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在可见光和近红外光波段,硅单光子雪崩二极管作为硅单光子探测器的核心器件已经被广泛地研究和实现,在检测弱光信号方面发挥了重要作用。在过去的十年中,特别是在单光子雪崩二极管与CMOS工艺的结合之后,单光子探测传感技术在荧光光谱、生物、量子信息和量子光学等领域都展现出了良好的应用前景和发展潜力。众所周知,以堆叠结光电二极管为核心器件的CMOS图像传感器不必借助拜耳模式的滤色器就可以分辨光谱。受这种结构的影响,许多专家和学者开始研究基于CMOS工艺的堆叠结单光子雪崩光电二极管,以期望在微光条件下能实现光谱分辨。本文参考现有的单结结构器件,设计了一个垂直堆叠的双结结构器件,能够同时对蓝紫光和近红外光进行探测。首先,对单光子雪崩光电二极管的边缘效应、光子探测效率和暗计数率等性能参数进行了全面的阐述,并且对SPAD的三种淬灭模式(被动式淬灭模式、主动式淬灭模式和门控式淬灭模式)进行了分析和比较,得出它们各自的优缺点和适用情况。然后,提出了一种基于SOI工艺的垂直堆叠的双结结构。其中浅结部分由p+区域、n型电荷层确定了中心有源区域,结合反型n阱组成了虚拟保护环;深结部分由深n阱和p型外延层组成,依靠外延层浓度的渐变在结的外围形成了虚拟保护环,有效地避免了边缘击穿。本文使用Silvaco公司生产的Silvaco Atlas 5.20.2 R半导体器件仿真工具对所提出的垂直堆叠双结单光子雪崩光电二极管结构的掺杂浓度、V—I特性曲线、电场强度分布、光子探测效率和暗计数率等参数进行了全面的仿真和计算,由此验证了所提结构达到了预先设定的要求,能够进行单光子的探测。同时为了体现所提结构的良好性能,本文把所设计的SPAD结构与现有的一个双结结构进行对比,通过仿真验证和计算得到了光子探测效率的对比曲线,说明了本文所设计的单光子雪崩光电二极管能够在蓝紫光和近红外光波段达到满意的效果。最后,本文对像素单元中的淬灭恢复电路进行了详细的设计和优化,建立了SPAD的等效电路模型,采用了主动式淬灭恢复电路,并完成了延迟保持电路的设计。对设计的电路使用Cadence仿真工具进行了各个环节的仿真。从仿真结果可以得出本文所采用的方案有效地降低了SPAD的死时间(大约为2.5ns),提高了探测器的探测频率。论文的结尾部分,使用版图绘制工具对整体的像素单元进行了版图的绘制。