CN114902419A - 具有增强型漏极的像素 - Google Patents

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Abstract

一些实施例涉及一种集成电路，包括：像素，其包括：光电探测区域；以及漏极，其被配置为丢弃该光电探测区域外的像素的半导体区域内的电荷载流子。一些实施例涉及一种集成电路，包括：像素，其包括：光电探测区域；以及漏极，其被配置为丢弃来自该光电探测区域的电荷载流子，其中漏极包括半导体区域，并且该半导体区域通过金属触点来接触。一些实施例涉及一种集成电路，包括：像素，其包括：光电探测区域；以及漏极，其被配置为丢弃来自该光电探测区域的电荷载流子，其中该漏极包括半导体区域，其中通过不包括多晶硅电极的导电路径形成到该半导体区域的电接触。

Description

具有增强型漏极的像素
相关申请
本申请根据35 U.S.C.§119(e)主张2019年10月31日提交的序列号为62/928,596的美国临时申请的提交日期的优先权益，该申请的内容通过引用整体并入本文。
背景技术
光电探测器用于在各种应用中探测光。已开发出可产生指示入射光强度的电信号的集成光电探测器。用于成像应用的集成光电探测器包括像素阵列，用于探测从整个场景接收到的光强度。集成光电探测器的示例包括电荷耦合器件(CCD)和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，包括：像素，其包括：光电探测区域；以及漏极，其被配置为丢弃所述光电探测区域外的所述像素的半导体区域内的电荷载流子。
所述漏极可以被配置为使得当所述漏极被偏置在所述像素的操作电压范围内的电压时，所述漏极不从所述光电探测区域提取电荷载流子。
所述漏极可以维持在固定电压。
所述漏极的电压可以是可变的。
所述漏极可以包括半导体区域。
所述集成电路还可以包括接触所述半导体区域的导电触点。
所述导电触点可以是金属插塞。
在平面图中，所述导电触点可以不延伸到所述漏极的区域之外。
所述半导体区域可以是掺杂的。
所述半导体区域可以是n型掺杂的。
所述集成电路还可以包括位于n型掺杂的所述半导体区域下方的p型掺杂的第二半导体区域。
所述半导体区域可以与所述光电探测区域间隔开。
所述漏极可以是第一漏极，并且所述像素还可以包括第二漏极。
所述第一漏极可以位于所述光电探测区域的第一侧，并且所述第二漏极可以位于所述光电探测区域的第二侧。
所述像素还可以包括第三漏极。
所述第三漏极可以位于所述像素的读出区域内。
所述第三漏极可以被配置为从所述光电探测区域丢弃载流子。
所述漏极可以包括pn结或肖特基结。
所述漏极可以建立与所述光电探测区域的耗尽区重叠的耗尽区。
所述漏极可以被配置为收集和丢弃所述像素电路或一个或多个掺杂区域下方的电荷载流子。
所述漏极可以是第一漏极，并且所述集成电路还可以包括第二漏极，其中所述第二漏极被配置为从所述光电探测区域丢弃载流子。
一些实施例涉及一种集成电路，包括：像素，其包括：光电探测区域；以及漏极，其被配置为丢弃来自所述光电探测区域的电荷载流子，其中所述漏极包括半导体区域，并且所述半导体区域通过金属触点来接触。
所述半导体区域可以与所述光电探测区域接触。
所述半导体区域可以是掺杂的。
所述半导体区域可以通过掺杂类型与所述半导体区域相反的第二半导体区域与所述光电探测区域分开。
所述漏极可以被控制为当所述漏极将电荷载流子拉出所述光电探测区域时处于第一电压，并且所述漏极被控制为当所述漏极不将电荷载流子拉出所述光电探测区域时处于第二电压。
所述漏极可以被配置为当所述漏极不丢弃来自所述光电探测区域的电荷载流子时，在所述光电探测区域和所述漏极之间产生势垒。
在平面图中，所述金属触点可以不延伸到所述漏极的区域之外。
所述集成电路还可以包括位于所述金属触点和所述漏极之间的硅化物材料。
在所述金属触点和所述漏极之间的电路径中可以不存在多晶硅。
一些实施例涉及一种集成电路，包括：像素，其包括：光电探测区域；以及漏极，其被配置为丢弃来自所述光电探测区域的电荷载流子，其中所述漏极包括半导体区域，其中通过不包括多晶硅电极的导电路径形成到所述半导体区域的电接触。
所述半导体区域可以与所述光电探测区域接触。
所述半导体区域可以是掺杂的。
所述半导体区域可以通过掺杂类型与所述半导体区域相反的第二半导体区域与光电探测区域分开。
所述漏极可以被控制为当所述漏极将电荷载流子拉出所述光电探测区域时处于第一电压，并且所述漏极被控制为当所述漏极不将电荷载流子拉出所述光电探测区域时处于第二电压。
所述漏极可以被配置为当所述漏极不丢弃来自所述光电探测区域的电荷载流子时，在所述光电探测区域和所述漏极之间产生势垒。
在平面图中，所述金属接触可以不延伸到所述漏极的区域之外。
一些实施例涉及一种集成电路，包括：像素，其包括：光电探测区域；以及光电二极管，其被配置为收集和排出不想要的电荷载流子。
所述光电二极管可以是第一光电二极管，并且所述光电探测区域可以包括第二光电二极管。
所述第一和第二光电二极管可以具有相同的掺杂分布。
所述第一和第二光电二极管可以是钉扎光电二极管。
所述光电探测区域可以包括用于将电荷载流子从所述光电探测区域转移到电荷存储区域的栅极。
所述光电探测区域可以是第一光电探测区域，并且所述光电二极管可以位于所述第一光电探测区域和第二光电探测区域之间。
所述光电二极管可以被配置为收集和排出来自所述第一和第二光电探测区域之间的不想要的电荷载流子。
一些实施例涉及一种制造集成电路的方法，所述方法包括：形成包括光电探测区域和漏极的像素，所述漏极被配置为丢弃所述光电探测区域外的所述像素的半导体区域内的电荷载流子。
一些实施例涉及一种制造集成电路的方法，所述方法包括：形成包括光电探测区域和漏极的像素，所述漏极被配置为丢弃来自所述光电探测区域的电荷载流子，以及形成接触所述漏极的金属触点。
一些实施例涉及一种制造集成电路的方法，所述方法包括：形成包括光电探测区域和漏极的像素，所述漏极被配置为丢弃来自所述光电探测区域的电荷载流子；以及通过不包括多晶硅电极的导电路径与所述漏极电接触。
一些实施例涉及一种制造集成电路的方法，所述方法包括：形成包括光电探测区域和光电二极管的像素，所述光电二极管被配置为收集和排出不想要的电荷载流子。
上述发明内容借助说明的方式提供，并非旨在作为限制。
附图说明
图1绘制了两个具有不同寿命的标记发射光子的概率随时间的变化。
图2示出了直接合并像素的示例。
图3示出了操作直接合并像素的方法的流程图。
图4A-C示出了图3的方法的各个阶段的直接合并像素。
图5示出了直接合并像素的截面图。
图6示出了直接合并像素的截面图，其中分仓由读出节点形成。
图7示出了图6的直接合并像素的平面图。
图8示出了可用于制造集成电路的材料的示例。
图9示出了可包括弱耦合到光电探测区域的一个或多个漏极的像素的实例。
图10A示出了包括与光电探测区域分离的漏极的像素的平面图。
图10B示出了沿图10A中的线A-A'截取的图10A的像素的截面图。
图10C示出了漏极的耗尽区可以在光电二极管下方形成连接的耗尽区以夹断从器件到衬底的电流路径。
图11示出了在读出区域中包括漏极的像素的示例。
图12示出了包括在结构和组成上与光电探测区域相似的漏极的像素的示例。
图13示出了具有强耦合到光电探测区域的漏极的像素的平面图。
图14示出了沿图13中的线B-B'截取的横截面的示例。
图15A和15B示出了当分别向漏极施加0V和2V电压时，沿图13的线B-B'截取的光电二极管中的电势。
图16示出了被掺杂以在光电二极管和漏极之间产生势垒的结构沿图13中的线B-B'截取的横截面的另一示例。
图17A和17B示出了当分别向漏极施加0V和2V电压时，沿图13的线B-B'截取的光电二极管中的电势。
图18示出了根据一些实施例的芯片架构的示意图。
图19是示例性计算设备的框图。
具体实施方式
本文描述的是一种集成光电探测器，它可以准确地测量或“time-bin(时间仓)”，即入射光子的到达时间。在一些实施例中，集成光电探测器可以以纳秒或皮秒分辨率测量光子的到达。这种光电探测器可在包括可应用于核酸测序(例如，DNA测序)的分子探测/定量在内的多种应用中找到应用。这种光电探测器可以促进对来自用于标记核苷酸的发光分子的入射光子到达的时域分析，从而能够基于发光寿命对核苷酸进行识别和测序。集成光电探测器的其他应用示例包括荧光寿命成像和飞行时间成像，如下面进一步讨论的。
分子探测/定量的时域测量讨论
可以使用生物测定(“生物测定法”)进行生物样品的探测和定量。生物测定通常涉及大型、昂贵的实验室设备，需要经过培训的研究科学家来操作设备并进行生物测定。生物测定通常是批量进行的，因此探测和定量需要大量特定类型的样品。一些生物测定是通过用发射特定波长光的发光标记标记样品来进行的。用光源照射样品以引起发光，并用光电探测器探测冷光以量化由标记发射的光量。使用发光标签和/或报告基因的生物测定通常涉及昂贵的激光光源以照射样品，以及涉及复杂的发光探测光学器件和电子设备以收集来自被照射样品的光。
在一些实施例中，如本文所述的集成光电探测器可以探测响应于激发的生物和/或化学样品的发光特性。更具体地，这种集成光电探测器可以探测从样品接收到的光的时间特性。这种集成光电探测器能够探测和/或区分发光分子响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，样品的识别和/或定量测量可以基于探测和/或区分发光寿命来执行。例如，在一些实施例中，核酸(例如，DNA、RNA)的测序可以通过探测和/或区分与相应核苷酸连接的发光分子的发光寿命来进行。每个发光分子可以直接附接(例如，键合)到相应的核苷酸或通过与核苷酸和发光分子键合的接头分子间接附接到相应的核苷酸。
在一些实施例中，具有多个光电探测结构和相关电子器件(称为“像素”)的集成光电探测器可以实现并行测量和分析多个样品(例如，数百、数千、数百万或更多)，这可以减少执行复杂测量的成本并迅速提高发现率。在一些实施例中，光电探测器的每个像素可以探测来自样品的光，该样品可以是单个分子或多于一个分子。在一些实施例中，这样的集成光电探测器可以用于动态实时应用，例如核酸(例如，DNA、RNA)测序。
使用发光寿命探测/定量分子
根据本申请的一些方面的具有集成光电探测器的集成电路可以被设计为具有适用于各种探测和成像应用的功能。如下文进一步详细描述的，这种集成光电探测器可以具有在探测时间段(也称为“探测期”或“时间仓”)内探测光的能力。为了收集关于光到达时间的信息，响应入射光子产生电荷载流子，电荷载流子可以基于其到达时间被引导到时间仓中。
根据本申请的一些方面的集成光电探测器可用于区分发光源，包括发光分子，例如荧光团。发光分子在它们发射的光的波长、它们发射的光的时间特性(例如，它们的发射衰减时间段)以及它们对激发能量的响应方面有所不同。因此，可以基于探测这些特性来识别或区分一些发光分子与其他发光分子。这种识别或区分技术可以单独使用或以任何合适的组合使用。
在一些实施例中，如本申请中所述的集成光电探测器可以测量或区分发光寿命，例如荧光寿命。荧光寿命测量基于激发一种或多种荧光分子，并测量发射的冷光的时间变化。在荧光分子达到激发态后，荧光分子发射光子的概率随时间呈指数下降。概率降低的速率可能是荧光分子的特征，并且对于不同的荧光分子可能不同。探测由荧光分子发射的光的时间特性可以允许识别荧光分子和/或相对于彼此区分荧光分子。发光分子在本文中也称为发光标记，或简称为“标记”。
在达到激发态后，标记可能会在给定时间以一定的概率发射光子。在激发标记之后，从激发标记发射光子的概率可能会随时间降低。光子发射概率随时间的降低可以用指数衰减函数p(t)＝e-t/τ表示，其中p(t)是时间t处的光子发射的概率,τ是标记的时间参数。时间参数τ表示激发后标记发射光子的概率为特定值时的时间。时间参数τ是标记的一种特性，可能不同于其吸收和发射光谱特性。这种时间参数τ称为发光寿命、荧光寿命或简称为标记的“寿命”。
图1绘制了两个具有不同寿命的标记发射光子的概率随时间的变化。由概率曲线B表示的标记的发射概率比由概率曲线A表示的标记的发射概率衰减得更快。由概率曲线B表示的标记具有比由概率曲线A表示的标记更短的时间参数τ或寿命。在一些实施例中，标记可具有介于0.1-20ns之间的荧光寿命。然而，本文描述的技术不限于所使用的标记的寿命。
标记的寿命可用于区分多于一个标记，和/或可用于识别标记。在一些实施例中，可以执行荧光寿命测量，其中具有不同寿命的多个标记被激发源激发。例如，寿命分别为0.5、1、2和3纳秒的四个标记可被发射具有选定波长(例如，635nm)光的光源激发。可以基于测量由标记发射的光的寿命识别或区分标记。然而，不需要计算寿命本身，因为可以使用由标记发射的光的其他时间特性来区分它们。
荧光寿命测量可以通过比较强度随时间的变化而不是绝对强度值来使用相对强度测量。因此，荧光寿命测量可以避免绝对强度测量的一些困难。绝对强度测量可能取决于存在的荧光团浓度，并且可能需要针对不同的荧光团浓度进行校准步骤。相比之下，荧光寿命测量可能对荧光团的浓度不敏感。
发光标记可以是外源性的或内源性的。外源标记可以是用作报告基因和/或用作进行发光标记的标签的外部发光标记。外源标记的示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。此类外源标记可以缀合至专门结合到特定靶标或组分的探针或官能团(例如分子、离子和/或配体)。将外源标签或报告基因连接到探针允许通过探测外源标签或报告基因的存在来识别靶标。探针的示例可以包括蛋白质、诸如DNA分子或RNA分子之类的核酸、脂质和抗体探针。外源标记和官能团的组合可以形成用于探测的任何合适的探针、标签和/或标记，包括分子探针、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)，酶标签、荧光探针、荧光标签和/或酶报告基因。
虽然可以将外源标记添加到样品或区域，但内源标记可能已经是样品或区域的一部分。内源标记可包括存在的任何发光标记，该标记在存在激发能量的情况下可发光或“自发荧光”。内源荧光团的自发荧光可以提供无标记和非侵入性标记，不需要引入内源荧光团。作为示例而非限制，此类内源荧光团的示例可包括血红蛋白、氧合血红蛋白、脂质、胶原蛋白和弹性蛋白交联物、还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(NADH)、氧化黄素(FAD和FMN)、脂褐质、角蛋白和/或卟啉.
与通过测量发射光谱来区分标记相比，通过寿命测量来区分标记可以允许使用更少波长的激发光。在一些实施例中，当使用较少波长的激发光和/或冷光时，传感器、滤光器和/或衍射光学器件的数量可以减少或消除。在一些实施例中，可以用具有不同寿命的标记进行标记，并且标记可以被具有相同激发波长或光谱的光激发。在一些实施例中，可以使用发射单一波长或光谱的光的激发光源，这样可以降低成本。然而，本文所述的技术在这方面不受限制，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，集成光电探测器可用于确定关于接收光的光谱和时间信息。在一些实施例中，可以通过确定来自标记的发射光的时间参数、强度参数、光谱参数或参数的组合来对存在的分子类型进行定量分析。
探测入射光子到达时间的集成光电探测器可以减少额外的光学过滤(例如，光谱过滤)要求。如下所述，根据本申请的集成光电探测器可以包括漏极以在特定时间去除光生载流子。通过以这种方式去除光生载流子，可以丢弃响应于激发光脉冲产生的不想要的电荷载流子，而不需要光学滤波以防止接收来自激发脉冲的光。这种光电探测器可以降低整体设计集成复杂性、减少光学和/或滤波组件、和/或降低成本。
在一些实施例中，荧光寿命可以通过聚集在集成光电探测器的一个或多个时间仓中收集的电荷载流子以探测作为时间函数的发光强度值来测量发射的冷光的时间分布来确定。在一些实施例中，可以通过执行多次测量来确定标记的寿命，其中标记被激发到激发态，然后测量光子发射的时间。对于每次测量，激发源可以产生指向标记的激发光的脉冲，并且可以确定激发脉冲和来自标记的后续光子事件之间的时间。附加地或替代地，当激发脉冲重复且周期性地发生时，可以测量光子发射事件发生时和随后的激发脉冲之间的时间，并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)以确定光子吸收事件的时间。
通过用多个激发脉冲重复这样的实验，可以确定在激发之后的某个时间间隔内从标记发射光子的实例数量，这表示在激发后的这个时间间隔内发射光子的概率。收集的光子发射事件数量可以基于发射到标记的激发脉冲的数量。在一些实施例中，测量周期内的光子发射事件的数量可介于50-10,000,000或更大之间，然而，本文所述的技术在这方面不受限制。在激发后的特定时间间隔内从标记发射光子的实例数可以填充表示在一系列离散时间间隔内发生的光子发射事件的数量的直方图。可以使用曲线拟合算法将曲线拟合到记录的直方图，从而得到表示在给定时间激发标记后发射光子的概率的函数。指数衰减函数(例如，p(t)＝e-t/τ)可用于近似拟合直方图数据。根据这样的曲线拟合，可以确定时间参数或寿命。可以将确定的寿命与标记的已知寿命进行比较，以识别存在的标记类型。然而，如上所述，不需要计算标记的寿命，因为可以使用其他时间特性来区分标记，例如直接测量或以其他方式从测量得出的时间特性。
在一些情况下，光子发射事件的概率以及标记的寿命或其他时间特性可以基于标记的环境和/或条件而改变。例如，限制在直径小于激发光波长的体积中的标记的寿命可能小于标记不在该体积中时的寿命。可以在与标记用于标记时相似的条件下使用已知标记进行寿命测量。当识别标记时，可以使用从这些已知标记的测量中确定的寿命。
使用发光寿命测量的定序
集成光电探测器的各个像素能够进行荧光寿命测量，以识别标记一个或多个靶标(例如分子或分子上的特定位置)的荧光标签和/或报告基因。任何一种或多种感兴趣的分子都可以用荧光团标记，包括蛋白质、氨基酸、酶、脂质、核苷酸、DNA和RNA。当与探测发射光的光谱或其他标记技术相结合时，荧光寿命可以增加可以使用的荧光标签和/或报告基因的总数。基于寿命的识别可用于单分子分析方法，以提供有关复杂混合物中分子相互作用特性的信息，其中此类信息将在整体平均中丢失，并且可能包括蛋白质-蛋白质相互作用、酶活性、分子动力学和/或膜上扩散。此外，具有不同荧光寿命的荧光团可用于在基于标记成分的存在的各种测定方法中标记靶标成分。在一些实施例中，可以基于探测荧光团的特定寿命来分离组分，例如通过使用微流体系统。
测量荧光寿命可以与其他分析方法结合使用。例如，荧光寿命可以与荧光共振能量转移(FRET)技术结合使用，以区分位于一个或多个分子上的供体和受体荧光团的状态和/或环境。这种测量可用于确定供体和受体之间的距离。在某些情况下，从供体到受体的能量转移可能会缩短供体的寿命。在另一示例中，荧光寿命测量可与DNA测序技术结合使用，其中具有不同寿命的四种荧光团可用于标记具有未知核苷酸序列的DNA分子中的四种不同核苷酸(A、T、G、C)。荧光团的荧光寿命，而不是发射光谱，可用于识别核苷酸序列。对于某些技术，通过使用荧光寿命或其他时间特性而不是发射光谱，可以提高准确性和测量分辨率，因为减少了由于绝对强度测量引起的伪影。此外，寿命测量可以降低系统的复杂性和/或费用，因为需要的激发能量波长更少和/或需要探测的发射能量波长更少。
本文所述的方法可用于核酸测序，例如DNA测序或RNA测序。DNA测序允许确定靶核酸分子中核苷酸的顺序和位置。用于DNA测序的技术在用于确定核酸序列的方法以及测序过程中的速率、读取长度和错误发生率方面差异很大。许多DNA测序方法基于合成测序，其中核苷酸的身份在核苷酸被掺入与靶核酸互补的新合成的核酸链中时确定。许多合成测序方法需要靶核酸分子群(例如，靶核酸的拷贝)的存在或靶核酸的扩增步骤以获得靶核酸群。需要用于确定单个核酸分子序列的改进方法。
最近在以高精度和长读取长度对单个核酸分子进行测序方面取得了进展。单分子测序技术(例如，由Pacific Biosciences开发的SMRT技术)中使用的靶核酸是一种单链DNA模板，它被添加到含有至少一种测序反应成分(例如DNA聚合酶)的样品孔中，所述至少一种测序反应成分固定或附着在固体支持物上，例如样品孔的底部。样品孔还含有脱氧核糖核苷三磷酸，也称为“dNTP”，包括腺嘌呤、胞嘧啶、鸟嘌呤和胸腺嘧啶dNTP，它们与荧光团等探测标记缀合。优选地，每一类dNTP(例如，腺嘌呤dNTPs、胞嘧啶dNTP、鸟嘌呤dNTP和胸腺嘧啶dNTP)均与不同的探测标记缀合，使得信号的探测表明掺入新合成的核酸中的dNTP的身份。探测标记可以在任何位置与dNTP缀合，使得探测标记的存在不抑制dNTP掺入新合成的核酸链或聚合酶的活性。在一些实施例中，探测标记与dNTP的末端磷酸盐(γ磷酸盐)缀合。
任何聚合酶都可以用于能够合成与靶核酸互补的核酸的单分子DNA测序。聚合酶的示例包括大肠杆菌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，聚合酶是单亚基聚合酶。在靶核酸的核碱基与互补的dNTP碱基配对后，聚合酶通过在新合成链的3'羟基末端与dNTP的α磷酸盐之间形成磷酸二酯键，将dNTP掺入新合成的核酸链中。在与dNTP缀合的探测标记是荧光团的示例中，它的存在由激发发信号指示，并且在掺入步骤期间探测发射脉冲。对于与dNTP的末端(γ)磷酸盐缀合的探测标记，将dNTP掺入新合成的链中会导致释放β和γ磷酸盐以及探测标记，它们可以在样品孔中自由扩散，导致从荧光团探测到的发射减少。
本文所述的技术不限于分子或其他样品的探测或定量，或不限于执行测序。在一些实施例中，集成光电探测器可以执行成像以获得关于区域、对象或场景的空间信息以及关于使用该区域、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，集成光电探测器可以执行区域、对象或样品的发光寿命成像，例如荧光寿命成像。
用于时间分仓光生电荷载流子的集成光电探测器
一些实施例涉及具有响应于入射光子产生电荷载流子并且能够区分产生电荷载流子的时序的光电探测器的集成电路。在一些实施例中，集成电路可以具有单个仓(也称为“仓”、“电荷存储仓”或“电荷载流子存储区域”)，用于对光电探测区域中产生的电荷载流子进行时间分仓。在探测期间产生的电荷载流子被转移到仓。在探测期之外产生的电荷载流子不会转移到仓。如上所述，测量可以重复多次，并且仓可以聚集在探测期内在多个测量上接收的电荷载流子。然后读出存储的电荷量。在读出之后，可以改变探测期的时序，并且在重新设置仓之后，可以使用不同的探测期时序执行另一组测量。然后聚集另一多次测量上的电荷载流子，并再次读出存储的电荷。在不同探测期中收集的电荷量可以提供关于由光探测器接收到的光的时间和/或强度的信息。关于相对于参考时间的光子到达时间的时间信息可以通过改变其探测期时序从单个仓中获得。这种集成电路可用于多种应用中的任何一种，例如本文所述的那些。描述了包含具有单个仓的直接合并像素的集成电路的示例。在一些实施例中，集成电路可以包括此类像素的阵列。
如本文所用，术语“半导体区域”是指作为较大半导体结构(例如，像素区域或芯片)的一部分的任何形状的半导体材料体积。除非明确记载为掺杂或未掺杂，否则半导体区域可以是掺杂的或未掺杂的。半导体区域的示例包括掺杂和未掺杂区域，例如本征半导体材料的注入、扩散和区域。术语“半导体的区域”与“半导体区域”具有相同的含义。
直接合并像素
图2示出了像素100的示例，其中在光子吸收/载流子产生区域102(也称为“光电探测区域”)中生成的电荷载流子可以直接转移到电荷载流子存储区域108中的电荷存储仓，无需它们之间具有中间电荷载流子捕获区域。这种像素被称为“直接合并像素”。该仓可以是单个仓，没有其他仓被配置为直接从光子吸收/载流子产生区域102接收电荷载流子。图2示出了在电荷载流子存储区域108中具有单个仓的像素100的示例。单仓像素相对于多仓像素的优势可以包括改进的激发光抑制、通过降低复杂性来简化设计以及由于需要驱动的电极更少而降低功耗。仓可以聚集在参考时间或触发事件之后的探测期中接收的电荷载流子。此外，如下文进一步讨论的，可以存在一个或多个附加存储区域以接收存储在仓中的电荷以用于读出目的。例如，将存储在仓中的电荷转移到另一电荷存储区以供读出可以允许同时使用用于接收电荷载流子的仓和用于在读出电荷时保持电荷的另一电荷存储区域。
像素100可以包括由任何合适的半导体(例如，硅)形成的半导体区域。图2示出了平面图，其中半导体区域位于下方，电极206、203和213形成在半导体区域的顶部上方。包括电极206和203的电荷载流子分离结构在不同时间选择性地将光生电荷载流子引导至仓或排斥区域105。在一些实施例中，光子吸收/载流子产生区域102可以包括形成在半导体区域中的光电二极管，例如钉扎光电二极管。光电二极管可完全耗尽。在一些实施例中，光电二极管可以始终保持基本耗尽电子。在一些实施例中，光电二极管被配置为收集单个光子。在这样的实施例中，可以在光电二极管中产生和限制单个光电子。如果由CMOS工艺形成，则光电二极管可能会被CMOS工艺生产的器件内可用的电势完全耗尽。在一些实施例中，电极203可以耦合到二极管，至少部分地围绕二极管的周边。电极203可以允许受限载流子的快速电荷转移。在讨论将电荷载流子转移到仓之前，将描述通过将不想要的载流子转移到排斥区域105来排斥不想要的载流子。
再次参考图2，直接合并像素100可以包括排斥区域105，以在排斥期间排出或以其他方式丢弃在光子吸收/载流子产生区域102中产生的电荷载流子。排斥期可以定时为在触发事件(例如，激发光脉冲)期间发生。由于激发光脉冲可能在光子吸收/载流子产生区域102中产生许多不想要的电荷载流子，因此可以在像素100中建立电势梯度以在排斥期将这些电荷载流子排放到排斥区域105。作为示例，排斥区域105可以包括高电势扩散区域，其中电子被排放到电源电压。排斥区域105可以包括将区域102直接电荷耦合到排斥区域105的电极206。在一些实施例中，电极206可以覆盖半导体区域。可以改变电极206的电压以在光子吸收/载流子产生区域102中建立期望的电势梯度。在排斥期期间，可以将电极206的电压设置为将载流子从光子吸收/载流子产生区域102拉到电极206，并输出到电源电压的水平。例如，可以将电极206的电压设置为正电压以吸引电子，从而将它们从光子吸收/载流子产生区域102拉到排斥区域105。在排斥期期间，可以将电极203设置到形成势垒202以防止不想要的电荷载流子到达仓的电势。排斥区域105可以被认为是“横向排斥区域”，因为它允许载流子从区域102横向转移到漏极。在一些实施例中，相对于电荷载流子从光电探测区域102到仓的转移方向(在图2中显示为向下)，排斥在与光电探测区域102相反的方向(在图2中显示为向上)。然而，排斥区域105和收集区域108的相对位置不限于光电二极管102的相对两侧。
在排斥期之后，在光子吸收/载流子产生区域102中产生的光生电荷载流子可以被转移到仓。在探测期间，可以降低由电极203形成的势垒202，可以提高由电极206形成的势垒，并且在光子吸收/载流子产生区域102和电荷载流子存储区域108之间的半导体区域内的电势可以建立导致光生电荷载流子被引导到仓的电势梯度。在探测期结束时，势垒202升高以防止更多的电荷载流子转移到仓中。因此，仓存储在探测时段期间接收到仓中的电荷载流子。然后可以读出存储的电荷，如下面进一步讨论的。
在一些实施例中，可以仅将单个电极203设置在区域102和仓之间的边界处以控制允许或防止电荷载流子转移到仓的势垒202。然而，在一些实施例中，势垒202可由多于一个电极产生。电极203可以控制势垒202以允许或阻止电荷载流子进入仓。势垒202可以是区域102和仓之间的单个势垒。
图3示出了操作像素100的方法50的流程图，其包括执行多个交替的载流子排斥步骤52和探测步骤60，随后执行读出步骤58。
排斥步骤52期间像素100的操作在图4A中示出。排斥步骤52在排斥期进行。在排斥步骤52中，操作像素100以通过将在区域102中产生的电荷载流子转移到排斥区域105来排斥它们。例如，排斥步骤52可以包括控制电极206以产生将在区域102中产生的电荷载流子驱动到排斥区域105的电势梯度。通过沿图4A的向上方向引导载流子来排斥载流子。仓的势垒202升高以防止不想要的电荷进入仓。
排斥步骤52可以定时为在触发事件期间发生。触发事件可以是用作对光子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，并且可以是单一事件或重复的周期性事件。在发光寿命探测的上下文中，触发事件可以是激发光脉冲的产生或接收以激发发光分子，例如荧光团。在飞行时间成像的上下文中，触发事件可以是由包括集成光电探测器的成像设备发射的光脉冲(例如，来自闪光灯)。触发事件可以是用作对光子或载流子到达进行分时的参考的任何事件。
激发光脉冲的生成可以产生大量光子，其中一些可以到达像素100并且可以在光子吸收/载流子产生区域102中产生电荷载流子。由于来自激发光脉冲的光生载流子不希望被测量时，因此可以在排斥步骤52中通过将这些载流子引导到漏极来排斥它们。这可以减少不想要的信号量，否则这些不想要的信号量可能需要被复杂的光学组件(例如，快门或滤光片)防止到达，这可能会增加额外的设计复杂性和/或成本。
返回到图3的讨论，探测步骤60在排斥步骤52之后。如图4B所示，探测步骤60可以包括升高到排斥区域105的势垒(例如，通过改变电极206的电压)以防止光生电荷载流子被丢弃。升高到排斥区域105的势垒是探测步骤60的开始，该步骤具有被称为探测期的持续时间。在升高到排斥区域105的势垒的同时或之后，探测步骤60包括在一段时间内降低区域102和仓之间的势垒202(例如，通过改变电极203的电压)，在此期间，允许电荷载流子从区域102流到仓。如果在升高到排斥区域105的势垒之后降低势垒202，则光电探测区域102中的任何光生电荷载流子都保留在光电探测区域102中，直到势垒202降低，然后这些电荷载流子进入仓。因此，探测期包括势垒202降低的时间段以及在降低势垒202之前和升高到排斥区域105的势垒之后的任何时间段。在探测步骤60期间，光子可能会或可能不会到达光电探测区域102。如果光子到达光电探测区域102并且在探测期间产生光生电荷载流子(步骤54)，则电势梯度导致电荷载流子被引导到仓(步骤56)，如图4B所示。这种电势梯度可以以任何合适的方式建立，例如使用分级掺杂浓度和/或一个或多个处于选定电势的电极。然后，势垒202在探测期结束时升高，以防止更多电荷载流子转移到仓(这标志着探测期的结束)。如果在区域102中产生光生电荷载流子，同时升高到仓的势垒202，则电荷载流子可以被限制在区域102中，直到再次发生排斥步骤52并且电荷载流子被丢弃。因此，仓收集探测期间在区域102中产生的光生电荷载流子。
如上所述，在一些应用中，响应于触发事件而接收光子和产生载流子的概率可能很低(例如，大约万分之一)。因此，在探测步骤60中接收光子的频率非常低。然而，在一些实施例中，接收到的光子的数量和/或接收到光子的概率可能较高，因为本文描述的技术不限于少量接收到的光子。
在步骤56之后，重复执行n-1次排斥步骤52和探测步骤60以获得关于在触发事件之后光子趋于到达的时间段的信息(例如，统计信息)。当重复探测步骤60时，进行时间分仓的电荷载流子可以聚集在仓中。重复探测步骤60可以使得能够在仓中聚集足够数量的电荷载流子以提供统计上有意义的结果。例如，在荧光寿命测量的上下文中，可以预期，响应于从荧光团接收的光子的光子吸收事件相对很少发生。例如，预计这样的事件在大约10,000次测量中会发生一次。因此，需要执行大量测量(探测步骤60)以在仓中聚集足够数量的电荷载流子，使得结果在统计上有意义和/或具有足够的信噪比。在一些实施例中，可以针对荧光寿命测量执行的荧光团的测量次数n可以是50,000或更多、100,000或更多、200,000或更多、300,000或更多、400,000或更多、500,000或更多、100万或更多、200万或更多、500万或更多，以能够在每个仓中捕获和分仓足够数量的电荷载流子(即，在一些实施例中，数十或数百或更多)。可以以MHz范围内的频率重复测量，例如50MHz至100MHz之间、25MHz至200MHz之间、10MHz至500MHz之间或1MHz至500MHz之间(所有范围都包括端点)，或采用其他频率。在一些实施例中，在测量被重复n-1次之后，可以在仓中累积大约一百个载流子(例如，电子)。然而，这取决于接收到的光子数量。在一些实施例中，在仓中累积的载流子数量可介于10至10,000之间，例如介于50至1,000之间，或任何其他合适的数量。方法50可以在期望捕获光子的任何合适的时间段内执行、执行方法50的时间段被称为“帧”。在荧光寿命测量的上下文中，帧的合适长度可以是例如10毫秒。在一些实施例中，可以以MHz范围内的频率重复探测步骤60。在一些实施例中，仓可以具有皮秒或纳秒级的分辨率。
一旦已经执行了分配数量(n次)的测量(步骤60)，该方法就继续到步骤58，读出仓。在步骤58中，电荷可以从仓转移到读出节点111，读出节点111是另一电荷载流子存储区域。读出节点111可以包括浮动扩散。或者，仓本身可以是同时用于电荷存储和读出的浮动扩散。在这种情况下，212/213不存在并且111是仓。从仓到读出节点111的电荷转移在图4C中示出。为了从每个仓转移电荷，可以改变电极213的电压以降低仓和读出节点111之间的势垒212。可以建立导致电荷从仓0流到读出节点111的电势梯度。转移到读出节点111的电荷然后可以被转换成电压并使用读出电路110读出，其示例在图5中示出。
在一些实施例中，集成设备可以是可编程的，以能够改变仓的时序。电极可以由控制电路控制，该控制电路设置合适的时序并调整帧之间的时序。在一些实施例中，时间仓的时序可以基于触发事件的时序设置，该触发事件启动用于测量60的测量期。在荧光寿命测量上下文中，时间仓的时序可以响应于探测到激发荧光团的激发脉冲的时序而设置。例如，当激发光脉冲到达像素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。响应于激发脉冲在漏极处的累积光生载流子可导致漏极电压的变化。因此，在一些实施例中，可以通过探测漏极的电压来探测激发脉冲。例如，比较器可以将漏极电压与阈值进行比较，并且可以在漏极电压超过阈值时产生脉冲。脉冲的时序可以指示触发事件的时序，并且可以基于该时序设置时间仓的时序。然而，本文描述的技术不限于此，因为可以使用任何合适的技术来探测测量的开始。
已经描述了像素100的操作时序，现在讨论返回到像素100的结构和读出。图5示出了沿图2中的线A-A'截取的像素100的示例的截面图。如图所示，电极206、203和213形成在半导体衬底101上或上方。在光子吸收/载流子产生区域102从光源120接收光。光源120可以是任何类型的光源，例如但不限于包括发光样品(例如，与核酸连接)或要在成像应用中成像的区域或场景。光源120可以包括不想要的激发激光。遮光罩121可防止光到达衬底的另一部分，例如以防止杂散激发光或其他杂散光在仓或读出节点中直接产生电荷。作为示例而非限制，遮光罩121可由任何合适的材料形成，例如集成电路的金属层。图5示出了排斥期间的电荷转移(向左)以到仓的转移(右)两个相反方向。
如图5所示，像素100可以包括允许读出存储在仓中的电荷的读出电路110。像素100可以是有源像素，使得读出电路110包括读出放大器，或者是其中读出电路110不包括读出放大器的无源像素。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，则读出放大器可以将累积在电荷存储仓(例如仓0、仓1)中的电荷作为输入并且产生代表电荷存储仓中的电荷的电压作为输出。
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。合适的放大器的示例包括基于公共源配置的放大器和基于源跟随器配置的放大器。基于源跟随器配置的读出电路110的一个示例在图5中示出。如图5所示，读出区域110可以包括源跟随器缓冲晶体管sf、复位晶体管rt和行选择晶体管rs。然而，本文描述的技术不限于任何特定的放大器配置。在一些实施例中，转移电极213可以是读出电路110的一部分。
可以使用任何合适的读出技术，包括降噪技术。在一些实施例中，读出电路110可以使用相关双采样读出仓。相关双采样是一种技术，其中对处于包括未确定量噪声的复位电压电平处的节点进行第一采样，并且可以对处于包括相同未确定噪声的信号电平处的节点进行第二采样。可以通过从采样信号电平中减去采样复位电平来减去噪声。
如上所述，读出仓可以包括将仓中聚集的电荷量转换成对应的电压。可以以任何合适的速率，例如50Hz至100Hz、10Hz至500Hz或其他速率来执行从时间仓的读出。
转移电极213可以电荷耦合到仓。读出节点111可以电荷耦合到转移电极213。如图5所示，读出节点111可以连接到复位晶体管rt的源极。复位晶体管rt和行选择晶体管rs的漏极可以连接到高压电源。复位晶体管rt和行选择晶体管rs的栅极可以由行驱动电路控制。在一些实施例中，晶体管sf的源极可以连接到行选择晶体管rs的漏极。晶体管sf的栅极可以连接到读出节点111。在一些实施例中，源跟随器的源极可以连接到列线读出。
在一些实施例中，像素不需要同时具有仓和读出节点111。图6示出了像素200的示例的截面图，其中仓由读出节点111形成。读出节点111可以是浮动扩散，如上所述。使用读出节点111作为仓可以通过消除电荷存储区域和电极213来简化像素设计和操作。图7示出了像素200的平面图。如图6和7所示，在像素200中，电极203控制势垒202以访问读出节点111。像素200的操作可以与上述像素100的操作相同，除了可以通过避免将电荷从单独的仓转移到读出节点111的需要来简化读出。
示例存储仓
有几种方法可以将电荷存储仓实现为半导体区域内的势阱。在一些实施例中，势阱可以部分地位于电极203内。存在用于将电荷移入和移出阱的两种类型的转移。累积转移将电荷转移到阱中。读出转移将电荷移出阱。
以下是势阱的可能特征：
·阱的深度可能足以在30℃下将至少100个电子的累积电荷存储10ms。
·电极203将区域102电荷耦合到阱。
·阱可以至少部分位于电极203内。
·累积转移期间阱所处的电势高于区域102的完全耗尽电压。
·在读出转移期间，阱的完全耗尽电压低于浮动扩散复位电平。
·可以动态调节阱的电势，以满足累积转移和读出转移的要求。
有多种技术可以为仓(例如仓0或仓1)创建势阱。作为一个示例，电极203和213中的一个或多个可以是互补掺杂的(分裂掺杂)。第二选项是在由电极调制的阱位置放置掩埋沟道n型注入物。当电极处于高电势时，阱电势增加超出收集区域。第三选项是生产与区域102的二极管相同的复制二极管。二极管可以是埋入式二极管，与区域102的二极管一样，具有相同的注入物。它可以形成在势垒202和转移电极213之间。耗尽电压可以通过跨读出转移栅极延伸的n型注入物来调整。形成势垒202的电极可以是N+掺杂的，而读出转移电极可以是P+掺杂的。在一些实施例中，可以使用上述技术的组合来形成仓的势阱。
仓的位置可以位于电极下方，位于未被电极覆盖的区域中，或者同时位于电极下方和未被电极覆盖的区域中。例如，仓可以位于电极203下方，位于电极203和连接到tl的多晶硅转移电极之间的不位于电极203下方的区域中，或者位于电极203下方并且不在电极203下方的区域中。
材料示例
图8示出了可用于制造集成电路的材料的示例。像素可以形成在半导体区域中，在一些实施例中，该半导体区域可以是硅。诸如氧化硅区域之类的绝缘区域可以使集成电路的区域彼此绝缘。电极(例如，电极206、203和213)可以由多晶硅或其他导体形成。绝缘间隔物可以位于电极的侧面。例如，绝缘区域可以由氮化硅形成。诸如铝之类的金属可以设置在电极上以与其电接触。然而，可以使用其他材料，因为本文描述的设备不限于特定材料。
增强型漏极
发明人已经认识到并理解，被配置为对电荷载流子进行时间分仓的像素对杂散电荷载流子的捕获敏感。由于漂移、扩散或光生等各种过程，可能会在像素中出现杂散电荷载流子。杂散电荷载流子是不受欢迎的，因为它们可能进入光生区域和/或时间仓，最终导致噪声掩盖想要测量的信号，即，响应于需要被测量的光而在光探测区域中产生的电荷载流子。需要捕获和丢弃杂散电荷载流子。
本文描述的漏极结构(“漏极”)可以提高像素捕获和丢弃杂散电荷载流子的能力。将描述两类漏极：弱耦合到光电探测区域的漏极；以及强耦合到光电探测区域的漏极。弱耦合到光电探测区域的漏极可以捕获和丢弃光电探测区域之外的像素外围的电荷载流子。这种漏极可以设置在像素的外围。像素的外围可以包括光电探测区域和仓之外的像素区域，包括横向偏离光电探测区域和仓的区域或位于光电探测区域和仓下方的区域。当漏极被偏置在像素的典型操作电压时，弱耦合到光电探测区域的漏极没有足够强地耦合到光电探测区域以从光电探测区域提取电荷载流子。强耦合到光电探测区域的漏极可以从光电探测区域提取电荷载流子。例如，这样的漏极可以通过将漏极设置为合适的电压来捕获和丢弃在不希望由光电探测区域测量光的时段期间产生的电荷载流子。强耦合漏极还可以从围绕强耦合漏极的区域捕获和丢弃光电探测区域之外的电荷载流子。
弱耦合漏极
图9示出了像素100的示例，该像素100可以包括弱耦合到光电探测区域102的一个或多个漏极130。漏极130可以捕获和丢弃来自像素100的外围区域的杂散电荷载流子。为此，可以将漏极130偏置在合适的电势以吸引像素外围区域中的杂散电荷载流子。如图9所示，漏极130a和/或130b可以与光电探测区域102分离。
像素110中可以包括任意数量的漏极130。可以基于杂散电荷载流子倾向于存在的位置选择漏极130的数量和位置。作为示例，一个或多个漏极130a和/或130b可以沿像素100的侧面延伸，如图9所示。作为另一示例，漏极130c可以位于读出区域110内以捕获读出区域110和/或周围区域内的杂散电荷载流子。
图10A示出了像素100的平面图，像素100包括与光电探测区域102分离的漏极130a和130b。漏极130a和130b可以是半导体区域。图10B示出了沿图10A中的线A-A'截取的图10A的像素100的截面图。如图10B所示，漏极130a、130b可以是半导体的凸起区域。漏极130a、130b可以具有与光电探测区域102相同的高度。然而，它们可以具有彼此相同或不同的高度以及与光电探测区域102相同或不同的高度。绝缘材料的沟槽137可以形成在光电探测区域102和漏极130a、130b之间。沟槽137可以是浅沟槽绝缘(STI)。漏极130a、130b可以分别包括掺杂半导体区域132a和132b。在该示例中，掺杂半导体区域132a和132b是n型掺杂的。掺杂半导体区域132a、132b可以使用任何合适的掺杂技术形成，例如注入或扩散。位于掺杂半导体区域下方的是相反掺杂类型的掺杂半导体区域134。在该示例中，掺杂半导体区域134是p型掺杂的。在区域132和区域134的相交处形成p-n结。p-n结可以被反向偏置，并且可以形成将杂散载流子扫入漏极的耗尽区。在一些实施例中，可以使用肖特基结来代替或补充p-n结来建立将载流子扫入漏极的电场。
触点136a和136b分别接触半导体区域132a和132b。在一些实施例中，触点136a、136b可以是金属触点，例如钨塞。触点136可以直接或间接接触漏极的半导体区域。在一些实施例中，可以通过不包括多晶硅的导电路径与漏极的半导体区域进行电接触。在一些实施例中，硅化物或其他材料可以设置在金属触点(例如136)和单晶半导体材料(区域132的)之间。在一些实施例中，可以通过将难熔金属(例如，钴)与单晶半导体的顶部区域混合来形成硅化物。金属和半导体之间的这种材料可以促进在它们之间建立欧姆接触。在一些实施例中，硅化物层可以约为30nm厚(例如，15nm至45nm之间厚)。然而，本文描述的技术和设备不限于特定厚度或特定类型的材料。
如图10A所示，在平面图中，触点136a、136b可以完全位于对应的半导体区域130的面积内，使得它们不延伸超出对应的半导体区域130的面积。可以将触点136偏置到一电压，使得杂散载流子通过漏极被拉出。例如，如果载流子是电子，则可以将触点136的电压设置为比下层衬底的电压高的电势。然而，当触点136被偏置在像素100的操作电压时，漏极130仅弱耦合到光电探测区域102并且没有足够强地耦合到光电探测区域102以从光电探测区域102提取电荷载流子。即，施加到触点136的足够高的电压可以使漏极132从光电探测区域102中提取电荷载流子，但是此电压远高于像素100的操作电压范围。电压可以施加到像素内的各种电极和器件以操作像素，并且施加到此类电极和器件的相对于地的最大电压(绝对值)低于导致弱耦合漏极从光电探测区域中提取电荷载流子所需的电压(绝对值)。
适当放置的漏极组合可用于在像素阵列下方创建耗尽区，帮助夹断从表面到衬底的电流路径。这对于启用“负衬底偏差”可能很有用。负衬底偏压可以显着改善杂散载流子的排斥，而不会损失量子效率。此概念在图10C中示出。漏极的耗尽区可以在光电二极管下方形成连接的耗尽区，以夹断从器件到衬底的电流路径。有多种方法可以在像素阵列下方形成连接的耗尽区以实现负衬底偏置。本文描述的一个概念使用反向偏置结。也可以将此概念与其他方法相结合，例如在像素阵列的p阱下方添加n型注入物。
在图10B的示例中，光电探测区域102是具有位于上表面的高度掺杂的p+钉扎区域和下面的n型掺杂区域的钉扎光电二极管。然而，本文描述的技术不限于光电探测区域102是钉扎光电二极管，因为可以实现其他类型的光电探测区域，例如未被钉扎的光电二极管或光电门。
图11示出了在读出区域130中包括漏极130c的像素的示例。漏极130c可以捕获位于读出区域110中和下方的杂散电荷载流子。可以按照上面关于漏极130a和130b讨论的类似方式来构造和偏置漏极130c。可以在读出区域110中以及在读出区域130c内的任何合适的位置中提供任意数量的漏极130c。图11还示出了对应于图10B中的p型掺杂区域134的PWELL区。
图12示出了包括在结构和组成上与光电探测区域102相似的漏极130d的像素的示例。例如，光电探测区域102可以是钉扎光电二极管并且漏极130d也可以是钉扎光电二极管。在一些实施例中，光电探测区域102和漏极130d可以由相同的材料形成，并且可以具有相同的掺杂分布。然而，本文描述的技术不限于此。与其他类型的漏极130一样，漏极130d可以具有收集杂散电荷载流子的功能。类似于光电探测区域102，漏极130d可以被电极138部分地覆盖，电极138将漏极130d的光电二极管部分与触点136c、136d隔开。然而，这样的电极是可选的，只要漏极区连接到不想要的电荷载流子可被丢弃到的漏极电压。
强耦合漏极
在一些实施例中，漏极可以强耦合到光电探测区域。这样的漏极可以从光电探测区域提取不想要的电荷载流子，例如响应于激发光脉冲产生的电荷载流子。这样的漏极还可以收集来自光电探测区域或仓之外的区域的杂散电荷载流子。在一些实施例中，强耦合漏极包括与金属触点直接或间接接触的半导体区域，而不通过多晶硅电极和介电栅极提供电控制。在需要接通和关断漏极的情况下，多晶硅电极的消除可以减少开关电极上的寄生电容，从而减少开关电极上的电流消耗和功耗。
图13示出了具有强耦合到光电探测区域102的漏极140的像素的平面图。漏极140可以包括靠近光电探测区域102的半导体区域。一个或多个触点136可以接触漏极的半导体区域。例如，触点136可以是金属触点，例如钨塞。与涉及多晶硅电极的现有技术相比，触点136可以直接接触漏极140的半导体区域。换句话说，可以通过不包括多晶硅电极和介电栅极的导电路径与漏极的半导体区域进行电接触。在一些实施例中，硅化物或其他材料可以设置在金属触点(例如136)和单晶半导体材料(漏极140的)之间。在一些实施例中，可以通过将难熔金属(例如，钴)与单晶半导体的顶部区域混合来形成硅化物。金属和半导体之间的这种材料可以促进在它们之间建立欧姆接触。在一些实施例中，硅化物层可以约为30nm厚(例如，15nm至45nm之间厚)。然而，本文描述的技术和设备不限于特定厚度或特定类型的材料。
图14示出了沿图13中的线B-B'截取的横截面的一个示例。在该示例中，漏极包括n型掺杂的半导体区域601。半导体区域601可以接触钉扎光电二极管的高度掺杂p+层。
图15A和15B示出了当分别向漏极140施加0V和2V电压时，沿图13的线B-B'截取的光电二极管中的电势。如图15A所示，向漏极施加0V电压允许跨光电二极管的电势基本保持恒定，这允许光生载流子在光电二极管中保留足够长的时间以被第二收集栅极收集，尽管会有限地泄露到漏极。如图15B所示，施加2V电压使光电二极管中的电场倾斜并将光电二极管中的电子拉入漏极140。
图16示出了被掺杂以在光电二极管和漏极之间产生势垒的结构沿图13中的线B-B'截取的横截面的另一示例。在该示例中，漏极140包括n型掺杂的半导体区域801，该半导体区域801通过p型掺杂的半导体区域802与光电二极管分开。例如，半导体区域802可以是使用硼或BF2的p型注入。与图14的结构形成对比，当漏极处于低电压时，在光生区域102和漏极之间存在势垒。这减少了该漏极与旨在捕获由荧光染料产生的载流子的第二收集栅极之间的竞争，例如，从而提高传感器的收集效率。
图17A和17B示出了当分别向漏极140施加0V和2V电压时，沿图13的线B-B'截取的光电二极管中的电势。如图17A所示，当向漏极140施加0V时，势垒由区域801和802之间的p-n结形成。如图17B所示，施加2V电压使光电二极管中的电场倾斜并抑制势垒，允许光电二极管中的电子流入漏极140。
在电荷载流子是空穴而不是电子的器件中，半导体区域的掺杂类型以及偏置电压的极性可以反转，p型被n型替换，反之亦然，高电压被替换为低电压，反之亦然。
在一些实施例中，像素可同时具有一个或多个弱耦合漏极和一个或多个强耦合漏极。例如，返回到图9的讨论，像素可以具有一个或多个强耦合漏极(105或140)和一个或多个弱耦合漏极130。提供同时具有一个或多个弱耦合漏极和一个或多个强耦合漏极的像素可以增强不想要的电荷载流子的提取。
像素阵列/芯片架构
图18示出了根据一些实施例的芯片架构图。在一些实施例中，可以使用标准CMOS(互补金属氧化物半导体)工艺在硅衬底中形成图18中的芯片1300。然而，本文描述的技术不限于此，因为可以使用任何合适的衬底或制造工艺。如图18所示，集成电路或芯片1300可以包括包含多个像素100的像素阵列1302、包含定时电路1306的控制电路1304、电压/电流偏置产生电路1305和接口1308。然而，并非所有这些组件需要在芯片1300上，因为一个或多个组件可以在芯片外。例如，在一些实施例中，用于像素电极的控制信号可以由位于芯片外的电路产生。
像素阵列1302包括以任何合适的图案(例如，矩形图案)布置的像素100的阵列。像素阵列1302可以具有任何合适数量的像素。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、串行或以它们的组合读出像素。例如，在一些实施例中，可以并行读出一行像素，并且可以顺序读出像素阵列的每一行。然而，本文描述的技术不限于此，因为可以以任何合适的方式读出像素。
像素阵列1302由控制电路1304控制。控制电路1304可以是用于控制芯片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)，其存储用于使微处理器执行这些操作的计算机可读指令(例如，代码)。例如，控制电路1304可以控制产生要施加到每个像素中的电荷载流子分离结构的电极的电压。如上所述，控制电路1304可以改变一个或多个电极的电压，以捕获载流子、转移载流子以及执行像素和阵列的读出。控制电路可以基于存储的时序方案设置电荷载流子分离结构的操作时序。如上所述，所存储的时序方案可以是固定的、可编程的和/或自适应的。
控制电路1304可以包括定时电路1306，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。在一些实施例中，定时电路1306可以使得能够产生信号以精确地控制电荷载流子分离结构中的电压变化的时序，从而精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可以包括外部参考时钟和/或延迟锁定环(DLL)，用于精确设置提供给电荷载流子分离结构的信号的时序。在一些实施例中，可以使用两条单端延迟线，每条都具有以180度异相对齐的一半级数。然而，可使用任何合适的技术来控制芯片上的信号时序。
芯片1300可以包括用于从芯片1300发送信号、在芯片1300处接收信号或两者的接口1308。接口1308可以读出由像素阵列1302感测的信号。可以使用模拟接口和/或数字接口来执行从芯片1300的读出。如果使用数字接口执行从芯片1300的读出，则芯片1300可以具有一个或多个模数转换器，用于将从像素阵列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。可以通过接口1308从外部源向芯片1300提供一个或多个控制信号。例如，这样的控制信号可以控制要执行的测量类型，这可以包括设置时间仓的时序。
从像素阵列1302读出的信号的分析可以由芯片上或芯片外的电路来执行。例如，在荧光寿命测量的上下文中，光子到达时序的分析可以包括逼近荧光团的荧光寿命。可以执行任何合适类型的分析。如果对从像素阵列1302读出的信号的分析在芯片上执行，则芯片1300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可以具有用于执行分析的微处理器，该微处理器是控制电路1304的一部分或独立于控制电路1304。如果在芯片上执行分析，则在一些实施例中，可以将分析结果发送到外部设备或以其他方式通过接口1308提供到芯片外。在一些实施例中，所有或部分分析可以在芯片外执行。如果在芯片外执行分析，则从像素阵列1302读出的信号和/或由芯片1300执行的任何分析的结果可以通过接口1308提供给外部设备。
在一些实施例中，芯片1300可以包括以下一项或多项：
1)片上数字控制像素偏置发生器(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为差分信号并向该信号应用增益
3)数字控制放大器偏置发生器，允许随输出速率调整功耗。
制造技术
如上所述，具有本文描述的漏极的芯片可通过CMOS工艺形成。下面描述了合适工艺的示例。在一些实施例中，可以使用与在2017年12月22日提交的标题为“具有直接合并像素的集成光电探测器”的美国公开专利申请2018/0180546中描述的工艺相同或相似的工艺，该专利申请的全部内容以引用的方式整体并入。这种工艺可以使用适当的掩模来形成这里公开的漏极和其他结构。然而，这只是说明性的，因为可以使用各种不同的工艺。
1.初制晶圆。晶圆可以由任何类型的半导体材料形成，其示例包括硅、锗和硅-锗。晶圆可以是任何类型的晶圆，例如体半导体晶圆、具有外延生长的半导体材料的晶圆和/或绝缘体上硅(SOI)晶圆。在这个阶段，深掺杂区134(例如，图10B)可以存在于晶圆中。
2.深n阱注入和激活，例如，使用快速热退火(RTA)或其他类型的热退火。此步骤可以与STI循环步骤3切换，具体取决于节点和代工厂。
3.STI循环，例如蚀刻硅以形成沟槽137。
4.阱注入和激活，可包括阈值调整和抗穿通注入。
5.多晶栅极循环，例如用于形成读出晶体管的栅极。
6.轻掺杂漏极注入，用于形成LDD-MOSFET漏极，不要与本文公开的杂散电荷收集/排斥漏极混淆。这种MOSFET可以用在像素内的转移栅和/或读出晶体管上。
7.像素n型注入，可用于形成光电二极管的n型掺杂区域。可以使用单次注入或多次注入来形成光电二极管。在一些实施例中，多次注入可以帮助实现跨光电二极管的更好的电荷转移。
8.间隔物沉积和蚀刻，例如在各种晶体管的栅极侧面形成间隔物。
9.S/D(源极/漏极)注入和激活。例如用于读出晶体管，掺杂区域132可以在该步骤中形成，也可以在步骤8之后的任何其他步骤中形成。
10.像素p型注入和激活，可用于形成光电二极管的p型掺杂区域。
11.RPO/硅化物循环，可用于在半导体和金属触点之间形成硅化物，从而形成欧姆接触。
12.后端(硅顶部的氧化物和金属层)。该步骤可用于形成触点136。
区域801和802可以在多个不同步骤中的任何一个中形成。例如，它们可以在上面的步骤10中形成。作为另一示例，它们可以在上面的步骤9中形成，特别是如果区域801可以用与源极或漏极注入相同的注入参数来形成。然而，在某些情况下，区域801和802可以是用与源极或漏极注入不同的注入参数形成的注入物，这可能需要用与源极或漏极注入不同的掩模和/或工艺循环来形成它们。
计算设备
图19是示例性计算设备1000的框图，该计算设备1000可用于实现控制电路以控制像素阵列或执行对来自像素的数据的分析。计算设备1000可以包括一个或多个处理器1001和一个或多个有形的、非暂时性计算机可读存储介质(例如，存储器1003)。存储器1003可以将计算机程序指令存储在有形的非暂时性计算机可记录介质中，该计算机程序指令在被执行时实现任何上述功能。处理器1001可以耦合到存储器1003并且可以执行这样的计算机程序指令以使功能被实现和执行。
计算设备1000还可以包括网络输入/输出(I/O)接口1005，计算设备可以通过该接口与其他计算设备通信(例如，通过网络)，并且还可以包括一个或多个用户I/O接口1007，计算设备可以通过该接口向用户提供输出并接收来自用户的输入。用户I/O接口可以包括诸如键盘、鼠标、麦克风、显示设备(例如，监视器或触摸屏)、扬声器、相机和/或各种其他类型的I/O设备之类的设备。
上述实施例可以以多种方式中的任何一种方式实现。例如，可以使用硬件、软件或其组合来实现实施例。当以软件实现时，软件代码可以在任何合适的处理器(例如，微处理器)或处理器集合上执行，无论这些处理器或处理器集合是在单个计算设备中提供还是分布在多个计算设备中。应当理解，执行上述功能的任何组件或组件集合通常可以被认为是控制上述功能的一个或多个控制器。一个或多个控制器可以以多种方式实现，例如用专用硬件，或用使用微代码或软件编程以执行上述功能的通用硬件(例如，一个或多个处理器)。
在此方面，应当理解，本文描述的实施例的一种实现包括至少一种计算机可读存储介质(例如，RAM、ROM、EEPROM、闪存或其他存储技术、CD-ROM、数字多功能盘(DVD)或其他光盘存储器、磁带盒、磁带、磁盘存储器或其他磁性存储设备，或其他有形的、非暂时性计算机可读存储介质)，其编码有计算机程序(即，多个可执行指令)，当在一个或多个处理器上执行时，计算机程序执行上述一个或多个实施例的功能。计算机可读介质可以是可传输的，使得存储在其上的程序可以加载到任何计算设备上以实现本文讨论的技术的各方面。此外，应当理解，对在执行时执行任何上述功能的计算机程序的引用不限于在主机计算机上运行的应用程序。相反，术语计算机程序和软件在本文中以一般意义使用来指代可用于对一个或多个处理器进行编程以实现本文讨论的技术的各方面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)。
其他应用
尽管本文描述的集成光电探测器如上所述可应用于多个生物和/或化学样品的分析，但是集成光电探测器也可应用于其他应用，例如成像应用。在一些实施例中，集成光电探测器可以包括像素阵列，该像素阵列执行区域、对象或场景的成像，并且可以探测各个像素从区域、对象或场景的不同区域接收到的光的时间特性。例如，在一些实施例中，集成光电探测器可以基于从组织接收到的光的时间特性来执行组织成像，这可以使执行程序(例如，外科手术)的医生能够识别组织的异常或患病区域(例如，癌变或癌前病变)。在一些实施例中，集成光电探测器可以结合到医疗设备中，例如外科成像工具。在一些实施例中，可以获得关于响应于激发光脉冲由组织发射的光的时域信息以对组织进行成像和/或表征。例如，组织或其他对象的成像和/或表征可以使用荧光寿命成像来执行。
尽管集成光电探测器可以应用在科学或诊断环境中，例如通过对生物和/或化学样品进行成像或分析，或对组织进行成像，如上所述，但是这种集成光电探测器可以用于任何其他合适的环境中。例如，在一些实施例中，这种集成光电探测器可以使用在各个像素中探测到的光的时间特性对场景进行成像。用于对场景进行成像的应用示例是距离成像或飞行时间成像，其中分析光到达光电探测器所花费的时间量以确定光行进到光电探测器的距离。这种技术可用于执行场景的三维成像。例如，可以用从相对于集成光电探测器的已知位置发射的光脉冲以及由光电探测器探测到的反射光来照亮场景。测量光到达集成光电探测器的阵列的各个像素所花费的时间量，以确定光从场景的各个部分行进以到达光电探测器的各个像素的距离。在一些实施例中，集成光电探测器可以并入诸如相机、蜂窝电话或平板计算机之类的消费电子设备中，例如，以使此类设备能够基于获得的距离信息捕获和处理图像或视频。
在一些实施例中，本申请中描述的集成光电探测器可用于测量低光强度。这样的光电探测器可以适用于需要具有高灵敏度的光电探测器的应用，例如当前使用单光子计数技术的应用。然而，本文描述的技术不限于，因为本申请中描述的集成光电探测器可以测量任何合适的光强度。
其他发光寿命应用
使用寿命的成像和表征
如上所述，本文所述的技术不限于使用外源荧光团进行标记、探测和定量。在一些实施例中，可以使用荧光寿命成像技术，通过使用集成光电探测器对区域、对象或样品进行成像和/或表征。在这样的技术中，区域、对象或样品本身的荧光特性可以用于成像和/或表征。可以通过寿命成像和/或表征来探测外源标记或内源标记。为了探测特定靶标成分的存在和/或位置，可以将附着于探针上的外源标记提供给区域、对象或样品。外源标记可以充当作为标记探针的一部分的标记和/或报告基因，以探测包含标记的探针的靶标的区域、对象或样品的部分。内源标记的自发荧光可提供无标记和非侵入性空间分辨率对比，无需引入内源标记即可轻松用于成像。例如，来自生物组织的自发荧光信号可取决于并指示组织的生化和结构组成。
荧光寿命测量可以提供荧光团周围条件的定量测量。除了探测或对比之外，还可以对条件进行定量测量。荧光团的荧光寿命可取决于荧光团的周围环境，例如pH或温度，并且荧光寿命值的变化可以指示荧光团周围环境的变化。例如，荧光寿命成像可以绘制样本局部环境的变化，例如生物组织(例如，组织切片或手术切除)。内源性荧光团的自发荧光的荧光寿命测量可用于探测组织中的物理和代谢变化。例如，组织结构、形态、氧合、pH、血管分布、细胞结构和/或细胞代谢状态的变化可以通过测量来自样品的自发荧光和根据测量的自发荧光确定寿命来探测。这些方法可用于临床应用，例如筛查、图像引导活检或手术和/或内窥镜检查。在一些实施例中，本申请的集成光电探测器可以结合到临床工具(例如，外科器械)中，以执行荧光寿命成像。基于测量的自发荧光确定荧光寿命作为一种无标记成像方法提供了临床价值，此方法使临床医生能够快速筛查组织并探测肉眼不明显的小癌症和/或癌前病变。荧光寿命成像可用于探测和描绘恶性细胞或组织，例如发射荧光寿命比健康组织更长的荧光的肿瘤或癌细胞。例如，荧光寿命成像可用于探测光学可及组织上的癌症，例如胃肠道、膀胱、皮肤或手术期间暴露的组织表面。
在一些实施例中，荧光寿命可用于显微技术以提供不同类型或状态的样品之间的对比。荧光寿命成像显微术(FLIM)可以通过用光脉冲激发样品、在荧光信号衰减时探测荧光信号以确定寿命并在所得图像中绘制衰减时间来执行。在这样的显微镜图像中，图像中的像素值可以基于为收集视场的光电探测器中的每个像素确定的荧光寿命。
使用时间信息对场景或对象进行成像
如上所述，本申请中描述的集成光电探测器可用于科学和临床环境中，其中发射光的时序可用于对区域、对象或样品进行探测、量化和/或成像。然而，本文描述的技术不限于科学和临床应用，因为集成光电探测器可用于任何可以利用关于入射光子到达时间的时间信息的成像应用。一个应用示例是飞行时间成像。
飞行时间应用
在一些实施例中，集成光电探测器可用于基于测量散射或反射光的时间分布的成像技术，包括飞行时间测量。在这样的飞行时间测量中，可以将光脉冲发射到区域或样品中，并且可以通过集成光电探测器探测散射光。散射光或反射光可以具有不同的时间分布，该时间分布可以指示区域或样品的特征。样品的反向散射光可以通过它们在样品中的飞行时间来探测和分辨。这样的时间分布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多个时间段上的积分强度来获取时间分布。可以以一定的速率重复光脉冲和累积散射光，以确保在产生后续光脉冲之前所有先前的TPSF完全消失。时间分辨扩散光学成像方法可以包括光谱扩散光学断层扫描，其中光脉冲可以是红外光，以便在样品的更深处成像。这种时间分辨扩散光学成像方法可用于探测生物体或生物体的一部分(例如，人的头部)中的肿瘤。
附加地或替代地，飞行时间测量可用于基于光速和发射光脉冲与探测从对象反射的光之间的时间来测量距离或距离范围。此类飞行时间技术可用于多种应用，包括相机、汽车中的接近探测传感器、人机界面、机器人技术和可使用由此类技术收集的三维信息的其他应用。
其他方面
本发明的各个方面可以单独使用、组合使用或以在前述实施例中未具体讨论的各种布置方式使用，因此其应用不限于在前述说明中阐述或在附图中示出的细节和组件布置。例如，在一个实施例中描述的一些方面可以以任何方式与在其他实施例中描述的一些方面组合。
此外，本发明可以体现为一种方法，已经提供了该方法的示例。作为该方法的一部分执行的动作可以以任何合适的方式排序。因此，可以构造其中以不同于图示的顺序执行动作的实施例，这可以包括同时执行一些动作，即使这些动作在说明性实施例中被示为顺序动作。
在权利要求中使用诸如“第一”、“第二”、“第三”等顺序术语来修饰权利要求要素本身并不意味着一个权利要求要素相对于另一个具有任何优先权、优先级或顺序，也不意味着执行方法动作的时间，而是仅用作标签以区分具有特定名称的一个权利要求元素与另一具有相同名称的元素(如果未使用序数词)，从而区分权利要求元素。序数词的使用也不意在排除其他要素。例如，“第一”和“第二”要素的引用不排除“第三”要素或其他要素的存在。
此外，本文使用的措辞和术语是出于描述的目的，不应被视为限制。本文中“包括”、“包含”或“具有”、“含有”、“涉及”及其变体的使用意在涵盖其后列出的项目及其等同物以及其他项。

Claims (48)

1.一种集成电路，包括：
像素，其包括：
光电探测区域；以及
漏极，其被配置为丢弃所述光电探测区域外的所述像素的半导体区域内的电荷载流子。
2.根据权利要求1所述的集成电路，其中所述漏极被配置为使得当所述漏极被偏置在所述像素的操作电压范围内的电压时，所述漏极不从所述光电探测区域提取电荷载流子。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的集成电路，其中所述漏极维持在固定电压。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的集成电路，其中所述漏极的电压是可变的。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的集成电路，其中所述漏极包括半导体区域。
6.根据权利要求5所述的集成电路，还包括接触所述半导体区域的导电触点。
7.根据权利要求6所述的集成电路，其中所述导电触点是金属插塞。
8.根据权利要求6或权利要求7所述的集成电路，其中在平面图中，所述导电触点不延伸到所述漏极的区域之外。
9.根据权利要求5所述的集成电路，其中所述半导体区域是掺杂的。
10.根据权利要求9所述的集成电路，其中所述半导体区域是n型掺杂的。
11.根据权利要求10所述的集成电路，还包括位于n型掺杂的所述半导体区域下方的p型掺杂的第二半导体区域。
12.根据权利要求1-11中任一项所述的集成电路，其中所述半导体区域与所述光电探测区域间隔开。
13.根据权利要求1-12中任一项所述的集成电路，其中所述漏极是第一漏极，并且所述像素还包括第二漏极。
14.根据权利要求13所述的集成电路，其中所述第一漏极位于所述光电探测区域的第一侧，并且所述第二漏极位于所述光电探测区域的第二侧。
15.根据权利要求13或权利要求14所述的集成电路，其中所述像素还包括第三漏极。
16.根据权利要求15所述的集成电路，其中所述第三漏极位于所述像素的读出区域内。
17.根据权利要求15或权利要求16所述的集成电路，其中所述第三漏极被配置为从所述光电探测区域丢弃载流子。
18.根据权利要求1-17中任一项所述的集成电路，其中所述漏极包括pn结或肖特基结。
19.根据权利要求1-18中任一项所述的集成电路，其中所述漏极建立与所述光电探测区域的耗尽区重叠的耗尽区。
20.根据权利要求1-19中任一项所述的集成电路，其中所述漏极被配置为收集和丢弃像素电路或一个或多个掺杂区域下方的电荷载流子。
21.根据权利要求1-20中任一项所述的集成电路，其中所述漏极是第一漏极，并且所述集成电路还包括第二漏极，其中所述第二漏极被配置为从所述光电探测区域丢弃载流子。
22.一种集成电路，包括：
像素，其包括：
光电探测区域；以及
漏极，其被配置为丢弃来自所述光电探测区域的电荷载流子，其中所述漏极包括半导体区域，并且所述半导体区域通过金属触点来接触。
23.根据权利要求22所述的集成电路，其中所述半导体区域与所述光电探测区域接触。
24.根据权利要求22或权利要求23所述的集成电路，其中所述半导体区域是掺杂的。
25.根据权利要求24所述的集成电路，其中所述半导体区域通过掺杂类型与所述半导体区域相反的第二半导体区域与所述光电探测区域分开。
26.根据权利要求22-25中任一项所述的集成电路，其中所述漏极被控制为当所述漏极将电荷载流子拉出所述光电探测区域时处于第一电压，并且所述漏极被控制为当所述漏极不将电荷载流子拉出所述光电探测区域时处于第二电压。
27.根据权利要求22-26中任一项所述的集成电路，其中所述漏极被配置为当所述漏极不丢弃来自所述光电探测区域的电荷载流子时，在所述光电探测区域和所述漏极之间产生势垒。
28.根据权利要求22-27中任一项所述的集成电路，其中在平面图中，所述金属触点不延伸到所述漏极的区域之外。
29.根据权利要求22-28中任一项所述的集成电路，还包括位于所述金属触点和所述漏极之间的硅化物材料。
30.根据权利要求22-29中任一项所述的集成电路，其中在所述金属触点和所述漏极之间的电路径中不存在多晶硅。
31.一种集成电路，包括：
像素，其包括：
光电探测区域；以及
漏极，其被配置为丢弃来自所述光电探测区域的电荷载流子，其中所述漏极包括半导体区域，其中通过不包括多晶硅电极的导电路径形成到所述半导体区域的电接触。
32.根据权利要求31所述的集成电路，其中所述半导体区域与所述光电探测区域接触。
33.根据权利要求31或权利要求32所述的集成电路，其中所述半导体区域是掺杂的。
34.根据权利要求33所述的集成电路，其中所述半导体区域通过掺杂类型与所述半导体区域相反的第二半导体区域与光电探测区域分开。
35.根据权利要求31-34中任一项所述的集成电路，其中所述漏极被控制为当所述漏极将电荷载流子拉出所述光电探测区域时处于第一电压，并且所述漏极被控制为当所述漏极不将电荷载流子拉出所述光电探测区域时处于第二电压。
36.根据权利要求31-35中任一项所述的集成电路，其中所述漏极被配置为当所述漏极不丢弃来自所述光电探测区域的电荷载流子时，在所述光电探测区域和所述漏极之间产生势垒。
37.根据权利要求31-36中任一项所述的集成电路，其中所述电接触由在平面图中不延伸到所述漏极的区域之外的金属触点制成。
38.一种集成电路，包括：
像素，其包括：
光电探测区域；以及
光电二极管，其被配置为收集和排出不想要的电荷载流子。
39.根据权利要求38所述的集成电路，其中所述光电二极管是第一光电二极管，并且所述光电探测区域包括第二光电二极管。
40.根据权利要求39所述的集成电路，其中所述第一和第二光电二极管具有相同的掺杂分布。
41.根据权利要求39或权利要求40所述的集成电路，其中所述第一和第二光电二极管是钉扎光电二极管。
42.根据权利要求38-41中任一项所述的集成电路，其中所述光电探测区域包括用于将电荷载流子从所述光电探测区域转移到电荷存储区域的栅极。
43.根据权利要求38-42中任一项所述的集成电路，其中所述光电探测区域是第一光电探测区域，并且所述光电二极管位于所述第一光电探测区域和第二光电探测区域之间。
44.根据权利要求43所述的集成电路，其中所述光电二极管被配置为收集和排出来自所述第一和第二光电探测区域之间的不想要的电荷载流子。
45.一种制造集成电路的方法，所述方法包括：
形成包括光电探测区域和漏极的像素，所述漏极被配置为丢弃所述光电探测区域外的所述像素的半导体区域内的电荷载流子。
46.一种制造集成电路的方法，所述方法包括：
形成包括光电探测区域和漏极的像素，所述漏极被配置为丢弃来自所述光电探测区域的电荷载流子，以及
形成接触所述漏极的金属触点。
47.一种制造集成电路的方法，所述方法包括：
形成包括光电探测区域和漏极的像素，所述漏极被配置为丢弃来自所述光电探测区域的电荷载流子；以及
通过不包括多晶硅电极的导电路径与所述漏极电接触。
48.一种制造集成电路的方法，所述方法包括：
形成包括光电探测区域和光电二极管的像素，所述光电二极管被配置为收集和排出不想要的电荷载流子。
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