单光子雪崩二极管（SPAD,Single Photon Avalanche Diode）是一种具有极高内部增益的全固态平面结型探测器件,是单光子探测技术的主要探测器件之一。SPAD具有单光子量级的探测灵敏度和皮秒量级的时间分辨率,因此被广泛应用于量子通信、激光雷达和光学成像等领域。近年来,基于CMOS工艺的SPAD器件被大量研究。但由于CMOS工艺的固有工艺步骤,目前CMOS工艺制程的SPAD器件暗计数率仍然较高,这也是目前国际上SPAD器件的共性问题。针对基于CMOS工艺的SPAD目前存在的暗计数率较高的问题,本文在0.18μm的工艺节点下,研究了SPAD暗计数率产生的物理机制,在此基础上提出了两种低暗计数率的SPAD结构。具体开展的工作如下:（1）研究暗计数率产生的物理机制,分析了热激发（SRH,Shockley-Read-Hall）、陷阱辅助隧穿（TAT,Trap Assisted Tunneling）和带间隧穿（BTBT,Band-to-Band Tunneling）三种物理机制对暗计数率的影响;根据三种物理机制的载流子产生速率模型,搭建了暗计数率计算的物理模型,并在MATLAB中用算法实现,计算SPAD的暗计数率。（2）根据对暗计数率的研究,明确降低暗计数率的优化方向:降低雪崩区的电场以减小隧穿发生的概率,从而降低SPAD的暗计数率。设计了一款正面照射的SPAD结构,以P-I-N结作为器件的雪崩结。显著降低了器件的电场,抑制了隧穿的发生,使SPAD的暗计数率大幅降低。室温工作时,在过偏压5V的条件下,SPAD的暗计数率为0.88Hz/μm~2。（3）在正照射SPAD的基础上,考虑到以后SPAD器件成阵列集成的发展趋势,设计了一款背面照射的SPAD,采用扩散保护环,优化保护环的结构,增加了活性区域的面积,使器件的填充因子达到了53%。P-I-N结构使背照射SPAD的暗计数率保持在较低的水平,室温工作时,在过偏压5V的条件下,背照射SPAD的暗计数率为0.81Hz/μm~2。在此基础上,使用10μm厚的硅片提高了SPAD器件的长波探测效率,光波长为850nm时SPAD器件的探测效率达到20%。