介绍了一种0.18 μm互补金属氧化物半导体(CMOS)技术的新型宽光谱荧光相关谱探测器,其为高边缘击穿、扩展光谱和低暗计数率的圆形单光子雪崩二极管(SPAD).该器件由p+/deep n-well结，p-well保护环和多晶硅保护环组成.通过Silvaco TCAD 3D器件仿真，直径为10 μm的圆形p+/deep n-well SPAD器件具有较高边缘击穿特性.此外，p+/deep n-well结SPAD比p+/n-well结SPAD具有更长的波长响应和扩展光谱响应范围.该器件在0.5 V过量偏压下，可在490~775 nm波长范围内实现超过40％的光子探测率.该圆形p+/deep n-well SPAD器件在25℃时具有较好雪崩击穿为15.14 V，具有较低暗计数率为638 Hz.

研究和分析了一种0.18 μm CMOS工艺单光子雪崩二极管(SPAD), 其结构能抑制过早的边缘击穿(PEB), 同时获得较大的光电流和低的暗计数率(DCR).该SPAD由p-well/deep n-well的感光结, deep n-well向上扩散形成的区域和边缘Shallow Trench Isolation(STI)共同形成的保护环组成.通过测试确定了与光电流和暗率有关的STI层的大小.结果证明, 在STI层与保护环之间的重叠区域为1 μm 时, SPAD的暗计数率和光电流最佳.此外, 直径为10 μm的圆形SPAD器件的暗计数率为208 Hz, 且在波长为510 nm时峰值光子探测概率为20.8%, 此时具有低的暗计数率和高的探测效率以及宽的光谱响应特性.

为了进一步缩小SPAD探测器的尺寸, 基于0.18 μm CMOS 图像传感器(CIS)工艺对p-well/DNW(deep n-well)SPAD的保护环尺寸进行设计, 并制造了不同保护环尺寸的SPAD器件.测试结果表明, 保护环尺寸减小到0.4 μm仍然能有效防止器件发生过早边缘击穿(PEB), 且保护环尺寸对p-well/DNW SPAD器件的暗计数率(DCR)和光子探测概率(PDP)影响较小.直径为20 μm的SPAD器件, 温度为25℃时暗计数率为638 Hz, 且波长为530 nm时峰值光子探测概率为16%, 具有低的暗计数率特性和宽的光谱响应特性.

基于0.18 μm互补金属氧化物半导体(CMOS) 图像传感器工艺提出一种新型的低暗计数率(Dark Count Rate)单光子雪崩二极管(SPAD)器件.该器件是利用P+/LNW(Light N-well doping)结检测光子,并通过低浓度的N型扩散圆形保护环抑制边缘击穿,确保其工作在盖格模式.测试结果表明在室温环境下,直径为8 μm的SPAD器件,雪崩击穿电压为14.2 V,当过调电压设置为2 V时,暗计数率为260 Hz,具有低的暗计数率特性.

提出了一种基于0.35μm CMOS工艺的、具有p+/n阱二极管结构的雪崩光电二极管（APD），器件引入了p阱保护环结构。采用silvaco软件对CMOS-APD器件的关键性能指标进行了仿真分析。仿真结果表明：p阱保护环的应用，明显降低了击穿电压下pn结边缘电场强度，避免了器件的提前击穿。CMOS APD器件的击穿电压为9.2V，工作电压下响应率为0.65A/W，最大内部量子效率达到90%以上，响应速度能够达到6.3GHz，在400~900nm波长范围内，能够得到很大的响应度。

基于吸收区倍增区分置(SAM)结构研制了一种用于单光子探测的平面型InGaAs/InP盖革模式雪崩光电二极管(APD).着重讨论了边缘击穿抑制效果对器件暗计数率、单光子探测效率,以及后脉冲概率等主要盖革模式性能参数的影响,并对其原因进行了探讨与分析.研究结果表明,有效抑制边缘击穿是获得高性能InGaAs/InP平面型盖革模式雪崩光电二极管的关键因素之一,受边缘击穿抑制效果影响,探测效率随过偏压增速缓慢,而当过偏压达到一定值时,暗计数率与后脉冲概率成倍增加.

雪崩光电二极管（APD）作为一种具有内部增益的光电探测器，被广泛地应用于光纤通信领域，其中平面型APD具有暗电流低、可靠性高等优点而被大量研究。但是平面型APD边缘处由于高电场易被提前击穿，影响器件性能。文章对抑制平面型APD边缘击穿的不同方法进行了综述，指出它们的结构差别，并重点介绍保护环法的原理及保护环各个参数的优化。