我们描述了一种高性能平面InGaAsP/InP单光子雪崩二极管（SPAD），该二极管具有单独的吸收、分级、电荷和倍增（SAGCM）异质结构。通过电场调节和缺陷控制，SPAD在293 K的门控模式下工作，光子探测效率（PDE）为70%，暗计数率（DCR）为14.93 kHz，后脉冲概率（APP）为0.89%。此外，在死区时间为200 ns的主动淬灭模式下工作时，室温下实现了12.49%的PDE和72.29 kHz的DCR。

The influence of the virtual guard ring width (GRW) on the performance of the p-well/deep n-well single-photon avalanche diode (SPAD) in a 180 nm standard CMOS process was investigated. TCAD simulation demonstrates that the electric field strength and current density in the guard ring are obviously enhanced when GRW is decreased to 1 μm. It is experimentally found that, compared with an SPAD with GRW = 2 μm, the dark count rate (DCR) and afterpulsing probability (AP) of the SPAD with GRW = 1 μm is significantly increased by 2.7 times and twofold, respectively, meanwhile, its photon detection probability (PDP) is saturated and hard to be promoted at over 2 V excess bias voltage. Although the fill factor (FF) can be enlarged by reducing GRW, the dark noise of devices is negatively affected due to the enhanced trap-assisted tunneling (TAT) effect in the 1 μm guard ring region. By comparison, the SPAD with GRW = 2 μm can achieve a better trade-off between the FF and noise performance. Our study provides a design guideline for guard rings to realize a low-noise SPAD for large-array applications.

对InGaAs/InP单光子雪崩光电二极管进行结构设计与数值仿真，得到相应的电学与光学参数。针对雪崩击穿概率对器件光子探测效率的影响，研究了两次Zn扩散深度差、Zn扩散横向扩散因子、Zn掺杂浓度以及温度参数与器件雪崩击穿概率的关系。研究发现，当深扩散深度为2.3 μm固定值时，浅扩散深度存在对应最佳目标值。浅扩散深度越深，相同过偏压条件下倍增区中心雪崩击穿概率越大，电场强度也会随之增加。当两次Zn扩散深度差小于0.6 μm时，会发生倍增区外的非理想击穿，导致器件的暗计数增大。Zn扩散横向扩散因子越大，倍增区中心部分雪崩击穿概率越大，而倍增区边缘雪崩击穿概率会越小。在扩散深度不变的情况下，浅扩散Zn掺杂浓度对雪崩击穿概率无明显影响，但深扩散Zn掺杂浓度越高，相同过偏压条件下雪崩击穿概率越小。本文研究可为设计和研制高探测效率、低暗计数InGaAs/InP单光子雪崩光电二极管提供参考。

为了降低卫星激光测距中存在的漂移误差，基于卫星激光测距所获得的实测数据推算了卫星回波光子数，结合仿真分析了漂移误差产生的原因与计算方法，将计算得到的漂移误差补偿到测距结果中。选择特定目标持续五年的卫星激光测距数据，用所提方法对测量距离进行修正，修正值为10 ps量级~100 ps量级，最高可在测距数据中补偿掉770 ps的漂移误差。结果表明，使用该方法可以有效降低每圈数据的数据波动，减小了数据中由于能量变化导致的漂移误差，提高了数据质量。

研究了钛膜的特性及调控机制，通过烘烤后处理工艺分析了临界温度随烘烤时间和烘烤温度的变化关系，发现临界温度随烘烤时间对数降低，但是随烘烤温度指数降低。拓展了二流体模型提取了超导相变边缘单光子探测器的温度灵敏度系数和电流灵敏度系数，并结合脉冲响应得到了器件的热容，进一步理论计算了能量分辨率对器件临界温度的依存性。最终，在器件制备过程中集成光学腔体，在1 550 nm波长的光子吸收效率接近100%。研制的超导相变边缘单光子探测器系统探测效率超过90%，能量分辨率约为0.5 eV，可分辨至少10个1 550 nm光子，满足快速时变天体的观测需求。