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单光子雪崩探测器(single photon avalanche detector，SAPD)因具有响应速度快、探测效率高、体积小、质量轻、内部增益高以及功耗低等特点在环境监测、传感与遥感、军事及医药等领域具有广泛的应用。硅基SPAD(Si-SAPD)具有400-1100nm光谱响应范围、易于集成等优点，本文以实现自熄灭，高增益，高探测效率，低电压，低暗计数的Si-SPAD为目的。主要工作内容概括如下: (1)自熄灭Si-SPAD结构设计 对Si-SPAD工作原理进行细致分析，盖革模式下，器件吸收单个光子即可触发雪崩自持效应，从而实现单光子信号的检测。器件将产生大量的热并且不能实现对其它光子的检测，必须速淬灭雪崩防止器件损坏，传统Si-SPAD一般依靠复杂的外部电路实现。本文在传统Si-SPAD结构基础上，提出一种具有雪崩负反馈机制的新型器件结构。利用能带工程理论，通过结构自身形成pn结形成空穴势阱，俘获雪崩空穴，降低雪崩区电场至雪崩阈值以下，从而淬灭雪崩;雪崩终止后俘获的雪崩空穴通过热激发从势阱逃脱，雪崩区电场恢复到雪崩阈值以上，再次恢复到检测单光子状态。 (2)自熄灭Si-SPAD结构物理模型分析与结构优化 构建简单器件结构模型，利用载流子连续方程，泊松方程，碰撞离化理论，载流子热激发方程，并引入时间参数。通过计算和分析得出输出电流密度随时间变化关系，以及雪崩区电场随时间变化关系曲线，在理论上验证器件具有自熄灭自恢复特性。通过I-V特性曲线来定义雪崩击穿电压。为设计低功耗Si-SPAD，分析了影响雪崩击穿电压的因素，主要由雪崩区宽度和电荷层掺杂决定。通过理论计算和分析雪崩击穿电压曲线，得出雪崩区宽度不超过0.4μm，电荷层掺杂电荷密度高于2.6×1012 cm-2。触发雪崩的概率与载流子在雪崩区产生的位置有关，与由空穴或电子触发有关。随着工作偏压增大，探测效率和暗计数都升高，二者存在权衡关系。 (3)自熄灭Si-SPAD结构仿真和分析 由于n型阻挡层参数决定了器件自恢复时间参数，因此研究了n型阻挡层掺杂浓度改变对器件性能的影响。随着n型阻挡层掺杂浓度从0增加到1.0×1016cm-3，无偏压下，pn结形成的空穴势阱深度由0.2eV增加到0.52eV;盖革模式下，pn结形成的空穴势阱深度变为0eV到0.4eV。对其进行光照，通过计算得到1×108的高雪崩增益。分析器件瞬态特性，当存在n型阻挡层的器件，随着掺杂浓度升高，恢复时间由100ns增加280ns。同时，随着工作偏压升高，恢复时间减小。为进一步使器件结构简单，容易制备，设计了主要利用刻蚀和离子注入工艺实现的台面结构，得出恢复时间与掺杂浓度，势阱深度以及工作偏压的关系与垂直结构相匹配。通过分析不同台面对恢复时间和势阱深度的影响，得出恢复时间由空穴势阱深度和俘获的雪崩空穴总量共同决定。