首款基于单光子雪崩二极管像素的堆叠式直接飞行时间传感器

据麦姆斯咨询报道，近日，索尼（Sony）宣布其研发出一种用于汽车激光雷达（LiDAR）的业界首款基于单光子雪崩二极管（SPAD）像素的堆叠式直接飞行时间（dToF）传感器。该成果在2021年2月13日开幕的国际固态电路会议（ISSCC）上进行了展示。

索尼基于SPAD像素的堆叠式dToF传感器

除了诸如摄像头和毫米波雷达之类的传感器之外，激光雷达作为一种高精度探测和识别道路状况、车辆和行人等物体形状和位置的方法，正在变得越来越重要。这一趋势是由高级辅助驾驶系统（ADAS）的普及和自动驾驶（AD）的兴起而推动发展的。

SPAD是一种像素结构，其利用雪崩倍增效应放大来自单个入射光子产生的电子，造成类似雪崩一样的级联，从而可以探测微弱的光。利用SPAD作为激光雷达dToF传感器中的探测单元，可以实现远距离、高精度的深度测量，dToF传感器根据从光源发出的光在被物体反射后回到探测单元的飞行时间（时差）来测量到物体的距离。

如今，通过利用自身在CMOS图像传感器开发过程中积累的背照式像素结构、3D堆叠和Cu-Cu连接等技术，索尼成功地开发出一款体积紧凑且分辨率高的dToF传感器，在单颗芯片上实现SPAD像素和测距处理电路集成。这使得激光雷达能够在最长距离可达300米（反射率为10%的物体）的工作范围内，以15厘米的分辨率进行高精度、高速测距。新款dToF传感器还将有助于在恶劣条件下进行探测和识别，例如汽车行驶时面临的各种温度变化和天气状况，从而有助于提高激光雷达的可靠性。与此同时，实现单颗芯片也有助于降低激光雷达的成本。

SPAD像素和测距处理电路单片集成

索尼还开发了一款采用这项新技术的MEMS（微机电系统）激光雷达系统，用于评估dToF传感器性能，现已提供给客户和合作伙伴。

索尼利用新款堆叠式dToF传感器开发的MEMS激光雷达系统

索尼MEMS激光雷达系统最远可以探测300米

索尼MEMS激光雷达系统探测效果展示

SPAD像素原理

dToF传感器中的SPAD能够探测到单个光子。在SPAD像素的电极上施加击穿电压（VBD），并在远高于击穿电压的电平下施加反向偏置电压（VEX），使得注入到耗尽层中的单个载流子由于入射光子的原因触发自持雪崩。雪崩电流脉冲的前沿标志着检测到的光子的到达时间。当电极之间的电压降至或低于击穿电压时，雪崩倍增停止。在通过雪崩倍增产生的电子放电并返回到击穿电压（猝灭作用）之后，电极之间的电压再次设置为很大的偏置电压，以便能够检测下一个光子（再充电作用）。这种由光子到达而触发的电子倍增效应称为盖革模式。

SPAD像素原理（电流/电压）

雪崩倍增效应

主要特点：

（1）以15厘米的分辨率进行高精度测量，最大测距可达300米

这项新技术采用背照式SPAD像素结构，该结构使用Cu-Cu连接实现像素芯片（顶部）与具有测距处理电路的逻辑芯片（底部）之间的信号导通。这允许在逻辑芯片上集成除感光像素之外的所有电路，从而产生高孔径比和22%的高光子探测效率。即使采用紧凑的芯片尺寸，在像素尺寸为10μm的情况下也可实现约110000个有效像素（189像素 x 600像素）的高分辨率。这使得高精度的距离测量能够以15厘米的分辨率进行高精度距离测量，最远可达到300米，从而有助于提高激光雷达探测和识别性能。

光子探测效率和波长

传统激光雷达点云

采用索尼新款堆叠式dToF传感器的激光雷达点云

（2）利用索尼的时间-数字转换器（TDC）和无源淬火/充电电路实现高速响应

索尼开发了自己的时间-数字转换器（TDC）——将探测到的光子飞行时间转换为数字值，以及无源淬灭/充电电路，并将其与每个像素通过Cu-Cu连接起来，从而使得在正常条件下可以将每个光子的响应速度（时间）提高到6纳秒。高速测距处理通过实时检测和识别周围环境，有助于提高汽车驾驶的安全性。

（3）恶劣环境下稳定的光子探测效率和响应速度

索尼独创的SPAD像素结构，即使在-40℃至125℃的恶劣环境下，也能实现稳定的光子探测效率和响应速度，从而提高了汽车激光雷达的可靠性。

光子探测效率和工作温度的关系

响应速度和工作温度的关系

关键参数：

责任编辑：lq