单光子雪崩二极管(Single-Photon Avalanche Diode,SPAD)是盖革模式的雪崩光电二极管,是一种能够探测极微弱光信号的探测器,具有单光子探测灵敏度、皮秒量级响应速度、增益系数高等优点,在光场探测、光子学、激光测距等领域得到了广泛的应用和关注。基于CMOS工艺的SPAD器件可以实现与读出及信号处理电路单片集成,在许多单光子探测应用中获得了极大的兴趣,特别是高性能SPAD阵列探测器在高能物理探测、医学成像、量子通信等弱光探测领域。本文基于0.18-μm CMOS图像传感器(CMOS Image Sensor,CIS)工艺,从器件的物理机制和理论出发,研究了 SPAD的原理,建立了 SPAD的物理模型和电路模型,设计了具有探测效率高、工作速度快、噪声小等特点的SPAD。具体开展了如下工作:(1)建立SPAD的数值模型。通过考虑光子在耗尽区和中性区中的吸收以及注入式和分布式载流子的雪崩击穿概率,提出了 SPAD的单光子探测概率(Single Photon Detection Probability,SPDP)模型,并使用Matlab对模型进行了仿真。该模型从理论上分析了影响SPDP的因素,得到了 SPDP与过偏置电压Vex、结深d、入射波长λ、温度T的关系,将为SPAD的优化设计提供理论依据。基于SPDP模型,考虑暗计数率(Dark Count Rate,DCR)的影响,提出了新的单光子量子效率(Single Photon Quantum Efficiency,SPQE)模型;深入研究DCR的产生机制,通过分析热产生、带带隧穿、SHR复合中心产生的DCR与过偏置电压、温度的关系,从而得到SPQE与过偏置电压Vex、结深d、入射波长λ、温度T的关系。(2)建立SPAD的等效电路模型。基于SPAD的I-V测试结果,从SPAD的物理机制出发,使用串联电阻、指数电流源和电压控制开关建立了 SPAD的EDA电路模型。该模型不仅能模拟SPAD的静态特性,而且可以模拟SPAD的触发、自持、自淬灭和恢复等动态行为,同时可以模拟SPAD的死时间,对预测器件的死时间有很大的帮助。实验结果与仿真结果的一致性证明了该模型的有效性和准确性。(3)SPAD的设计与优化。为了缩短SPAD的死时间,在分析被动淬灭SPAD死时间的基础上,基于传统P+/N-well SPAD,提出了 P+/DNW SPAD。测试结果表明,P+/DNW SPAD的死时间和DCR均小于P+/N-well SPAD。有源区直径为20 μm时,淬灭电阻为10 kΩ时的最小死时间为0.76 μs,室温下的DCR为1.63 kHz。为了进一步缩小SPAD的尺寸,在使用Silvaco TCAD对SPAD特性进行仿真与分析的基础上,对P-well/DNW SPAD的保护环尺寸进行了设计与分析。设计了有效直径为20μm,保护环尺寸分别为1.2 μm、0.8 μm、0.4 μm和0.2 μm的四个SPAD并进行测试。测试结果表明,保护环尺寸为0.2 μm时,器件将发生边缘击穿;保护环尺寸减小到0.4 μm仍然能有效防止过早边缘击穿,SPAD的雪崩击穿电压为15.8 V,并表现出良好的雪崩击穿特性,有源区直径为20 μm时,过偏置电压为1 V的DCR为812 Hz。(4)SPAD 的应用研究。从飞行时间(Time-of-Flight,TOF)原理和时间幅度转换器(Time-to-Amplitude Converter,TAC)像素工作原理出发,选用SPAD作为光电探测器件,设计了 TAC像素电路并进行仿真;通过对系统结构及时序进行分析,设计了像素阵列并完成版图设计。SPAD采用八边形版图设计,阵列规格为32×32,阵列面积为1.975×2.0 mm2。