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半导体学报(英文)2026年第7期——中文导读：11-13

已有 126 次阅读 2026-9-1 09:52 |系统分类:论文交流

研究论文

11 基于可重构SPAD宏像素与算法协同的高分辨率直接飞行时间成像系统

三维成像技术是自动驾驶、工业检测、机器人避障等领域的核心感知方案，直接飞行时间（D-TOF）成像凭借测距逻辑简单、理论测距距离无上限的优势，成为固态激光雷达主流技术路线。单光子雪崩二极管（SPAD）图像传感器具备单光子级超高探测灵敏度，被广泛搭载于D-TOF成像设备。但现有SPAD成像芯片存在固有瓶颈：受激光功率、硬件尺寸与功耗限制，远距离探测能力不足；采用宏像素架构提升探测灵敏度时，会直接损失空间分辨率，灵敏度与成像分辨率难以兼顾，无法同时满足远距离探测与高精度细节成像的双重需求，制约了SPAD D-ToF设备的落地应用。

近日，中国科学院半导体研究所于双铭副研究员团队提出一套软硬件协同设计方案，研发融合可重构宏像素SPAD图像传感器与轻量化深度补全算法的D-TOF成像系统。芯片采用背照式三维堆叠工艺制备64×64 SPAD阵列，每8×8子像素组成一组可配置宏像素，可切换1×1至8×8多种像素组合模式，动态平衡探测灵敏度与空间分辨率；配套注入锁定环形振荡器型TDC阵列，实现152.5 ps高精度飞行时间测量。针对宏像素带来的分辨率衰减问题，团队设计轻量化pNCNN深度补全网络，仅依靠稀疏深度数据即可重建高清稠密深度图，网络仅57k参数，适配芯片端轻量化部署。

实测结果显示，系统仅使用10 mW低功率激光，最大测距可达90 m，测距效率优值FOM达9 m/mW，远超同类型器件；宏像素8×8模式下原始分辨率仅8×8，经算法重建后等效分辨率最高提升30倍，深度重建误差仅0.019 m，成像精度领先主流算法。芯片光子探测效率12.9%，功耗210 mW，兼顾远距离探测与精细成像能力。

该软硬件协同方案突破传统SPAD dToF成像灵敏度、分辨率互相制约的痛点，以低硬件开销实现长距离、高清晰度三维感知，为小型化车载激光雷达、工业三维检测设备提供全新芯片设计思路，加速单光子成像器件产业化落地。

图1. 整套三维成像系统工作流程示意图：SPAD传感器输出稀疏深度图，经深度补全算法生成稠密高清深度图像。

图2. 64×64三维堆叠SPAD芯片整体架构示意图。

图3. 不同宏像素配置下测距性能对比，展示像素规模与最远探测距离的对应关系。

该文章以题为“An algorithm-assisted high-resolution D-TOF imaging system with reconfigurable macropixel-based SPAD image sensor”发表在Journal of Semiconductors上。

文章信息：

An algorithm-assisted high-resolution D-TOF imaging system with reconfigurable macropixel-based SPAD image sensor

Zhe Wang, Jia-xing Song, Na Tian, Xing-jia Ni, Xu Yang, Run-jiang Dou, Peng Feng, Jian Liu, Nan-jian Wu, Li-yuan Liu, Shuang-ming Yu

J. Semicond. 2026, 47(7): 072201 doi: 10.1088/1674-4926/26030004

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12 一种基于阻变存储器的计算内存在低温环境下的自适应精度校正策略

阻变存储器（RRAM）存内计算技术被视为高能效AI加速器的核心方案，但其在深空、极地等低温场景下的可靠性面临严峻挑战——温度降低会导致RRAM电阻态漂移，使模数转换器（ADC）参考电流失准，进而造成推理准确率大幅下降。实验表明，室温下，基于RRAM的存算芯片对FashionMNIST任务的推理准确率达87.6%，在-40℃时竟跌至75.4%。

近日，复旦大学微电子学院田京辉博士与中国科学院微电子研究所许晓欣研究员，郑旭助理研究员团队，在基于28 nm CMOS工艺的高可靠性多值RRAM芯片上，提出自适应参考电导算法（ARCA）。该算法通过建立温度与最优参考电导之间的线性模型（R²=0.9868），实时调整ADC的量化基准，动态抵消低温漂移误差。实测结果显示，在-40℃下，采用ARCA后推理准确率从75.4%回升至86.8%，几乎恢复室温水平。

图1.（a）最优参考电流随温度变化拟合曲线。（b）采用ARCA算法前后不同温度下准确率对比。

该文章以题为“An adaptive accuracy correction strategy in resistive random access memory (RRAM)-based computing in memory (CIM) in low-temperature scenarios”发表在Journal of Semiconductors上。

文章信息：

An adaptive accuracy correction strategy in resistive random access memory (RRAM) -based computing in memory (CIM) in low-temperature scenarios

Jinghui Tian, Chengyue Li, Pengbin Liu, Xu Zheng, Qi Liu, Xiaoxin Xu

J. Semicond. 2026, 47(7): 072301 doi: 10.1088/1674-4926/26010024

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13 延迟自外差法在激光频率噪声宽量程表征中的系统性优化

窄线宽激光器是相干光通信、高精度激光雷达、时频传递和分布式光纤传感的关键光源。激光器频率的微小抖动会转化为相位噪声，限制探测距离、测量精度和分辨率。在相干光通信中，信息不仅调制在光强上，也调制在相位上；在调频连续波激光雷达和分布式光纤传感中，距离、速度或微弱振动往往要从频率和相位变化中读出；在时频传递和精密光谱中，光源自身的漂移会直接进入测量误差。频率噪声功率谱可以帮助研究人员追溯噪声来源，并为激光器设计、筛选和研制提供依据。

延迟自外差（DSH）技术通过激光延迟拍频的方法，无需额外配置一台超高稳定度参考激光器，因此是激光线宽和频率噪声测量中的常用方案。但它并没有一套能直接适用于所有激光器的固定参数：面对亚kHz窄线宽激光，短光纤的相位放大不足；采用极长光纤又可能带来环境扰动。面对MHz级宽线宽激光，长光纤会令系统传递函数快速起伏，在离散傅里叶变换中引发频谱泄漏，导致高频噪声底被人为抬高。过去的研究往往聚焦于某一类线宽或某一种处理方式，缺少延迟、窗函数与解调算法的统一选型依据。

近日，中国科学院半导体研究所谢亮研究员课题组对100 Hz至10 MHz线宽范围内的DSH频率噪声测量进行了系统优化。团队测试5种激光器，设置5 km、1 km、10 m和2 m四档延迟光纤，每种激光器与光纤组合均独立采集50组数据；比较矩形窗、汉宁（Hann/Hanning）窗、海明（Hamming）窗、布莱克曼（Blackman）窗、布莱克曼-哈里斯（Blackman-Harris）窗和平顶（Flat Top）窗6种窗函数，以及希尔伯特变换（HT）相位解调、同相/正交（IQ）相位解调、希尔伯特变换-差分交叉相乘（HT-DCM）、IQ-差分交叉相乘（IQ-DCM）和软件锁相环（SPLL）5种算法。

结果表明，延迟光纤具有双重作用：低频偏下，系统相位噪声响应近似随延迟时间平方增强，长光纤可提高窄线宽激光的测量灵敏度，却会放大宽线宽激光的频谱泄漏。在本研究覆盖范围内，亚KHz激光采用5 km延迟可将微弱相位漂移提升至系统噪声底以上，1 kHz至约100 kHz宜采用1-5 km延迟，1 MHz至10 MHz量级激光则宜采用2-10 m短延迟。汉宁窗和布莱克曼窗能够有效抑制旁瓣和频谱泄漏，使不同延迟条件下的频率噪声谱保持良好一致性；矩形窗和端点不为零的海明窗不宜用于宽线宽测量。经传递函数校准和平均处理，优化后的单通道系统可分辨约0.04 Hz²/Hz的本征频率噪声。

算法评估进一步表明，最优解调方案取决于测量信噪比。在-3 dBm和-6 dBm输入功率下，频率噪声谱基本一致，HT相位方法兼顾全频段准确性与计算效率。当输入功率降至-15 dBm时，HT解调相位展开可能发生周跳，窄线宽激光的HT重构误差超过22 dB；无需相位展开的IQ-DCM仍能保持本征谱形。因此，高信噪比条件下可优先采用HT，功率受限或极低信噪比条件下则宜采用IQ-DCM。

该研究将分散的经验参数转化为可复用的跨尺度测量准则，为避免灵敏度不足、频谱泄漏和算法失效所导致的系统误差提供了依据。相关结果可用于激光器噪声溯源、性能评价、器件迭代与稳频设计，并为相干通信、激光雷达、精密光谱、时频传递及光纤传感中的低噪声光源测试提供方法支撑。后续若结合自适应参数选择、实时数字处理和环境噪声补偿，可进一步推动频率噪声测量的仪器化与标准化。