SPAD成像传感器研究报告

发布时间：2026-09-08来源：传感器技术

一、技术概述与核心原理

SPAD（Single-Photon Avalanche Diode，单光子雪崩二极管）是一种工作在盖革模式下的光电二极管，通过雪崩倍增效应实现单光子级别的光信号探测，是当前灵敏度最高的固态成像器件之一。

1.1 基本工作原理

SPAD 反向偏置电压高于自身击穿电压，当单个光子入射激发产生电子 - 空穴对时，载流子在强电场中加速并碰撞电离，触发连锁雪崩反应，在皮秒级时间内产生可被检测的宏观电流脉冲，从而实现对单个光子的计数与到达时间测量。与传统 CMOS 图像传感器的 “积分式” 光信号采集不同，SPAD 是 “事件驱动型” 的数字化探测，每个光子对应一次独立的雪崩事件。

1.2 像素电路结构分类

根据像素内集成的功能电路，SPAD 像素可分为三类：

基础型像素：仅包含雪崩产生、淬灭与充电的核心电路，输出为对应单个光子探测的电脉冲序列，结构最简单，填充因子最高。

计数型像素：集成计数电路与存储单元，直接输出单位时间内的光子计数值，是当前 ToF 深度传感器的主流架构。

时间相关型像素：集成时间数字转换器（TDC），可精确测量光子到达时间，时间分辨率可达皮秒级，用于高精度激光雷达与荧光寿命成像。

1.3 主流器件工艺结构

背照式（BSI）结构：将感光面与电路面分离，光子从背面入射，避免金属布线遮挡，大幅提升光子探测效率，索尼、思特威等厂商均采用该路线。

3D 堆叠结构：通过晶圆键合技术将 SPAD 感光阵列与 CMOS 读出电路垂直堆叠，在缩小像素尺寸的同时保留完整功能电路，提升填充因子与集成度，代表如 Fraunhofer 的 CSPAD αlpha。

微透镜耦合：在像素表面制备微透镜阵列，将入射光子汇聚到雪崩有源区，补偿像素电路占用的感光面积，提升填充因子与探测效率。

二、核心性能指标

2.1 光子探测效率（PDE）

指入射光子被探测并触发雪崩的概率，是 SPAD 最核心的灵敏度指标。当前商用硅基 SPAD 峰值 PDE 可达 70%-76%（可见光波段），索尼 2.5μm 背照式 SPAD 峰值 PDE 达 76.1%；红外波段 InGaAs 基 SPAD PDE 约 20%-38%，通常需制冷工作。

2.2 暗计数率（DCR）

无光照时由热激发载流子触发的虚假雪崩计数，单位为 cps（counts per second），是主要噪声来源。先进工艺可将单像素 DCR 控制在 100 cps 以下，通过深槽隔离、掺杂优化可进一步降低。

2.3 时间分辨率

对光子到达时间的测量精度，决定了 ToF 测距与时间分辨成像的能力。当前商用 SPAD 时间分辨率普遍可达几十至几百皮秒，高端器件可达 30ps 以内。

2.4 死时间

雪崩事件后器件淬灭并恢复至可探测状态所需的时间，死时间越长，光子计数的饱和通量越低。主动淬灭电路可将死时间压缩至几纳秒至几十纳秒。

2.5 填充因子

感光有效面积占像素总面积的比例，早期 SPAD 填充因子仅 10%-30%，通过背照式、3D 堆叠与微透镜技术，当前已可提升至 60% 以上。

三、全球与中国市场格局

3.1 全球市场规模与增长

2025 年全球 SPAD 传感器市场规模约 9.51 亿美元，预计 2032 年将达到 29.5 亿美元，2025-2032 年复合年增长率（CAGR）约 17.58%。其中 SPAD 阵列成像传感器占比 66.5%，是市场主体。

从应用结构看，车载激光雷达是最大细分市场，占比 39.9%；消费电子 ToF 传感增长最快，2025 年占比已达 34% 以上。区域分布上，亚太地区占比 44.3%，是全球最大市场，主要由中国汽车与消费电子需求驱动。

3.2 中国市场现状

2025 年中国基于 SPAD 的传感器市场规模达 47.8 亿元，同比增长 32.6%，显著高于光电探测器件整体 18.2% 的平均增速。

车载领域：受益于 L3 级自动驾驶量产落地，2025 年 SPAD 器件在国产激光雷达模组中的渗透率从 2024 年的 39.7% 提升至 56.3%，单台雷达平均 SPAD 芯片用量达 4.2 颗。

消费电子：华为 Mate 70 系列、小米 14 Ultra 等旗舰机型首次搭载 SPAD dToF 前置模组，带动智能手机端 SPAD 出货量同比增长 217%。

医疗领域：受荧光分子成像临床推广驱动，术中导航设备中 SPAD 阵列装机量同比增长 89%。

当前国内 SPAD 芯片进口依存度仍达 68.4%，索尼、意法半导体合计占据国内高端市场 73.1% 的份额，国产替代空间广阔。

四、主流厂商与技术路线

4.1 海外头部厂商

索尼（Sony）全球 SPAD 成像技术领导者，依托 CMOS 图像传感器领域的背照式、堆叠式技术积累，推出车规级与消费级 SPAD 芯片。3.06μm 像素实现 57% PDE、0.4% 串扰与 15.8 cps DCR；2.5μm 背照式 SPAD 峰值 PDE 达 76.1%，在车载 dToF 激光雷达与智能手机 ToF 领域占据高端市场主导地位。

意法半导体（STMicroelectronics）车载激光雷达 SPAD 核心供应商，通过 FD-SOI 体偏置技术将后脉冲降低 50%，时间分辨率优于 40ps。与主流车企、激光雷达厂商深度绑定，在全球车规级 SPAD 市场份额领先。

安森美（onsemi）推出 Pandion 系列 SPAD 阵列，聚焦高分辨率 ToF 激光雷达与工业深度传感，在汽车与工业自动化领域布局深厚。

佳能（Canon）推出 Charge-Focusing 型 SPAD 结构，通过掺杂调节将光生载流子汇聚到雪崩区，实现近似 100% 填充因子效果，同时降低暗噪声。已推出 320 万像素 SPAD 专业相机 MS510，应用于超低光成像与科研领域。

4.2 国内核心厂商

长光华芯国内 SPAD 芯片龙头，自建 6 英寸 SPAD 晶圆产线 2024 年 Q3 实现满产，良率达 82.6%。2025 年国内市场占有率 21.3%，深度绑定蔚来、小鹏、理想等车企前装激光雷达供应链。

炬光科技核心优势为微光学透镜阵列与 SPAD 芯片的垂直耦合封装技术，2025 年向速腾聚创、禾赛科技交付 SPAD 接收模组 1247 万颗，占国内激光雷达接收端模组总采购量的 39.2%，市占率 18.7%。

思特威（SmartSens）依托背照式 CMOS 技术迁移能力，在消费电子级低功耗 SPAD ToF 传感器领域形成差异化优势，2025 年向华为、vivo 供应 SPAD 模组 893 万颗，国内消费电子细分市场份额 15.2%。

灵明光子采用与标准 CMOS 兼容的 “光捕获” 纳米结构架构，改变光子传播路径提升硅层吸收效率，实现低成本量产，主打低成本激光雷达 SPAD 芯片，2025 年出货量突破百万颗级别。

五、核心应用场景

5.1 车载激光雷达（LiDAR）

SPAD 是 dToF（直接飞行时间）激光雷达的核心探测器件，凭借单光子灵敏度实现长距离测距与弱光环境下的高检测率，可满足自动驾驶对障碍物探测的距离、精度与响应速度要求。相比传统 APD 探测器，SPAD 可将测距距离提升 30% 以上，同时支持更高的点云帧率。

5.2 消费电子 3D 传感

智能手机：SPAD dToF 模组用于前置人脸解锁、AR 测距与暗光对焦，相比传统 iToF 精度更高、抗干扰能力更强。

AR/VR：用于空间定位、手势识别与环境深度感知，低功耗与高帧率特性适配头显设备的实时交互需求。

5.3 医疗与生物光子学

荧光寿命成像（FLIM）：利用 SPAD 的皮秒级时间分辨率，测量荧光分子的寿命衰减，用于细胞分子动力学研究、肿瘤术中导航与药物筛选。

散射介质成像：通过时间筛选提取弹道光子，实现透过生物组织的深层成像，应用于内窥镜、无创检测。

5.4 工业与科研领域

超快成像：帧频可达 MHz 甚至 GHz 级别，用于捕捉爆炸、等离子体、高速流体等瞬态过程。

量子光学：用于单光子源检测、量子密钥分发、纠缠光子成像等量子信息实验。

工业 3D 检测：高精度 ToF 深度成像，用于工件尺寸测量、缺陷检测与机器人视觉导航。

六、技术挑战与发展趋势

6.1 当前核心技术挑战

噪声抑制：暗计数与后脉冲噪声限制了低光下的信噪比，尤其是高温环境下暗计数会显著上升，车规级宽温适应性仍是难点。

填充因子与分辨率的矛盾：像素内集成 TDC、计数电路会占用大量面积，缩小像素尺寸会导致填充因子与 PDE 下降，高分辨率大面阵 SPAD 制造成本高昂。

强光饱和问题：死时间导致光子计数存在上限，高光照下会出现计数饱和与非线性，高动态范围场景表现弱于传统 CMOS。

成本与功耗：特殊工艺与定制化产线导致 SPAD 芯片成本较高，且雪崩工作模式功耗高于传统图像传感器。

6.2 技术发展趋势

像素微缩与 3D 堆叠：通过 3D 晶圆堆叠将感光层与电路层垂直分离，像素尺寸向 2μm 以下推进，同时提升填充因子与集成度，实现更高分辨率与更低成本。

材料体系拓展：硅基 SPAD 向短波红外拓展，InGaAs、Ge-on-Si 等 III-V 族与异质结 SPAD 逐步成熟，支撑 1310nm/1550nm 激光雷达与红外夜视应用。

标准 CMOS 工艺兼容：通过结构创新实现 SPAD 与标准 CMOS 工艺兼容，利用成熟逻辑产线量产，大幅降低成本，推动消费级应用普及。

智能计算融合：在像素级或阵列级集成 AI 处理单元，实现片上噪声抑制、特征提取与事件压缩，降低数据带宽，适配边缘端实时应用。

多模态集成：将 SPAD 与传统 CMOS 像素、光谱滤光片集成，实现单芯片同时输出灰度图像、深度信息与光谱信息，打造多功能成像器件。

七、总结

SPAD 成像传感器凭借单光子探测、皮秒级时间分辨与数字化输出的独特优势，正在成为下一代 3D 感知、超低光成像与时间分辨光学系统的核心器件。当前技术正处于从高端科研、车载领域向消费电子、工业领域快速渗透的阶段，市场增长强劲。未来随着工艺成熟、成本下降与算法融合，SPAD 将在自动驾驶、AR/VR、医疗影像等领域发挥不可替代的作用，同时国产替代进程加速也将为国内产业链带来广阔发展空间。

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