单光子雪崩二极管（SPAD）产研观察（1）2025.6.22

以下是2000年至2025年单光子雪崩二极管（SPAD）领域的核心技术发展、专利布局、市场格局及未来趋势的综合分析，结合全球产业动态和最新研究成果整理而成：

⏳ 一、技术演进与专利格局（2000-2025年）

早期技术探索（2000-2010年）
- 此阶段以基础器件研究为主，专利集中于光电倍增结构和抗干扰设计。日本企业（如滨松）率先实现SPAD商用化，用于高能物理和医疗成像领域，专利集中于低噪声信号处理与封装优化。
技术爆发期（2011-2020年）
- 堆叠结构与集成化：佳能2018年申请堆叠式双核像素专利（JP2021013147A），通过分离感光层与电路层提升像素密度，支持双像素自动对焦（DPAF）。
- 效率突破：中国杭州电子科技大学2018年专利（201810935425X）提出P+/P/P型电荷层结构，横向扩展电流路径，显著提升光子吸收率，2022年完成成果转化。
- 制造工艺：台积电2018年专利（CN109728009B）采用深沟槽隔离（DTI）技术，降低像素串扰并提升量子效率，2024年获授权。
近期创新（2021-2025年）
- 温控技术：九章量子2024年专利（CN119374713A）通过动态调节TEC模块，解决温度漂移导致的暗电流问题。
- 光学设计：海康威视2025年专利（CN119630078A）在出光表面增加聚光反射层，将边缘光线汇聚至光敏区，提升光子利用率。
- 纵向结构：上海灵昉科技2025年专利（CN222897490U）设计垂直PN结，增大雪崩击穿面积，同时抑制边缘击穿。

🌍 二、全球市场与企业竞争版图

市场规模与增长

SPAD器件市场：2024年全球销售额达5.91亿美元，预计2031年增至14.31亿美元（CAGR 14.8%）。
SPAD传感器市场：2029年预计达26亿美元（CAGR 20.1%），主要由消费电子（86.6%）和激光雷达驱动。

区域与企业格局

日本主导：占全球市场43%，滨松、索尼、佳能垄断高端成像传感器。佳能2020年推出首款100万像素SPAD传感器，支持24,000帧/秒高速摄影。
欧美巨头：意法半导体（STMicroelectronics）、安森美（Onsemi）占据车载激光雷达市场，前三大企业合计份额61%。
中国企业崛起：
- 北极芯微：2023年发布自研SPAD芯片DTS3040（dToF）和PCL7150（PCI），获数百万元订单。
- 海康威视、九章量子：聚焦温控与光学优化专利，提升国产替代能力。

市场细分

分类维度	主要细分	份额/特点
波长范围	300nm~1100nm	77%（主流应用）
应用领域	激光雷达	33%（最大市场）
传感器类型	1D dToF传感器	93.9%（主导品类）

⚙️ 三、技术突破与创新方向

结构设计
- 堆叠式（佳能）：分离感光与逻辑层，支持高像素密度。
- 纵向PN结（上海灵昉）：扩大雪崩区面积，提升探测效率。
温度控制
- 九章量子动态温控算法将波动控制在±0.1℃，保障低温环境稳定性。
集成化与算力融合
- 北极芯微DTS3040芯片集成SPAD+TDC+协处理器，实现高抗干扰测距。

🔮 四、未来应用前景与发展挑战

核心应用方向

激光雷达：低成本车载方案（2031年市场规模占比将超40%）。
消费电子：手机3D传感（苹果、华为已应用dToF）、AR/VR手势识别。
量子技术：量子通信需超高灵敏度单光子探测。
生物医学：荧光寿命显微术、PET成像。

技术挑战

成本：晶圆级工艺良率低（＜60%），制约普及。
暗电流：高温环境下噪声显著增加，需材料革新（如锗硅衬底）。
国际竞争：美对华关税政策迫使中企布局东南亚产能（如“区域制造中心+本地化生产”模式）。

🚀 五、中国企业的突破与机遇

专利加速：2020-2025年中国SPAD专利年增率达35%，覆盖温控（九章量子）、光学设计（海康威视）等。
国产替代：北极芯微自研SPAD芯片实现dToF模组量产，成本比进口低30%。
政策机遇：结合“一带一路”产能合作，开拓东南亚、中东新兴市场。

💎 总结：技术-市场双驱动下的SPAD未来

SPAD技术正从“高精尖”走向“规模化”：日本在高端传感器领域地位稳固，欧美主导车载市场，而中国企业通过差异化创新（温控、光学设计）加速国产替代。未来增长将依赖三大引擎：

消费电子普及：dToF传感器成为手机、AR设备标配；
自动驾驶升级：低成本SPAD激光雷达推动L4级商业化；
量子科技突破：单光子探测为量子通信提供底层支撑。

中国企业需突破晶圆工艺与暗电流抑制技术，并通过全球化产能布局应对贸易风险，方能在2030年千亿市场中占据核心地位。

附录：技术发展里程碑