伴随着科技的发展,三维图像技术应用越来越广,除了为计算机、机器人或其他智能机器赋予了人类视觉功能,也在计算机、机器人、虚拟现实的游戏机和视频、汽车自动驾驶系统、生物医学、图像分析、监控、工业检测、天体物理学等领域也得到了广泛的应用。但是目前的研究也面临着很多的困境,当要获得图像时,必须在短时间内获得大量的图像采集信息,弱光环境下光子严重匮乏,短时间的采集时间(从微秒到毫秒)无法满足需求。目前常用的电荷耦合器件(CCD)无法在弱光环境下提供高帧速率的瞬态响应,而采用雪崩光电二极管的像素阵列可以满足单光子探测,在弱光环境下实现快速响应和大的电流输出。本文对单光子雪崩二极管进行了理论分析和结构设计,采用0.18μm互补金属氧化物半导体(CMOS)工艺使雪崩光电二极管可以和后续电路集成形成单芯片探测器,根据已有的理论知识和已有的研究结果,对一种p阱/深n阱结的雪崩光电探测器件进行改进,在深n阱的保护环周围添加浅沟槽隔离(STI)层并且改变STI层的尺寸,探究STI对器件的影响,并对其进行了仿真、流片和测试,结果表明设计的雪崩光电二极管具备防止边缘击穿、高光电流及暗电流低等特点。本学位论文具体工作如下:1、首先分析了单光子探测技术难点,选用雪崩光电二极管进行单光子探测的原因;然后阐述了单光子雪崩二极管的工作原理以及光电流、暗电流、暗计数、光子探测效率等性能参数。2、根据理论分析,利用0.18μm CMOS工艺设计了一种单光子雪崩二极管结构,对单光子雪崩二极管进行Silvaco TCAD仿真,分析了雪崩二极管的雪崩电压、电场分布、光电流、暗电流、光谱响应等特性,解决了边缘过早击穿和暗计数大,光谱响应波长短的问题。3、对设计的单光子雪崩二极管进行了版图设计、流片、封装与测试,搭建测试电路,对器件的I-V特性、暗计数率、光电流及光谱探测效率等特性进行测试分析对比,测试结果表明当STI和保护环之间重叠长度为1μm时,单光子雪崩二极管(SPAD)能够抑制过早的边缘击穿(PEB)并产生更大的光电流以及更低的暗计数率(DCR)。室温下SPAD的击穿电压约为14.96 V,DCR为208 Hz,在510 nm波长下探测效率(PDP)为20.8%。