单光子雪崩二极管是单光子探测器的核心器件之一,可用于检测光信号。随着光电探测技术的日趋成熟,基于180nm CMOS工艺的单光雪崩二极管具有响应速度快、功耗低、体积小、批量生产以及易于集成的特点,一直以来都受到科学界和工业界的高度重视。常被用于荧光寿命成像、近红外光学X线照相(NIROT)、早期疾病检测和医学诊断、拉曼光谱等多个领域。硅(Si)作为单光子雪崩二极管的普遍材料,可以探测波长在300nm～1100nm范围的光信号。但由于硅材料本身性质的影响,导致器件整体光子探测效率不高,特别是对长波长范围内,光的吸收并不理想。如何通过结构创新改善单光子雪崩二极管波长探测情况成为如今研究的重点。首先,本文对单光子雪崩二极管的工作原理进行阐述,并描述单光子雪崩二极管的性能参数:击穿电压、光谱响应、雪崩发生率、光子探测效率、量子效率等。列举现有两种创新型单光子雪崩二极管结构,分析各自结构优点与不足。然后,提出了一种具有双电荷层结构的单光子雪崩二极管。P+区域为光吸收区,主PN结由P-charge/deep n-well接触形成,边缘p-/deep n-well接触用于防止边缘击穿。deep n-well与N隔离层(N-iso)交界处掺杂形成N-charge,能够改善光谱响应并进一步提高光子探测效率。器件工作时,N-iso、N-well(N阱)/p-epi(p外延)可以将器件中心区域与衬底隔离,有效降低耦合噪声并解决闩锁效应。利用半导体器件仿真软件silvaco TCAD,对I-V特性进行仿真;除此之外,研究光电流产生的微观机理,实现对P-charge浓度、N-charge的位置优化,得到高光子探测效率。将其性能与多种不同工艺、结构的单光子雪崩二极管进行对比,进一步说明本文所提出的单光子雪崩二极管整体可以达到高的光子探测效率。最后,在双电荷层单光子雪崩二极管结构的基础上,提出沟槽式单光子雪崩二极管结构,主结由N-charge/deep p-well形成。增加多晶硅(poly)层以及沟槽电极,将有无多晶硅层以及沟槽电极类型作为变化量,分析4种不同结构下的性能参数:击穿电压、电场强度、碰撞产生率、电流流径等。并对光生载流子渡越时间、扩散电流原理分析。最终在5V过偏压下,300nm～800nm范围光子探测效率均可以达到30%以上,光子探测效率峰值约为70%,当波长为900nm时,仍有接近16%的光子探测效率。证明本文提出结构,确实能够在可见光和近红外范围达到较好的光子探测效果。