重磅发布：SPD2200 Premium晶圆级SPAD测试系统，提升LiDAR研发效率400%

近年来，在自动驾驶与先进驾驶辅助系统（Advanced Driver-Assistance Systems, ADAS）中，LiDAR（激光雷达，Light Detection and Ranging）扮演着越来越重要的角色。

LiDAR利用激光来测距与成像，能精确感知道路环境中物体的位置与形状，在各种光照条件下提供实时的三维环境信息。

相较于传统雷达，LiDAR具有更短的波长与更高的测距精度；与摄像机相比，则不受环境光线干扰，且具备更远的探测距离。因此，LiDAR技术迅速成为车辆感知系统的主流，各大车厂及科技公司纷纷投入研发。

SPAD（单光子雪崩二极管）技术的崛起，更进一步强化了LiDAR的性能表现。SPAD能精确检测单一光子，具备极高的灵敏度与纳秒级的快速响应能力，非常适合高精度LiDAR测距和可靠的目标识别。

此外，SPAD技术也逐步拓展至无人机、送餐机器人和工业机器人等新兴领域，通过精确的距离测量和环境感测能力，推动智能生活与工业4.0的持续发展。

在这些应用中，SPAD（单光子雪崩二极管）成为关键元件。SPAD能检测单一光子，具备极高灵敏度与纳秒级快速响应能力，适合高精度LiDAR测距和目标识别。

此外，SPAD技术也逐步应用于无人机、送餐机器人和工业机器人等领域，提供精确的距离测量和环境感测，推动智能生活与工业4.0的发展。

在这些新兴应用中，SPAD（单光子雪崩二极管）技术日益受到重视，成为系统的核心元件之一。SPAD是一种能检测单一光子的固态光电二极管，其偏置操作在崩溃电压以上的"盖革模式"，一旦有光子进入会触发雪崩放大产生可观测的电脉冲。

得益于极高的灵敏度和亚纳秒级的快速响应，SPAD被视为光子计数、ToF测距和LiDAR等需要高灵敏度、快响应应用的理想选择。

作为LiDAR传感器的光接收元件，SPAD能将单个入射光子的信号放大，如同雪崩效应般倍增电荷，因而即使非常微弱的回波光子也能被探测到。

这种单光子级的检测能力使LiDAR能在远距离上获得高精度的测距结果，也是实现高分辨率3D成像和可靠目标识别的关键，因此，LiDAR引领了自驾感测潮流，而SPAD元件则以其独特优势成为支撑两者的核心技术。

SPAD性能参数对应用效能的影响

要充分发挥SPAD在硅光子与LiDAR系统中的效能，必须了解各项性能参数对应用的影响。我们可将SPAD的主要性能指标分为两大类：光电特性参数与时间响应特性参数。

前者决定了器件对不同波长光的敏感度和基本噪声水平，后者则影响时间分辨能力与信号稳定性。这些参数共同决定了SPAD在实际应用（如LiDAR测距、ADAS感测）中的表现，对系统的整体效能和稳定性至关重要。

? 光电特性参数：

? 光谱响应（SpectralResponse, SR）：指SPAD对不同波长入射光的响应程度，通常用响应度曲线表示。良好的光谱响应意味着器件在目标波长（例如车用LiDAR常用的905 nm或1550 nm）处具有高灵敏度。若SPAD在特定波段的响应不足，将直接影响系统在该波段的探测能力，可能导致目标反射光难以被探测。

? 外部量子效率（External Quantum Efficiency, EQE）与光子探测概率（Photon Detection Probability, PDP）：

这两个指标皆衡量SPAD将入射光子转化为雪崩事件的效率。EQE指有多少比例的入射光子产生电荷并参与雪崩，PDP则直接定义为光子触发雪崩的概率（也称光子检出效率PDE）。

较高的EQE/PDP代表SPAD对光子的利用效率高，单位光通量下产生的有效信号更多。对于LiDAR这类光子数有限的应用来说，高PDP可提升探测距离和精度；反之，若PDP偏低，就需要提高发射激光功率或增加累积次数才能达到同等效果，这将提高系统功耗或降低实时性。

? 暗计数率（Dark Count Rate, DCR）：DCR表示在没有入射光时，每秒因热激发或缺陷而产生自发雪崩的次数。它反映了SPAD元件的本底噪声水平，是一项关键的噪声指标。

较低的DCR意味着传感器本身较为安静，虚警率低，有利于提高信号的信噪比（SNR）。相反，高DCR会淹没微弱的真实信号，降低LiDAR在远距离或低反射率目标下的探测可靠性。

同时，过高的暗计数可能迫使系统提高检测阈值或实施额外的滤波，进一步复杂化系统设计并可能降低灵敏度。

? 崩溃电压（Breakdown Voltage, BDV）：

BDV是SPAD进入雪崩导通状态所需的偏置阈值。SPAD通常在高于此阈值一点的"过压偏置"下运行，以保证单光子触发雪崩。

BDV的大小和均匀性会影响阵列中各像素的一致性：若每个SPAD元件的崩溃电压不一致，则在统一偏置下不同像素的灵敏度和噪声表现会有差异。

因此，在晶圆级范围内精确测量每个SPAD的BDV，有助于筛选出参数匹配的器件或进行补偿校正，以确保多像素阵列（如成像传感器）中所有像素的性能一致。

另一方面，BDV也与器件材料和结构相关，例如硅基SPAD的崩溃电压通常在数十伏量级，而采用Ge或InGaAs材料的SPAD（用于红外波段）可能有不同的BDV特性。掌握BDV还有助于设计合适的浅槽隔离和净空区域，以防止邻近器件之间的电气干扰。

? 时间响应特性参数：

? 时间抖动（Timing Jitter）：时间抖动指的是SPAD对同一固定延迟的光子重复测量时，输出信号响应时间的统计分布。常用全宽半高（FWHM）或全宽1/10高（FWTM）来量化抖动分布的宽度。

抖动主要源自雪崩启动过程中的随机性以及光生电荷生成位置的差异。较小的时间抖动意味着SPAD对光子到达时间的测量更精确，有利于提升LiDAR的距离分辨率和精度；反之，抖动过大会导致测距的不确定性增加。

例如，若SPAD的时间抖动为100 ps，则对应的测距不确定性约为15毫米（光在100 ps内传播约3厘米，往返距离的一半）。为了在ADAS环境中可靠区分行人或车辆等目标的距离差异，通常希望抖动远小于此量级。

? 后脉冲概率（Afterpulsing Probability）：后脉冲是指SPAD在一次光子触发的雪崩之后，因内部缺陷陷阱载流子复合再释放，而在短延迟后自发产生的额外雪崩脉冲。

Afterpulsing概率表示每次主要雪崩事件后出现额外伪脉冲的概率。后脉冲会带来几项负面影响：首先，它相当于产生虚假的探测事件，增加了噪声计数；其次，为了避免后脉冲干扰有效信号，通常必须在一次雪崩后对SPAD施加"死区时间"（hold-off time），暂时将偏置降至崩溃以下使器件失效一段时间。

这段死区时间内SPAD对光子不敏感，相当于降低了最高可实现的计数率和效率。如果后脉冲概率较高，所需的死区时间就需延长，限制了LiDAR发射激光的重复频率和系统扫描速度。

此外，高后脉冲会累积更多热量和载流子陷阱，长期可能影响器件寿命。因此，通过材料纯度提升与快速淬火电路来降低afterpulsing，是SPAD设计和应用中的重要课题。

? 扩散延迟尾（Diffusion Tail）：当入射光子在SPAD内部较深处被吸收时，所产生的光生电荷可能需要经由载流子扩散移动至高场区域才能触发雪崩。

这种扩散过程会导致部分雪崩事件的触发时间相对延迟，形成时间响应分布中较长的"尾巴"。特别是在较长波长（如780 nm或905 nm）光子可穿透至深层时，扩散尾现象更加明显。

扩散延迟尾使SPAD的时间响应曲线变宽，除了主要的即时响应峰之外还有缓慢衰减的尾部。这种延迟尾若不加以补偿，会降低系统的测距精确度，因为有些光子回波的到达时间被延后。

对LiDAR系统而言，扩散尾可能表现为距离分布中的额外拖尾信号或不对称点云模糊。因此，在SPAD设计上可通过结构优化使大部分目标光谱的光子在浅层被吸收，以缩短扩散路径；同时在信号处理上也可通过算法校正减轻扩散尾对测距的影响。

? 信号对噪声比（Signal-to-Noise Ratio, SNR）：严格说来，SNR是系统性能的指标，并非SPAD器件自身的内在参数。然而，SPAD的有效信号（由PDE/EQE决定）和噪声水平（由DCR和后脉冲等决定）直接影响最终系统的SNR。对于LiDAR接收机而言，SNR决定了它对远距离或低反射率目标的探测能力，以及在不同环境光干扰下维持性能的稳定性。

如果SPAD的PDP高且DCR低，则在其他条件相同时接收到的有效光子信号占比高、噪声占比低，SNR就高，LiDAR可以更可靠地检测微弱的回波信号并分辨真实目标。

反之，若SPAD噪声过大，接收到的回波信号容易被淹没在噪声中，需要多次平均或提高激光功率才能辨识目标，这会降低系统的实时性或增加能耗。

值得注意的是，SNR不仅关乎探测距离，对探测结果的稳定性也有影响——高SNR的系统对环境变化（如阳光、温度）引起的性能波动会更小。

因此，在设计和测试SPAD时，需要综合考量如何提升有用信号（提高PDP、优化光学结构）以及抑制噪声（降低DCR和afterpulsing），以使最终的系统SNR达到应用需求。

综上，SPAD的各项关键参数如光谱响应、量子效率、暗计数、崩溃电压、时间抖动、后脉冲和扩散尾等，彼此间往往存在权衡关系，共同影响着系统的整体效能与稳定性。

例如，为降低DCR往往需要妥协PDP，为缩短抖动可能需控制入射光谱分布以减小扩散尾，等等。只有透彻了解并精确量化这些参数，工程师才能在设计上优化SPAD元件，使其在特定应用（如ADAS激光雷达系统）中达到性能平衡，确保整体系统在各种条件下都能稳定运作并提供准确可靠的数据。

为何精确检测SPAD性能至关重要

由于SPAD的各项性能参数对最终应用表现有如此深远的影响，因此精确测试和表征SPAD元件性能成为研发与生产过程中的重要一环。

首先，对于LiDAR这种追求高精度的系统，任何元件级性能偏差都可能被放大至系统级的数据误差。如果缺乏对SPAD参数的精确掌握，系统在实际运行时可能出现不可预期的行为。

例如：若对某批SPAD的暗计数率评估不足，可能导致成品LiDAR在夜间或高温环境下出现过多的噪声点，误判为不存在的障碍物；又或者时间抖动超出预期，会造成测距值的随机抖动增大，削弱ADAS对障碍物距离判断的准确性，影响紧急制动等功能的可靠性。

精确检测SPAD性能还直接关系到数据的准确性与可靠性。在ADAS应用中，传感器提供的距离和图像数据需要高度可信才能保障行车安全——这意味着传感器的误报率（false alarm）和漏检率（miss detection）必须极低。

而这些指标都与SPAD的性能息息相关：严格控制的暗计数和后脉冲概率才能降低误报，充足的光子检出效率和适当的动态范围才能避免漏检。因此，在产品研发阶段，工程师必须对SPAD元件进行全面且高精度的性能测试，包括测量其在不同环境条件（温度、光背景）下的参数表现。

唯有如此，才能为LiDAR整机的感测算法和参数设定提供可靠依据，最终提升系统在各种场景下的数据可信度。

确保SPAD元件的优越性能也是提高产品竞争力的基础。当前ADAS激光雷达市场竞争激烈，各厂商都在比拼传感器的探测距离、更高分辨率以及更低成本。

SPAD作为核心感测元件，其性能优劣直接决定了终端产品的指标上限。通过精确测试，一家公司可以及早发现自身SPAD设计或制程上的不足，进而改进提升。

例如，通过对不同像素DCR和PDP的统计分析，可以优化制程以降低缺陷密度；通过抖动谱分析找出主要贡献源，可以改进结构以改善时间响应。

一旦成功提升了SPAD的关键性能指标（如在相同光源功率下量程增加10%、距离分辨率提升一倍等），对应的LiDAR产品竞争力将大幅提高，这在商业上意味着更大的市场吸引力和定价空间。

此外，在产品认证和客户验证方面，精确的性能数据同样不可或缺。车规级产品通常需要通过严苛的标准测试（如AEC-Q系列）才能获得车厂采用。

若没有可靠的SPAD元件测试数据，整个LiDAR模块的测试风险将提高，可能在认证阶段暴露问题而延误上市时间。反之，若能在研发初期就掌握SPAD的全面性能图谱，则可在系统设计时预留裕度并实施针对性补偿，以确保最终产品稳健达标。

一个经过完善测试验证的SPAD，不仅是产品质量的保证，也是对客户信心的支撑——产业专家和学者在评估一项新技术时，往往会关注其关键元件的测试数据是否充分且可信，这些数据是桥接实验室研发和实际应用的关键。

总而言之，在硅光子LiDAR与ADAS自动驾驶领域，精确检测SPAD性能至关重要。它不仅影响系统的性能调校和数据可靠性，更关乎产品开发迭代的效率与市场竞争力。

从研发角度看，只有掌握了元件级的真实表现，才能进一步优化设计、缩短开发周期；从商业角度看，优异且经过充分验证的SPAD性能将成为产品宣传中的亮点，为企业赢得产业专家与客户的信赖。

SPD2200 Premium的技术优势

随着业界对SPAD元件测试需求的提升，市场上出现了专业的测试解决方案。其中一款高阶设备——SPD2200 Premium晶圆级SPAD参数测试系统——以其优异的性能和灵活性受到了研发与生产单位的关注。

SPAD/雪崩光电二极管测试打造的系统，SPD2200 Premium在精确度、效率以及适应新技术需求方面具有明显优势，为企业加速研发和量产提供了有力支撑：

? 晶圆级测试速度提升400%：SPD2200 Premium可在晶圆层级直接对大量SPAD元件进行并行测试，相较传统测试的方式，大幅提高了测试效率。经实际验证，其晶圆级测试速度比上一代方案提升达四倍之多。这意味着研发人员能更快获取统计数据，加速迭代设计；同时在生产阶段，每片晶圆的全区测试时间大幅缩短，有助于提高产线效率并缩减产品上市时间。

? 支持新材料SPAD（如Ge基底）检测：为了因应新一代激光雷达和光通信对更长波长探测的需求，业界开始研发硅锗（SiGe）或锗基SPAD，以及InGaAs等材料的单光子雪崩二极管。SPD2200 Premium从硬件到算法均针对这些新材料进行了优化，可完整测试Ge材料SPAD的光谱响应、暗计数、崩溃电压等参数。

这种对多材料的支持能力，使SPD2200成为面向未来技术的投资：无论是可见光到近红外波段的硅SPAD，还是扩展至短波红外（SWIR）波段的锗/磷化铟镓SPAD，都能在同一平台上获得可靠测试，满足新一代产品研发的需求。

? 模块化设计，适应不同研发阶段：SPD2200 Premium采用模块化的架构设计，用户可根据需求选购或升级不同功能模块。例如，在早期研发阶段可使用基本的单像素参数测试模块，以较低成本验证概念；随着项目进展，可加装多像素矩阵扫描模块、温控环境舱等，以模拟实际应用条件并进行寿命压力测试。

模块化设计确保了系统的灵活性和可扩展性，用户无需一次性投入过多成本，即可随项目成长逐步完善测试能力。此外，它也方便设备维护和升级，减少未来技术演进带来的设备淘汰风险。

? 国际认证的精准性与再现性：作为商用级与专业级测试系统，SPD2200 Premium在测量精度和数据再现性上达到了国际认证标准。

其测试结果可溯源至国际计量基准，确保跨实验室的一致性。无论是在美国、欧洲或亚洲的研发团队，只要使用SPD2200测得的参数，都具有可比性和公信力。

对于需要与客户或第三方研究机构共享数据的企业，这样的精准性尤为重要：高可信度的测试数据可减少反复校验的时间，提高合作研发的效率。

同时，再现性优异意味着即便不同操作人员或不同批次测试，结果差异极小，方便企业制定严格的SPAD质量规范并稳定遵循。

? 专业级软硬件整合，提升可靠性：SPD2200 Premium将高速电子学、光源控制、数据采集和分析软件紧密结合，提供一体化的解决方案。

其内置的软件平台不仅可自动执行标准测试流程，还提供了丰富的数据分析工具，如暗计数统计、时间抖动分布曲线绘制、光谱响应拟合等。用户界面友好且支持SDK等，满足研发人员特殊测试的需求。

软硬件的深度整合带来两大好处：其一是减少了用户自行拼凑设备可能产生的兼容性问题，大幅降低了调试难度；其二是整体可靠性提升，长时间运行亦能保持稳定，使研发团队专注于数据本身而非仪器维护。

综合来看，专业级的软硬件整合不仅节省了研发成本（时间与人力成本），也提高了测试结果的可信度。

? 无缝产线整合，降低封装成本：对于计划量产SPAD的厂商而言，SPD2200 Premium提供了从研发到生产的平滑过渡能力。其晶圆级测试功能可直接部署于晶圆生产线上，在晶圆尚未切割封装前即完成筛选测试。这种做法可以及早淘汰掉性能不达标的晶粒，避免将不良晶粒封装成品后再测试出问题，从而降低封装和后段测试成本。

SPD2200可与半导体产线的自动搬运系统和数据库对接，实现测试数据与制程数据的联动分析，进一步提升良率。

例如，通过分析晶圆上不同区域SPAD参数的分布，可反馈晶圆制造过程中的工艺均匀性调整。最终，SPD2200测试系统可无缝融入生产流程，作为制造执行系统（MES）的一部分，为大规模生产提供稳健的质量监控，确保每批出货产品都满足规格要求，从而提高整体生产良率并降低单位成本。

综合以上特点，SPD2200 Premium展现了在SPAD元件测试领域的卓越实力。它不仅满足当前研发人员对精密测试的要求，也前瞻性地覆盖了未来技术走向所需的功能。

更难能可贵的是，该系统在提供高性能的同时注重实际应用中的经济效益——通过效率提升和流程整合，切实为企业节省成本并增强产品竞争力。

在强调专业性与实用性的平衡下，SPD2200 Premium已成为产学界关注的焦点方案之一。

结论

展望未来，SPAD技术在LiDAR与ADAS领域将持续扮演关键角色并迎来新的发展契机。一方面，随着CMOS工艺的不断进步和3D堆叠技术的引入，SPAD像素密度将进一步提高，阵列规模不断扩大（从现在的几万像素级迈向数百万像素级）。

这将使得高分辨率的单光子3D成像成为可能，甚至有望实现在单一芯片上集成发射端与接收端的全硅光子LiDAR系统。

另一方面，新材料与新结构的探索也将拓宽SPAD的光谱范围与性能上限。例如，锗和磷化铟镓材料的应用可让SPAD在1550 nm等更高眼睛安全波长下工作，同时量子转换效率进一步提升；表面等离激元增强、陷阱能阶工程等前沿技术则有望降低暗计数和后脉冲，使单光子探测更加可靠。

未来的SPAD可能不仅服务于汽车领域，也将在量子通信、医学影像、宇宙探测等领域大放异彩，成为推动各行各业进步的核心光子器件之一。

在这股技术演进浪潮中，像SPD2200 Premium这样的高端测试解决方案将发挥不可或缺的作用。随着SPAD研发进入更精密和多元的阶段，研发者迫切需要强而有力的工具来验证创新想法、缩短试错周期。

SPD2200 Premium通过其快速而准确的测试能力，加速了从原型设计到产品化的转换：研发人员可以更快速地获得关键参数反馈，调整设计方向；企业可以在较短时间内完成产品性能验证和可靠性测试，抢占市场先机。

同时，在量产交付方面，SPD2200严格的质量控管能力确保了每一颗出厂的SPAD元件都达到标准，为终端产品的稳定性保驾护航。这种从研发到生产的一体化测试方案，正是现代科技产业所追求的高效率模式：既保障了创新的深度和质量，又兼顾了市场速度与规模效益。

总结而言，单光子雪崩二极管（SPAD）以其检测单光子的独特能力，正引领硅光子学与自动驾驶感知技术的不断突破。而要让这项技术真正落地并保持竞争优势，对SPAD性能的精确检测与掌控必不可少。SPD2200 Premium等专业测试系统的出现，恰逢其时地为产学研各界提供了强有力的支持。未来，随着SPAD技术的持续进步和应用拓展，精密测试和平衡优化将一如既往地扮演重要角色。我们有理由相信，在完善的测试保障下，SPAD将加速走向成熟，推动硅光子激光雷达与ADAS自动驾驶技术迈向新的高度，为智能交通和光电科技的未来发展带来更多可能性。