单光子激光雷达的核心组件为单光子雪崩光电探测器SPAD，其性能的提升往往标志着激光雷达整体性能的提升。而在最近SONY发布了新一代SPAD探测器IMX 479，面向车载激光雷达应用。

单光子激光雷达的性能一方面依赖于SPAD的性能，另一方面相关优化算法也对光子利用率的提升以及噪声抑制起了重要性作用。

本篇文章主要对SPAD探测器的发展作梳理，并在最后给出SONY IMX 479的关键性能参数。

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单光子探测器的发展现状

常见的单光子探测器包括：光电倍增管（PMT）、超导纳米线单光子探测器（SNSPD）、单光子雪崩光电二极管（SPAD）以及硅固态倍增管（SiPM）。然而PMT量子效率低、体积大限制了其进一步应用，而SNSPD通常需要很低的温度又限制了其应用场景。目前应用最为广泛的是SPAD，接下来将介绍SPAD的关键性能指标以及分类。

SPAD的关键性能指标：

1、光子探测效率（Photon detection efficiency，PDE）；即入射光子到达探测器的感光区域并能够引发电脉冲的概率。
2、暗计数率（(Dark count rate，DCR）；即探测器在无光照时，由于分子的热运动而每秒产生的噪声事件数量。
3、死区时间（Dead time）；即探测器发生雪崩效应后到下一次能够探测光子产生脉冲的时间，
4、时间抖动（Timing jitter）；即探测其接收到光子的实际时间与理想时间的时间偏差，也是一种不可避免的误差。
5、后脉冲概率（Afterpulsing probility，AP）；即由被困载波在SPAD复位后释放电子并引发雪崩效应的概率。

而根据SPAD的材料分类，可分为硅基Si SPAD以及三五族InGaAs/InP SPAD。

硅基SPAD的典型探测光谱范围大致为350 nm-950 nm，而在近红外的区域内光子探测效率相比可见光低。

图一硅基SPAD工作波长范围

近几年的Si SPAD的性能进展如下表所示，其制造工艺包括标准CMOS、CIS(CMOS image sensor) 和BCD (bipolar-CMOS-DMOS)三种。由下图可知，在相同的工艺下，单位面积的SPAD 探测器总体上呈峰值PDE 增加、DCR 降低、死区时间越来越小的发展趋势。另外，不同CMOS工艺也对SPAD 性能产生显著影响，例如CIS 和BCD 工艺对于提高探测器的峰值PDE 和DCR 指标具有独特优势。总体而言，对SPAD 探测器的研究表现出向高性能、低功耗和高分辨率发展的趋势。

表一硅基SPAD近年性能指标

InGaAs/InP SPAD 主要工作于1100 nm-1700 nm之间。InGaAs 材料具有直接带隙、电离系数比大、晶格常数与InP 匹配等特点，是目前近红外波段性能最好的探测器材料之一。该器件的设计核心在于两点；一是精确控制吸收区、倍增区的电场大小从而抑制带间隧穿并增强载流子的雪崩、漂移效应；二是实现均匀的雪崩电场以减少过早的边缘击穿现象和暗计数率。

下表整理了近年来InGaAs/InP SPAD 探测器的最新进展和重要参数。由于现有工艺的限制，相较Si材料，InGaAs/InP 探测器内部缺陷相对较多，因此暗计数率显著高于Si SPAD 器件，往往需要制冷工作。除此之外，InGaAs/InP SPAD 的探测效率、死区时间和后脉冲概率等指标也存在提升空间。因此，通过优化雪崩材料质量和器件结构以进一步提高主要指标，将是InGaAs/InP SPAD 的重要发展方向。

表二 InGaAs/InP SPAD近年性能指标

基于SPAD探测器的激光雷达性能参数如下表所示，基本都是采用的硅基SPAD（价格相对InGaAs便宜）。目前，车载单光子激光雷达已能够在较低功率条件下，实现三维目标实时成像。

表三部分公司单光子激光雷达产品

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SONY IMX479

2025年6月10日，SONY发布 IMX 479，面向车载激光雷达应用。

量产出货时间2025年秋，含税价格35000日元，1739.15人民币（按当下汇率）。

新传感器使用最小3×3（水平×垂直）SPAD像素组合作为一个dToF像素，在提高线扫描系统的精度的同时，采用特别的元器件结构实现了520dToF像素的高分辨率，并支持高达20fps的帧率，帧率会因水平视场角（FOV）或分辨率的不同而有所变化。同时，在垂直方向上实现了相当于0.05度的角分辨率，使垂直方向的检测精度相比IMX459提高了约2.7倍。在车载激光雷达关键的三维目标监测中，可以准确识别250米外、仅25厘米高的物体（如掉落在道路上的轮胎）。

IMX479通过使用Cu-Cu连接的堆栈结构，将背照式dToF像素芯片（上层）和搭载新开发的测距处理电路等的逻辑芯片（下层）封装在单个芯片上。由此，在保持10平方微米的小像素尺寸下，实现了520dToF像素的高分辨率。此外，此次新开发的测距处理电路可以并行处理多个任务，提高了传感器的处理速度。

新产品的测距处理电路可独立处理每个SPAD像素的数据并计算距离，使激光雷达的距离分辨率提高到了5厘米间隔。

IMX479对像素的光入射面和底面进行了不规则设计，并优化了透镜形状。通过折射入射光来提高吸收率，使车载激光雷达光源常用的940纳米波长达到了37％的光子探测效率（PDE）。因此，即使在100,000lux以上的强光背景光环境下，也可以高精度地探测和识别最远300米外的目标物体。

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单光子探测器研究现状暨SONY IMX479发布