CN110168732B - 具有直接合并像素的整合式光电侦测器 - Google Patents
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Abstract
本发明揭示一种具有直接合并像素的整合式光电侦测器，其包含被配置为接收入射光子的一光电侦测区域。该光电侦测区域被配置为响应于入射光子而产生复数个电荷载子。该集成电路包含至少一电荷载子储存区域。该集成电路亦包含一电荷载子分离结构，其被配置为基于产生电荷载子的时间而选择性地将该复数个电荷载子的电荷载子直接引导至该至少一电荷载子储存区域中。
Description
相关申请案的交叉参考
本申请案主张2016年12月22日申请的名称为“具有直接合并像素的整合式光电侦测器”的美国临时申请案第62/438,051号的优先权，该案的全部内容特此以引用的方式并入本文中。
本申请案是关于2015年8月7日申请的名称为“用于将接收的光子时间方格化的整合式设备”的美国非临时申请案第14/821,656号，该案的全部内容特此以引用的方式并入本文中。
技术领域
本申请涉及一种光电侦测器，尤其是一种整合式光电侦测器。
背景技术
光电侦测器(或光电探测器，Photodetectors)在多种应用中用于侦测(或探测)光。已开发产生指示入射光的强度的电气信号的整合式光电侦测器。用于成像应用的整合式光电侦测器包含像素数组(或阵列，array)以侦测自跨越场景接收的光的强度。整合式光电侦测器的实例包含电荷耦合装置(CCD)及互补式金属氧化物半导体(CMOS)影像传感器。
发明内容
一些实施例是关于一种集成电路，其包括：一光电探测区域，其被配置为接收入射光子，该光电探测区域被配置为响应于入射光子而产生多个电荷载子；至少一电荷载流子储存区域；及一电荷载流子分离结构，其被配置为基于产生电荷载流子的时间而选择性地将该多个电荷载流子中的电荷载流子直接引导至该至少一电荷载流子储存区域中。
一些实施例是关于一种集成电路，其包括：一直接合并像素，该直接合并像素包括：一光电探测区域，其被配置为接收入射光子，该光电探测区域被配置为响应于入射光子而产生多个电荷载流子；至少一电荷载流子储存区域；及一电荷载流子分离结构，其被配置为基于产生电荷载流子的时间而选择性地将该多个电荷载流子的电荷载流子引导至该至少一电荷载流子储存区域中。
一些实施例是关于一种集成电路，其包括：多个像素，该多个像素中的第一像素是直接合并像素，其包括：光电侦测区域，其被配置为接收入射光子，该光电探测区域被配置为响应于入射光子而产生多个电荷载流子；多个电荷载流子储存区域；及电荷载流子分离结构，其被配置为基于产生电荷载流子的时间而选择性地将该多个电荷载流子中的电荷载流子直接引导至该多个电荷载流子储存区域的各自电荷载流子储存区域中且在该多个电荷载流子储存区域中聚集在多个量测周期中产生的电荷载流子。
一些实施例是关于一种光电探测方法，其包括：(A)在一光电探测区域处接收入射光子；及(B)基于产生电荷载流子的时间选择性地将响应于入射光子而产生的多个电荷载流子中的电荷载流子自该光电探测区域直接引导至至少一电荷载流子储存区域。
该电荷载流子分离结构可包括位于该光电探测区域与该至少一电荷载流子储存区域的第一电荷载流子储存区域之间的边界处的至少一电极。
该电荷载流子分离结构可包括位于该光电探测区域与该第一电荷载流子储存区域之间的该边界处的单一电极。
在一些实施例中，该直接合并像素中不存在电荷载流子捕获区域及/或该光电探测区域与一电荷载流子储存区域之间不存在电荷载流子捕获区域。
电荷载流子可在无需在该光电探测区域与该至少一电荷载流子储存区域之间捕获该等载流子的情况下转移至该至少一电荷载流子储存区域。
一电荷载流子拒斥区域可在一拒斥周期期间丢弃在该光电探测区域中产生的电荷载流子。
经丢弃电荷载流子可在不同于载流子自该光电探测区域被朝向一电荷载流子储存区域引导的方向的方向上自该光电探测区域移除。
一电荷载流子拒斥区域可通过改变该光电探测区域与该电荷载流子拒斥区域之间的一边界处的一电极的一电压而在一拒斥周期期间丢弃在该光电探测区域中产生的电荷载流子。
单一光子可转移至该至少一电荷载流子储存区域且在该至少一电荷载流子储存区域中聚集。
可拒斥在一半导体基板的一表面下方深超过一微米的电荷载流子。
可至少部分地通过该光电探测区域的一光电二极管下方的一植入物拒斥在一半导体基板的该表面下方深超过一微米的电荷载流子。
该植入物可提供一深屏蔽或一深漏极。
该植入物可为N型或P+型。
可藉由一半导体基板的表面下方的一漂移场拒斥在该半导体基板的该表面下方深超过一微米的电荷载流子。
该光电探测区域可形成于深度小于两微米的一磊晶区域中。
该光电探测区域可为包括一光电二极管的外延区域。
该光电二极管中的电荷载流子在一拒斥周期期间可转移至一拒斥区域，接着，可降低至一第一电荷载流子储存区域的第一势垒，接着，可降低至第二电荷载流子储存区域的一第二势垒。
该第一势垒可由第一电极控制且该第二势垒可由第二电极控制。
该至少一电荷载流子储存区域可包括多个电荷载流子储存区域。
前述概要以绘示的方式提供且不意欲具限制性。
附图说明
在附图中，各种图中所绘示的各相同或几乎相同组件由一相同组件符号表示。为清楚起见，并非每个组件皆可在每个图式中被标记。附图不必按比例绘制，因为该附图是是为强化阐释本文所描述的技术及装置之各种方面而用的。
图1A标绘针对具有不同寿命的两个标记的依据时间而变化的光子被发射的机率。
图1B展示一实例性激发脉冲(虚线)及实例性荧光发射(实线)的随时间的实例性强度分布曲线图。
图2A展示一整合式光电侦测器的像素的图。
图2B绘示在时间上和空间上不同于图2A的点处捕获一电荷载子(或载流子，carriers)。
图3展示直接合并像素的一实例。
图4展示操作直接合并像素的方法的流程图。
图5A至图5F展示图4的方法的各种阶段处的直接合并像素。
图6展示一直接合并像素的一横截面图。
图7展示具有p+区域及n+区域的分离掺杂电极。
图8展示一直接合并像素的一实例的一平面图。
图9展示一直接合并像素的另一实例的一平面图。
图10展示在拒斥周期期间直接合并像素中的电位。
图11展示在其中至拒斥区域及储格的电位障升高的一周期期间直接合并像素中的电位。
图12展示在其中电荷可转移至储格的周期中直接合并像素中的电位。
图13展示藉由降低由一转移闸极(transfer gate)产生的电位障而将储存于储格中的电荷转移至浮动扩散FD。
图14绘示重设浮动扩散FD。
图15展示作为波长的函数的吸收深度的图。
图16展示光电二极管的实例的掺杂分布曲线图及电位。
图17展示可防止深产生电荷到达表面的深掺杂区域。
图18展示10ns的电子运动的仿真，其绘示载子被汲取至深n-井区域。
图19展示一N型掩埋层(深漏极)在高电位处偏压。
图20展示与基板接触的一P+型掩埋层(深屏蔽)。
图21展示可用来制造集成电路的材料的实例。
图22展示根据一些实施例的直接合并像素的掺杂分布曲线图的一实例。
图23展示用于形成具有图22中所绘示的掺杂分布曲线图的直接合并像素的例示性处理序列。
图24展示沿图22的线y＝0的砷、硼、磷及氮的例示性掺杂分布曲线图的图。
图25展示当藉由将所有电极的电压设定为0V而闭合所有障壁时图23的像素中的电位的一图。
图26展示当将电极213的电压设定为3V时图23的像素中的电位的图。
图27展示当电极的电压改变时基板内的电位的曲线。
图28至图32展示用于形成光电侦测器及四个不同像素设计d0至d3的一例示性处理处理。图28展示一第一层级，图29展示一第二层级，图30展示一第三层级，图31展示一第四层级且图32展示一第五层级。
图33展示一芯片架构的图。
图34是一绘示性计算装置的方块图。
具体实施方式
本文中描述一种可准确地量测或“时间合并”入射光子的到达的时序的整合式光电侦测器。在一些实施例中，该整合式光电侦测器可以纳秒或皮秒分辨率量测光子的到达。此光电侦测器可应用于包含分子侦测/定量的多种应用中，分子侦测/定量可应用于核酸的定序(例如DNA定序)。此光电侦测器可促进来自用于标记核苷酸的发光分子的入射光子的到达的时域分析，藉此达成基于照度寿命的核苷酸的识别及定序。整合式光电侦测器的应用的其他实例包含荧光寿命成像及飞行时间成像，如下文所进一步讨论
分子侦测/定量的时域量测的讨论
可使用生物检定(“生物测定(bioassay)”)执行生物样本的侦测及定量。生物测定通常涉及大型、昂贵实验室设备，从而需要经训练以操作设备及执行生物测定的研究科学家。生物测定通常批量执行使得大量特定类型的样本是侦测及定量所必需。藉由使用发射一特定波长的光的发光标记来标志样本而执行一些生物测定。使用一光源来照明样本以引起发光，且使用一光电侦测器侦测发光光以量化由标记发射的光的量。使用发光标志及/或报告子的生物测定习知地涉及用于照明样本的昂贵雷射光源及用于自被照明样本收集光的复杂发光侦测光学器件及电子器件。
在一些实施例中，如本文所描述的一整合式光电侦测器可回应于激发而侦测(若干)生物及/或化学样本的发光特性。更具体而言，此一整合式光电侦测器可侦测自该(等)样本接收的光的时间特性。此一整合式光电侦测器可达成侦测及/或辨别由一发光分子回应于激发而发射的光的发光寿命(例如荧光寿命)。在一些实施例中，可基于侦测及/或辨别发光寿命而执行(若干)样本的识别及/或定量量测。例如，在一些实施例中，可藉由侦测及/或辨别附接至各自核苷酸的发光分子的发光寿命而执行一核酸(例如DNA、RNA)的定序。各发光分子可直接附接(例如键结)至一对应核苷酸，或经由键结至对应核苷酸及发光分子的连接分子间接附接至该核苷酸。
在一些实施例中，具有若干光电侦测结构及相关联的电子器件的一整合式光电侦测器(称为“像素”)可达成复数个像素(例如数百个、数千个、数百万个或更多)的并行量测及分析，此可减少执行复杂量测的成本且快速提升发现的速率。在一些实施例中，光电侦测器的各像素可侦测来自一样本的光，该样本可为单一分子或一个以上分子。在一些实施例中，此一整合式光电侦测器可用于诸如核酸(例如DNA、RNA)定序的动态实时应用。
使用发光寿命的分子的侦测/定量。
根据本申请案的方面的具有一整合式光电侦测器的集成电路可经设计具有用于多种侦测及成像应用的适合功能。如下文所进一步详细描述，此一整合式光电侦测器可具有在一或多个时间间隔或“时间储格”内侦测光的能力。为收集关于光的到达时间的信息，响应于入射光子而产生电荷载子(或载流子，carriers)且电荷载子可基于其等到达时间而分离至各自时间储格中。
根据本申请案的一些方面的一整合式光电侦测器可用于区分包含发光分子(诸如荧光团)的光发射源。发光分子在其发射的光的波长、其发射的光的时间特性(例如其发射衰变时间周期)及其对于激发能量的响应方面可不同。相应地，可基于侦测此等性质而自其他发光分子识别或辨别发光分子。此等识别或辨别技术可单独使用或以任何适合组合使用。
在一些实施例中，如本申请案中所描述的一整合式光电侦测器可量测(或测量，measure)或辨别诸如荧光寿命的发光寿命。荧光寿命量测是基于激发一或多个荧光分子及量测经发射发光的时间变动。一荧光分子在其达到一激发状态之后发射一光子的机率随时间指数减小。机率减小的速率可为一荧光分子的特性，且可针对不同荧光分子而不同。侦测由荧光分子发射的光的时间特性可允许相对于彼此识别荧光分子及/或辨别荧光分子。发光分子在本文中亦可指称发光标记或仅指称“标记”。
在达到一激发状态之后，一标记可在一给定时间以一特定机率发射一光子。一光子自一激发标记发射的机率可在该标记的激发之后随时间减小。一光子经发射的机率随时间减小可由一指数衰变函数p(t)＝e-t/τ表示，其中p(t)是一时间t处的光子发射的机率，且τ是标记的一时间参数。时间参数τ指示当标记发射一光子的机率是一特定值时激发之后的一时间。时间参数τ是标记的性质，其可不同于该标记的吸收及发射光谱性质。此一时间参数τ被称为标记的发光寿命、荧光寿命或仅指称“寿命”。
图1A标绘针对具有不同寿命的两个标记的依据时间而变化的光子被发射的机率。由机率曲线B表示的标记具有比由机率曲线A表示的标记的发射机率更快衰变的一发射机率。由机率曲线B表示的标记具有比由机率曲线A表示的标记短的一时间参数τ或寿命。在一些实施例中，标记可具有在自0.1ns至20ns的范围内的荧光寿命。然而，本文所描述的技术不受限于所使用的该(等)标记的寿命。
标记的寿命可用于辨别一个以上标记和/或可用于识别(若干)标记。在一些实施例中，可执行荧光寿命量测，其中具有不同寿命的复数个标记由一激发源激发。作为一实例，分别具有0.5纳秒、1纳秒、2纳秒及3纳秒的四个标记可由发射具有一选定波长(例如，举实例而言，635nm)的光的一光源激发。可基于量测由标记发射的光的寿命而识别标记或使标记相互区别。
荧光寿命量测可藉由比较强度如何随时间改变(相对于绝对强度值)而使用相对强度量测。因此，荧光寿命量测可避免绝对强度量测的一些困难。绝对强度量测可取决于存在的荧光团的浓度且不同的变荧光团浓度可能需要校准步骤。相比而言，荧光寿命量测可对荧光团的浓度不敏感。
发光标记可是外源的(exogenous)或内源(endogenous)的。外源标记可为用作为用于发光标记的报告子/或标志的外部发光标记。外源标记的实例可包含荧光分子、荧光团、荧光染料、荧光染色、有机染料、荧光蛋白、酵素及/或量子点。此等外源标记可与特别接合于特定靶或组分的探针或官能团(functional group，例如分子、离子及/或配位体)共轭。将外源标志或报告子附接至探针允许透过侦测该外源标志或报告子的存在而识别目标。探针的实例可包含蛋白质探针、核酸(诸如DNA分子或RNA分子)探针、脂质探针及抗体探针。外源标记与官能团的组合可形成用于侦测的任何适合探针、标志及/或卷标，包含分子探针、经标记探针、杂交探针、抗体探针、蛋白质探针(例如生物素结合探针)、酵素标签、荧光探针、荧光标志及/或酵素报告子。
尽管外源标记可添加至一样本或区域，但内源标记可已为该样本或区域的部分。内源标记可包含可在存在激发能量的情况下发光或”自发荧光”的所存在的任何发光标记。内源荧光团的自发荧光可提供无卷标(label-free)及非侵入性标记而无需引入内源荧光团。此等内源荧光团的实例可包含(举实例而言且不受限于)血红素、氧合血红素、脂质、胶原蛋白、弹性蛋白交联、还原型烟碱酰胺腺[嘌呤]二核苷酸(NADH)、氧化黄素(FAD及FMN)、脂褐质、角蛋白及/或卟啉。
藉由寿命量测的标记之间的区分可允许使用比当藉由发射光谱的量测来区分标记时少的波长的激发光。在一些实施例中，当使用较少波长的激发光及/或发光光时，传感器、滤波器及/或衍射光学器件的数目可减少或消除。在一些实施例中，可使用具有不同寿命的标记执行标记，且该标记由具有相同激发波长或光谱的光激发。在一些实施例中，可使用发射具有单一波长或光谱的光的激发光源，此可降低成本。然而，本文所描述的技术不受限于此方面，因为可使用任何数目个激发光波长或光谱。在一些实施例中，一整合式光电侦测器可用于判定关于所接收的光的光谱及时间信息两者。在一些实施例中，可藉由判定自一标记发射的发光(luminescence)的时间参数、光谱参数或时间参数及光谱参数的组合来执行所存在的该等类型的(若干)分子的一定量分析。
侦测入射光子的到达时间的一整合式光电侦测器可降低额外光学滤波(例如光谱滤波)要求。如下文所描述，根据本申请案的整合式光电侦测器可包含一漏极(drain)以在特定时间移除光生载子。藉由依此方式移除光生载子，可在无需光学滤波的情况下丢弃回应于一激发光脉冲而产生的无用电荷载子以防止自该激发脉冲接收光。此一光电侦测器可减小总设计整合复杂度、减少光学及/或滤波组件及/或降低成本。
一些实施例中，可藉由凭借使所收集的电荷载子聚集于整合式光电侦测器的一或多个时间储格中来量测所发射发光的时间分布曲线图来侦测依据时间变化的亮度强度值来判定一荧光寿命。在一些实施例中，可藉由执行多个量测来判定一标记的寿命，其中将该标记激发至一激发状态且接着量测发射一光子的时间。就各量测而言，激发源可产生引导至该标记的激发光的脉冲，且可判定激发脉冲与来自该标记之后续光子事件之间的时间。另外或替代地，当一激发脉冲重复及周期性地发生时，可量测发生一光子发射事件与后续激发脉冲之间的时间，且可自激发脉冲之间的时间间隔(即，激发脉冲波形的周期)减去量测时间以判定光子吸收事件的时间。
藉由使用复数个激发脉冲重复此等实验，可判定激发之后的一特定时间间隔内自标记发射光子的情况的数目，其指示一光子在激发之后的此时间间隔内被发射的机率。所收集的光子发射事件的数目可基于发射至标记的激发脉冲的数目。一量测周期内的光子发射事件的数目可在自50至10,000,000或10,000,000以上的范围内，然而，在一些实施例中，本文所描述的技术不受限于此方面。一光子在激发之后之一特定时间间隔内自标记发射的情况的数目可填充表示在一是列离散时间间隔或时间储格内发生的光子发射事件的数目的一直方图。可设定及/或调整时间储格的数目及/或各储格的时间间隔以识别一特定寿命及/或一特定标记。时间储格的数目及/或各储格的时间间隔可取决于用于侦测所发射的光子的传感器。时间储格的数目可为1个、2个、3个、4个、5个、6个、7个、8个或8个以上(诸如16个、32个、64个或64个以上)。一曲线拟合算法可用于使一曲线拟合于所记录的直方图，从而导致表示一光子在激发标记之后在一给定时间处被发射的机率的函数。一指数衰变函数(诸如p(t)＝e-t/τ)可用于近似拟合直方图资料。可自此一曲线拟合判定时间参数或寿命。经判定的寿命可与标记的已知寿命相比较以识别所存在的标记的类型。
可自两个时间间隔处的强度值计算一寿命。图1B展示一实例性激发脉冲(虚线)及实例性荧光发射(实线)的随时间的实例性强度分布曲线图。在图1B中所展示的实例中，光电侦测器量测至少两个时间储格内的强度。在时间t1与t2之间发射发光能量的光子由光电侦测器量测为强度I1而在时间t3与t4之间发射的发光能量经量测为I2。可获得任何适合数目个强度值，尽管图1B中仅展示两个强度值。接着，此等强度量测可用于计算一寿命。当在某一时间处存在一荧光团时，则时间合并发光信号可拟合于一单一指数衰变。在一些实施例中，可仅需要两个时间储格以准确识别一荧光团的寿命。当存在两个或两个以上荧光团时，则藉由使一组合发光信号拟合于多个指数衰变(诸如双指数或三指数)而自该发光信号识别个别寿命。在一些实施例中，可需要两个或两个以上时间储格以自此一发光信号准确识别一个以上荧光团寿命。然而，在具有多个荧光团的一些情况中，可藉由使单一指数衰变拟合于发光信号而判定平均荧光寿命。
在一些情况中，可基于标记的周围及/或条件而改变一光子发射事件的机率及因此该标记的寿命。例如，被限制在具有小于激发光的波长的直径的体积中的一标记的寿命可小于当该标记不在该体积中时的寿命。可在类似于当标记用于标记的条件下执行已知标记的寿命量测。可在识别一标记时使用自已知标记的此等量测判定的寿命。
使用发光寿命量测的定序
一整合式光电侦测器的个别像素可能够进行用于识别标记一或多个靶(诸如分子或分子上的特定位置)的荧光标志及/或报告子的荧光寿命量测。可使用一荧光团(包含蛋白质、胺基酸、酶、核苷酸、DNA及RNA)标记所关注的任一或多个分子。当与侦测发射光的光谱或其他标记技术组合时，荧光寿命可增加可使用的荧光标志及/或报告子的总数目。基于寿命的识别可用于单分子分析方法以提供关于复杂混合物中的分子相互作用的特性的信息，其中此信息将在是集平均中丢失且可包含蛋白质-蛋白质相互作用、酵素活性、分子动力学及/或隔膜上的扩散。另外，具有不同荧光寿命的荧光团可用于在基于一经标记组分的存在的各种检定方法中加标志于目靶组分。在一些实施例中，基于侦测荧光团的特定寿命，组分可(诸如)藉由微流体系统而分离。
量测荧光寿命可与其他分析方法组合使用。例如，荧光寿命可与荧光共振能量转移(FRET)技术组合使用以辨别位于一或多个分子上的施体及受体荧光团的状态及/或环境。此等量测可用于判定施体与受体之间的距离。在一些情况中，自施体至受体的能量转移可减少施体的寿命。在另一实例中，荧光寿命量测可与DNA定序技术组合使用，其中具有不同寿命的四个荧光团可用于在具有未知核苷酸序列的一DNA分子中标记四个不同核苷酸(A、T、G、C)。荧光团的荧光寿命而非发射光谱可用于识别核苷酸的序列。藉由使用荧光寿命替代发射光谱用于特定技术，准确度及量测分辨率可增加，因为归因于绝对强度量测的假影减少。另外，寿命量测可减小复杂度及/或降低系统的费用，因为需要较少激发能量波长及/或需要侦测较少发射能量波长。
本文所描述的方法可用于诸如DNA定序或RNA定序的核酸的定序。DNA定序允许判定一靶核酸分子中的核苷酸的顺序及位置。用于DNA定序的技术在用于判定核酸序列的方法以及定序处理中的速率、读取长度及误差的发生率方面大幅改变。若干DNA定序方法是基于藉由合成的定序，其中当一核苷酸并入与靶核酸互补的一新合成核酸股中时判定该核苷酸的身份。许多藉由合成的定序方法要求存在目标核酸分子的一群体(例如一靶核酸的复本)或放大目标核酸以达成目标核酸的一群体的一步骤。期望用于判定单核酸分子的序列的改良方法。
使用高准确度及长读取长度定序单核酸分子已出现新进展。用于单分子定序技术(例如由Pacific Biosciences开发的SMRT技术)的目标核酸是添加至一样本槽的一单股DNA模板，该样本槽含有固化或附接至一固体支撑物(诸如一样本槽的底部)的定序反应(例如DNA聚合酶)的至少一组件。样本槽亦含有与诸如荧光团的侦测标签共轭的脱氧核糖核苷三磷酸(亦是指“dNTPs”)(包含腺嘌呤、胞嘧啶、鸟嘌呤及胸腺嘧碇dNTPs)。较佳地，各种类的dNTPs(例如腺嘌呤dNTPs、胞嘧啶dNTPs、鸟嘌呤dNTPs及胸腺嘧碇dNTPs)各与一不同侦测标志共轭使得信号的侦测指示并入新合成核酸中的dNTP的身份。侦测标志可与任何位置处的dNTP共轭使得侦测标志的存在不抑制dNTP并入新合成核酸股中或聚合酶的活性。在一些实施例中，侦测标志与dNTP的末端磷酸盐(伽玛磷酸盐)共轭。
任何聚合酶可用于能够合成与一靶核酸互补的一核酸的单分子DNA定序。聚合酶的实例包含大肠杆菌DNA聚合酶I、T7DNA聚合酶、噬菌体T4DNA聚合酶(psi29)DNA聚合酶及其等的变体。在一些实施例中，聚合酶是一单亚单元聚合酶。在一靶核酸的一核碱基与互补dNTP之间的碱基配对之后，聚合酶藉由在新合成股的3’羟基端与dNTP的α磷酸盐之间形成一磷酸二酯键而将dNTP并入新合成核酸股中。在其中与dNTP共轭的侦测标签是荧光团的实例中，侦测卷标的存在由激发以信号发出且在合并的步骤期间侦测一发射脉冲。就与dNTP的末端(γ)磷酸盐共轭的侦测标签而言，将dNTP并入新合成股中导致释放β磷酸盐及γ磷酸盐及侦测卷标，其在样本槽中自由扩散，从而导致自荧光团侦测的发射的减少。
本文所描述的技术不受限于分子或其他样本的侦测或定量或执行定序。在一些实施例中，一整合式光电侦测器可执行成像以获得关于一区域、对象或场景的空间信息及关于使用该区域、对象或场景的入射光子的到达的时间信息。在一些实施例中，该整合式光电侦测器可执行一区域、对象或场景的发光寿命成像(诸如荧光寿命成像)。
额外应用
尽管本文所描述的整合式光电侦测器可应用于如上文所讨论的复数种生物及/或化学样本的分析，但整合式光电侦测器可应用于诸如(例如)成像应用的其他应用。在一些实施例中，整合式光电侦测器可包含对一区域、对象或场景执行成像的像素数组(或阵列，array)，且可侦测在个别像素处自该区域、对象或场景的不同区域接收的光的时间特性。例如，在一些实施例中，整合式光电侦测器可基于自组织接收的光的时间特性而执行该组织的成像，其可使得执行一处理(例如手术)的一医师能够识别组织的异常或病态区域(例如癌变区域或癌前区域)。在一些实施例中，整合式光电侦测器可并入诸如一手术成像工具的一医疗装置中。在一些实施例中，可获得关于由组织响应于一光激发脉冲而发射的光的时域信息以成像及/或特征化组织。例如，可使用荧光寿命成像执行组织或其他对象的成像及/或特征化。
尽管整合式光电侦测器可(诸如)藉由执行如上文所描述的生物及/或化学样本或成像组织的成像或分析而应用于一科学或诊断情境中，但此一整合式光电侦测器可用于任何其他适合情境中。例如，在一些实施例中，此一整合式光电侦测器可使用在个别像素中侦测的光的时间特性成像一场景。用于成像一场景的一应用的一实例是距离成像或飞行时间成像，其中分析光到达光电侦测器耗费的时间量以判定光行进至光电侦测器的距离。此一技术可用于执行一场景的三维成像。例如，可使用自相对于整合式光电侦测器的已知位置发射的一光脉冲来照明一场景，且可由整合式光电侦测器侦测反射光。量测光到达数组的各自像素处的整合式光电侦测器耗费的时间量以判定光自场景的各自部分到达光电侦测器的各自像素所行进的该(等)距离。在一些实施例中，整合式光电侦测器可并入一消费者电子装置(诸如一摄影机、蜂巢式电话或平板计算机)中以(例如)使得此等装置能够基于所获得的距离信息而捕获及处理影像或视讯。
在一些实施例中，本申请案中所描述的整合式光电侦测器可用于量测低光强度。此一光电侦测器可适合于需要具有一高敏感度的光电侦测器的应用，诸如(例如)当前可使用单一光子计数技术的应用。然而，本文所描述的技术不受限于此方面，因为本申请案中所描述的整合式光电侦测器可量测任何适合光强度。
额外发光寿命应用
使用寿命的成像及特征化
如上文所提及，本文所描述的技术不受限于使用外源荧光团来标记、侦测及定量。在一些实施例中，可透过使用一整合式光电侦测器而使用荧光寿命成像技术成像或特征化一区域、对象或样本。在此等技术中，该区域、对象或样本自身的荧光特性可用于成像及/或特征化。可透过寿命成像及/或特征化侦测外源标记或内源标记。附接至一探针的外源标记可提供至该区域、对象或样本以侦测特定靶组分的存在及/或位置。外源标记可充当一标志及/或报告子作为一标记探针的部分以侦测含有该标记探针的一靶的区域、对象或样本的部分。内源标记的自发荧光可为空间分辨率提供可易于用于成像而无需引入内源标记的一无标志及非侵入性对比。例如，来自生物组织的自发荧光信号可取决于且指示组织的生物化学及结构组成。
荧光寿命量测可提供荧光团周围的条件的一定量量测。条件的定量量测可作为对侦测或对比的补充。一荧光团的荧光寿命可取决于该荧光团的周围环境(诸如pH或温度)且荧光寿命的值的一改变可指示包围荧光团的环境的一改变。作为一实例，荧光寿命成像可映像一样本的局部环境中(诸如生物组织(例如一组织切片或手术切除)中的改变。外源荧光团的自发荧光的荧光寿命可用于侦测组织中的生理变化及新陈代谢变化。作为实例，可藉由量测来自样本的自发荧光及自经量测的自发荧光判定一寿命来侦测组织架构、形态、氧合作用、pH、血管分布、细胞结构及/或细胞新陈代谢状态。此等方法可用于诸如筛查、影像导引活检或手术及/或内视镜检法的临床应用中。在一些实施例中，本申请案的一整合式光电侦测器可并入一临床工具(诸如一手术仪器)中以(例如)执行荧光寿命成像。基于经量测的自发荧光判定荧光寿命提供临床值作为允许一临床医师快速筛查组织及侦测对于肉眼不明显的小癌症及/或癌症前损伤的一无标签成像方法。荧光寿命成像可用于恶性细胞或组织(诸如发射具有比健康组织长的荧光寿命的发光的肿瘤或癌细胞)的侦测及界定。例如，荧光寿命成像可用于侦测可光学接取组织(诸如肠胃道、
膀胱、皮肤或在手术期间曝露的组织表面)上的恶性肿瘤。
在一些实施例中，荧光寿命可用于显微术技术以在样本的不同类型或状态之间提供对比。可藉由使用一光脉冲激发一样本、当荧光信号衰变时侦测该信号以判定一寿命及在所得影像中映像衰变时间而执行荧光寿命成像显微术(FLIM)。在此等显微术影像中，影像中的像素值可基于针对收集视场的光电侦测器中的各像素判定的荧光寿命。
使用时间信息成像场景或对象
如上文所讨论，如本申请案中所描述的整合式光电侦测器可用于科学及临床情境中，其中所发射的光的时序可用于对一区域、对象或样本进行侦测、量化及/或成像。然而，本文所描述的技术不受限于科学及临床应用，因为整合式光电侦测器可用于可利用关于入射光子的到达时间的时间信息的任何成像应用中。一应用的一实例是飞行时间成像。
飞行时间(time-of-flight)应用
在一些实施例中，一整合式光电侦测器可用于基于量测散射或反射光的时间分布曲线(包含飞行时间量测)的成像技术中。在此等飞行时间量测中，一光脉冲可发射至一区域或样本中且散射光可由该整合式光电侦测器侦测。散射或反射光可具有可指示该区域或样本的特性的一不同时间分布曲线。由样本反向散射的光可由光在样本中的飞行时间侦测及解析。此一时间分布曲线可为一时间点扩展函数(TPSF)。可藉由在发射光脉冲之后的多个时间储格内量测累积强度而获取时间分布曲线。可依一特定速率执行光脉冲的重复及累积散射光以确保所有先前TPSF在产生一后续光脉冲之前完全无效。时间解析扩散光学成像方法可包含光谱扩散光学断层扫瞄，其中光脉冲可为红外光以在样本中的一进一步深度处成像。此等时间解析扩散光学成像方法可用于侦测一有机体中或一有机体的部分中(诸如一个人的头部)的肿瘤。
另外或替代地，飞行时间量测可用于基于光的速度及一发射光脉冲与侦测自一对象反射的光之间的时间，而量测距离或一距离范围。此等飞行时间技术可用于多种应用，包含摄影机、汽车中的接近侦测传感器、人机接口、机器人科学及可使用由此等技术收集的三维信息的其他应用。
用于时间合并光生电荷载子的整合式光电侦测器
一些实施例是关于一种集成电路，其具有一光电侦测器，该光电侦测器回应于入射光子而产生电荷载子且能够相对于一参考时间(例如一触发事件)辨别藉由入射光子的到达产生电荷载子的时序。在一些实施例中，一电荷载子分离结构分离在不同时间产生的电荷载子且将电荷载子引导至聚集在不同时间周期内产生的电荷载子的一或多个电荷载子储存区域(称为“储格”)。各储格储存在一选定时间间隔内产生的电荷载子。读出储存于各储格中的电荷可提供关于在各时间间隔内到达的光子的数目的信息。此一集成电路可用于诸如本文所描述的多种应用的任何者中。
将描述具有一光电侦测区域及一电荷载子分离结构的一集成电路的一实例。在一些实施例中，该集成电路可包含一像素数组，且各像素可包含一或多个光电侦测区域及一或多个电荷载子分离结构，如下文所讨论。
像素结构及操作的概述
图2A展示根据一些实施例的一像素100的一图。像素100包含光子吸收/载子产生区域102(亦指称光电侦测区域)、载子行进/捕获区域106、载子储存区域108，其具有一或多个电荷载子储存区域(在本文中亦指称“电荷载子单元格”或仅指称“储格”)，以及用于自电荷载子单元格读出信号的读出电路110。
光子吸收/载子产生区域102可为可将入射光子转换为光生电荷载子的半导体材料(例如硅)的一区域。光子吸收/载子产生区域102可曝露于光，且可接收入射光子。当一光子由光子吸收/载子产生区域102吸收时，其可产生诸如一电子/电洞对(电子/空穴对，electron/hole pair)的光生电荷载子。光生电荷载子在本文中亦简单地指称“电荷载子”。
一电场可在光子吸收/载子产生区域102中建立。在一些实施例中，电场可为“静态”以区别于载子行进/捕获区域106中的变化电场。光子吸收/载子产生区域102中的电场可包含一横向分量、一垂直分量或一横向分量及一垂直分量两者。电场的横向分量可在如由箭头所指示的图2A的向下方向上，其在光生电荷载子上诱发一力，该力驱动光生电荷载子朝向载子行进/捕获区域106。电场可以多种方式形成。
在一些实施例中，一或多个电极可形成于光子吸收/载子产生区域102上方。该(等)电极可具有施加于其以在光子吸收/载子产生区域102中建立一电场的电压。此(等)电极可称为“(若干)光闸”。在一些实施例中，光子吸收/载子产生区域102可为完全空乏电荷载子的一硅区域。
在一些实施例中，光子吸收/载子产生区域102中的电场可由一接面(诸如一PN接面)建立。光子吸收/载子产生区域102的半导体材料可经掺杂以形成PN接面，其具有产生在光生电荷载子上诱发一力的一电场的定向及/或形状，该力驱动光生电荷载子朝向载子行进/捕获区域106。使用一接面产生电场可相对于使用上覆光子吸收/载子产生区域102的电极(其可防止入射光子的一部分到达光子吸收/载子产生区域102)而改良量子效率。使用一接面可相对于使用光闸而减小暗电流。应已了解，暗电流可由可产生载子的半导体基板的表面处的缺陷产生。在一些实施例中，PN接面二极管的P端子可连接至设定其电压的一端子。此一二极管可指称一“钉扎”(pinned)光电二极管。一钉扎光电二极管可归因于设定其电压及吸引载子的端子而促进表面处的载子重组，此可减小暗电流。期望捕获的光生电荷载子可在表面处的重组区域下方通过。在一些实施例中，可使用半导体材料中的一梯度掺杂浓度建立横向电场。
在一些实施例中，具有产生电场的接面(junction)的一光子吸收/载子产生区域102可具有以下特性的一或多者：
1)自时变场渐缩的一空乏n型区域，
2)包围n型区域的一p型植入物，其中间隙用于将电场横向地转变成n型区域，及/或
3)掩埋n型区域且充当寄生电子的一重组区域的一p型表面植入物。
在一些实施例中，电场可由一接面及至少一电极的一组合建立于光子吸收/载子产生区域102中。例如，可使用一接面及一单一电极或两个或两个以上电极。在一些实施例中，一或多个电极可定位于载子行进/捕获区域106附近以在载子行进/捕获区域106附近建立电位梯度，其可定位为相对远离接面。
如图2A中所绘示，在时间t1处，可捕获一光子且可产生一电荷载子101A(例如一电子)。在一些实施例中，一电位梯度可沿光子吸收/载子产生区域102及载子行进/捕获区域106建立，其引起电荷载子101A在图2A的向下方向上行进(如由图2A中所展示的箭头所绘示)。响应于该电位梯度，电荷载子101A可自其在时间t1处的位置移动至时间t2处的一第二位置、时间t3处的一第三位置、时间t4处的一第四位置及时间t5处的一第五位置。因此，电荷载子101A响应于该电位梯度而移动至载子行进/捕获区域106。
载子行进/捕获区域106可为一半导体区域。在一些实施例中，除载子行进/捕获区域106可被屏蔽而免受入射光(例如由诸如一金属层的一上覆不透明材料)的外，载子行进/捕获区域106可为与光子吸收/载子产生区域102的材料(例如硅)相同的材料的半导体区域。
在一些实施例中且如下文所进一步讨论，一电位梯度可由定位于光子吸收/载子产生区域102及载子行进/捕获区域106上方的电极建立于此等区域中。然而，本文所描述的技术不受限于用于产生一电位梯度的电极的特定位置。本文所描述的技术亦不受限于使用电极建立一电位梯度。在一些实施例中，可使用一空间梯度掺杂分布及/或一PN接面建立一电位梯度。任何适合技术可用于建立一电位梯度，其引起电荷载子沿光子吸收/载子产生区域102及载子行进/捕获区域106行进。
一电荷载子分离结构可形成于像素中以达成分离在不同时间产生的电荷载子。在一些实施例中，该电荷载子分离结构的至少一部分可形成于载子行进/捕获区域106上方。该电荷载子分离结构可包含形成于载子行进/捕获区域106上方的一或多个电极，该一或多个电极的电压可由控制电路控制以改变载子行进/捕获区域106中的电位。
载子行进/捕获区域106中的电位可改变以达成捕获一电荷载子。可藉由改变上覆载子行进/捕获区域106的一或多个电极上的电压来改变电位梯度以产生可将一载子限制于一预定空间区域内的一电位障。例如，上覆图2A的载子行进/捕获区域106中的虚线的电极上的电压可在时间t5处改变以沿图2A的载子行进/捕获区域106中的虚线升高电位障(或势垒，potential barrier)，藉此捕获电荷载子101A。如图2A中所展示，可将在时间t5处捕获的载子可转移至电荷载子储存区域108的一储格“储格0”。可藉由改变载子行进/捕获区域106及/或载子储存区域108中的电位(例如，藉由改变上覆此等区域的(若干)电极的电压)以引起载子行进至电荷载子单元格而执行载子至电荷载子单元格的转移。
在载子行进/捕获区域106的预定空间区域内在一特定时间点处改变电位可达成捕捉由一特定时间间隔内发生的光子吸收产生的载子。藉由在不同时间及/或位置捕捉光生电荷载子，可辨别由光子吸收产生电荷载子的时间。据此而言，一电荷载子可藉由在发生一触发事件之后的一特定时间点及/或空间处捕捉该电荷载子而“时间合并”。一特定储格内的电荷载子的时间合并提供关于以下的信息：光生电荷载子由一入射光子的吸收产生的时间及因此，同样地，相对于该触发事件的“时间储格”，产生光生电荷载子的入射光子的到达。
图2B绘示在一不同时间点及空间处捕获一电荷载子。如图2B中所展示，可在时间t9处改变上覆载子行进/捕获区域106中的虚线的一电极上的电压以沿图2B的载子行进/捕获区域106中的虚线升高一电位障，藉此捕获载子101B。如图2B中所展示，在时间t9处捕获的载子可转移至载子储存区域108中的一储格“储格1”。由于电荷载子101B是在时间t9处被捕捉，因此其表示在不同于在时间t5处捕获的载子101A的光子吸收事件(即在t1处)的一时间处(即时间t6)发生的一光子吸收事件。
直接合并像素
图3展示其中光子吸收/载子产生区域102中所产生的电荷载子可直接转移至电荷载子储存区域108中的一电荷单元格的一像素200的一实例。此一像素称为一“直接合并像素”。如图3中所展示，像素200不包含一载子行进/捕获区域106。可将电荷载子自光子吸收/载子产生区域102直接转移至电荷载子储存区域108的一储格中而非在载子行进/捕获区域106中捕获载子。一电荷载子转移至其的储格是基于产生电荷载子的光子吸收/载子产生区域102中的一光子的到达时间。可至少部分地归因于省略载子行进/捕获区域106而减小一直接合并像素的区域。有利地，在一些实施例中，一直径合并像素可占用一半导体晶圆(或半导体芯片，semiconductor chip)上的一小区域，其可达成在该晶圆上形成许多像素(诸如数千或数百万像素或更多像素)。在一晶圆上提供大量像素可达成并行执行大量量测，或用高空间分辨率执行成像。替代地或另外，一直接合并像素可具有减少电力消耗。由于对像素的各电极进行充电及放电可消耗电力，因此像素200可归因于存在较少电极(即可省略用于在载子行进/捕获区域106中捕获电荷载子的电极)而具有减少电力消耗。
图3展示在电荷载子储存区域108中具有两个储格：储格0及储格1的一像素200的一实例。如上文所讨论，储格0可聚集在一触发事件之后的一周期中接收的电荷载子，而储格1可聚集在相对于一触发事件的一稍后时间周期中接收的电荷载子。然而，电荷储存区域108可具有任何数目个储格(诸如一个储格、三个储格、四个储格或更多储格)。
光子吸收/载子产生区域102可包含一半导体区域，其可由任何适合半导体(诸如(例如)硅)形成。在一些实施例中，光子吸收/载子产生区域102可包含一光电二极管(诸如一钉扎光电二极管)。光电二极管可完全空乏。在一些实施例中，光电二极管可保持基本上始终空乏电子。在一些实施例中，光电二极管经组态以收集单一光子。在此等实施例中，一单一光电子可在光电二极管中产生且限制于光电二极管中。若由一CMOS处理形成，则光电二极管可由在由一CMOS处理产生的装置内可用的电位完全空乏。电极203、205、206可在至少部分地包围二极管的周边的情况下耦合至二极管，如图8中所更详细展示。然而，应注意图8中所描绘的实施例仅是适合于电极203、205、206的几何形状的实例。电极203及205可允许受限制载子的快速电荷转移。在讨论电荷载子至储格的转移之前，将描述藉由将无用载子转移至一拒斥区域105而拒斥无用载子。
再次参考图3，直接合并像素200可包含一拒斥区域105以在一拒斥周期期间汲取或以其他方式丢弃光子吸收/载子产生区域102中所产生的电荷载子。一拒斥周期可经计时以在诸如一激发光脉冲的触发事件期间发生。由于一激发光脉冲可在光子吸收/载子产生区域102中产生若干无用电荷载子，故可在像素200中建立一电位梯度以在一拒斥周期期间将此等电荷载子汲取至拒斥区域105。作为一实例，拒斥区域105可包含其中电子被汲取至一供应电压的高电位扩散区域。拒斥区域105可包含将区域102直接电荷耦合至拒斥区域105的电极206。在一些实施例中，电极206可上覆半导体区域。电极206的电压可改变以在光子吸收/载子产生区域102中建立一所要电位梯度。在一拒斥周期期间，电极206的电压可设定为将载子自光子吸收/载子产生区域102汲取(或吸引，draw)至电极206中且汲出至供应电压的位准。例如，电极206的电压可设定为一正电压以吸引电子使得电子被汲取远离光子吸收/载子产生区域102至拒斥区域105。在一拒斥周期期间，电极203及205可设定为形成电位障202及204以防止无用电荷载子到达储格的电位。拒斥区域105可被视为一“横向拒斥区域”，因为其允许将载子自区域102横向转移至一漏极。在一些实施例中，拒斥在相对于单元格的与光电侦测区域相反的方向上。
在拒斥周期之后，光子吸收/载子产生区域102中的光生电荷载子可被时间合并。可基于个别电荷载子的到达时间而将其引导至一储格。为此，可在各自时间周期中改变光子吸收/载子产生区域102与电荷载子储存区域108之间的电位以建立引起光生电荷载子被引导至各自时间储格的电位梯度。例如，在一第一时间周期期间，可降低由电极203形成的电位障202，且可自光子吸收/载子产生区域102至储格0建立一电位梯度使得在此周期期间产生的载子被转移至储格0。接着，在一第二时间周期期间，可降低由电极205形成的电位障204，且可自光子吸收/载子产生区域102至储格1建立一电位梯度使得在此稍后周期期间产生的载子被转移至储格1。
图4展示根据一些实施例的包含执行复数个量测2820的操作一像素200的方法2800的一流程图。在一些实施例中，一“量测”可包含接收光子且将所捕获的载子转移至对应于一特定时间周期或储格的电荷储存节点。一量测可重复复数次以收集关于光子到达光电侦测器的时间的统计信息。此一方法可至少部分地由如本文所描述的一整合式装置执行。
步骤2802可经计时以在一触发事件期间发生。一触发事件可为充当一光子的时间合并到达的时间参考的事件。触发事件可为(例如)一光学脉冲或一电脉冲且可为一单一事件或一重复、周期性事件。在荧光寿命侦测的情境中，触发事件可为产生一光激发脉冲以激发一荧光团。在飞行时间成像的情境中，触发事件可为由包括整合式光电侦测器的成像装置发射的光的脉冲(例如来自一闪光)。触发事件可为用作用于计时光子或载子的到达的参考的任何事件。
光激发脉冲的产生可产生显著数目个光子，一些光子可到达像素200且可在光子吸收/载子产生区域102中产生电荷载子。由于不期望量测来自光激发脉冲的光生载子，因此可藉由将光生载子引导至一漏极而拒斥(reject)光生载子。此可减少原本可能需要诸如一快门或滤光器的复杂光学组件(其可添加额外设计复杂度及/或成本)来防止其到达的无用信号的量。
步骤2802对应于一拒斥周期。图5A中绘示步骤2802期间像素200的操作。在步骤2802中，操作像素200以藉由将区域102中所产生的电荷载子转移至拒斥区域105而拒斥该等电荷载子。例如，步骤2802可包含控制电极206以产生将区域102中所产生的电荷载子驱动至拒斥区域105的电位梯度。藉由在图5A的向上方向上引导载子而拒斥载子。
在步骤2804中，可在区域102中执行光子吸收及载子产生。如上文所讨论，在一些应用中，响应于一触发事件而接收一光子且产生一载子的机率可较低(例如约1/10,000)。相应地，可不针对各触发事件执行步骤2804，因为通常无法响应于一触发事件而接收到光子。然而，在一些实施例中，所接收的光子的量可较高。
在步骤2804期间，一电位障存在于光电侦测区域102与拒斥区域105之间以防止光生电荷载子被拒斥。在步骤2804期间，可降低至储格0的电位障202(如图5B中所展示)或可升高至储格0的一电位障202(如图5C中所展示)。若降低至储格0的一电位障202，则一电荷载子可直接传递至储格0(步骤2806)。若升高至储格0的一电位障202，则一电荷载子可被限制于区域102中直至步骤2806。
在步骤2806中，将一载子(若存在)转移至储格0。至储格0的电位障202降低或保持降低。若在步骤2802之后的时间周期中产生一光生电荷载子，则降低电位障202允许电荷载子被转移至储格0。电位障202可藉由控制区域102与储格0之间的边界处的一电极203(图3、图5B)的电压而降低或升高。此一电极可定位于半导体区域上方，其控制半导体区域中的电位。在一些实施例中，仅一单一电极203可安置于区域102与储格0之间的边界处以控制允许或防止一电荷载子的转移至储格0的电位障202。然而，在一些实施例中，电位障202可由一个以上电极产生。不同于图2A的电荷载子捕获区域106，产生电位障202的(若干)电极206可不在一储格外部的一位置处捕捉一电荷载子。确切而言，(若干)电极206可控制一电位障202以允许或防止一电荷载子进入储格0。另外，不同于在区域102与一储格之间产生若干电位障的电荷载子捕获区域106，电位障202可为区域102与储格0之间的一单一电位障。相同或类似于本段落中所描述的特性可存在于储格1、电位障204及产生电位障204的(若干)电极205中。
在一些实施例中，在拒斥周期之后，可形成一电位梯度，其仅允许电荷在一方向上(即在自区域102至一时间储格的方向上)流动。电荷在图5A至图5D的向下方向上流动至储格的一者。一适合电位梯度可建立于半导体区域中以引起所产生的载子在朝向载子储存区域108的图的向下方向上行进通过半导体区域。此一电位梯度可以任何适合方式(诸如使用一梯度掺杂浓度及/或选定电位处的一或多个电极)建立。相应地，将在步骤2802之后于区域102中产生的一光生电荷载子转移至储格0，因此时间合并储格0中的光生电荷载子的到达。
在步骤2806之后，升高至储格0的电位障202，如图5C中所绘示。可选地，至储格0的电位障202及至储格1的电位障204两者可升高一段时间。若电位障202及电位障204两者均升高，则在步骤2806之后产生的一电荷载子可被限制于区域102中直至步骤2808。
在步骤2808中，将一载子(若存在)转移至储格1，如图5D中所绘示。降低至储格1的电位障204。若一光生电荷载子在步骤2806之后的时间周期中产生，则降低电位障204允许电荷载子转移至储格1。可藉由控制区域102与储格1之间的边界处的一电极205的电压而升高或降低电位障204。此一电极可定位于半导体区域上方。相应地，在步骤2806之后，将区域102中产生的一光生电荷载子转移至储格1，因此时间合并储格1中的光生电荷载子的到达。在步骤2808之后，可升高电位障202。
在步骤2808之后，量测2820可重复n-1次以获得关于光子趋向于在一触发事件之后到达的时间周期的信息(例如统计信息)。当重复量测2820时，时间合并电荷载子可聚集于对应电荷单元格中。重复量测2820可达成在电荷载子单元格中聚集足以提供具有统计意义的结果的数目个电荷载子。例如，在荧光寿命量测的情境中，可期望响应于自一荧光团接收的一光子的一光子吸收事件可相对罕有发生。例如，可期望此一事件在约10,000次量测中发生一次。相应地，可能需要执行大量量测2820以在电荷载子单元格中聚集足够数目个电荷载子使得结果具有统计意义及/或具有一足够信号噪声比。在一些实施例中，可针对荧光寿命量测执行的一荧光团的量测的数目n可为50,000或50,000以上、100,000或100,000以上、200,000或200,000以上、300,000或300,000以上、400,000或400,000以上、500,000或500,000以上、一百万或一百万以上、两百万或两百万以上、五百万或五百万以上以达成捕获且在各储格中合并足够数目个(即在一些实施例中，数十个或数百个或数百个以上电荷载子)。量测可依在MHz范围中的一频率(诸如50MHz与100MHz之间、25MHz与200MHz之间、10MHz与500MHz之间或1MHz与500MH之间)重复，所有范围包含端点，或依另一频率重复。在一些实施例中，在量测重复n-1次之后，约一百个载子(例如电子)可累积于时间储格中。然而，此当然取决于所接收的光子的数目。在一些实施例中，时间储格中累积的载子的数目可介于10与10,000之间(诸如介于50与1,000之间)或任何其他适合数目。方法2800可在期望捕获光子的任何适合时间周期内执行。在荧光寿命量测的情境中，用于执行方法2800的一适合周期可为(例如)10毫秒。在一些实施例中，一量测2820可依在MHz范围中的一频率重复。在一些实施例中，时间储格可具有依皮秒或纳秒尺度的一分辨率。
一旦已执行经分配的数目个量测n，方法便行进至读出时间储格的步骤2810。在步骤2810中，将电荷自储格转移至可包含一浮动扩散的一读出节点111。电荷可自个别储格依序转移至读出节点111。就各储格而言，可将电荷转移至读出节点111，且接着可使用读出电路110将其转换为一电压(图6中展示读出电路110的一实例)。为使电荷自各储格转移，可改变电极213及/或214(图3)上的电压以降低储格与读出节点111之间的一电位障。一读出序列的一实例是重设读出节点111的电压，接着，藉由改变电极213上的电压以降低储格0与读出节点111之间的一电位障212而将电荷自储格0转移至读出节点111。可建立引起电荷自储格0流动至读出节点111的电位梯度。此绘示于图5E中。接着，转移至读出节点111的电荷可转换为一电压且被读出。接着，可重设读出节点111的电压。接着，可藉由改变电极215上的电压以降低储格1与读出节点111之间的一电位障214而将电荷自储格1转移至读出节点111。可建立引起电荷自储格1流动至读出节点111的一电位梯度。此绘示于图5F中。
图6展示沿图3中的线A-A’的像素200的一实例的一横截面图。如图中所绘示，电极206、203及213形成于一半导体基板上或上方。光在光子吸收/载子产生区域102处自一光源120接收。光源120可为任何类型的光源，包含(举实例而言且不具限制性)一发光样本(例如键联至一核酸)或待在成像应用中成像的一区域或场景。光源120可包含无用激发雷射光。一遮光罩121防止光到达基板的另一部分(例如防止电荷由杂散激发光或其他杂散光直接产生于单元格或读出节点中)。遮光罩121可由(举实例而言且不具限制性)任何适合材料(诸如集成电路的一金属层)形成。图6绘示在拒斥期间的电荷转移(至左边)及至储格的转移(右边)的相反方向。
实例性读出电路及序列
如图6中所绘示，像素200可包含允许读出储存于电荷载子储存区域108的该(等)电荷单元格中的电荷的读出电路110。像素200可为一主动像素使得读出电路110包含一读出放大器，或可为一被动像素，其中读出电路110不包含一读出放大器。可使用任何适合类型的主动像素或被动像素读出电路。若读出电路110包含一读出放大器，则读出放大器可将累积于一电荷单元格(例如储格0、储格1)中的电荷作为一输入且产生表示电荷单元格中的电荷的一电压作为一输出。
若读出电路110包含一读出放大器，则可使用任何适合类型的放大器。适合放大器的实例包含基于一共同源极组态的放大器及基于一源极随耦器组态的放大器。图6中绘示基于一源极随耦器组态的读出电路110的一实例。如图6中所展示，读出区域110可包含一源极随耦器缓冲晶体管sf、一重设晶体管rt及一列选择晶体管rs。然而，本文所描述的技术不受限于任何特定放大器组态。在一些实施例中，一或多个转移电极213、215可为读出电路110的部分。
可使用任何适合读出技术(包含噪声降低技术)。在一些实施例中，读出电路110可使用相关双取样(correlated double sampling)读出电荷载子单元格。相关双取样是其中一第一样本可依一重设电压位准(其包含一未定噪声量)自一节点取得且一第二样本可依包含相同未定噪声的一信号位准自该节点取得的技术。噪声可藉由自经取样的信号位准减去经取样的重设位准而消除。
读出时间储格可包含将聚集于电荷单元格的各者中的电荷量转换为对应电压，如上文所讨论。可依任何适合速率(诸如50Hz至100Hz、10Hz至500Hz或另一速率)执行自时间储格的读出。在一些实施例中，可在相同于在相同像素的一或多个电荷载子单元格中收集电荷载子的时间处执行自一像素的电荷载子单元格的读出。
转移电极213及215可单独地电荷耦合至各储格。一共同读出节点111可电荷耦合至所有转移电极。如图6中所绘示，读出节点111可连接至重设晶体管rt的源极。重设晶体管rt及列选择晶体管rs的漏极可连接至一高电压供应器。重设晶体管rt及列选择晶体管rs的闸极(或栅极，gate)可由一列驱动器电路控制。在一些实施例中，晶体管sf的源极可连接至列选择晶体管rs的漏极。晶体管sf的闸极可连接至读出节点111。在一些实施例中，源极随耦器的源极可连接至行线读出。
时间储格的数目及时序
可使用任何数目个时间储格。在图3中，已绘示具有两个储格的一像素的一实例。然而，可基于所要时间分辨率及其他因素而产生具有任何适合数目个储格的一像素。增加储格的数目可增由各像素占据的区域，且可藉由减少像素的总数或藉由使用具有一较小特征大小的制造处理而达成。使用少量储格可允许增加可配合于一晶圆上的像素的数目。在一些实施例中，一单一储格可用于判定在一特定时间周期内到达的光子的数目。
可以任何适合方式选择时间储格的时序。在一些实施例中，时间储格的时序可固定使得时序在各量测周期中相同。可基于一全局计时信号而设定时序。例如，一计时信号可确立一量测周期的开始，且时间储格可经控制以基于已自该计时信号经过的一预定时间量而开始及结束。在荧光寿命量测情境中，可基于预期侦测的荧光寿命的可能范围而相对于一激发脉冲的时序设定时间储格的时序。在飞行时间成像情境中，可基于待成像的场景的一预期距离范围而设定时间储格的时序。然而，在一些实施例中，时间储格的时序可变动或可处理化。
在一些实施例中，可基于触发事件的时序而为时间储格设置时序，该触发事件开始量测2820的量测周期。在荧光寿命量测情境中，可响应于侦测激发一荧光团的一激发脉冲的时序而设定时间储格的时序。例如，当一光激发脉冲到达像素200时，载子的一浪涌(surge)可自光子吸收/载子产生区域102行进至漏极。响应于激发脉冲的光生载子在漏极处的累积可引起漏极的电压的一改变。相应地，在一些实施例中，可藉由侦测漏极的电压来侦测激发脉冲。例如，一比较器可将漏极的电压与一临限值相比较，且可在漏极的电压超过该临限值时产生一脉冲。脉冲的时序可指示触发事件的时序，且可基于此时序而设定时间储格的时序。然而，本文所描述的技术不受限于此方面，因为任何适合技术可用于侦测一量测的开始。
在一些实施例中，整合式装置可程序化以达成改变时间储格的时序。在一些实施例中，时间储格的时序可针对待执行的一组特定量测经程序化。例如，若整合式装置用于使用具有一第一范围内的寿命的一第一组标记的一第一类型的测试，时间储格可程序化为用于辨别该范围内的标记的寿命的适合值。然而，若整合式装置用于使用具有不同寿命的不同标记另一类型的测试，则可藉由程序化时间储格以对应于适合于用于第二类型的测试中的标记的不同时间间隔而改变时间储格。在一些实施例中，时间储格的时序可基于一组量测的结果而在量测之间自适应地控制。
实例性单元格
存在若干方式以将一电荷单元格实施为半导体区域内的一电位井。在一些实施例中，该电位井可部分地位于电极203或205内。存在两种类型的转移以将电荷移入及移出该井。累积转移将电荷移动至该井中。读出转移将电荷移出该井。
以下是电位井的可能特性：
˙井可具有足以在30℃下储存至少100个电子的累积电荷达10ms的深度。
˙电极203或205将区域102电荷耦合至井。
˙井可至少部分地位于电极203或205内。
˙在累积转移期间，井可在高于区域102的完全空乏电压的电位处。
˙在读出转移期间，井的完全空乏电压可在低于浮动扩散重设位准的电位处。
˙井的电位可经动态调变以满足累积转移及读出转移的要求两者。
存在产生诸如储格0或储格1的一储格的电位井的若干技术。作为一实例，电极203、205、213及215的一或多者可互补掺杂(分离掺杂)。图7展示具有一p+区域及一n+区域的一分离掺杂电极2302。如图7中所展示，分离掺杂电极2302的n+区域可在n+区域下产生一电位井，其可限制电荷载子(例如电子)。图7绘示保持分离掺杂电极2302的电压较高可产生如虚线中所展示的一电位梯度，其可限制一电位井2304中的电荷载子(例如电子)。降低分离掺杂电极2302的电压可升高分离掺杂电极2302下的电位以达成将在电位井2304中捕捉的电荷转移至(例如)一电荷单元格。
电极2302可为区域102的侧上的掺杂P+及储格侧上的N+。工作函数差异可产生一电压梯度(诸如(例如)1伏特)。一第二选择是将一掩埋通道n型植入物放置于由电极调变的井位置处。当电极在高电位处时，井电位增加超出收集区域。一第三选择是产生相同于区域102的二极管的一复制二极管。该二极管可为具有相同植入物的如同区域102的二极管的一掩埋二极管。其可形成于障壁202或204与转移电极213之间。可使用延伸跨越读出转移闸极的n型植入物来调整空乏电压。形成障壁(barrier)202或204的电极可为掺杂N+而读出转移电极可为掺杂P+。在一些实施例中，上述技术的一组合可用于形成一储格的电位井。
图8展示根据一些实施例的一直接合并像素200的一实例的一平面图。如图中所绘示，区域102可具有一圆形形状，尽管本文所描述的技术不受限于此方面。
图9展示根据一些实施例的一直接合并像素200的另一实例的一平面图。图9展示上覆及电连接至下伏多晶硅电极的金属端子。金属区域cd连接至拒斥区域105，金属区域b0连接至电极206，金属区域b1连接至电极203且金属区域b2连接至电极205。金属区域t1连接至充当至储格0的一转移闸极的一多晶硅电极，其允许转移出储存于储格0中的电荷以待读出。类似地，金属区域t2连接至充当至储格1的一转移闸极的另一多晶硅电极，其允许转移出储存于储格1中的电荷以待读出。
存在定位于电极203及205的下部分上的袋植入物(pocket implants)，如使用“TG”所展示。扩散与袋植入物之间的交叉使用N＝0来标记。归因于侧壁植入物，黑色标记是其中出现袋电位的位置。在此实例中，一袋在电极之间延伸。然而，本文所描述的技术及装置不受限于此方面。
一储格的位置可在一电极下，在未由该电极覆盖的一区域中或在一电极下且在未由该电极覆盖的一区域中。例如，储格0可在电极203下，在电极203与连接至t1的多晶硅转移电极之间的未在电极203下的区域中或在电极203下且在不在电极203下的一区域中两者。
图10至图14展示针对一像素200的一实施例的半导体材料中的掺杂浓度及方法2800的各种步骤处的像素200的电位梯度。
图10展示步骤2802的拒斥周期期间的电位，其亦对应于图5A。左下中的图展示沿图8的y维度的电位。光子吸收/载子产生区域102居中于y＝0处。如图中左下及左上所见，当y＝0的左边的拒斥区域的电极变高时，电位朝向y＝0的左边的拒斥区域下降。相应地，载子自光子吸收/载子产生区域102转移至拒斥区域105。右下中的图展示掺杂浓度。
图11展示在其中至拒斥区域及储格的电位障升高(如图5C中)的一周期期间的电位。在此状态中，区域102中所产生的任何电荷载子归因于y＝0周围产生的碗状电位井而限制于区域102中。
图12展示对应于图5B及图5D的其中电荷可转移至一储格的步骤2806及2808期间的电位。y维度中的电位类似于其中电荷转移至储格0及储格1的情况。据此而言，图12不展示将驱动一载子朝向一储格及另一储格的沿图8的横向维度的梯度。如图12中所展示，电位朝向储格向区域102的右边渐降，其将所存在的任何载子驱动至对应储格中。
图13及图14绘示读出相位期间的电位。图13展示藉由降低由一转移闸极产生的一电位障而将储存于一储格中的电荷转移至浮动扩散FD。图14绘示重设浮动扩散FD。
垂直拒斥
发明者已意识到且了解一问题产生于在一半导体基板内深处光生电荷载子。由于基板内深处可能不存在显著电位梯度，因此产生于此区域中的载子可缓慢移动，且可不遵循一可预测路径。在一些情况中，深产生载子最终可行进至表面且限制于区域102中。不期望收集区域102中的此等载子，因为该等载子不对应于在当前量测周期期间到达的光子，且因此是应被拒斥的噪声。发明者已开发结构及技术以拒斥可用于一直接合并像素或另一类型的像素中的深产生载子。在讨论此等结构及技术之前，将讨论深产生载子的产生及移动。
如图15中所展示，吸收深度是波长的函数使得较长波长在光被吸收之前更深地穿透至半导体中。吸收深度由吸收系数的倒数或1/a给定。强度以指数方式衰变至基板中，使得吸收深度是至材料中的距离，在所述距离处光下降至表面强度1/e或1tau(τ)的约36％。短波长光(蓝色光)具有一较大吸收系数使得其在表面的一短距离内被吸收，而较长波长光(红色光)依一较低速率被吸收。
一磊晶圆(或外延片，epi-wafer)包含具有高度掺杂手柄的3微米至5微米厚的轻度掺杂(例如2x1015cm-3)磊晶区域(或外延区域，epitaxy region)。主动区域中不存在电位梯度，所以电场最小。载子经历来自3个来源的运动：
1)热
2)漂移
3)扩散
当无电场或掺杂梯度时，在一随机过程中，载子与半导体的振动原子踫撞。载子与掺杂物及其他载子静电地相互作用。300°K下自由碰撞之间的平均时间约为1e-13s，其中一热速度是1e-7cm/s。特性平均自由路径约为10nm。
图16展示区域102的光电二极管的掺杂分布曲线图及电位。(1x1016cm-3)的一完全空乏轻度掺杂掩埋n型区域产生将载子拉至具有最高电位的区域中的一电场。产生于空乏区域下方的载子在被限制之前扩散至电场中。扩散过程较缓慢且引起载子在产生之后适当到达。
掩埋二极管区域的深度可由CMOS处理限制于实施植入的阶段(能量<400keV)。主动区域及电场的延伸可小于1.5μm深，其导致约20％的光电子进入具有平面电场的一区域。在一10ns循环中，在模拟1百万光子之后，约1/40光子在一半循环或5ns之后仍滞留于基板中。在前100ps内，约1/10光子仍滞留。此表示使用一100ps拒斥延时的10:1的一最佳情况拒斥比。
期望汲取深产生载子及/或至少防止深产生载子到达表面附近的光电二极管区域。发明者已开发用于如此做的结构及技术。在一些实施例中，“深产生载子”是指产生于表面下方1微米以上的载子。然而，本发明不受限于此方面，因为载子可成为问题的深度可针对不同材料及处理技术而不同。
一种技术是在光电二极管下方形成阻止深产生载子进入光电二极管的一漏极或障壁。图17展示可防止深产生电荷到达表面的一深掺杂区域。该深掺杂区域可为使用一900keV能量或任何其他适合能量的一深植入物。在一些实施例中，深植入物可不连续(诸如(例如)图20中)以允许表面处于相同于基板的底部的电位。图18展示10ns的电子运动的一仿真，其绘示载子被汲取至深n-井区域。
若深掺杂区域是n型，则可将其连接至拒斥区域及因此连接至一供应电压以收集深产生载子且将其转移至一漏极。若深掺杂区域是p型，则其可形成阻挡深掺杂载子且防止其到达光电二极管的一障壁。
当使用具有3um至5um厚度或任何其他适合厚度的一磊晶基板时，可拒斥深载子。可将表面的1um内的光生载子收集至空乏二极管N区域中。
实施两种单独技术以处置深载子(deep carriers)：
1)一种技术是一掩埋漏极。图19展示一实例，其中一N型掩埋层(深漏极)在高电位处(例如3伏特)偏压。深光电子被拉至该N型掩埋层中且在接点处被吸走。
2)另一种技术是一掩埋屏蔽(buried shield)。图20展示与基板接触的一P+型掩埋层(深屏蔽)。深光电子自该P+型掩埋层排斥且扩散至N型拾波器中且在接点处被吸走。该P+型掩埋层不连续且允许二极管结构保持自低电位处的底侧偏压至基板电位。就介接于二极管的电极的快速动态切换而言，此可为一优点，因为甚至在高频率处下二极管空乏电压仍保持固定。
可使用标准NWELL(NW)及PWELL(PW)处理来实施掩埋二极管的左侧及右侧上的N区域及P区域。至NWELL的N+分接头可为标准源极漏极高度掺杂植入物。深N区域可为超过1000keV的一高能量磷植入物。深P+区域可为超过500keV的一高能量硼植入物。
用于汲取深产生载子的另一种技术是在基板中产生一漂移场，其将深产生载子自表面拉离。可藉由在基板中产生一垂直电位梯度而产生该漂移场。
用于避免深产生载子的另一种技术是使半导体区域(例如一磊晶区域)非常薄(诸如比三微米薄、比两微米薄或比1微米薄)。
额外实施例
图21展示可由其制造集成电路的材料的实例。一像素可形成于一半导体区域(在一些实施例中，该半导体区域可为硅)中。绝缘区域(诸如氧化硅区域)可使集成电路的区域彼此绝缘。电极(例如电极206、203及213)可由多晶硅或另一导体形成。绝缘间隔物可定位于电极的侧处。例如，绝缘区域可由氮化硅形成。诸如铝的一金属可安置于电极上以与电极电接触。然而，可使用其他材料，因为本文所描述的装置不受限于特定材料。
图22展示根据一些实施例的一像素200的一掺杂分布曲线图的一实例。光电侦测区域102包含具有位于表面处的一P型区域及一掩埋N型区域的一光电二极管。电极206及203可为掺杂N型。电极213可为掺杂P型。与复数个植入物相反，电极203与电极213之间的掺杂的差异可产生允许一植入物形成于区域108中以允许限制电荷载子的一工作函数差异。然而，此是可选的，且在一些实施例中，区域108可包含复数个植入物。在此实例中，电极203及/或213下方的电荷储存区域108是掺杂N型。一高度掺杂区域301可在半导体区域中形成至与光电二极管相对的电极213的远侧。一障壁植入物302可经形成以防止载子自基板中的深处进入电荷储存区域108。在此实例中，障壁植入物可为P型。
储格可包含横跨电极203至电极213的半部而进入扩散的一植入物。至输出的储格障壁可由一P+掺杂闸极电极与一N+掺杂闸极电极之间的工作函数差异形成。此可形成一足够1.1V障壁差异。此差异可藉由在电极203与电极213之间施加一差异电压而扩展。例如，可将电极213设定为0V且可将电极203设定为0.4V。此产生一1.5V差异。
至输入的电位障可由一硼植入物形成于二极管界面处。电位障是相对于储格植入物的最大空乏电压。储格植入物剂量及能量可判定储格的最大电位深度。此可在处理中调谐以允许至储格的输入侧的一足够障壁。输出侧归因于工作函数差异而具有一稳健障壁且亦可由电压调谐。调谐输入障壁是更重要。可藉由将电压施加于电极203而调谐储格电位深度。然而，此亦影响至输入二极管的障壁。至输入二极管的障壁可由闸极控制。因此，储格植入物剂量及能量可经调谐以在最大储格空乏电位处输送一足够障壁。使用相同于储格植入物的屏蔽，一深、高剂量硼植入物可形成至基板的一障壁，其防止拾取杂散电子。
图23展示用于形成具有图22中所绘示的掺杂分布曲线图的像素200的一例示性处理序列。处理可包含掺杂物植入物及/或扩散的任何适合序列。然而，应了解图23的处理是具举实例而言，且可使用其他适合处理。
图24展示沿图22的线y＝0的砷、硼、磷及Nt的一例示性掺杂分布曲线图的一图。垂直轴上展示至基板中的深度，而水平轴上展示浓度。
图25展示当藉由将所有电极的电压设定为0V而闭合所有障壁时图22的像素中的电位的一图。如图中所绘示，产生允许将载子限制于储格中的一电位井。
图26展示当将电极213的电压设定为3V时图22的像素中的电位的一图。升高电极213上的电压降低储格与读出节点111之间的障壁。
图27展示当电极206、203及213的电压改变时基板内的电位的曲线。
实例性集成电路实现及形成整合式光电侦测器的方法
在一些实施例中，可使用一标准CMOS(互补式金属氧化物半导体)处理使芯片1300形成于一硅基板中。然而，本文所描述的技术不受限于此方面，因为可使用任何适合基板或制造处理。图28至图32展示用于形成光电侦测器及四个不同像素设计d0至d3的一例示性处理。图28展示具有半导体区域中的扩散及N井区域及一上覆多电极层的层级0。图29表示层级1，图30展示一层级2，图31表示层级3且图32表示层级4。
像素数组/芯片架构
图33展示根据一些实施例的芯片架构的一图。如图33中所展示，一集成电路或芯片1300可包含：一像素数组1302，其包含复数个像素100；一控制电路1304，其包含一计时电路1306；电压/电流偏压产生电路1305及一接口1308。
像素数组1302包含以任何适合图案(诸如(例如)一矩形图案)布置的一像素数组101。像素数组1302可具有任何适合数目个像素。像素数组可具有用于读出像素数组1302的列或行的列及/或行导体。像素可被并行读出、串行读出或以并行及串行的一组合读出。例如，在一些实施例中，一列像素可并行读出，且像素数组的各列可依序读出。然而，本文所描述的技术不受限于此方面，因为像素可依任何适合方式读出。
像素数组1302由一控制电路1304控制。控制电路1304可为用于控制芯片1300上的操作(包含像素数组1302的操作)的任何适合类型的控制电路。在一些实施例中，控制电路1304可包含经程序化以控制像素数组1302的操作及芯片1300上的任何其他操作的一微处理器。控制电路可包含储存用于引起微处理器执行此等操作的计算机可读指令(例如码)的一计算机可读媒体(例如内存)。例如，控制电路1304可控制产生待施加于各像素中的该(等)电荷载子分离结构的电极的电压。控制电路1304可改变一或多个电极的电压(如上文所讨论)以捕获载子、转移载子及执行像素及数组的读出。控制电路可基于所储存的一时序方案而设定电荷载子分离结构的操作的时序。所储存的该时序方案可固定、可程序化及/或具适应性，如上文所讨论。
控制电路1304可包含用于计时像素的该(等)电荷载子分离结构的操作及芯片的其他操作的一计时电路1306。在一些实施例中，计时电路1306可达成产生信号以精确地控制该(等)电荷载子分离结构中的电压改变的时序以准确地计时储格电荷载子。在一些实施例中，计时电路1306可包含用于精确地设定提供至该(等)电荷载子分离结构的信号的时序的一外部参考频率及/或一延迟锁定回路(DLL)。在一些实施例中，可使用两个单端延迟线路，各线路具有一半数目的180度异相对准的载台。然而，任何适合技术可用于控制芯片上的信号的时序。
芯片1300可包含用于自芯片1300发送信号、在芯片1300处接收信号或两者的一接口1308。接口1308可达成读出由像素数组1302感测的信号。可使用一模拟接口及/或一数字接口执行自芯片1300读出。若使用一数字接口执行自芯片1300读出，则芯片1300可具有用于将自像素数组1302读出的信号转换为数字信号的一或多个模拟转数字转换器。在一些实施例中，读出电路可包含一可程序化增益放大器。一或多个信号可经由接口1308自一外部来源提供至芯片1300。例如，此等控制信号可控制待执行的量测的类型，其可包含设定时间储格的时序。
可由芯片上电路或芯片外电路执行自像素数组1302读出的信号的分析。例如，在荧光寿命量测的情境中，光子到达的时序的分析可包含接近一荧光团的一荧光寿命。可执行任何适合类型的分析。若自像素数组1302读出的信号的分析在芯片上执行，则芯片1300可具有用于执行分析的任何适合处理电路。例如，芯片1300可具有是控制电路1304的部分或与控制电路1304分离的用于执行分析的一微处理器。若在芯片上执行分析，则在一些实施例中，可将分析的结果发送至一外部装置或以其他方式透过接口1308提供至芯片外。在一些实施例中，可在芯片外执行分析的所有或一部分。若在芯片外执行分析，则可透过接口1308将自像素数组1302读出的信号及/或由芯片1300执行的任何分析的结果提供至一外部装置。
在一些实施例中，芯片1300可包含以下的一或多者：
1)芯片上、数字控制像素偏压产生器(DAC)。
2)将单端像素输出电压信号转换为一差动信号且将增益施加于该信号的芯片上、数字可程序化增益放大器。
3)允许使用输出速率标定功率耗散的数字控制放大器偏压产生器。
图34是可用于实施用于控制像素数组或用于执行来自像素的数据的分析的一控制电路的一绘示性计算装置1000的一方块图。计算装置1000可包含一或多个处理器1001及一或多个有形、非暂时性计算机可读储存媒体(例如内存1003)。内存1003可将计算机程序指令储存于一有形非暂时性计算机可读储存媒体中，计算机程序指令在被执行时实施上述功能性的任何者。(若干)处理器1001可耦合至内存1003且可执行此等计算机程序指令以引起实现及执行功能性。
计算装置1000亦可包含计算装置经由可经由其与其他计算装置通信(例如在一网络上)的一网络输入/输出(I/O)接口1005，且亦可包含计算装置可经由其提供输出至一使用者且自该使用者接收输入的一或多个用户I/O接口1007。用户I/O接口可包含诸如一键盘、一鼠标、一麦克风、一显示设备(例如一监视器或触控屏幕)、扬声器、一摄影机及/或各种其他类型的I/O装置的装置。
上述实施例可以数种方式的任何者实施。例如，可使用硬件、软件或硬件及软件的一组合来实施实施例。当在软件中实施时，软体程序码可在任何适合处理器(例如一微处理器)或处理器的集合上执行，无论提供于一单一计算装置中或分布于多个计算装置中。应了解，执行上述功能的任何组件或组件的集合一般可视为控制上文所讨论的功能的一或多个控制器。该一或多个控制器可以多种方式实施(诸如使用专用硬件或使用通用硬件(例如一或多个处理器)，通用硬件使用微码或软件程序化以执行上文所列举的功能)。
在此方面，应了解，本文所描述的实施例的一实施方案包括使用一计算机程序(即复数个可执行指令)编码的至少一计算机可读储存媒体(例如RAM、ROM、EEPROM、闪存或其他内存技术、CD-ROM、数字多功能光盘(DVD)或其他光盘储存器、匣式磁带、磁带、磁盘储存器或其他磁性储存装置、或其他有形、非暂时计算机可读储存媒体)，在一或多个处理器上执行时，该计算机程序执行上文所讨论的一或多个实施例的功能。计算机可读媒体可是可运输的使得储存于其上的程序可负载于任何计算装置上以实施本文所讨论的技术的方面。另外，应了解，参考在被执行时执行上文所讨论的功能的任何者的一计算机程序不受限于在一主计算机上运行的一应用程序。确切而言，术语计算机程序及软件在本文中以一一般意义使用以指称可用于程序化一或多个处理器以实施本文所讨论的技术的方面的任何类型的计算机程序码(例如应用软件、韧体、微码或任何其他形式的计算机指令)。
额外方面
本发明的各种方面可单独使用、组合使用或用于未在前文描述的实施例中具体讨论的多种配置中且因此其应用不受限于前述描述中所阐述或图式中所绘示的组件的细节及配置。例如，一实施例中所描述的方面可依任何方式与在其他实施例中描述的方面组合。
另外，本发明可体现为一方法，本文已提供该方法的一实例。作为该方法的部分执行的动作可以任何适合方式排序。相应地，可构造实施例，其中以不同于绘示的一顺序执行动作，其可包含同时执行一些动作(即使在绘示性实施例中展示为循序动作)。
在技术方案中使用序数术语(诸如“第一”、“第二”、“第三”等等)以修改一技术方案要素本身并不隐含任何优先权、优先性或一技术方案要素的顺序优先于另一技术方案要素或执行一方法的动作的时间顺序，而仅用作为标志以区分具有一特定名称的一技术方案要素与具有一相同名称(但使用序数词)的另一技术方案要素以区分技术方案要素。
另外，本文所使用的词组及术语是为了描述目的且不应被视为具限制性。在本文中使用“包含”、“包括”或“具有”、“含有”、“涉及”及其等的变体意谓涵盖此后所列的项目及其等效物以及额外项目。
Claims (49)
1.一种集成电路，其包括：
一光电探测区域，其被配置为接收入射光子，该光电探测区域被配置为响应于入射光子而产生多个电荷载流子；
至少一电荷载流子储存区域；及
一电荷载流子分离结构，其被配置为基于产生电荷载流子的时间而选择性地将该多个电荷载流子中的电荷载流子直接引导至该至少一电荷载流子储存区域中，且在该至少一电荷载流子储存区域中聚集响应于多个激发光脉冲产生的电荷载流子；该电荷载流子分离结构包括：
至少一电极，其位于该光电探测区域与该至少一电荷载流子储存区域的第一电荷载流子储存区域之间的边界处；所述至少一电极包括第一电极，所述第一电极被配置为形成可降低的第一势垒，使得在所述第一势垒降低时产生于所述光电探测区域中的所述电荷载流子被转移至所述第一电荷载流子储存区域。
2.一种集成电路，其包括：
一直接合并像素，其包括：
一光电探测区域，其被配置为接收入射光子，该光电探测区域被配置为响应于入射光子而产生多个电荷载流子；
至少一电荷载流子储存区域；及
一电荷载流子分离结构，其被配置为基于产生电荷载流子的时间而选择性地将该多个电荷载流子中的电荷载流子引导至该至少一电荷载流子储存区域中，且在该至少一电荷载流子储存区域中聚集响应于多个激发光脉冲产生的电荷载流子；该电荷载流子分离结构包括：
至少一电极，其位于该光电探测区域与该至少一电荷载流子储存区域的第一电荷载流子储存区域之间的边界处；所述至少一电极包括第一电极，所述第一电极被配置为形成可降低的第一势垒，使得在所述第一势垒降低时产生于所述光电探测区域中的所述电荷载流子被转移至所述第一电荷载流子储存区域。
3.一种集成电路，其包括：
多个像素，该多个像素中的第一像素是直接合并像素，该第一像素包括：
一光电探测区域，其被配置为接收入射光子，该光电探测区域被配置为响应于入射光子而产生多个电荷载流子；
多个电荷载流子储存区域；及
一电荷载流子分离结构，其被配置为基于产生电荷载流子的时间而选择性地将该多个电荷载流子中的电荷载流子直接引导至该多个电荷载流子储存区域的各自电荷载流子储存区域中，且在该多个电荷载流子储存区域中聚集响应于多个激发光脉冲产生的电荷载流子；该电荷载流子分离结构包括：
至少一电极，其位于该光电探测区域与该多个电荷载流子储存区域的第一电荷载流子储存区域之间的边界处；所述至少一电极包括第一电极，所述第一电极被配置为形成可降低的第一势垒，使得在所述第一势垒降低时产生于所述光电探测区域中的所述电荷载流子被转移至所述第一电荷载流子储存区域。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的集成电路，其中降低所述第一势垒建立从所述光电探测区域到所述第一电荷载流子储存区域的电位梯度。
5.根据权利要求4所述的集成电路，其中该电荷载流子分离结构包括位于该光电探测区域与该第一电荷载流子储存区域之间的该边界处的单一电极。
6.根据权利要求2或3所述的集成电路，其中该直接合并像素中不存在电荷载流子捕获区域和/或该光电探测区域与一电荷载流子储存区域之间不存在电荷载流子捕获区域。
7.根据权利要求1至3中任一项所述的集成电路，其中电荷载流子在无需在该光电探测区域与该至少一电荷载流子储存区域之间捕获该载流子的情况下转移至该至少一电荷载流子储存区域。
8.根据权利要求4所述的集成电路，其中电荷载流子在无需在该光电探测区域与该至少一电荷载流子储存区域之间捕获该载流子的情况下转移至该至少一电荷载流子储存区域。
9.根据权利要求5所述的集成电路，其中电荷载流子在无需在该光电探测区域与该至少一电荷载流子储存区域之间捕获该载流子的情况下转移至该至少一电荷载流子储存区域。
10.根据权利要求6所述的集成电路，其中电荷载流子在无需在该光电探测区域与该至少一电荷载流子储存区域之间捕获该载流子的情况下转移至该至少一电荷载流子储存区域。
11.根据权利要求1-3中任一项所述的集成电路，其中一电荷载流子拒斥区域在一拒斥周期期间丢弃在该光电探测区域中产生的电荷载流子。
12.根据权利要求4所述的集成电路，其中一电荷载流子拒斥区域在一拒斥周期期间丢弃在该光电探测区域中产生的电荷载流子。
13.根据权利要求5所述的集成电路，其中一电荷载流子拒斥区域在一拒斥周期期间丢弃在该光电探测区域中产生的电荷载流子。
14.根据权利要求6所述的集成电路，其中一电荷载流子拒斥区域在一拒斥周期期间丢弃在该光电探测区域中产生的电荷载流子。
15.根据权利要求7所述的集成电路，其中一电荷载流子拒斥区域在一拒斥周期期间丢弃在该光电探测区域中产生的电荷载流子。
16.根据权利要求8所述的集成电路，其中一电荷载流子拒斥区域在一拒斥周期期间丢弃在该光电探测区域中产生的电荷载流子。
17.根据权利要求9所述的集成电路，其中一电荷载流子拒斥区域在一拒斥周期期间丢弃在该光电探测区域中产生的电荷载流子。
18.根据权利要求10所述的集成电路，其中一电荷载流子拒斥区域在一拒斥周期期间丢弃在该光电探测区域中产生的电荷载流子。
19.根据权利要求11所述的集成电路，其中被丢弃的电荷载流子在不同于载流子自该光电探测区域被朝向一电荷载流子储存区域引导的方向的方向上，自该光电探测区域移除。
20.根据权利要求11所述的集成电路，其中一电荷载流子拒斥区域通过改变该光电探测区域与该电荷载流子拒斥区域之间的边界处的电极的电压，而在一拒斥周期期间丢弃在该光电探测区域中产生的电荷载流子。
21.根据权利要求1至3中任一项所述的集成电路，其中单一光子被转移至该至少一电荷载流子储存区域且在该至少一电荷载流子储存区域中聚集。
22.根据权利要求1至3中任一项所述的集成电路，其中拒斥在半导体基板的表面下方深超过一微米的电荷载流子。
23.根据权利要求22所述的集成电路，其中至少部分地通过该光电探测区域的光电二极管下方的植入物拒斥在半导体基板的该表面下方深超过一微米的电荷载流子。
24.根据权利要求23所述的集成电路，其中该植入物提供一深屏蔽或一深漏极。
25.根据权利要求24所述的集成电路，其中该植入物是N型或P+型。
26.根据权利要求22所述的集成电路，其中通过半导体基板的该表面下方的一漂移场拒斥在该半导体基板的该表面下方深超过一微米的电荷载流子。
27.根据权利要求23所述的集成电路，其中通过半导体基板的该表面下方的一漂移场拒斥在该半导体基板的该表面下方深超过一微米的电荷载流子。
28.根据权利要求1至3中任一项所述的集成电路，其中该光电探测区域形成于小于两微米深的外延区域中。
29.根据权利要求1至3中任一项所述的集成电路，其中该光电探测区域是包括一光电二极管的外延区域。
30.根据权利要求1至3中任一项所述的集成电路，其中所述光电探测区域的光电二极管中的电荷载流子在一拒斥周期期间被转移至一拒斥区域，接着，降低至第一电荷载流子储存区域的所述第一势垒，接着，降低至第二电荷载流子储存区域的第二势垒。
31.根据权利要求30所述的集成电路，其中该第一势垒是由所述第一电极控制且该第二势垒是由第二电极控制。
32.根据权利要求1至3中任一项所述的集成电路，其中该至少一电荷载流子储存区域包括多个电荷载流子储存区域。
33.一种光电探测方法，其包括：
(A)在一光电探测区域处接收入射光子；及
(B)基于产生电荷载流子的时间而选择性地将响应于该入射光子而产生的多个电荷载流子中的电荷载流子自该光电探测区域直接引导至至少一电荷载流子储存区域，并在该至少一电荷载流子储存区域中聚集响应于多个激发光脉冲产生的电荷载流子；其中
选择性地将所述电荷载流子自该光电探测区域直接引导至所述至少一电荷载流子储存区域包括：
降低位于该光电探测区域与该至少一电荷载流子储存区域的第一电荷载流子储存区域之间的边界处的至少一电极的第一电极形成的第一势垒，使得在所述第一势垒降低时产生于所述光电探测区域中的所述电荷载流子被转移至所述第一电荷载流子储存区域。
34.根据权利要求33所述的光电探测方法，其中电荷载流子在无需在该光电探测区域与该至少一电荷载流子储存区域之间捕获该载流子的情况下转移至该至少一电荷载流子储存区域。
35.根据权利要求33或34所述的光电探测方法，其中一电荷载流子拒斥区域在一拒斥周期期间丢弃在该光电探测区域中产生的电荷载流子。
36.根据权利要求35所述的光电探测方法，其中被丢弃的电荷载流子在不同于载流子自该光电探测区域被朝向一电荷载流子储存区域引导的方向的方向上，自该光电探测区域移除。
37.根据权利要求35所述的光电探测方法，其中一电荷载流子拒斥区域通过改变该光电探测区域与该电荷载流子拒斥区域之间的边界处的电极的电压，而在一拒斥周期期间丢弃在该光电探测区域中产生的电荷载流子。
38.根据权利要求33或34所述的光电探测方法，其中单一光子被转移至该至少一电荷载流子储存区域且在该至少一电荷载流子储存区域中聚集。
39.根据权利要求33或34所述的光电探测方法，其中拒斥在半导体基板的表面下方深超过一微米的电荷载流子。
40.根据权利要求39所述的光电探测方法，其中至少部分地通过该光电探测区域的光电二极管下方的植入物拒斥在半导体基板的该表面下方深超过一微米的电荷载流子。
41.根据权利要求40所述的光电探测方法，其中该植入物提供一深屏蔽或一深漏极。
42.根据权利要求41所述的光电探测方法，其中该植入物是N型或P+型。
43.根据权利要求39所述的光电探测方法，其中通过半导体基板的该表面下方的一漂移场拒斥在该半导体基板的该表面下方深超过一微米的电荷载流子。
44.根据权利要求40所述的光电探测方法，其中通过半导体基板的该表面下方的一漂移场拒斥在该半导体基板的该表面下方深超过一微米的电荷载流子。
45.根据权利要求33或34所述的光电探测方法，其中该光电探测区域形成于小于两微米深的外延区域中。
46.根据权利要求33或34所述的光电探测方法，其中该光电探测区域是包括一光电二极管的外延区域。
47.根据权利要求33或34所述的光电探测方法，其中所述光电探测区域的光电二极管中的电荷载流子在一拒斥周期期间被转移至一拒斥区域，接着，降低至第一电荷载流子储存区域的所述第一势垒，接着，降低至第二电荷载流子储存区域的第二势垒。
48.根据权利要求47所述的光电探测方法，其中该第一势垒是由所述第一电极控制且该第二势垒是由第二电极控制。
49.根据权利要求33或34所述的光电探测方法，其中该至少一电荷载流子储存区域包括多个电荷载流子储存区域。
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