光电检测是光通信、光存储、光探测的核心技术。随着通信技术的发展,人们逐渐追求能够探测到光子级别的微弱光的探测器,单光子检测技术因此应运而生,并在国防安全,社会经济和工业生产等领域占据重要地位,成为了国内外科研工作者的研究热点。在众多单光子探测器中,使用雪崩光电二极管制作的单光子雪崩探测器因其内部增益大,噪声低、灵敏度高,能够与现有CMOS工艺兼容、集成度高的优点,成为了单光子检测中的主流。本文基于SOI CMOS工艺设计一种横向结构多电荷层的SACM APD(Separate Absorption Charge Multiplication Avalanche Photo Detector)器件,采用吸收区与倍增区分离的SACM结构,因此吸收区中的光生载流子只有电子能到达倍增区发生碰撞电离,实现了单种载流子雪崩,降低雪崩噪声。并在吸收区和倍增区之间加入阶梯掺杂电荷层,从而改善了吸收区与倍增区的电场,加大载流子的漂移速度,提高频率响应,有效解决雪崩电压与频率响应之间的矛盾。横向结构可以忽略曲率效应,并能有效解决响应度与频率响应之间的矛盾。首先,采用Silvaco ATLAS仿真器对器件的I-V特性和频率响应进行模拟仿真。得出器件的雪崩电压为8.2V,在波长为400nm,光强为0.001 W/cm2时,当反向偏压为8.2V时,器件的响应度可达160.4A/W,在9.5V反向偏压下,器件的截止频率可达10GHz。其次,采用Silvaco ATHENA仿真器对设计的器件进行工艺仿真,得出了合理有效的工艺步骤,并使用ATLAS仿真器对工艺实现后的器件的I-V特性进行仿真,得到的器件雪崩电压与软件建模的雪崩电压存在1V的偏差。最后,设计了一种有源淬火电路和读数电路并完成了版图设计,电路的死时间为7ns,最大光子计数率约为150Mcps。