盖革模式下的单光子雪崩二极管(SPAD)阵列兼具单光子信号探测和皮秒量级的时间相关性,现在已经开始应用于一些重要的科学领域,例如物理学,化学,生物学,航天学等。在与现代纳米CMOS工艺相结合的设计和制造中,能够在一整块芯片上直接集成光子探测器、单元电路和外围读出电路等。在应用于高速弱光环境下的探测时,需要着力提高器件性能、减小噪声、提高芯片集成度。本文在SMIC 0.18μm工艺下设计了一个128×128的全集成高密度单光子雪崩二极管阵列探测器。第一,设计了一种采用虚拟保护环结构和浅沟槽隔离的SPAD器件,使有源区直径降到5μm,整个器件直径降到11μm以下,观察其电场分布和掺杂浓度分布,雪崩电压,内部场强分布,证明了其适合小尺寸的设计。并且这种结构能够避免重掺杂引起的带带隧穿和暗计数率,材料缺陷引起的后脉冲,能够减少边缘效应同时将耗尽层的位置拉低,增加雪崩区深度,提高光子的探测效率。第二,设计了一个高度集成的像素单元电路,包括能够在3.5 ns内完成淬灭复位电路和一种超小规模的模拟计数电路,这个方案能够很好的折中速率和占用面积的影响,在电容取到150 fF时采用对数计数可达到105数量级的计数范围,而线性计数也可达到103数量级,采用一种交叉式电容嵌入到圆形SPAD阵列中,像素单元占空比得到显著提高。第三,设计了一种采用成熟的CMOS-APS阵列架构和列并行处理方式的SPAD阵列,其中128列地址总线中8路共用一个多路复用器将像素数据输入到后级电路,利用相关双采样电路在无光和有光的环境中分别采样相减,得到一个纯净并且能够直接反映入射光的模拟信号。设计了格雷码电路和译码电路控制实现128路行列字线的选择,并在最后设计了一个1MS/s 8-bit的低电压、低功耗的逐次逼近型模数转换器。综上,本文首次采用成熟CMOS-APS阵列架构实现SPAD阵列二维成像,并且所设计的圆形SPAD在采用了虚拟保护环结构后能将直径降低到11μm。不同于以往的数字计数电路做在外围电路中,本文使用了主动快速淬灭电路和模拟计数电路,首次将淬灭和计数电路作为一个整体嵌入在SPAD器件周围,提高阵列的集成度和芯片利用率。