CN114222911A - 用于集成装置的光学奈米结构抑制器及其方法 - Google Patents

用于集成装置的光学奈米结构抑制器及其方法 Download PDF

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Abstract

本发明描述了与光子带隙光学奈米结构相关的设备及方法。此等光学奈米结构可展现禁止光子带隙或允许光子带隙，且可用于抑制(例如，阻断或衰减)第一波长下的辐射，同时允许透射第二波长下的辐射。光子带隙光学奈米结构的示例包括在一个、两个或三个维度中具有周期性或准周期性且在至少两个维度中具有结构变化的周期性及准周期性结构。此等光子带隙光学奈米结构可形成于包括光电二极管及被布置为分析由光电二极管接收的辐射的CMOS电路的集成装置中。

Description

用于集成装置的光学奈米结构抑制器及其方法
相关申请的交叉引用
本申请根据35 U.S.C.§119(e)主张2019年6月19日根据代理人案号R0708.70061US00申请的名称为“OPTICAL NANOSTRUCTURE REJECTER FOR AN INTEGRATEDDEVICE AND RELATED METHODS”的美国临时专利申请案62/863,635号的优先权，其特此以全文引用的方式并入本文中。
技术领域
本发明涉及关于用光学奈米结构减少集成装置(integrated device)中的非想要辐射。
背景技术
在用于分析样本的仪器区域中，微型芯片可用于平行分析大量分析物或试样(含于一个或多个样本内)。在一些情况下，将光学激发辐射递送至芯片上执行单独分析的多个离散位点。激发辐射可激发各位点处的试样、连接至试样的荧光团或参与了与试样相互作用的荧光团。响应于激发，可自位点发射辐射且可由传感器检测所发射辐射。自针对位点的所发射辐射获得的或缺少所发射辐射的信息可用于确定该位点处的试样的特征。
发明内容
描述了与光子带隙光学奈米结构相关的设备及方法。光学奈米结构可展现禁止光子带隙或允许光子带隙，且可用于抑制第一波长下的辐射(例如，阻断或衰减该辐射的大部分)，同时允许透射第二波长下的辐射。光子带隙光学奈米结构的示例包括在两个或三个维度中具有结构变化且在一个、两个或三个维度中具有周期性或准周期性的周期性及准周期性结构。光子带隙光学奈米结构可形成于集成装置中，所述集成装置包括光学传感器，诸如光电二极管、CCD光电二极管数组、CMOS光电二极管数组、影像传感器数组、荧光传感器数组等。在一示例实施例中，光子带隙光学奈米结构可与用于分析试样的仪器结合使用，其中光学检测用于分析由试样响应于递送至该试样的光学激发而发射的辐射。光子带隙光学奈米结构在此等情况下可适用于减少造成背景噪声的一个或多个波长带中的某些辐射，同时允许透射含有有用信号的波长带中的辐射，藉此改良信噪比(signal-to-noise ratio)。
一些实施例涉及一种集成装置，其包含具有第一表面的基板及形成于该基板上的多个像素。所述多个像素中的至少一些包含：反应室，其被配置为接收样本；传感器，其被配置为检测从该反应室发射的辐射；波导，其被配置为将激发辐射耦合至该反应室；以及光学奈米结构，其安置于该波导与该传感器之间。该光学奈米结构被图案化为包括在平行于该基板的该第一表面的平面中的结构变化且抑制在垂直于该第一表面的方向上入射于该光学奈米结构上的激发辐射的至少一部分。
在一些实施例中，所述结构变化至少在该平面的一个维度中为周期性或准周期性的。
在一些实施例中，该光学奈米结构展现光子带隙。
在一些实施例中，所述结构变化在该平面的两个维度中为周期性或准周期性的。
在一些实施例中，所述结构变化展现150nm与500nm之间的周期性。
在一些实施例中，该光学奈米结构在所述结构变化内不具有缺失或显著不同的周期性组件。
在一些实施例中，该光学奈米结构包含具有第一折射率的介电材料的第一多个离散区。
在一些实施例中，该介电材料的该第一多个离散区在该平面中展现100nm与300nm之间的宽度。
在一些实施例中，该光学奈米结构包含该介电材料的第二多个离散区，该介电材料的第一及第二离散区沿垂直于基板的第一表面的方向彼此隔开。
在一些实施例中，介电材料的第一及第二离散区沿平行于平面的方向彼此交错。
在一些实施例中，该介电材料的第一多个离散区由具有不同于该第一折射率的第二折射率的材料的区域分离。
在一些实施例中，该介电材料的第一多个离散区在垂直于该平面的方向上延伸。
在一些实施例中，该介电材料的第一多个离散区沿垂直于该基板的第一表面的方向展现100nm与300nm之间的高度。
在一些实施例中，该集成装置还包含安置于反应室与传感器之间的膜片。
在一些实施例中，该集成装置还包含安置于反应室与传感器之间的光学组件，该光学组件增大了发射辐射到传感器上的聚集。
在一些实施例中，该光学组件包含介电材料的圆盘，该介电材料对于相同波长的发射辐射具有与围绕该圆盘的材料的第二折射率不同的第一折射率。
一些实施例涉及一种操作集成装置所述的方法。该方法包含由在基板上形成的波导将激发辐射耦合至邻近该波导形成的反应室，该激发辐射具有第一波长；使来自反应室的发射辐射穿过光学奈米结构至传感器，其中光学奈米结构被图案化为包括在平行于该基板的第一表面的平面中的结构变化，且其中该发射辐射具有不同于第一波长的第二波长并且响应于激发辐射对反应室中的至少一个发射极的激发而产生；并且使用光学奈米结构抑制激发辐射的至少一部分。
在一些实施例中，方法还包含用基板上形成的传感器检测穿过光学奈米结构的发射辐射的至少一部分。
在一些实施例中，抑制该激发辐射的一部分包含致使激发辐射的所述一部分从光学奈米结构反射。
在一些实施例中，该第一波长在该光学奈米结构的光子带隙内。
在一些实施例中，该第二波长在该光学奈米结构的该光子带隙外部。
在一些实施例中，所述结构变化至少在该平面的一个维度中为周期性或准周期性的。
在一些实施例中，所述结构变化在该平面的两个维度中为周期性或准周期性的。
在一些实施例中，方法还包含使来自该反应室的发射辐射穿过膜片。
在一些实施例中，方法还包含使用膜片抑制该激发辐射。
在一些实施例中，方法还包含用位于反应室与光学奈米结构之间的介电圆盘聚集发射辐射。
一些实施例涉及一种用于制造集成装置所述的方法。该方法包含在具有第一表面的基板上形成多个像素，使得所述多个像素中的至少一些包含反应室及传感器；在多个像素中的至少一些中形成波导；且在波导与传感器之间在多个像素中的至少一些中形成光学奈米结构。形成光学奈米结构包含使第一介电材料图案化以包括在平行于基板的第一表面的平面中的结构变化。
在一些实施例中，使第一介电材料图案化包含在第一介电材料中形成周期性或准周期性图案。
在一些实施例中，使该第一介电材料图案化以包括结构变化包含蚀刻第一介电材料以在第一介电材料中形成空隙。
在一些实施例中，方法还包含用不同于第一介电材料的第二介电材料填充所述空隙。
在一些实施例中，该方法进一步包含在多个像素中的至少一些中形成波导的前执行平坦化工艺步骤。
在一些实施例中，形成波导包含使用与第一介电材料相同的材料形成波导。
可结合随附图式根据以下描述更充分地理解本教示内容的前述及其他态样、实施方案、作用、功能、特征以及实施例。
附图说明
熟习此项技术者将理解本文中所描述的图式仅出于说明的目的。应理解，在一些情况下，可夸大或放大展示本发明的各种态样以有助于本发明的理解。在图式中，在通篇各种图式中，类似参考标号一般系指类似特征、功能上类似及/或结构上类似的组件。图式未必为按比例的，实际上重点在于说明教示内容的原理。图式不意欲以任何方式限制本教导内容的范畴。
图1-1为根据一些实施例的说明处于集成装置的像素的结构的示例的示意图。
图1-2为根据一些实施例的说明示例光学奈米结构的光谱响应的曲线图。
图1-3A为根据一些实施例的说明在一个维度(x方向)中为周期性且在至少两个维度(x及z)中具有结构变化的光学奈米结构的示例的俯视图。
图1-3B为根据一些实施例的说明包括多个层的光学奈米结构的示例的正视图。
图1-3C为根据一些实施例的说明在两个维度中为周期性的光学奈米结构的示例的俯视图。
图1-3D为根据一些实施例的说明在两个维度中为周期性的光学奈米结构的另一示例的透视图。
图1-3E为根据一些实施例的说明在一个维度中为准周期性的光学奈米结构的示例的俯视图。
图1-3F为根据一些实施例的说明在两个维度中为准周期性的光学奈米结构的示例的俯视图。
图1-4A为根据一些实施例的说明在图1-1的结构中激发辐射的示例电场的曲线图，该电场系在第一波长处计算。
图1-4B为根据一些实施例的说明可自图1-1的结构中的反应室发射的发射辐射的示例电场的曲线图，该电场系在第二波长处计算。
图1-5为根据一些实施例的说明对于两种类型的光学奈米结构，光学抑制随入射角变化的曲线图。
图2-1为根据一些实施例的说明集成装置的像素处的结构的另一示例的示意图。
图2-2描绘了根据一些实施例的图2-1的结构且包括发射辐射的射线。
图2-3为根据一些实施例的说明集成装置的像素处的结构的另一示例的示意图。
图3描绘根据一些实施例的集成装置的示例结构的剖视图。
图4-1A至图4-1J描绘根据一些实施例的与用于制造光学奈米结构的示例方法相关的结构。
图4-2A至图4-2J描绘根据一些实施例的与用于制造光学奈米结构的示例方法相关的结构。
图5-1A为根据一些实施例的包括紧凑型锁模激光模块的分析仪器的方块图描绘。
图5-1B描绘根据一些实施例的并入至分析仪器中的紧凑型锁模激光模块。
图5-2描绘根据一些实施例的一系列光学脉冲。
图5-3描绘根据一些实施例的可经由一个或多个波导由脉冲激光光学激发的平行反应室的示例且进一步展示各室的对应检测器。
图5-4说明根据一些实施例的自波导对反应室的光学激发。
图5-5描绘根据一些实施例的集成反应室、光波导及时间分格光检测器的其他细节。
图5-6描绘根据一些实施例的可在反应室内发生的生物反应的示例。
图5-7描绘具有不同衰变特征的两种不同荧光团的发射概率曲线。
图5-8描绘根据一些实施例的荧光发射的时间分格检测。
图5-9描绘根据一些实施例的时间分格光检测器。
图5-10A描绘根据一些实施例的来自样本的荧光发射的脉冲激发及时间分格检测。
图5-10B描绘根据一些实施例的在重复的样本的脉冲激发后各种时间格中的积聚荧光光子计数的直方图。
图5-11A至图5-11D描绘根据一些实施例的可对应于四种核苷酸(T、A、C、G)或核苷酸类似物的不同直方图。
图6-1A描绘根据一些实施例的用于设计光学奈米结构的第一例示性富硅氮化物材料的折射率和消光系数与波长的图形。
图6-1B描绘根据一些实施例的用于设计光学奈米结构的第二例示性富硅氮化物材料的折射率和消光系数与波长的图形。
当与图式结合时，本发明的特征及优势将自下文所阐述的详细描述而变得更显而易见。在参考图式描述实施例时，可使用方向参考(“在...上方(above)”、“在...下方(below)”、“顶部(top)”、“底部(bottom)”、“左侧(left)”、“右侧(right)”、“水平(horizontal)”、“竖直(vertical)”等)。此等参考仅意欲为读者在正常定向上观看图式的辅助。此等方向参考不意欲描述实施装置的特征的较佳或唯一定向。可使用其他定向来实施装置。
具体实施方式
I.具有光学奈米结构抑制器所述的集成装置
下文主要结合分析样本的仪器描述光学奈米结构抑制器的实施例。然而，发明性实施例并不仅限于分析样本的仪器。光学奈米结构抑制器可适用于其他应用，诸如光学成像装置、光学传感器、半导体激光或发光二极管等。
用于分析样本的仪器不断改良且可并有微型装置(例如，电子芯片、光电芯片、微流体芯片等)，此可有助于减小仪器的总体大小。待分析的样本可包括空气(例如，感测有害气体漏泄、燃烧副产物或有毒化学组分)、水或其他可摄取液体、食品样本及获自个体的生物样本(血液、尿液等)。在一些情况下，期望具有用于分析样本的携带型手持仪器，使得技术员或医疗人员可易于将仪器携带至需要服务的现场且快速及精确地分析样本。在临床环境中，可能需要用于更复杂的样本分析(诸如人类基因的定序)或全血球计数分析的桌上型大小的仪器。
在先进分析仪器(诸如美国专利申请案公开2015/0141267号及美国专利9,617,594中所描述的彼等分析仪器，两者皆以引用的方式并入本文中)中，抛弃式集成装置(亦被称作“芯片”及“抛弃式芯片”)可用于执行大规模平行样本分析。集成装置可包含经封装的生物光电芯片，在该经封装的生物光电芯片上可存在具有被布置为用于一个样本或不同样本的平行分析的反应室的大量像素。举例而言，在生物光电芯片上具有反应室的像素数目可介于约10,000与约10,000,000之间。在一些实施例中，抛弃式芯片可安装至先进分析仪器的插座中且与仪器中的光学及电子组件介接。抛弃式芯片可容易地由用户替换以用于各新样本分析。
图1-1为描绘可包括于例如生物光电芯片的像素中的一些组件的简化图。在样本分析装置中，像素可包括反应室1-130、光波导1-115、光学奈米结构1-135及形成于基板1-105上的传感器1-122。波导1-115可将光能自远程光学源传输至像素且将激发辐射提供至反应室1-130。在一些实施例中，可经由瞬逝耦合将由波导1-115传输的激发辐射耦合至反应室1-130。箭头1-140描绘激发辐射自波导1-115至反应室1-130的耦合。激发辐射可激发存在于反应室1-130中的一或多种分析物。可通过传感器1-122检测自分析物的所发射辐射。箭头1-142描绘在下游方向上传播的发射辐射(尽管发射射线可以以其他角度发射)。根据一些实施例，来自传感器1-122的信号或其缺失可提供关于反应室1-130中存在或不存在分析物的信息。在一些实施方案中，来自传感器1-122的信号可鉴别存在于反应室中的分析物的类型。
对于样本分析，可将含有一或多种分析物的样本沈积于反应室1-130上方。举例而言，可将样本安置于反应室1-130上方的储集器或微流体通道中，使得样本与反应室发生接触。在一些情况下，样本可以液滴的形式印刷于包括反应室1-130的经处理表面上。在样本分析期间，来自待分析的样本的至少一种分析物可进入反应室1-130中。在一些实施方案中，分析物自身可在通过自波导1-115递送的激发辐射1-140激发时发荧光。在一些情况下，分析物本身可携带一个或多个经连接荧光分子。在又其他情况下，分析物可淬灭已存在于反应室1-130中的荧光团。当荧光实体进入反应室中且通过激发辐射激发时，荧光实体可在与由传感器1-122检测的激发辐射不同的波长下发射辐射。
本发明人已认识到且了解，沿波导1-115行进的激发辐射的一部分可远离波导1-115辐射，且在一些情况下可由传感器1-122接收并检测(无论直接由波导或在基于反射及/或散射)。激发辐射的检测可干扰发射辐射的检测且降低信噪比。此反过来可不利地影响装置分析或鉴别样本的能力。
远离波导1-115的激发能量的辐射(由箭头1-144指示)可由于波导自身的散射而产生，此可由波导侧壁的粗糙度或者波导、波导与邻近材料的界面或邻近材料中的其他缺陷的存在而引起。另外或可替代地，激发能量可由于波导芯的折射率与波导包层的折射率之间的差异是有限的这一事实而远离波导辐射，从而产生朝向传感器1-122延伸的瞬逝场。
本发明人已认识到且了解，通过在波导1-115与传感器1-122之间插入诸如光学奈米结构1-135的光学抑制器，可减少激发辐射的检测，由此改良信噪比。光学奈米结构可被配置为基于激发辐射与发射辐射之间的特征波长的差异而区分信号与噪声。光学奈米结构可被设计为抑制(例如，阻断或衰减大部分)激发辐射1-144，同时允许发射辐射1-142穿过且达至传感器1-122。在一些情况下，入射于光学奈米结构1-135上且朝向传感器1-122行进的发射辐射1-142的大部分透射通过光学奈米结构。在一些实施例中，光学奈米结构可包括被设计为展现至少一个光子带隙的光学奈米结构，由此抑制入射于光学奈米结构1-135上且具有光子带隙内的波长的光能。
本发明人已认识到且了解，可通过形成周期性(或准周期性)的光学奈米结构来实现光子带隙光学抑制器，该光学奈米结构在一个、两个或三个维度中具有周期性且在至少两个维度中具有结构变化。在一些实施例中，周期性(或准周期性)可产生其中禁止光传播的光谱带(光子带隙)。特性类似于周期性固态晶体内部禁止的具有某一波长的布洛赫波(Bloch wave)。在禁止带隙内，入射于光学奈米结构上的辐射相消地干涉且因此被抑制。在一些实施例中，光学奈米结构可被设计为使得激发辐射的波长落入禁止光子带隙内，而发射辐射的波长落入禁止光子带隙外部。因此，透射发射辐射且反射激发辐射。在一些实施方案中，透射大部分发射辐射且反射大部分激发辐射。在一些实施方案中，透射75％与95％之间的发射辐射且反射75％与95％之间的激发辐射。在一些实施方案中，透射85％与99％之间的发射辐射且反射85％与99％之间的激发辐射。
根据一些实施例，可获得相反效能，由此光学奈米结构被设计为展现允许光子带(而非禁止光子带隙)。在此等实施例中，透射允许光子带内的波长，而抑制允许带的外部的波长。在一些此等实施例中，光学奈米结构可被设计为使得激发辐射的波长落入允许光子带的外部，而发射辐射的波长落入允许光子带内。因此，根据上文结合光子带隙光学奈米结构所描述的量，(至少部分地)透射发射辐射且(至少部分地)反射激发辐射。
如上文所提及，本文中所描述的类型的光学奈米结构不限于仅与具有描述于图1-1中的结构的集成装置结合使用。更一般而言，本文中所描述的光学奈米结构的实施例可用于其中期望抑制一个或多个波长或一个或多个波长范围且期望准许透射一个或多个波长或一个或多个波长范围的应用中。在其他可能情形中，本文中所描述的光学奈米结构可与光通信系统、光学成像系统、激光系统(Lidar system)等结合使用。
图1-2为根据一些实施例的说明示例光学奈米结构的模拟光谱响应的曲线图。特别地，图1-2描绘与示例光学奈米结构相关的反射系数(1-202)、透射系数(1-204)及吸收系数(1-206)随波长而变化。反射系数表示反射辐射的功率与入射辐射的功率之间的比率。透射系数表示透射辐射的功率与入射辐射的功率之间的比率。吸收系数表示吸收功率与入射辐射的功率之间的比率。如图1-2中所说明，此光学奈米结构展现大约515nm与大约550nm之间的禁止光子带隙(1-201)。对于禁止光子带隙1-201内的波长，透射系数1-204小于0.1，表明小于10％的入射功率穿过光学奈米结构。反射或吸收剩余的功率。在此情况下，反射50％至80％的入射功率，且吸收其余功率。下文提供示例光学奈米结构的细节。
对于禁止光子带隙1-201外部的波长，更大量的入射功率可透射通过光学奈米结构。举例而言，在大于570nm的波长下，可透射50％或更高的入射功率。在大于600nm的波长下，可透射90％或更高的入射功率。在一些实施例中，光学奈米结构可被设计为使得激发辐射的波长落入光子带隙1-201内且发射辐射的波长落入光子带隙1-201外部。在此奈米结构的一个特定示例中，激发辐射可具有510nm与550nm之间的波长且发射波长可在560nm与700nm之间。对于被设计为在不同波长范围处具有光子带隙的光学奈米结构，激发及发射波长的其他值也是可能的。光子带隙可具有有限带宽。带宽可为例如小于150nm、小于100nm、小于50nm或小于30nm。
对于图1-2中所绘制的结果，示例奈米结构为二维周期性光学奈米结构(其中的一示例描绘于图1-3D中)。奈米结构被布置为形成于单层氧化硅材料中的氮化硅柱的立方体结构。柱的周期性p3为250nm且柱宽w3为140nm。层的厚度为125nm。
光子带隙1-201的光谱位置及光子带隙内及外部的系数值可取决于如将在下文进一步描述的奈米结构的不同结构特征(例如，周期性、材料、柱宽或线宽、柱形状等)。在一些实施例中，可根据待分析的样本类型及/或可用的激发源及发射体类型来调整光学奈米结构的特征。在一些实施例中，结构特征可被调整为使得在一些实施例中25％与15％之间(包括端值)、在一些实施例中15％与10％之间(包括端值)、在一些实施例中10％与5％之间(包括端值)以及在一些实施例中5％与1％之间(包括端值)的光子带隙内的入射辐射透射通过奈米结构。在一些情况下，光子带隙内小于1％的入射辐射透射通过奈米结构。在一些实施例中，结构特征可被调整为使得在一些实施例中50％与75％之间(包括端值)、在一些实施例中75％与90％之间(包括端值)、在一些实施例中90％与95％之间(包括端值)以及在一些实施例中95％与99％之间(包括端值)的光子带隙外部的入射辐射透射通过光学奈米结构。在一些情况下，光子带隙外部大于99％的入射辐射透射通过光学奈米结构。
图1-2的光谱响应涉及一种被设计为展现禁止光子带隙的光学奈米结构，由此抑制具有光子带隙内的波长的辐射且透射具有光子带隙外部的波长的辐射。可替代地，光学奈米结构可被设计为展现允许光子带，由此透射具有允许光子带内的波长的辐射且抑制具有允许光子带外部的波长的辐射。一个此类奈米结构的光谱响应(图1-2中未说明)可在允许光子带内展现高透射系数(例如，在一些实施例中50％与75％之间(包括端值)、在一些实施例中75％与90％之间(包括端值)、在一些实施例中90％与95％之间(包括端值)以及在一些实施例中95％与99％之间(包括端值))，且在允许光子带外部展现低透射系数(例如，在一些实施例中25％与15％之间(包括端值)、在一些实施例中15％与10％之间(包括端值)、在一些实施例中10％与5％之间(包括端值)以及在一些实施例中5％与1％之间(包括端值))。此类光学奈米结构可被设计为使得激发辐射的波长落入允许光子带外部且发射辐射的波长落入允许光子带内。
返回参考图1-1，可将反应室1-130形成为透明或半透明层1-110。根据一些实施例，反应室可具有介于50nm与1μm之间的深度。在一些实施例中，反应室1-130的最小直径可在50nm与300nm之间。若将反应室1-130形成为零模式波导，则最小直径可能在一些情况下甚至小于50nm。若要分析大型分析物，则最小直径可大于300nm。反应室可位于光波导1-115上方，使得反应室的底部可至多在波导1-115的顶部上方500nm。根据一些实施例，透明或半透明层1-110可由氧化物或氮化物形成，使得例如来自光波导1-115的激发辐射及来自反应室1-130的发射辐射将穿过透明或半透明层1-110，而不会衰减超过10％。
在一些实施方案中，可存在一个或多个形成于基板1-105上且位于基板与光波导1-115之间的额外透明或半透明层1-137。在一些实施方案中，这些额外层可由氧化物或氮化物形成，且可具有与透明或半透明层1-110相同类型的材料。举例而言，光学奈米结构1-135可形成于波导1-115与传感器1-122之间的这些额外层1-137内。自光波导1-115的底部至传感器1-122的距离可在500nm与10μm之间。
在各种实施例中，基板1-105可包含半导体基板，诸如硅。然而，在一些实施例中，可使用其他半导体材料。传感器1-122可包含经图案化且形成于基板1-105上的半导体光电二极管。传感器1-122可经由互连件1-170连接至基板上的其他互补金属氧化物半导体(complementary metal-oxide-semiconductor；CMOS)电路。
光学奈米结构1-135可被布置为展现禁止光子带隙或允许光子带。如上文所描述，可选择光子带隙或允许带的光谱位置以抑制激发辐射且允许发射辐射穿过奈米结构至传感器1-122。在一些实施例中，光学奈米结构1-135经图案化以包括平行于基板的表面(例如，表面1-107)的平面(图1-1中的xy平面)中的结构变化及周期性。在一些实施例中，光学奈米结构1-135可具有在xy平面中为周期性(或准周期性)的结构变化。结构变化可在一个维度(诸如沿x轴或y轴)中或在两个维度(诸如沿x轴及y轴)中为周期性(或准周期性)的。在一些实施例中，结构变化可涉及两种或更多种不同折射率的材料。
根据一些实施例，在一个维度中具有周期性且在至少两个维度中具有结构变化的光学奈米结构的示例描绘于图1-3A中。在所实施的一维结构中，杆体可在y方向上延伸远大于周期性或间距P1的有限距离。在一些实施方案中，在y方向上延伸的距离远大于所关注区域(例如，反应室1-130的直径、波导1-115的宽度或传感器1-122的直径)。图1-3A说明了沿平行或实质上平行于基板1-105的表面1-107的一个轴线(此示例中的x轴)为周期性的光学奈米结构。在此示例中，光学奈米结构1-135包括以周期性方式沿x轴交替的两种材料(1-302及1-304)。材料1-302及1-304在发射辐射的波长下具有不同折射率且/或在激发辐射的波长下具有不同折射率。在一些实施例中，光学奈米结构在结构变化内不具有缺失或显著不同的周期性组件。应了解，在一些实施例中，可以使用且可以以周期性图案布置超过两种材料(例如，交替两种材料或将第三种材料周期性地添加至所示图案中)。
根据本文中所描述的实施例，任何适合的材料1-302及1-304可用于形成光学奈米结构。示例材料包括(但不限于)介电材料及导电材料中的一者或两者。此等介电材料及导电材料的示例包括硅(非晶形、奈米晶、微晶、单晶或多晶、掺杂或未掺杂)、氮化硅、碳化硅、氧化硅及其掺合物或混合物(包括富硅氮化物及/或氮掺杂的硅以及其他)、空气、聚合物、铝、铜、氮化钛、钨、氧化钛、锗、钽等。在一个示例中，材料1-302包括硅且材料1-304包括氮化硅。在另一示例中，材料1-302包括硅且材料1-304包括氧化硅。在另一示例中，材料1-302包括硅且材料1-304包括聚合物。在另一示例中，材料1-302包括氮化硅且材料1-304包括氧化硅。在另一示例中，材料1-302包括氮化硅且材料1-304包括空气。其他组合亦为可能的。
本发明人已发现，某些材料可用于光学奈米结构1-135的设计中以优化效能，包括具有特定n(折射率)及k(消光系数)值的富硅氮化物材料。举例而言，此等材料可在光学奈米结构1-135的设计中用作滤光器，或用作用于形成如本文中所描述的光学奈米结构1-135。此等材料的非限制性示例包括富硅氮化物材料。富硅氮化物材料的两个示例(富硅氮化物I及富硅氮化物II)的特征分别展示于图6-1A及图6-1B的图形中。各图形中所展示的是材料相对于波长的n及k值。
在图1-3A的所说明示例中，光学奈米结构1-135包括沿x轴周期性重复的单位单元(unit cell)。其中单位单元重复的周期性(P1)可在一些实施例中介于150nm与2μm之间，在一些实施例中介于150nm与1μm之间，在一些实施例中介于150nm与500nm之间，在一些实施例中介于150nm与400nm之间，在一些实施例中介于150nm与300nm之间，在一些实施例中介于200nm与300nm之间，在一些实施例中介于230nm与270nm之间或在一些实施例中介于240nm与260nm之间。其他范围亦为可能的。第一材料1-302沿x轴的宽度(W1)可在一些实施例中介于50nm与1μm之间，在一些实施例中介于50nm与500nm之间，在一些实施例中介于100nm与500nm之间，在一些实施例中介于100nm与300nm之间，在一些实施例中介于150nm与300nm之间，在一些实施例中介于100nm与250nm之间，在一些实施例中介于150nm与250nm之间，在一些实施例中介于100nm与150nm之间，在一些实施例中介于150nm与200nm之间，在一些实施例中介于130nm与150nm之间或在一些实施例中介于130nm与140nm之间。在一些实施例中，可选择周期性P1及宽度W1以使得所得光学奈米结构的光谱响应抑制激发辐射且允许发射辐射穿过。举例而言，可选择P1及W1以使得所选激发辐射的特征波长落入禁止光子带隙内且所得发射辐射的特征波长落在禁止光子带隙外部，或使得发射辐射的波长落入允许光子带内且激发辐射的波长落在允许光子带外部。
材料1-302及1-304可以任何适合的方式，诸如使用下文结合图4-1A至图4-1J所论述的制造工艺形成光学奈米结构。在一些实施例中，材料1-302及1-304可经由一个或多个微影步骤，例如通过使用适当设计的光罩及光刻工艺来图案化。在一些实施例中，如图1-3A的示例中所展示，材料1-302包括沿y轴延伸的多个杆体，但不同形状及定向亦为可能的。
在一些实施例中，光学奈米结构1-135可包括以周期性或准周期性方式配置的多个材料层。在一些实施例中，具有多个层可改良光学奈米结构的透射及/或反射系数。举例而言，具有多个层可致使禁止光子带隙内的反射系数增加及禁止光子带隙外部的透射系数增加，或可致使允许光子带内的透射系数增加及允许光子带外部的反射系数增加。
图1-3B说明根据一些实施例的具有以周期性方式配置的多个材料层的奈米结构的示例正视图。此示例说明具有在z方向上堆栈的四层的光学奈米结构，但可使用任何其他适合数目的层。在多层光学奈米结构中，可沿垂直于基板1-105的表面1-107的轴线(例如，沿z轴)在不同位置处形成各层。在一些情况下，各层可包括在一个维度(如例如图1-3A中所展示)中为周期性或在两个维度(例如，沿x轴及y轴)中为周期性的经图案化材料1-302、1-304。图1-3B的光学奈米结构包括第一材料(例如，介电材料或导电材料)的第一多个离散区(1-302)及具有不同折射率的第二材料(介电材料、导电材料或空气)的第二多个离散区(1-304)。
在一些实施例中，一个层的离散区相对于另一层的离散区而交错。举例而言，在图1-3B的示例光学奈米结构中，第一及第三层中的每一者相对于第二及第四层沿x轴交错。
多层光学奈米结构的各层的高度(H1)或厚度可在一些实施例中介于50nm与1μm之间，在一些实施例中介于50nm与500nm之间，在一些实施例中介于100nm与500nm之间，在一些实施例中介于100nm与300nm之间，在一些实施例中介于150nm与300nm之间，在一些实施例中介于100nm与250nm之间，在一些实施例中介于150nm与250nm之间，在一些实施例中介于100nm与150nm之间，在一些实施例中介于150nm与200nm之间，在一些实施例中介于120nm与150nm之间，在一些实施例中介于120nm与140nm之间，在一些实施例中介于120nm与130nm之间或在一些实施例中介于130nm与140nm之间。其他范围亦为可能的。不同层可具有不同高度。替代地，所有层可具有基本上相同的高度。
在一些实施例中，光学奈米结构可具有在平面内的两个维度中为周期性或准周期性的结构变化。在平面内的两个维度中具有结构变化的光学奈米结构的示例描绘于图1-3C及图1-3D中。在图1-3C的示例中，第二材料1-314的列由第一材料1-312的区域彼此分离。第一及第二材料1-312、1-314可为上文关于材料1-302、1-304所描述的材料中的任一者。在图1-3C的示例中，第二材料1-314可具有比第一材料1-312更低的折射率值。在图1-3D的示例中，第一材料1-322的列由第二材料1-324的区域彼此分离。第一及第二材料1-322、1-324可为上文关于材料1-302、1-304所描述的材料中的任一者。在图1-3D的示例中，第二材料1-324可具有比第一材料1-322更高的折射率值。
对于图1-3C及图1-3D中所描绘的示例，沿x轴的周期性(P2及P3)可具有上文结合图1-3A所描述的范围中的任一者中的值。类似地，沿y轴的周期性可具有上文结合图1-3A所描述的范围中的任一者中的值。由平面二维光学奈米结构的单位单元内的一种材料形成的特征可具有任何适合的形状，诸如正方形、矩形、多边形、三角形、圆形或不规则。沿x轴的结构特征的宽度(W2及W3)可具有上文结合图1-3A所描述的范围中的任一者中的值。类似地，沿y轴的结构特征的宽度可具有上文结合图1-3A所描述的范围中的任一者中的值。在一些实施例中，可以堆栈形式沿z轴形成平面二维光学奈米结构的多个层，诸如图1-3C或图1-3D中所展示的那些等。可类似于图1-3B的配置来交错所述层。各层的高度(H3)可具有上文结合图1-3B所描述的范围中的任一者中的值。
与一个维度中的光学奈米结构周期性相比，两个或三个维度中的彼等周期性提供额外设计参数。因此，两个或三个维度中的光学奈米结构周期性提供更大灵活性以工程改造所要光谱响应。举例而言，在一些实施例中，两个或三个维度中的光学奈米结构周期性在光子带隙或允许光子带内具有更平的光谱响应且/或在光子带隙或允许光子带的边缘处具有更陡的衰减。更陡的衰减可导致在光子带隙或允许带的边缘附近的激发及发射波长的透射系数与反射系数之间的更大差异。
结合图1-3A、图1-3B、图1-3C及图1-3D描述的示例展现一个或两个维度中的周期性。另外或可替代地，准周期性光学奈米结构可用于实现以禁止光子带隙或允许光子带为特征的光谱响应。根据一些实施例，其中所描述的类型的准周期性光学奈米结构可包括两个或更多个交替的建构块(building block)。准周期性光学奈米结构的示例包括基于斐波那契序列(Fibonacci sequence)的一维光子结构(图1-3E中所展示)、基于彭罗斯结构(Penrose structure)的二维光子结构(图1-3F中所展示)、具有二十面体准结晶结构的三维光子结构、基于Thue-Morse序列的一维、二维或三维光子结构、基于周期倍增序列(period-doubling sequence)的一维、二维或三维光子结构、基于鲁丁-夏皮罗序列(Rudin-Shapiro sequence)的一维、二维或三维光子结构、基于康托序列(Cantorsequence)的一维、二维或三维光子结构及其他。一些此等结构可产生具有光子带隙或允许带的光谱响应，即使其不具有平移对称性也是如此。本文中所描述的类型的准周期性结构可明确为非周期性的。
返回参考图1-1，波导1-115与传感器1-122之间的光学奈米结构的存在可致使激发辐射1-144抑制，同时允许发射能量1-142的透射。激发辐射1-144可直接来自波导1-115及/或由装置的其他表面散射。本发明人已认识到且了解，本实施例的光学奈米结构可相较于例如多层介电干涉滤光器更有效地减少激发辐射1-144从宽角度范围的透射。
图1-4A及图1-4B描绘了对具有类似于图1-1中所描绘的示例结构所述的集成装置进行计算的示例电场图案。然而，微盘被包括于模拟中且位于波导1-115与光学奈米结构1-135之间。微盘在下文经进一步描述且有助于将发射辐射聚集至传感器1-122上。对于此模拟，波导1-115及光学奈米结构包含由氧化硅围绕的氮化硅。光学奈米结构形成为具有如图1-3D中所展示的立方晶体的单层的、平面的、二维奈米结构。第一材料1-322由氮化硅形成且第二材料1-324由氧化硅形成。对于此示例，间距P3为260nm，宽度W3为160nm，且层H3的厚度为125nm。
对于此示例模拟，激发辐射具有532nm的特征波长(λ＝λ激发)且发射辐射具有572nm的特征波长(λ＝λ发射)。其他光学奈米结构参数(周期性、宽度、厚度等)及/或其他波长(包括例如500nm-540nm范围中的激发波长，以产生620nm-650nm范围中的发射波长)可用于其他实施例中。用在模拟域内利用具有以下激发及发射辐射的初始条件求解麦克斯韦方程(Maxwell's equations)(例如，使用时域有限差分分析(finite-difference time-domainanalysis))的软件计算电场图案：1)将λ＝λ激发下的辐射从外部源耦合至单模波导1-115中，及2)在反应室1-130中产生λ＝λ发射下的辐射。
如对于λ＝λ激发的图1-4A中所说明，电场的大部分受限于将激发辐射递送至反应室1-130的波导1-115内。然而，可观量的激发辐射的电场由于与波导相关的瞬逝场以及来自波导壁及包括反应室的像素内的其他结构的散射而在波导1-115下方延伸。光学奈米结构1-135可将大部分激发电场反射回至波导。不存在光学奈米结构1-135，电场可达至传感器1-122且造成背景噪声。此结果将为非所要的，因为其可降低检测系统的信噪比。在波导1-115与传感器1-122之间使用光学奈米结构导致了在邻近传感器1-122的区域中电场的量值实质性减小。因此，显著减少了所检测的激发能量的量。
如图1-4B中所说明，在λ＝λ发射下自反应室1-130朝向传感器行进的发射辐射大部分透射通过光学奈米结构1-135且可行进至传感器1-122。如上文所提及，微盘145有助于将发射辐射聚集或凝聚到传感器1-122上。
本发明人已进一步认识到，激发辐射可在一些情况下以不同入射角照在光学奈米结构1-135上。除其他可能原因外，此可能为由于激发辐射在照在光学奈米结构上的前经多次反射且自像素内的结构散射出的结果。认识到此问题，本发明人已了解例如本实施例的光学奈米结构的有利特征系能够在比多层干涉滤光器更宽的入射角范围内抑制辐射。
与其他类型的光学抑制器相比，本文中所描述的类型的光学奈米结构在宽入射角范围内提供光学抑制。对于单层光学奈米结构，此行为系由于在xy平面中存在周期性或准周期性结构变化(在一个或两个维度中)。图1-5为说明在所关注的波长下与两种不同光学结构相关的抑制比率的曲线图，其绘制为入射角(横轴)的函数。抑制比率为在特征发射波长(在此示例中为572nm)下透射通过光学结构的发射辐射量除以在特征激发波长(在此示例中为532nm)下透射通过光学结构的激发辐射量的比率。将相同量的功率入射于光学结构上以用于发射辐射及激发辐射。相对于光学结构的平面表面的法线量测入射角。
针对沿z轴具有交替折射率的具有23层(但可使用任何其他数目的层，诸如10与50之间的层、10与40之间的层、20与50之间的层或20与40之间的层以及其他)的多层干涉滤光器，绘制第一抑制比率曲线1-501。此光学结构在xy平面中不展现结构变化。因此，在各xy平面中，折射率为均匀的。此光学结构的抑制比率在低于20°相对较高，但对于大于20°的入射角显著下降。此下降意谓着以大于约22°的角度撞击在光学结构上的可观量的激发辐射透射通过光学结构且可在传感器1-122处产生背景信号。
针对具有平面内结构变化的本实施例的示例单层光学奈米结构，绘制第二抑制比率曲线1-502。示例光学奈米结构具有立方晶格，其中将基本上正方形的氮化硅柱嵌入氧化硅中。柱具有140nm的宽度且x方向及y方向两者中的周期性为250nm。层的厚度为125nm。如图1-5中所说明，对于低于45°的所有角度，抑制比率大于约10。因此，与多层干涉滤光器相比，此光学奈米结构可在更宽的入射角范围内提供更佳的激发辐射抑制。
可包括于集成装置的像素处的光学结构的另一示例展示于图2-1中。根据一些实施方案，可将一个或多个膜片层2-110形成于传感器1-122上方。膜片层2-110可包括穿过缩光材料(light-reducing material)的开口或孔2-112。缩光材料可包含金属、聚合物、半导体或抑制(例如，吸收及/或反射)入射于膜片层2-110上的大部分激发辐射的任何材料。在一些情况下，缩光材料亦可抑制发射辐射。孔2-112可允许来自反应室1-130的发射穿过膜片层2-110且达至传感器1-122，同时缩光材料阻断或衰减来自其他方向(例如，来自邻近像素或来自经散射激发辐射)的辐射。举例而言，膜片层2-110可阻断或衰减宽入射角下的经散射激发辐射，以免撞击在传感器1-122上并造成背景噪声。在一些实施例中，膜片层2-110可由导电材料形成且向形成于基板1-105上或上方的电路提供电势参考平面或接地平面。在一些实施例中，膜片层2-110可由介电材料形成。膜片层中的孔2-112可以任何适合的方式成形，诸如正方形、矩形、圆盘、椭圆、多边形等。
在图2-1的示例中，包括两个膜片层2-110。将一个膜片层安置于波导1-115与光学奈米结构1-135之间。将另一膜片层安置于光学奈米结构1-135与传感器1-122之间。然而，应了解可使用任何其他适合数目的膜片层及位置。在一些情况下，可使用单一膜片层且可使其位于反应室1-130与光学奈米结构1-135之间或光学奈米结构1-135与传感器1-122之间。
在一些实施例中，聚光光学组件2-160可用于将自反应室发射的发射辐射聚集至传感器上。在图2-1的示例中，聚光光学组件2-160位于反应室1-130与光学奈米结构1-135之间，但其他位置亦为可能的。根据一些实施例，聚光光学组件2-160可由在发射辐射的波长下透明的一或多种材料制成且其折射率不同于(例如，大于)围绕聚光光学组件2-160的材料的折射率。以此方式，聚光光学组件2-160可提供来自反应室1-130的发射辐射的一些聚焦。在一些实施例中，光学组件2-160可成形为圆盘(例如，微盘)，藉此提供旋转对称性。光学组件2-160可被定位为使得圆盘的中心沿z轴与反应室1-130的中心对准。在一些实施例中，反应室1-130、光学组件2-160、膜片2-112及传感器1-122可沿z轴彼此对准。
根据一些实施例，本文中所描述的类型的装置可由材料沈积及图案化的连续步骤来制造以在集成装置的芯片中建立多个层级。在一些实施方案中，可通过将两个基板或晶圆彼此结合来获得用于集成装置的芯片。举例而言，集成装置(其中像素处的示例结构描绘于图2-1中)可由可经对准且结合至CMOS基板1-101的生物光学基板1-100形成。示例生物光学基板1-100可包括若干像素，各像素具有反应室1-130、波导1-115、光学奈米结构1-135及视情况选用的一个或多个膜片层2-110以及一个或多个光学组件2-160。示例CMOS基板1-101可包括具有传感器1-122(例如，每像素一个传感器)的若干对应像素及用于处理由传感器产生的信号的电路。层2-202表示可用于路由及/或处理信号的导体层或半导体层。
根据一些实施例，在图2-2中描绘一对膜片层2-110及聚光光学组件2-160的效果。如所说明，实质上平行于z轴发射的射线直接穿过膜片层中的开口。通过膜片层2-110之一抑制以实质上偏离z轴的角度发射的射线。由光学组件2-160聚焦以较小角度发射的射线。因此，将自反应室1-130发射的辐射聚集至传感器1-122上，由此增大信噪比。
可包括于集成装置的像素处的结构的另一示例展示于图2-3中。根据一些实施方案，可将一个或多个缩光层2-150形成于层1-110上方，反应室1-130可形成于该层1-110中。缩光层2-150可由一个或多个金属层形成。在一些情况下，缩光层2-150可包括半导体及/或氧化层。缩光层2-150可减少或防止来自光波导1-115的激发辐射行进至反应室1-130上方的样本中且激发样本内的荧光团。另外，缩光层2-150可防止来自反应室上方的外部辐射穿过至传感器1-122。来自反应室外部的发射可造成非想要背景辐射及信号噪声。缩光层2-150可结合本文中所描述的实施例中的任一者来使用。
根据一些实施例，示例抛弃式芯片结构3-100展示于图3中。抛弃式芯片结构3-100可包括生物光电芯片3-110，其具有半导体基板3-105且包括形成于基板上的多个像素3-140。各像素3-140可具有如上文结合图1-1至图2-3所描述的光学奈米结构的结构及实施例。在一些实施例中，可存在将激发辐射提供至像素3-140的行(或列)的波导3-115的行(或列)。在一些实施方案中，图1-1的波导1-115可用作此等波导中的任一者。激发辐射可例如经由光学端口3-150耦合至波导中。在一些实施例中，光栅耦合器可形成于生物光电芯片3-110的表面上，以将来自聚焦光束的激发辐射耦合至连接至多个波导3-115的一个或多个接收波导中。
抛弃式芯片结构3-100可进一步包括在芯片3-110上的像素区周围形成的壁3-120。壁3-120可为支撑芯片的塑料或陶瓷壳体的一部分。壁3-120可形成至少一个储集器3-130，其中至少一个样本可被放置且与生物光电芯片3-110的表面上的反应室1-130发生直接接触。举例而言，壁3-120可防止储集器3-130中的样本流入含有光学端口3-150及光栅耦合器的区域中。在一些实施例中，抛弃式芯片结构3-100可进一步包括抛弃式芯片的外表面上的电接点及封装内的互连件，使得可在生物光电芯片3-110上的电路与芯片所安装的仪器中的电路之间进行电连接。
如上文所提及，光学奈米结构1-135并不仅限于如图3中所描绘的抛弃式芯片结构3-100。光学奈米结构1-135的示例实施例可包括于其他芯片中，诸如具有光传感器数组的成像芯片。此等成像芯片可用于摄影机、视讯摄影机、智能电话及光学感测数组中。
II.用于制造光学奈米结构所述的方法
图4-1A至图4-1J说明与用于制造光学奈米结构(诸如上文所描述的光学奈米结构中的任一者)的方法相关的示例结构。在图4-1A中所描绘的工艺步骤中，提供或获得可在其上执行微影步骤的基板4-100。基板4-100可包括已在基板4-100上形成的一些结构。举例而言，基板4-100可包括光学奈米结构1-135下方的图1-1或图2-1中所展示的结构的一部分。在一些实施例中，基板4-100可包含主体半导体基板，但在一些实施方案中可使用其他类型的主体基板。
根据一些实施例，第一材料层4-102可沈积或生长于基板4-100上，如图4-1B中所描绘。第一材料层4-102可例如通过物理气相沈积(PVD)、电浆增强型化学气相沈积(PECVD)、高密度电浆(HDP)PECVD或溅镀来沈积。第一材料层4-102可包括非晶形硅、氮化硅、氮化钛、氧化钛以及上文针对光学奈米结构1-135所描述的其他可能材料，包括例如具有特定n(折射率)及k(消光系数)值的富硅氮化物材料，诸如富硅氮化物I及富硅氮化物II。随后，光阻层4-104可沈积于第一材料层4-102上且使用光刻曝光及显影工艺来图案化，如图4-1C中所描绘。通过使用经图案化的光阻层4-104作为蚀刻掩模，可在已移除光阻的区域中蚀刻第一材料层4-102以在第一材料层4-102中形成空隙，如图4-1D中所描绘。可在清洁步骤中自基板移除剩余光阻。经蚀刻的第一材料层4-102的所得结构可包含多个材料区4-106，所述材料区4-106可例如根据上文结合图1-3A至图1-3F所描述的单层结构中的一者来配置。举例而言，材料区4-106可形成光学奈米结构1-135的行。
在一些实施方案中，第二材料层4-108(具有与第一材料层不同的折射率)可沈积于材料区4-106上，如图4-1E中所描绘。第二材料层4-108可通过任何适合的沈积工艺(诸如PVD、PECVD、HDP PECVD或溅镀)来沈积。第二材料层4-108可包含氧化硅、氮化硅、氮化钛、氧化钛以及上文针对光学奈米结构1-135所描述的其他可能材料，包括例如具有特定n(折射率)及k(消光系数)值的富硅氮化物材料，诸如富硅氮化物I及富硅氮化物II。在一些情况下，第二材料层4-108填充材料区4-106之间的区域。根据一些实施方案，第二材料层4-108可例如经由化学机械抛光(CMP)平坦化，从而产生如图4-1F中所描绘的平面表面。然而，在一些情况下，可在不执行第二材料层4-108的平坦化步骤的情况下将一个或多个层沈积于第二材料层4-108上。在一些实施例中，图4-1F中所描绘的结构可形成光学奈米结构1-135，且例如根据上文结合图1-3A至图1-3F所描述的单层结构中的一者来配置。
视情况，可将一个或多个额外层添加至光学奈米结构中，导致了例如图1-3B的配置。图4-1G至图4-1J描绘根据一些实施例的与用于形成第二奈米结构层的步骤相关的结构。可使用类似步骤形成额外层。在一些实施方案中，第三材料层4-110可沈积或生长于第二材料层4-108上，如图4-1G中所描绘。第三材料层4-110可例如通过PVD、PECVD、HDP PECVD或溅镀来沈积。第三材料层4-110可包括非晶形硅、氮化硅、氮化钛、氧化钛以及上文针对光学奈米结构1-135所描述的其他可能材料，包括例如具有特定n(折射率)及k(消光系数)值的富硅氮化物材料，诸如富硅氮化物I及富硅氮化物II。在一些实施方案中，第三材料层4-110可为与第一材料层4-102相同的材料。根据一些实施例，光阻层4-112可沈积于第三材料层4-110上且使用光刻曝光及显影工艺来图案化。通过使用经图案化的光阻层4-112作为蚀刻掩模，可在已移除光阻的区域中蚀刻第三材料层4-110，如图4-1H中所描绘。可在蚀刻之后自基板移除残余光阻。所得结构包括多个材料区4-114。
随后，第四材料层4-116可例如经由PVD、PECVD、HDP PECVD或溅镀沈积于材料区4-114上。在一些情况下，第四材料层4-116填充材料区4-114之间的区域，如图4-1I中所描绘。根据一些实施例，第四材料层4-116可由具有与第三材料层4-110的折射率不同的折射率的材料制成。第四材料层4-116可包括氧化硅、氮化硅、氮化钛、氧化钛以及上文针对光学奈米结构1-135所描述的其他可能材料，包括例如具有特定n(折射率)及k(消光系数)值的富硅氮化物材料，诸如富硅氮化物I及富硅氮化物II。在一些情况下，第四材料层4-116可为与第二材料层4-108相同的材料。根据一些实施方案，第四材料层4-116可例如使用CMP工艺步骤来平坦化，从而产生如图4-1J中所描绘的平面表面。在其他实施方案中，可在不使第四材料层平坦化的情况下将一个或多个层沈积于第四材料层4-116上。
与用于制造光学奈米结构的另一示例方法相关的结构的额外示例描绘于图4-2A至图4-2J中。此制造方法在一些方面上类似于图4-1A至图4-1J的制造方法。然而，不同于图4-1A至图4-1J的制造方法，双掩模层4-104/4-103及4-112/4-111用作用于形成材料区的蚀刻掩模。基板4-100及层4-102、4-104、4-106、4-108、4-110、4-112、4-114及4-116可具有与结合图4-1A至图4-1J描述的彼等相同的特征。在一些情况下，与单一光阻层相比，双掩模层(有时被称作双层抗蚀剂)可提供经改良蚀刻选择性或经改良图案化保真度。在一些实施例中，掩模层(例如，4-103、4-111)中的一者可包含例如由金属、氧化物、氮化物或半导体形成的所谓的“硬掩模”。
形成光学奈米结构1-135的示例方法可包含获得如图4-2A中所描绘的基板4-100。如上文结合图4-1A所提及，基板可包括经图案化结构。如上文所描述，第一材料层4-102可沈积或生长于基板4-100上。另外，第一抗蚀剂层4-103可沈积于第一材料层4-102上，如图4-2B中所描绘。第一抗蚀剂层4-103可为硬质材料而非聚合物。举例而言，第一抗蚀剂层4-103可包含氧化硅、氮化硅或钽以及其他可能材料，包括例如具有特定n(折射率)及k(消光系数)值的富硅氮化物材料，诸如富硅氮化物I及富硅氮化物II。根据一个示例，第一材料层4-102可为氮化硅且第一抗蚀剂层4-103可为氧化硅，但可使用其他材料组合。接着光阻层4-104(第二抗蚀剂层)可沈积于第一抗蚀剂层4-103上且使用光刻曝光及显影工艺来图案化，以产生图4-2C中所描绘的结构。使用经图案化的光阻层4-104作为第一蚀刻掩模，可在已移除光阻的区域中蚀刻第一抗蚀剂层4-103以将图案自光阻转印至第一抗蚀剂层4-103，如图4-2D中所描绘。在此蚀刻步骤期间及/或之后，可移除光阻层4-104。
使用第一抗蚀剂层4-103作为蚀刻掩模，可在已移除第一抗蚀剂层4-103的区域中蚀刻第一材料层4-102以在第一材料层4-102中形成空隙。蚀刻工艺保留如图4-2E中所描绘的材料区4-106。在一些情况下，剩余的第一抗蚀剂层4-103可自基板移除。在其他情况下，可将剩余的第一抗蚀剂层保留在如图4-2E中所说明的材料区4-106上。在一些情况下，第一抗蚀剂层可比第一材料层4-102及第二材料层4-108薄得多且未明显地影响光学奈米结构4-135的效能。在一些实施方案中，第一抗蚀剂层4-103可为与第二材料层4-108相同的材料。在蚀刻以形成材料区4-106之后，第二材料层4-108可沈积于材料区4-106上，如图4-2F中所描绘。第二材料层可填充材料区4-106之间的区域。在一些情况下，第二材料层4-108可例如经由CMP平坦化。图4-2F的结构可形成上文结合图1-3A至图1-3F所描述的单层光学奈米结构1-135。
视情况，可将一个或多个额外层添加至光学奈米结构中，产生例如图1-3B的配置。图4-2G至图4-2J描绘根据一些实施例的与用于形成第二奈米结构层的步骤相关的结构。可使用类似步骤形成额外层。举例而言，第三材料层4-110可沈积或生长于第二材料层4-108上，如图4-2G中所描绘。随后，第一抗蚀剂层4-111可沈积于第三材料层4-110上，且光阻层4-112可沈积于第一抗蚀剂层4-111上。可使用光刻曝光及显影工艺来图案化光阻层。光阻层4-112可提供蚀刻掩模以在已移除光阻的区域中蚀刻第一抗蚀剂层4-111，且第一抗蚀剂层可提供蚀刻掩模以蚀刻第三材料层4-110，如上文所描述及图4-2H中所描绘。可在蚀刻第三材料层4-110期间或之后移除残余光阻层4-112。蚀刻第三材料层4-110形成材料区4-114。第四材料层4-116可沈积于材料区4-114上且可填充材料区4-114之间之间隙，如图4-2I中所描绘。根据一些实施例，可平坦化第四材料层4-116，如图4-2J中所描绘。
图4-1H及图4-2H中的说明指示将第二材料区4-114形成于第一材料区4-106上方，使得第二材料区4-114的底部与第一材料区4-106的顶部竖直间隔，其中第二材料层4-108的均匀层在此等底部与顶部之间。然而，在一些实施方案中，在此等底部与顶部之间可能不存在空间。举例而言，第二材料层的平坦化步骤可移除高于第一材料区4-106的顶部的大部分或所有第二材料层4-108，使得第二材料区4-114的底部基本上处于与第一材料区4-106的顶部相同的高度。
III.示例生物分析应用
描述了一种示例生物分析应用，其中集成半导体可用于改良自先进分析仪器中所使用的抛弃式芯片上的反应室发射的辐射的检测。当安装于仪器的插座中时，抛弃式芯片可与先进分析仪器内的光学及电子设备进行光及电通信。仪器可包括用于外部接口的硬件，使得可将来自芯片的数据传达至外部网络。在实施例中，术语“光学”可指紫外、可见、近红外及短波长红外光谱带。尽管可对各种样本执行各种类型的分析，但以下解释描述基因定序。然而，本发明不限于被配置为用于基因定序的仪器。
总而言之且参考图5-1A，携带型先进分析仪器5-100可包含一个或多个脉冲式光学源5-108，其作为可替换模块安装于仪器5-100内或以其他方式耦合至仪器5-100。携带型分析仪器5-100可包括光学耦合系统5-115及分析系统5-160。光学耦合系统5-115可包括光学组件的某一组合(其可例如不包括以下组件中的任一者，包括以下组件中的一者或超过一个组件：透镜、反射镜、滤光器、衰减器、光束转向组件、光束成形组件)且被配置为对来自脉冲式光学源5-108的输出光学脉冲5-122进行操作及/或将其耦合至分析系统5-160。分析系统5-160可包括多个组件，其被布置为将光学脉冲导向至至少一个反应室以用于样本分析，自至少一个反应室接收一个或多个光学信号(例如，荧光、反向散射辐射)且产生表示所接收光学信号的一个或多个电信号。在一些实施例中，分析系统5-160可包括一个或多个光检测器且亦可包括被配置为处理来自光检测器的电信号的信号处理电子件(例如，一个或多个微控制器、一个或多个场可编程门阵列、一个或多个微处理器、一个或多个数字信号处理器、逻辑闸等)。分析系统5-160亦可包括数据传输硬件，其被配置为将数据传输至外部装置(例如，仪器5-100可经由一个或多个数据通信链路连接至的网络上的一个或多个外部装置)及自外部装置接收数据。在一些实施例中，分析系统5-160可被配置为接收固持一个或多个待分析的样本的生物光电芯片5-140。
图5-1B描绘了包括紧凑型脉冲式光学源5-108的携带型分析仪器5-100的另一详细示例。在此示例中，脉冲式光学源5-108包含紧凑型被动锁模激光模块5-110。被动锁模激光可在不施加外部脉冲信号的情况下自主地产生光学脉冲。在一些实施方案中，模块可安装至仪器底盘或框架5-102，且可位于仪器的外壳体内部。根据一些实施例，脉冲式光学源5-108可包括可用于操作光学源且对来自光学源5-108的输出光束进行操作的额外组件。锁模激光5-110可包含激光空腔中或耦合至激光空腔的组件(例如，可饱和吸收体、声光调变器、克尔透镜(Kerr lens))，其诱发激光纵向频率模式的相位锁定。激光空腔可部分地由空腔端镜5-111、5-119界定。频率模式的此类锁定引起激光的脉冲式操作(例如，腔内脉冲5-120在空腔端镜之间来回弹跳)，且自一个端镜5-111产生一串部分透射的输出光学脉冲5-122。
在一些情况下，分析仪器5-100被配置为接收可移除式经封装生物光电或光电芯片5-140(亦被称作”抛弃式芯片”)。抛弃式芯片可包括生物光电芯片3-110，如图4中所描绘，其例如包含多个反应室、被布置为将光学激发能量递送至反应室的集成光学组件及被布置为检测来自反应室的荧光发射的集成光检测器。在一些实施方案中，芯片5-140可在单次使用之后抛弃，而在其他实施方案中，芯片5-140可再使用两次或更多次。当由仪器5-100接收芯片5-140时，其可与脉冲式光学源5-108及与分析系统5-160中的设备进行电及光通信。举例而言，可经由芯片封装上的电接点进行电通信。
在一些实施例中且参考图5-1B，可将抛弃式芯片5-140安装(例如，经由插口连接)于电子电路板5-130，诸如可包括额外仪器电子件的印刷电路板(PCB)上。举例而言，PCB 5-130可包括被配置为向光电芯片5-140提供电功率、一个或多个频率信号及控制信号的电路，及被布置为接收表示自反应室检测的荧光发射的信号的信号处理电路。在一些实施方案中，自光电芯片返回的数据可部分或全部由仪器5-100上的电子件处理，尽管数据可经由网络连接传输至一个或多个远程数据处理器。PCB 5-130亦可包括被配置为自芯片接收回馈信号的电路，所述回馈信号与耦合至光电芯片5-140的波导中的光学脉冲5-122的光学耦合及功率位准相关。可将回馈信号提供至脉冲式光学源5-108及光学系统5-115中的一者或两者以控制光学脉冲5-122的输出光束的一个或多个参数。在一些情况下，PCB 5-130可将功率提供或路由至脉冲式光学源5-108以用于操作光学源及光学源5-108中的相关电路。
根据一些实施例，脉冲式光学源5-108包含紧凑型锁模激光模块5-110。锁模激光可包含增益介质5-105(其在一些实施例中可为固态材料)、输出耦合器5-111及激光空腔端镜5-119。锁模激光的光学空腔可受输出耦合器5-111及端镜5-119约束。激光空腔的光轴5-125可具有一个或多个折叠(匝)以增加激光空腔的长度且提供所要脉冲重复率。脉冲重复率由激光空腔的长度(例如，光学脉冲在激光空腔内往返的时间)确定。
在一些实施例中，激光空腔中可存在用于光束成形、波长选择及/或脉冲形成的额外光学组件(图5-1B中未展示)。在一些情况下，端镜5-119包含可饱和吸收镜(saturable-absorber mirror；SAM)，其诱发纵向空腔模式的被动模式锁定且引起锁模激光的脉冲式操作。锁模激光模块5-110可进一步包括用于激发增益介质5-105的泵源(例如激光二极管，图5-1B中未展示)。锁模激光模块5-110的其他细节可见于2017年12月15日申请的标题为”Compact Mode-Locked Laser Module”的美国专利申请案第15/844,469号中，该申请案以引用的方式并入本文中。
当激光5-110经锁模时，腔内脉冲5-120可在端镜5-119与输出耦合器5-111之间循环，且腔内脉冲的一部分可经由输出耦合器5-111传输作为输出脉冲5-122。因此，当腔内脉冲5-120在激光空腔中的输出耦合器5-111与端镜5-119之间来回弹跳时，可在输出耦合器处检测到如图5-2的曲线图中所描绘的一连串输出脉冲5-122。
图5-2描绘了输出脉冲5-122的时间强度曲线，但图标并非按比例绘制。在一些实施例中，所发射脉冲的峰强度值可大致相等，且曲线可具有高斯时间曲线，但诸如sech2曲线的其他曲线可为可能的。在一些情况下，脉冲可不具有对称时间曲线且可具有其他时间形状。各脉冲的持续时间的特征可为半峰全宽(full-width-half-maximum；FWHM)值，如图5-2中所指示。根据锁模激光的一些实施例，超短光学脉冲可具有小于100皮秒(ps)的FWHM值。在一些情况下，FWHM值可在大约5ps与大约30ps之间。
输出脉冲5-122可通过规则间隔T分离。举例而言，T可通过输出耦合器5-111与空腔端镜5-119之间的往返行进时间来确定。根据一些实施例，脉冲分离间隔T可在约1ns与约30ns之间。在一些情况下，脉冲分离间隔T可在约5ns与约20ns之间，对应于约0.7米与约3米之间的激光空腔长度(激光空腔内的光轴5-125的大致长度)。在实施例中，脉冲分离间隔对应于激光空腔中的往返行进时间，使得3米的空腔长度(6米的往返距离)提供大约20ns的脉冲分离间隔T。
根据一些实施例，所要脉冲分离间隔T及激光空腔长度可通过芯片5-140上的反应室数目、荧光发射特征及用于自光电芯片5-140读取数据的数据处理电路的速度的组合来确定。在实施例中，不同荧光团可通过其不同荧光衰变速率或特征寿命加以区分。因此，需要存在足够的脉冲分离间隔T以收集所选荧光团的适当统计资料来区分其不同衰变速率。另外，若脉冲分离间隔T太短，则数据处理电路无法跟上正由大量反应室收集的大量资料。介于约5ns与约20ns之间的脉冲分离间隔T适合于具有至多约2ns的衰变速率的荧光团且适合于处理来自约60,000与10,000,000个反应室之间的数据。
根据一些实施方案，光束转向模块5-150可自脉冲式光学源5-108接收输出脉冲，且被配置为至少调整光学脉冲在光电芯片5-140的光学耦合器(例如，光栅耦合器)上的位置及入射角。在一些情况下，来自脉冲式光学源5-108的输出脉冲5-122可由光束转向模块5-150操作以另外地或替代地改变光电芯片5-140上的光学耦合器处的光束形状及/或光束旋转。在一些实施方案中，光束转向模块5-150可进一步将输出脉冲的光束的聚焦及/或偏振调整提供至光学耦合器上。光束转向模块的一个示例描述于2016年5月20日申请的标题为”Pulsed Laser and Bioanalytic System”的美国专利申请15/161,088号中，该申请案以引用的方式并入本文中。光束转向模块的另一示例描述于2016年12月16日申请且标题为”Compact Beam Shaping and Steering Assembly”的独立美国专利申请62/435,679号中，该申请以引用的方式并入本文中。
举例而言，参考图5-3，可将来自脉冲式光学源的输出脉冲5-122耦合至生物光电芯片5-140上的一个或多个光波导5-312中。在一些实施例中，光学脉冲可经由光栅耦合器5-310耦合至一个或多个波导，但在一些实施例中可使用与光电芯片上的一个或多个光波导的末端的耦合。根据一些实施例，四边形检测器5-320可位于半导体基板5-305(例如，硅基板)上，以用于辅助将光学脉冲5-122的光束对准至光栅耦合器5-310。一个或多个波导5-312及一个或多个反应室5-330可与基板、波导、反应室与光检测器5-322之间的中间介电层(例如，二氧化硅层)一起集成于相同半导体基板上。
各波导5-312可包括反应室5-330下方的楔形部分5-315，以使沿波导耦合至反应室的光功率相等。减小楔形可迫使更多光能在波导的核心外部，从而增大与反应室的耦合及对沿波导的光学损失(包括耦合至反应室中的光损失)的补偿。第二光栅耦合器5-317可位于各波导的末端以将光能导向至集成光电二极管5-324。举例而言，集成光电二极管可检测一定量的沿波导向下耦合的功率且将所检测信号提供至控制光束转向模块5-150的回馈电路。
反应室5-330或反应室5-330可与波导的楔形部分5-315对准且将其凹入于槽5-340中。可存在位于半导体基板5-305上的用于各反应室5-330的光检测器5-322。在一些实施例中，半导体吸收体(在图5-5中展示为光学滤光器5-530)可位于各像素处的波导与光检测器5-322之间。可在反应室周围及波导上方形成金属涂层及/或多层涂层5-350，以防止并不处于反应室中(例如，分散于反应室上方的溶液中)的荧光团的光学激发。金属涂层及/或多层涂层5-350可升高超出槽5-340的边缘，以减小波导5-312中的光能在各波导的输入及输出端处的吸收性损失。
在光电芯片5-140上可存在多行波导、反应室及时间分格光检测器。举例而言，在一些实施方案中，对于总共65,536个反应室而言，可存在128行，各自具有512个反应室。其他实施方案可包括更少或更多反应室，且可包括其他布局构造。来自脉冲式光学源5-108的光功率可经由一个或多个星型耦合器或多模干涉耦合器，或通过位于芯片5-140的光学耦合器5-310与多个波导5-312之间的任何其他构件分布至多个波导。
图5-4说明自波导的楔形部分5-315内的光学脉冲5-122至反应室5-330的光能耦合。图式已由光学波的电磁场模拟产生，其考虑波导尺寸、反应室尺寸、不同材料的光学特性及波导5-315的楔形部分距反应室5-330的距离。举例而言，波导可由二氧化硅的周围介质5-410中的氮化硅形成。波导、周围介质及反应室可通过2015年8月7日申请的标题为”Integrated Device for Probing,Detecting and Analyzing Molecules”的美国专利申请案第14/821,688号中所描述的微型制造工艺来形成。根据一些实施例，瞬逝光场5-420将由波导传输的光能耦合至反应室5-330。
图5-5中描绘反应室5-330中发生的生物反应的非限制性示例。示例描绘将核苷酸或核苷酸类似物依序并入至与目标核酸互补的生长股中。依序并入可在反应室5-330中发生，且可通过先进分析仪器来检测以定序DNA。反应室可具有约150nm与约250nm之间的深度及约80nm与约160nm之间的直径。金属化层5-540(例如，用于电参考电势的金属化)可在光检测器5-322上方图案化以提供抑制了来自邻近反应室及其他非想要光源的杂散辐射的光圈或膜片。根据一些实施例，聚合酶5-520可位于反应室5-330内(例如，连接至室的基底)。聚合酶可溶解目标核酸5-510(例如，衍生自DNA的一部分核酸)，且定序互补核酸的生长股以产生DNA生长股5-512。可将用不同荧光团标记的核苷酸或核苷酸类似物分散于反应室上方的溶液中及反应室内。
如图5-6中所描绘，当将经标记的核苷酸或核苷酸类似物5-610并入至互补核酸生长股中时，一个或多个连接荧光团5-630可通过自波导5-315耦合至反应室5-330中的光能脉冲重复激发。在一些实施例中，一个或多个荧光团5-630可用任何适合的连接符5-620连接至一个或多个核苷酸或核苷酸类似物5-610。并入事件可持续至多约100ms的一段时间。在此时间期间，例如可用时间分格光检测器5-322检测由通过来自锁模激光的脉冲激发荧光团而产生的荧光发射脉冲。在一些实施例中，在各像素处可存在一个或多个用于信号处理(例如，放大、读出、路由、信号预处理等)的额外集成电子装置5-323。根据一些实施例，各像素可包括至少一个传递荧光发射且减少来自激发脉冲的辐射透射的光学滤光器5-530(例如，半导体吸收体)。一些实施方案可不使用光学滤光器5-530。通过将具有不同发射特征(例如，荧光衰变速率、强度、荧光波长)的荧光团连接至不同核苷酸(A、C、G、T)，在DNA股5-512并有核酸且能够确定DNA生长股的基因序列时检测且区分不同发射特征。
根据一些实施例，被配置为基于荧光发射特征分析样本的先进分析仪器5-100可检测不同荧光分子之间的荧光寿命及/或强度的差异，及/或不同环境中的相同荧光分子的寿命及/或强度之间的差异。藉助于解释，图5-7绘制两种不同荧光发射概率曲线(A及B)，其可表示例如来自两种不同荧光分子的荧光发射。参考曲线A(虚线)，在由短或超短光学脉冲激发之后，来自第一分子的荧光发射的概率pA(t)可如所描绘随时间而衰变。在一些情况下，正发射的光子的概率随时间的降低可由指数衰变函数
Figure BDA0003500256380000301
表示，其中PAo为初始发射概率且τ1为与表征发射衰变概率的第一荧光分子相关的时间参数。τ1可被称作第一荧光分子的“荧光寿命”、“发射寿命”或“寿命”。在一些情况下，可通过荧光分子的局部环境更改τ1值。其他荧光分子可具有与曲线A中所展示的发射特征不同的发射特征。举例而言，另一荧光分子可具有与单一指数衰变不同的衰变曲线，且其寿命的特征可为半衰期值或一些其他度量值。
第二荧光分子可具有指数的衰变曲线pB(t)，但具有可量测的不同寿命τ2，如图5-7中的曲线B所描绘。在所展示的示例中，曲线B的第二荧光分子的寿命比曲线A的寿命短，且在激发第二分子之后愈早，发射概率pB(t)比曲线A的发射概率愈高。在一些实施例中，不同荧光分子可具有范围介于约0.1ns至约20ns的寿命或半衰期值。
荧光发射寿命的差异可用于在不同荧光分子的存在或不存在之间进行辨别及/或用于在荧光分子所经受的不同环境或条件之间进行辨别。在一些情况下，基于寿命(而非例如发射波长)辨别荧光分子可简化分析仪器5-100的态样。作为一示例，当基于寿命辨别荧光分子时，可在数目方面减少波长鉴别光学件(诸如波长滤光器、各波长的专用检测器、不同波长下的专用脉冲式光学源及/或衍射光学件)或除去所述波长鉴别光学件。在一些情况下，在单一特征波长下操作的单一脉冲式光学源可用于激发不同荧光分子，所述荧光分子在光谱的相同波长范围内发射但具有可量测的不同寿命。使用单一脉冲式光学源而非在不同波长下操作的多个源以激发及辨别在相同波长范围中发射的不同荧光分子的分析系统可能操作及维持不太复杂，更紧凑且可以较低成本制造。
尽管基于荧光寿命分析的分析系统可具有某些益处，但由分析系统获得的信息量及/或检测准确度可通过允许额外检测技术而增大。举例而言，一些生物分析系统5-160可另外被配置为基于荧光波长及/或荧光强度辨别样本的一个或多个特性。
再次参考图5-7，根据一些实施例，可用被配置为在激发荧光分子之后时间分格荧光发射事件的光检测器区分不同荧光寿命。时间分格可发生在光检测器的单一电荷积聚循环期间。电荷积聚循环为读出事件之间之间隔，在此读出事件期间，将光生载流子(photo-generated carrier)积聚于时间分格光检测器的分格中。由对发射事件的时间分格来确定荧光寿命的概念以图形方式被引入图5-8中。当时间te仅在t1的前时，由短或超短光学脉冲激发荧光分子或相同类型(例如，对应于图5-7的曲线B的类型)的荧光分子集。针对较大分子集，发射强度可具有类似于曲线B的时间曲线，如图5-8中所描绘。
然而，针对单分子或少数分子，对于此示例，荧光光子的发射根据图5-7中的曲线B的统计数据发生。时间分格光检测器5-322可将由发射事件产生的载流子积聚至离散时间分格中。图5-8中指示三个分格，但在实施例中可使用更少分格或更多分格。相对于荧光分子的激发时间te在时间上解析所述分格。举例而言，第一分格可积聚在时间t1与t2之间的间隔期间产生的载流子，其在时间te的激发事件之后发生。第二分格可积聚在时间t2与t3之间的间隔期间产生的载流子，且第三分格可积聚在时间t3与t4之间的间隔期间产生的载流子。当加总大量发射事件时，时间分格中积聚的载流子可接近图5-8中所展示的衰变强度曲线，且经分格信号可用于区分不同荧光分子或荧光分子所位于的不同环境。
时间分格光检测器5-322的示例描述于2015年8月7日申请的标题为”IntegratedDevice for Temporal Binning of Received Photons”的美国专利申请案第14/821,656号中且描述于2017年12月22日申请的标题为”Integrated Photodetector with DirectBinning Pixel”的美国专利申请案第15/852,571号中，所述申请案皆以全文引用的方式并入本文中。出于解释目的，在图5-9中描绘时间分格光检测器的非限制性实施例。单一时间分格光检测器5-322可包含光子吸收/载流子产生区域5-902、载流子排放通道5-906及全部形成于半导体基板上的多个载流子储存分格5-908a、5-908b。载流子传输通道5-907可在光子吸收/载流子产生区域5-902与载流子储存分格5-908a、5-908b之间连接。在所说明示例中，展示两个载流子储存分格，但可存在更多或更少。可存在连接至载流子储存分格的读出通道5-910。光子吸收/载流子产生区域5-902、载流子排放通道5-906、载流子储存分格5-908a、5-908b及读出通道5-910可通过局部掺杂半导体及/或形成相邻绝缘区域来形成，以提供载流子的光检测能力、限制及传输。时间分格光检测器5-322亦可包括多个形成于基板上的电极5-920、5-921、5-922、5-923、5-924，所述电极被配置为在装置中产生电场以用于经由装置传输载流子。
在操作中，将来自脉冲式光学源5-108(例如，锁模激光)的激发脉冲5-122的一部分递送至时间分格光检测器5-322上方的反应室5-330。最初，一些激发辐射光子5-901可到达光子吸收/载流子产生区域5-902且产生载流子(展示为亮阴影圆)。亦可存在与激发辐射光子5-901一起到达且产生对应载流子(展示为暗阴影圆)的一些荧光发射光子5-903。最初，由激发辐射产生的载流子的数目与由荧光发射产生的载流子的数目相比可过大。时间间隔|te-t1|期间产生的初始载流子可通过例如用第一电极5-920将其闸控至载流子排放通道5-906中来抑制。
稍后，大部分荧光发射光子5-903到达光子吸收/载流子产生区域5-902且产生载流子(指示暗阴影圆)，所述载流子提供表示来自反应室5-330的荧光发射的有用及可检测信号。根据一些检测方法，稍后可以闸控第二电极5-921及第三电极5-923以将稍后(例如，在第二时间间隔|t1-t2|期间)产生的载流子导向至第一载流子储存分格5-908a。随后，稍后(例如，在第三时间间隔|t2-t3|期间)可闸控第四电极5-922及第五电极5-924，以将载流子导向至第二载流子储存分格5-908b。对于大量激发脉冲，可在激发脉冲之后以此方式继续电荷积聚，以在各载流子储存分格5-908a、5-908b中积聚可观数目的载流子及信号位准。稍后，可从分格读出信号。在一些实施方案中，对应于各储存分格的时间间隔以亚奈秒时间标度为单位，但在一些实施例中(例如，在荧光团具有更长衰变时间的实施例中)可使用更长时间标度。
在激发事件(例如，来自脉冲式光学源的激发脉冲)之后产生且时间分格载流子的过程可在单一激发脉冲之后发生一次或在多个激发脉冲之后在时间分格光检测器5-322的单一电荷积聚循环期间重复多次。在完成电荷积聚之后，载流子可经由读出通道5-910读出储存分格。举例而言，可将适当偏压序列施加至电极5-923、5-924且至少施加至电极5-940，以将载流子自储存分格5-908a、5-908b移除。电荷积聚及读出工艺可在光电芯片5-140上的大规模平行操作中发生，从而产生数据框。
尽管结合图5-9所描述的示例包括多个电荷储存分格5-908a、5-908b，但在一些情况下可实际上使用单一电荷储存分格。举例而言，仅分格1可存在于时间分格光检测器5-322中。在此情况下，可以以可变的时间闸控方式操作单一储存分格5-908a，以在不同激发事件之后查看不同时间间隔。举例而言，在第一系列激发脉冲中的脉冲之后，可闸控用于储存分格5-908a的电极，以收集在第一时间间隔期间(例如，在第二时间间隔|t1-t2|期间)产生的载流子，且可在第一预定数目个脉冲之后读出经积聚信号。在处于相同反应室之后续系列激发脉冲中的脉冲之后，可闸控用于储存分格5-908a的相同电极，以收集在不同间隔期间(例如，在第三时间间隔|t2-t3|期间)产生的载流子，且可在第二预定数目个脉冲之后读出经积聚信号。若需要，则可在后续时间间隔期间以类似方式收集载流子。以此方式，可使用单一载流子储存分格来产生对应于在激发脉冲到达反应室之后不同时间段期间的荧光发射的信号位准。
不管针对激发之后的不同时间间隔进行电荷积聚的方式如何，所读出的信号可提供表示例如荧光发射衰变特征的分格的直方图。在图5-10A及图5-10B中说明示例工艺，其中两个电荷储存分格用于从反应室获取荧光发射。直方图的分格可指示在激发反应室5-330中的荧光团之后的各时间间隔期间所检测到的光子的数目。在一些实施例中，将在大量激发脉冲之后积聚用于分格的信号，如图5-10A中所描绘。激发脉冲可在由脉冲间隔时间T分离的时间te1、te2、te3、…、teN发生。在一些情况下，针对在反应室中所观测到的单一事件(例如，DNA分析中的单一核苷酸并入事件)，在电子储存分格中的信号积聚期间可存在施加至反应室的介于105与107个之间的激发脉冲5-122(或其部分)。在一些实施例中，一个分格(分格0)可被配置为检测利用各光学脉冲递送的激发能量的振幅，且可用作参考信号(例如，以使数据标准化)。在其他情况下，激发脉冲振幅可为稳定的，在信号获取期间确定一或多次，且不会在各激发脉冲之后确定，使得各激发脉冲之后不存在分格0信号获取。在此类情况下，由激发脉冲产生的载流子可经抑制且自如上文结合图5-9所描述的光子吸收/载流子产生区域5-902转储。
在一些实施方案中，可在激发事件之后从荧光团发射仅单一光子，如图5-10A中所描绘。在时间te1的第一激发事件之后，时间tf1的发射光子可在第一时间间隔内(例如，在时间t1与t2之间)出现，使得所得电子信号积聚于第一电子储存分格中(促成分格1)。在时间te2之后续激发事件中，时间tf2的发射光子可在第二时间间隔内(例如，在时间t2与t3之间)出现，使得所得电子信号促成分格2。在时间te3的下一激发事件之后，光子可在第一时间间隔内出现的时间tf3发射。
在一些实施方案中，在反应室5-330处接收的各激发脉冲之后发射及/或检测到的荧光光子可不存在。在一些情况下，对于递送至反应室的每10,000个激发脉冲，可存在于反应室处检测到的少至一个荧光光子。将锁模激光5-110实施为脉冲式激发源5-108的一个优点在于锁模激光可以高脉冲重复率(例如，介于50MHz与250MHz之间)产生具有高强度及快速断开时间的短光学脉冲。在此等高脉冲重复率的情况下，10毫秒电荷积聚间隔内的激发脉冲的数目可为50,000至250,000，使得可积聚可检测信号。
在大量激发事件及载流子积聚之后，可读出时间分格光检测器5-322的载流子储存分格以向反应室提供多值信号(例如，两个或更多个值的直方图、N维向量等)。各分格的信号值可视荧光团的衰变速率而定。举例而言且再次参考图5-8，具有衰变曲线B的荧光团在分格1至分格2中的信号比将比具有衰变曲线A的荧光团高。可分析来自分格的值且将其与校准值及/或彼此进行比较，以确定存在的特定荧光团。对于定序应用，鉴别荧光团可确定并入至例如DNA生长股中的核苷酸或核苷酸类似物。对于其他应用，鉴别荧光团可确定所关注的分子或试样的一致性，该所关注的分子或试样可连接至荧光团。
为进一步帮助理解信号分析，可将所积聚的多分格值绘制为例如如图5-10B中所描绘的直方图，或可将其记录为N维空间中的向量或位置。可单独地执行校准回合以获取连接至四种核苷酸或核苷酸类似物的四个不同荧光团的多值信号的校准值(例如，校准直方图)。作为一示例，可如图5-11A(与T核苷酸相关的荧光标记)、图5-11B(与A核苷酸相关的荧光标记)、图5-11C(与C核苷酸相关的荧光标记)及图5-11D(与G核苷酸相关的荧光标记)中所描绘呈现校准直方图。经量测多值信号(对应于图5-10B的直方图)与校准多值信号的比较可确定并入至DNA生长股中的核苷酸或核苷酸类似物的一致性“T”(图5-11A)。
在一些实施方案中，可另外或可替代地使用荧光强度以区分不同荧光团。举例而言，一些荧光团可以显著不同强度发射，或即使其衰变速率可为类似的，但其激发概率可具有显著差异(例如，至少约35％的差异)。通过将经分格信号(分格5-3)与经量测激发能量及/或其他所获取信号进行参考，可以基于强度位准来区分不同荧光团。
在一些实施例中，可将不同数目个相同类型的荧光团连接至不同核苷酸或核苷酸类似物，使得可基于荧光团强度鉴别核苷酸。举例而言，可将两种荧光团连接至第一核苷酸(例如“C”)或核苷酸类似物，且可将四种或更多种荧光团连接至第二核苷酸(例如“T”)或核苷酸类似物。由于不同数目个荧光团，可存在与不同核苷酸相关的不同激发及荧光团发射概率。举例而言，在信号积聚间隔期间可存在“T”核苷酸或核苷酸类似物的更多发射事件，使得分格的表观强度显著高于“C”核苷酸或核苷酸类似物。
基于荧光团衰变速率及/或荧光团强度区分核苷酸或任何其他生物或化学试样使得能够简化分析仪器5-100中的光学激发及检测系统。举例而言，可用单一波长源(例如，产生一种特征波长的来源而非多个来源或在多个不同特征波长下操作的来源)执行光学激发。另外，在检测系统中可能不需要波长辨别光学件及滤光器来区分不同波长的荧光团。此外，单一光检测器可用于各反应室以检测来自不同荧光团的发射。
词组“特征波长”或“波长”用于指辐射的有限带宽内的中心或主要波长(例如，由脉冲式光学源输出的20nm带宽内的中心或峰值波长)。在一些情况下，“特征波长”或“波长”可用于指通过来源输出的总辐射带宽内的峰值波长。
发射波长在约560nm与约900nm之间的范围内的荧光团可提供足够量的荧光以便通过时间分格光检测器(其可在硅晶圆上使用CMOS工艺来制造)检测。可将此等荧光团连接至所关注的生物分子，诸如用于基因定序应用的核苷酸或核苷酸类似物。可在基于硅的光检测器中用比更长波长下的荧光更高的响应度检测此波长范围中的荧光发射。另外，此波长范围中的荧光团及相关连接符可不干涉核苷酸或核苷酸类似物并入至DNA生长股中。在一些实施方案中，发射波长在约560nm与约660nm之间的范围内的荧光团可由单一波长源来光学激发。此范围中的示例荧光团为Alexa Fluor 647，其可购自Waltham,Massachusetts的Thermo Fisher Scientific Inc.。较短波长(例如，介于约500nm与约650nm之间)下的激发能量可用于激发在约560nm与约900nm之间的波长下发射的荧光团。在一些实施例中，时间分格光检测器可例如由将其他材料(诸如Ge)并入至光检测器活性区域中来有效检测来自反应室的更长波长发射。
IV.结论
因此在已描述用于先进分析系统5-100的系统架构的若干实施例的若干态样的情况下，应了解，各种更改、修改及改良对于熟习此项技术者而言将容易发生。此等更改、修改及改良意欲为本发明的一部分，且意欲在本发明的精神及范畴内。虽然本教示内容已结合各种实施例及示例进行描述，但并不意欲本教示内容限于此等实施例或示例。相反，如熟习此项技术者将了解，本教示内容涵盖各种替代方案、修改及等效物。
虽然已描述且说明各种发明性实施例，但一般熟习此项技术者将易于设想用于执行功能及/或获得结果及/或所描述的优点中的一或多者的各种其他构件及/或结构，且将此等变量及/或修改中的每一者视为在所描述的发明性实施例的范畴内。更一般而言，熟习此项技术者将易于了解，所描述的所有参数、尺寸、材料及构造意谓为示例且实际参数、尺寸、材料及/或构造将取决于使用发明性教示内容的一个或多个特定应用。熟习此项技术者将认识到或能够仅使用常规实验便确定所描述的特定发明性实施例的许多等效物。因此，应理解前述实施例仅藉助于示例来呈现且在随附申请专利范围及其等效物的范畴内，发明性实施例可以不同于特定描述及主张的其他方式来实践。本发明的发明性实施例可涉及所描述的各单独特征、系统、系统升级及/或方法。另外，若此等特征、系统、系统升级及/或方法并不相互矛盾，则两个或更多个此等特征、系统及/或方法的任何组合包括于本发明的发明性范畴内。
此外，尽管可指示本发明的一些优点，但应了解并非本发明的每一实施例皆将包括每一所描述优点。一些实施例可能不实施描述为有利的任何特征。因此，前述描述及图式仅藉助于示例。
本申请案中所引用的所有文献及类似材料，包括(但不限于)专利、专利申请案、文章、书籍、论文及网页，皆以全文引用的方式明确地并入，不管此等文献及类似材料的格式如何。在所并入文献及类似材料中的一或多者与本申请案(包括(但不限于)所定义的术语、术语用法、所描述的技术或其类似者)不同或矛盾的情况下，以本申请案为准。
所使用的章节标题仅出于组织目的且不应解释为以任何方式限制所描述的目标物。
此外，所描述的技术可实施为一种方法，其已提供至少一个示例。作为方法的部分执行的动作可以任何适合的方式排序。因此，可建构如下实施例：其中以不同于所说明的次序执行动作，其可包括同时执行一些动作，即使此等动作在说明性实施例中展示为连续动作。
如所定义及所使用的所有定义应理解为控制在辞典定义、以引用的方式并入的文献中的定义及/或所定义术语的普通含义内。
数值及范围可在说明书及申请专利范围中描述为近似或准确的值或范围。举例而言，在一些情况下，关于值可使用术语”约”、”大约”及”实质上”。此类参考意欲涵盖参考值以及加上及减去该值的合理偏差。举例而言，词组”介于约10与约20之间”在一些实施例中意欲意谓”介于准确10与准确20之间”，以及在一些实施例中意欲意谓”介于10±δ1与20±δ2之间”。值的变量δ1、δ2的量可在一些实施例中小于值的5％，在一些实施例中小于值的10％且又在一些实施例中小于值的20％。在给定较大值范围(例如，包括两个或更多个数量级的范围)的实施例中，值的变量δ1、δ2的量可高达50％。举例而言，若可操作范围自2延伸至200，则”大约80”可涵盖介于40与120之间的值，且范围可大至介于1与300之间。在需要准确值时，使用术语”准确”，例如”介于准确2与准确200之间”。
术语”邻近”可系指紧密接近彼此配置(例如，在小于约两个组件中的较大者的横向或竖直尺寸的五分的一的距离内)的两个组件。在一些情况下，邻近组件之间可存在中间结构或层。在一些情况下，邻近组件可在无中间结构或组件的情况下紧邻彼此。
除非明确相反指示，否则如本说明书及申请专利范围中所使用的不定冠词”一(a/an)”应理解为意谓”至少一个”。
如本说明书及申请专利范围中所使用的词组”及/或”应理解为意谓如此结合的组件中的”任一者或两者”，亦即，在一些情况下结合地存在且在其他情况下未结合地存在的组件。使用”及/或”列出的多个组件应以相同方式进行解释，亦即，如此结合的组件中的”一者或多者”。可视情况存在除通过”及/或”条项特定鉴别的组件以外的其他组件，无论与特定鉴别的彼等组件相关抑或无关。因此，作为一非限制性示例，参考”A及/或B”在与诸如”包含”的开放式语言结合使用时，可在一个实施例中仅指A(视情况包括除B以外的组件)；在另一实施例中仅指B(视情况包括除A以外的组件)；在又一实施例中指A及B两者(视情况包括其他组件)；等。
如本说明书及申请专利范围中所使用，”或”应理解为具有与如上文所定义的”及/或”相同的含义。举例而言，当分离列表中的项目时，”或”或”及/或”应解释为包括性的，亦即，包括多个或一系列组件中的至少一者(但亦包括多于一者)及视情况额外未列出项目。仅明确指示相反的术语，诸如”中的仅一者”或”中的恰好一者”或(当用于申请专利范围中时)“由…组成”将系指包括多个或一系列组件中的恰好一个组件。一般而言，当置于排他性术语，诸如”任一者”、”中的一者”、”中的仅一者”或”中的恰好一者”的前时，如所使用的术语”或”应仅解释为指示排他性替代方式(亦即，”一者或另一者，但非两者”)。当用于申请专利范围中时，”基本上由…组成”应具有如其在专利法律领域中所使用的普通含义。
如本说明书及申请专利范围中所使用，关于一个或多个组件的列表的词组”至少一个”应理解为意谓选自组件列表中的组件中的任一者或多者的至少一个组件，但未必包括组件列表内特定列出的各组件及每个组件中的至少一者，且不排除组件列表中的组件的任何组合。此定义亦允许可视情况存在除词组”至少一个”所指的组件列表内特定鉴别的组件以外的组件，不论与特定鉴别的彼等组件相关抑或不相关。因此，作为一非限制性示例，”A及B中的至少一者”(或等效地”A或B中的至少一者”或等效地”A及/或B中的至少一者”)可在一个实施例中指至少一个(视情况包括超过一个)A而不存在B(且视情况包括除B以外的组件)；在另一实施例中指至少一个(视情况包括超过一个)B而不存在A(且视情况包括除A以外的组件)；在又一实施例中指至少一个(视情况包括超过一个)A及至少一个(视情况包括超过一个)B(且视情况包括其他组件)；等。
在申请专利范围中以及在上述说明书中，诸如”包含”、”包括”、”携带”、”具有”、”含有”、”涉及”、”拥有”、”由…构成”及其类似者的所有过渡性词组应理解为开放式的，亦即，意谓包括但不限于。仅过渡性词组”由…组成”及”基本上由…组成”分别应为封闭式或半封闭式过渡性词组。
除非陈述为彼效果，否则申请专利范围不应读作限于所描述的次序或组件。应理解，一般熟习此项技术者可在不脱离随附申请专利范围的精神及范畴的情况下作出形式及细节中的各种变化。主张出现在以下申请专利范围及其等效物的精神及范畴内的所有实施例。

Claims (30)

1.一种集成装置，其包含：
基板，其具有第一表面；以及
形成于所述基板上的多个像素，所述多个像素中的至少一些包含：
反应室，其被配置为接收样本；
传感器，其被配置为检测从反应室发射的发射辐射；
波导，其被配置为将激发辐射耦合至反应室；以及
光学奈米结构，其设置于所述波导与所述传感器之间，其中所述光学奈米结构被图案化为包括实质上平行于所述基板的第一表面的平面中的结构变化并且抑制在实质上垂直于所述第一表面的方向上入射于光学奈米结构上的所述激发辐射的至少一部分。
2.根据权利要求1所述的集成装置，其中所述结构变化至少在所述平面的一个维度中为周期性或准周期性的。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的集成装置，其中所述光学奈米结构展现光子带隙。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的集成装置，其中所述结构变化在所述平面的两个维度中为周期性或准周期性的。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的集成装置，其中所述结构变化展现150nm与500nm之间的周期性。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的集成装置，其中所述光学奈米结构在所述结构变化内不具有缺失或显著不同的周期性组件。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的集成装置，其中所述光学奈米结构包含具有第一折射率的介电材料的第一多个离散区。
8.根据权利要求7所述的集成装置，其中所述介电材料的第一多个离散区在所述平面中展现100nm与300nm之间的宽度。
9.根据权利要求7或权利要求8所述的集成装置，其中所述光学奈米结构包含所述介电材料的第二多个离散区，所述介电材料的第一离散区和第二离散区沿垂直于所述基板的第一表面的方向彼此隔开。
10.根据权利要求9所述的集成装置，其中介电材料的第一离散区和第二离散区沿平行于所述平面的方向彼此交错。
11.根据权利要求7至10中任一项所述的集成装置，其中所述介电材料的第一多个离散区由具有不同于第一折射率的第二折射率的材料的区域分离。
12.根据权利要求7至11中任一项所述的集成装置，其中所述介电材料的第一多个离散区在垂直于所述平面的方向上延伸。
13.根据权利要求12所述的集成装置，其中所述介电材料的第一多个离散区沿垂直于所述基板的第一表面的方向展现100nm与300nm之间的高度。
14.根据权利要求1至13中任一项所述的集成装置，还包含设置于所述反应室与所述传感器之间的膜片。
15.根据权利要求1至14中任一项所述的集成装置，还包含设置于所述反应室与所述传感器之间的光学组件，所述光学组件增大了所述发射辐射到所述传感器上的聚集。
16.根据权利要求15所述的集成装置，其中所述光学组件包含介电材料的圆盘，该介电材料对于相同波长的发射辐射具有第一折射率，其与围绕所述圆盘的材料的第二折射率不同。
17.一种操作集成装置的方法，所述方法包含：
由在基板上形成的波导将激发辐射耦合至邻近所述波导形成的反应室，所述激发辐射具有第一波长；
使来自所述反应室的发射辐射穿过光学奈米结构至传感器，其中所述光学奈米结构被图案化为包括在实质上平行于所述基板的第一表面的平面中的结构变化，并且其中所述发射辐射具有不同于所述第一波长的第二波长并且响应于由所述激发辐射对所述反应室中的至少一个发射极的激发而产生；以及
使用所述光学奈米结构抑制所述激发辐射的至少一部分。
18.根据权利要求17所述的方法，还包含使用基板上形成的传感器检测穿过所述光学奈米结构的所述发射辐射的至少一部分。
19.根据权利要求17或权利要求18所述的方法，其中抑制所述激发辐射的一部分包括：致使所述激发辐射的所述一部分从所述光学奈米结构反射。
20.根据权利要求17至19中任一项所述的方法，其中所述第一波长在光学奈米结构的光子带隙内。
21.根据权利要求20所述的方法，其中所述第二波长在光学奈米结构的光子带隙外部。
22.根据权利要求17至21中任一项所述的方法，其中所述结构变化在所述平面的至少一个维度中为周期性或准周期性的。
23.根据权利要求17至22中任一项所述的方法，其中所述结构变化在所述平面的两个维度中为周期性或准周期性的。
24.根据权利要求17至23中任一项所述的方法，还包含使来自所述反应室的发射辐射穿过膜片。
25.根据权利要求24所述的方法，还包含使用所述膜片抑制该激发辐射。
26.根据权利要求17至25中任一项所述的方法，还包含使用位于反应室与光学奈米结构之间的介电圆盘聚集所述发射辐射。
27.一种用于制造集成装置的方法，所述方法包含：
在具有第一表面的基板上形成多个像素，使得所述多个像素中的至少一些包含反应室及传感器；
在所述多个像素中的至少一些中形成波导；以及
在所述波导与所述传感器之间在所述多个像素中的至少一些中形成光学奈米结构，其中形成所述光学奈米结构包含：
将第一介电材料图案化以包括在实质上平行于所述基板的第一表面的平面中的结构变化。
28.根据权利要求27所述的方法，其中将第一介电材料图案化包含：在所述第一介电材料中形成周期性或准周期性图案。
29.根据权利要求27或权利要求28所述的方法，其中将第一介电材料图案化以包括结构变化包含：蚀刻第一介电材料以在所述第一介电材料中形成空隙。
30.根据权利要求29所述的方法，还包含使用不同于第一介电材料的第二介电材料填充所述空隙。
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