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单光子探测技术在国防军事、科学研究及民用生活等领域具有广泛的应用前景,例如量子通信中的密钥分配、天文学中的激光测距以及医学中的荧光寿命成像等。在这些新兴应用中,可获得的信号强度仅为几个光子能量级,甚至低于环境噪声,因此对作为核心部件的单光子探测器提出了很高的要求。其中,单光子雪崩二极管(SPAD)作为一种单光子探测器,具有高灵敏度、低功耗、高探测效率等优点而备受关注。通过与现代CMOS工艺相结合,可以实现SPAD单光子探测器及其外围电路的单片集成,在提高性能的同时减小噪声,获得更高的集成度。然而,随着CMOS工艺向深亚微米方向发展,器件尺寸更小,掺杂浓度更高,热预算更严格,这些因素都对SPAD结构设计和性能优化提出了挑战,现有的结构也显示出了一些弊端。为了解决这一问题,本文在分析现有结构的基础上,对影响SPAD性能的主要因素进行了详细地研究,并基于UMC 0.18μm CMOS工艺设计出了一种全新的SPAD结构。论文主要工作如下:1.基于单光子雪崩二极管的工作机制,对比分析了目前经典保护环结构的性能,同时结合UMC 0.18μm CMOS工艺,设计了两种使用经典保护环的SPAD结构。使用器件仿真工具Atlas对其进行了电学性能的仿真,如击穿电压、电场强度、量子效率、碰撞产生率等。通过对比与分析,指出现有保护环结构的不足以及CMOS工艺下制作SPAD的难点。2.在上述工作的基础上设计了全新保护环结构的SPAD,该器件使用非接触式保护环,在有效解决了边缘过早击穿问题的同时,改善了器件边缘的电场分布,增大了实际的感光面积。结果表明,该器件具有较低的击穿电压,在400nm~700nm之间具有良好的光学响应,在过偏压为2.5V时,峰值探测效率可达到39%。3.研究了基于CMOS工艺的SPAD淬灭电路。建立了SPAD的电学模型,并结合该模型对单管被动淬灭-被动恢复电路、主动淬灭-主动恢复电路、被动淬灭-主动恢复电路进行了仿真和分析。结合所设计SPAD的特点,最终选取了被动淬灭-主动恢复电路作为其外围淬灭电路。所设计电路结构具有感光面积大、晶体管数目少、电路紧凑等特点,有利于提高芯片的利用率和阵列的集成度。