斯坦福博士研发低成本激光雷达芯片，年内出货百万颗
作者丨Lucas
编辑丨刘恒涛
图源丨灵明光子
SPAD芯片是激光雷达关键的光电探测器，被视为“光子捕手”，即使在极暗环境，也能敏锐捕捉到微弱的光信号，进行环境感知。可以说，SPAD芯片决定了激光雷达的性能，是激光雷达的核心组件之一。
早期SPAD芯片依赖定制化的特殊工艺，工序繁琐、依赖人工，生产效率较低，也拉高了生产成本。
2018年，斯坦福博士臧凯成立灵明光子，基于自己的研究成果，用标准的CMOS工艺生产，成功将SPAD芯片的价格从当时的5000元降至800元，大幅降低了国产激光雷达的成本。2024年，灵明光子迎来激光雷达的市场爆发期，其产品已进入国内头部厂商的供应链，成为多家主流客户的芯片供应商。
作为国内最早将SPAD芯片生产兼容CMOS工艺并实现量产的公司，灵明光子自成立以来，已获得小米科技、欧菲光、OPPO、美团龙珠、高榕创投等机构融资。
1月15日，2025创业邦100未来独角兽荣耀发布，灵明光子成功登榜。
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突破关键技术
打通SPAD产业化路径
臧凯1989年出生于山东东营，一座因中国第二大油田——胜利油田而生的城市。作为一个石油移民城市，这里一切围绕着石油运转。
出生于工人家庭的臧凯，从小痴迷技术，喜欢探究事物背后的底层原理。2007年考入北大后，臧凯学习了大量编程课程，为了弄清楚计算机内部运行机制，他选择了更能触及硬件本质的电子工程系。北大毕业后，臧凯进入斯坦福大学，攻读半导体方向的硕士、博士学位。
按信号处理方式分类，半导体芯片可分为三类：处理电信号的电芯片，比如CPU、GPU；处理光信号的光芯片，比如纯光调制器、光开关等。光电芯片做的是光电互相转换和信号处理。SPAD芯片，就是将光信号转换为电信号的光电芯片。
读博期间，臧凯把研究方向定在光电芯片。这项技术融合了光芯片和电芯片的各自优势，既能利用电芯片进行逻辑运算与分析，又能借助光芯片实现信息的高速、低功耗传输。他预见，随着未来10年云计算、大数据及人工智能的爆发，市场对高速、高效、低耗能的数据传输和处理需求将扩大。这意味着，未来10到20年，光电芯片将在消费市场迎来机遇。
但光电芯片技术在当时过于前沿，尚未出现大规模应用。
为了寻找应用方向，臧凯将实验项目视为其创业项目，用天使投资人的心态和视角来做科研，尝试找出能够产业化的项目。最终，他选择了以各种光电芯片为核心器件的激光雷达。
选择激光雷达，是因为臧凯看到了产业化机会。
2012年，谷歌的无人车开始公开路测，但车顶上的激光雷达，体积大且价格昂贵，单个售价要数万元美元。这使得无人车无法获得大规模应用。行业共识是，激光雷达需要变小、需要降价，才能突破这一瓶颈。
问题在于，激光雷达内部的精密器件，采用“分立组装”工艺。这种方法相当于将每个器件先各自独立制造，再组合一起，导致激光雷达体积很大。此外，这种工艺在制造过程中需要人工逐个组装调试，效率较低，难以量产降本。
臧凯认识到，激光雷达要小型化、低成本，需要对其内部的光电芯片采用新的生产工艺。而要适应这套新工艺，就要对光电芯片的结构进行改良。于是，他开始研究相关改良方法，2017年，臧凯的研究获得突破，研究成果发表在国际学术期刊《Nature Communications》。这项研究成果，被视为SPAD效率和精度平衡的里程碑，为单光子探测芯片产业化开辟了关键路径。
2018年，臧凯回国后，与两位联合创始人创立灵明光子。这两位联合创始人，一位是他在斯坦福时的学长，另一位是荷兰代尔夫特理工大学的博士。他们的目标很明确，要将研究成果进行应用，用成熟的CMOS工艺生产激光雷达芯片。
兼容CMOS
造出百元级激光雷达芯片
激光雷达就像汽车的“超级眼睛”，不仅能感知环境，还能测量物体与车身的距离。它的工作原理是发射激光，再回收反射光，从而计算出环境信息。这其中，SPAD光电芯片专门负责接收光线，并将光信号转换成电信号，非常关键。
SPAD芯片占激光雷达成本的40%，在2017年海外售价高达5000美元。而且，SPAD芯片要正常工作，还要在外围配套一系列器件，导致整个接收模组占据很大的空间。
做体积小、低成本的激光雷达，臧凯采用的是电芯片的CMOS工艺。
CMOS是制造电芯片的生产工艺，是一种成熟的生产技术，能在一块硅基底上一体化集成各种器件，缩小芯片体积。而且，CMOS工艺拥有大量现成的半导体产线可代工，通过批量生产，极大摊薄单个器件的制造成本。而行业主流的SPAD生产，需要定制非标准化的产线，成本高，也难以大规模普及。
用CMOS工艺做SPAD，这条路行业探索已久，却始终走不通。究其原因是，CMOS工艺采用的硅层很薄，在特定光波段下的光子还没被吸收就直接穿过去了。这导致SPAD芯片接收光线的能力较差，也让激光雷达成像变得模糊。
基于臧凯2017年发表的论文思路，灵明光子设计了一种“光捕获”的新型架构：在SPAD芯片表面制作了特殊的纳米结构，改变光子的传播路径。当光子进入后，该结构会将其转为水平方向传播，使得光子在硅层内进行长距离的“跑动”，增加光子被硅材料吸收的概率。这项SPAD生产技术工艺与标准 CMOS 兼容，也意味着基于CMOS工艺，SPAD可单片集成、低成本量产。
同时，为了让“光捕捉”结构兼容进CMOS工艺，臧凯又专门开发了“光刻重排”和“TMAH湿法蚀刻”两项关键工序，用来制造模型并刻在硅层上。
为验证这套理论的可行性，臧凯在斯坦福纳米制造实验室尝试实践，成功制造出具有“光捕获”结构的SPAD芯片。测试数据显示，相比于无“光捕获”版本，该芯片将光转换为电信号的效率提升了3倍。
臧凯将这一设计工艺带回中国，和国内供应链伙伴一起，在现有CMOS产线的基础上进行改良，最终实现“光捕获”结构SPAD芯片的量产交付。
灵明光子成为国内最先使用CMOS工艺量产SPAD芯片的公司。当时，同期的国内企业在使用定制化、非标准的化合物半导体工艺，只能进行小批量生产。臧凯表示：“国内同级别SPAD芯片价格要到1500元，但我们的芯片能降到800元。”
目前，灵明光子最新一代SPAD芯片能生成44万像素的图像。这是主流最高水平，足以覆盖绝大多数激光雷达产品的需求，用于感知和测量周边环境信息，可应用在新能源汽车、无人机、扫地机等产品上。
灵明光子芯片产品图
不过，即使感光能力再强，激光雷达的图像在视觉效果上仍是由颗粒堆砌而成的灰度画面，只能勾勒出物体的轮廓，用于识别物体的空间位置。在成像清晰度上，其无法与摄像头相比较。
但臧凯认为，激光雷达未来趋势是更像摄像头，体积更小、成像更清晰，这是因为机器人、智能驾驶等产品既需要测量环境距离，也要清晰看清周边物体，这样才能安全、稳定地执行任务。而这一切，都有赖于SPAD芯片的不断升级迭代。
灵明光子正在推动激光雷达“摄像头化”，目前正调试200万像素的SPAD芯片，未来规划了800万、1200万、4800万像素的产品，当像素足够清晰，激光雷达能达到摄像头拍摄的效果。比如，它不仅能感知到“那里有一棵树”，还能感知树的复杂形状、每根树枝的走向。
瞄准AR/VR眼镜
提前五年布局
灵明光子的SPAD芯片已搭载在多个头部激光雷达产品上。公司推出了六款芯片型号，其中ADS6311累计出货量超50万颗，预计2026年全年出货达百万颗。据了解，华域电子、亮道智能等客户都将灵明光子作为核心的SPAD芯片的供应商进行技术研发。
ADS6311
公开资料显示，近年来，灵明光子营业收入连续翻倍增长。
在此之前，灵明光子的创业之路不轻松。臧凯也说，在灵明光子成立头几年，日子最难过，因为接不到订单。
2024年，激光雷达的前景仍不明朗。特斯拉坚持其纯视觉方案，导致国内车企对激光雷达路线犹豫不决；消费电子领域也未找到激光雷达的应用场景。
臧凯回忆，那是团队最迷茫的时期，团队曾考虑过放弃这个项目，或者将这项技术应用到其他领域。质疑声不绝于耳：“特斯拉都不用，你们做这个有啥用？”作为负责人，他白天要表现得信心十足，晚上常常一个人为此焦虑。臧凯经常把团队召集一起，希望给予大家更多信心。他让大家想象未来十年，公司产品能用在什么地方。每一次这样交流，团队成员都会有所启发。
臧凯也很感激产业资本给了他们支持，上汽集团和美团就是其中之一。“在行业都不看好的时候，上汽用自有资金投了我们。他们说，‘我们对行业看得很清楚。现在没有订单，但未来一定会有。我们投了钱，也请你们相信我们的判断。’”
转机出现在2024年，以城市NOA为代表的高阶智能驾驶技术落地。面对中国城市路况的复杂性，纯视觉方案在夜间、强光等环境下会被严重干扰，且研发成本大、周期长。而激光雷达成本已大幅下降，且在极端环境下也能识别障碍物，因此多家车企开始将激光雷达作为高端车型的标配。
市场大门打开，灵明光子基于CMOS工艺的芯片方案，因其在成本、可靠性和量产能力上的优势，获得了诸多激光雷达厂商的订单。
在半导体这个技术迭代极快的行业，选准方向几乎决定未来。
在臧凯看来，未来5到10年，世界将进入三维视觉时代，AR/VR眼镜等空间计算设备将迎来发展浪潮。由于部分AR/VR眼镜具备3D空间模型功能，需要通过激光雷达对物理空间的实时测量与定位，并在此基础上实现清晰成像。而激光雷达性能的提升，最终也要落到SPAD芯片的持续升级上。
“要用十年后的思维想问题，提前五年进行布局，在趋势到来时才能站在最前方。”臧凯如今花大量时间思考未来五到十年的路，并对未来充满信心。
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