CN111710687A - 基于入射光子到达时间的识别、成像、测序法及存储介质 - Google Patents

基于入射光子到达时间的识别、成像、测序法及存储介质 Download PDF

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Abstract

一种集成电路包括光检测区域，其被配置成接收入射光子。所述光检测区域被配置成响应于所述入射光子产生多个电荷载流子。集成电路还包括至少一个电荷载流子存储区域。所述集成电路还包括电荷载流子分离结构，其被配置成基于产生电荷载流子的时间将所述多个电荷载流子中的所述电荷载流子选择性地指引到所述至少一个电荷载流子存储区域中。

Description

基于入射光子到达时间的识别、成像、测序法及存储介质
本申请是申请日为2015年8月7日、申请号为201580054728.5、发明名称为“基于入射光子到达时间的识别、成像、测序法及存储介质”的申请的分案申请。
相关申请的交叉引用
本申请要求于2014年8月8日提交的标题为“用于对接收的光子进行时间分仓的集成装置”的美国临时申请序列号62/035,377以及于2015年5月20日提交的标题为“用于对接收的光子进行时间分仓的集成装置”的美国临时申请序列号62/164,506的优先权，其中的每一个均通过引用整体并入本文。
本申请与下列美国申请相关：
于2014年8月8日提交的标题为“用于探测、检测和分析分子的具有外部光源的集成装置”的美国临时专利申请62/035,258；
于2014年8月8日提交的标题为“用于探测、检测和分析分子的光学系统和测定芯片”的美国临时专利申请62/035,242；
于2015年5月20日提交的标题为“用于探测、检测和分析分子的具有外部光源的集成装置”的美国临时申请62/164,464；
于2015年5月20日提交的标题为“脉冲激光”的美国临时专利申请62/164,485；
于2015年5月20日提交的标题为“用于核酸测序的方法”的美国临时专利申请62/164,482；
与本申请同日提交的案号为R0708.70003US01且标题为“用于探测、检测和分析分子的光学系统和测定芯片”的美国非临时专利申请；以及
与本申请同日提交的案号为R0708.70004US02且标题为“用于探测、检测和分析分子的具有外部光源的集成装置”的美国非临时专利申请。
上面所列出的相关申请中的每一个通过引用整体并入本文。
背景技术
光检测器用于在各种应用中检测光。已经开发了产生指示入射光的强度的电信号的集成光检测器。用于成像应用的集成光检测器包括像素阵列以检测从整个场景接收的光的强度。集成光检测器的实例包括电荷耦合器件(CCD)以及互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器。
发明内容
一些实施例涉及一种集成电路，其包括光检测区域，其被配置成接收入射光子，光检测区域被配置成响应于入射光子产生多个电荷载流子。集成电路还包括至少一个电荷载流子存储区域。所述集成电路还包括电荷载流子分离结构，其被配置成基于产生电荷载流子的时间将所述多个电荷载流子中的所述电荷载流子选择性地指引到所述至少一个电荷载流子存储区域中。
一些实施例涉及一种集成电路，其包括光检测区域，其被配置成接收入射光子，光检测区域被配置成响应于入射光子产生多个电荷载流子。集成电路还包括至少一个电荷载流子存储区域。集成电路还包括工具，其基于产生电荷载流子的时间将多个电荷载流子中的电荷载流子选择性地指引到至少一个电荷载流子存储区域中。
一些实施例涉及一种光检测方法，其包括接收入射光子并基于产生电荷载流子的时间来将响应于入射光子产生的多个电荷载流子中的电荷载流子选择性地指引到至少一个电荷载流子存储区域中。
一些实施例涉及一种计算机可读存储介质，其具有当由处理器执行时执行光检测方法的存储在其上的指令。该方法包括控制电荷载流子分离结构以基于产生电荷载流子的时间来将响应于入射光子产生的多个电荷载流子中的电荷载流子选择性地指引到至少一个电荷载流子存储区域中。
一些实施例涉及一种形成集成电路的方法。该方法包括形成电荷载流子限制区域，其包括光检测区域和电荷载流子行进区域。光检测区域被配置成响应于入射光子产生多个电荷载流子。该方法还包括形成电荷载流子分离结构，其被配置成基于产生电荷载流子的时间将多个电荷载流子中的电荷载流子选择性地指引到至少一个电荷载流子存储区域中。
一些实施例涉及一种对核酸进行测序的方法。该方法包括从在至少一段时间内被直接或间接附接到核酸的各个核苷酸的发光分子接收光子。该方法还包括基于产生电荷载流子的时间来将响应于入射光子产生的多个电荷载流子中的电荷载流子选择性地指引到至少一个电荷载流子存储区域中。
一些实施例涉及一种计算机可读存储介质，其具有当由处理器执行时执行对核酸进行测序的方法的存储在其上的指令。该方法包括至少部分地使用由从连接到核酸的各个核苷酸的发光分子接收光子的集成电路检测的入射光子的到达时间来对核酸进行测序。
一些实施例涉及一种对核酸进行测序的方法。该方法包括使用集成电路和检测源于连接到核酸的各个核苷酸的发光分子的入射光子的到达时间。该方法还包括至少部分地使用检测源于发光分子的入射光子的到达时间的集成电路来识别发光分子。
一些实施例涉及一种荧光寿命成像的方法。该方法包括至少部分地使用检测源于荧光分子的入射光子的到达时间的集成电路来产生指示荧光寿命的图像。
一些实施例涉及一种飞行时间成像的方法。该方法包括接收入射光子并基于产生电荷载流子的时间来将响应于入射光子产生的多个电荷载流子中的电荷载流子选择性地指引到至少一个电荷载流子存储区域中。
提供前面的概述仅用于说明且不旨在限制。
附图说明
在附图中，在各个图中示出的每个相同或几乎相同的组件是由相同的参考字符表示的。为了清楚起见，可能并非每个组件均在每个附图中进行标记。附图不一定按比例绘制，而是将重点放在示出本文所述的技术和装置的各个方面。
图1A绘制了用于两种具有不同寿命的标记物的作为时间的函数而发射光子的概率。
图1B示出用于实例激发脉冲(虚线)和实例荧光发射(实线)的随时间的实例强度曲线图。
图2A示出根据一些实施例的集成光检测器的像素的图。
图2B显示在与图2A不同的时间和空间点上捕获电荷载流子。
图3A示出根据一些实施例的像素的电荷载流子限制区域。
图3B示出具有覆在图3A的电荷载流子限制区域上面的多个电极Vb0至Vbn、b0至bm、st1、st2和tx0至tx3的图3A的像素。
图3C示出其中光子吸收/载流子产生区域包括PN结的实施例。
图3D示出添加了掺杂特征的如在图3C中所示的像素的俯视图。
图3E示出包括载流子行进/捕获区的如在图3C中所示的像素的俯视图。
图3F示出如在图3E中所示的像素阵列。图3F指出扩散、多晶硅、接触和金属1的区域。
图3G示出图3F的像素阵列且还指出扩散、多晶硅、接触、金属1、N-植入物、P-植入物和P-外延区域。
图4示出图3B的像素的电路图。以粗暗线示出电荷载流子限制区。
图5A显示可以在光子吸收/载流子产生区中的电荷载流子限制区和沿图3B的线A-A’的载流子行进/捕获区中建立的势梯度。
图5B示出在一段时间之后，可以通过降低电极b0的电压而在时间t1升高对电子的势垒。
图5C示出在另一时间段之后，可以通过降低电极b2的电压而在时间t2升高对电子的另一势垒。
图5D示出在另一时间段之后，可以通过降低电极b4的电压而在时间t3升高对电子的另一势垒。
图5E示出在另一时间段之后，可以通过降低电极b6的电压而在时间t4升高对电子的另一势垒。
图5F示出在另一时间段之后，可以通过降低电极bm的电压而在时间t5升高对电子的另一势垒。
图6A示出一旦光生后载流子的位置。
图6B示出之后不久当载流子响应于所建立的势梯度而在向下的方向上行进时载流子的位置。
图6C示出当载流子达到漏极时载流子的位置。
图6D示出一旦光生后载流子(例如，电子)的位置。图6E示出之后不久当载流子响应于势梯度而在向下的方向上行进时载流子的位置。
图6F示出在时间t1之后当载流子达到势垒时载流子的位置。
图6G示出如果在时间t1和t2之间电子到达电极b0和b2之间，则将在势垒501和势垒502之间捕获电子，如在图6G中所示。
图6H示出其中电子在时间t1和t2之间到达，以使得仍在势垒501和势垒502之间捕获电子的实例。
图6I示出其中电子在时间t1和t2之间到达，以使得仍在势垒501和势垒502之间捕获电子的实例。
图6J示出其中电子在时间t1和t2之间到达，以使得仍在势垒501和势垒502之间捕获电子的实例。
图6K示出电压时序图，其显示电极b0至b8、st0和st1随时间的电压。
图7A示出用于沿图3B的线B-B’的电荷载流子限制区的横截面的势图。
图7B示出在时间t5之后，可以可选地降低电极b1、b3、b5和b7上的电压(未在图6K中示出)以在势阱内升高电子的位置以便转移电子。
图7C示出在时间t6(图6K)上，可以升高在电极st0和st1上的电压。
图7D示出在时间t7上，在电极st0上的电压可以下降，从而将捕获的载流子(如果有的话)限制在相应的仓(在这个实例中为仓2)中。
图7E示出平面图，其显示在势垒503和504之间捕获的电子。
图7F示出平面图，其显示升高的电极st1的电压以及转移的载流子。
图7G示出平面图，其显示降低的电极st1的电压以及在仓2中捕获的载流子。
图7H示出根据一些实施例的电荷载流子分离结构的电极的特征。
图8A示出根据一些实施例的包括执行多个测量的方法的流程图。
图8B为显示在时间t0产生的激发脉冲以及时间仓的仓0至仓3的图。
图8C示出用于一个集合的荧光寿命测量的在每个时间仓中的光子/电荷载流子的数量图，其中标记物或晶粒发荧光的概率随时间呈指数减小。
图8D示出根据一些实施例的操作集成光检测器的方法，其中响应于多个不同的触发事件在集成光检测器接收光。
图8E显示在执行图8D的方法时电荷载流子分离结构的电极的电压。
图9A示出使用相关双采样来相继读出仓的仓0至仓3的时序图的实例。
图9B示出根据一些实施例的用于执行相关双采样的读出序列，其不需要为每个信号值测量复位值。
图10A显示像素阵列，其具有多列C1至Cn以及多行，其中作为示例示出选择的行Ri。
图10B示出一个实施例，其中可以为多列设有公共读出电路。
图10C示出一个具有少于列数的多个读出电路的实施例。
图10D示出电路图，其显示列读出电路，其包括采样和保持电路、放大器电路和模数(A/D)转换器。
图10E显示读出电路的一个实施例，其中放大器电路和A/D转换器是由像素阵列的两列共享的。
图10F示出一个实施例，其中像素阵列的n列共享读出电路和/或A/D转换器。
图10G示出包括多个放大器的放大器电路的实例。
图10H示出读出电路的图，读出电路包括具有用于各列的第一级放大器和由两列共享的第二级放大器的放大器电路。
图10I示出读出电路的图，读出电路包括第一级放大器、第二级放大器和第三级放大器。
图10J示出由两列共享的读出电路，其包括差分采样和保持电路和差分放大器。
图10K示出当第一列在采样阶段中且第二列在保持阶段中的差分采样和保持电路和差分放大器的图。
图10L示出当第二列在采样阶段中且第一列在保持阶段中的差分采样和保持电路和差分放大器的图。
图10M示出由超过两列共享的读出电路，其包括差分采样和保持电路和差分放大器。
图11示出可以基于一个集合的测量的结果在测量之间自适应地控制时间仓的定时。
图12示出包括四个子像素的像素的实例。
图13示出根据一些实施例的芯片架构的图。
图14A示出根据一些实施例的具有64×64的四像素阵列的芯片的实施例的图。
图14B示出根据一些实施例的包括2×2阵列的芯片的实施例的图，其中每个阵列具有256×64八像素阵列的四像素。
图15A示出可以在半导体基板中形成的电荷限制区域的立体图。
图15B示出与图15A相应的平面图。
图16示出通过形成图案化的多晶硅层在绝缘层上形成电极。
图17示出具有p+区域和n+区域的分裂掺杂的电极。
图18示出在图案化的多晶硅层上形成金属层(例如，金属1)以连接到过孔。
图19示出覆在多晶硅层上的金属层以及电荷限制区域。
图20示出形成过孔以接触金属层。
图21示出第二金属层以及形成过孔以接触第二金属层。
图22示出形成第三金属层。
图23示出根据一些实施例的用于驱动电荷载流子分离结构的电极的驱动电路的实例。
图24示出一个实施例，其中芯片被附加到印刷电路板。
图25显示启用了在芯片的中央区域中的32行并禁用在芯片边缘的48行。
图26为说明性计算装置的方框图。
具体实施方式
本文描述的是一种能够对入射光子到达的定时进行准确测量或“时间分仓(timebin)”的集成光检测器。在一些实施例中，集成光检测器能够用纳秒或皮秒分辨率测量光子的到达。这种光检测器可以在包括分子检测/定量的各种应用中找到应用，其可以应用于对核酸进行测序(例如，DNA测序)。这种光检测器能够便于对源于用于标记核苷酸的发光分子的入射光子的到达进行时域分析，从而使得能够进行识别并基于亮度寿命对核苷酸进行测序。集成光检测器的应用的其他实例包括荧光寿命成像和飞行时间成像，如下面进一步所讨论的。
对用于分子检测/定量的时域测量的讨论
可以使用生物测定(“生物测定”)执行生物样品的检测和定量。生物测定通常涉及大且昂贵的实验室设备，其需要对做研究的科学家进行培训以操作设备和执行生物测定。照惯例，生物测定是大量进行的，从而使得大量特定类型的样品对于检测和定量来说是必需的。一些生物测定是通过用发射具有特定波长的光的发光标记物对样品进行标记而进行的。用光源照亮样品以实现发光，且用光检测器检测发光光线以对由标记物发射的光量进行定量。照惯例，使用发光标记和/或报告物的生物测定涉及用于对样品进行照亮的昂贵的激光光源以及用于从照亮的样品采集光的复杂的发光检测光学和电子器件。
在一些实施例中，如本文所述的集成光检测器能够响应于激发来检测生物和/或化学样品的发光特征。更具体地说，这种集成光检测器能够检测从样品接收的光的时间特征。这种集成光检测器能够响应于激发来检测和/或区分由发光分子发射的光的亮度寿命，例如，荧光寿命。在一些实施例中，能够基于检测和/或区分亮度寿命来执行对样品的识别和/或定量测量。例如，在一些实施例中，可以通过检测和/或区分被附接到各个核苷酸的发光分子的亮度寿命来对核酸(例如，DNA、RNA)进行测序。每个发光分子可以直接附接(例如，结合)到相应的核苷酸或经结合到核苷酸和发光分子的连接分子间接附接到相应的核苷酸。
在一些实施例中，具有许多光检测结构和相关联的电子器件(称为“像素”)的集成光检测器能够并行地测量和分析多个样品(例如，数百、数千、数百万以上)，其能够减少执行复杂测量的成本并快速提高发现率。在一些实施例中，光检测器的每个像素可以检测源于样品的光，其可以是单个分子或多于一个分子。在一些实施例中，这种集成光检测器能够用于动态实时应用，诸如核酸(例如，DNA、RNA)测序。
使用亮度寿命对分子进行检测/定量
根据本申请的各方面的一种具有集成光检测器的集成电路可以设计有用于各种检测和成像应用的合适的功能。如下面进一步详细描述的，这种集成光检测器能够具有在一个以上时间间隔或“时间仓”内检测光的能力。为了采集有关光的到达时间的信息，响应于入射光子产生电荷载流子且基于其到达时间将电荷载流子分离成各个时间仓。
根据本申请的一些方面的一种集成光检测器可以用于区分发光源，包括发光分子，诸如荧光团。发光分子在其发射的光的波长、在其发射的光的时间特征(例如，其发射衰减时间周期)及其对激发能量的响应中发生变化。因此，可以基于检测这些特性来识别发光分子或与其他发光分子进行区分。这种识别或区分技术可以单独或按任何合适的组合进行使用。
在一些实施例中，如在本申请中描述的一种集成光检测器能够测量或区分亮度寿命，诸如荧光寿命。荧光寿命测量是基于激发一个以上的荧光分子并测量在发射的光中的时间变化的。在荧光分子到达激发态之后荧光分子发射光子的概率随时间呈指数减小。概率降低的速率可以是荧光分子的特征且可以因不同的荧光分子而不同。检测由荧光分子发射的光的时间特征可以允许识别荧光分子和/或相关于彼此区分荧光分子。发光分子在本文中也称为发光标记物或简称为“标记物”。
在达到激发态之后，标记物可以在给定时间以一定概率发射光子。在激发标记物之后，从激发标记物发射光子的概率可以随时间减小。发射光子的概率随时间的减小可以由指数衰减函数p(t)＝e(-t/τ)表示，其中p(t)为在时间t的光子发射的概率，且τ是标记物的时间参数。时间参数τ指示当标记物发射光子的概率为某个值时在激发之后的时间。时间参数τ为标记物的特性，其可以不同于其吸收和发射光谱特性。这种时间参数τ称为标记物的亮度寿命、荧光寿命或简称为“寿命”。
图1A绘制了用于两种具有不同寿命的标记物的作为时间的函数而发射光子的概率。由概率曲线B表示的标记物具有比由概率曲线A表示的标记物的发射概率更快衰减的发射概率。由概率曲线B表示的标记物具有比由概率曲线A表示的标记物更短的时间参数τ或寿命。在一些实施例中，标记物可以具有在0.1至20ns的范围内的荧光寿命。然而，本文所述的技术不限于所使用的标记物的寿命。
标记物的寿命可以用于在超过一个的标记物中进行区分和/或可以用于识别标记物。在一些实施例中，可以执行荧光寿命测量，其中由激发光来激发具有不同寿命的多个标记物。作为一个实例，分别具有0.5、1、2和3纳秒寿命的四个标记物可以由发射具有选定波长(例如，635nm，举例来说)的光的光源来激发。可以基于测量由标记物发射的光的寿命来识别标记物或将标记物彼此进行区分。
和绝对强度值相反，荧光寿命测量可以通过比较强度随时间如何变化来使用相对强度测量。其结果是，荧光寿命测量可以避免绝对强度测量的一些困难。绝对强度测量可以取决于所存在的荧光团的浓度且由于变化的荧光团的浓度，可能需要校准步骤。相比之下，荧光寿命测量可能对荧光团的浓度不敏感。
发光标记物可以是外源性的或内源性的。外源性标记物可以是被用作用于发光标记的报告物和/或标记的外部发光标记物。外源性标记物的实例可以包括荧光分子、荧光团、荧光染料、荧光染色剂、有机染料、荧光蛋白、酶和/或量子点。这种外源性标记物可以被结合至探针或官能团(例如，分子、离子和/或配体)，其特异性结合至特定的靶或组分。将外源性标记或报告物附至探针允许通过检测外源性标记或报告物的存在而识别靶。探针的实例可以包括蛋白质、核酸诸如DNA分子或RNA分子、脂质和抗体探针。外源性标记物和官能团的组合可以形成任何合适的用于检测的探针、标记和/或标签，包括分子探针、标记探针、杂交探针、抗体探针、蛋白探针(例如，生物素结合的探针)、酶标记、荧光探针、荧光标记和/或酶报告物。
虽然外源性标记物可以被添加至样品或区域，但内源性标记物可能已是样品或区域的一部分。内源性标记物可以包括在存在有激发能量的情况下可发光或“自发荧光”的任何发光标记物。内源性荧光团的自发荧光可以在不要求引入内源性荧光团的情况下提供无标记和无创性的标记。通过示例而非限制的形式，这种内源性荧光团的实例可以包括血红蛋白、氧合血红蛋白、脂质、胶原和弹性蛋白交联、还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(NADH)、氧化的黄素(FAD和FMN)、脂褐质、角蛋白和/或卟啉。
通过寿命测量来区分标记物可以允许使用比通过测量发射光谱来区分标记物时的更少的激发光的波长。在一些实施例中，当使用激发光和/或发光光线的更少的波长时可以减少传感器、滤波器和/或衍射光学器件的数量或消除其。在一些实施例中，可以用具有不同寿命的标记物执行标记，且标记物可以由具有相同激发波长或光谱的光进行激发。在一些实施例中，可以使用发射具有单个波长或光谱的光的激发光源，其可以降低成本。然而，本文所述的技术不限于这个方面，这是因为可以使用任何数量的激发光波长或光谱。在一些实施例中，集成光检测器可以用于确定关于所接收的光的光谱和时间信息。在一些实施例中，可以通过确定源于标记物的发射的光的时间参数、光谱参数或时间和光谱参数的组合来执行对存在的分子类型的定量分析。
检测入射光子的到达时间的集成光检测器可以降低额外的光学滤波(例如，光谱滤波)的要求。如下面所描述的，根据本申请的一种集成光检测器可以包括用于在特定时间去除光生载流子的漏极。通过以这种方式去除光生载流子，可以丢弃响应于激发光源而产生的不需要的电荷载流子，而不需要用于防止从激发脉冲接收光的光学滤波。这种光检测器可以降低总体设计的集成复杂性、光学和/或滤波组件和/或成本。
在一些实施例中，可以通过在集成光检测器中一个以上的时间仓中聚集采集的电荷载流子来测量发射的光的时间曲线图以检测作为时间的函数的发光强度值而确定荧光寿命。在一些实施例中，可以通过执行多个测量来确定标记物的寿命，其中将标记物激发到激发态且随后测量光子发射的时间。对于每个测量而言，激发源可以产生指引到标记物的激发光的脉冲，且可以确定在激发脉冲和源于标记物的后续光子事件之间的时间。额外地或可替代地，当激发脉冲重复且周期性地发生时，可以测量在当光子发射事件发生时和后续的激发脉冲之间的时间，且可以从激发脉冲之间的时间间隔(即，激发脉冲波形的周期)减去测量的时间以确定光子吸收事件的时间。
通过用多个激发脉冲重复这种实验，可以确定在激发之后在某个时间间隔内从标记物发射光子的情况的数量，其指示在激发之后在这种时间间隔内发射光子的概率。所采集的光子发射事件的数量可以基于发射到标记物的激发脉冲的数量。在一些实施例中，在测量周期中的光子发射事件的数量的范围可以是50-10,000,000或更大，然而，本文所述的技术不限于这个方面。在激发之后在某个时间间隔内从标记物发射光子的情况的数量可以填充直方图，其表示在一系列的离散时间间隔或时间仓内发生的光子发射事件的数量。时间仓的数量和/或每个仓的时间间隔可以进行设置和/或调整以识别特定寿命和/或特定标记物。时间仓的数量和/或每个仓的时间间隔可以取决于用于检测所发射的光子的传感器。时间仓的数量可以是1、2、3、4、5、6、7、8以上，诸如16、32、64以上。曲线拟合算法可以用于将曲线拟合到所记录的直方图，这产生了表示在给定的时间激发标记物之后要发射光子的概率的函数。指数衰减函数，诸如p(t)＝e-t/τ，可以用于近似拟合直方图数据。根据这种曲线拟合，可以确定时间参数或寿命。所确定的寿命可以与标记物的已知寿命进行比较以识别所存在的标记物的类型。
可以根据在两个时间间隔的强度值来计算寿命。图1B示出用于实例激发脉冲(虚线)和实例荧光发射(实线)的随时间的实例强度曲线图。在图1B中所示的实例中，光检测器测量在至少两个时间仓的强度。在时间t1和t2之间发射发光能量的光子由光检测器测量作为强度I1且在时间t3和t4之间发射的发光能量被测量作为I2。可以获得任何合适数量的强度值，尽管在图1B中仅示出了两个。随后，这种强度测量可以用于计算寿命。当一次存在有一个荧光团时，则可以将经时间分仓的发光信号拟合为单指数衰减。在一些实施例中，可能仅需要两个时间仓以准确地识别用于荧光团的寿命。当存在有两个以上荧光团时，可以通过将发光信号拟合为多指数衰减，诸如双或三指数来根据组合的发光信号识别各个寿命。在一些实施例中，可能需要两个以上时间仓以根据这种发光信号准确地识别超过一个的荧光寿命。然而，在具有多个荧光团的一些情况下，可以通过将单指数衰减拟合到发光信号来确定平均荧光寿命。
在一些情况下，可以基于标记物的环境和/或条件来改变光子发射事件的概率以及因此为标记物的寿命。例如，限制在具有小于激发光的波长的直径的体积中的标记物的寿命可能小于当标记物不在该体积中的寿命。可以在与使用标记物进行标记时的条件相类似的条件下用已知的标记物执行寿命测量。当识别标记物时，可以使用根据用已知的标记物进行的这种测量来确定的寿命。
使用亮度寿命测量进行测序
集成光检测器上的各个像素可以能够进行用于识别标记一个以上的靶，诸如分子或分子上的特定位置的荧光标记和/或报告物的荧光寿命测量。任何一个以上感兴趣的分子可以用荧光团，包括蛋白质、氨基酸、酶、脂质、核苷酸、DNA和RNA进行标记。当与发射光的光谱或其它标记技术相组合时，荧光寿命可以增加能够使用的荧光标记和/或报告物的总数。基于寿命的识别可以用于单分子分析方法以提供关于复杂混合物中分子交互作用的特征的信息，其中这种信息会在总体平均中丢失且可以包括蛋白质-蛋白质交互作用、酶活性、分子动力学和/或在膜上的扩散。额外地，具有不同荧光寿命的荧光团可以用于按基于标记组件的存在的各种测定方法来标记靶组件。在一些实施例中，可以基于检测荧光团的特定寿命来分离，诸如通过使用微流体系统来分离组件。
测量荧光寿命可以与其他分析方法组合使用。例如，荧光寿命可以与荧光共振能量转移(FRET)技术组合使用以区分位于一个以上分子上的供体和受体荧光团状态和/或环境。这种测量可以用于确定供体和受体之间的距离。在一些情况下，从供体到受体进行转移的能量可以减少供体的寿命。在另一个实例中，荧光寿命测量可以与DNA测序技术组合使用，其中具有不同寿命的四个荧光团可以用于在具有未知序列的核苷酸的DNA分子中标记四个不同的核苷酸(A、T、G、C)。荧光团的荧光寿命而不是发射光谱可以用于识别核苷酸的序列。通过将荧光寿命而不是发射光谱用于某些技术，可以增加准确性和测量分辨率，这是因为减少了由于绝对强度测量而产生的伪影。额外地，寿命测量可以降低系统的复杂性和/或费用，这是因为需要更少的激发能量波长和/或需要检测更少的发射能量波长。
本文所述的方法可以用于核酸测序，诸如DNA测序或RNA测序。DNA测序允许确定在靶核酸分子中的核苷酸的顺序和位置。用于DNA测序的技术在用于在测序过程中确定核酸序列以及速率、读取长度和错误的发生率的方法中差异很大。许多DNA测序方法是基于通过合成进行的测序，其中随着核苷酸被结合至与靶核酸互补的新合成的核酸链中确定核苷酸的身份。许多通过合成方法进行的测序要求存在有靶核酸分子的群体(例如，靶核酸的拷贝)或对靶核酸进行扩增以实现靶核酸的群体的步骤。需要用于确定单核酸分子的序列的改进方法。
在以高精度和长读取长度对单核酸分子进行测序的方面已获得新的进展。在单分子测序技术，诸如由Pacific Biosciences开发的SMRT技术中使用的靶核酸为单链DNA模板，其被添加到含有固定或附接到固体支持物诸如样品孔的底部的测序反应(例如，DNA聚合酶)的至少一个组件的样品孔。样品孔还含有结合到检测标记，诸如荧光团的脱氧核糖核苷三磷酸，也称为“dNTP”，其包括腺嘌呤、胞嘧啶、鸟嘌呤和胸腺嘧啶dNTP。优选地，将每个种类的dNTP(例如，腺嘌呤dNTP、胞嘧啶dNTP、鸟嘌呤dNTP和胸腺嘧啶dNTP)中的每一个结合到不同的检测标记，以使得对信号的检测指示结合至新合成的核酸中的dNTP的身份。检测标记可以被结合至在任何位置上的dNTP，从而使检测标记的存在不会抑制dTNP至新合成的核酸链的结合或聚合酶的活性。在一些实施例中，检测标记被结合至dTNP的末端磷酸(γ磷酸)。
任何聚合酶可以用于能够合成与靶核酸互补的核酸的单分子DNA测序。聚合酶的实例包括大肠杆菌DNA聚合酶I、T7 DNA聚合酶、噬菌体T4 DNA聚合酶φ29(psi29)DNA聚合酶及其变体。在一些实施例中，聚合酶为单亚基聚合酶。在靶核酸的核碱基和互补的dNTP之间进行碱基配对后，聚合酶通过在新合成链的3’羟基末端和dNTP的α磷酸之间形成磷酸二酯键而将dNTP结合至新合成的核酸链中。在其中被结合至dNTP的检测标记为荧光团的实例中，其存在是通过激发而发出信号的，且发射脉冲是在结合步骤期间进行检测的。对于被结合至dNTP的末端(γ)磷酸的检测标记而言，dNTP至新合成链的结合导致β和γ磷酸和检测标记的释放，其在样品孔中自由地扩散，这使得从荧光团检测的发射减少。
本文所述的技术不限于分子和其他样品的检测或定量或执行测序。在一些实施例中，集成光检测器可以执行成像以获得关于区域、物体或场景的空间信息以及关于使用区域、物体或场景的入射光子的到达的时间信息。在一些实施例中，集成光检测器可以执行区域、物体或样品的发光寿命成像，诸如荧光寿命成像。
额外的应用
尽管本文所述的集成光检测器可以应用于分析多个生物和/或化学样品，如上面所讨论的，但集成光检测器也可以应用于其他应用，诸如成像应用，举例来说。在一些实施例中，集成光检测器可以包括执行对区域、物体或场景的成像的像素阵列且可以检测源于区域、物体或场景的不同区域的在各个像素接收的光的时间特征。例如，在一些实施例中，集成光检测器可以基于从组织接收的光的时间特征来执行对组织的成像，其可以使得执行手术(例如，外科手术)的医师能够识别组织的异常或患病区域(例如，患癌的或癌前的)。在一些实施例中，集成光检测器可以结合至医疗装置，诸如外科成像工具中。在一些实施例中，可以获得关于响应于光激发脉冲而由组织发射的光的时域信息以对组织进行成像和/或特征化。例如，可以使用荧光寿命成像来执行对组织或其他物体的成像和/或特征化。
尽管可以在科学或诊断背景中应用集成光检测器，诸如通过执行对生物和/或化学样品的成像或分析或对组织进行成像来进行，如上面所描述的，但这种集成光检测器可以用于任何其他合适的背景中。例如，在一些实施例中，这种集成光检测器可以使用在各个像素中检测的光的时间特征对场景进行成像。用于对场景进行成像的应用的实例为范围成像或飞行时间成像，其中分析光到达光检测器所用的时间量以确定光到达光检测器所行进的距离。这种技术可以用于执行对场景的三维成像。例如，可以用从相对于集成光检测器的已知位置发射的光脉冲以及由光检测器检测的反射光来照亮场景。测量光在阵列的各个像素达到集成光检测器所用的时间量以确定光从场景的各个部分到达光检测器的各个像素所行进的距离。在一些实施例中，举例来说，集成光检测器可以结合至消费电子装置，诸如摄像头、蜂窝电话或平板计算机中以使得这种装置能够基于获得的范围信息来捕获和处理图像或视频。
在一些实施例中，在本申请中描述的集成光检测器可以用于测量低光强度。这种光检测器可以适于需要高灵敏性的光检测器的应用，诸如可能当前使用单光子计数技术的应用，举例来说。然而，本文所述的技术不限于这个方面，这是因为在本申请中描述的集成光检测器可以测量任何合适的光强度。
额外的发光寿命应用
使用寿命进行成像和特征化
如上面所提及的，本文所述的技术不限于使用外源性荧光团进行标记、检测和定量。在一些实施例中，可以通过使用集成光检测器来使用荧光寿命成像技术以对区域、物体或样品进行成像和/或特征化。在这种技术中，区域、物体或样品本身的荧光特征可以用于成像和/或特征化。可以通过寿命成像和/或特征化来检测外源性标记物或内源性标记物。可以将附接到探针的外源性标记物提供到区域、物体或样品以检测特定靶组件的存在和/或位置。外源性标记物可以充当作为标记探针的一部分的标记和/或报告物以检测含有用于标记探针的靶的区域、物体或样品的部分。内源性标记物的自发荧光可以提供用于空间分辨率的无标记和无创性的对比剂，其能够很容易地用于成像，而不需要引入内源性标记物。例如，源于生物组织的自发荧光信号可以取决于并指示组织的生物化学和结构组成。
荧光寿命测量可以提供对围绕荧光团的状况的定量测量。除了检测或对比之外，可以对状况进行定量测量。用于荧光团的荧光寿命可以取决于用于荧光团的周围环境，诸如pH或温度，且荧光寿命值的变化可以指示围绕荧光团的环境变化。作为一个实例，荧光寿命成像可以映射样品的局部环境中的变化，诸如在生物组织(例如，组织切片或手术切除物)中的变化。内源性荧光团的自发荧光的荧光寿命测量可以用于检测在组织中的物理和代谢变化。作为实例，可以通过测量源于样品的自发荧光并根据测量的自发荧光确定寿命来检测在组织架构、形态、氧化、pH、血管分布、细胞结构和/或细胞代谢状态中的变化。这种方法可以用于临床应用，诸如筛选、图像引导的活组织检查或外科手术和/或内窥镜检查中。在一些实施例中，举例来说，本申请的集成光检测器可以结合至临床工具，诸如外科手术器具中以执行荧光寿命成像。基于测量的自发荧光来确定荧光寿命提供了临床值以作为无标记成像方法，其允许临床医生快速筛选组织并检测对肉眼来说不明显的小癌症和/或癌前病变。荧光寿命成像可以用于检测和描绘恶性细胞或组织，诸如肿瘤或癌细胞，其发射具有比健康组织更长的荧光寿命的光。例如，荧光寿命成像可以用于检测在光学可访问的组织上的癌症，诸如在外科手术期间暴露的胃肠道、膀胱、皮肤或组织表面。
在一些实施例中，荧光寿命可以用于显微技术以提供在不同类型或状态的样品之间的对比。可以通过用光脉冲激发样品，随着荧光信号衰减而检测荧光信号以确定寿命并在产生的图像中映射衰减时间来执行荧光寿命成像显微镜检查(FLIM)。在这种显微镜图像中，在图像中的像素值可以基于为采集视场的光检测器中的每个像素所确定的荧光寿命。
使用时间信息对场景或物体进行成像
如上面所讨论的，如在本申请中描述的一种集成光检测器可以用于科学和临床背景下，其中所发射的光的定时可以用于对区域、物体或样品进行检测、定量和/或成像。然而，本文所述的技术不限于科学和临床应用，这是因为集成光检测器可以用于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。应用的一个实例为飞行时间成像。
飞行时间应用
在一些实施例中，集成光检测器可以用于成像技术中，该成像技术基于对散射或反射光的时间曲线图的测量，包括飞行时间的测量。在这种飞行时间的测量中，可以将光脉冲发射到区域或样品中，且可以由集成光检测器检测散射光。散射或反射光可以具有不同的时间曲线图，其可以指示区域或样品的特征。可以由其在样品中的飞行时间来检测和分辨由样品反向散射的光。这种时间曲线图可以是时间点扩散函数(TPSF)。可以通过在发射光脉冲之后测量在多个时间仓的累积强度来获取时间曲线图。可以按某个速率执行光脉冲的重复并累积散射光以确保在产生后续光脉冲之前完全消除所有之前的TPSF。时间分辨的漫射光学成像方法可以包括光谱漫射光学断层摄像，其中光脉冲可以是红外光，以使得在样品中的另一深度进行成像。这种时间分辨的漫射光学成像方法可以用于检测在生物体或在生物体的部分，诸如人的头部中的肿瘤。
额外地或可替代地，飞行时间测量可以用于基于光的速度和在发射的光脉冲和检测从物体反射的光之间的时间来测量距离或距离范围。这种飞行技术可以用于各种应用中，包括摄像头、汽车中的接近度检测传感器、人机界面、机器人和可以使用由这种技术采集的三维信息的其他应用。
用于对光生电荷载流子进行时间分仓的集成光检测器
一些实施例涉及一种集成电路，其具有响应于入射光子产生电荷载流子的光检测器，且集成电路能够相关于参考时间(例如，触发时间)来区分由入射光子的到达来产生电荷载流子的定时。在一些实施例中，电荷载流子分离结构分离在不同时间产生的电荷载流子并将电荷载流子指引到聚集在不同的时间段内产生的电荷载流子的一个以上的电荷载流子存储区域(称为“仓”)中。每个仓存储在选定的时间间隔内产生的电荷载流子。读出在每个仓中存储的电荷能够提供有关在每个时间间隔内到达的光子数量的信息。这种集成电路能够用于各种应用，诸如本文所述的那些中的任一个中。
将描述具有光检测区域和电荷载流子分离结构的集成电路的一个实例。在一些实施例中，集成电路可以包括像素阵列，且每个像素可以包括一个以上的光检测区域和一个以上的电荷载流子分离结构，如下面所讨论的。
像素结构和操作的概述
图2A示出根据一些实施例的像素100的图。像素100包括光子吸收/载流子产生区域102(也称为光检测区域)、载流子行进/捕获区域106、具有一个以上的电荷载流子存储区域(在本文中也称为“电荷载流子存储仓”或简称为“仓”)的载流子存储区域108以及用于从电荷载流子存储仓读出信号的读出电路110。
光子吸收/载流子产生区域102可以是能够将入射光子转换成光生电荷载流子的半导体材料(例如，硅)的区域。光子吸收/载流子产生区域102可以暴露于光且可以接收入射光子。当由光子吸收/载流子产生区域102吸收光子时，其可以产生光生电荷载流子，诸如电子/空穴对。光生电荷载流子在本文还可以简称为“电荷载流子”。
可以在光子吸收/载流子产生区域102中建立电场。在一些实施例中，区别于在载流子行进/捕获区域106中变化的电场，该电场可以是“静态的”。在光子吸收/载流子产生区域102中的电场可以包括横向分量、垂直分量或横向和垂直分量。电场的横向分量可以在图2A中的向下的方向上，如箭头所示，其在光生电荷载流子上引起力，该力向载流子行进/捕获区域106驱动光生电荷载流子。可以按各种方式形成电场。
在一些实施例中，可以在光子吸收/载流子产生区域102上形成一个以上的电极。电极可以具有施加到其的电压以在光子吸收/载流子产生区域102中建立电场。这种电极可以称为“光栅”。在一些实施例中，光子吸收/载流子产生区域102可以是完全耗尽电荷载流子的硅的区域。
在一些实施例中，在光子吸收/载流子产生区域102中的电场可以由结，诸如PN结来建立。光子吸收/载流子产生区域102的半导体材料可以进行掺杂以形成具有产生电场的取向和/或形状的PN结，该电场在光生电荷载流子上引起力，该力向载流子行进/捕获区域106驱动光生电荷载流子。相关于使用覆在光子吸收/载流子产生区域102上面的电极，使用结产生电场可以提高量子效率，其可以防止入射光子中的一部分到达光子吸收/载流子产生区域102。相关于使用光栅，使用结可以减少暗电流。已经认识到可能由可能产生载流子的半导体基板的表面处的缺陷产生暗电流。在一些实施例中，PN结二极管的P端子可以连接到设置其电压的端子。这种二极管可以称为“钉扎”光电二极管。由于设置其电压并吸引载流子的端子，钉扎光电二极管可以促进表面处的载流子重组，这能够减少暗电流。需要捕获的光生电荷载流子可以在表面处的重组区的下方通过。在一些实施例中，可以使用在半导体材料中的分级掺杂浓度来建立横向电场。
在一些实施例中，具有用于产生电场的结的光子吸收/载流子产生区域102可以具有下列特征中的一个以上：
1)远离时变场成锥形的耗尽n型区域，
2)具有间隙以使电场横向转变为n型区域中的围绕n型区域的p型植入物，和/或
3)掩埋n型区域并充当用于寄生电子的重组区域的p型表面植入物。
在一些实施例中，可以通过结和至少一个电极的组合来在光子吸收/载流子产生区域102中建立电场。例如，可以使用结和单电极或两个以上电极。在一些实施例中，一个以上电极可以位于接近载流子行进/捕获区域106处以接近载流子行进/捕获区域106建立势梯度，其可以位于相对远离该结处。
如在图2A中所示，可以捕获光子且可以在时间t1产生电荷载流子101A(例如，电子)。在一些实施例中，可以沿光子吸收/载流子产生区域102和使电荷载流子101A在图2A的向下的方向上(如在图2A中由箭头所示)行进的载流子行进/捕获区域106建立电势梯度。响应于势梯度，电荷载流子101A可以从在时间t1时的其位置移动到在时间t2时的第二位置、在时间t3时的第三位置、在时间t4时的第四位置以及在时间t5时的第五位置。电荷载流子101A因此响应于势梯度移动至载流子行进/捕获区域106中。
载流子行进/捕获区域106可以是半导体区域。在一些实施例中，除了载流子行进/捕获区域106可以针对入射光进行遮蔽(例如，由上覆的不透明材料，诸如金属层来进行)之外，载流子行进/捕获区域106可以是与光子吸收/载流子产生区域102相同材料(例如，硅)的半导体区域。
在一些实施例中且如下面进一步讨论的，可以在光子吸收/载流子产生区域102和载流子行进/捕获区域106中由位于这些区域上方的电极建立势梯度。将参考图3讨论电极定位的实例。然而，本文所述的技术不限于用于产生电势梯度的电极的特定位置。本文所述的技术也不限于使用电极建立电势梯度。在一些实施例中，可以使用空间分级的掺杂曲线图和/或PN结来建立电势梯度。可以使用任何合适的技术来建立电势梯度，其使得电荷载流子沿光子吸收/载流子产生区域102和载流子行进/捕获区域106行进。
可以在像素内形成电荷载流子分离结构以使得能够分离在不同时间产生的电荷载流子。在一些实施例中，可以在载流子行进/捕获区域106上形成电荷载流子分离结构的至少一部分。如下面将描述的，电荷载流子分离结构可以包括在载流子行进/捕获区域106上形成的一个以上电极，其电极可以通过控制电路进行控制以改变在载流子行进/捕获区域106中的电势。
可以改变在载流子行进/捕获区域106中的电势以使得能够捕获电荷载流子。可以通过改变覆在载流子行进/捕获区域106上面的一个以上电极上的电极来改变势梯度以产生能够将载流子限制在预定空间区域中的势垒。例如，可以在时间t5改变覆在图2A的载流子行进/捕获区域106中虚线上面的电极上的电压以沿图2A的载流子行进/捕获区域106中虚线升高势垒，从而捕获电荷载流子101A。如在图2A中所示，在时间t5捕获的载流子可以转移到载流子存储区域108的仓“仓0”。可以通过改变在载流子行进/捕获区域106和/或载流子存储区域108中的势(例如，通过改变覆在这些区域上面的电极的电压来进行)执行载流子到电荷载流子存储仓的转移，以使得载流子行进至电荷载流子存储仓中。
在载流子行进/捕获区域106的预定空间区域内及时改变在某个点上的势可以使得能够诱捕由在预定时间间隔内发生的光子吸收产生的载流子。通过诱捕在不同时间和/或位置上的光生电荷载流子，可以区分由光子吸收产生电荷载流子的时间。在这个意义上，在发生触发事件之后，可以通过在时间和/或空间的某个点上诱捕电荷载流子来对电荷载流子进行“时间分仓”。在特定仓内对电荷载流子进行时间分仓提供了关于由入射光子的吸收来产生光生电荷载流子的时间且从而同样关于触发事件以及产生光生电荷载流子的入射光子到达的“时间仓”的信息。
图2B显示在不同的时间和空间点上捕获电荷载流子。如在图2B中所示，可以在时间t9改变覆在载流子行进/捕获区域106中虚线上面的电极上的电压以沿图2B的载流子行进/捕获区域106中虚线升高势垒，从而捕获电荷载流子101B。如在图2B中所示，在时间t9捕获的载流子可以转移到载流子存储区域108的仓“仓1”。由于在时间t9诱捕了电荷载流子101B，所以其表示在与在时间t5捕获的用于载流子101A的光子吸收事件(即，在t1)的不同的时间(即，时间t6)上发生的光子吸收事件。
基于捕获电荷载流子的时间来执行多个测量并在载流子存储区域108的电荷载流子存储仓中聚集电荷载流子能够提供有关在光子吸收/载流子产生区域102中捕获光子的时间的信息。这种信息在各种应用中能够是有用的，如上面所讨论的。
像素结构和操作的详细实例
图3A示出根据一些实施例的像素100A的电荷载流子限制区域103。如在图3A中所示，像素100A可以包括光子吸收/载流子产生区102A(也称为光检测区域)、载流子行进/捕获区106A、漏极104、载流子存储区域108A的多个电荷载流子存储仓的仓0、仓1、仓2和仓3以及读出区域110A。
电荷载流子限制区域103是其中光生电荷载流子响应于由电荷载流子分离结构产生的电势梯度而移动的区域。可以在电荷载流子限制区域103内的光子吸收/载流子产生区102A中产生电荷载流子。
电荷载流子限制区域103可以由任何合适的材料，诸如半导体材料(例如，硅)制成。然而，本文所述的技术不限于这个方面，这是因为任何合适的材料均可以形成电荷载流子限制区域103。在一些实施例中，电荷载流子限制区域103可以由绝缘体(例如，氧化硅)所围绕以将电荷载流子限制在电荷载流子限制区域103内。
在光子吸收/载流子产生区102A中的电荷载流子限制区域103的部分可以具有任何合适的形状。如图3A中所示，在一些实施例中，在光子吸收/载流子产生区102A中的电荷载流子限制区域103的部分可以具有锥形形状，以使得其宽度在接近载流子行进/捕获区106A处逐渐减小。这种形状可以提高电荷处理的效率，这在预期有少量光子到达的情况下可能是特别有用的。在一些实施例中，在光子吸收/载流子产生区102A中的电荷载流子限制区域103的部分可以具有较小的锥度或可以不是锥形的，这能够增加动态范围。然而，本文所述的技术不限于在光子吸收/载流子产生区102A中的电荷载流子限制区域103的形状。
如在图3A中所示，在载流子行进/捕获载106A中的电荷载流子限制区域103的第一部分可以从光子吸收/载流子产生区102A延伸到漏极104。电荷载流子限制区域103的延伸部延伸到各个电荷存储仓，这允许电荷载流子由电荷载流子分离结构，诸如关于图3B所述的指引到电荷载流子存储仓中。在一些实施例中，所存在的电荷载流子限制区域103的延伸部的数量可以与电荷载流子存储仓的数量相同，其中每个延伸部延伸到各个电荷载流子存储仓。
读出区域110A可以包括用于电荷存储仓的读出的浮动扩散节点fd。例如，浮动扩散节点fd可以通过将n型掺杂剂扩散到p型材料(例如，p型基板)中来形成。然而，本文所述的技术不限于特定的掺杂剂类型或掺杂技术。
图3B示出具有覆在图3A的电荷载流子限制区域103上面的多个电极Vb0至Vbn、b0至bm、st1、st2和tx0至tx3的图3A的像素100A。在图3B中所示的电极形成能够对光生载流子进行时间分仓的电荷载流子分离结构的至少一部分。
在图3B中所示的电极在电荷载流子限制区域103内建立电势。在一些实施例中，电极Vb0至Vbn，b0至bm可以具有施加到其的电压以在区域102A和106A内建立势梯度，以使得电荷载流子，例如电子在图3B的向下的方向上向漏极104行进。电极Vb0至Vbn可以在光子吸收/载流子产生区102A的电荷限制区域103中建立势梯度。在一些实施例中，各个电极Vb0至Vbn可以处于恒定的电压上。电极b0至bm可以在载流子行进/捕获区106A的电荷限制区域103中建立势梯度。在一些实施例中，电极b0至bm可以具有设置到不同电平的其电压以使得能够诱捕电荷载流子和/或将电荷载流子转移到一个以上的电荷存储仓。
电极st0和st1可以具有发生变化以将载流子转移到电荷载流子存储区域108A的电荷存储仓的电压。转移栅tx0、tx1、tx2和tx3使得能够将电荷从电荷存储仓转移到浮动扩散节点fd。还示出了包括复位晶体管rt、放大晶体管sf和选择晶体管rs的读出电路110。
在一些实施例中，浮动扩散节点fd和转移栅tx0至tx3中的每一个的势可以允许电荷载流子溢出到浮动扩散而不是载流子行进/捕获区106A中。当电荷载流子转移到载流子存储区域108内的仓中时，浮动扩散节点fd和转移栅tx0至tx3的势可以足够得高以允许在仓中的任何溢出的电荷载流子流动到浮动扩散。这种“垒溢出保护”技术可以减少溢出和扩散到载流子行进/捕获区106A和/或像素的其他区的载流子。在一些实施例中，垒溢出保护技术可以用于去除由激发脉冲产生的任何溢出的电荷载流子。通过允许溢出的电荷载流子流动到浮动扩散，未在一个以上的时间仓中捕获这些电荷载流子，从而在读出期间减少激发脉冲对时间仓信号的影响。
在电极Vb0至Vbn和b0至bm设置在光子吸收/载流子产生区域102和/或载流子行进/捕获区域106上的一些实施例中，电极Vb0至Vbn和b0至bm可以设置至随着从图3B的顶部到底部前行的位置而增加的电压，从而建立使得电荷载流子在图3B的向下的方向上向漏极104行进的势梯度。在一些实施例中，势梯度可以在光子吸收/载流子产生区域102和/或载流子行进/捕获区域106中单调地变化，其可以使得电荷载流子能够沿势梯度行进至电荷行进/捕获区域106中。在一些实施例中，势梯度可以相关于沿线A-A’的位置成线性变化。可以通过将电极设置至越过图3B的垂直尺寸成线性变化的电压来建立线性势梯度。然而，本文所述的技术不限于线性势梯度，这是因为可以使用任何合适的势梯度。在一些实施例中，在载流子行进/捕获区域106中的电场可以足够得高，以使得电荷载流子在载流子行进/捕获区域106中移动得足够快，从而使得与光子可以到达的时间相比，渡越时间较小。例如，在荧光寿命测量的背景下，与测量的发光标记物的寿命相比，可以使电荷载流子的渡越时间较小。能够通过在载流子行进/捕获区域106中产生充分分级的电场来减少渡越时间。
图3C示出其中光子吸收/载流子产生区域102包括PN结的实施例。图3C示出外电极302，其可以位于相对低的势上，从而在相对低的势上对表面势进行“钉扎”。可以包括电极304以有助于为静电场产生势梯度，该静电场向载流子行进/捕获区106驱动载流子(未示出载流子行进/捕获区106的下部)。图3C指出扩散、多晶硅、接触和金属1的区域。
图3D示出添加了掺杂特征的如在图3C中所示的像素的俯视图。图3D还示出沿由PN结和电极304建立的势梯度将载流子向下清扫至区域106的电场。图3D指出扩散、多晶硅、接触、金属1、N-植入物、P-植入物和P-外延区域。
图3E示出包括载流子行进/捕获区106的如在图3C中所示的像素的俯视图。
图3F示出如在图3E中所示的像素阵列。图3F指出扩散、多晶硅、接触和金属1的区域。
图3G示出图3F的像素阵列且还指出扩散、多晶硅、接触、金属1、N-植入物、P-植入物和P-外延区域。
图4示出图3B的像素100A的电路图。以粗暗线示出电荷载流子限制区103。还示出了电极、电荷载流子存储区108和读出电路110。在这个实施例中，电荷存储区域108的电荷存储仓的仓0、仓1、仓2和仓3在电极st1下的载流子限制区103内。如上面所讨论的，在一些实施例中，代替电极或除了电极外，结可以用于在区域102中产生静场。
从位于光子吸收/载流子产生区102的光源120接收光。作为示例而非限制，光源120可以是任何类型的光源，包括发光样品(例如，连接到核酸)或要进行成像的区域或场景。遮光罩121防止光到达载流子行进/捕获区106。作为示例而非限制，遮光罩121可以由任何合适的材料，诸如集成电路的金属层制成。
图5A显示可以在光子吸收/载流子产生区102中的电荷载流子限制区103和沿图3B的线A-A’的载流子行进/捕获区106中建立的势梯度。如在图5A中所示，可以通过在光子吸收/载流子产生区102内吸收光子来产生电荷载流子(例如，电子)。电极Vb0至Vbn和b0至bm被设置至增加到图5A右侧的电压以建立势梯度，其使得电子流到图5A的右侧(图3B的向下的方向)。额外地或可替代地，可以存在有PN结以建立或有助于建立场。在这种实施例中，载流子可以在表面下流动，且图5A(及相关的图)示出在载流子流动区域中的势。最初，可以允许载流子流过载流子行进/捕获区106进入漏极104中，如在图6A、6B和6C中所示。图6A示出一旦光生后载流子101的位置。图6B示出之后不久当载流子101响应于所建立的势梯度而在向下的方向上行进时载流子101的位置。图6C示出当载流子101达到漏极104时载流子101的位置。
图5B示出在一段时间之后，可以通过降低电极b0的电压而在时间t1升高对电子的势垒501。势垒501可以阻止电子行进到图5B中的右侧，如在图6D、6E和6F中所示。图6D示出一旦光生后载流子101(例如，电子)的位置。图6E示出之后不久当载流子101响应于势梯度而在向下的方向上行进时载流子101的位置。图6F示出在时间t1之后当载流子101达到势垒501时载流子101的位置。
图5C示出在另一时间段之后，可以通过降低电极b2的电压而在时间t2升高对电子的另一势垒502。如果在时间t1和t2之间电子到达电极b0和b2之间，则将在势垒501和势垒502之间捕获电子，如在图5C和6G中所示。
图5D示出在另一时间段之后，可以通过降低电极b4的电压而在时间t3升高对电子的另一势垒503。如果在时间t2和t3之间电子到达电极b2和b4之间，则将在势垒502和势垒503之间的位置上诱捕电子。在图5D和6H的实例中，电子在时间t1和t2之间到达，以使得仍在势垒501和势垒502之间捕获电子。
图5E示出在另一时间段之后，可以通过降低电极b6的电压而在时间t4升高对电子的另一势垒504。如果在时间t3和t4之间电子到达电极b4和b6之间，则将在势垒503和势垒504之间的位置上诱捕电子。在图5E和6I的实例中，电子在时间t1和t2之间到达，以使得仍在势垒501和势垒502之间捕获电子。
图5F示出在另一时间段之后，可以通过降低电极bm的电压而在时间t5升高对电子的另一势垒505。如果在时间t4和t5之间电子到达电极b6和bm之间，则将在势垒504和势垒505之间的位置上诱捕电子。在图5F和6J的实例中，电子在时间t1和t2之间到达，以使得仍在势垒501和势垒502之间捕获电子。
图6K示出电压时序图，其显示电极b0至b8、st0和st1随时间的电压。在升高势垒501至505的序列期间移动通过载流子行进/捕获区106的电荷载流子将在取决于其到达载流子行进/捕获区106的时间的载流子行进/捕获区106的位置上进行捕获，这转而又取决于由光子吸收/载流子产生区102中的光子吸收产生电荷载流子的时间。升高势垒501至505的定时设置电荷存储仓的仓0至仓3的定时。如在图6K中所示，将在用于仓0的时间间隔内诱捕在时间t1和t2之间到达的载流子，将在用于仓1的时间间隔内诱捕在时间t2和t3之间到达的载流子，将在用于仓2的时间间隔内诱捕在时间t3和t4之间到达的载流子以及将在将在用于仓3的时间间隔内诱捕在时间t4和t5之间到达的载流子.
在图5A至5F中所示的序列之后，随后可以基于在载流子行进/捕获区106内捕获电荷载流子的位置将捕获的电荷载流子转移到适当的电荷载流子存储仓。在这个实施例中，如果在电极b1下捕获电子，则将其转移到仓0。如果在电极b3下捕获电子，则将其转移到仓1。如果在电极b5下捕获电子，则将其转移到仓2。如果在电极b7下捕获电子，则将其转移到仓3。在一些实施例中，可以并行地(例如，同时地)将在载流子行进/捕获区106内的任何捕获的载流子转移到其相应的仓。然而，本文所述的技术不限于并行地将捕获的载流子转移到电荷存储仓。
如在图6K中所示，在图5A至5F中所示的序列之后，可以改变在电极st0和st1上的电压以将任何捕获的电荷载流子转移到相应的电荷载流子存储仓。将关于图6K和图7A至7G讨论用于转移捕获的电荷载流子的实例序列。
图7A示出用于沿图3B的线B-B’的电荷载流子限制区103的横截面的势图。图7A示出在势垒503和504之间捕获电子的实例中在时间t5(图6K)的势。在图7E中示出平面图，其显示在势垒503和504之间捕获的电子。
图7B示出在时间t5之后，可以可选地降低电极b1、b3、b5和b7上的电压(未在图6K中示出)以在势阱内升高电子的位置以便转移电子。
图7C示出在时间t6(图6K)上，可以升高在电极st0和st1上的电压。以这种方式改变电极的电压可以提供势梯度，其使得将在载流子行进/捕获区106内捕获的电荷载流子转移到电极st1下相应的电荷存储仓。在图7F中示出平面图，其显示升高的电极st1的电压以及转移的载流子101。
图7D示出在时间t7上，在电极st0上的电压可以下降，从而将捕获的载流子(如果有的话)限制在相应的仓(在这个实例中为仓2)中。可以在时间t8上升高在电极b6上的电压以重新建立在载流子行进/捕获区106中的势梯度。在图7G中示出平面图，其显示降低的电极st1的电压以及在仓2中捕获的载流子101。
图7H示出根据一些实施例的电荷载流子分离结构的电极的特征。图7H为每个电极指定在梯度阶段期间的电压、在分仓阶段期间的电压、在转移阶段期间的电压、在读出阶段期间的电压为高的并指定电压变化的类型。然而，这仅仅是实例，且本文所述的技术不限于在图7H中显示的实施方案的细节。
测量的实例序列
重复进行光子吸收/载流子产生以及对光生电荷载流子进行时间分仓的过程可以使得能够收集关于光子到达光检测器的时间的统计信息，如下面所讨论的。
在一些实施例中，“测量”可以包括接收光子，在特定的时间和/或位置捕获电荷载流子并将捕获的载流子转移到与特定时间段或仓相应的电荷存储节点。可以重复进行测量多次以收集关于光子到达光检测器的时间的统计信息。
图8A示出根据一些实施例的包括执行多个测量720的方法700的流程图。可以由集成装置至少部分地执行这种方法，如本文所述的。
在步骤702中，可以由触发事件发起测量720。触发事件可以是用作对光子的到达进行时间分仓的时间参考的事件。例如，触发事件可能是光脉冲或电脉冲，且可能是单个事件或重复的周期事件。在荧光寿命测量的背景下，触发事件可以是产生光激发脉冲以激发荧光团。在飞行时间成像的背景下，触发事件可以是由包括集成光检测器的成像装置发射的光的脉冲(例如，源于闪光灯的)。触发事件能够是用作对光子或载流子的到达进行定时的参考的任何事件。
产生光激发脉冲可以产生相当多的光子，其中的一些可以到达像素100且可以在光子吸收/载流子产生区102中产生电荷载流子。由于不需要测量源于光激发脉冲的光生载流子，因此可能允许其沿着电势向下流至漏极104，而不需要进行捕获。允许由光激发脉冲产生的光生载流子在不需要进行捕获的情况下流至漏极104可以减少不想要的信号量，在其他情况下，可能需要由可能增加额外的设计复杂性和/或成本的复杂的光学组件，诸如快门或滤波器来防止不想要的信号到达。在载流子行进/捕获区106内升高一个以上势垒的定时可以进行定时，以使得由任何不想要的光信号导致的光生载流子流至漏极104。而且，这个技术可以与任何数量的时间仓一起使用，包括仅具有单个时间仓的实施例。例如，像素可以包括单个时间仓和漏极，其中势垒的定时减少了与激发脉冲相关联的信号且同时在载流子行进/捕获区106内捕获了所需光信号。
测量720随后可以在步骤704开始，其中可以吸收需要进行检测的光子且可以在区域102中产生电荷载流子。在荧光寿命测量或飞行时间成像的背景下，可以在完成光激发脉冲之后开始步骤704。
在步骤706中，可以在相关于触发事件702的选定时间在预定位置上捕获移动通过载流子行进/捕获区106的电荷载流子。在一些实施例中，可以通过升高一个以上的势垒来在载流子行进/捕获区106的一个以上区域中捕获电荷载流子以在取决于由光子吸收产生载流子的时间的位置上诱捕载流子，如上面所讨论的。
在步骤708中，可以将捕获的电荷载流子(如果有的话)从捕获该捕获的电荷载流子的位置转移到相应的电荷存储仓，从而对电荷载流子进行“时间分仓”。
在步骤708之后，可以将测量720重复进行n-1次以获得关于在触发事件702之后光子趋向到达的时间段的统计信息。当重复进行测量720时，可以在相应的电荷存储仓中聚集时间分仓的电荷载流子。重复进行测量720可以使得能够在电荷载流子存储仓中聚集相当多的电荷载流子以提供统计学上有意义的结果。例如，在荧光寿命测量的背景下，可以预期到可以相对较少地发生响应于从荧光团接收的光子的光子吸收事件。例如，可以预期到在约1，000个测量中发生一次这种事件。因此，可能需要执行大量的测量720以在电荷载流子存储仓中聚集相当多的电荷载流子，以使得结果是统计学上有意义的。在一些实施例中，可以为荧光寿命测量执行的对荧光团的测量的数量n可以是500,000以上或1,000,000以上，以使得能够在每个仓中捕获足够数量的电荷载流子并对其进行分仓(即，在一些实施例中为数十或数百以上)。
一旦已执行所分配数量n的测量，方法700则可以前进到读出时间仓的步骤710。读出时间仓可以包括将在电荷存储仓的每一个中聚集的电荷量转换成相应的电压，如将在下面讨论的。
图8B为显示在时间t0产生的激发脉冲以及时间仓的仓0至仓3的图。要注意的是，在这个实例中，用于测量光子的时间仓并不开始直到t1，其是在t0之后的时间段，其在测量信号光子之前让激发光终止。
图8C示出用于一个集合的荧光寿命测量的在每个时间仓中的光子/电荷载流子的数量图，其中标记物或晶粒发荧光的概率随时间呈指数减小。通过将激发、电荷捕获以及转移到各个仓中的序列重复进行多次以及读出转移到每个仓中的电荷载流子的数量，可以产生允许确定或大致估计荧光团的寿命的在不同仓中寄存的光子数量的直方图。
可以在需要捕获光子的任何合适的时间段执行方法700。例如，在荧光寿命测量的背景下，用于执行方法700的合适的周期可以是10毫秒。在一些实施例中，可以在MHz范围的频率下重复进行步骤702至708。在一些实施例中，时间仓可以具有在皮秒或纳秒量级的分辨率。
响应于不同触发事件的检测的时间复用
在一些实施例中，可以使用多个不同类型的触发事件执行测量。触发事件可以进行时间复用，以使得像素响应于在不同时间段中的不同类型的触发事件来接收光。例如，在亮度寿命测量的背景下，触发事件可以是具有不同波长λ1和λ2的激发光脉冲(例如，激光脉冲)，其能够激发不同的发光分子(例如，荧光团)。在一些实施例中，可以基于其对激发光的不同波长λ1和λ2的响应来对荧光团进行识别和/或彼此区分。在不同时间用具有波长λ1和λ2的光激发脉冲激发样品并分析由样品作为响应而发射的亮度能够基于是否响应于具有波长λ1的激发光而在第一时间段中或是否响应于具有波长λ2的激发光而在第二时间段中检测到发光来检测和/或识别发光分子。除了这种时间复用之外或作为其的替代方案，可以基于测量其亮度寿命来识别和/或区分发光分子。
在一些实施例中，可以基于检测由附接到核酸的核苷酸的一个以上荧光团发射的光来对核酸进行测序。在一些实施例中，可以通过基于测量亮度寿命或基于这种技术的组合对具有不同波长的激发光进行时间复用来执行这种测序。
例如，在一些实施例中，四种不同的荧光团可以连接到核酸的各个核苷酸(例如，A、C、G和T)。四个荧光团可以基于激发波长和亮度寿命的组合进行彼此区分，如在下图中所示。
λ<sub>1</sub> λ<sub>2</sub>
短寿命 荧光团1 荧光团3
长寿命 荧光团2 荧光团4
在一些实施例中，集成光检测器可以对响应于具有不同波长的光激发脉冲而由样品产生的光子的检测进行时间复用。例如，在第一时间段，可以检测响应于具有波长λ1的激发光而由样品产生的光。接下来，在第二时间段，可以检测响应于具有波长λ2的激发光而由样品产生的光。为此，具有多个时间仓的像素可以使用时间仓的第一子集以在第一时间段检测光子的到达且使用时间仓的第二子集以在第二时间段检测光子的到达。通过在第一时间段或第二时间段检查光是否到达像素，能够确定荧光团是否响应于具有波长λ1的光或具有波长λ2的光而发荧光。
在一些实施例中，关于响应于光激发脉冲的光子的到达时间的信息能够用于确定和/或区分荧光寿命，且从而识别荧光团。在一些实施例中，可以发射具有第一波长的第一激发脉冲，随后可以使用像素的时间仓的第一子集以对在第一时间间隔内入射光子的到达进行时间分仓。随后，可以发射具有第二波长的第二激发脉冲，随后可以使用像素的时间仓的第二子集以对在第二时间间隔内入射光子的到达进行时间分仓。因此，如果在第一时间间隔和/或第二时间间隔内接收到光子，则能够获得关于产生光子的荧光团的寿命的信息。重复进行对光激发脉冲进行时间复用且一起测量关于荧光寿命的信息的过程能够提供足够的信息以使得能够识别荧光团。因此，可以识别荧光团所附接到的核苷酸。随着测序反应的进行，可以随时间将额外的核苷酸结合至聚合酶中。执行和重复进行对光激发脉冲进行时间复用且测量荧光寿命的过程能够提供足够的信息以使得能够识别这样的荧光团。因此，能够确定在核酸中的核苷酸序列。
图8D示出根据一些实施例的操作集成光检测器的方法，其中响应于多个不同的触发事件在集成光检测器接收光。图8E显示在执行图8D的方法时电荷载流子分离结构的电极的电压。
在步骤802中，可以由触发事件A来发起测量820。触发事件A可以是用作对光子的到达进行时间分仓的时间参考的事件。例如，触发事件可以是光脉冲或电脉冲，且可能是单个事件或重复的周期事件。在荧光寿命测量的背景下，触发事件A可以是在第一波长产生光激发脉冲以激发第一类型的荧光团。
产生光激发脉冲可以产生相当多的光子，其中的一些可以到达像素100且可以在光子吸收/载流子产生区102中产生电荷载流子。由于不需要测量源于光激发脉冲的光生载流子，因此可能允许其沿着电势向下流至漏极104，而不需要进行捕获，如上面所讨论的。在载流子行进/捕获区106内升高一个以上的势垒可以进行定时，以使得由任何不想要的光信号导致的光生载流子流至漏极104。
随后，测量820可以在步骤804进行，其中可以吸收需要进行检测的光子且可以在区域102中产生电荷载流子。在荧光寿命测量的背景下，可以在完成光激发脉冲之后开始步骤804。
在步骤806中，可以在相关于触发事件802的选定时间在预定位置上捕获移动通过载流子行进/捕获区106的电荷载流子。在一些实施例中，可以通过升高一个以上的势垒来在载流子行进/捕获区106的一个以上区域中捕获电荷载流子以在取决于由光子吸收产生载流子的时间的位置上诱捕载流子，如上面所讨论的。在一些实施例中，步骤806可以包括相继升高势垒501、503和503，从而捕获与时间仓的仓0和/或仓1相应的电荷(如果有的话)。
在步骤808中，可以将捕获的电荷载流子(如果有的话)从捕获其的位置转移到相应的电荷存储仓，从而对电荷载流子进行“时间分仓”。例如，在步骤808中，可以使用在图7A至7D中所示的技术将与时间仓的仓0和/或仓1相应的捕获的任何电荷转移到仓的仓0和/或仓1。
在步骤810中，可以由触发事件B来发起第二测量821。触发事件B可以是用作对光子的到达进行时间分仓的时间参考的事件。例如，触发事件可以是光脉冲或电脉冲，且可能是单个事件或重复的周期事件。在荧光寿命测量的背景下，触发事件B可以是在第二波长产生光激发脉冲以激发第二类型的荧光团。
产生光激发脉冲可以产生相当多的光子，其中的一些可以到达像素100且可以在光子吸收/载流子产生区102中产生电荷载流子。由于不需要测量源于光激发脉冲的光生载流子，因此可能允许其沿着电势向下流至漏极104，而不需要进行捕获，如上面所讨论的。在载流子行进/捕获区106内升高一个以上的势垒可以进行定时，以使得由任何不想要的光信号导致的光生载流子流至漏极104。
随后，第二测量821可以在步骤812进行，其中可以吸收需要进行检测的光子且可以在区域102中产生电荷载流子。在荧光寿命测量的背景下，可以在完成第二光激发脉冲之后开始步骤812。
在步骤814中，可以在相关于触发事件810的选定时间在预定位置上捕获移动通过载流子行进/捕获区106的电荷载流子。在一些实施例中，可以通过升高一个以上的势垒来在载流子行进/捕获区106的一个以上区域中捕获电荷载流子以在取决于由光子吸收产生载流子的时间的位置上诱捕载流子，如上面所讨论的。在一些实施例中，步骤814可以包括相继升高势垒503、504和505，从而捕获与时间仓的仓2和/或仓3相应的电荷(如果有的话)。
在步骤816中，可以将捕获的电荷载流子(如果有的话)从捕获其的位置转移到相应的电荷存储仓，从而对电荷载流子进行“时间分仓”。例如，在步骤816中，可以使用在图7A至7D中所示的技术将与时间仓的仓2和/或仓3相应的捕获的任何电荷转移到仓的仓2和/或仓3。
尽管已描述了其中像素具有四个时间仓以及分配两个仓以测量响应于各个光激发脉冲中的每一个而产生的光的到达时间的实例，但本文所述的技术不限于这个方面。例如，像素可以具有更大或更小数量的仓，其可以按任何合适的方式进行分配以测量响应于不同激发脉冲的光。此外，本文所述的技术不限于具有两种不同波长的光激发脉冲，这是因为可以使用具有任何数量的波长的光激发脉冲并因此对其进行复用。
在步骤816之后，可以将测量820和821重复进行n-1次以获得关于在触发事件之后光子趋向到达的时间段的统计信息。当重复进行测量时，可以在相应的电荷存储仓中聚集时间分仓的电荷载流子。
一旦已执行所分配数量n的测量，方法800则可以前进到读出时间仓的步骤710。读出时间仓可以包括将在电荷存储仓的每一个中聚集的电荷量转换成相应的电压，如将在下面讨论的。
实例读出电路和序列
如在图2A和2B中所示，像素100可以包括读出电路110，其允许读出存储在电荷载流子存储区域108的电荷存储仓中的电荷。像素100可以是有源像素以使得读出电路110包括读出放大器或无源像素，其中读出电路110不包括读出放大器。可以使用任何合适类型的有源像素或无源像素读出电路。
如果读出电路110包括读出放大器，则可以使用任何合适类型的放大器。合适的放大器的实例包括基于共源极配置的放大器以及基于源极跟随器配置的放大器。然而，本文所述的技术不限于任何特定的放大器配置。
如果读出电路110包括读出放大器，读出放大器则可以取出在电荷存储仓(例如，仓0、仓1、仓2或仓3)中累积的电荷以作为输入并产生代表在电荷存储仓中的电荷的电压以作为输出。
在图4中示出了基于源极跟随器配置的读出电路110的一个实例。在图4中示出的读出电路110的实例为“4T”配置，其具有四个晶体管：rt、sf、rs和转移栅tx0至tx3中的一个。由于在每个电荷存储仓中共享了三个晶体管rt、sf和rs，因此在图4中所示的用于所有四个仓的示例电路为“1.75T”配置，(4转移栅+3晶体管)/4仓。然而，本文所述的技术不限于使用具有1.75T配置的读出电路110，这是因为可以使用任何其他合适类型的读出配置。
此外，可以使用任何合适的读出技术，包括噪声降低技术。在一些实施例中，读出电路110可以使用相关双采样读出电荷载流子存储仓。相关双采样是一种技术，其中可以按包括未确定量的噪声的复位电压电平从节点获取第一样品，以及可以在包括相同的未确定噪声的节点处从信号电平获取第二样品。可以通过从采样的信号电平减去所采样的复位电平来减掉噪声。
读出电路110可以相继或并行地进行电荷存储仓的读出。在图9A中示出了使用相关双采样以图4中所示的读出电路110相继读出仓的仓0至仓3的时序图的实例。如在图9A中所示，可以打开最初复位的晶体管rt以将浮动扩散节点fd设置为复位电压ct。在对浮动扩散节点的电压进行复位的时间段中，关闭转移栅tx0至tx3以保持电荷载流子存储在其各自的仓中。在对浮动扩散节点fd进行复位之后，可以通过关闭晶体管rt和打开晶体管rs来对复位电压进行采样以产生输出电压cb。可以按模拟格式(例如，在电容器上)或按数字格式(例如，通过A/D转换和存储来进行)存储由输出电压cb表示的复位电压。随后，可以打开转移栅tx0以允许电荷从仓0流至浮动扩散fd。可以通过打开晶体管rs来对信号电压进行采样以基于存储在仓0中的电荷来产生输出电压cb。可以按模拟格式(例如，在电容器上)或按数字格式(例如，通过A/D转换和存储来进行)存储由输出电压cb表示的信号电压。
随后，可以打开晶体管rt以将浮动扩散fd设置为复位电压ct。在对浮动扩散节点fd的电压进行复位的时间段中，关闭转移栅tx0至tx3以保持电荷载流子存储在其各自的仓中。在对浮动扩散节点fd进行复位之后，可以通过关闭晶体管rt和打开晶体管rs来对复位电压进行采样以产生输出电压cb。再一次地，可以按模拟格式(例如，在电容器上)或按数字格式(例如，通过A/D转换和存储来进行)存储由输出电压cb表示的复位电压。随后，可以打开转移栅tx1以允许电荷从仓1流至浮动扩散。可以通过打开晶体管rs来对信号电压进行采样以基于存储在仓1中的电荷来产生输出电压cb。再一次地，可以按模拟格式(例如，在电容器上)或按数字格式(例如，通过A/D转换和存储来进行)存储由输出电压cb表示的信号电压。
随后，可以通过执行复位、对复位电压进行采样、将电荷从仓转移到浮动扩散节点fd并对信号进行采样来为仓2和仓3执行相同的过程。因此，在图9A中所示的读出序列中，可以为四个仓获取表示复位值和信号值的8个样品。可以从存储的信号值减去用于每个仓的所存储的复位值以获得指示在每个仓中存储的电荷的结果，因此完成相关双采样过程。
可选地，如上面所讨论的，可以将用于仓的采样复位电压电平存储在第一电容器上，且可以将用于仓的采样信号存储在第二电容器上。可选地，在将复位电平和信号电平采样到电容器上之前，可以通过将电容器设置为相同的电压来对电容器进行清零。
图9B示出根据一些实施例的用于执行相关双采样的读出序列，其不需要为每个信号值测量复位值。在图9B的实例中，为像素的所有仓测量信号复位值。为了获得用于第一仓的信号，可以从测量的信号值减去复位值，如上面所讨论的。代替在这个点上对浮动扩散进行复位，可以将电荷从第二仓转移到浮动扩散，从而聚集用于第一和第二仓的电荷。能够通过从用于第一和第二仓的聚集信号减去用于第一仓的信号来获得用于第二仓的信号。由于用于第一仓的信号和用于第一和第二仓的聚集信号包括相同的复位噪声，因此其结果是减掉复位噪声。可以为剩余的仓继续进行该过程，其中从用于下一个仓的聚集信号减去用于前一个仓的聚集信号。按这种方式聚集用于仓的存储电荷能够允许读出比如果个别读出每个仓的情况中的更大的信号且能够减少噪声，这是因为采样的信号将比如果个别读出每个仓的情况中的位于噪声基底以上的更高处。在具有四个时间仓的实例中，可以获取五个样品-一个复位值以及四个表示存储在电荷存储仓中的累积电荷的样品。下面将参考图9B更详细地描述该过程。
如在图9B中所示，可以打开最初复位的晶体管rt以将浮动扩散节点fd设置为复位电压ct。在对浮动扩散节点的电压进行复位的时间段中，关闭转移栅tx0至tx3以保持电荷载流子存储在其各自的仓中。在对浮动扩散节点fd进行复位之后，可以通过关闭晶体管rt和打开晶体管rs来对复位电压进行采样以产生输出电压cb。可以按模拟格式(例如，在电容器上)或按数字格式(例如，通过A/D转换和存储来进行)存储由输出电压cb表示的复位电压。随后，可以打开转移栅tx0以允许电荷从仓0流至浮动扩散。可以通过打开晶体管rs来对用于仓0的信号电压进行采样以基于存储在仓0中的电荷来产生输出电压cb。
随后，可以打开转移栅tx1以允许电荷从仓1流至浮动扩散。可以通过打开晶体管rs来对用于仓1+仓0的信号电压进行采样以基于存储在仓1中的电荷+存储在仓0上的电荷来产生输出电压cb。可以从用于仓0+仓1的输出信号值减去用于仓0的输出信号值以产生指示存储在仓1上的电荷的信号。
随后，可以通过从用于仓n+1的测量信号电平减去用于仓n的测量信号电平来为仓2和仓3执行类似的过程。因此，使用这个技术可以减少可能要获取的样品数量。
以下公式示出如何仅使用单个测量的复位值来为每个仓计算“校正的”(使用相关双采样的)信号。
校正的信号仓0＝测量的信号仓0-复位电平
校正的信号仓1＝用于(仓0+仓1)的测量信号-测量的信号仓0
校正的信号仓2＝用于(仓0+仓1+仓2)的测量信号-用于(仓0+仓1)的测量信号
校正的信号仓3＝用于(仓0+仓1+仓2+仓3)的测量信号-用于(仓0+仓1+仓2)的测量信号
在一些实施例中，可以执行对源于像素的读出的过采样。过采样涉及多次从像素读取相同的信号。每次从像素读取信号，由于噪声在信号中可能会有轻微的变化。对信号的读出进行过采样以及对样品进行平均能够在测量中减少噪声(例如，白噪声)。在一些实施例中，可以获取多相样品(例如，4至8个样品)以从像素读出单个标称信号值(例如，单个复位电平或信号电平)。在一些实施例中，信号的样品中的每一个可以通过读出信号的变化而读出并转换成数字值(例如，数字词)。随后可以计算样品的平均值，且该平均值用作源于像素的测量信号。例如，如果使用8x的过采样，可以为每个复位和信号值获取8个样品，从而在测量4个时间仓和4个复位电平的情况下总共有64个样品，或在测量1个复位电平和4个聚集的信号电平的情况下为40个样品。
像素阵列读出电路
并行读出、相继读出以及具有并行和相继读出的组合的读出
如上面所讨论的，像素阵列可以包括按行和列布置的多个像素。在一些实施例中，可以逐行执行读出。在一些实施例中，可以选择像素阵列中的一行，且可以为选定的像素行执行读出过程。用于一列像素的读出电路可以共用于该列中的像素，以使得在选择不同的行时，可以由读出电路为该列中的各个像素执行读出。可以并行(称为“列并行”)、相继或以并行和相继的组合(称为“半列并行”)来执行用于选定的行的读出。
为了以列并行执行对选定行的像素的读出，可以为每一列设有各个读出电路，以使得能够同时读出在选定行中每一列的像素，如在图10A中所示。图10A显示像素阵列，其具有多列C1至Cn以及多行，其中作为示例示出选择的行Ri。在图10A的实施例中，每一列像素具有相关联的读出电路905。由于每一列像素具有相关联的读出电路905，因此能够同时读出源于在行Ri中的每个像素的信号。
为了顺次执行对选定行的像素的读出，不需要为每个列设有各个读出电路。例如，在一些实施例中，可以设有公共读出电路，且可以相继读出选定行的每个像素。图10B示出一个实施例，其中可以为多列设有公共读出电路905。公共读出电路可以在合适的控制电路的控制下由切换网络选择性地连接到列。例如，在一些实施例中，切换网络906可以将像素的各列相继连接到读出电路905。
为了按半列并行执行像素的读出，可以设有比列数更少的多个读出电路905，如在图10C中所示。在这种半列并行的架构中，可以由列的子集共享每个读出电路905。每个读出电路905可以相继读出在阵列中的列的子集。如在图10C中所示，读出电路905A可以由切换网络906A选择性地连接到其各自的列。读出电路905B可以由切换网络906B选择性地连接到其各自的列。
在一些实施例中，读出电路905可以包括用于放大源于像素的信号的一个以上放大器以及用于将放大的信号转换成数字值的模数转换器。下面描述了根据各种实施例的读出电路905的配置的实例。
采样和保持电路
在一些实施例中，用于列的读出电路可以包括一个以上的采样和保持电路。图10D示出电路图，其显示列读出电路905C，其包括采样和保持电路907、放大器电路901和模数(A/D)转换器902。采样和保持电路907可以将输出电压从像素(例如，在节点cb处)采样到电容元件(例如，电容器)上，且随后在由放大器读出电压的同时保持在电容器上的电压。如上面所讨论的，源于像素的输出电压可以表示在一个以上时间间隔内捕获的电荷载流子的数量。
采样和保持电路可以在多个阶段，称为“采样”阶段和“保持”阶段中进行操作。在“采样”阶段中，可以将源于像素的电压值采样到电容元件上。因此，要读出的电压被存储在电容元件上。在“采样”阶段之后，在“保持”阶段中读取电容器的电压。在“保持”阶段期间，电容器的电压可以从电容元件读出且由一个以上放大器进行处理且随后由模数(A/D)转换器转换成数字形式。如在图10D中所示，在采样阶段(φ1)期间，打开开关s1(在其导电状态中进行设置)并关闭开关s2(在其非导电状态中进行设置)，从而将电压从像素的读出端子采样到电容元件，例如电容器C1上。保持阶段(φ2)跟随着采样阶段。在保持阶段期间，关闭开关s1并打开开关s2，从而将电容器C1连接到放大器电路901。通过关闭开关S1，在读取电压的同时可以基本上保持电容器的电压恒定，这是因为放大器电路901可以具有高输入阻抗。可以将源于放大器电路901的放大信号提供到A/D转换器902以将放大的电压转换成数字值。
在一些实施例中，能够通过减少所使用的电路(例如，放大器、模数转换器)的数量或使其最小化来减少功耗和/或成本。在一些实施例中，为了减少在读出链中的电路数量或使其最小化，可以由像素阵列中的超过一列来共享读出链的一个以上电路。
复用读出电路组件
在一些实施例中，读出电路的一个以上组件可以由像素阵列的两个以上的列共享。例如，如在图10E中所示，放大器电路901、A/D转换器902或这两者的所有或一部分可以由像素阵列的两个以上的列共享。图10E显示读出电路905D一个实施例，其中放大器电路901和A/D转换器902是由像素阵列的两列共享的。在图10E所示的实施例中，将各个列线连接到各自的像素节点cb1和cb2。每个列线连接到各个采样和保持电路907A、907B。放大器电路901和A/D转换器902可以由两列共享。至放大器电路901的输入可以在采样和保持电路907A和907B之间进行复用，以使得其输出在不同的时间(例如，相继)连接到放大器电路901。通过使用共享的读出电路组件，诸如放大器电路901和/或A/D转换器902，能够减少在读出电路中的组件数量，这能够减少读出电路的成本和/或功耗。
在一些实施例中，可以交替用于共享放大器电路901的列的采样和保持阶段，以使得当一列处于采样阶段中且未连接到放大器电路901时，另一列处于保持阶段中且其采样和保持电路连接到放大器电路901以放大其之前采样的电压。在图10F的实施例中，在两列之间交替采样和读取阶段，其上列在阶段1期间处于采样阶段中且在阶段2期间处于保持阶段中，且下列在阶段2期间处于采样阶段中并在阶段1期间处于保持阶段中。在阶段1(φ1)期间，通过打开开关s1将源于节点cb1的信号采样到电容器C1上，且关闭开关s2，关闭开关s3且经打开的开关s4将电容器C2连接到放大器901。在阶段2(φ2)期间，通过打开开关s3将源于节点cb2的信号采样到电容器C2上，关闭开关s4，关闭开关s1且经打开的开关s2将电容器C1连接到放大器901。由超过一个列共享放大器电路901可以减少放大器电路901的停机时间，这是因为其不需要在用于列的采样阶段期间设置成空转的。
在一些实施例中，像素中超过两列可以共享读出电路901和/或A/D转换器902。图10F示出一个实施例，其中像素阵列的n列共享读出电路901和/或A/D转换器902。电容器C1-Cn可以相继连接到读出电路901以读出其电压值。电容器C1-Cn可以按任何合适的顺序连接到读出电路901。用于每列的各个样品和保持电路的采样阶段可以进行定时以在其中未由放大器电路901读出采样和保持电路的周期期间发生。在一些实施例中且如上面所讨论的，采样阶段可以进行定时以在其中放大器电路901读出不同的行的时间间隔期间发生，以限制放大器电路901空转的时间量。例如，如上面所讨论的，在阶段1期间可以在电容器C1上采样源于节点cb1的电压。在阶段2期间，可以由放大器电路901读出电容器C1的电压，且可以在电容器C2上采样源于节点cb2的电压。在阶段3期间，可以由放大器电路901读出电容器C2的电压，且可以在第三电容器C3上采样源于第三节点cb3的电压，等等。随后，该过程可以再次开始，以使阶段1在由放大器电路901读出最后一列(行n)时或由放大器电路901读出最后一列之后的期间内开始。任何合适数量的列可以共享放大器电路901，诸如2、4、8、16、32、64、128等或任何其他合适的数量(其不必是2的幂)。
图10G示出包括放大器电路901的读出电路的图。在图10G的实施例中，放大器电路901包括多个放大器910和911。使用多个级联放大器910和911能够减少功耗，这是因为与使用单个放大器以实现相同增益相比，当使用多个放大器910和911时可以用更少的功耗来实现所需的信号增益。
图10H示出读出电路的图，读出电路包括具有用于各列的第一级放大器910A和910B和由两列共享的第二级放大器911的放大器电路901。复用器912在不同的时间将第一级放大器910A和910B连接到第二级放大器911。在一些实施例中，放大器910A、910B和911可以是差分放大器。
图10I示出读出电路的图，读出电路包括第一级放大器910A和910B、第二级放大器911和第三级放大器912。如上面所讨论的，相关于使用较少的放大器级来实现所需的增益值，使用额外的放大器级来实现所需的增益值可以减少功耗。在一些实施例中，放大器910A、910B、911和912可以是差分放大器。
在一些实施例中，可以按多级在信号链中应用增益。在一些实施例中，第一级放大器(例如，910A、910B)可以具有2以上的增益，第二级放大器(例如，911)可以具有1-8以上的增益，且第三级放大器(例如，912)可以具有1-2以上的增益，以使得三级的总增益为2-32以上。
在一些实施例中，放大器可以具有数字可编程增益。一个以上级的增益可以根据所接收的光的特征来进行改变。例如，如果使用在像素中产生不同响应的光激发脉冲(例如，激光脉冲)的超过一个的波长，可以根据当前所检测的光的波长来改变在读出链中的一个以上放大器的增益。如果一个波长导致产生更少数量的电荷载流子，则可以增加该增益以适应减小的信号电平。如果另一个波长导致产生更多数量的电荷载流子，则可以降低该增益。在一些实施例中，用于不同波长的读出链的增益可以彼此进行标准化以响应于不同波长产生相同的输出电平。
读出电路的设计考虑
由于在一些实施例中，为每个时间仓捕获的电荷载流子的数量可能相对较小，例如，在数百个电荷载流子的量级上，因此要从每个像素检测的信号可能相对较小。因此，在一些实施例中，从像素运行至(且包括)模数转换器的信号链可以包括低噪声读出电路。下面将讨论用于在读出链中限制噪声的技术和电路。
在一些实施例中，对信号的差分处理可以减少在读出链中的噪声或使其最小化。对信号的差分处理能够去除可能注入读出链中的共模噪声。读出电路可以包括一个以上差分组件，诸如差分采样和保持电路、差分放大器和/或差分A/D转换器。在一些实施例中，可以在读出链中尽可能早地使用差分信号处理(例如，尽可能接近像素输出)以避免将共模噪声注入读出链中。在一些实施例中，可以由差分电路组件执行从像素输出到数字词的整个读出链。然而，本文所述的技术不限于这个方面，这是因为在一些实施例中，可以使用一个以上单端读出电路组件。
图10J示出由两列共享的读出电路，其包括差分采样和保持电路908和差分放大器909。差分采样和保持电路908包括用于像素阵列的第一列的电容器Cin1以及用于像素阵列的第二列的电容器Cin2。差分放大器909包括用于像素阵列的第一列的电容器Cf1以及用于像素阵列的第二列的电容器Cf2。
图10K示出当第一列在采样阶段中且第二列在保持阶段中的差分采样和保持电路908和差分放大器909的图，其中电容器Cin2连接到差分放大器909的输入。图10L示出当第二列在采样阶段中且第一列在保持阶段中的差分采样和保持电路908和差分放大器909的图，其中电容器Cin1连接到差分放大器909的输入。
图10M示出由超过两列共享的读出电路，其包括差分采样和保持电路908和差分放大器909。图10M类似于图10F，这是因为差分放大器901是由超过两列共享的，其中使用了差分采样和保持电路908和差分放大器909。
暗电流采样
如本领域的普通技术人员所理解的，“暗电流”为当光检测器未检测到光时在光检测器中产生的电流。将光检测器设计成对暗电流的影响进行校正能够提高光检测器的质量。
在本文所述的集成装置的一些实施例中，可以使用电荷存储仓中的一个以上以对暗电流进行采样。例如，电荷存储仓可以通过聚集在光检测器未接收到光或接收到非常低电平的光的时间段期间到达的载流子来对暗电流进行采样。在一些实施例，诸如与荧光寿命测量相关的那些中，如果定时使得一旦光发射的概率下降到可忽略的值则会发生定时，则可以使用最后一个仓(例如，仓3)来对暗电流进行采样。对暗电流进行采样可以允许从在其他仓中的样品减去暗电流，从而对暗电流的影响进行校正。
时间仓的数量和定时
可以使用任何合适数量的时间仓。在图3A和3B中，已示出了具有四个时间仓的像素的实例。图8C示出使用了八个仓的图。然而，可以基于所需的时间分辨率和其他因素产生具有任何合适数量的时间仓的像素。增加仓的数量可以增加由每个像素占用的面积且可以通过减少像素的总数量或通过使用具有更小的特性尺寸的制造过程来实现。使用少量的仓可以允许增加能够在芯片上安装的像素数量。在一些实施例中，可以使用单个仓来确定在特定时间段内到达的光子数量。可以至少部分地通过增加或减少在从载流子行进/捕获区域106延伸的芯片上制造的电荷载流子限制区域的延伸部的数量来增加或减少仓的数量。因此，可以基于需要包括在像素中的仓的数量来增加或减少电极b0至bm-1、转移电极等的数量。
可以按任何合适的方式选择时间仓的定时。在一些实施例中，可以通过设置用于时间仓的开始和结束时间来选择定时，如在图6K中所示。例如，可以通过选择t1和t2发生的时间来设置用于仓0的定时，且可以类似地设置剩余仓的定时。
在一些实施例中，用于时间仓的定时可以是固定的，以使得定时在每个测量周期中是相同的。可以基于全局定时信号来设置定时。例如，定时信号可以建立测量周期的起点，且可以控制时间仓以基于已从定时信号流逝的预定时间量来实现开始和结束。在荧光寿命测量的背景下，可以基于预期要检测的荧光寿命的可能范围而相关于激发脉冲的定时来设置用于时间仓的定时。在飞行时间成像的背景下，可以基于用于要成像的场景的预期距离范围来设置时间仓的定时。然而，在一些实施例中，时间仓的定时可以是可变的或可编程的。
在一些实施例中，可以基于发起用于测量720的测量周期的触发事件702的定时来设置用于时间仓的定时。在荧光寿命测量的背景下，可以响应于检测激发荧光团的激发脉冲的定时来设置用于时间仓的定时。例如，当光激发脉冲到达像素100时，载流子的浪涌可以从光子吸收/载流子产生区域102行进到漏极104。响应于激发脉冲而在漏极104累积光生载流子可以导致漏极104的电压变化。因此，在一些实施例中，可以通过检测漏极104的电压来检测激发脉冲。例如，比较器可以将漏极104的电压与阈值进行比较且可以在漏极104的电压超过阈值时产生脉冲。脉冲的定时可以指示触发事件702的定时且可以基于该定时来设置时间仓(例如，t1、t2等)的定时。然而，本文所述的技术不限于这个方面，这是因为可以使用任何合适的技术来检测测量720的开始。
在一些实施例中，集成装置可以是可编程的以使得能够改变时间仓的定时。在一些实施例中，时间仓的定时可以为要执行的特定集合的测量来进行编程。例如，如果将集成装置用于使用具有在第一范围内的寿命的第一集合的标记物的第一类型的检测，则可以将时间仓编程成合适的值以区分在该范围内的标记物的寿命。然而，如果将集成装置用于使用具有不同寿命的不同标记物的另一类型的检测，则可以通过对时间仓进行编程以对应于适于用于第二类型的检测中的标记物的不同时间间隔来改变时间仓。
在一些实施例中，可以基于一个集合的测量的结果在测量之间自适应地控制时间仓的定时。例如，如在图11中所示，可以使用跨越相对较大的时间间隔的第一集合的时间仓来执行第一集合的测量(测量集合A)。可以分析用于每个仓的所到达的光子数量以确定是否应改变为时间仓选择的定时以提高或优化所获得的时间信息。在一些实施例中，可以分析用于每个仓的所到达的光子数量以确定感兴趣的更窄的时间间隔。例如，在用时间仓执行一个集合的测量(如在图11的测量集合A中所示)之后，可以确定相当多的光子在对应于仓2的时间段中到达，且没有光子在对应于其他仓的时间段中到达。随后，可以为集中于与测量集合A的仓2相对应的更窄的时间段的第二集合的测量(测量集合B)选择第二集合的时间仓。如在图11中所示，测量集合B具有在与测量集合A的仓2相对应的时间段内的四个时间仓。通过根据测量集合B用时间仓来执行测量，可以获得关于光子到达定时的进一步的细节。例如，如在图11中所示，可以在选定的时间间隔内获得关于入射光子到达定时的更高的时间分辨率。这种自适应时间仓确定过程可以允许使用相对少量的仓(例如，4个仓)来获得一定水平的时间分辨率，而在其他情况下，则可能需要大量的仓(例如，16个仓)。
在一些实施例中，用于时间仓的定时在阵列的所有像素中可以是相同的。在一些实施例中，定时在不同的像素中可以是不同的，以使得不同的像素在不同的时间仓中捕获载流子。例如，第一集合的像素可以在第一集合的时间仓中捕获载流子，且第二集合的像素可以在与第一集合的时间仓至少部分不同的第二集合的时间仓中捕获载流子。例如，一行像素可以具有用于其时间仓的时间定时，且另一行像素可以具有用于其时间仓的不同定时。在一些实施例中，第一个行集合的像素(例如，四行)可以具有用于其时间仓的相同定时，且另一个行集合的像素(例如，另外四行)可以具有用于其时间仓的不同定时。像素可以进行设置和/或个别地进行编程和/或作为一组。
具有子像素的像素
波长区分
在一些实施例中，像素阵列中的像素可以包括多个子像素，其每一个均能够执行不同类型的测量。在像素中可以包括任何数量的子像素。
图12示出包括四个子像素100A的像素1100的实例。在一些实施例中，在像素1100中的每个子像素100A可以被配置成接收不同波长的光。例如，可以在子像素100A上形成滤波器，其允许具有不同波长的光子传输到子像素100A。例如，可以将第一波长传输到第一子像素100A，可以将第二波长传输到第二子像素100A，可以将第三波长传输到第三子像素100A，且将第四波长传输到第四子像素100A。具有被配置成接收不同波长的光的子像素的像素1100可以允许对入射光进行时间和光谱区分。在荧光寿命测量的背景下，提供进行时间和光谱区分的能力可以允许区分具有不同寿命或不同光谱特征的标记物或同时具有不同寿命和不同光谱特征的标记物。
时间区分
在一些实施例中，可以控制不同的子像素100A以对用于不同时间间隔的时间仓进行采样。例如，第一子像素100A可以被配置成对第一集合的时间仓进行采样，且第二子像素可以被配置成对第二集合的时间仓进行采样。在不同子像素100A中的类似结构可以通过控制电荷载流子分离结构的定时以使其在不同的子像素中为不同的方式来对用于不同时间间隔的时间仓进行采样。
像素阵列/芯片架构
图13示出根据一些实施例的芯片架构的图。如在图13中所示，集成电路或芯片1300可以包括像素阵列1302，其包括多个像素100；控制电路1304，其包括定时电路1306；电压/电流偏置产生电路1305；以及接口1308。
举例来说，像素阵列1302包括以任何合适的图案，诸如矩形图案安排一个阵列的像素101。像素阵列1302可以具有任何合适数量的像素。在一些实施例中，像素阵列具有64×64阵列的4096个像素101，其每一个均包括四个子像素101A。然而，本文所述的技术不限于包括在像素阵列1302中的像素和子像素的数量或布置。像素阵列可以具有用于读出像素阵列1302的行或列的行和/或列导体。可以并行、相继或按其组合来读出像素。例如，在一些实施例中，可以并行地读出一行像素，且可以相继读出像素阵列的每一行。然而，本文所述的技术不限于这个方面，这是因为可以按任何合适的方式读出像素。
由控制电路1304控制像素阵列1302。控制电路1304可以是用于控制在芯片1300上的操作，包括像素阵列1302的操作的任何合适类型的控制电路。在一些实施例中，控制电路1304可以包括微处理器，其被编程为控制像素阵列1302的操作和在芯片1300上的任何其他操作。控制电路可以包括计算机可读介质(例如，存储器)，其存储用于使得微处理器执行这种操作的计算机可读指令(例如，代码)。例如，控制电路1304可以控制所产生的电压以施加到在每个像素中的电荷载流子分离结构的电极。控制电路1304可以改变一个以上电极的电压，如上面所讨论的，以捕获载流子、转移载流子并执行像素和阵列的读出。控制电路可以基于存储的定时方案来设置电荷载流子分离结构的操作的定时。存储的定时方案可以是固体的、可编程的和/或自适应的，如上面所讨论的。
控制电路1304可以包括用于对像素的电荷载流子分离结构的操作或芯片的其他操作进行定时的定时电路1306。在一些实施例中，定时电路1306可以使得产生的信号能够精确地控制在电荷载流子分离结构中的电压变化的定时以准确地对电荷载流子进行时间分仓。在一些实施例中，定时电路1306可以包括用于精确地设置提供到电荷载流子分离结构的信号的定时的外部参考时钟和/或延迟锁定环(DLL)。在一些实施例中，可以使用两个单端延迟线，每一个均具有一半数量的180度异相对齐的级。然而，可以使用用于控制在芯片上信号的定时的任何合适的技术。
芯片1300可以包括用于从芯片1300发送信号，在芯片1300接收信号或进行两者的接口1308。接口1308可以使得能够读出由像素阵列1302所感测的信号。可以使用模拟接口和/或数字接口来执行源于芯片1300的读出。如果使用数字接口来执行源于芯片1300的读出，芯片1300则可以具有一个以上模数转换器以将从像素阵列1302读出的信号转换成数字信号。在一些实施例中，读出电路可以包括可编程增益放大器。一个以上控制信号可以经接口1308从外部源提供至芯片1300。例如，这种控制信号可以控制要执行的测量的类型，其可以包括设置时间仓的定时。
可以由片上或片外电路来执行对从像素阵列1302读出的信号的分析。例如，在荧光寿命测量的背景下，对光子到达定时的分析可以包括大致估计荧光团的荧光寿命。可以执行任何合适类型的分析。如果在片上执行对从像素1302读出的信号的分析，芯片1300则可以具有用于执行分析的任何合适的处理电路。例如，芯片1300可以具有为控制电路1304的一部分或与其相分离的用于执行分析的微处理器。如果在片上执行分析，在一些实施例中，则可以将分析结果发送到外部装置或以其他方式通过接口1308在片外提供分析结果。在一些实施例中，可以在片外执行分析的全部或一部分。如果在片外执行分析，则可以通过接口1308将从像素阵列1302读出的信号和/或由芯片1300所执行的任何分析结果提供到外部装置。
在一些实施例中，芯片1300可以包括下列中的一个以上：
1)片上数字控制的像素偏置产生器(DAC)。
2)片上数字可编程增益放大器，其将单端像素输出电压信号转换成差分信号并将增益施加到信号。
3)数字控制的放大器偏置产生器，其允许以输出速率缩放功耗。
图14A示出根据一些实施例的芯片1300A的实施例的图，其为具有64×64的四像素阵列的芯片1300的实例。在图14A的实施例中，经芯片的顶侧提供一半的像素输出信号，且经芯片的底侧提供另一半的像素输出信号。包括有偏置电路以设置电荷载流子分离结构的电极的电压。
图14B示出根据一些实施例的芯片1300B的实施例的图，其为包括2×2阵列，且每个阵列具有256×64八像素阵列的四像素的芯片1300的实例。包括有带隙和偏置电路。包括有数模转换器(DAC)，其包括VhighDAC和VlowDAC以设置像素阵列的电极的高和低电压。图14B还示出了光监控传感器1320。每个光监控传感器可以包括光检测器，诸如光电二极管。在一些实施例中，每个光监控传感器可以包括用于将芯片1300B与光源相对齐的四阵列的光检测器(例如，光电二极管)。在将芯片1300B配置成检测分子的实施例中，光监控传感器可以使得芯片1300B能够与从分子所在的一个以上位置接收光的波导相对齐。在图14B中还示出了二极管读出电路和二极管选择寄存器。
仅仅以示例的方式在上面描述和在附图中示出阵列大小、尺寸、仓的数量和特性大小的实例，这是因为可以使用任何合适的阵列大小、尺寸、仓的数量和特性大小。
实例集成电路的实现和形成集成光检测器的方法
在一些实施例中，可以使用标准CMOS(互补金属氧化物半导体)过程在硅基板中形成芯片1300。然而，本文所述的技术不限于这个方面，这是因为可以使用任何合适的基板或制造过程。
图15-22显示根据一些实施例的形成芯片1300的过程。
图15A示出可以在半导体基板中形成的电荷限制区域103的立体图。图15B示出与图15A相应的平面图。在一些实施例中，可以在块状半导体基板1500中形成电荷限制区域103。然而，本文所述的技术不限于使用块状半导体基板，这是因为可以使用任何合适类型的半导体基板。在一些实施例中，基板1500和电荷限制区域103可以由单晶硅制成。然而，本文所述的技术不限于这个方面，这是因为可以使用任何合适类型的半导体材料。在一些实施例中，使用硅基板可以使得能够使用具有成本效益的工业标准CMOS过程。然而，可以使用任何合适的制造过程。在一些实施例中，可以使用具有p型掺杂类型的块状硅基板。然而，可以使用任何合适的掺杂类型，包括n型掺杂或p型掺杂。
如在图15A中所示，电荷限制区域103可以是基板1500的凸起部分。可以通过蚀刻掉在图15A和15B中所示的图案中的基板1500的区域形成电荷限制区域103，从而留下在基板上方延伸的凸起的电荷限制区域103。随后，绝缘层可以在电荷限制区域103上形成并至电荷限制区域103的一侧。例如，在一些实施例中，可以通过热生长在电荷限制区域103上形成氧化硅绝缘层。然而，可以使用任何合适的技术以形成绝缘层，且绝缘层可以包括任何合适的绝缘材料。
如在图16中所示，可以通过形成图案化的多晶硅层1601来在绝缘层上形成如在图3B中所示的电极。电极可以彼此间隔开以允许不同的电极处于不同的电压上。电极可以由任何合适的导电材料制成。在一些实施例中，电极可以由掺杂多晶硅制成。然而，本文所述的技术不限于形成多晶硅电极，这是因为可以使用任何合适的导电材料以形成电极(例如，金属)。可以在图案化的多晶硅层1601上形成导电过孔1701以通过覆在图案化的多晶硅层1601上面的绝缘层(未示出)接触多晶硅层1601。导电过孔1701可以由任何合适的导体制成。
在一些实施例中，一个以上电极(例如，多晶硅层1601的)可以是具有p型和n型掺杂剂的分裂掺杂电极。分裂掺杂电极可以使得能够形成势阱以捕获载流子，如在图17中所示。图17示出具有p+区域和n+区域的分裂掺杂的电极2302。n+区域和p+区域在下面的半导体中产生不同的势电平。如在图17中所示，分裂掺杂电极2302的n+区域可以在能够限制电荷载流子(例如，电子)的n+区域下产生势阱。图17显示保持分裂掺杂电极2302的电压为高的可以产生如虚线所示的势梯度，其可以在势阱2304中限制电荷载流子(例如，电子)。例如，降低分裂掺杂电极2302的电压可以升高在分裂掺杂电极2302下的电势以使得能够将在势阱2304中诱捕的电荷转移到电荷存储仓。
可以在半导体材料中形成掺杂剂以使得能够形成读出电路110的晶体管。在一些实施例中，可以在电荷限制区域103上设置掩模以防止在读出电路110的晶体管的形成期间掺杂电荷限制区域103，这是因为掺杂电荷限制区域103可以在电荷限制区域103中形成不需要的势阱。
图18示出在图案化的多晶硅层1601上形成金属层1801(例如，金属1)以连接到过孔1701。图19示出覆在多晶硅层1601上的金属层1801以及电荷限制区域103。
图20示出形成过孔1901以接触金属层1801。可以在金属层1801上形成导电过孔1901以通过覆在金属层1801上的绝缘层(未示出)接触金属层1801。图20还示出在金属层1801和过孔1901上形成第二金属层2001(例如，金属2)。
图21示出第二金属层2001以及在金属层2001上形成过孔2101以通过覆在金属层2001上的绝缘层(未示出)接触金属层2001。
图22示出在金属层2001和过孔2101上形成第三金属层2201(例如，金属3)以接触过孔2101。
以示例方式描述前述过程，这是因为本文所述的技术不限于任何特定制造过程。此外，本文所述的技术不限于所示的特定布置。
用于电荷载流子分离结构的驱动电路
覆在基板上面的电荷载流子分离结构的电极可以具有大量寄生电容。改变在电极上的电极需要对寄生电容进行充电或放电。能够提供电流以对寄生电容进行充电或放电的速度限制了能够改变电极电压的速度。如上面所讨论的，在一些实施例中，电荷载流子可以进行捕获并转移到具有纳秒或皮秒分辨率的时间仓中。发明人已经认识并意识到，如果电极b0至bm-1的电压变化得更快，可以捕获电荷载流子的定时则可以具有更高的精度，从而在精确的时刻升高势垒。然而，由于在电压源和电压b0至bm-1之间连接的寄生电感以及等效串联电阻(ESR)，限制了在电极b0至bm-1上电压的变化速率。
此外，对电极的寄生电容进行充电或放电可能消耗显著的功率。对电极进行充电或放电而耗散的功率为Pdiss＝(1/2)·f·C·V2，其中C为在电极和基板之间的电容，V为在电极和基板之间的电压差，且f为切换电压的频率。
图23示出根据一些实施例的用于驱动电荷载流子分离结构的电极2301的驱动电路2300的实例。电极2301在图23中被示为电容器。如上面所讨论的，可以在选定的时间上将电极2301驱动至相对较低的电压Vlow和相对较高的电压Vhigh。驱动电路2300包括VdacH产生器2302，其产生高电压Vhigh；以及VdacL产生器2304，其产生低电压Vlow。在一些实施例中，可以使在Vlow和Vhigh之间的差异对于电极来说尽可能得小以按设计的方式影响电荷载流子，从而减少功耗或使其最小化。在一些实施例中，VdacH产生器2302和/或VdacL产生器2304可以是能够产生所需电压Vlow和/或Vhigh且能够允许改变Vlow和/或Vhigh的可编程电压产生器。
驱动电路2300还包括Bclk产生器2306，其能够产生用于对电极2301的电压转换进行定时的定时信号。Bclk产生器2306可以是可编程的，且可以允许基于输入数字词来数字选择定时信号的边缘所出现的时间。在一些实施例中，Bclk产生器2306可以使用延迟锁定环(DLL)来实施，如上面所讨论的。将源于Bclk产生器2306的定时信号提供至驱动电极2301的Bclk驱动器2312的输入。
驱动电路2300还包括VdacH放大器2308和VdacL放大器2310。VdacH放大器2308从VdacH产生器接收信号并使用反馈控制晶体管2314以将电压VdacH提供至Bclk驱动器2312的高电源端子。VdacH放大器2308还将电容器1312A充电至电压VdacH。VdacL放大器2310从VdacL产生器接收信号并使用反馈控制晶体管2316以将电压VdacL提供至Bclk驱动器2312的低电源端子。VdacL放大器2310还将电容器1312B充电至电压VdacL。
如上面所讨论的，电极2301可以具有大量电容。为了供给足够的电流以高速地对电极2301进行充电，可以提供去耦电容器1312A和1312B以在转换期间将电流供给到Bclk驱动器2312的低电源端子或到Bclk驱动器2312的高电源端子。
去耦电容器可以位于紧邻电极处以限制在电极和去耦电容器之间的寄生电感以及等效串联电阻(ESR)。当电极的电压变化到新的电压时，电极在新电压下连接到去耦电容器以通过具有低寄生电感和/或等效串联电阻(ESR)的电流路径将电流供给到电极，以使得电极的电压能够快速地变化。在一些实施例中，去耦电容器可以位于足够接近电极处，以使得在去耦电容器和电极之间的寄生电感小于3nH、小于2nH或小于1nH。在一些实施例中，在去耦电容器和电极之间的电流路径的等效串联电阻(ESR)小于70欧姆、小于35欧姆或小于5欧姆。然而，这些值是仅作为示例提供的，这是因为本文所述的技术不限于电感或电阻的特定值。
在一些实施例中，可以将电极b0至bm-1连接到一个以上的去耦电容器。在一些实施例中，每个电极b0至bm-1可以具有其自身的去耦电容器。例如，在一些实施例中，电极可以具有在电极的高和低电压源之间耦合的单个去耦电容器或分别耦合到高电压源和低电压源的两个去耦电容器。然而，本文所述的技术不限于这个方面。电荷载流子分离结构的电极中的任一个或所有可以连接到去耦电容器。
去耦电容器可以具有任何合适的电容值。在一些实施例中，去耦电容器的电容值为其要连接到的电极的电容的10至100倍。在一些实施例中，去耦电容器的电容可以是至少150pF、至少300pF或至少3nF或更高。然而，这些值是仅作为示例提供的，这是因为本文所述的技术不限于电容的特定值。
去耦电容器可以是片上或片外的。图24示出其中芯片1300附接到可以称为“板上芯片”或“板上晶粒”实施方案的印刷电路板1310的实施例。丝焊可以将芯片1300连接到在印刷电路板1310上的一个以上去耦电容器1312，从而在芯片1300的电极和去耦电容器1312之间提供具有低寄生电感和/或等效串联电阻(ESR)的电流路径。在一些实施例中，片外去耦电容器可以位于芯片1300的1cm内或5mm以内或更近处。然而，本文所述的技术不限于这个方面。如上面所提及的，可以在芯片1300上形成去耦电容器。
如上面所讨论的，对电荷载流子分离结构的电极进行充电和放电可以耗散显著的功率。在一些实施例中，可以禁用芯片1300像素中的一个以上的行及其相应的电极，这可以限制芯片1300的功耗。在这个方面，芯片1300可以是可编程的且可以允许选择启用或禁用哪些行。启用和禁用的行可以随时间而改变。
图25显示启用了在芯片的中央区域中的32行并禁用在芯片边缘的48行。禁用芯片的一个以上的行可以允许在不需要芯片的所有行的情况或应用中减少功耗。
额外的方面
在一些实施例中，可以使用一个以上计算装置执行本文所述的技术。实施例不限于用任何特定类型的计算装置进行操作。
图26为可用于实施控制电路的说明性计算装置1000的方框图，该控制电路用于控制像素阵列或用于执行对源于像素的数据的分析。计算装置1000可以包括一个以上处理器1001和一个以上有形的非临时性计算机可读存储介质(例如，存储器1003)。存储器1003可以在有形的非临时性计算机可读存储介质中存储计算机程序指令，当执行该指令时，该指令实施上述功能中的任一个。处理器1001可以耦合到存储器1003且可以执行这种计算机程序指令以使得实现和执行该功能。
计算装置100还可以包括网络输入/输出(I/O)接口1005，计算装置可以经其与其他计算装置(例如，通过网络)进行通信；且还可以包括一个以上用户I/O接口1007，计算装置可以经其将输出提供至用户或从用户接收输入。用户I/O接口可以包括装置，诸如键盘、鼠标、麦克风、显示装置(例如，监视器或触摸屏)、扬声器、照相机和/或各种其它类型的I/O装置。
上述实施例能够按多种方式中的任一方式进行实施。例如，实施例可使用硬件、软件或其组合而进行实施。当在软件中实施时，软件代码能够在任何合适的处理器(例如，微处理器)或处理器的集合上执行，其可以是在单个计算装置中提供的或分布在多个计算装置中。应理解的是，执行上述功能的任何组件或组件的集合一般能够被认为是控制上述功能的一个以上的控制器。能够按多种方式实施一个以上的控制器，诸如以专用硬件或以使用微代码或软件来编程以执行上述功能的通用硬件(例如，一个以上的处理器)来实施。
在这个方面，应理解的是本文所述的实施例的一个实施方案包括用计算机程序(即，多个可执行指令)编码的至少一个计算机可读存储介质(例如，RAM、ROM、EEPROM、闪存或其他存储器技术、CD-ROM、数字通用盘(DVD)或其他光盘存储器、磁盒、磁带、磁盘存储器或其他磁存储装置或其他有形的非临时性计算机可读存储介质)，其中当在一个以上的处理器上执行该计算机程序时，其执行一个以上的实施例的上述功能。计算机可读介质可以是可传输的，以使得存储在其上面的程序可以被加载至任何计算装置以执行本文所讨论的技术的各方面。另外，应理解的是对计算机程序的参考不限于在主机上运行的应用程序，其中当执行计算机程序时，其执行上述功能中的任一个。相反地，在本文中，在一般意义上，术语计算机程序和软件用于指代能够采用的对实施本文所讨论的技术的各方面的一个以上处理器进行编程的任何类型的计算机代码(例如，应用软件、固件、微代码或任何其他形式的计算机指令)。
本发明的各个方面可单独、组合地或按前述的实施例中未具体讨论的各种布置方式使用且因此不将其应用限制于在前面描述中阐明的或在附图中所示的组件的细节和布置。例如，在一个实施例中描述的各个方面可按任何方式与在其他实施例中所述的方面进行组合。
此外，本发明还被具体化为一种方法，本文已提供了该方法的一个实例。作为本发明的一部分进行的动作可按任何合适的方式进行排序。因此，可以构造按不同于所示顺序的顺序来执行动作的实施例，其可以包括同时进行一些即使在所示的实施例中被示为连续动作的动作。
在权利要求中使用序数术语，诸如“第一”、“第二”、“第三”等修饰要求保护的元素时，其本身并不表示所进行方法的动作的任何优先性、优先或一个要求保护的元素与另一个的顺序或时间顺序，而是仅用作标记以区别具有某个名称的一个所要求保护的元素与另一个具有相同名称的元素(如果不使用序数术语则无法进行区别)，从而区别所要求保护的元素。
此外，本文所使用的措辞和术语用于描述且不应被认为是限制。使用“包括”、“包含”或“具有”、“含有”、“涉及”及其变型表示含有之后所列的项目及其等同物，以及额外的项目。

Claims (10)

1.一种集成电路，其包括：
光检测区域，其被配置成接收入射光子，所述光检测区域被配置成响应于所述入射光子产生多个电荷载流子；
至少一个电荷载流子存储区域；以及
电荷载流子分离结构，其被配置成基于产生电荷载流子的时间将所述多个电荷载流子中的所述电荷载流子选择性地指引到所述至少一个电荷载流子存储区域中。
2.根据权利要求1所述的集成电路，其中所述至少一个电荷载流子存储区域包括多个电荷载流子存储区域，且其中所述电荷载流子分离结构被配置成将电荷载流子指引到所述多个电荷载流子存储区域中的各自的电荷载流子存储区域中。
3.根据权利要求2所述的集成电路，其中所述电荷载流子分离结构被配置成基于所述电荷载流子到达所述电荷载流子分离结构的电荷载流子捕获区域的时间将所述电荷载流子指引到所述各自的电荷载流子存储区域中。
4.根据权利要求1所述的集成电路，其中所述电荷载流子分离结构包括：
电荷载流子行进区域，其被配置成从所述光检测区域接收所述多个电荷载流子，所述电荷载流子行进区域包括半导体材料；以及
多个电极，
其中所述集成电路还包括控制电路，其被配置成通过改变所述多个电极中的一个以上电极的电压来在所述电荷载流子行进区域中捕获所述电荷载流子。
5.根据权利要求4所述的集成电路，其中在所述电荷载流子行进区域上形成所述多个电极。
6.根据权利要求4所述的集成电路，其中所述多个电极被配置成在所述电荷载流子行进区域中建立电势梯度以使得所述多个电荷载流子沿所述电荷载流子行进区域行进。
7.根据权利要求4所述的集成电路，其中所述控制电路被配置成通过在所述电荷载流子行进区域内的第一位置上产生势垒来捕获电荷载流子。
8.根据权利要求7所述的集成电路，其中所述控制电路被配置成通过改变所述多个电极中的第一电极的电压来产生所述势垒。
9.根据权利要求8所述的集成电路，其中所述控制电路被配置成通过改变所述多个电极中的第二电极的电压来在所述电荷载流子行进区域内的第二位置上产生第二势垒。
10.根据权利要求9所述的集成电路，其中所述控制电路被配置成在第一时间改变所述第一电极的所述电压且在所述第一时间之后的第二时间改变所述第二电极的所述电压。
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