAD芯片有几个关键参数，一是暗计数率(Dark count rate, DCR)，除了光子产生的载流子，热产生的载流子（通过半导体内的产生-复合过程）也可以引发雪崩过程。因此，SPAD可以在完全黑暗环境下观察输出脉冲。每秒产生的平均计数称为暗计数率(DCR)，是定义此探测器噪声的关键参数。IMX459即使在60°C下，DCR也低于2cps/µm2，因此，为了作为单光子探测器工作，SPAD必须能够在足够长的时间内保持高于击穿的偏置（例如低于每秒1000次计数，cps）。
其次是PDE，光子探测效率(Photon-detection efficiency)。PDE是不同波长下的入射光子触发雪崩的概率。除了一般决定半导体光电二极管性能的物理现象外，其他物理效应在SPAD中也很重要。雪崩触发概率取决于器件结构和过剩偏置VE条件，即反向偏置之间的差异。
SPAD/SiPM技术及市场趋势？
目前激光雷达所用的接收端主要分APD、SPAD/SiPM两大路线，这两种路线其实同根同源，都是利用二极管的雪崩击穿效应。
众所周知，二极管具有单向导电性，在反方向几乎不导电，除非施加较大的反向电压， 直接强行让二极管击穿。雪崩击穿就是二极管击穿的一种，想象一块从山顶滚落的石块，如果其速度够快，它就能够撞碎沿途的树木和其他石块，并且这些碎块将伴随初始的石块共同加速滚下山坡，在途中不断造成更大的破坏，最终越来越多石块将加入这一过程，造成巨大破坏，这一过程与雪崩极为类似。二极管的雪崩击穿中，石块换成了电子，强大的反向电压导致少量电子高速运动，并将其他原子中的电子击飞出来成为自由电子，这些自由电子又将更多的电子击飞成为自由电子，导致反向电流迅速扩大，二极管击穿。
雪崩击穿与光子探测的关系就在于，光子能够激发电子使其成为自由电子，在合适的条件下能够诱发雪崩击穿。只需探测到二极管反向电流的突然增大，就意味着有光子存在。最初利用光子激发电子原理的是光电二极管PD（Photo-Diode），光子能够增大反向电流，但无法导致击穿，反向电流仍然很小，因此探测灵敏度不高。APD（Avalanche Photo-Diode， 雪崩光电二极管）其实就是光电二极管的升级版，直接给光电二极管加上反向电压，这个反向电压十分接近击穿电压，如此只需有少量光子就可以诱发雪崩击穿，导致电流剧增，真正实现了高灵敏度的光探测。SPAD（Single Photon Avalanche Diode，单光子雪崩二极管）则是在APD的基础上更进一步，直接施加反向电压使其处于击穿状态，此时甚至只需要1个光子击中二极管中的电子就能够诱发大规模的雪崩击穿，所以SPAD能够实现单个光子的探测。由于SPAD的单光子探测功能，光电子大厂滨松也将其称为SPPC（single pixel photon counter，单光子计数器）。
PD、APD、SPAD本质相同，只是工作于不同的反向电压下，导致1个光子能够激发出的电子数量不同，探测灵敏度也就随之产生了极大的差距。
而SiPM（Silicon Photo-Multiplier，硅光电倍增管，滨松也称为MPPC，多像素光子计数器）就是一组并联的SPAD，用于弥补SPAD对光强感知能力不足的问题。由于SPAD只需1个光子就会发生雪崩，同时有100个光子入射和1个光子入射并不会带来什么区别。为了解决这一问题，直接将大量SPAD并联，通过发生雪崩的SPAD数量即可判断光强。如今使用SPAD探测器的激光雷达通常都会直接使用SiPM，而不是单个的SPAD。
虽然SPAD灵敏度明显高于APD，但接收端不是仅仅以灵敏度为标准，APD与SPAD各自有其应用场景，APD也具有高动态范围、高量子效率（无用功更少）等优点。
展望未来，APD一个较为确定的应用场景是1550路线的激光雷达。由于硅材料的限制，SiPM通常只能探测波长在1100nm以下的光子，对于1550nm的光子力有不逮。探测1550nm的光子通常需要InGaAs/InP系列材料，此类材料内部缺陷相对较多，如果制程SPAD，则其暗计数率（DCR，每秒在无光条件下由于材料内部热载流子自行引发雪崩的次数）较高，所以通常采用APD。
目前在1550nmAPD领域，我国已有企业布局，例如芯思杰为镭神智能开发阵列SPAD，也正在和国内其余头部激光雷达在合作。
SPAD/ SiPM：905nm路线替代APD已成大势，关注PDE与可靠性
近年来SiPM技术成熟度日渐提高，其高灵敏度的特性已经得到业界充分认知，越来越多的激光雷达接收端开始采用SiPM。例如速腾M1的接收端就采用了滨松的SiPM。
SPAD芯片的市场现状？
2021年，传统的光探测芯片技术如PIN和APD占据了超过90%的市场份额，而SiPM的市场规模仅为1.25亿美元，SPAD的市占率几乎为零。然而，随着SPAD技术的逐步成熟及其应用的扩展，SPAD市场出现了迅猛增长，预计到2027年SPAD市场规模将达到21.39亿美元，占光探测芯片市场的26.46%，年复合增长率（CAGR）超过200%。
随着自动驾驶技术的快速发展，SPAD在车载激光雷达中的应用尤为突出。根据调研机构Yole Development的预测，到2030年，SPAD在激光雷达领域的渗透率将达到80%，预计全球车载SPAD芯片市场规模将突破142亿美元，占SPAD总应用市场的47.3%。在中国市场，SPAD芯片的应用也正在快速增长，预计到2030年，中国SPAD芯片市场的销售总额将超过100亿元人民币，全球市场的销售额将突破300亿元人民币。
目前，全球SPAD芯片市场主要由安森美、滨松和索尼等海外巨头主导。尤其在车规级大面阵SPAD芯片领域，这些厂商占据了全球市场的90%以上份额。然而，国内厂商通过技术突破、车规认证等手段，正在逐步进入SPAD芯片的供应链。
索尼IMX459是全球首款车规级堆叠式SPAD（单光子雪崩二极管）SoC芯片，专为车载激光雷达（LiDAR）系统设计，从技术来看，索尼IMX459凭借其24%@905nm的光子探测效率、6ns的响应速度以及高度集成的SoC设计，在车载激光雷达市场中占据技术领先地位，难以被竞争对手短期内超越。索尼IMX459在全球范围内的车载激光雷达市场占有率较高，安森美、滨松等公司虽然在某些技术领域有所优势，但在集成度、车规认证和量产能力方面不如IMX459。
随着IMX459的量产和广泛应用，索尼正在继续推进该芯片的技术迭代和升级。据了解，IMX459的下一代产品——IMX479已经进入量产前的关键阶段，预计将进一步提升光子探测效率（PDE）至50%@905nm，探测距离也将从300米提升至400米以上。此外，IMX479还在抗强光干扰能力方面进行了优化，预计将在车规级认证和功能安全标准的验证后，成为未来车载激光雷达的核心传感器之一。
索尼与国内4家SPAD产品分辨率对比（星宸SS905HP：5.29）
为什么国产激光雷达厂家不用国产SPAD芯片，反而用像素低很多的索尼IMX459？这是因为：
1、IMX459推出于2022年3月，比国内几家都要早得多。
2、索尼IMX459是在索尼自己的鹿儿岛熊本12英寸晶圆厂生产，供应链可靠性高。国内都是初创企业，均需委托晶圆厂代工，代工这种光电半导体的晶圆厂不多，因为这个市场还没起来，市场规模太小了，主要就是以色列的Tower半导体。
3、可能是有效距离索尼是300米，国产的有效距离都与索尼有比较大的差距，做补盲的短距离激光雷达可以，做远距离激光雷达不行。
4、索尼IMX459的PDE和DCR性能比较好，信噪比比较高，对传感器而言，信噪比是最重要的指标，没有之一，信噪比高意味着提供的有效信息多，噪音信息少。
5、高像素需要昂贵的解串行芯片，索尼不到2万像素就需要4lane，5万像素至少需要12lane，也就是GMSL3代产品如MAX96792，价格比目前主流的GMSL2要贵上5-8美元。
根据调研的信息，星宸SS905HP晶圆代工厂与索尼一致，且单颗芯片仅仅需要$20左右，具备绝对的性价比，无论在像素上、DCR、PDE和价格上完全可以取代索尼IMX459。