单光子雪崩二极管（SPAD）技术格局解析
2026-09-26 10:03:33 来源：麦姆斯咨询 评论：0 点击：
SPAD技术创新可划分为三个清晰的阶段：基础p-n结研究阶段（2008年之前）、CMOS集成阶段（2008~2019年）、当前的优化与微缩阶段（2020年至今）——该阶段以像素尺寸小于4微米及先进工艺节点集成应用为显著特征。
来源：智慧芽（PatSnap）
SPAD technology landscape 2026: trends and patents
目前，单光子雪崩二极管（SPAD）正从专业科研仪器领域迈向大批量商用产品市场，这主要得益于像素间距缩小至4μm以下、28nm CMOS集成技术，以及3D堆叠式传感器-逻辑电路架构。本文梳理了SPAD专利与文献中的关键信息，勾勒出2026年该领域竞争的最前沿态势。
SPAD是什么？
SPAD是一种反向偏置p-n结光电探测器，工作电压高于击穿电压，该工作状态称为盖革模式。在盖革模式下，单个被吸收的光子会触发载流子自持雪崩效应，产生具备皮秒级时间分辨率、可被检测的电流脉冲。单光子探测灵敏度结合超强时间分辨能力，使SPAD成为众多应用的核心器件，涵盖车载激光雷达（LiDAR）、量子密钥分发（QKD）、荧光寿命成像以及空间天文观测。
该SPAD数据集跟踪的关键性能指标包括光子探测效率（PDE/PDP）、暗计数率（DCR）、时间抖动（FWHM，半高全宽）、后脉冲概率与填充因子。这五项参数构成所有SPAD设计团队都需要权衡的参数取舍空间；目前没有任何单一SPAD器件架构能够同时优化这五个方面。该SPAD数据集覆盖硅基CMOS方案、先进III-V族化合物半导体方案、新兴二维材料平台，涉及的器件几何形态包含单像素分立探测器到百万像素焦平面阵列。
多篇SPAD文献均指出：电路集成（特别是淬灭与复位电路）与二极管结构本身同等重要，是设计中的关键挑战。这意味着SPAD知识产权（IP）并不局限于SPAD器件专利；很大一部分竞争壁垒来自读出电路架构。意法半导体（STMicroelectronics）在28nm FD-SOI（全耗尽绝缘体上硅）工艺中采用体偏置（Body Biasing）方案，实现低于40ps的雪崩信号探测。世界知识产权组织（WIPO）趋势数据显示，过去十年间，半导体光电探测器专利申请量持续增长，单光子探测器是扩张速度最快的子领域之一。
SPAD三大创新阶段
基于对80多篇相关文献发表时间的分析，SPAD技术创新可划分为三个清晰的阶段：基础p-n结研究阶段（2008年之前）、CMOS集成阶段（2008~2019年）、当前的优化与微缩阶段（2020年至今）——该阶段以像素尺寸小于4微米及先进工艺节点集成应用为显著特征。
图1 SPAD技术创新阶段的代表性里程碑
基础p-n结研究阶段（2008年之前）确立了SPAD相关的物理机理。Varian Associates（1974年，美国专利）、日立（1974–1979年，德国专利）和Thomson-CSF（1979年，法国专利）的早期雪崩光电二极管（APD）专利奠定了p-n结雪崩倍增的基本原理。米兰理工大学（Politecnico di Milano）的2006年单片式有源淬灭与复位电路专利标志着集成读出电路架构的开端。日内瓦大学（University of Geneva）早在2007年就演示了基于专用集成电路（ASIC）有源淬灭技术的自由运行模式InGaAs/InP SPAD，实现了10%的探测效率及低于2kHz的自由运行模式噪声——这一成果为光纤量子密钥分发奠定了基础。
CMOS集成阶段（2008~2019年）的核心目标是实现SPAD规模化制造。兼容标准CMOS工艺成为首要设计目标，多家研究机构产出的成果覆盖130nm、150nm、180nm和350nm工艺节点。意大利国家核物理研究所南部国家实验室于2008年率先研制出大型二维SPAD阵列。惠普实验室在2019年展示了面向激光雷达的“零改动”0.18μm CMOS SPAD集成方案，明确以降低成本与工作电压为目标，器件击穿电压低于10V。洛桑联邦理工学院（EPFL）AQUA课题组2019年发布的生物光子学SPAD成像仪综述，标志该平台在生命科学领域趋于成熟。
优化与微缩阶段（2020年至今）的特征是像素间距的大幅缩减、向先进工艺节点的迁移以及3D集成技术的应用。该SPAD数据集约60%处于有效法律状态的专利申请均在2019年后公开，印证商业化进程加速。索尼（Sony）于2023年展示了一款采用深沟槽隔离技术、像素间距为3.06μm且光子探测效率（PDE）达57%的SPAD。意法半导体在2021年提交基于28nm FD-SOI工艺的SPAD核心专利，并于2024~2025年提交雪崩像素控制电路相关专利。
在智慧芽（PatSnap）专利数据库中，SPAD领域处于有效法律状态的专利申请中，约60%于2019年之后公开，这表明绝大多数具备商业价值的SPAD知识产权诞生于优化与微缩阶段。
SPAD四大技术集群
SPAD专利与文献数据集可划分成四个不同的技术集群，每个集群对应“性能-成本-波长”权衡空间中的不同细分领域。明确特定器件架构所属的集群，是进行竞争定位的第一步。
技术集群1：标准CMOS集成硅基SPAD
目前规模最大的技术集群主要基于采用未经改动或仅经微调的商用CMOS工艺制造SPAD。该技术方案以牺牲部分光子性能为代价，换取成本大幅下降与可规模化量产能力。斯特拉斯堡大学ICube实验室基于180nm CMOS图像传感器（CIS）工艺制造并表征了8种不同直径（5~40μm）SPAD器件，实现了15°C下低于10kHz的暗计数率、0.2%的后脉冲概率以及约20%的光子探测效率。舍布鲁克大学基于65nm工艺节点，通过协同优化淬灭电路阈值与SPAD过偏压，实现了7.8ps（半高全宽，FWHM）的单光子时间分辨率，该结果为标准CMOS工艺下时间分辨类应用树立了标杆。根据IEEE收录的2021年研究报道，意法半导体基于28 nm FD-SOI工艺的体偏置方案实现了小于40ps的雪崩探测响应，并将后脉冲电荷量降低了一半。
技术集群2：面向近红外及扩展光谱范围的增强型架构SPAD
标准硅基SPAD在波长超过800 nm时吸收效率较低，这属于材料层面的固有局限。布鲁塞尔自由大学研发的电流辅助SPAD（CASPAD）采用40μm × 40μm × 14μm吸收区，依靠多数载流子感应产生的漂移场，将光电子引导至中心的一个微小雪崩结，在标准350nm CMOS工艺下实现785nm近红外探测。比利时微电子研究中心（imec）的近红外增强型硅基SPAD采用定制的130nm CMOS工艺，利用约15μm × 15μm × 18μm耗尽区，实现了905nm波长下13%的光子探测效率，并且后脉冲概率小于0.1%。威斯康星大学麦迪逊分校采用衍射纳米结构方案，将入射的近红外光子耦合至水平波导模式中，在保持薄结器件优异时间抖动特性的同时，将光子探测效率提升了2.5倍。
关键发现：近红外灵敏度是亟待解决的关键瓶颈
布鲁塞尔自由大学/比利时微电子研究中心的CASPAD方案与光子捕获纳米结构方案正展开激烈的技术竞争，目标是在标准CMOS工艺上实现近红外单光子探测。若能针对850–1000nm波段的漂移场辅助型或纳米结构增强型硅基SPAD建立强大的知识产权优势，相关企业便有望在自动驾驶和工业传感市场占据主导地位，并且无需依赖III-V族半导体制造工艺。
技术集群3：用于红外和紫外波段的III-V族及异质材料SPAD
硅的带隙特性使其无法在通信波段（1310/1550nm）工作，该场景必须使用III-V族化合物半导体。谢菲尔德大学采用InGaAs/InAlAs材料，在210K、1550nm条件下实现26%的光子探测效率及70ps的时间抖动；该研究展示了InAlAs雪崩区在抑制后脉冲方面优于InP的特性。格拉斯哥大学研制的平面型Ge-on-Si SPAD，在125K、1310nm下实现了38%的单光子探测效率，相较于台面型结构，其噪声等效功率（NEP）提升了50倍，并且后脉冲效应相比InGaAs/InP器件显著降低。谢菲尔德大学于2023年针对锑基III-V族四元材料的研究表明，该材料的电离系数比可与硅媲美，能够实现低噪声短波红外APD/SPAD器件。
技术集群4：SPAD阵列与像素级集成
该技术集群聚焦将单个SPAD单元扩展为大尺寸阵列。索尼利用两步深槽隔离和嵌入式金属光学屏蔽技术，实现了3.06μm像素SPAD阵列，其光子探测效率达到57%，串扰为0.4%，暗计数率为15.8 cps。布鲁诺凯斯勒基金会研发的NUV-HD硅光电倍增管（SiPM）在420nm波长下实现了63%的光子探测效率，暗计数率为100kHz/mm²，并在PET闪烁体读出应用中实现了100ps的符合分辨时间。西南技术物理研究所为无人驾驶激光雷达平台制备了64 × 64硅基SPAD阵列与InGaAsP/InP SPAD阵列。
图2 代表性SPAD器件性能基准
SPAD产品的商业应用领域
车载激光雷达是本数据集所涵盖领域中商业化最活跃的应用方向，多篇文献明确将激光雷达列为首要设计目标。但SPAD应用场景十分广泛，各垂直领域对器件参数的取舍要求各不相同。
汽车激光雷达与三维测距
基于SPAD的飞行时间（ToF）测距系统可支持自动驾驶汽车的三维感知功能。惠普实验室基于0.18μm CMOS工艺制备P+/N阱结SPAD，击穿电压低于10V，旨在满足激光雷达对低成本和低电压的需求。西南技术物理研究所在无人驾驶激光雷达平台搭载64 × 64 SPAD阵列。KETEK于2021年推出的Tip雪崩光电二极管，解决了制约激光雷达动态范围的SiPM几何效率权衡难题。包括ISO在内的标准组织正在制定激光雷达性能与安全标准，这些标准将影响车规认证对SPAD产品的指标要求。
生物光子学与医学成像
SPAD阵列可为荧光寿命成像（FLIM）、荧光共振能量转移（FRET）、拉曼光谱、正电子发射断层扫描（PET）提供所需的时间精度与单光子灵敏度。洛桑联邦理工（EPFL）AQUA课题组于2019年综述了涵盖基于SPAD的内窥镜FLIM、超分辨显微、近红外光学断层成像（NIROT）以及带像素级时间戳的PET方案。布鲁诺凯斯勒基金会研发的NUV-HD硅光电倍增管用于PET闪烁体读出，符合分辨时间为75~100 ps，并针对LYSO（Ce）晶体耦合做了优化。哥伦比亚大学研发的72 × 60角度敏感SPAD阵列将衍射光栅集成于SPAD像素，实现了微米尺度无透镜三维荧光寿命成像。
量子通信与量子光子学
在量子密钥分发、量子计算读出及纠缠实验中，SPAD可作为超导纳米线单光子探测器（SNSPD）的室温替代器件。2020年，意大利国家研究委员会光子与纳米技术研究所和米兰理工大学基准研究表明，相较于SNSPD，SPAD具备室温工作、易于规模化的优势。日内瓦大学于2007年研发的自由运行模式InGaAs/InP SPAD实现了10%的探测效率，且噪声低于2kHz，这一成果为光纤量子密钥分发应用奠定了基础。新加坡国立大学验证了硅基APD在400 km轨道星载量子通信场景下的抗辐照能力，该成果与欧空局等航天机构布局的星载量子密钥分发网络相关。
空间天文学与高能物理学
2022年，夏威夷大学（University of Hawaii）针对百万像素近红外APD阵列的研究表明，碲镉汞线性模式APD在50K温度下工作时，可实现每个像素每千秒约3个电子的暗电流水平，从而满足系外行星光谱分析对超低背景噪声的严苛要求——这是目前任何硅基SPAD都无法达到的指标。在粒子物理领域，日内瓦大学于2022年研发的皮秒雪崩探测器采用基于130nm SiGe BiCMOS工艺的多结硅像素，实现了带电粒子的轨迹追踪及皮秒级时间戳记录；巴塞罗那大学于2010年针对高压0.35μm与0.13μm CMOS SPAD器件展开对比研究，量化了粒子对撞机追踪探测器在低暗计数率与响应速度之间的权衡关系。
综上，SPAD产品应用覆盖汽车激光雷达、生物光子学与医学成像、量子密钥分发、自由空间光通信、高能物理粒子探测以及空间天文学。不同应用领域需要在光子探测效率、暗计数率、时间抖动与填充因子之间做差异化取舍，因此单一SPAD架构无法在全部垂直场景下实现最优性能。
SPAD五大新兴研发方向（2022~2025）
基于SPAD数据集中的最新专利申请与近期发表的文献，可归纳出五大前瞻性研发方向——每一个方向都代表了针对未来三到五年内如何提升SPAD性能所做出的独特技术布局。
图3 SPAD五大新兴研发方向（2022~2025）：像素间距微缩、先进CMOS工艺节点集成、3D堆叠架构、纳米结构增强光吸收、短波红外单光子探测器
1. 像素间距微缩——像素间距小于4μm的SPAD阵列。索尼于2023年推出3.06μm像素SPAD阵列，采用了两步深槽隔离和嵌入式金属光学屏蔽技术，证明了SPAD像素间距已逼近动态随机存取存储器（DRAM）级微缩水平。该技术发展趋势预示，百万像素SPAD阵列传感器有望在消费电子与汽车场景中和传统CMOS图像传感器同台竞争。
2. 先进CMOS工艺节点集成——28nm FD-SOI及更先进工艺节点。意法半导体于2021年开发的28nm FD-SOI主动淬灭复位电路，以及2024~2025年后续申请的像素级专利表明，这种能够实现亚40ps级雪崩探测并显著降低后脉冲效应的先进工艺节点集成技术，正迈向商业化应用阶段。
3. 3D堆叠架构——堆叠/键合式SPAD-逻辑电路衬底架构。灵明光子（Adaps Photonics）在2021~2023年期间申请的一组涵盖美国及国际（WO）的专利，描述了SPAD晶圆与逻辑电路衬底键合方案。该三维集成方案将SPAD光学优化与读出电路晶体管微缩解耦，与传统CMOS图像传感器向背照式（BSI）3D堆叠架构演进的思路一致。
4. 纳米结构增强光吸收——超构表面（Metasurface）与光子捕获纳米结构增强技术。中国计量大学于2020年研发的SPAD超构表面方案、加州大学戴维斯分校于2022年研发的光子捕获纳米结构方案，将光吸收增强效应与SPAD器件本体结构解耦，可提升光子探测效率，同时不劣化暗计数率与时间抖动，这是扩展硅基SPAD近红外响应的极具潜力路线。
5. 短波红外单光子探测器——面向短波红外的Sb基及Ge/GeSn异质结构APD/SPAD。谢菲尔德大学关于Sb基低噪声APD的综述（2023年）以及广东大湾区研究院关于Ge/GeSn和InGaAs短波红外APD的综述（2023年）均表明，受激光雷达人眼安全要求及大气传输窗口的推动，将单光子灵敏度扩展至1.5–2.5μm短波红外波段的研发力度正日益增强。
对知识产权与研发团队的战略启示
CMOS工艺节点迭代是SPAD核心竞争主战场：掌握基于28nm FD-SOI及更先进工艺节点的SPAD知识产权的企业，将有能力主导汽车激光雷达、消费级飞行时间（ToF）传感器等对成本敏感的大批量市场。研发团队在投入定制工艺流开发前，应当评估SPAD器件架构是否可适配65nm以下工艺。
3D堆叠技术将导致SPAD市场分化。灵明光子与索尼所展示的SPAD-逻辑电路衬底键合架构，实现光学性能与数字电路微缩解耦。知识产权策略人员需要跟踪该技术路径能否构建长期壁垒，还是会在3~5年内因晶圆厂标准化3D堆叠工艺而让集成优势趋于同质化；这一过程可类比背照式CMOS图像传感器的发展历程。
针对特定应用进行优化至关重要。PET闪烁体读出（布鲁诺凯斯勒基金会的NUV-HD硅光电倍增管，75~100ps符合分辨时间）、量子光子学（低暗计数率、低后脉冲概率）、激光雷达（高填充因子、均匀击穿特性），各自对器件参数取舍有不同要求。试图依靠单一SPAD架构覆盖全部领域的专利布局策略，会面临在各垂直赛道被专用化竞品超越的风险。Nature期刊及其子刊光子学相关文献持续证实，不存在任何单一器件架构能够同时优化SPAD全部五项核心性能指标。
延伸阅读：
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