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单光子雪崩二极管(Single Photon Avalanche Diode,SPAD)具有探测效率高、功耗低、响应速度快等优点,在高分辨率3D成像、分子成像、光谱学、量子通信等方面都得到国内外学者的广泛研究。其中,在激光测距成像方面,实现一个高时间分辨率、长探测距离、低功耗和小面积的SPAD探测器已经成为国内外研究热点。本文研究了一种基于直接飞行时间(Direct Time of Flight,D-TOF)法的SPAD激光测距像素单元,具体研究内容如下:首先,对SPAD器件结构进行了设计与建模。本文基于硅基CMOS工艺提出了一种SPAD器件新结构,解决了SPAD器件对近红外光子探测效率低的问题。该结构有一个主雪崩区与两个次雪崩环区。主雪崩区位于深N阱与P-外延层之间,能显著增强近红外短波光子探测效率。同时,在深N阱内又有两个对称环状次雪崩区,拓展了光谱响应范围。TCAD仿真结果表明在850nm的近红外短波段,新器件结构的光子探测效率(PDE)约为传统P+/Nwell结构的5倍,达到了19.9%,并且新器件结构在300nm-1000nm的光谱范围内都能够得到较高的响应。另外,相比于传统P+/Nwell结构,新器件结构受到带-带隧穿效应(BTBT)影响更小,暗计数率(DCR)随过偏压变化不明显,在温度低于20℃时DCR也远远低于P+/Nwell结构。其次,对SPAD像素单元的TOF测距电路进行了深入研究。本文设计了一种结构简单、动态范围大的TDC(Time to Digital Converter)激光测距电路。该TDC包括6位粗计数器、4位精定时器以及存储与读出电路。基于SMIC 0.18μm CMOS工艺,对该TDC电路进行了仿真、版图设计与验证工作。像素单元间距约为70μm,SPAD占像素单元的填充系数达到4.3%。TDC电路的精定时器采用直接延迟线结构,像素单元时间分辨率达到208ps,满量程时间为193.8ns,精定时器的差分非线性度(Differential Nonlinearity,DNL)为0.225/-0.14LSB,积分非线性度(Integral Nonlinearity,INL)为0.225/-0.151LSB,平均非均匀性小于257.76ps。本文设计的SPAD像素单元有以下优点:(1)、SPAD器件对于近红外短波光探测效率高、对于可见光范围内也能得到较高响应,并且基于标准硅基CMOS工艺制作,大大降低了成本;(2)、设计的10位TDC测距电路功耗低、时间分辨率高、非线性度低、满量程时间大;(3)、TDC测距电路版图面积小,整体填充系数较高。本文的研究是在硅基CMOS SPAD激光测距领域的一次尝试,为SPAD 3D成像像素单元的设计提供了一种可行方案。