光子飞行时间(TOF,Time-of-Flight)测量技术由于其灵敏度高、动态范围大的特点,在三维成像、激光测距以及空间探测等方面得到广泛的应用。采用硅基工艺制造单光子雪崩二极管(SPAD,Single Photon Avalanche Diode)实现的TOF探测器具有高增益、低成本以及响应速度快等优点。然而现有的SPAD探测器存在探测精度低,易受噪声影响,以及在近红外短波探测效率低,无法满足人眼安全需求的问题。本文研究了噪声检测方法和流水线技术,并设计了一种高精度、低噪声,高效响应近红外短波的SPAD像素单元。论文研究内容如下:(1)SPAD器件时间响应特性建模与研究。提出了一种简单的解析建模方法,解决了难以直接计算和预测时间抖动的问题。通过研究耗尽层的电流变化情况,利用不同位置雪崩建立时间的统计分布对耗尽层的抖动误差进行计算,克服了碰撞电离过程难以直接模拟的困难。根据非平衡载流子在弱电场下的扩散、漂移以及复合过程,对中性层指数拖尾的响应情况进行表征。结合TCAD仿真提供的精确参数,计算了传统p+/n阱结构SPAD器件的抖动误差和指数拖尾,与相同结构的实际测试结果相吻合,验证了该解析建模方法的准确性和可靠性。该建模方法的优点是耗时短、计算量小,能够准确预测不同器件结构的时间抖动。(2)SPAD器件结构研究与设计。基于介质层工艺和BCD(Bipolar-CMOS-DMOS)工艺设计了两种SPAD器件新结构,解决了SPAD器件对近红外短波光子探测效率低的问题。第一种方法是在p阱/深n阱结构的介质层中引入衍射窗口,通过改变雪崩区的光子产生率,在不增加额外暗噪声的基础上,提高了整体的量子效率来获得探测效率的增益。另一种方法是采用BCD工艺制作中压p阱/n+埋层结构的SPAD器件。利用n+埋层和中压p阱之间形成的深PN结作为雪崩区,有效提高了800 nm至900 nm波长范围的光子探测效率。同时利用低掺杂且分布均匀的p型外延层作为虚拟保护环来获得器件尺寸的缩小和暗噪声的降低。(3)像素单元电路研究与设计。像素单元由四个SPAD器件构成,利用光子事件检测电路可以达到抑制噪声的目的,采用两级流水线型时间-数字转换器(TDC,Time-to-Digital Converter)实现高精度探测。光子事件检测电路运用并行检测的方式,能够快速地鉴别并排除由噪声触发的响应;并且可以根据噪声的水平调节检测标准,适用于不同的噪声环境。两级流水线型TDC电路利用时间放大器对第一次粗计数产生的误差进行放大,再进行第二次精计数量化以提高整体的探测精度。仿真结果表明,光子事件检测电路能够有效地鉴别并抑制探测过程中的噪声;TDC电路以42.3 ps的最小时间分辨率满足了高精度测量的需求。