JP2024500353A - 電荷移動効率を向上した集積回路および関連技術 - Google Patents

電荷移動効率を向上した集積回路および関連技術 Download PDF

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Abstract

本開示は、入射光子を受け取るように構成された集積回路内における電荷移動の速度および効率を改善するための技術を提供する。本開示のいくつかの態様は、集積回路であって、その集積回路内の電荷移動の速度および効率を増加させる１つまたは複数の固有電界を誘起するように構成された集積回路に関する。本開示のいくつかの態様は、集積回路の１つまたは複数の光検出領域において電荷キャリア空乏を誘起するように構成された集積回路に関する。いくつかの実施形態において、光検出領域内の電荷キャリア空乏は、集積回路に印加される外部電界が存在しない場合にも空乏が誘起されるという点で固有であり得る。本開示のいくつかの態様は、本明細書に記載される集積デバイスを動作および／または製造するためのプロセスに関する。

Description

本開示は、サンプル分析のために何万ものサンプルウェルに対してより同時に短光パルスを提供するとともにサンプルウェルからの蛍光信号を受け取ることによって、サンプルの超並列分析を行うことを可能にした集積デバイスおよび関連する機器に関する。本機器は、ポイント・オブ・ケア遺伝子シーケンシングおよび個別化医療に有用であり得る。
光検出器は、様々な用途において光を検出するために使用される。集積化光検出器は、入射光の強度を示す電気信号を生成するものとして開発されている。画像形成用途のための集積化光検出器は、ある領域を横切って受け取られる光の強度を検出するためのピクセルのアレイを含む。集積化光検出器の例としては、電荷結合素子（ＣＣＤ）および相補型金属酸化膜半導体（ＣＭＯＳ）画像センサが挙げられる。
生体サンプルまたは化学的サンプルの超並列分析が可能な機器は、それらが大きなサイズであること、携帯性がないこと、機器を操作するために熟練した技術者が必要であること、電力が必要であること、管理された動作環境が必要であること、およびコスト、などといったいくつかの要因のために、通常は、研究室の環境に限定される。このような装置を使用してサンプルを分析する場合、一般的なパラダイムは、臨床または現場においてサンプルを抽出し、サンプルを研究室に送り、分析の結果を待つことである。結果の待ち時間は、数時間から数日に及び得る。
本開示のいくつかの態様は、第１の方向において入射光子を受け取り、前記入射光子の受け取りに応答して電荷キャリアを生成し、前記第１の方向において第１の固有電界を誘起するように構成された光検出領域と、前記光検出領域から前記電荷キャリアを受け取るように構成された１つまたは複数の電荷蓄積領域とを備える集積回路を提供する。
本開示のいくつかの態様は、集積回路の光検出領域において第１の固有電界を第１の方向に誘起すること、前記第１の方向において入射光子を前記光検出領域にて受け取ること、前記入射光子に応答して前記光検出領域内で生成された電荷キャリアを前記集積回路の１つまたは複数の電荷蓄積領域にて受け取ることを備える方法を提供する。
本開示のいくつかの態様は、入射光子を受け取ることに応答して電荷キャリアを生成し、第１の方向に第１の固有電界を誘起するように構成された光検出領域と、前記光検出領域から前記電荷キャリアを受け取るように構成された１つまたは複数の電荷蓄積領域と、前記第１の方向における前記光検出領域および前記１つまたは複数の電荷蓄積領域の後に位置し、前記光検出領域から前記１つまたは複数の電荷蓄積領域への電荷キャリアの伝送、および／または前記１つまたは複数の電荷蓄積領域から読み出し領域への電荷キャリアの伝送を制御するように構成された１つまたは複数の伝送ゲートと、を備える集積回路を提供する。
本開示のいくつかの態様は、集積回路の光検出領域において第１の固有電界を第１の方向に誘起すること、前記光検出領域において入射光子を受け取ることに応答して電荷キャリアを生成すること、前記光検出領域からの前記電荷キャリアを１つまたは複数の電荷蓄積領域において受け取ること、前記第１の方向における前記光検出領域および前記１つまたは複数の電荷蓄積領域の後に位置する１つまたは複数の伝送ゲートを使用して、前記光検出領域から前記１つまたは複数の電荷蓄積領域への電荷キャリアの伝送、および／または前記１つまたは複数の電荷蓄積領域から読み出し領域への電荷キャリアの伝送を制御することを備える方法を提供する。
本開示のいくつかの態様は、第１の方向において入射光子を受け取り、前記入射光子を受け取ることに応答して電荷キャリアを生成するように構成された光検出領域と、前記光検出領域から前記電荷キャリアを受け取るように構成された１つまたは複数の電荷蓄積領域と、前記光検出領域から前記１つまたは複数の電荷蓄積領域に向けて前記電荷キャリアを少なくとも部分的に前記第１の方向に伝搬するために前記光検出領域内に電荷キャリア空乏を誘起するように構成された１つまたは複数の荷電および／またはバイアス領域とを備える集積回路を提供する。
本開示のいくつかの態様は、集積回路の光検出領域内に電荷キャリア空乏を誘起すること、第１の方向において入射光子を前記光検出領域にて受け取ること、前記入射光子を受け取ることに応答して前記光検出領域において電荷キャリアを生成すること、前記光検出領域からの前記電荷キャリアを少なくとも部分的に前記第１の方向に伝搬すること、前記光検出領域からの前記電荷キャリアを前記集積回路の１つまたは複数の電荷蓄積領域において受け取ることを備える方法を提供する。
本開示のいくつかの態様は、第１の方向において入射光子を受け取り、前記入射光子を受け取ることに応答して電荷キャリアを生成するように構成された光検出領域と、前記光検出領域から前記電荷キャリアを受け取るように構成された１つまたは複数の電荷蓄積領域と、前記光検出領域内に固有電荷キャリア空乏を誘起するように構成された１つまたは複数の領域とを備える集積回路を提供する。
本開示のいくつかの態様は、集積回路の光検出領域内に固有電荷キャリア空乏を誘起すること、第１の方向において入射光子を前記光検出領域にて受け取ること、前記入射光子を受け取ることに応答して前記光検出領域において電荷キャリアを生成すること、前記光検出領域からの前記電荷キャリアを前記集積回路の１つまたは複数の電荷蓄積領域にて受け取ることを備える方法を提供する。
本開示のいくつかの態様は、集積回路を製造する方法であって、前記集積回路の光検出領域を形成することを備える方法を提供する。前記光検出領域は、前記光検出領域が入射光子を受け取る第１の方向において前記光検出領域内に第１の電界を誘起するように形成される。
本開示のいくつかの態様は、集積回路を製造する方法であって、前記集積回路の光検出領域を形成すること、前記光検出領域内に固有電荷キャリア空乏を誘起するために１つまたは複数の荷電領域を形成することを備える方法を提供する。
本開示のいくつかの態様は、集積回路を製造する方法であって、第１のピクセルの第１の光検出領域と第２のピクセルの第２の光検出領域との間に１つまたは複数の荷電および／またはバイアス領域を形成することを備える方法を提供する。
以上の概要は限定することを意図していない。本開示の態様は、種々の実施形態にしたがって、単独でも、または他の態様と組み合わせても実施することができる。
いくつかの実施形態による、ピクセルの行を示す例示的な集積デバイスの概略断面図である。 いくつかの実施形態による、図１－１の集積デバイスのピクセルの断面図である。 いくつかの実施形態による、図１－２のピクセルの回路図である。 いくつかの実施形態による、図１－３のピクセルにおける例示的な電荷移動を示す図である。 いくつかの実施形態による、図１－１の集積デバイスに含まれ得るシールド部を有するピクセルの例示的なアレイの上面図である。 いくつかの実施形態による、代替構成におけるシールド部を含む、図１－１の集積デバイスに含まれ得るピクセルの例示的アレイの上面図である。 いくつかの実施形態による、さらなる代替構成におけるシールド部を含む図１－１の集積デバイスに含まれ得るピクセルの例示的なアレイの上面図である。 いくつかの実施形態による、図２－１Ａに示されたアレイのピクセルの上面図である。 いくつかの実施形態による、図２－１Ｂに示されたアレイのピクセルの上面図である。 いくつかの実施形態による、図２－１Ｃに示されたアレイのピクセルの上面図である。 いくつかの実施形態による、図２－１Ａ、図２－１Ｂ、または図２－１Ｃのアレイに含まれ得る例示的なピクセルのレイアウトスケッチである。 いくつかの実施形態による、図２－１Ａ、図２－１Ｂ、および図２－１Ｃのアレイに含まれ得る代替的な例示的なピクセルのレイアウトスケッチである。 いくつかの実施形態による、図２－４Ａのピクセルのレイアウトスケッチである。 いくつかの実施形態による、図２－１Ａ、図２－１Ｂ、および図２－１Ｃのアレイに含まれ得る不連続Ｃ／Ｂ領域を有する例示的なピクセルのレイアウトスケッチである。 いくつかの実施形態による、図２－１Ａ、図２－１Ｂ、および図２－１Ｃのアレイに含まれ得る不連続Ｃ／Ｂ領域を有する代替的な例示的ピクセルのレイアウトスケッチである。 いくつかの実施形態による、図２－１Ａおよび図２－１Ｂのアレイに含まれ得る例示的なピクセルの概略断面図である。 いくつかの実施形態による、図２－１Ａおよび図２－１Ｂのアレイに含まれ得る代替的な例示的なピクセルの概略断面図である。 いくつかの実施形態による、光検出領域が電荷蓄積領域の下に延在する、図２－１Ａおよび図２－１Ｂのアレイに含まれ得る例示的なピクセルの概略断面図である。 いくつかの実施形態による、光検出領域が電荷蓄積領域の下に延在する、図２－１Ａおよび図２－１Ｂのアレイに含まれ得る代替的な例示的なピクセルの概略断面図である。 いくつかの実施形態による、第１の方向において光検出領域の一部のみに沿って延在するバリアを有する、図２－１Ａおよび図２－１Ｂのアレイに含まれ得る例示的なピクセルの概略断面図である。 いくつかの実施形態による、図２－２Ｃのピクセルの概略断面図である。 いくつかの実施形態による、光検出領域に沿ってシールドから伝送ゲートまで第１の方向に延在する荷電および／またはバイアス領域を有する図２－１Ｃのアレイに含まれ得る例示的なピクセルの概略断面図である。 いくつかの実施形態による、第１の方向において光検出領域に沿って配置された複数のバリアを有する図２－１Ｃのアレイに含まれ得る例示的なピクセルの概略断面図である。 いくつかの実施形態による、図２－１Ａ、図２－１Ｂ、および図２－１Ｃのアレイに含まれ得る例示的なピクセルの一部の概略断面図である。 いくつかの実施形態による、図２－１Ａ、図２－１Ｂ、および図２－１Ｃのアレイに含まれ得る複数の電荷蓄積領域を有する例示的なピクセルのレイアウトスケッチである。 いくつかの実施形態による、図２－１３のピクセルにおける例示的な電荷移動を示す図である。 いくつかの実施形態による、ピクセル内のドーパント濃度を示す、図１－１の集積デバイスに含まれ得る例示的なピクセルの斜視図である。 いくつかの実施形態による、ピクセル内のドーパント濃度を示す、図３－１のピクセルの断面の側面図である。 いくつかの実施形態による、図３－２のピクセルの第１のサブ断面における深さに対するｎ型および総ドーパント濃度のグラフである。 いくつかの実施形態による、図３－２のピクセルの第２のサブ断面におけるｐ型ドーパント濃度対深さのグラフである。 いくつかの実施形態による、ピクセル内の電荷キャリア密度を示す、本明細書に記載の技術を組み込んだ図３－１のピクセルの断面の側面図である。 いくつかの実施形態による、ピクセル内の電荷キャリア密度を示す別の例示的なピクセルの断面の側面図である。 いくつかの実施形態による、図３－５Ａおよび図３－５Ｂのピクセルの異なる深さにおける電荷キャリアの数を経時的に示すグラフである。 いくつかの実施形態による、図３－６Ａのグラフの一部の拡大図である。 いくつかの実施形態による、ピクセル内の電界を示す、本明細書に記載の技術を組み込んだ図３－１のピクセルの断面の側面図である。 いくつかの実施形態による、ピクセル内の電界を示す図３－５Ｂのピクセルの断面の側面図である。 いくつかの実施形態による、図３－１および図３－５Ｂのピクセルのサブ断面についての電界対深さのグラフである。 いくつかの実施形態による、図３－１のピクセルの異なる深さにおける電荷キャリアの数を経時的に示すグラフである。 いくつかの実施形態による、図３－９Ａのグラフの一部の拡大図である。 いくつかの実施形態による、図３－９Ｂのグラフの一部のさらなる拡大図である。 いくつかの実施形態による、異なる構成を有する複数のピクセルについての経時的な電荷キャリアの数を示すグラフである。 いくつかの実施形態による、励起パルスから１ナノ秒後のピクセル内の電荷キャリア密度を示す、図３－１のピクセルの断面の側面図である。 いくつかの実施形態による、励起パルスから１ナノ秒後のピクセル内の電荷キャリア密度を示す、別の例示的ピクセルの断面の側面図である。 いくつかの実施形態による、ピクセル内の電界を示す、図３－１のピクセルの断面の側面図である。 いくつかの実施形態による、ピクセル内の電界を示す、図３－１１Ｂのピクセルの断面の側面図である。 いくつかの実施形態による、図３－１および図３－１１Ｂのピクセルのサブ断面についての電界対深さのグラフである。 いくつかの実施形態による、図１－１の集積デバイスに含まれ得る１つまたは複数の荷電領域を有する例示的なピクセルの断面の側面図である。 いくつかの実施形態による、図１－１の集積デバイスに含まれ得る１つまたは複数の金属領域を有する例示的なピクセルの断面の側面図である。 いくつかの実施形態による、図１－１の集積デバイスに含まれ得る１つまたは複数の荷電領域および光指向性構造を有する例示的なピクセルの断面の側面図である。 いくつかの実施形態による、集積デバイスおよび機器のブロック図である。 いくつかの実施形態による、集積デバイスを含む装置の概略図である。 いくつかの実施形態による、小型モードロックレーザモジュールを含む分析機器のブロック図描写である。 いくつかの実施形態による、分析機器に組み込まれた小型モードロックレーザモジュールを示す。 いくつかの実施形態による光パルス列を示す。 いくつかの実施形態による、１つまたは複数の導波路を介して、パルスレーザによって光学的に励起可能な並列反応チャンバの実施例を示す。 いくつかの実施形態による、導波路からの反応チャンバの光励起の例示である。 いくつかの実施形態による、統合された反応チャンバ、光導波路、および時間ビニング光検出器のさらなる詳細の描写である。 いくつかの実施形態による、反応チャンバ内で生じ得る生物学的反応の実施例の描写である。 いくつかの実施形態による、異なる減衰特性を有する２つの異なるフルオロフォアについての放出確率曲線を示す。 いくつかの実施形態による、蛍光放出の時間ビニング検出の描写である。 いくつかの実施形態による、時間ビニング光検出器の描写である。 いくつかの実施形態による、パルス励起およびサンプルからの蛍光放出の時間ビニング検出の描写である。 いくつかの実施形態による、サンプルの反復パルス励起後の種々の時間ビンにおける累積蛍光光子数のヒストグラムの描写である。 いくつかの実施形態による、Ｔヌクレオチドまたはヌクレオチド類似体に対応するヒストグラムを示す。 いくつかの実施形態による、Ａヌクレオチドまたはヌクレオチド類似体に対応するヒストグラムを示す。 いくつかの実施形態による、Ｃヌクレオチドまたはヌクレオチド類似体に対応するヒストグラムを示す。 いくつかの実施形態による、Ｇヌクレオチドまたはヌクレオチド類似体に対応するヒストグラムを示す。 いくつかの実施形態による、エドマン分解による標識されたポリペプチドをシーケンシングする方法を示すフロー図である。 いくつかの実施形態による、離散結合事象が信号出力の信号パルスを生じさせるシーケンシングの方法を示すフロー図であって、信号出力を示すグラフを含む図である。
本開示の特徴および利点は、図面と併せて考慮されることで、以下に記載される詳細な説明からより明らかになり得る。図面を参照して実施形態を説明するとき、方向の言及（「上」、「下」、「頂部」、「底部」、「左」、「右」、「水平」、「垂直」など）が使用される場合がある。そのような参照は、単に、通常の向きで図面を見る読者の助けとすることが意図されている。これらの方向の参照は、具現化されたデバイスの特徴の好ましい向きまたは唯一の向きを説明することを意図するものではない。デバイスは、他の向きを使用しても具現化することができる。
［Ｉ．序論］
本開示の態様は、単一分子の同定および核酸シーケンシングを含む、サンプルを並行して分析することができる集積デバイス、機器、および関連システムに関する。そのような機器は、小型であるもの、持ち運びが容易であるもの、操作が容易であるものとすることができ、かつ、医師または他の提供者が、その機器を容易に使用すること、およびケアが必要とされ得る所望の場所にその機器を輸送することを可能にする。サンプルの分析は、サンプルを１つまたは複数の蛍光マーカで標識することを含み得るものであり、これは、サンプルを検出するため、および／またはサンプルの単一分子を同定する（例えば、核酸シーケンシングの一部としての個々のヌクレオチドを同定する）ために使用され得る。蛍光マーカは、励起光（例えば、蛍光マーカを励起状態に励起し得る特性波長を有する光）で蛍光マーカを照射することに応答して励起され得るものであり、蛍光マーカが励起された場合に放出光（例えば、励起状態から基底状態に戻ることにより蛍光マーカによって放出される特性波長を有する光）を放出する。放出光の検出は、蛍光マーカの同定、したがって、蛍光マーカによって標識されたサンプルまたはサンプルの分子の同定を可能にし得る。いくつかの実施形態によれば、機器は超並列サンプル分析が可能なものであってよく、数万個以上のサンプルを同時に取り扱うように構成され得る。
本発明者らは、サンプルを受容するように構成されたサンプルウェルを有する集積デバイスであって、その集積デバイス上に形成された集積光学系を有する集積デバイスと、この集積デバイスとインターフェースするように構成された機器とが、この数のサンプルの分析を達成するために使用され得ることを認識および理解した。機器は、１つまたは複数の励起光源を含み得る。集積デバイスは、集積デバイス上に形成された集積光学構成要素（例えば、導波路、光カプラ、光学スプリッタ）を使用して励起光がサンプルウェルに送達されるように機器とインターフェース接続し得る。光学構成要素は、集積デバイスのサンプルウェルにわたる照射の均一性を改善し得るものであり、そうでなければ必要とされ得る多数の外部光学構成要素を低減し得る。さらに、本発明者らは、集積デバイス上に光検出領域（例えば、フォトダイオード）を集積することが、サンプルウェルからの蛍光放出の検出効率を改善し、そうでなければ必要とされ得る集光構成要素の数を低減し得ることを認識および理解した。
いくつかの実施形態において、集積デバイスは、蛍光放出光子を受け取り、電荷キャリアを１つまたは複数の電荷蓄積領域に伝送し得る。例えば、光検出領域は、光方向において蛍光放出光子を受け取るように集積デバイス上に配置され得る。また、光検出領域は、集積デバイスの１つまたは複数の電荷蓄積領域（例えば、蓄積ダイオード）に結合されることで、電荷蓄積領域は、蛍光放出光子に応答して光検出領域において生成された電荷キャリアを収集し得る。電荷蓄積領域に蓄積された電荷キャリアの数は、蛍光放出光子が受け取られたサンプルについての情報を得るために読み出され得る。
本発明者らは、電荷キャリアを生成してその電荷キャリアを光検出領域から１つまたは複数の電荷蓄積領域にできるだけ迅速かつ効率的に伝送することが望ましいが、入射光子が集積デバイスで受け取られる場所に対して１つまたは複数の電荷蓄積領域が遠くに配置されている場合、そのように迅速かつ効率的に行うことが困難であることを認識した。例えば、入射光子に応答して集積デバイスで生成された電荷キャリアが電荷蓄積領域に到達するまでに長い時間がかかる場合がある。電荷キャリアの到着時間がサンプルについての情報を得るために使用され得る場合、移動時間が長いことにより、有用とするには遅すぎる時間で電荷キャリアが電荷蓄積領域に到達し得る。そのような場合、遅れて到着する大量の電荷キャリアは、サンプルに関する誤ったタイミング情報を示す可能性があり、集積デバイスから不正確な情報が抽出される原因となる。迅速かつ効率的な電荷伝送は、集積デバイスがその集積デバイスの一方側で入射光子を受け取り、その集積デバイスの反対側に電荷蓄積領域および／または伝送ゲートがある場合に特に困難となる。
上記の課題を解決するために、本発明者らは、集積デバイス内での電荷キャリア生成および伝送の速度および効率を高める集積デバイスおよび関連技術を開発した。本開示のいくつかの態様は、集積回路であって、その集積回路内の電荷移動の速度および効率を増加させる１つまたは複数の固有電界を誘起するように構成された集積回路に関する。集積回路に外部から電界が印加されていない場合であっても、電界が本質的に誘起される。
いくつかの実施形態において、集積回路は、光検出領域および１つまたは複数の電荷蓄積領域を有し得る。光検出領域は、第１の方向（例えば、サンプルウェルから光検出領域に向かう方向）において入射光子を受光し、第１の方向において第１の固有電界を誘起するように構成され得る。例えば、光検出領域は、第１の方向に順に配置された複数の層を有し得るとともに、各層は、異なるドーパント濃度を有するなど異なる固有電位レベルを有し得る。この例では、集積回路に外部電界が印加されていない場合でも光検出領域の層が電界を誘起するように構成され得るという点で、第１の電界が本質的に誘起され得る。電荷蓄積領域は、入射光子に応答して光検出領域で生成された電荷キャリアを受け取るように構成され得る。第１の方向に第１の固有電界を誘起することによって、光検出領域で生成された電荷キャリアは、第１の方向の第１の固有電界によって、電荷蓄積領域に向けて迅速かつ効率的に伝送され得る。
種々の実施形態によれば、本明細書に記載される固有電界は、集積デバイス内で電荷キャリアを伝送させるのに適切な任意の方向および／または複数の方向に誘起され得る。例えば、本明細書に記載される集積デバイスは、第１および第２の垂直な方向に固有電界を誘起するように構成され得る。この場合、電荷キャリアは、光検出領域内で第１の方向に伝送されるとともに、光検出領域から電荷蓄積領域へ向かう第２の方向に伝送される。いくつかの実施形態において、本明細書に記載される固有電界は、外部から印加される電界によって補完され得る。例えば、固有電界は、より小さい大きさの外部印加電界が集積デバイスに印加されることを可能にし、それによって、集積デバイスにおける電力消費および／または熱放散を低減し得る。
いくつかの実施形態において、集積回路は、第１の方向に第１の固有電界を誘起するように構成された光検出領域と、入射光子に応答して光検出領域で生成された電荷キャリアを受け取るように構成された１つまたは複数の電荷蓄積領域と、第１の方向において光検出領域および１つまたは複数の電荷蓄積領域の後に位置し、光検出領域から電荷蓄積領域への電荷キャリアの伝送を制御するように構成された１つまたは複数の伝送ゲートとを有し得る。第１の方向に沿って進む入射光子または電荷キャリアが、第１の方向に沿った伝送ゲートの位置に到達する前に、第１の方向に沿った光検出領域および／または１つまたは複数の電荷蓄積領域の位置に到達するという点で、伝送ゲートは、第１の方向において光検出領域および電荷蓄積領域の後に位置し得る。例えば、１つまたは複数の伝送ゲートおよび１つまたは複数の電荷蓄積領域は、電荷キャリアが１つまたは複数の電荷蓄積領域に到達するまでに移動する長い距離を有するように、光検出領域が入射光子を受け取るように構成されている側とは反対側の集積デバイス上に配置され得る。この例では、第１の固有電界は、電荷キャリアを電荷蓄積領域に迅速かつ効率的に伝送することができ、それによって、集積デバイスの反対側に電荷蓄積領域および伝送ゲートを配置することが容易になる。本発明者らは、この構成が望ましいことを認識しており、その理由は、入射光子を受け取る集積デバイスの側に１つまたは複数の電荷蓄積領域および１つまたは複数の伝送ゲートが配置される場合に比べて、入射光子が１つまたは複数の電荷蓄積領域に到達してノイズ電荷キャリアを生成することが少なくなり得るとともに、１つまたは複数の伝送ゲートの光学特性が入射光子に及ぼす影響が少なくなり得るためである。
本開示のいくつかの態様は、集積回路の１つまたは複数の光検出領域において電荷キャリア空乏を誘起するように構成された集積回路に関する。本発明者らは、光検出領域内の自由電荷キャリアの存在が、光検出領域内での電荷移動の速度および効率、ならびに光検出領域と１つまたは複数の電荷蓄積領域との間の電荷移動の速度および効率に影響を及ぼし得ることを認識した。いくつかの実施形態において、集積回路は、第１の方向において入射光子を受け取り、入射光子を受け取ることに応答して電荷キャリアを生成するように構成された光検出領域と、光検出領域から電荷キャリアを受け取るように構成された１つまたは複数の電荷蓄積領域とを含み得る。集積回路は、光検出領域から電荷蓄積領域に向かって電荷キャリアを少なくとも部分的に第１の方向に伝搬するべく光検出領域内に電荷キャリア空乏を誘起するように構成された１つまたは複数の荷電および／またはバイアス領域をさらに含み得る。例えば、荷電および／またはバイアス領域は、電荷キャリアを電荷層に引き付けることによって電荷キャリアの光検出領域を空乏化するように構成された電荷層を含み得る。この例では、外部電界または他の外部空乏化手段が集積デバイスに適用されない場合であっても電荷層が光検出領域を空乏化できるという点で、電荷層は、光検出領域内に固有電荷キャリア空乏を誘起するように構成され得る。
代替的または追加的に、荷電および／またはバイアス領域は、光検出領域内に電荷キャリア空乏を誘起する電圧バイアスを受けるように構成された金属領域を含み得る。例えば、電圧バイアスは、電源に対する接地接続など、外部電源から集積デバイスに供給され得る。光検出領域内に電荷キャリア空乏を誘起することによって、光検出領域は、入射光子に応答して電荷キャリアをより迅速かつ効率的に受け取り、生成し、伝送することができる。いくつかの実施形態において、光検出領域は、電荷キャリアが枯渇したときには、１立方センチメートル（ｃｍ３）当たり１０１２個未満の電荷キャリア、１ｃｍ３当たり１０６個未満の電荷キャリア、および／または１ｃｍ３当たり１０３個未満の電荷キャリアを有し得る。
また、本発明者らは、本明細書に記載される集積デバイスを動作および／または製造するためのプロセスを開発した。なお、本開示はそれらに限定されるものではなく、本明細書に記載される各技術は単独でまたは組み合わせて実装され得る。
［ＩＩ．集積デバイスの概要］
図１－１には、いくつかの実施形態による、ピクセル１－１１２の行を示す集積デバイス１－１０２の概略断面図が示されている。集積デバイス１－１０２は、結合領域１－２０１、ルーティング領域１－２０２、およびピクセル領域１－２０３を含み得る。結合領域１－２０１は、励起光源から入射励起光を受け取るように構成され得る。ルーティング領域１－２０２は、結合領域１－２０１からの励起光をピクセル領域１－２０３に送達するように構成され得る。ピクセル領域１－２０３は、結合領域１－２０１から離れた位置で表面上に配置された複数のサンプルウェル１－１０８を含み得る。例えば、結合領域１－２０１は、１つまたは複数の格子カプラ１－２１６を含み得る。ルーティング領域１－２０２は、サンプルウェル１－１０８の下で格子カプラ１－２１６からの光を伝搬するように構成された１つまたは複数の導波路１－２２０を含み得る。例えば、１つまたは複数の導波路１－２２０からの励起光のエバネッセント結合は、１つまたは複数のサンプルウェル１－１０８内のサンプルを励起して、蛍光を放射し得る。
図１－１に示されるように、導波路１－２２０から結合された入射励起光を反射するために、１つまたは複数の少なくとも部分的に不透明な（例えば、金属）層１－１０６が表面上に配置され得る。サンプルウェル１－１０８は、サンプルがサンプルウェル１－１０８内に配置されることを可能にするために、層１－１０６を含まなくてもよい。いくつかの実施形態において、１つまたは複数の金属層１－１０６は放出光を反射するように作用し得るため、サンプルウェル１－１０８からの放出光の指向性は、金属層１－１０６に対するサンプルウェル１－１０８内のサンプルの位置に依存し得る。このように、１つまたは複数の金属層１－１０６とサンプルウェル１－１０８内に配置されたサンプル上の蛍光マーカとの間の距離は、蛍光マーカによって放出された光を検出するための、サンプルウェルと同じピクセル内にある１つまたは複数の光検出器１－１１０の効率に影響を及ぼし得る。１つまたは複数の金属層１－１０６と、サンプルが動作中に位置し得る場所に近接するサンプルウェル１－１０６の底面との間の距離は、１００ｎｍ～５００ｎｍの範囲内であるか、またはその範囲内における任意の値もしくは値の範囲であり得る。いくつかの実施形態において、金属層１－１０６とサンプルウェル１－１０６の底面との間の距離は、約３００ｎｍである。
図１－１に示されるように、ピクセル領域１－２０３は、ピクセル１－１１２の１つまたは複数の行を含み得る。点線の矩形によって示される１つのピクセル１－１１２は、サンプルウェル１－１０８と、サンプルウェル１－１０８に関連付けられた１つまたは複数の光検出器１－１１０（例えば、光検出領域を含む）とを含む集積デバイス１－１０２の領域である。いくつかの実施形態において、各光検出器１－１１０は、光検出領域と、サンプルウェル１－１０８からの入射光に応答して光検出領域内で生成された電荷キャリアを受け取るように構成された１つまたは複数の電荷蓄積領域とを含み得る。導波路１－２２０から結合された励起光が、サンプルウェル１－１０８内に位置するサンプルを照射すると、サンプルは、励起状態に到達し、放出光を放出し得る。放出光は、サンプルウェル１－１０８に関連付けられた１つまたは複数の光検出器１－１１０によって検出され得る。図１－１は、サンプルウェル１－１０８からピクセル１－１１２の１つまたは複数の光検出器１－１１０への放出光の光軸（実線として示される）を概略的に示す。ピクセル１－１１２の１つまたは複数の光検出器１－１１０は、サンプルウェル１－１０８からの放出光を検出するように構成および配置され得る。個々のピクセル１－１１２について、サンプルウェル１－１０８およびそのそれぞれの光検出器１－１１０は、共通の光軸に沿って整列され得る。このように、１つまたは複数の光検出器１－１１０は、ピクセル１－１１２内でサンプルウェル１－１０８と重なり合い得る。
また、図１－１に示されるように、集積デバイス１－１０２は、サンプルウェル１－１０８と光検出器１－１１０との間に配置された１つまたは複数のフォトニック構造１－２３０を含み得る。例えば、フォトニック構造１－２３０は、サンプルウェル１－１０８から光検出器１－１１０に到達する放出光の量を増加させるように構成され得る。代替的または追加的に、フォトニック構造１－２３０は、放出光を検出する際の信号ノイズとなり得る励起光が光検出器１－１１０に到達することを低減または防止するように構成され得る。図１－１に示されるように、フォトニック構造１－２３０は、導波路１－２２０と光検出器１－１１０との間に配置され得る。種々の実施形態によれば、フォトニック構造１－２３０は、スペクトルフィルタ、偏光フィルタ、および空間フィルタを含む１つまたは複数の光除去フォトニック構造を含み得る。いくつかの実施形態において、フォトニック構造１－２３０は、個々のサンプルウェル１－１０８およびそれらのそれぞれの光検出器１－１１０と共通軸に沿って整列するように配置され得る。
図１－１に示されるように、金属層１－２４０は、サンプルウェル１－１０８に面する側とは反対側の光検出器１－１１０の側に位置付けられ得る。いくつかの実施形態において、金属層１－２４０は、集積デバイス１－１０２の部分への制御信号および／またはその部分からの制御信号をルーティングするように構成され得る。例えば、制御信号は、集積デバイス１－１０２の１つまたは複数の導電性パッド（図示せず）内の制御回路および／またはそれに結合された制御回路から受信され、金属層１－２４０を介してピクセル１－１１２にルーティングされ得る。
いくつかの実施形態において、サンプルと１つまたは複数の光検出器との間の距離も、放出光を検出する際の効率に影響を及ぼし得る。サンプルと光検出器１－１１０との間を光が移動しなければならない距離を減少させることによって、放出光の検出効率が改善され得る。加えて、サンプルと光検出器１－１１０との間のより小さい距離は、集積デバイスのより小さい面積フットプリントを占有するピクセルを可能にし得るものとなり、これは、より多くのピクセルが集積デバイスに含まれることを可能にし得る。同時に、光検出器１－１１０が配置される基板深さは、金属層１－２４０が配置される側に流れる生成電荷キャリアの量に影響を及ぼし得る。サンプルウェル１－１０６の底面と１つまたは複数の光検出器１－１１０との間の距離は、いくつかの実施形態において５μｍ～１５μｍの範囲内であるか、またはその範囲内における任意の値もしくは値の範囲であり得るが、実施形態はそのように限定されるものではない。なお、いくつかの実施形態において、放出光は、励起光源およびサンプルウェル以外の他の手段を通して提供されてもよい。したがって、いくつかの実施形態は、サンプルウェル１－１０８を含まなくてもよい。
分析されるサンプルは、ピクセル１－１１２のサンプルウェル１－１０８に導入されてもよい。サンプルは、生物学的サンプルまたは任意の他の適切なサンプル（例えば、化学的サンプル）であり得る。サンプルは複数の分子を含んでもよく、サンプルウェルは単一の分子を単離するように構成されてもよい。いくつかの場合において、サンプルウェル１－１０８の寸法は、サンプルウェル１－１０８内に単一分子を閉じ込めるように作用し、測定が単一分子に対して実行されることを可能にする。励起光は、サンプルウェル１－１０８内の照射領域内にある間にサンプルを励起するか、またはサンプルに付着されるかもしくはサンプルと関連付けられた少なくとも１つの蛍光マーカを励起するように、サンプルウェル１－１０８内に送達され得る。
動作中、サンプルウェル１－１０８内のサンプルの並行分析は、励起光を使用してウェル内のサンプルの一部または全部を励起し、サンプル放出からの信号を光検出器１－１１０で検出することによって実行される。サンプルからの放出光は、対応する光検出器１－１１０によって検出され、少なくとも１つの電気信号に変換され得る。電気信号は、集積デバイス１－１０２とインターフェース接続される機器および／または制御回路に接続され得る集積デバイス１－１０２の導電線（例えば、金属層１－２４０）に沿って送信され得る。電気信号は、その後、機器および／または制御回路によって処理および／または分析され得る。
図１－２は、いくつかの実施形態による、集積デバイス１－１０２のピクセル１－１１２の断面図を示す。図１－２に示されるように、ピクセル１－１１２は、ピン留めフォトダイオード（ＰＰＤ）であり得る光検出領域と、蓄積ダイオード（ＳＤ０）であり得る電荷蓄積領域と、浮遊拡散（ＦＤ）領域であり得る読み出し領域と、ドレイン領域Ｄと、伝送ゲートＲＥＪ，ＳＴ０，ＴＸ０とを含む。いくつかの実施形態において、光検出領域ＰＰＤ、電荷蓄積領域ＳＤ０、読み出し領域ＦＤ、および／またはドレイン領域Ｄは、集積デバイス１－１０２の１つまたは複数の基板層の一部をドープすることによって、集積デバイス１－１０２内に形成され得る。例えば、集積デバイス１－１０２は、低濃度ｐドープ基板を有し得る。光検出領域ＰＰＤ、電荷蓄積領域ＳＤ０、読み出し領域ＦＤ、および／またはドレイン領域Ｄは、基板のｎドープ領域であり得る。この例では、ｐドープ領域はホウ素を用いてドープされ得るとともに、ｎドープ領域はリンを用いてドープされ得るが、他のドーパントおよび構成も可能である。いくつかの実施形態において、ピクセル１－１１２は、７．５ミクロン×５ミクロン以下などのように、１０ミクロン×１０ミクロン以下の面積を有し得る。なお、いくつかの実施形態において、本明細書に記載される実施形態はそのように限定されるものではなく、基板は低濃度にｎドープされてもよく、光検出領域ＰＰＤ、電荷蓄積領域ＳＤ０、読み出し領域ＦＤ、および／またはドレイン領域Ｄはｐドープされてもよい。
図１－２において、光検出領域ＰＰＤは、第１の方向Ｄｉｒ１において入射光子を受け取るように構成されており、電荷蓄積領域ＳＤ０、ドレイン領域Ｄ、および読み出し領域ＦＤは、第１の方向Ｄｉｒ１において、光検出領域ＰＰＤの少なくとも一部の後に位置している。例えば、図１－２において、光検出領域ＰＰＤの一部分は、電荷蓄積領域ＳＤ０、ドレイン領域Ｄ、および読み出し領域ＦＤとサンプルウェル１－１０８との間に位置している。図１－２に示される伝送ゲートＳＴ０，ＴＸ０，ＲＥＪは、第１の方向Ｄｉｒ１において、光検出領域ＰＰＤ、電荷蓄積領域ＳＤ０、読み出し領域ＦＤ、およびドレイン領域Ｄの後に位置している。また、図１－２に示されるピクセル１－１１２は、１つまたは複数の荷電および／またはバイアス（Ｃ／Ｂ）領域を含み、この荷電および／またはバイアス（Ｃ／Ｂ）領域については、図２－１Ａ～図２－１３の参照とともに本明細書で後述する。
いくつかの実施形態において、光検出領域ＰＰＤは、入射光に応答して電荷キャリアを生成するように構成され得る。例えば、ピクセル１－１１２の動作中に、励起光がサンプルウェル１－１０８を照射することにより、サンプルからの蛍光放出を含む入射光子が光軸ＯＰＴに沿って光検出領域ＰＰＤに流れ、光検出領域ＰＰＤは、サンプルウェル１－１０８からの入射光子に応答して蛍光放出電荷キャリアを生成するように構成され得る。いくつかの実施形態において、集積デバイス１－１０２は、電荷キャリアをドレイン領域Ｄまたは電荷蓄積領域ＳＤ０に伝送するように構成され得る。例えば、励起光のパルスに続くドレイン期間中において、光検出領域ＰＰＤに到達した入射光子は、主に、ドレイン領域Ｄに伝送されて廃棄される励起光子であり得る。この例では、ドレイン期間に続く収集期間中に、蛍光放出光子が光検出領域ＰＰＤに到達して、収集のために電荷蓄積領域ＳＤ０に伝送され得る。いくつかの実施形態において、ドレイン期間および収集期間は、各励起パルスに続き得る。
いくつかの実施形態において、電荷蓄積領域ＳＤ０は、入射光に応答して光検出領域ＰＰＤで生成された電荷キャリアを受け取るように構成され得る。例えば、電荷蓄積領域ＳＤ０は、サンプルウェル１－１０８からの蛍光放出光子に応答して光検出領域ＰＰＤで生成された電荷キャリアを受け取るとともに蓄積するように構成され得る。いくつかの実施形態において、電荷蓄積領域ＳＤ０は、各々励起パルスによって先行される複数の収集期間にわたって光検出領域ＰＰＤから受け取られた電荷キャリアを蓄積するように構成され得る。いくつかの実施形態において、電荷蓄積領域ＳＤ０は、電荷伝送チャネルによって光検出領域ＰＰＤに電気的に結合され得る。いくつかの実施形態において、電荷伝送チャネルは、光検出領域ＰＰＤと電荷蓄積領域ＳＤ０との間のピクセル１－１１２の領域を、光検出領域ＰＰＤおよび電荷蓄積領域ＳＤ０と同じ導電型でドープすることによって形成され、これにより、電荷伝送チャネルは、少なくとも閾値電圧が電荷伝送チャネルに印加されるときに導電性となり、閾値電圧未満の（またはいくつかの実施形態においては閾値電圧を超える）電圧が電荷伝送チャネルに印加されるときに非導電性となるように構成され得る。いくつかの実施形態において、閾値電圧は、光検出領域ＰＰＤからの電荷キャリアが電荷伝送チャネルを通って電荷蓄積領域ＳＤ０に移動できるように、電荷伝送チャネルが電荷キャリアを枯渇させる電圧よりも高い（または低い）電圧であり得る。例えば、閾値電圧は、電荷伝送チャネルの材料、寸法、および／またはドーピング構成に基づいて決定され得る。
いくつかの実施形態において、伝送ゲートＳＴ０は、光検出領域ＰＰＤから電荷蓄積領域ＳＤ０への電荷キャリアの伝送を制御するように構成され得る。例えば、伝送ゲートＳＴ０は、制御信号を受信し、それに応答して、光検出領域ＰＰＤを電荷蓄積領域ＳＤ０に電気的に結合する電荷伝送チャネルの導電性を決定するように構成され得る。例えば、伝送ゲートＳＴ０は、制御信号の第１の部分が伝送ゲートＳＴ０で受信されると電荷伝送チャネルをバイアスして電荷伝送チャネルを非導電性とするように構成され得る。これにより、電荷キャリアが電荷蓄積領域ＳＤ０に到達することが阻止される。代替的に、伝送ゲートＳＴ０は、制御信号の第２の部分が伝送ゲートＳＴ０で受信されると電荷伝送チャネルをバイアスして電荷伝送チャネルを導電性とするように構成され得る。これにより、電荷キャリアが電荷伝送チャネルを介して光検出領域ＰＰＤから電荷蓄積領域ＳＤ０に流れることが可能となる。伝送ゲートＳＴ０は、ポリシリコンを用いて形成され得る。
いくつかの実施形態において、伝送ゲートＴＸ０は、光検出領域ＰＰＤおよび電荷蓄積領域ＳＤ０に関連して伝送ゲートＳＴ０について説明した方法で、電荷蓄積領域ＳＤ０から読み出し領域ＦＤへの電荷キャリアの伝送を制御するように構成され得る。例えば、電荷キャリアが光検出領域ＰＰＤから電荷蓄積領域ＳＤ０に伝送される複数の収集期間に続いて、電荷蓄積領域ＳＤ０に蓄積された電荷キャリアが処理のために読み出し領域ＦＤに伝送されて読み出され得る。
いくつかの実施形態において、伝送ゲートＲＥＪは、光検出領域ＰＰＤおよび電荷蓄積領域ＳＤ０に関連して伝送ゲートＳＴ０について説明した方法で、光検出領域ＰＰＤからドレイン領域Ｄへの電荷キャリアの伝送を制御するように構成され得る。例えば、励起光源からの励起光子は、サンプルウェル１－１０８からの蛍光放出光子が光検出領域ＰＰＤに到達する前に、光検出領域ＰＰＤに到達し得る。いくつかの実施形態において、集積デバイス１－１０２は、伝送ゲートＲＥＪを制御することにより、励起光子に応答して光検出領域ＰＰＤで生成された電荷キャリアを、励起光パルスに続くとともに蛍光放出電荷キャリアを受け取る前のドレイン期間中にドレイン領域Ｄに伝送するように構成され得る。
いくつかの実施形態において、ピクセル１－１１２は、集積デバイス１－１０２の制御回路、および／または集積デバイス１－１０２を含むシステムの制御回路に電気的に結合され得るとともに、伝送ゲートＲＥＪ，ＳＴ０，ＴＸ０で制御信号を受信するように構成され得る。例えば、金属層１－２４０の金属線は、集積デバイス１－１０２のピクセル１－１１２に制御信号を搬送するように構成され得る。いくつかの実施形態において、制御信号を搬送する単一の金属線は、ピクセル１－１１２のアレイ、サブアレイ、行、および／または列などの複数のピクセル１－１１２に電気的に結合され得る。例えば、アレイ内の各ピクセル１－１１２は、同じ金属線および／またはネットから制御信号を受信するように構成され、これによりピクセル１－１１２の行が同時に光検出領域ＰＰＤから電荷キャリアを排出および／または収集するように構成され得る。代替的または追加的に、アレイ内のピクセル１－１１２の各行は、行が一度に１行ずつ電荷キャリアを読み出すように、読み出し期間中に異なる制御信号（例えば、行選択信号）を受信するように構成され得る。図１－３は、いくつかの実施形態による、集積デバイス１－１０２に含まれ得る例示的なピクセル１－３１２の回路図である。いくつかの実施形態において、ピクセル１－３１２は、ピクセル１－１１２について説明した方法で構成され得る。例えば、図１－３に示されるように、ピクセル１－３１２は、光検出領域ＰＰＤ、電荷蓄積領域ＳＤ０、読み出し領域ＦＤ、ドレイン領域Ｄ、および伝送ゲートＲＥＪ，ＳＴ０，ＴＸ０を含む。図１－３において、伝送ゲートＲＥＪは、光検出領域ＰＰＤをドレイン領域Ｄに結合するトランジスタのゲートであり、伝送ゲートＳＴ０は、光検出領域ＰＰＤを電荷蓄積領域ＳＤ０に結合するトランジスタのゲートであり、伝送ゲートＴＸ０は、電荷蓄積領域ＳＤ０を読み出し領域ＦＤに結合するトランジスタのゲートである。
図１－３に示されるように、ピクセル１－１１２は、読み出し領域ＦＤに結合され、電源電圧ＶＤＤＰに結合するように構成されたリセット（ＲＳＴ）伝送ゲートと、読み出し領域ＦＤとビット線との間に結合された行選択（ＲＳ）伝送ゲートとをさらに含む。集積デバイス１－１０２が電源（例えば、少なくともＤＣ電源）に結合されると、伝送ゲートＲＳＴが、電源から供給および／または集積デバイス１－１０２の電圧レギュレータによって調整される電源電圧ＶＤＤＰに結合され得る。例えば、伝送ゲートＲＳＴは、読み出し領域ＦＤから、および／または電荷蓄積領域ＳＤ０から伝送ゲートＴＸ０および読み出し領域ＦＤを介して、電源電圧ＶＤＤＰに電荷キャリアを流すように構成され得る。
伝送ゲートＲＳＴは、読み出し領域ＦＤの電圧をリセットするように構成され得る。例えば、伝送ゲートＲＳＴは、リセット信号が伝送ゲートＲＳＴに印加されると、読み出し領域ＦＤを電源電圧ＶＤＤＰに電気的に結合する伝送チャネルをバイアスすることにより、その伝送チャネルの導電性を高めて電荷キャリアを読み出し領域ＦＤから電源電圧ＶＤＤＰに伝送し得る。リセット伝送ゲートＲＳＴはさらに、電荷蓄積領域ＳＤ０の電圧をリセットするように構成され得る。例えば、リセット信号がリセット伝送ゲートＲＳＴに印加され、かつ制御信号が伝送ゲートＴＸ０に印加されると、伝送ゲートＴＸ０は電荷蓄積領域ＳＤ０内の電荷キャリアを読み出し領域ＦＤに伝送し、伝送ゲートＲＳＴはその電荷キャリアを電源電圧ＶＤＤＰに伝送する。いくつかの実施形態において、集積デバイス１－１０２は、電荷キャリアを収集および読み出す前に、読み出し領域ＦＤおよび電荷蓄積領域ＳＤ０をリセットするように構成され得る。例えば、集積デバイス１－１０２は、電荷キャリアを収集して読み出す前に、読み出し領域ＦＤをリセットし、次いで電荷蓄積領域ＳＤ０をリセットするように構成され得る。
いくつかの実施形態において、伝送ゲートＲＳは、行選択制御信号に応答して、処理のために読み出し領域ＦＤからビット線に電荷キャリアを伝送するように構成され得る。いくつかの実施形態において、ビット線は、集積デバイス１－１０２上の処理回路、および／または読み出し領域ＦＤに読み出された電荷キャリアを示す電圧レベルを受け取るように構成された外部回路に結合され得る。例えば、アレイの各ピクセル１－１１２と処理回路との間に１つのビット線が電気的に結合され得る。いくつかの実施形態において、処理回路は、アナログデジタル変換器（ＡＤＣ）を含み得る。いくつかの実施形態において、集積デバイス１－１０２は、電荷キャリアを読み出す前に、各ピクセルの読み出し領域ＦＤの電圧をリセットするように構成され得る。例えば、集積デバイス１－１０２は、読み出し領域ＦＤの電圧をリセットし、電圧をサンプリングし、電荷キャリアを読み出し領域ＦＤに伝送し、再び電圧をサンプリングするように構成され得る。この例では、２番目のサンプリング電圧は、最初のサンプリング電圧と比較した場合に、読み出し領域ＦＤに伝送された電荷キャリアの数を示し得る。いくつかの実施形態において、集積デバイス１－１０２は、（例えば、行選択制御信号の受信に応答して）行ごとおよび／または列ごとなど、各ピクセル１－１１２からビット線に順次電荷キャリアを読み出すように構成され得る。
ピクセル１－１１２のいくつかのアレイは、１つのビット線がピクセル１－１１２の第１の列を第１の処理回路に結合し、別のビット線がピクセル１－１１２の第２の列を第２の処理回路に結合するなど、ピクセル１－１１２の異なるピクセルおよび／またはグループに電気的に結合された複数のビット線を有し得る。いくつかの実施形態において、複数の列のピクセルは、同時にそれぞれの処理回路に読み出され得る。例えば、各列の第１のピクセルがそれぞれの処理回路に同時に読み出され、次いで、各列の第２のピクセルがそれぞれの処理回路に同時に読み出され得る。いくつかの実施形態において、処理回路は、各列の代替としてまたは各列に加えて、アレイの各行に提供されてもよい。いくつかの実施形態において、集積デバイス１－１０２は処理回路の複数のユニットを含み、各ユニットは例えばビット線に電気的に結合される。
種々の実施形態によれば、本明細書に記載される伝送ゲートは、半導体材料および／または金属を含み得るものであり、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）のゲート、バイポーラ接合トランジスタ（ＢＪＴ）のベースなどを含み得る。様々な伝送ゲートに印加される本明細書に記載される制御信号は、半導体領域および半導体領域に電気的に結合された領域（例えば、隣接する領域）の電位などに応じて状態および／または電圧が変化し得る。
図１－４は、いくつかの実施形態による、ピクセル１－３１２内の例示的な電荷移動を示す図である。いくつかの実施形態において、ピクセル１－３１２の動作は、１つまたは複数の収集シーケンスを含み得る。図１－４には、第１の収集期間１－１、第１の読み出し期間１－２、第２の収集期間１－３、および第２の読み出し期間１－４を含む例示的な収集シーケンスが示されている。いくつかの実施形態において、収集シーケンスの各収集期間は、本明細書で後述されるように、ドレイン期間によって先行され得る。いくつかの実施形態において、ピクセル１－３１２の動作は、図１－４に示される収集シーケンスの１つまたは複数の反復を含み得る。いくつかの実施形態において、収集シーケンスは、サンプルウェル１－１０８内のサンプルの励起と連動され得る。例えば、単一の制御回路が励起光源およびピクセル１－３１２の動作を制御するように構成され得る。
いくつかの実施形態において、第１の収集期間１－１は、光検出領域ＰＰＤで第１の複数の蛍光放出光子を受け取ることを含み得る。例えば、第１の収集期間１－１は、光検出領域ＰＰＤに向かって蛍光放出光子を放出するように構成されたサンプルウェル１－１０８を照射する励起光のパルスに応答して生じ得る。図１－４に示されるように、光検出領域ＰＰＤは、第１の収集期間１－１中に、入射蛍光放出光子に応答して電荷キャリアＱ１を生成し、電荷キャリアＱ１を電荷蓄積領域ＳＤ０に伝送するように構成され得る。いくつかの実施形態において、励起光子は、励起パルスの直後であって第１の収集期間１－１の前のドレイン期間中に光検出領域ＰＰＤに到達し、そのドレイン期間中に、励起光子に応答して光検出領域ＰＰＤ内で生成された電荷キャリアがドレイン領域Ｄに伝送され得る。いくつかの実施形態では、各励起パルスにそれぞれ応答して収集期間１－１が複数回繰り返され、電荷キャリアＱ１は、それら収集期間１－１の過程にわたって電荷蓄積領域ＳＤ０内に蓄積され得る。いくつかのそのような実施形態では、各収集期間１－１の前にドレイン期間が先行し得る。いくつかの実施形態において、収集期間１－１および／または各収集期間１－１に先行するドレイン期間は、集積デバイス１－１０２のアレイ、サブアレイ、行、および／または列の各ピクセルに対して同時に生じ得る。
いくつかの実施形態において、第１の読み出し期間１－２は、電荷キャリアＱ１が電荷蓄積領域ＳＤ０に蓄積される１つまたは複数の収集期間１－１に続いて生じ得る。図１－４に示されるように、第１の読み出し期間１－２の間、電荷蓄積領域ＳＤ０に蓄積された電荷キャリアＱ１は、処理のために読み出し領域ＦＤに伝送されて読み出され得る。いくつかの実施形態において、読み出し期間１－２は、相関二重サンプリング（ＣＤＳ）方法を用いて実行され得る。例えば、読み出し領域ＦＤの第１の電圧が第１の時間に読み出された後、読み出し領域ＦＤのリセット（例えば、リセット信号を伝送ゲートＲＳＴに適用することによる）および電荷蓄積領域ＳＤ０から読み出し領域ＦＤへの電荷キャリアＱ１の伝送が続き、電荷キャリアＱ１の伝送に続く第２の時間に読み出し領域ＦＤの第２の電圧が読み出され得る。この例では、第１の電圧と第２の電圧との差は、電荷蓄積領域ＳＤ０から読み出し領域ＦＤに伝送される電荷キャリアＱ１の量を示し得る。いくつかの実施形態において、第１の読み出し期間１－２は、アレイの各行、列、および／またはピクセルに対して異なる時間に発生し得る。例えば、処理ラインを各ピクセルに割り当てて同時に読み出すのではなく、一度に１行または１列のピクセルを読み出すことによって、単一の処理ラインが各行または各列の読み出しを順次処理するように構成され得る。他の実施形態においては、処理ラインがアレイの各ピクセルに提供され得ることで、アレイの各ピクセルが同時に読み出すように構成され得る。種々の実施形態によれば、ピクセルから読み出された電荷キャリアは、サンプルウェル１－１０８内のサンプルの蛍光強度、寿命、スペクトル、および／または他のそのような蛍光情報を示し得る。
いくつかの実施形態において、第２の収集期間１－３は、収集期間１－１について説明した方法で生じ得る。例えば、第１の読み出し期間１－２に続いて、１つまたは複数の第２の収集期間１－３が、各収集期間１－３に先行するドレイン期間などとともに、１つまたは複数のそれぞれの励起パルスに続き得る。図１－４に示されるように、第２の収集期間１－３の間、光検出領域ＰＰＤで生成された電荷キャリアＱ２は、電荷蓄積領域ＳＤ０に伝送され得る。いくつかの実施形態において、各励起パルスと対応する収集期間１－３との間の遅延は、各励起パルスと対応する収集期間１－１との間の遅延と異なり得る。例えば、異なる収集期間中の励起パルスに続く異なる期間中に電荷キャリアを収集することによって、収集期間１－１，１－３から読み出された電荷キャリアは、サンプルウェル１－１０８内のサンプルの蛍光寿命情報を示し得る。いくつかの実施形態において、１つまたは複数の第２の収集期間１－３の後に第２の読み出し期間１－４が続き、その第２の読み出し期間１－４の間に、第２の収集期間にわたって電荷蓄積領域ＳＤ０に蓄積された電荷キャリアが、第１の読み出し期間１－２について本明細書に記載された方法で読み出され得る。
種々の実施形態によれば、本明細書に記載されるピクセルは、２つ、３つ、４つ、または５つの電荷蓄積領域など、２つ以上の電荷蓄積領域を含み得る。例えば、ピクセルは、電荷蓄積領域ＳＤ０と読み出し領域ＦＤとの間に電気的に結合された第２の電荷蓄積領域を含み得るとともに、電荷蓄積領域ＳＤ０を第２の電荷蓄積領域に電気的に結合する伝送チャネルや、第２の電荷蓄積領域を読み出し領域ＦＤに電気的に結合する伝送チャネルを備える。この例では、伝送ゲートＴＸ０は、電荷蓄積領域ＳＤ０から第２の電荷蓄積領域への電荷キャリアの伝送を制御するように構成され得るとともに、ピクセルは、第２の電荷蓄積領域から読み出し領域ＦＤへの電荷キャリアの伝送を制御するように構成された別の伝送ゲートを含み得る。
［ＩＩＩ．電荷キャリア空乏方法］
本発明者らは、ピクセルの光検出領域において電荷キャリア空乏を誘起するための方法を開発した。いくつかの実施形態において、ピクセルは、光検出領域内に電荷キャリア空乏を誘起するように構成された１つまたは複数の荷電および／またはバイアス領域を有し得る。例えば、荷電および／またはバイアス領域は、光検出領域内に固有電荷キャリア空乏を誘起するように構成された電荷層を含み得る。この例では、電荷層は、光検出領域の１つまたは複数の側および／またはピクセル境界の１つまたは複数の側に配置され得る。代替的または追加的に、荷電および／またはバイアス領域は、電荷キャリア空乏を誘起するために電圧バイアスを受けるように構成された金属領域を含み得る。金属領域は、光検出領域の１つまたは複数の側および／またはピクセル境界の１つまたは複数の側に配置され得る。いずれの例においても、荷電および／またはバイアス領域は、光検出領域内から電荷キャリアを引き寄せることによって光検出領域の電荷キャリアを空乏化することができる。いくつかの実施形態において、光検出領域は、電荷キャリアが枯渇したときに、１立方センチメートル（ｃｍ３）当たり１０１２個未満の電荷キャリア、１ｃｍ３当たり１０６個未満の電荷キャリア、および／または１ｃｍ３当たり１０３個未満の電荷キャリアを有し得る。いくつかの実施形態において、ピクセルは、光検出領域のそれぞれの側に配置された複数の荷電および／またはバイアス領域を含み得る。種々の実施形態によれば、複数の荷電および／またはバイアス領域は連続構造を形成し得るか、または互いに分離し得る。
図２－１Ａは、いくつかの実施形態による、集積デバイス１－１０２に含まれ得るシールド部を有するピクセル２－１１２ａのアレイの上面図である。いくつかの実施形態において、ピクセル２－１１２ａは、ピクセル１－１１２について本明細書に記載されたように構成され得る。例えば、図２－１Ａに示されるように、各ピクセル２－１１２ａは、光検出領域ＰＰＤを含む。図２－１Ａにおいて、各ピクセル２－１１２ａは、ピクセル２－１１２ａの周りに位置する複数のＣ／Ｂ領域と、シールド部とを含む。
いくつかの実施形態において、光検出領域ＰＰＤピクセル２－１１２ａは、図２－１Ａに示される上側で入射光子を受け取るように構成され得る。いくつかの実施形態において、シールド部は、電荷蓄積領域、読み出し領域、伝送ゲート、および／または回路など、シールド部の下に配置されたピクセル２－１１２ａの他の構成要素に入射光子が到達するのを阻止するように構成され得る。例えば、シールド部は、金属（例えば、アルミニウムまたはタングステン）などの光学的に不透明な材料を用いて形成され得る。
図２－１Ａにおいて、各ピクセルのＣ／Ｂ領域は、光検出領域ＰＰＤの複数の側に位置している。代替的にまたは追加的に、Ｃ／Ｂ領域は、各ピクセル２－１１２ａの境界の複数の側に配置され得る。いくつかの実施形態において、各ピクセルのＣ／Ｂ領域は、光検出領域ＰＰＤにおいて電荷キャリア空乏を引き起こすように構成され得る。例えば、複数のＣ／Ｂ領域のうちの１つ以上は、光検出領域ＰＰＤ内に固有電荷キャリア空乏を誘起するように構成された電荷層を含み得る。いくつかの実施形態において、電荷層は、酸化物層および金属酸化物化合物を含み得る。この例では、酸化物層は、光検出領域ＰＰＤと金属酸化物化合物との間の分離をもたらし得る。種々の実施形態によれば、金属酸化物化合物は、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、二酸化ハフニウム（ＨｆＯ２）、二酸化チタン（ＴｉＯ２）、五酸化タンタル（Ｔａ２Ｏ５）、またはそれらの任意の組合せであり得る。なお、自由電荷キャリアの蓄積層を生成するように構成された他の任意の金属酸化物などの他の荷電酸化物材料も使用され得る。いくつかの実施形態において、２つ以上のピクセルの間に配置されたＣ／Ｂ領域は、ピクセルのうちのいくつかまたは各々の光検出領域において電荷キャリア空乏を誘起するように構成され得る。
代替的または追加的に、Ｃ／Ｂ領域は、光検出領域ＰＰＤ内に電荷キャリア空乏を誘起する電圧バイアスを受けるように構成された１つまたは複数の金属領域を含み得る。例えば、１つまたは複数の金属領域は、集積デバイス１－１０２が電源に接続されたときに、集積デバイス１－１０２の電圧源および／もしくは電圧レギュレータ、ならびに／または外部電源に電気的に結合するように構成され得る。いくつかの実施形態において、ピクセルは、電圧バイアスを受けるように構成された電荷層と金属領域との組み合わせであって、光検出領域ＰＰＤ内に電荷キャリア空乏を誘起するように構成された電荷層と金属領域との組み合わせを有し得る。
図２－１Ｂは、いくつかの実施形態による、代替構成におけるシールド部を含む集積デバイス１－１０２に含まれ得るピクセル２－１１２ｂのアレイの上面図である。ピクセル２－１１２ｂは、図２－１Ａに関連してピクセル２－１１２ａについて本明細書に記載されたように構成され得る。例えば、ピクセル２－１１２ｂは、光検出領域ＰＰＤとシールド部とを含む。いくつかの実施形態においては、ピクセル２－１１２ｂも、シールド部の下にＣ／Ｂ領域を含み得る。このＣ／Ｂ領域は、図２－１Ａに関連して本明細書に記載されたように構成され得る。いくつかの実施形態において、図２－１Ｂに示されたシールド部は、入射光子がＣ／Ｂ領域に到達するのを阻止するように構成され得る。例えば、図２－１Ｂにおいて、シールド部は、第１の方向Ｄｉｒ１（図１－２）においてＣ／Ｂ領域に対し入射する光子がＣ／Ｂ領域に到達するのを阻止するようにＣ／Ｂ領域を被覆し得る。
図２－１Ｃは、いくつかの実施形態による、さらなる代替構成におけるシールド部を含む集積デバイス１－１０２に含まれ得るピクセル２－１１２ｃのアレイの上面図である。ピクセル１－１１２ｃは、図２－１Ｂに関連してピクセル２－１１２ｂについて本明細書に記載されたように構成され得る。例えば、図２－１Ｃに示されたシールド部は、入射光子がピクセル１－１１２ｃのＣ／Ｂ領域に到達するのを阻止するように構成されている。また、図２－１Ｃに示されるように、シールド部は、ピクセル１－１１２ｃの追加部分を入射光子に露出させたままにする。例えば、シールド部は、入射光子がピクセルの１つまたは複数の電荷蓄積領域に到達するのを阻止しなくてもよい。本発明者らは、いくつかの場合において、入射光子が電荷蓄積領域に到達する前にピクセルの深さで吸収される場合があることを認識した。さらに、本発明者らは、シールド部を通してピクセルの追加部分を入射光子に露出させたままにすることにより、光検出領域ＰＰＤで受け取られる光子の量が増加し、それによって、受光可能な蛍光光子の数および１つまたは複数の電荷蓄積領域で収集可能な蛍光電荷キャリアが増加することを認識した。
図２－２Ａは、いくつかの実施形態による、図２－１Ａに示されたアレイのピクセル２－１１２ａの上面図である。図２－２Ａに示されるように、ピクセル２－１１２ａのＣ／Ｂ領域は、光検出領域ＰＰＤの第１の側に位置する第１の領域Ｃ／Ｂ１と、光検出領域ＰＰＤの第２の側に位置する第２の領域Ｃ／Ｂ２と、光検出領域ＰＰＤの第３の側に位置する第３の領域Ｃ／Ｂ３と、光検出領域ＰＰＤの第４の側に位置する第４の領域Ｃ／Ｂ４とを含む。第１の領域Ｃ／Ｂ１はピクセル２－１１２ａの境界の第１の側に位置し、第２の領域Ｃ／Ｂ２はピクセル２－１１２ａの境界の第２の側に位置し、第４の領域Ｃ／Ｂ４はピクセル２－１１２ａの境界の第３の側に位置し、第５の領域Ｃ／Ｂ５はピクセル２－１１２ａの境界の第４の側に位置している。また、第５領域Ｃ／Ｂ５は、光検出領域ＰＰＤの第３の側に位置している。例えば、第３領域Ｃ／Ｂ３を含まない実施形態において、光検出領域ＰＰＤは、領域Ｃ／Ｂ１，Ｃ／Ｂ２，Ｃ／Ｂ４，Ｃ／Ｂ５によってそれぞれ四方を囲まれ得る。いくつかの実施形態において、第６の領域Ｃ／Ｂ６は、光検出領域ＰＰＤが入射光子を受け取る方向（例えば、第１の方向Ｄｉｒ１）において光検出領域ＰＰＤの前など、ピクセル２－１１２ａおよび／または光検出領域ＰＰＤの境界の第５の側に配置され得る。図２－２Ａにおいて、シールド部の周囲に位置するＣ／Ｂ領域はシールド部によって覆われており、シールド部は、シールド部によって覆われた領域に入射光子が到達するのを阻止するように構成され得る。
図２－２Ｂは、いくつかの実施形態による、図２－１Ｂに示されたアレイのピクセル２－１１２ｂの上面図である。図２－２Ａに示されるように、Ｃ／Ｂ領域は、図２－２Ａに関連してピクセル２－１１２ａについて本明細書に記載されたように構成されており、シールド部は、光検出領域ＰＰＤの第１、第２、第３、および第４の側における第１、第２、第３、および第４の領域Ｃ／Ｂ１，Ｃ／Ｂ２，Ｃ／Ｂ３，Ｃ／Ｂ４も覆っている。
図２－２Ｃは、いくつかの実施形態による、図２－１Ｃに示されたアレイのピクセル２－１１２ｃの上面図である。図２－２Ｃに示されるように、Ｃ／Ｂ領域は、ピクセル２－１１２ｃが領域Ｃ／Ｂ３を含まないことを除いて、図２－２Ａに関連してピクセル２－１１２ａについて本明細書に記載されたように構成され得る。また、図２－２Ｃに示されるように、光検出領域ＰＰＤは、領域Ｃ／Ｂ４から領域Ｃ／Ｂ５まで延在している。いくつかの実施形態において、図２－２Ｃに示されたシールド部は、入射光子がＣ／Ｂ領域に到達するのを阻止する一方、光検出領域ＰＰＤのより多くを入射光子に露光するように構成され得る。図２－２Ｃにおいて、シールド部の開口部は矩形であるが、開口部は、種々の実施形態によれば、正方形などの任意の形状を有し得る。
いくつかの実施形態において、ピクセル２－１１２ａ，２－１１２ｂは、領域Ｃ／Ｂ３を含んでいなくてもよく、および／または領域Ｃ／Ｂ４から領域Ｃ／Ｂ５まで延在する光検出領域ＰＰＤを有していてもよい。
図２－３は、いくつかの実施形態による、図２－１Ａ、図２－１Ｂ、または図２－１Ｃのアレイに含まれ得る例示的なピクセル２－３１２のレイアウトスケッチである。例えば、いくつかの実施形態において、ピクセル２－１１２ａ，２－１１２ｂはさらに、ピクセル２－３１２について本明細書に記載されたように構成され得る。図２－３に示されるように、ピクセル２－３１２は、光検出領域ＰＰＤと、電荷蓄積領域ＳＤ０と、ドレイン領域Ｄと、伝送ゲートＳＴ０，ＴＸ０，ＲＥＪとを含む。いくつかの実施形態において、伝送ゲートＲＳは、図１－３について本明細書に記載されたように構成され得る。いくつかの実施形態において、ソースフォロワ（ＳＦ）伝送ゲートは、読み出し領域ＦＤの電圧レベルが伝送ゲートＲＳを介してサンプリングされ得るように、読み出し領域ＦＤに電気的に結合され得る。いくつかの実施形態において、ピクセル２－３１２のシールド部は、電荷蓄積領域ＳＤ０、ドレイン領域Ｄ、および伝送ゲートＳＴ０，ＴＸ０，ＲＥＪ，ＲＳ，ＳＦに入射光子が到達するのを阻止するように構成され得る。
いくつかの実施形態において、ピクセル２－３１２の光検出領域ＰＰＤは、図２－４Ａおよび図２－４Ｂを参照して本明細書で後述されるように、光検出領域ＰＰＤから電荷蓄積領域ＳＤ０に向かう方向に固有電界を誘起するように構成され得る。図２－４Ａは、いくつかの実施形態による、図２－１Ａ、図２－１Ｂ、または図２－１Ｃのアレイに含まれ得る代替の例示的なピクセル２－４１２のレイアウトスケッチである。ピクセル２－４１２は、ピクセル２－３１２について本明細書に記載されたように構成され得る。図２－４Ａに示されるように、ピクセル２－４１２は、同様に、光検出領域ＰＰＤ、電荷蓄積領域ＳＤ０、ドレイン領域Ｄ、読み出し領域ＦＤ、および伝送ゲートＳＴ０，ＴＸ０，ＲＥＪ，ＲＳ，ＳＦを含む。
いくつかの実施形態において、光検出領域ＰＰＤは、光検出領域ＰＰＤから電荷蓄積領域ＳＤ０およびドレイン領域Ｄに向かって固有電界を誘起するように構成される三角形ドーパント構成を有し得る。図２－４Ａに示されるように、光検出領域ＰＰＤは、三角形状の開口部を有するマスクを含み、三角形状の開口部の底辺は、電荷蓄積領域ＳＤ０およびドレイン領域Ｄに隣接する光検出領域ＰＰＤの第１の端部に配置され、三角形状の開口部の頂点は、電荷蓄積領域ＳＤ０およびドレイン領域Ｄに対向する光検出領域ＰＰＤの第２の端部に配置される。いくつかの実施形態において、三角形のドーパント構成は、第２の端部から第１の端部に向かう方向に固有電界を誘起することによって、光検出領域ＰＰＤから電荷蓄積領域ＳＤ０およびドレイン領域Ｄへの電荷キャリアの移動速度および移動効率を高めることができる。
図２－４Ｂは、いくつかの実施形態による、ピクセル２－４１２のレイアウトスケッチである。図２－４Ｂは、図２－１Ａ～図２－２Ｂに関連してピクセル２－１１２ａ，２－１１２ｂについて本明細書に記載されたように、ピクセル２－４１２の境界の複数の側に配置された領域Ｃ／Ｂ１，Ｃ／Ｂ２，Ｃ／Ｂ４，Ｃ／Ｂ５をさらに示す。図２－４Ａには示されていないが、ピクセル２－４１２は、光検出領域ＰＰＤと電荷蓄積領域ＳＤ０およびドレイン領域Ｄとの間の光検出領域ＰＰＤの側に配置された行選択（ＲＳ）および／またはソースフォロワ（ＳＦ）伝送ゲート、および／または領域Ｃ／Ｂ３を含み得る。図２－４Ｂには示されていないが、いくつかの実施形態において、本明細書に記載されるピクセルのＣ／Ｂ領域の電荷層は、電荷キャリアの光検出領域ＰＰＤを空乏化するために、接地電位などの電源電圧に結合するように構成され得る。例えば、電荷層は、電荷層と金属ルーティングとの間の接続が電源電圧を受け取ることを可能にするべく、伝送ゲートを支持する集積デバイスの面において露出され得る。代替的または追加的に、集積デバイスのいくつかのピクセルまたは全てのピクセルは、電源電圧をピクセルアレイの端に導電的に結合するためのトレンチを含み得るとともに、そのアレイのピクセルは電源電圧に接続され得る。
図２－５Ａは、いくつかの実施形態による、図２－１Ａ、図２－１Ｂ、および図２－１Ｃのアレイに含まれ得る不連続Ｃ／Ｂ領域を有する例示的なピクセル２－５１２ａのレイアウトスケッチである。ピクセル２－５１２ａは、ピクセル２－３１２および／または本明細書に記載される任意の他のピクセルについて本明細書に記載されたように構成され得る。例えば、図２－５Ａに示されるピクセル２－５１２ａは、光検出領域ＰＰＤ、ドレイン領域Ｄ、電荷蓄積領域ＳＤ０、読み出し領域ＦＤ、および伝送ゲートＲＥＪ，ＳＴ０，ＲＳＴ，ＲＳ，ＳＦを含む。また、図２－５Ａに示されるように、ピクセル２－５１２ａはバリアＢＰＷを含み、このバリアＢＰＷは、本明細書で後述されるように、入射電荷キャリアが電荷蓄積領域ＳＤ０に到達するのを阻止するように構成され得る。また、図２－５Ａに示されるように、ピクセル２－５１２ａは、伝送ゲートＲＳＴ，ＲＳ，ＳＦ，ＴＸ０を有するトランジスタの一部または全部を支持し得るｐドープウェルを含む。いくつかの実施形態において、ｐウェルは、入射電荷キャリアが電荷蓄積領域ＳＤ０に到達するのを阻止するように構成され得る（例えば、ピクセル２－５１２ａのより大きな領域をドープすることによって拡張され得る）。また、図２－５Ａに示されるように、ピクセル２－５１２ａは、ピクセル２－５１２ａと、ピクセル２－５１２ａを含むアレイの隣接ピクセルとの間に配置されたバリアＤＰＩを含む。例えば、バリアＤＰＩは、本明細書に記載されるように、電荷キャリアがアレイの隣接ピクセル間を移動することを阻止するように構成され得る。
いくつかの実施形態において、いくつかのＣ／Ｂ領域またはすべてのＣ／Ｂ領域は、ピクセルの少なくとも１つの側で不連続であり得る。例えば、図２－５Ａに示されるように、光検出領域ＰＰＤから電荷蓄積領域ＳＤ０への方向と平行に延びるピクセル２－５１２ａの領域Ｃ／Ｂ１，Ｃ／Ｂ２は連続しており、領域Ｃ／Ｂ１，Ｃ／Ｂ２の方向と垂直に延びる領域Ｃ／Ｂ４，Ｃ／Ｂ５は不連続であり、領域Ｃ／Ｂ４，Ｃ／Ｂ５を領域Ｃ／Ｂ１，Ｃ／Ｂ２から分離するギャップが存在している。
図２－５Ｂは、いくつかの実施形態による、図２－１Ａ、図２－１Ｂ、および図２－１Ｃのアレイに含まれ得る不連続Ｃ／Ｂ領域を有する代替的な例示的なピクセル２－５１２ｂのレイアウトスケッチである。ピクセル２－５１２ｂは、ピクセル２－５１２ａおよび／または本明細書に記載される任意の他のピクセルについて本明細書に記載されたように構成され得る。図２－５Ｂに示されるように、ピクセル２－５１２ｂは、ドレイン領域Ｄに結合された補助ゲートＲＥＪ´をさらに含む。いくつかの実施形態において、補助ゲートＲＥＪ´は、ドレイン領域Ｄと、ドレイン領域Ｄを電源電圧に電気的に結合するように構成された金属線との間に接続されたダイオード接続トランジスタの一部であり得る。本明細書に記載される他のピクセルも、補助ゲートＲＥＪ´をさらに含み得る。
図２－５Ａに示されるピクセル２－５１２ａと同様に、ピクセル２－５１２ｂのいくつかのＣ／Ｂ領域は不連続である。例えば、図２－５Ｂに示されるように、光検出領域ＰＰＤから電荷蓄積領域ＳＤ０への方向と平行に延びるピクセル２－５１２ａの領域Ｃ／Ｂ１，Ｃ／Ｂ２は不連続であり、領域Ｃ／Ｂ１，Ｃ／Ｂ２の方向と垂直に延びる領域Ｃ／Ｂ４，Ｃ／Ｂ５は連続しており、領域Ｃ／Ｂ１，Ｃ／Ｂ２を領域Ｃ／Ｂ４，Ｃ／Ｂ５から分離するギャップが存在している。本明細書に記載される他のピクセルは、ピクセル２－５１２ａ，２－５１２ｂについて本明細書に記載されたような不連続Ｃ／Ｂ領域を有し得る。
また、図２－５Ｂに示されるように、ピクセル２－５１２ｂの領域Ｃ／Ｂ３は、光検出領域と電荷蓄積領域ＳＤ０との間に位置し、ドレイン領域Ｄの手前で終端する。いくつかの実施形態において、本明細書に記載される他のピクセルの領域Ｃ／Ｂ３は、ピクセル２－５１２ｂについて図２－５Ｂに示されるように構成され得る。いくつかの実施形態においては、図２－２Ｃに示されるように、領域Ｃ／Ｂ３は省略され得る。
図２－６Ａは、いくつかの実施形態による、図２－１Ａまたは図２－１Ｂのアレイに含まれ得る例示的なピクセル２－６１２ａの概略断面図である。図２－６Ａにおいて、領域Ｃ／Ｂ３～Ｃ／Ｂ５、電荷蓄積領域ＳＤ０、読み出し領域ＦＤ、および伝送ゲートＴＸ，ＳＴ０は、第１の方向Ｄｉｒ１においてピクセル２－６１２ａのシールド部の後に位置している。いくつかの実施形態において、ピクセル２－６１２ａは、シールド部と伝送ゲートＳＴ０，ＴＸ０との間の第１の方向Ｄｉｒ１において、６ミクロン未満などのような１０ミクロン未満の厚さ、および／または３～６ミクロンの間などの厚さを有し得る。
光検出領域ＰＰＤは、第１の方向Ｄｉｒ１に沿って順次に配置される複数のサブ領域を含み得る。例えば、図２－６Ａにおいて、光検出領域ＰＰＤは、第１のサブ領域と、第１の方向Ｄｉｒ１において第１のサブ領域の後に位置する第２のサブ領域とを含む。第１のサブ領域は、第１の方向Ｄｉｒ１において、領域Ｃ／Ｂ３，Ｃ／Ｂ４の端部まで延在している。いくつかの実施形態において、第１のサブ領域は、第１の方向Ｄｉｒ１において、領域Ｃ／Ｂ３，Ｃ／Ｂ４の端部の前または後で終了してもよい。図２－６Ａにおいて、Ｃ／Ｂ領域は、光検出領域ＰＰＤに沿って、第１の方向Ｄｉｒ１に延在している。
いくつかの実施形態において、領域Ｃ／Ｂ３および／または領域Ｃ／Ｂ４は、光検出領域ＰＰＤの第１のサブ領域内に電荷キャリア空乏を引き起こすように構成され得る。例えば、領域Ｃ／Ｂ３および／または領域Ｃ／Ｂ４は、第１のサブ領域内に固有電荷キャリア空乏を誘起するように構成された電荷層を含み得る。代替的または追加的に、領域Ｃ／Ｂ３および／または領域Ｃ／Ｂ４は、電圧バイアスが金属領域で受け取られたときに第１のサブ領域内に電荷キャリア空乏を誘起するように構成された金属領域を含み得る。いくつかの実施形態において、伝送ゲートＳＴ０（および／またはドレインゲートＲＥＪ、図２～図６Ａには図示せず）は、制御信号が伝送ゲートで受信されたときに第２のサブ領域内に電荷キャリア空乏を誘起するように構成され得る。いくつかの実施形態において、電荷キャリア空乏は、光検出領域ＰＰＤから電荷蓄積領域ＳＤ０に向かう電荷キャリアの伝搬を容易にし得る。
図２－６Ａにおいて、ピクセル２－６１２ａはさらに、第１の方向Ｄｉｒ１においてバリアＬＰＷの後に位置する読み出し領域ＦＤを有するバリアＬＰＷと、第１の方向Ｄｉｒ１においてバリアＢＰＷの後に位置する電荷蓄積領域ＳＤ０を有するバリアＢＰＷとを含む。いくつかの実施形態において、バリアＬＰＷ，ＢＰＷは、読み出し領域ＦＤと電荷蓄積領域ＳＤ０とを互いに電気的に結合する伝送チャネルに沿った部分以外で、ピクセル６１２－ａ内の電荷キャリアがそれらの領域に到達するのを阻止するように構成され得る。いくつかの実施形態において、バリアＬＰＷ，ＢＰＷは、光検出領域ＰＰＤ、電荷蓄積領域ＳＤ０、および読み出し領域ＦＤとは反対の導電型を有するようにピクセル２－６１２ａの領域をドープすることによって形成され得る。例えば、光検出領域ＰＰＤ、電荷蓄積領域ＳＤ０、および読み出し領域ＦＤはｎ型にドープされ得るとともに、バリアＬＰＷ，ＢＰＷはｐ型にドープされ得る。
図２－６Ａにおいて、ピクセル２－６１２ａはさらに、領域Ｃ／Ｂ４と光検出領域ＰＰＤとの間、領域Ｃ／Ｂ３と光検出領域ＰＰＤとの間、および領域Ｃ／Ｂ５と読み出し領域ＦＤとの間など、ピクセル２－６１２ａのＣ／Ｂ領域と他の領域との間に配置されたバリアＤＰＩを含む。いくつかの実施形態において、バリアＬＰＷ，ＢＰＷは、光検出領域ＰＰＤ、電荷蓄積領域ＳＤ０、および読み出し領域ＦＤとは反対の導電型を有するようにピクセル２－６１２ａの領域をドープすることによって形成され得る。
また、ピクセル２－６１２ａは、フィルタ層および光学構成要素を含む。いくつかの実施形態において、フィルタ層は、第１の方向Ｄｉｒ１においてシールドの前のピクセル２－６１２ａの領域を、光検出領域ＰＰＤ、電荷蓄積領域ＳＤ０、および読み出し領域ＦＤと同じ導電型でドープすることによって形成され得る。いくつかの実施形態において、光学部品はマイクロディスクであり得る。例えば、マイクロディスクは、サンプルによって放出された蛍光放出光子を結合し、光検出領域ＰＰＤに向かって光子を再放出するように構成された誘電体構造であり得る。いくつかの実施形態において、マイクロディスクは、第１の方向Ｄｉｒ１に対して傾斜した方向に沿って入射した光子を効率的に結合し、第１の方向Ｄｉｒ１において光検出領域ＰＰＤに向けて光子を再放出し得る。
いくつかの実施形態において、Ｃ／Ｂ領域を含むピクセルは、光検出領域内に電荷キャリア空乏を誘起するためにＣ／Ｂ領域を形成することによって製造され得る。例えば、１つまたは複数の電荷層（例えば、金属酸化物化合物）がピクセル内に堆積されることでＣ／Ｂ領域が形成され得る。いくつかの実施形態では、酸化物層がピクセル内に堆積され得るとともに、１つまたは複数の電荷層が酸化物層上に堆積され得る。例えば、酸化物層は二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）を含み得る。いくつかの実施形態において、１つまたは複数の電荷層が酸化物層上に堆積された後、追加の酸化物（例えば、ＳｉＯ２）がピクセル内に堆積され得る。いくつかの実施形態において、本明細書に記載される金属酸化物化合物は、コンフォーマル原子層堆積（ＡＬＤ）および／または化学気相堆積（ＣＶＤ）などによってコンフォーマルに堆積され得る。例えば、本明細書に記載される金属酸化物化合物のＡＬＤは、５０オングストロームの厚さを有し得るとともに、本明細書に記載される金属酸化物化合物のＣＶＤは、５００オングストロームの厚さを有し得る。いくつかの実施形態では、堆積の前に、マスクエッチングが行われることで少なくとも１つのトレンチが形成され、このトレンチ内に堆積が行われる。光検出領域ＰＰＤを空乏化するためのＣ／Ｂ領域を形成するために、コンフォーマル堆積プロセス（例えば、ＡＬＤ）に適合する材料などの任意の適切な荷電材料（例えば、電子を空乏化させるために正に荷電された材料）が使用され得る。一例として、そのような材料は、原子結合および／または格子部位からの電子を実質的にまたは完全に含まず、正電荷をもたらし得る。
いくつかの実施形態において、１つまたは複数の金属領域がピクセル内に堆積されることでＣ／Ｂ領域が形成され得る。１つまたは複数の金属領域は、光検出領域内に電荷キャリア空乏を誘起するための電圧バイアスに結合するように構成されている。一実施形態において、バリアＤＰＩは、Ｃ／Ｂ領域の周りの領域を、光検出領域と反対の導電型を有するようにドーピングすることによって形成され得る。いくつかの実施形態において、Ｃ／Ｂ領域は、ピクセルの形成時に（例えば、ピクセルに外部電界を印加することなく）光検出領域内（例えば、第１のサブ領域内）に固有電荷キャリア空乏を誘起し得る。いくつかの実施形態において、集積デバイス内のいくつかのピクセルまたはすべてのピクセルのＣ／Ｂ領域は同時に形成され得る。例えば、領域Ｃ／Ｂ１、Ｃ／Ｂ２、Ｃ／Ｂ３、Ｃ／Ｂ４、および／またはＣ／Ｂ５のいずれかまたは各々は、同じコンフォーマルＡＬＤおよび／またはＣＶＤ工程などの同じ製造工程中に形成され得る。いくつかの実施形態において、第６の領域Ｃ／Ｂ６は、他のＣ／Ｂ領域が形成される工程の前または後のＡＬＤおよび／またはＣＶＤ工程中に形成され得る。
いくつかの実施形態において、Ｃ／Ｂ領域は、第１の方向Ｄｉｒ１において、光検出領域、電荷蓄積領域、および／または読み出し領域とは反対側の集積デバイスの側から形成され得る。例えば、光検出領域、電荷蓄積領域、および／または読み出し領域は、第１の方向Ｄｉｒ１における集積デバイスの第１の面上にドープされ得るとともに、Ｃ／Ｂ領域は、第１の方向Ｄｉｒ１における集積デバイスの第２の面から形成（例えば、堆積）され得る。
図２－６Ｂは、いくつかの実施形態による、図２－１Ａまたは図２－１Ｂのアレイに含まれ得る代替の例示的なピクセル２－６１２ｂの概略断面図である。図２－６Ｂに示されるように、ピクセル２－６１２ｂは、ピクセル２－６１２ｂがフィルタを含まなくてもよいことを除いて、図２－６Ａに関連してピクセル２－６１２ａについて本明細書に記載されたように構成され得る。本発明者らは、いくつかの実施形態において、ピクセル内で電荷移動が十分に速い速度で生じる場合など、本明細書に記載されたピクセルはフィルタを含まなくてもよいことを認識した。
図２－７Ａは、いくつかの実施形態による、図２－１Ａまたは図２－１Ｂのアレイに含まれ得る例示的なピクセル２－７１２ａの概略断面図である。いくつかの実施形態において、ピクセル２－７１２ａは、ピクセル２－３１２について本明細書に説明されたように構成され得る。図２－７Ａにおいて、光検出領域ＰＰＤは、領域Ｃ／Ｂ４と領域Ｃ／Ｂ５との間に延在している。例えば、ピクセル２－７１２ａは、領域Ｃ／Ｂ３を含んでいなくてもよい。本発明者らは、光検出領域ＰＰＤを領域Ｃ／Ｂ４と領域Ｃ／Ｂ５との間に延在するように配置することで、および／または光検出領域ＰＰＤの少なくとも一部が第１の方向Ｄｉｒ１において電荷蓄積領域ＳＤ０および／または読み出し領域ＦＤの前に位置するように配置することで、入射光子および／または電荷キャリアがピクセル２－７１２ａの望ましくない部分に入ることが防止されることを認識した。例えば、入射光子および／または電荷キャリアは、光検出領域ＰＰＤを介してドレイン領域Ｄおよび／または電荷蓄積領域ＳＤ０に伝送され得る。
図２－７Ａに示されるように、ピクセル２－７１２ａの光検出領域ＰＰＤは第１および第２のサブ領域を含み、第１のサブ領域は、第１の方向Ｄｉｒ１において、領域Ｃ／Ｂ４，Ｃ／Ｂ５の端部まで、および／または、バリアＬＰＷおよび／またはバリアＢＰＷまで延在している。例えば、第１のサブ領域は、第１の方向Ｄｉｒ１において、第１のサブ領域が最初に到達する領域Ｃ／Ｂ４または領域Ｃ／Ｂ５のバリアまたは端部で終端し得る。図２－７Ａにおいて、領域Ｃ／Ｂ４および／または領域Ｃ／Ｂ５は、図２－６Ａに関連して本明細書に記載されるように、第１のサブ領域において電荷キャリア空乏を引き起こすように構成され得る。図２－７Ａにおいて、Ｃ／Ｂ領域は、光検出領域ＰＰＤに沿って第１の方向Ｄｉｒ１に延伸している。
図２－７Ｂは、いくつかの実施形態による、図２－１Ａまたは図２－１Ｂのアレイに含まれ得る代替の例示的なピクセル２－７１２ｂの概略断面図である。図２－７Ｂに示されるように、ピクセル２－７１２ｂは、図２－６Ｂに関連してピクセル２－７１２ｂについて本明細書に記載されたようなフィルタを含まなくてもよいことを除いて、図２－７Ａに関連してピクセル２－６１２ｂについて本明細書に記載されたように構成され得る。
図２－８は、いくつかの実施形態による、図２－１Ａまたは図２－１Ｂのアレイに含まれ得る例示的なピクセル２－８１２の概略断面図である。図２－８に示されるように、ピクセル２－８１２は、図２－６Ａに関連するものを含むピクセル２－６１２ａについて本明細書に記載されたように構成され得る。また、図２－８に示されるように、バリアＤＰＩは、ピクセル２－８１２の深さに沿って一部のみ離れて第１の方向Ｄｉｒ１に延在し得る。例えば、バリアＤＰＩは、第１の方向Ｄｉｒ１における光検出領域ＰＰＤの深さの途中で光検出領域ＰＰＤと並んで終端し得る。
図２－９は、いくつかの実施形態による、図２－２Ｃに示されるピクセル２－１１２ｃの概略断面図である。図２－９に示されるように、ピクセル２－１１２ｃは、図２－７Ａに関連するものを含むピクセル２－７１２ａについて本明細書に記載されたように構成され得るが、光検出領域ＰＰＤは、第１の方向Ｄｉｒ１において、入射光子を受け取るように構成されている側のシールド部を通して露出されている。いくつかの実施形態は、ピクセル２－６１２ａについて本明細書に記載されるようなフィルタを含み得る。
図２－１０は、いくつかの実施形態による、図２－１Ｃのアレイに含まれ得る例示的なピクセル２－１０１２の概略断面図である。図２－１０に示されるように、ピクセル２－１０１２は、図２－９に関連するものを含むピクセル２－１１２ｃについて本明細書に記載されたように構成され得る。図２－１０に示されるように、バリアＤＰＩは、図２－８に関連してピクセル２－８１２について本明細書に記載されたように、ピクセル２－１０１２の深さの途中までのみ延在している。また、図２－１０に示されるように、ピクセル２－８１２のＣ／Ｂ領域は、第１の方向Ｄｉｒ１において、光検出領域ＰＰＤに沿って、シールド部に近接する光検出領域ＰＰＤの第１の端部から、伝送ゲートＳＴ０，ＴＸ０に近接する光検出領域ＰＰＤの第２の端部まで延在し得る。いくつかの実施形態において、Ｃ／Ｂ領域は、第２の端部において光検出領域ＰＰＤのピン留め層（pinning layer）の前で終端し得る。本発明者らは、光検出領域ＰＰＤの第１の端部から光検出領域ＰＰＤの第２の端部まで延在するＣ／Ｂ領域を有することが、隣接するピクセル間のより大きな光学的および電気的分離をもたらすことを認識した。いくつかの実施形態において、ピクセル２－１０１２は、図２－６Ａに関連してピクセル２－６１２ａについて本明細書に記載されたようなフィルタを含み得る。
図２－１１は、いくつかの実施形態による、図２－１Ｃのアレイに含まれ得る例示的なピクセル２－１１１２の概略断面図である。図２－１１に示されるように、ピクセル２－１１１２は、図２－１０に関連したものを含むピクセル２－１０１２について本明細書に記載されたように構成され得る。図２－１１において、ピクセル２－１１１２は、光検出領域ＰＰＤに沿って第１の方向Ｄｉｒ１に延伸した複数のバリアＳＴＩ，ＤＰＩを含む。例えば、バリアＤＰＩおよびＣ／Ｂ領域は、第１の方向Ｄｉｒ１においてバリアＳＴＩで終端し得る。いくつかの実施形態では、入射光子を受け取るように構成されたピクセル２－１１１２の側からＣ／Ｂ領域を形成するために１組のツールが使用され、伝送ゲートが配置されたピクセル２－１１１２の他方の側にバリアＳＴＩを形成するために異なる組のツールが使用され得る。
ピクセル２－１１２ａおよび／またはピクセル２－１１２ｂについて本明細書に記載された技術は、ピクセル２－１１２ｃの実施形態において使用されてもよく、逆も同様である。
図２－１３は、いくつかの実施形態による、図２－１Ａ、図２－１Ｂ、および図２－１Ｃのアレイに含まれ得る複数の電荷蓄積領域を有する例示的なピクセル２－１３１２のレイアウトスケッチである。いくつかの実施形態において、ピクセル２－１３１２は、ピクセル２－５１２ａおよび／または本明細書に記載される任意の他のピクセルについて本明細書に記載されたように構成され得る。例えば、図２－１３において、ピクセル２－１３１２の領域Ｃ／Ｂ４，Ｃ／Ｂ５は不連続で示され、領域Ｃ／Ｂ１，Ｃ／Ｂ２は連続で示されている。
図２－１３に示されるように、ピクセル２－１３１２は、第１および第２の電荷蓄積領域Ｓ０，ＳＤ１を含み、第２の電荷蓄積領域はサブ領域ＳＤ１－０，ＳＤ１－１を含み、伝送ゲートＴＸ０は、第１の電荷蓄積領域ＳＤ０と第２の電荷蓄積領域ＳＤ１との間に配置されている。また、図２－１３に示されるように、ピクセル２－１３１２は、第２の電荷蓄積領域ＳＤ１と読み出し領域ＦＤとの間に配置された伝送ゲートＴＸ１を含む。
いくつかの実施形態において、電荷貯蔵領域ＳＤ０と第２電荷貯蔵領域ＳＤ１のサブ領域ＳＤ１－０，ＳＤ１－１は互いに異なる電位レベルを有する。例えば、電荷蓄積領域ＳＤ０は、第１のドーピング濃度を有し得る。サブ領域ＳＤ１－０は、第１のドーピング濃度よりも高い第２のドーピング濃度を有し得る。サブ領域ＳＤ１－１は、第２のドーピング濃度よりも高い第３のドーピング濃度を有し得る。
図２－１４は、いくつかの実施形態による、ピクセル２－１３１２における例示的な電荷移動を示す図である。図２－１４に示されるように、ピクセル１－１１２の動作は、期間２－１，２－２，２－３，２－４，２－５において実行される複数の電荷収集および伝送ステップを含み得る。
図２－１４において、ピクセル１－１１２の動作は周期的であり得る。例えば、本明細書で後述されるように、各動作サイクルは、期間２－１～期間２－４の間に実行されてもよく、期間２－５の間のピクセル動作は、後続のサイクルの期間２－１の間に（例えば、後続のサイクルの期間２－１の間に実行されるステップと同時に）実行され得る。
いくつかの実施形態において、期間２－１は、図１－４に関連して期間１－１について本明細書に記載されたような１つまたは複数の収集シーケンスを含み得る。例えば、図２－１４に示されるように、電荷キャリアＱ１は、期間２－１の間に光検出領域ＰＰＤから電荷蓄積領域ＳＤ０で受け取られる。いくつかの実施形態では、電荷キャリアが電荷蓄積領域ＳＤ１に到達することが固有の電位バリアによって防止されるように、電荷蓄積領域ＳＤ０を電荷蓄積領域ＳＤ１に電気的に結合する伝送チャネルが期間２－１の間にバイアスされ得る。
いくつかの実施形態において、期間２－２は、１つまたは複数の伝送シーケンスを含み得る。例えば、図２－１４において、電荷キャリアＱ１は、期間２－２の間に蓄積領域ＳＤ０から蓄積領域ＳＤ１に伝送される。いくつかの実施形態では、電荷キャリアが光検出領域ＰＰＤから電荷蓄積領域ＳＤ０に受け取られないように、光検出領域ＰＰＤを電荷蓄積領域ＳＤ０に電気的に結合する伝送チャネルが期間２－２の間にバイアスされ得る。
いくつかの実施形態において、期間２－３は、１つまたは複数の読み出しシーケンスを含み得る。例えば、各読み出しシーケンス中に、集積デバイス１－１０２は、電荷蓄積領域ＳＤ１から電荷キャリアを読み出し得る。例えば、図２－１４において、電荷キャリアＱ１は、期間２－３の間に電荷蓄積領域ＳＤ１から読み出し領域ＦＤに伝送される。いくつかの実施形態において、期間２－３はさらに、期間２－１について本明細書に記載された方法で実行される１つまたは複数の収集シーケンスを含み得る。例えば、図２－１４において、電荷キャリアＱ２は、期間２－３の間に光検出領域ＰＰＤから電荷蓄積領域ＳＤ０に受け取られる。いくつかの実施形態において、期間２－３の間に実行される収集シーケンスは、期間２－１の収集期間に対して時間オフセットされた収集期間を含み得る。例えば、期間２－３の収集期間は、期間２－１の収集期間とは異なる特性（例えば、蛍光寿命）を示す電荷キャリアを捕捉するようにタイミング調整され得る。
いくつかの実施形態において、期間２－４は、期間２－２について本明細書に記載された方法で実行される１つまたは複数の伝送シーケンスを含み得る。例えば、図２－１４において、電荷キャリアＱ２は、期間２－４の間に電荷蓄積領域ＳＤ０から電荷蓄積領域ＳＤ１に伝送される。
いくつかの実施形態において、期間２－５は、期間２－３について本明細書に記載された方法で実行される１つまたは複数の読み出しシーケンスおよび１つまたは複数の収集シーケンスを含み得る。例えば、図２－１４においては、期間２－５の間に、電荷キャリアＱ２が電荷蓄積領域ＳＤ１から読み出し領域ＦＤに伝送されるとともに、電荷キャリアＱ１´が光検出領域ＰＰＤから電荷蓄積領域ＳＤ０に受け取られる。この例では、図示された動作サイクルの期間２－５が後続のサイクルの期間２－１と少なくとも部分的に重複するので（例えば、電荷キャリアＱ２が特定のピクセルから読み出されるとき）、電荷キャリアＱ１´の受け取りは後続の動作サイクルの期間２－１中にも行われる。
いくつかの実施形態において、本明細書に記載されたピクセルの動作は、本明細書に記載された期間の間の期間を含んでもよく、および／または本明細書に記載されたある特定の期間は省略されてもよい。また、いくつかの実施形態において、本明細書に記載されたピクセルの動作は、例えば、期間２－５が完了した後に新しい期間（例えば、期間２－１～１－５のいずれでもない）に移動することによって、周期的でなくてもよい。いくつかの実施形態において、本明細書に記載された期間は、本明細書に記載されたものとは異なる順序で生じてもよい。
［ＩＶ．固有電界方法］
また、本発明者らは、ピクセルの光検出領域に固有電界を誘起する方法を開発した。いくつかの実施形態において、光検出領域は、第１の方向（例えば、サンプルウェルから光検出領域に向かう方向）に固有電界を誘起するように構成され得る。例えば、光検出領域は、入射光子に応答して光検出領域内で生成された電荷キャリアが第１の方向に迅速かつ効率的に伝送され得るように、入射光子が受け取られる方向に固有電界を誘起するように構成され得る。いくつかの実施形態において、光検出領域は、第１の方向に順に配置されるとともに（例えば、異なるドーパント濃度を有することに起因して）異なる固有電位層を有する複数の層を含むことで、第１の方向に固有電界を生成し得る。
いくつかの実施形態では、固有電界が電荷キャリア空乏と組み合わせられることで、光検出領域から電荷蓄積領域に向かう電荷キャリアの伝搬が容易化される。しかしながら、本明細書に記載された実施形態はそのように限定されるものでなく、これらの方法は単独でまたは任意の適切な組み合わせで使用され得る。
いくつかの実施形態において、本明細書に記載されたピクセルは、図２－１２の参照とともに本明細書で後述されるように、光検出領域において第１の方向に固有電界を誘起するように構成された光検出領域を含み得る。図２－１２は、いくつかの実施形態による、図２－１Ａ、図２－１Ｂ、または図２－１Ｃのアレイに含まれ得るピクセル２－１２１２の一部の概略断面図である。図２－１２において、ピクセル２－１２１２の一部分は、光検出領域ＰＰＤと、電荷蓄積領域ＳＤ０と、伝送ゲートＳＴ０とを含む。いくつかの実施形態において、光検出領域ＰＰＤは、第１の方向Ｄｉｒ１に順に配置された、図２－１２に示される層１～３などの複数の層を含む。光検出領域ＰＰＤは、特定の用途に適するように、４～１０層などの任意の数の層を有し得る。
一実施形態において、光検出領域ＰＰＤは、第１の方向Ｄｉｒ１に固有電界を誘起するように構成され得る。例えば、光検出領域ＰＰＤの層は、電位レベル間の差が固有電界を誘起するように、異なる固有電位レベルを有するように構成され得る。この例では、層２は層１よりも高いドーパント濃度を有し得るとともに、層３は層２よりも高いドーパント濃度を有し得る。一実施形態において、光検出領域ＰＰＤはｎ型にドープされ得る。第３の層の固有電位レベルは第２の層の固有電位レベルよりも高くてよく、第２の層の固有電位レベルは第１の層の固有電位レベルよりも高くてよい。その結果、光検出領域ＰＰＤで生成された光電子をより迅速かつ効率的に第１の方向Ｄｉｒ１に伝送することができる。一実施形態において、光検出領域ＰＰＤはｐ型にドープされ得る。第３の層の固有電位レベルは第２の層の固有電位レベルよりも高くてよい、第２の層の固有電位レベルは第１の層の固有電位レベルよりも高くてよい。その結果、光検出領域ＰＰＤで生成された光正孔が第１の方向Ｄｉｒ１にさらに速くかつ効率的に移動することができる。
いくつかの実施形態において、光検出領域ＰＰＤの第１のサブ領域内の層は、光検出領域ＰＰＤの第２のサブ領域内の層とは異なる電位レベルを有し得る。例えば、第１の方向Ｄｉｒ１において第１のサブ領域の後に位置する第２のサブ領域の層は、第１のサブ領域の層よりも高いドーパント濃度を有し得る。
いくつかの実施形態において、光検出領域ＰＰＤは、層３を層２よりも高いドーパント濃度を有するように形成し、層２を層１よりも高いドーパント濃度を有するように形成するなど、異なる固有電位レベルを有するように光検出領域ＰＰＤの層を形成することによって製造され得る。例えば、各層は別個のドーピングステップでドープされ得る、および／または、いくつかの層は（例えば、いくつかの層が他の層よりも高いドーパント濃度を有するように）少なくとも部分的に重複する複数のステップにわたって形成され得る。いくつかの実施形態において、光検出領域ＰＰＤの層は、フォトレジストによって画定された境界なしに形成されてもよく、その結果、層間の輪郭は、ドーパント濃度の急激な差ではなく段階的な差によって推測され得る。
［Ｖ．シミュレーション結果］
本明細書に記載された方法を組み込むピクセルのいくつかの例示的なシミュレーション結果を以下に提示する。なお、本明細書で提示される例示的なピクセルについてのピクセル構成（例えば、ドーピング濃度）およびシミュレート結果は、限定することを意図するものではなく、むしろ、いくつかの例示的なピクセルの文脈において本明細書に記載される技術の有効性を一般的に実証することを意図するものである。
図３－１は、いくつかの実施形態による、集積デバイス１－１０２に含まれ得る例示的なピクセル３－１１２の斜視図であり、ピクセル３－１１２内のドーパント濃度を示している。いくつかの実施形態において、ピクセル３－１１２は、ピクセル２－１１２および／または任意の他のピクセルについて本明細書に記載されたように構成され得る。例えば、図３－１において、ピクセル３－１１２は、光検出領域ＰＰＤと、伝送ゲートＳＴ０，ＴＸ０，ＲＥＪ，ＲＳと、Ｃ／Ｂ領域とを含み、そのうちの領域Ｃ／Ｂ１，Ｃ／Ｂ４が図３－１に示されている。図３－１において、光検出領域ＰＰＤは、第１の方向Ｄｉｒ１において領域Ｃ／Ｂ１，Ｃ／Ｂ４の第１の端部から領域Ｃ／Ｂ１，Ｃ／Ｂ４の第２の端部を超えて延在する第１のサブ領域と、第１の方向Ｄｉｒ１において第１のサブ領域からドレイン領域Ｄおよび伝送ゲートまで延在する第２のサブ領域とを含む。
図３－２は、いくつかの実施形態による、ピクセル３－１１２内のドーパント濃度を示す、ピクセル３－１１２の断面の側面図である。また、図３－２は、第１の方向Ｄｉｒ１、スライス１、およびスライス２に沿ったピクセル３－１１２の２つのサブ断面を示す。スライス１は、光検出領域ＰＰＤを第１の方向Ｄｉｒ１に沿って切断したものである。スライス２は、領域Ｃ／Ｂ４を第１の方向Ｄｉｒ１に切断したものである。図３－３は、いくつかの実施形態による、図３－２に示されたピクセル３－１１２のスライス１における深さＸに対する総ドーパント濃度およびｎ型ドーパント濃度のグラフ３－３００である。図３－４は、いくつかの実施形態による、図３－２に示されたピクセル３－１１２のスライス２におけるｐ型ドーパント濃度対深さＸのグラフ３－４００である。また、図３－２は、第１の方向Ｄｉｒ１において光検出領域ＰＰＤの前に位置する領域Ｃ／Ｂ６も示している。なお、本明細書に記載された任意のピクセルは、領域Ｃ／Ｂ６を含み得る。いくつかの実施形態において、領域Ｃ／Ｂ６は、酸化物層内に電荷層を含み得る。図３－２では、領域Ｃ／Ｂ６は光学的に透明である。いくつかの実施形態では、領域Ｃ／Ｂ６でいくらかの光損失および／または反射が生じ得るので、領域Ｃ／Ｂ６は完全に光学的に透明でなくてもよい。
図３－２および図３－３に示されるように、光検出領域ＰＰＤは、第１の方向Ｄｉｒ１にＸ＝６ミクロンからＸ＝０ミクロンまで延在し、領域Ｃ／Ｂ５，Ｃ／Ｂ４は、光検出領域ＰＰＤに沿って第１の方向Ｄｉｒ１にＸ＝６ミクロンからＸ＝２ミクロンまで延在する。第１のサブ領域は、第１の方向Ｄｉｒ１にＸ＝６ミクロンからＸ＝２．５ミクロンまで延在し、第２のサブ領域は、第１の方向Ｄｉｒ１にＸ＝２．５ミクロンからＸ＝０ミクロンまで延在する。ドレインゲートＲＥＪは、第１の方向Ｄｉｒ１において、Ｘ＝０ミクロンの後に位置する。なお、いくつかの実施形態において、第１のサブ領域は、第１の方向Ｄｉｒ１にＸ＝６ミクロンからＸ＝２ミクロンまで延在してもよく、第２のサブ領域は、第１の方向Ｄｉｒ１にＸ＝２ミクロンからＸ＝０ミクロンまで延在してもよい。
図３－２に示されるように、光検出領域ＰＰＤは、異なるドーパント濃度を有する複数の層１～５を有し、これらの層のドーパント濃度は、第１の方向Ｄｉｒ１に層から層へと増加する。例えば、層１は層２よりも高いドーパント濃度を有し、層２は層３よりも高いドーパント濃度を有し、層３は層４よりも高いドーパント濃度を有し、層４は層５よりも高いドーパント濃度を有する。図３－２では、層３～５は光検出領域ＰＰＤの第２のサブ領域内にあり、層１～２は第１および第２のサブ領域内にある。図３－２および図３－３において、スライス１に沿った光検出領域ＰＰＤのドーパント濃度は、Ｘ＝０．１ミクロンとＸ＝４ミクロンとの間で、１．３×１０１８総ドーパント／ｃｍ３（１．１×１０１７ｎ型ドーパント／ｃｍ３）から、１．６×１０１４総ドーパント／ｃｍ３（０．９×１０１３ｎ型ドーパント／ｃｍ３）に減少する。いくつかの実施形態において、使用されるｎ型ドーパントはヒ素であり得る。なお、本明細書に記載されたドーパント濃度は例示的なものであり、特定の実施形態に従って変化し得る。例えば、より大きなピクセルは、特定のバイアス電圧で本明細書に記載されるような電荷キャリア空乏を得るために、より低いドーパント濃度で構成されてもよく、より小さなピクセルは、より高いドーパント濃度で構成されてもよい。
図３－４に示されるように、スライス２に沿ったｐ型ドーパント濃度は、Ｘ＝０．６ミクロンで最も高く、約３×１０２０ドーパント／ｃｍ３に達する。スライス２に沿ったドーパント濃度は、領域Ｃ／Ｂ４に近接するＸ＝２ミクロンとＸ＝６ミクロンとの間で１ｃｍ３当たり１０１４ドーパントよりも低い。いくつかの実施形態において、スライス２に沿った高いｐ型ドーパント濃度は、ピクセル３－１１２の光検出領域ＰＰＤを隣接ピクセルから分離することができる。いくつかの実施形態において、使用されるｐ型ドーパントはホウ素であり得る。
図３－５Ａは、いくつかの実施形態による、ピクセル３－１１２内の電荷キャリア密度を示す、ピクセル３－１１２の断面の側面図である。領域Ｃ／Ｂ６は図３－５Ａに示されていないが、領域Ｃ／Ｂ６は依然としてピクセル３－１１２に含まれている。図３－５Ｂは、いくつかの実施形態による、ピクセル内の電荷キャリア密度を示す、別のピクセル３－１１２´の断面の側面図である。ピクセル３－１１２´は、Ｃ／Ｂ領域を含まない（Ｃ／Ｂ領域の輪郭が図３－５Ｂに示されているが、図示された領域は荷電またはバイアスされていない）ことを除いて、ピクセル３－１１２について本明細書に記載されたように構成され得る。図３－５Ａおよび図３－５Ｂは、ピクセル３－１１２，３－１１２´について、制御信号が伝送ゲートＲＥＪに印加されることによって、各ピクセル内の光検出領域ＰＰＤの第２のサブ領域の少なくとも一部に少なくとも部分的な電荷キャリア空乏が誘起されてから数百ナノ秒後の状態をそれぞれ示している。
図３－５Ａに示されるように、ピクセル３－１１２の光検出領域ＰＰＤは、１ｃｍ３当たり５×１０３個未満の電荷キャリアを有している。例えば、ピクセル３－１１２の光検出領域ＰＰＤは、第１のサブ領域において１ｃｍ３当たり２×１０－６個未満の電荷キャリアを有し、Ｘ＝５ミクロンとＸ＝６ミクロンとの間では、１ｃｍ３当たり８×１０－１４個未満の電荷キャリアを含む。対照的に、図３－５Ｂにおいて、ピクセル３－１１２´の光検出領域ＰＰＤは、光検出領域ＰＰＤにおいて１ｃｍ３当たり１．５×１０１２個を超える電荷キャリアを有し、Ｘ＝３．７ミクロンからＸ＝６ミクロンまでの第１のサブ領域の部分全体にわたって、１ｃｍ３当たり１０１４個を超える電荷キャリアを含む。
図３－６Ａは、いくつかの実施形態による、ピクセル３－１１２，３－１１２´の異なる深さにおける電荷キャリアの数を経時的に示すグラフ３－６００ａである。図３－６Ｂは、いくつかの実施形態による、図３－６Ａのグラフの一部分を拡大したグラフ３－６００ｂである。図３－６Ａおよび図３－６Ｂのいくつかの部分は、光検出領域ＰＰＤのある領域における電荷キャリアの割合を示すことを意図しているが、図に示されている電荷キャリアの割合は、１未満の電荷キャリアの存在の量子力学的確率を表している。
図３－６Ａおよび図３－６Ｂに示されるように、ピクセル３－１１２は、時間０において、第１のサブ領域内に１０個未満の電荷キャリアを有するとともに第２のサブ領域内に８．２５×１０３個の電荷キャリアを有しており、ピクセル３－１１２´は、時間０において、第１のサブ領域内に１．１５×１０４個の電荷キャリアを有するとともに第２のサブ領域内に９×１０３個の電荷キャリアを有している。例えば、時間０において、各ピクセルの光検出領域ＰＰＤの第２のサブ領域内の電荷キャリアの実質的に全てが入射光子に応答して生成され得るとともに、各ピクセルの第１のサブ領域内の電荷キャリアの実質的に全てが自由電荷キャリアであり得る。図３－６Ａおよび図３－６Ｂにおいて、ピクセル３－１１２は、第２のサブ領域内においてピクセル３－１１２´と同じ桁の数の電荷キャリアを有するが、第１のサブ領域内においてはピクセル３－１１２´よりも４桁少ない数の電荷キャリアを有する。
１０－８秒後、ピクセル３－１１２は、第１のサブ領域内に１０－１３個の電荷キャリアを有するとともに第２のサブ領域内に０．５×１０３個未満の電荷キャリアを有し、ピクセル３－１１２´は、第１のサブ領域内に９．５×１０３個の電荷キャリアを有するとともに第２のサブ領域内に１０３個の電荷キャリアを有する。例えば、１０－８秒後に、多くの電荷キャリアが光検出領域ＰＰＤからドレイン領域Ｄおよび／または電荷蓄積領域に伝送されている可能性がある。ピクセル３－１１２は、時間０において第１のサブ領域内により少ない電荷キャリアを有するため、電荷キャリアはピクセル３－１１２´よりもピクセル３－１１２内のドレイン領域および電荷蓄積領域により速くかつより効率的に伝送され、時間の経過とともにピクセル３－１１２内に残る電荷キャリアはピクセル３－１１２´よりも少なくなる。また、ピクセル３－１１２´は、時間０において第１のサブ領域内により多くの自由電荷キャリアを有するので、自由電荷キャリアは、入射光子に応答して生成される電荷キャリアの数を汚染するノイズとして電荷蓄積領域に伝送され得る。また、いくつかの用途では、励起パルスに応答して生成される励起電荷キャリアは、励起パルスに続いて生成される蛍光電荷キャリアが電荷蓄積領域に迅速かつ効率的に伝送されるために、励起パルスの１ナノ秒以内にドレイン領域に伝送される必要があり得る。したがって、ピクセル３－１１２´は、１ナノ秒が経過した後に多くの励起電荷キャリアがピクセル内に残るので、そのような用途には適していない可能性がある。なお、本明細書に記載されるピクセル内の任意の所与の時間における電荷キャリアの数は、ピクセル構成、動作モード、および動作環境に従って変動し得る。
図３－７Ａは、いくつかの実施形態による、ピクセル３－１１２内の電界を示すピクセル３－１１２の断面の側面図である。図３－７Ｂは、いくつかの実施形態による、ピクセル３－１１２´内の電界を示すピクセル３－１１２´の断面の側面図である。図３－８は、いくつかの実施形態による、それぞれピクセル３－１１２および３－１１２´のサブ断面スライス１およびスライス１´の電界対深さＸのグラフである。
図３－７Ａおよび図３－７Ｂに示されるように、ピクセル３－１１２および３－１１２´の光検出領域ＰＰＤは、光検出領域ＰＰＤとドレイン領域Ｄとの間のドレイン伝送チャネルと同様に、Ｘ＝０ミクロンとＸ＝０．１ミクロンとの間で、４×１０４Ｖ／ｃｍと４×１０５Ｖ／ｃｍとの間の電界を有する。図３－８に示されたサブ断面において、各ピクセルは、Ｘ＝０ミクロンとＸ＝０．２ミクロンとの間で１．１×１０５の電界を有する。図３－７Ａおよび図３－７Ｂにおいて、ピクセル３－１１２は、Ｘ＝６ミクロンからＸ＝２ミクロンまでの領域Ｃ／Ｂ５，Ｃ／Ｂ４の光検出領域ＰＰＤにおいて１．２×１０４よりも大きい電界を有するのに対して、ピクセル３－１１２´は、Ｘ＝６ミクロンとＸ＝３．６ミクロンとの間で１．２×１０－２Ｖ／ｃｍ未満の電界を有する。図３－８に示されたピクセル３－１１２のスライス１は、Ｘ＝０．５ミクロンからＸ＝６ミクロンまで１．１×１０３Ｖ／ｃｍよりも大きい電界を有し、Ｘ＝６ミクロンにおいて１０４よりも大きい電界を有する。図３－８に示されたピクセル３－１１２´のスライス１´は、Ｘ＝０．５ミクロンからＸ＝６ミクロンまで１．３×１０３Ｖ／ｃｍ未満の電界を有し、Ｘ＝３ミクロンからＸ＝６ミクロンまでは１０３Ｖ／ｃｍ未満、Ｘ＝３．６ミクロンからＸ＝６ミクロンまでは１０２Ｖ／ｃｍ未満の電界を有する。領域Ｃ／Ｂ５，Ｃ／Ｂ４においてピクセル３－１１２の光検出領域ＰＰＤに示される電界は、図３－５Ａに示されるように、電荷キャリアの光検出領域ＰＰＤの少なくとも第１のサブ領域を空乏化し得る。
図３－９Ａは、いくつかの実施形態による、ピクセル３－９００の光検出領域ＰＰＤ内の異なる深さにおける電荷キャリアの数を経時的に示すグラフ３－９００ａである。図３－９Ｂは、いくつかの実施形態による、図３－９Ａのグラフの一部分を拡大したグラフ３－９００ｂである。図３－９Ｃは、いくつかの実施形態による、図３－９Ｂのグラフの一部分をさらに拡大したグラフ３－９００ｃである。図３－９Ａ～図３－９Ｃでは、電荷キャリアの数は、光検出領域ＰＰＤの第１および第２のサブ領域について示されるとともに、光検出領域ＰＰＤについては合計で示されている。図３－９Ａ～図３－９Ｃのいくつかの部分は、光検出領域ＰＰＤのある領域における電荷キャリアの割合を示すことを意図しているが、図に示されている電荷キャリアの割合は、１未満の電荷キャリアの存在の量子力学的確率を表している。図３－９Ａ～図３－９Ｃに示されるように、ピクセル３－１１２の光検出領域ＰＰＤは、時間０において合計０個の電荷キャリアを有している。
いくつかの実施形態において、ピクセル３－１１２の動作中、第１のサブ領域で受け取られた電荷キャリアは、光検出領域ＰＰＤの第２のサブ領域を介してドレイン領域または電荷蓄積領域に伝送され得る。時間０．５×１０－１０秒において、光検出領域ＰＰＤは、第１のサブ領域に０．７５個の電荷キャリアを有するとともに第２のサブ領域に０．０５個の電荷キャリアを有しており、合計０．８個の電荷キャリアを有している。時間３．２×１０－１０秒において、光検出領域ＰＰＤは、第１および第２のサブ領域の各々において０．２個の電荷キャリアを有しており、合計０．４個の電荷キャリアを有している。１．３×１０－９秒後、光検出領域ＰＰＤ内の電荷キャリアの総数は、漸近的に１０－４個に近づき、１．５×１０－９秒後、第１のサブ領域内の電荷キャリアは、第２のサブ領域内の電荷キャリアよりも１桁以上少ない。１０－８秒後、第１のサブ領域内に対する第２のサブ領域内の電荷キャリアの比は、８，０００よりも大きい。
図３－１０は、いくつかの実施形態による、異なる構成を有する複数のピクセルについての経時的な電荷キャリアの数を示すグラフ３－１０００である。図３－１０は、第１の方向Ｄｉｒ１において、３ミクロン、４．５ミクロン、および６ミクロンの厚さを有するピクセルの電荷キャリアの数を示している。各厚さについて、電荷キャリアの数が、所与の厚さを有する裏面照射型（ＢＳＩ）ピクセルおよび前面照射型（ＦＳＩ）ピクセルについて示されている。本明細書に記載されるように、ＢＳＩピクセルは、第１の方向Ｄｉｒ１において入射光子を受け取るように構成され得る。ＢＳＩピクセルの電荷蓄積領域および伝送ゲートは、第１の方向Ｄｉｒ１において入射光子が受け取られる側とは反対側のＢＳＩピクセルの側に配置され得る。ＦＳＩピクセルは、第１の方向Ｄｉｒ１において入射光子を受け取るように構成され得るとともに、電荷蓄積領域および伝送ゲートは、第１の方向Ｄｉｒ１において入射光子が受け取られる側と同じ側のＦＳＩピクセルの側に配置される。図３－１０に示されるように、より小さいピクセルはそれらのより小さいサイズのおかげでより少ない自由電荷キャリアを有するので、より小さい厚さを有するピクセルは、より少ない電荷キャリアを有する。また、図３－１０に示されるように、同じ厚さを有するＦＳＩピクセルおよびＢＳＩピクセルについて、ＦＳＩピクセルは、少なくとも部分的に、ＦＳＩピクセルの電荷蓄積領域および伝送ゲートが入射光子を受け取るピクセルの側に配置されていることに起因して、より少ない電荷キャリアを有し、その結果、ＦＳＩピクセル内で生成された電荷キャリアは、電荷蓄積領域に到達するためにより短い移動距離を有する。
図３－１１Ａは、いくつかの実施形態による、励起パルスから１ナノ秒後のピクセルの電荷キャリア密度を示す、６ミクロンの深さＸを有するピクセル３－１１２の断面の側面図である。図３－１１Ｂは、いくつかの実施形態による、励起パルスから１ナノ秒後のピクセル３－１１２´´内の電荷キャリアを示す、４．５ミクロンの深さＸを有するピクセル３－１１２´´の断面の側面図である。ピクセル３－１１２´´は、深度Ｘの違いを除いて、ピクセル３－１１２について本明細書に記載されたように構成され得る。
励起パルスから１ナノ秒後、ピクセル３－１１２は、励起または結果として生じる蛍光放出に応答して生成された電荷キャリアをドレイン領域または電荷蓄積領域に伝送している可能性がある。図３－１１Ａに示されるように、ピクセル３－１１２の光検出領域ＰＰＤのいくつかの部分は、１ｃｍ３当たり１×１０８個よりも多い電荷キャリアを有し、Ｘ＝６ミクロンとＸ＝３．４ミクロンとの間では、光検出領域ＰＰＤの実質的にすべてが、１ｃｍ３当たり３０個よりも多い電荷キャリアを有している。対照的に、１ナノ秒後のピクセル３－１１２´´は、生成された電荷キャリアの実質的にすべてをドレインまたは電荷蓄積領域に伝送している可能性がある。図３－１１Ｂにおいて、ピクセル３－１１２´´は、Ｘ＝１．５ミクロンからＸ＝４．５ミクロンまで１ｃｍ３当たり２個未満の電荷キャリアを有している。ピクセル３－１１２´´はピクセル３－１１２よりも小さい深さＸを有するので、ピクセル３－１１２´´はより少ない自由電荷キャリアを有し、光検出領域ＰＰＤ内の電荷キャリアの移動をピクセル３－１１２よりも高速かつ効率的にするより強い電界を有し得る。
図３－１２Ａは、いくつかの実施形態による、ピクセル３－１１２内の電界を示すピクセル３－１１２の断面の側面図である。図３－１２Ｂは、いくつかの実施形態による、ピクセル３－１１２´´内の電界を示すピクセル３－１１２´´の断面の側面図である。図３－１２Ｂは、ピクセル３－１１２のサブ断面スライス１´´を示している。図３－１３は、いくつかの実施形態による、ピクセル３－１１２のスライス１およびピクセル３－１１２´´のスライス２のそれぞれ電界対深さＸのグラフである。図３－１２Ａ、図３－１２Ｂ、および図３－１３に示されるように、ピクセル３－１１２，３－１１２´´は、Ｘ＝０ミクロンからＸ＝２．５ミクロンまで（ピクセル３－１１２´´の第２のサブ領域と第１のサブ領域の大部分とに対応する）のピクセル３－１１２内の第２のサブ領域全体にわたって実質的に等しい電界を有している。Ｘ＝２．６ミクロンとＸ＝４．５ミクロンとの間のピクセル３－１１２の第１のサブ領域では、ピクセル３－１１２のスライス１内の電界は１０３Ｖ／ｃｍ未満に減少するが、ピクセル３－１１２´´のスライス１´´内の電界は、１０４Ｖ／ｃｍを超えて増加する前に、１．２×１０３Ｖ／ｃｍまでしか減少しない。ピクセル３－１１２のスライス１内の電界は、Ｘ＝６ミクロンに近づくと１０４Ｖ／ｃｍを超えて増加する。ピクセル３－１１２´´のより小さい深さの結果として、ピクセル３－１１２´´の電界は、Ｘ＝２．６ミクロンよりも大きい深さでピクセル３－１１２の電界ほど低くならず、それによって、ピクセル３－１１２と比較してピクセル３－１１２´´における電荷移動の速度を増加させる。
［ＶＩ．光除去技術］
本発明者らはまた、入射光子および／または電荷キャリアをピクセルの光検出領域に向けて、および／またはピクセルの電荷蓄積領域から離れるように方向付ける、屈折させる、および／または反射させる方法を開発した。光子および／または電荷キャリアを光検出領域に向けて方向付ける、屈折させる、および／または反射させることにより、電荷蓄積領域などのピクセルおよび／または隣接ピクセルの望ましくない部分に到達する入射光子および／または電荷キャリアの数、すなわち、電荷蓄積領域にノイズを加える可能性がある入射光子および／または電荷キャリアの数が少なくなる。同様に、入射光子および／または電荷キャリアをピクセルの電荷蓄積領域から離れるように方向付ける、屈折させる、および／または反射させることにより、ピクセルの電荷蓄積領域にノイズを加える可能性があるノイズ光子および／または電荷キャリアの数が少なくなる。いくつかの実施形態において、ピクセルのＣ／Ｂ領域は、本明細書に記載されるように、入射光子および／または電荷キャリアが伝送ゲートを介した経路以外の経路によって光検出領域を離れることおよび／または電荷蓄積領域に到達することを防止するようにさらに構成され得る。
図４－１は、いくつかの実施形態による、集積デバイス１－１０２に含まれ得る光除去技術を組み込んだピクセル４－１１２の断面の側面図である。いくつかの実施形態において、ピクセル４－１１２は、ピクセル１－１１２，２－１１２，３－１１２のいずれかについて本明細書に記載されたように構成され得る。例えば、図４－１に示されるように、ピクセル４－１１２は、光検出領域ＰＰＤと、電荷蓄積領域ＳＤ０と、伝送ゲートＳＴ０とを含む。
いくつかの実施形態において、ピクセル４－１１２は、１つまたは複数のバリアを含み得る。図４－１に示されるように、ピクセル４－１１２は、光検出領域ＰＰＤの第１の端部に位置するとともに第１の方向Ｄｉｒ１に平行に延伸した領域Ｃ／Ｂａを含む。いくつかの実施形態において、領域Ｃ／Ｂａは、電荷キャリアを阻止するように構成され得る。例えば、いくつかの実施形態において、第１のバリア領域Ｃ／Ｂａは、光検出領域ＰＰＤ内の電荷キャリアが集積デバイス１－１０２の他の部分に到達するのを阻止するように構成され得ることにより、電荷キャリアがドレイン領域Ｄまたは電荷蓄積領域ＳＤ０に適切に（例えば、到着時間に依存して）伝送され得る。いくつかの実施形態において、領域Ｃ／Ｂａは、電荷層を備えた誘電体材料（例えば、酸化物層および／または酸化物化合物）を含み得る。いくつかの実施形態において、光検出領域ＰＰＤおよび電荷蓄積領域ＳＤ０とは反対の導電型を有するドープ領域を含むバリアが領域Ｃ／Ｂａの少なくとも一部の周りに配置され得る。領域Ｃ／Ｂａにおいて電荷キャリアを阻止することにより、ピクセル４－１１２は、より高いレートおよびより高い効率で電荷キャリアを生成してドレイン領域Ｄおよび／または電荷蓄積領域ＳＤ０に伝送するように構成され得る。
また、図４－１に示されるように、ピクセル４－１１２は、第１の方向Ｄｉｒ１において電荷蓄積領域ＳＤ０の前に位置する領域Ｃ／Ｂｂを含む。いくつかの実施形態において、領域Ｃ／Ｂｂは、電荷キャリアが電荷蓄積領域ＳＤ０に到達するのを阻止するように構成され得る。例えば、いくつかの実施形態において、領域Ｃ／Ｂｂは、ピクセル４－１１２内または集積デバイス１－１０２内における光検出領域ＰＰＤまたは他の場所における電荷キャリアが電荷蓄積領域ＳＤ０に到達するのを阻止するように構成され得る。いくつかの実施形態において、領域Ｃ／Ｂｂは、光検出領域ＰＰＤおよび電荷蓄積領域ＳＤ０のドーパント濃度と反対のドーパント濃度を有する誘電体材料および／またはドープ領域を含み得る。電荷キャリアが電荷蓄積領域ＳＤ０に到達するのを阻止することにより、電荷蓄積領域ＳＤ０に到達するまたは電荷蓄積領域ＳＤ０内で生成されるノイズ電荷キャリアが少なくなり、電荷蓄積領域ＳＤ０に蓄積される電荷キャリアの信号対ノイズ比が増加する。
また、図４－１に示されるように、ピクセル４－１１２は、第１の方向Ｄｉｒ１において領域Ｃ／Ｂａの前に位置する第１の金属層と、第１の方向Ｄｉｒ１において領域Ｃ／Ｂｂの前に位置する第２の金属層とを含む。いくつかの実施形態において、第１の層は、入射光子が領域Ｃ／Ｂａの内部に入るのを阻止するように構成され得る。いくつかの実施形態において、第２の金属層は、入射光子が領域Ｃ／Ｂｂの内部に入ること、および／または電荷蓄積領域ＳＤ０に到達することを阻止するように構成され得る。
図４－２は、いくつかの実施形態による、集積デバイス１－１０２内に含まれ得る光除去技術を組み込んだ代替ピクセル４－２１２の断面の側面図である。いくつかの実施形態において、ピクセル４－２１２は、ピクセル４－１１２について本明細書に記載されたように構成され得る。いくつかの実施形態において、ピクセル４－２１２は、入射光子および／または電荷キャリアを阻止するように構成された１つまたは複数の金属バリアを含み得る。図４－２において、ピクセル４－２１２は、光検出領域ＰＰＤの第１の端部に位置するとともに第１の方向Ｄｉｒ１に延伸した第１の金属バリアを含む。いくつかの実施形態において、第１の金属バリアは、入射光子および／または電荷キャリアが光検出領域ＰＰＤに留まるように、第１の金属バリアに入射した光子および／または電荷キャリアを反射するように構成され得る。いくつかの実施形態において、第１の金属バリアは、光検出領域ＰＰＤ内および／または隣接ピクセルの光検出領域ＰＰＤ内に電荷キャリア空乏を誘起するように構成され得る。例えば、第１の金属バリアは、光検出領域ＰＰＤ内および／または隣接ピクセルの光検出領域内に電荷キャリア空乏を誘起する電圧バイアスを受けるように構成され得る。
また、図４－２に示されるように、ピクセル４－２１２は、電荷蓄積領域ＳＤ０の第１の端部と第２の端部とに位置するとともに第１の方向Ｄｉｒ１に延伸した複数の第２の金属バリアを含む。いくつかの実施形態において、複数の第２の金属バリアは、電荷蓄積領域ＳＤ０に入射した光子および／または電荷キャリアを反射するように構成され得る。いくつかの実施形態において、１つの第２の金属バリアまたは各第２の金属バリアは、ピクセル４－２１２の光検出領域ＰＰＤ内および／または隣接ピクセルの光検出領域ＰＰＤ内に電荷キャリア空乏を誘起するように構成され得る。図４－２では、２つの第２の金属バリアは、第１の方向Ｄｉｒ１において、図４－１の第２のバリアＢＰＷの後に位置した金属層について本明細書に記載されたように構成され得る金属層によって接続される。
図４－３は、いくつかの実施形態による、集積デバイス１－１０２に含まれ得る光除去技術を組み込んださらなる代替的なピクセル４－３１２の断面の側面図である。いくつかの実施形態において、ピクセル４－３１２は、ピクセル４－２１２について本明細書に記載されたように構成され得る。図４－３において、ピクセル４－３１２の光検出領域ＰＰＤは、複数の層ＰＤ１，ＰＤ２を含み、層ＰＤ１は、層ＰＤ２から第１の方向Ｄｉｒ１に離間されている。いくつかの実施形態において、層ＰＤ１，ＰＤ２は、異なる固有電位レベルを有し得る。例えば、層ＰＤ１は、層ＰＤ２よりも高いドーパント濃度を有し得る。
いくつかの実施形態において、ピクセル４－３１２はまた、入射光子を光検出領域ＰＰＤに向けて方向付けるように構成された光指向性構造を含み得る。例えば、光指向性構造は、ピクセル４－３１２に入射した光子を第１の方向Ｄｉｒ１に対して斜めの方向に屈折させるように構成され得る。図４－３において、ピクセル４－４１３は、第１の方向Ｄｉｒ１において光検出領域ＰＰＤの前に位置する表面に光指向性構造を含み、光指向性構造は、表面に沿って配置された複数の開口部を含む。いくつかの実施形態において、開口部は、空気および／または酸化物などの誘電体材料を含み得る。
図４－３において、ピクセル４－３１２はまた、領域Ｃ／Ｂａ，Ｃ／Ｂｂを含むとともに、第１の方向Ｄｉｒ１においてＣ／Ｂ領域の前に位置する金属層を含み、図４－１に示されたＣ／Ｂ領域について本明細書に記載されたように構成され得る。
［ＶＩＩ．ＤＮＡおよび／またはＲＮＡシーケンシング用途］
本明細書に記載される分析システムは、集積デバイスと、集積デバイスにインターフェース接続するように構成された機器とを含み得る。集積デバイスは、ピクセルのアレイを含み得る。ピクセルは、反応チャンバと、少なくとも１つの光検出器を含む。集積デバイスの表面は、複数の反応チャンバを有し得る。反応チャンバは、集積デバイスの表面に配置された懸濁液からサンプルを受け取るように構成されている。懸濁液は、同じタイプの複数のサンプルを含有し得るが、いくつかの実施形態においては、異なるタイプのサンプルを含有し得る。これに関して、本明細書で使用される「対象サンプル」という語句は、例えば、懸濁液中に分散された同じタイプの複数のサンプルを指し得る。同様に、本明細書で使用される「対象分子」という語句は、懸濁液中に分散された同じタイプの複数の分子を指し得る。複数の反応チャンバは、反応チャンバの少なくとも一部が懸濁液から１つのサンプルを受け取るように、好適なサイズおよび形状を有し得る。いくつかの実施形態において、反応チャンバ内のサンプルの数は、いくつかの反応チャンバが１個のサンプルを含有し、他のチャンバがゼロ個、２個、またはそれを上回る数のサンプルを含有するように、反応チャンバ間で分配され得る。
いくつかの実施形態において、懸濁液は、複数の一本鎖ＤＮＡテンプレートを含有し得るとともに、集積デバイスの表面上の個々の反応チャンバは、シーケンシングテンプレートを受け取るようにサイズ決めおよび形状決めされ得る。シーケンシングテンプレートは、集積デバイスの反応チャンバの少なくとも一部がシーケンシングテンプレートを含有するように、集積デバイスの反応チャンバ間に分配され得る。また、懸濁液は、標識ヌクレオチドも含有し得るものであり、反応チャンバに入り、その反応チャンバ内の一本鎖ＤＮＡテンプレートに対して相補的なＤＮＡの鎖に組み込まれと、ヌクレオチドの同定を可能にし得る。いくつかの実施形態において、懸濁液は、シーケンシングテンプレートを含有し得るものであり、標識ヌクレオチドは、ヌクレオチドが反応チャンバ内の相補鎖に組み込まれる際に反応チャンバに続いて導入され得る。このように、ヌクレオチドの組み込みのタイミングは、標識ヌクレオチドが集積デバイスの反応チャンバにいつ導入されるかによって制御され得る。
励起光は、集積デバイスのピクセルアレイから離れて位置する励起源から提供される。励起光は、反応チャンバ内の照射領域を照射するために、１つまたは複数のピクセルに向けて集積デバイスの要素により少なくとも部分的に方向付けられる。次いで、マーカは、照射領域内に位置するとともに励起光によって照射されたことに応答して放出光を放出し得る。いくつかの実施形態において、１つまたは複数の励起源は、システムの機器の一部であり、機器および集積デバイスの構成要素は、励起光を１つまたは複数のピクセルに向けて方向付けるように構成されている。
次いで、反応チャンバから（例えば、蛍光標識によって）放出された放出光は、集積デバイスのピクセル内の１つまたは複数の光検出器によって検出され得る。検出された放出光の特徴は、放出光に関連付けられたマーカを識別するための指標を提供し得る。このような特徴は、光検出器によって検出される光子の到着時間、光検出器によって経時的に蓄積される光子の量、および／または２つ以上の光検出器にわたる光子の分布を含む、任意の適切な種類の特徴を含み得る。いくつかの実施形態において、光検出器は、放出光に関連する１つまたは複数のタイミング特徴（例えば、蛍光寿命）の検出を可能にする構成を有し得る。光検出器は、励起光のパルスが集積デバイスを伝搬した後の光子到着時間の分布を検出し得るものであり、この到着時間の分布は、放出光のタイミング特徴の指標（例えば、蛍光寿命の代用）を提供し得る。いくつかの実施形態において、１つまたは複数の光検出器は、マーカによって放出される放出光の確率の指標（例えば、蛍光強度）を提供する。いくつかの実施形態において、複数の光検出器は、放出光の空間的な分布を捕捉するようにサイズ決めおよび配置され得る。次いで、１つまたは複数の光検出器からの出力信号は、複数のマーカの中から或るマーカを区別するために使用され得る。これら複数のマーカは、サンプルまたはその構造を識別するために使用され得る。いくつかの実施形態において、サンプルは、複数の励起エネルギーによって励起され得る。複数の励起エネルギーに反応した反応チャンバからの放出光および／またはその放出光のタイミング特徴により、複数のマーカから或るマーカが区別され得る。
図５－１Ａには、システム５－１００の概略図が示されている。システムは、機器５－１０４と、その機器５－１０４とインターフェース接続する集積デバイス５－１０２との両方を備えている。なお、本明細書に記載される任意のまたはすべての集積デバイスが、集積デバイス５－１０２の代わりに、またはそれに加えて使用され得る。いくつかの実施形態において、機器５－１０４は、機器５－１０４の一部として集積化された１つまたは複数の励起源５－１０６を含み得る。いくつかの実施形態では、励起源は、機器５－１０４および集積デバイス５－１０２の両方の外部に存在し得るとともに、機器５－１０４は、励起源から励起光を受け取り、励起光を集積デバイスに向けるように構成され得る。集積デバイスは、集積デバイスを収容するとともに励起源との正確な光学的アライメントを維持するための任意の適切なソケットを使用して機器とインターフェース接続され得る。励起源５－１０６は、励起光を集積デバイス５－１０２に提供するように構成され得る。図５－１Ａに概略的に示されるように、集積デバイス５－１０２は複数のピクセル５－１１２を有し、ピクセルの少なくとも一部は対象サンプルの独立した分析を実行し得る。このようなピクセル５－１１２は、そのピクセルとは別個の光源５－１０６から励起光を受け取り、その光源からの励起光がピクセル５－１１２の一部または全部を励起するので、「受動光源ピクセル」と呼ばれ得る。励起源５－１０６は、任意の適切な光源であり得る。適切な励起源の例は、２０１５年８月７日に出願され、「INTEGRATED DEVICE FOR PROBING, DETECTING AND ANALYZING MOLECULES」を名称とする米国特許出願第１４／８２１，６８８号に記載されており、参照によりその全体が援用される。いくつかの実施形態において、励起源５－１０６は、励起光を集積デバイス５－１０２に送達するように組み合わせられる複数の励起源を含む。複数の励起源は、複数の励起エネルギーまたは波長を生成するように構成され得る。
ピクセル５－１１２は、単一の対象サンプルを受容するように構成された反応チャンバ５－１０８と、励起源５－１０６によって提供される励起光でサンプルおよび反応チャンバ５－１０８の少なくとも一部を照射することに反応して反応チャンバから放出された放出光を検出するための光検出器５－１１０とを有する。いくつかの実施形態において、反応チャンバ５－１０８は、集積デバイス５－１０２の表面に近接してサンプルを保持してもよく、これは、サンプルへの励起光の送達およびサンプルまたは反応成分（例えば、標識ヌクレオチド）からの放出光の検出を容易にし得る。
励起光源５－１０６からの励起光を集積デバイス５－１０２に結合し、励起光を反応チャンバ５－１０８に誘導するための光学要素は、集積デバイス５－１０２および機器５－１０４の両方に位置する。光源からチャンバへの光学要素は、励起光を集積デバイスに結合するために集積デバイス５－１０２上に位置する１つまたは複数の格子カプラと、励起光を機器５－１０４からピクセル５－１１２内の反応チャンバに送達するための導波路とを備え得る。格子カプラと導波路との間には１つまたは複数の光学スプリッタ要素が配置され得る。光学スプリッタは、格子カプラからの励起光を結合し、励起光を導波路の少なくとも１つに送達し得る。いくつかの実施形態において、光学スプリッタは、導波路の各々が実質的に同様の量の励起光を受信するように、励起光の送達が全ての導波路にわたって実質的に均一であることを可能にする構成を有し得る。このような実施形態は、集積デバイスの反応チャンバによって受け取られる励起光の均一性を改善することによって、集積デバイスの性能を改善することができる。
反応チャンバ５－１０８、励起源からチャンバへの光学系の一部、および反応チャンバから光検出器への光学系は、集積デバイス５－１０２上に配置される。励起源５－１０６、および光源からチャンバへの構成要素の一部は、機器５－１０４内に配置される。いくつかの実施形態では、単一の構成要素が、励起光を反応チャンバ５－１０８に結合すること、および放出光を反応チャンバ５－１０８から光検出器５－１１０に送達することの両方における役割を果たし得る。励起光を反応チャンバに結合するためおよび／または放出光を光検出器に方向付けるための、集積デバイスに含まれる適切な構成要素の例は、２０１５年８月７日に出願された「INTEGRATED DEVICE FOR PROBING, DETECTING AND ANALYZING MOLECULES」を名称とする米国特許出願第１４／８２１，６８８号、および２０１４年１１月１７日に出願された「INTEGRATED DEVICE WITH EXTERNAL LIGHT SOURCE FOR PROBING, DETECTING, AND ANALZING MOLECULES」を名称とする米国特許出願第１４／５４３，８６５号に記載されており、これらの双方は参照によりその全体が援用される。
ピクセル５－１１２は、それ自体の個々の反応チャンバ５－１０８および少なくとも１つの光検出器５－１１０と関連付けられる。集積デバイス５－１０２の複数のピクセルは、任意の適切な形状、サイズ、および／または寸法を有するように構成され得る。集積デバイス５－１０２は、任意の適切な数のピクセルを有し得る。集積デバイス５－１０２内のピクセル数は、約１０，０００ピクセル～１，０００，０００ピクセルの範囲内であるか、またはその範囲内における任意の値もしくは値の範囲であり得る。いくつかの実施形態において、ピクセルは、５１２ピクセル×５１２ピクセルのアレイに配列され得る。集積デバイス５－１０２は、任意の適切な方法で機器５－１０４とインターフェース接続し得る。いくつかの実施形態において、機器５－１０４は、ユーザが、集積デバイス５－１０２を使用して懸濁液中の少なくとも１つの対象サンプルを分析するために集積デバイス５－１０２を機器５－１０４に取り付け、集積デバイス５－１０２を機器５－１０４から取り外して別の集積デバイスを取り付けることができるように、集積デバイス５－１０２に取り外し可能に結合するインターフェースを有し得る。機器５－１０４のインターフェースは、１つまたは複数の光検出器からの読み出し信号が機器５－１０４に送信されることを可能にするために、機器５－１０４の回路と結合するように集積デバイス５－１０２を位置決めし得る。集積デバイス５－１０２および機器５－１０４は、大きなピクセルアレイ（例えば、１０，０００を越えるピクセル）に関連付けられたデータを処理するためのマルチチャネル高速通信リンクを含み得る。
図５－１Ｂには、ピクセル５－１１２の列を示す集積デバイス５－１０２の概略断面図が示されている。集積デバイス５－１０２は、結合領域５－２０１と、ルーティング領域５－２０２と、ピクセル領域５－２０３とを含み得る。ピクセル領域５－２０３は、励起光（破線の矢印として示される）が集積デバイス５－１０２に結合する結合領域５－２０１から離れた位置の表面上に位置決めされた反応チャンバ５－１０８を有する複数のピクセル５－１１２を含み得る。反応チャンバ５－１０８は、金属層５－１１６を介して形成され得る。点線の矩形によって示される１つのピクセル５－１１２は、反応チャンバ５－１０８と、１つまたは複数の光検出器５－１１０を有する光検出領域とを含む集積デバイス５－１０２の領域である。
図５－１Ｂは、励起光のビームを結合領域５－２０１および反応チャンバ５－１０８に結合することによる励起経路（破線で示す）を示す。図５－１Ｂに示された反応チャンバ５－１０８の列は、導波路５－２２０と光学的に結合するように位置付けられ得る。励起光は、反応チャンバ内に位置するサンプルを照射し得る。サンプルまたは反応成分（例えば、蛍光標識）は、励起光によって照射されたことに反応して励起状態に達し得る。励起状態にあるとき、サンプルまたは反応成分は放出光を放出することができ、この放出光は、反応チャンバに関連付けられた１つまたは複数の光検出器によって検出され得る。図５－１Ｂは、反応チャンバ５－１０８からピクセル５－１１２の光検出器５－１１０への放出光（実線として示される）の経路を概略的に図示する。ピクセル５－１１２の１つまたは複数の光検出器５－１１０は、反応チャンバ５－１０８からの放出光を検出するように構成および配置され得る。適切な光検出器の例は、２０１５年８月７日に出願された「INTEGRATED DEVICE FOR TEMPORAL BINNING OF RECEIVED PHOTONS」を名称とする米国特許出願第１４／８２１，６５６号に記載されており、参照によりその全体が援用される。個々のピクセル５－１１２について、反応チャンバ５－１０８およびそのそれぞれの光検出器５－１１０は、共通の軸に沿って（図５－１Ｂに示されたｙ方向に沿って）位置合わせされ得る。このように、１つまたは複数の光検出器は、ピクセル５－１１２内で反応チャンバと重なり得る。
反応チャンバ５－１０８からの放出光の指向性は、金属層５－１１６が放出光を反射するように作用し得るので、金属層５－１１６に対する反応チャンバ５－１０８内のサンプルの位置に依存し得る。このように、金属層５－１１６と反応チャンバ５－１０８内に配置された蛍光マーカとの間の距離は、蛍光マーカによって放出された光を検出するための、反応チャンバと同じピクセル内にある光検出器５－１１０の効率に影響を及ぼし得る。１つまたは複数の金属層５－１１６と、サンプルが動作中に位置し得る場所に近接する反応チャンバ５－１０８の底面との間の距離は、１００ｎｍ～５００ｎｍの範囲内であるか、またはその範囲内における任意の値もしくは値の範囲であり得る。いくつかの実施形態において、金属層５－１１６と反応チャンバ５－１０８の底面との間の距離は、約３００ｎｍである。
また、サンプルと１つまたは複数の光検出器との間の距離も、放出光を検出する際の効率に影響を及ぼし得る。光がサンプルと光検出器との間を移動する必要がある距離を減少させることによって、放出光の検出効率が改善され得る。加えて、サンプルと光検出器との間のより小さい距離は、ピクセルが集積デバイスのより小さい面積フットプリントを占有することを可能にし、これは、より多くのピクセルが集積デバイスに含まれることを可能にし得る。反応チャンバ５－１０８の底面と１つまたは複数の光検出器との間の距離は、１μｍ～１５μｍの範囲内であるか、またはその範囲内における任意の値もしくは値の範囲であり得る。
１つまたは複数のフォトニック構造５－２３０は、反応チャンバ５－１０８と光検出器５－１１０との間に位置決めされ得るとともに、励起光が光検出器５－１１０に到達することを低減または防止することで、放出光を検出する際の信号ノイズとなり得ることを低減または防止するように構成され得る。図５－１Ｂに示されるように、１つまたは複数のフォトニック構造５－２３０は、導波路５－２２０と光検出器５－１１０との間に位置決めされ得る。フォトニック構造５－２３０は、スペクトルフィルタ、偏光フィルタ、および空間フィルタを含む１つまたは複数の光除去フォトニック構造を含み得る。フォトニック構造５－２３０は、個々の反応チャンバ５－１０８およびそれらのそれぞれの光検出器５－１１０と共通軸に沿って整列するように配置され得る。集積デバイス５－１０２の回路として機能し得る金属層５－２４０は、いくつかの実施形態によれば、空間フィルタとしても機能し得る。そのような実施形態において、１つまたは複数の金属層５－２４０は、励起光の一部または全部が光検出器５－１１０に到達することを阻止するように位置決めされ得る。
結合領域５－２０１は、外部励起源からの励起光を結合するように構成された１つまたは複数の光学構成要素を含み得る。結合領域５－２０１は、励起光のビームの一部または全部を受け取るように配置された格子カプラ５－２１６を含み得る。適切な格子カプラの例は、２０１７年１２月１５日に出願された「OPTICAL COUPLER AND WAVEGUIDE SYSTEM」を名称とする米国特許出願第１５／８４４，４０３号に記載されており、参照によりその全体が援用される。格子カプラ５－２１６は、励起光を１つまたは複数の反応チャンバ５－１０８の近傍に伝搬するように構成され得る導波路５－２２０に励起光を結合し得る。あるいは、結合領域５－２０１は、光を導波路に結合するための他の周知の構造を備え得る。
励起源５－１０６を集積デバイスに位置決めおよび位置合わせするために、集積デバイスから離れて位置する構成要素が使用され得る。このような構成要素は、レンズ、鏡、プリズム、窓、開口、減衰器、および／または光ファイバを含む、光学構成要素を含み得る。１つまたは複数の位置合わせ構成要素の制御を可能にするために、追加の機械的な構成要素が機器に含まれ得る。このような機械的な構成要素は、アクチュエータ、ステッパモータ、および／またはノブを含み得る。適切な励起源および位置合わせ機構の例は、２０１６年５月２０日に出願された「PULSED LASER AND SYSTEM」を名称とする米国特許出願第１５／１６１，０８８号に記載されており、参照によりその全体が援用される。ビームステアリングモジュールの別の例は、２０１７年１２月１４日に出願された「COMPACT BEAM SHAPING AND STEERING ASSEMBLY」を名称とする米国特許出願第１５／８４２，７２０号に記載されており、参照によりその全体が援用される。
分析されるサンプルは、ピクセル５－１１２の反応チャンバ５－１０８内に導入され得る。サンプルは、生物学的サンプルか、または化学的サンプルなどの任意の他の適切なサンプルであり得る。いくつかの場合において、懸濁液は複数の対象分子を含み得るとともに、反応チャンバは単一の分子を単離するように構成され得る。いくつかの例において、反応チャンバの寸法は、単一の分子を反応チャンバ内に閉じ込めるように作用し得るとともに、単一の分子に対して測定が実行されることを可能にする。励起光は、反応チャンバ５－１０８内の照射領域内にある間に、サンプル、またはサンプルに付着されるかもしくはサンプルと関連付けられた少なくとも１つの蛍光マーカを励起するように、反応チャンバ５－１０８内に送達され得る。
動作時、励起光を使用して反応チャンバ内のサンプルの一部または全部を励起し、反応チャンバからの放出光を表す信号を光検出器で検出することによって反応チャンバ内のサンプルの並列分析が行われる。サンプルまたは反応成分（例えば、蛍光標識）からの放出光は、対応する光検出器によって検出され、少なくとも１つの電気信号に変換され得る。電気信号は、集積デバイスにインターフェース接続された機器に接続され得る集積デバイスの回路内の導電線（例えば、金属層５－２４０）に沿って送信され得る。電気信号は、その後、処理および／または分析され得る。電気信号の処理または分析は、機器上または機器外のいずれかに位置する適切なコンピューティングデバイス上で行われ得る。
機器５－１０４は、機器５－１０４および／または集積デバイス５－１０２の動作を制御するためのユーザインターフェースを含み得る。ユーザインターフェースは、ユーザが、機器の機能を制御するために使用されるコマンドおよび／または設定等の情報を機器に入力することを可能にするように構成され得る。いくつかの実施形態において、ユーザインターフェースは、ボタン、スイッチ、ダイヤル、および音声コマンドのためのマイクロホンを含み得る。ユーザインターフェースは、ユーザが、集積デバイス上の光検出器からの読み出し信号によって得られる適切な位置合わせおよび／または情報などの、機器および／または集積デバイスの性能に関するフィードバックを受信することを可能にし得る。いくつかの実施形態において、ユーザインターフェースは、可聴フィードバックを提供するためにスピーカを使用してフィードバックを提供し得る。いくつかの実施形態において、ユーザインターフェースは、視覚的フィードバックをユーザに提供するためのインジケータライトおよび／または表示画面を含み得る。
いくつかの実施形態において、機器５－１０４は、コンピューティングデバイスと接続するように構成されたコンピュータインターフェースを含み得る。コンピュータインターフェースは、ＵＳＢインターフェース、ＦｉｒｅＷｉｒｅ（登録商標）インターフェース、または任意の他の適切なコンピュータインターフェースであり得る。コンピューティングデバイスは、ラップトップまたはデスクトップコンピュータなどの任意の汎用コンピュータであり得る。いくつかの実施形態において、コンピューティングデバイスは、適切なコンピュータインターフェースを介して無線ネットワーク上でアクセス可能なサーバ（例えば、クラウドベースのサーバ）であり得る。コンピュータインターフェースは、機器５－１０４とコンピューティングデバイスとの間の情報の通信を容易にし得る。機器５－１０４を制御および／または構成するための入力情報は、コンピューティングデバイスに提供されるとともにコンピュータインターフェースを介して機器５－１０４に送信され得る。機器５－１０４によって生成された出力情報は、コンピュータインターフェースを介してコンピューティングデバイスによって受信され得る。出力情報は、機器５－１０４の性能、集積デバイス５－１１２の性能、および／または光検出器５－１１０の読み出し信号から生成されたデータに関するフィードバックを含み得る。
いくつかの実施形態において、機器５－１０４は、集積デバイス５－１０２の１つまたは複数の光検出器から受信したデータを分析し、および／または励起源２－１０６に制御信号を送信するように構成された処理デバイスを含み得る。いくつかの実施形態において、処理デバイスは、汎用プロセッサ、特別に適合化されたプロセッサ（例えば、１つまたは複数のマイクロプロセッサまたはマイクロコントローラコアなどの中央処理装置（ＣＰＵ）、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、カスタム集積回路、デジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）、またはそれらの組み合わせ）を備え得る。いくつかの実施形態において、１つまたは複数の光検出器からのデータの処理は、機器５－１０４の処理デバイスおよび外部コンピューティングデバイスの両方によって行われ得る。他の実施形態では、外部コンピューティングデバイスは省略され得るとともに、１つまたは複数の光検出器からのデータの処理は、集積デバイス５－１０２の処理デバイスのみによって実行され得る。
図５－１Ｃを参照すると、携帯型の高度な分析機器５－１００は、機器５－１００内に交換可能なモジュールとして取り付けられるか、または他の方法で機器５－１００に結合された１つまたは複数のパルス光源５－１０６を備え得る。携帯型の分析機器５－１００は、光結合システム５－１１５および分析システム５－１６０を含み得る。光結合システム５－１１５は、光学構成要素の任意の組み合わせ（例えば、レンズ、ミラー、光学フィルタ、減衰器、ビームステアリング構成要素、ビーム成形構成要素のうちの１つまたは２つ以上を含んでもよいし、あるいはそれらのいずれも含んでいなくてもよい）を含み得るとともに、パルス光源５－１０６からの出力光パルス５－１２２に対して動作するおよび／またはそれを分析システム５－１６０に結合するように構成され得る。分析システム５－１６０は、サンプル分析のために光パルスを少なくとも１つの反応チャンバに方向付け、少なくとも１つの反応チャンバから１つまたは複数の光信号（例えば、蛍光、後方散乱放射）を受け取り、受け取った光信号を表す１つまたは複数の電気信号を生成するように配置された複数の構成要素を含み得る。いくつかの実施形態において、分析システム５－１６０は、１つまたは複数の光検出器を含み得るとともに、光検出器からの電気信号を処理するように構成された信号処理電子部品（例えば、１つまたは複数のマイクロコントローラ、１つまたは複数のフィールドプログラマブルゲートアレイ、１つまたは複数のマイクロプロセッサ、１つまたは複数のデジタル信号プロセッサ、論理ゲートなど）も含み得る。また、分析システム５－１６０は、外部デバイス（例えば、機器５－１００が１つまたは複数のデータ通信リンクを介して接続することができるネットワーク上の１つまたは複数の外部デバイス）との間でデータを送受信するように構成されたデータ伝送ハードウェアを含み得る。いくつかの実施形態において、分析システム５－１６０は、分析される１つまたは複数のサンプルを保持するバイオ光電子チップ５－１４０を収容するように構成され得る。
図５－１Ｄは、小型パルス光源５－１０８を含む携帯型の分析機器５－１００のさらなる詳細な例を示す。この例では、パルス光源５－１０８は、小型の受動モードロックレーザモジュール５－１１３を備える。受動モードロックレーザは、外部パルス信号を印加することなく、自律的に光パルスを生成することができる。いくつかの実装形態において、モジュールは、機器のシャーシまたはフレーム５－１０３に搭載可能であるとともに、機器の外側ケーシングの内側に位置し得る。いくつかの実施形態によれば、パルス光源５－１０６は、光源を動作させるため、および光源５－１０６からの出力ビームで動作させるために使用することができる追加の構成要素を含み得る。モードロックレーザ５－１１３は、レーザキャビティ内に、またはレーザキャビティに結合された、レーザの縦周波数モードの位相ロックを誘導する要素（例えば、可飽和吸収体、音響光学変調器、カーレンズ）を備え得る。レーザキャビティは、キャビティ端部ミラー５－１１１，５－１１９によって部分的に画定され得る。このような周波数モードのロックは、レーザのパルス動作をもたらし（例えば、キャビティ内パルス５－１２０はキャビティ端部ミラー間を往復して跳ね返る）、部分的に透過している１つの端部ミラー５－１１１から出力光パルス５－１２２のストリームを生成する。
いくつかの場合において、分析機器５－１００は、取り外し可能なパッケージ化されたバイオ光電子チップまたは光電子チップ５－１４０（「使い捨てチップ」とも呼ばれる）を収容するように構成されている。使い捨てチップは、例えば、複数の反応チャンバと、光励起エネルギーを反応チャンバに送達するように配置された集積光学構成要素と、反応チャンバからの蛍光放出を検出するように配置された集積光検出器とを備えるバイオ光電子チップを含み得る。いくつかの実装形態において、チップ５－１４０は１回の使用により使い捨て可能であり得るが、他の実装形態では、チップ５－１４０は２回以上再使用され得る。チップ５－１４０は、機器５－１００によって受け取られると、パルス光源５－１０６および分析システム５－１６０内の装置と電気的および光学的に通信することができる。電気通信は、例えば、チップパッケージ上の電気コンタクトを通じて行われ得る。
図５－１Ｄを参照すると、いくつかの実施形態において、使い捨てチップ５－１４０は、追加の機器電子機器を含み得るプリント回路基板（ＰＣＢ）などの電子回路基板５－１３０上に（例えば、ソケット接続を介して）取り付けられ得る。例えば、ＰＣＢ５－１３０は、電力、１つまたは複数のクロック信号、および制御信号を光電子チップ５－１４０に供給するように構成された回路と、反応チャンバから検出された蛍光放出を表す信号を受信するように配置された信号処理回路とを含み得る。光電子チップから戻されたデータは、機器５－１００上の電子機器によって部分的にまたは全体的に処理され得るが、いくつかの実装形態では、データは、ネットワーク接続を介して１つまたは複数の遠隔データプロセッサに送信され得る。また、ＰＣＢ５－１３０は、光電子チップ５－１４０の導波路に結合される光パルス５－１２２の光結合および電力レベルに関連するフィードバック信号をチップから受信するように構成された回路を含み得る。フィードバック信号は、光パルス５－１２２の出力ビームの１つまたは複数のパラメータを制御するためにパルス光源５－１０６および光学系５－１１５の一方または両方に提供され得る。いくつかの場合において、ＰＣＢ５－１３０は、光源および光源５－１０６内の関連回路を動作させるために、パルス光源５－１０６に電力を供給または送達し得る。
いくつかの実施形態によれば、パルス光源５－１０６は、小型モードロックレーザモジュール５－１１３を備える。モードロックレーザは、利得媒質５－１０５（いくつかの実施形態では固体材料とすることができる）、出力カプラ５－１１１、およびレーザキャビティエンドミラー５－１１９を備え得る。モードロックレーザの光キャビティは、出力カプラ５－１１１およびエンドミラー５－１１９によって結合され得る。レーザキャビティの光軸５－１２５は、レーザキャビティの長さを増加させ、所望のパルス繰り返し率をもたらすために、１つまたは複数の折り返し（ターン）を有し得る。パルス繰り返し率は、レーザキャビティの長さ（例えば、光パルスがレーザキャビティ内を往復する時間）によって決定される。
いくつかの実施形態において、ビーム成形、波長選択、および／またはパルス形成のために、レーザキャビティ内に追加の光学素子（図５－１Ｄには図示せず）が設けられ得る。いくつかの場合において、端部ミラー５－１１９は、縦キャビティモードの受動モードロックを誘起し、モードロックレーザのパルス動作をもたらす可飽和吸収ミラー（ＳＡＭ）を備える。モードロックレーザモジュール５－１１３は、利得媒質５－１０５を励起するためのポンプ源（例えば、図５－１Ｄには示されていないレーザダイオード）をさらに含み得る。モードロックレーザモジュール５－１１３のさらなる詳細は、２０１７年１２月１５日に出願された「COMPACT MODE-LOCKED LASER MODULE」を名称とする米国特許出願第１５／８４４，４６９号で確認することができ、参照により本明細書に援用される。
レーザ５－１１３がモードロックされているとき、キャビティ内パルス５－１２０は端部ミラー５－１１９と出力カプラ５－１１１との間を循環することができ、そのキャビティ内パルスの一部が出力カプラ５－１１１を介して出力パルス５－１２２として伝送され得る。したがって、出力パルス５－１２２の列は、図５－２のグラフに示されるように、キャビティ内パルス５－１２０がレーザキャビティ内の出力カプラ５－１１１と端部ミラー５－１１９との間を往復して跳ね返るときに出力カプラで検出することができる。
図５－２は、出力パルス５－１２２の時間的な強度プロファイルを示すが、図は縮尺通りではない。いくつかの実施形態において、放出パルスのピーク強度値は、ほぼ同じであり得る。プロファイルは、ガウス型の時間プロファイルを有し得るが、ｓｅｃｈ２プロファイルなどの他のプロファイルも可能であり得る。いくつかの場合において、パルスは対称的な時間プロファイルを有していなくてもよく、他の時間的形状を有してもよい。各パルスの持続時間は、図５－２に示されるように、半値全幅（ＦＷＨＭ）値によって特徴付けられ得る。モードロックレーザのいくつかの実施形態によれば、超短光パルスは、１００ピコ秒（ｐｓ）未満のＦＷＨＭ値を有し得る。ある場合には、ＦＷＨＭ値は、約５ｐｓ～約３０ｐｓであり得る。
出力パルス５－１２２は、規則的な間隔Ｔで分離され得る。例えば、Ｔは、出力カプラ５－１１１とキャビティ端部ミラー５－１１９との間の往復移動時間によって決定され得る。いくつかの実施形態によれば、パルス分離間隔Ｔは、約１ｎｓ～約３０ｎｓとすることができる。いくつかの場合において、パルス分離間隔Ｔは、約０．７メートル～約３メートルのレーザキャビティ長（レーザキャビティ内の光軸５－１２５のおおよその長さ）に対応して、約５ｎｓ～約２０ｎｓとすることができる。実施形態において、パルス分離間隔は、レーザキャビティ内の往復移動時間に対応し、したがって、３メートルのキャビティ長（６メートルの往復距離）は、約２０ｎｓのパルス分離間隔Ｔをもたらす。
いくつかの実施形態によれば、所望のパルス分離間隔Ｔおよびレーザキャビティ長は、チップ５－１４０上の反応チャンバの数、蛍光放出特性、および光電子チップ５－１４０からデータを読み取るためのデータ処理回路の速度の組み合わせによって決定され得る。実施形態において、異なるフルオロフォアは、それらの異なる蛍光減衰率または特徴的な寿命によって区別され得る。したがって、選択されたフルオロフォアについて適切な統計を収集し、それらの異なる減衰率を区別するために、十分なパルス分離間隔Ｔが必要である。また、パルス分離間隔Ｔが短すぎる場合、データ処理回路は、多数の反応チャンバによって収集される大量のデータに追従することができない。約５ｎｓ～約２０ｎｓの間のパルス分離間隔Ｔは、最大約２ｎｓまでの減衰率を有するフルオロフォアに適しており、約６０，０００個～１０，０００，０００個の反応チャンバからのデータを取り扱うのに適している。
いくつかの実装形態によれば、ビームステアリングモジュール５－１５０は、パルス光源５－１０６から出力パルスを受信することができ、光電子チップ５－１４０の光カプラ（例えば、格子カプラ）上への光パルスの少なくとも位置および入射角を調整するように構成されている。いくつかの場合において、パルス光源５－１０６からの出力パルス５－１２２は、追加的にまたは代替的に、光電子チップ５－１４０上の光カプラにおけるビーム形状および／またはビーム回転を変更するためにビームステアリングモジュール５－１５０によって操作され得る。いくつかの実装形態において、ビームステアリングモジュール５－１５０は、光カプラ上への出力パルスのビームの集束および／または偏光調整をさらに提供し得る。ビームステアリングモジュールの一例は、２０１６年５月２０日に出願された「PULSED LASER AND BIOANALYTIC SYSTEM」を名称とする米国特許出願第１５／１６１，０８８号に記載されており、参照により本明細書に援用される。ビームステアリングモジュールの別の例は、２０１６年１２月１６日に出願された「COMPACT BEAM SHAPING AND STEERING ASSEMBLY」を名称とする別の米国特許出願第６２／４３５，６７９号に記載されており、参照により本明細書に援用される。
図５－３を参照すると、パルス光源からの出力パルス５－１２２は、例えば、バイオ光電子チップ５－１４０上の１つまたは複数の光導波路５－３１２に結合され得る。いくつかの実施形態において、光パルスは格子カプラ５－３１０を介して１つまたは複数の導波路に結合され得るが、いくつかの実施形態では、光電子チップ上の１つまたは複数の光導波路の端部への結合が使用され得る。いくつかの実施形態によれば、格子カプラ５－３１０に対する光パルス５－１２２のビームの位置合わせを助けるために、半導体基板５－３０５（例えば、シリコン基板）上にクワッド検出器５－３２０が配置され得る。１つまたは複数の導波路５－３１２、および反応チャンバすなわち複数の反応チャンバ５－３３０は、基板、導波路、反応チャンバ、および光検出器５－３２２の間に誘電体層（例えば、二酸化ケイ素層）が介在した状態で、同じ半導体基板上に集積させることができる。
各導波路５－３１２は、導波路に沿って反応チャンバに結合された光出力を等化するために、反応チャンバ５－３３０の下にテーパ部分５－３１５を含み得る。先細りテーパは、より多くの光エネルギーを導波路のコアの外に押しやることができ、反応チャンバへの結合を増加させ、反応チャンバへの光結合の損失を含む導波路に沿った光損失を補償する。第２の格子カプラ５－３１７は、光エネルギーを集積フォトダイオード５－３２４に向けるために、各導波路の端部に配置され得る。集積フォトダイオードは、導波路に結合された電力の量を検出し、検出された信号を、例えば、ビームステアリングモジュール５－１５０を制御するフィードバック回路に提供することができる。
反応チャンバ５－３３０は、導波路のテーパ部分５－３１５と位置合わせされ、タブ５－３４０において凹設され得る。半導体基板５－３０５上に配置された光検出器５－３２２は反応チャンバ５－３３０毎に存在し得る。いくつかの実施形態において、半導体吸収体（光学フィルタ５－５３０として図５－５に示される）は、各ピクセルにおいて導波路と光検出器５－３２２との間に位置し得る。金属コーティングおよび／または多層コーティング５－３５０が反応チャンバの周囲および導波路の上方に形成されることで、反応チャンバ内にない（例えば、反応チャンバ上方の溶液内に分散される）フルオロフォアの光学励起が防止され得る。金属コーティングおよび／または多層コーティング５－３５０は、各導波路の入力端および出力端における導波路５－３１２内の光エネルギーの吸収損失を低減するために、タブ５－３４０の縁を超えて隆起し得る。
光電子チップ５－１４０上には、導波路、反応チャンバ、および時間ビニング光検出器の複数の列が存在し得る。例えば、いくつかの実装形態では、１２８個の列が存在し得るとともに、それぞれが５１２個の反応チャンバを有することで合計６５，５３６個の反応チャンバが存在し得る。他の実装形態は、より少ないまたはより多い数の反応チャンバを含んでもよく、他のレイアウト構成を含み得る。パルス光源５－１０６からの光出力は、チップ５－１４０への光カプラ５－３１０と複数の導波路５－３１２との間に配置された１つまたは複数のスターカプラもしくはマルチモード干渉カプラを介して、またはそれらの間に配置された任意の他の手段によって、複数の導波路に分配され得る。
図５－４は、導波路５－３１５のテーパ部分内の光パルス５－１２２から反応チャンバ５－３３０への光エネルギー結合を示す。この図は、導波路の寸法、反応チャンバの寸法、異なる材料の光学特性、および反応チャンバ５－３３０からの導波路５－３１５のテーパ部分の距離を考慮した光波の電磁場シミュレーションから作成されたものである。導波路は、例えば、二酸化ケイ素の周囲媒体５－４１０中の窒化ケイ素から形成され得る。導波路、周囲媒体、および反応チャンバは、２０１５年８月７日に出願された「INTEGRATED DEVICE FOR PROBING, DETECTING AND ANALYZING MOLECULES」を名称とする米国特許出願第１４／８２１，６８８号に記載された微細加工方法によって形成することができる。いくつかの実施形態によれば、エバネッセント光場５－４２０は、導波路によって伝達された光エネルギーを反応チャンバ５－３３０に結合する。
図５－５には、反応チャンバ５－３３０内で生じる生物学的反応の非限定的な例が示されている。この例は、標的核酸に対して相補的な成長鎖へのヌクレオチドまたはヌクレオチド類似体の逐次組み込みを示している。この逐次組み込みは、反応チャンバ５－３３０内で行うことができ、ＤＮＡをシーケンシングするための高度な分析機器によって検出することができる。反応チャンバは、約１５０ｎｍ～約２５２ｎｍの深さ、および約８０ｎｍ～約１６０ｎｍの直径を有し得る。金属化層５－５４０（例えば、電気基準電位のための金属化）は、隣接する反応チャンバおよび他の望ましくない光源からの迷光を阻止する開口または絞りを提供するために光検出器５－３２２の上方にパターニングされ得る。いくつかの実施形態によれば、ポリメラーゼ５－５２０が、反応チャンバ５－３３０内に配置され得る（例えば、チャンバの基部に取り付けられる）。ポリメラーゼは、標的核酸５－５１０（例えば、ＤＮＡに由来する核酸の一部）を取り込み、相補的核酸の成長鎖をシーケンシングしてＤＮＡ５－５１２の成長鎖を生成することができる。異なるフルオロフォアで標識されたヌクレオチドまたはヌクレオチド類似体は、反応チャンバの上方および内部の溶液中に分散させることができる。
図５－６に示されるように、標識されたヌクレオチドまたはヌクレオチド類似体５－６１０が相補的核酸の成長鎖に組み込まれると、１つまたは複数の付着されたフルオロフォア５－６３０は、導波路５－３１５から反応チャンバ５－３３０に結合された光エネルギーのパルスによって繰り返し励起され得る。いくつかの実施形態において、１つまたは複数のフルオロフォア５－６３０は、任意の適切なリンカー５－６２０を用いて、１つまたは複数のヌクレオチドまたはヌクレオチド類似体５－６１０に結合され得る。組み込み事象は、最大約１００ｍｓの期間にわたって持続し得る。この時間の間、モードロックレーザからのパルスによる１つまたは複数のフルオロフォアの励起から生じる蛍光放出のパルスは、例えば、時間ビニング光検出器５－３２２で検出することができる。いくつかの実施形態において、信号処理（例えば、増幅、読み出し、ルーティング、信号前処理など）のために、各ピクセルに１つまたは複数の追加の集積電子デバイス５－３２３が存在し得る。いくつかの実施形態によれば、各ピクセルは、蛍光放出を通過させ、励起パルスからの放射線の透過を低減する少なくとも１つの光学フィルタ５－５３０（例えば、半導体吸収体）を含み得る。いくつかの実装形態は、光フィルタ５－５３０を使用しなくてもよい。異なる発光特性（例えば、蛍光減衰率、強度、蛍光波長）を有するフルオロフォアを異なるヌクレオチド（Ａ，Ｃ，Ｇ，Ｔ）に付着させることによって、異なる発光特性を検出および区別する一方で、ＤＮＡ５－５１２の鎖は核酸を組み込み、ＤＮＡの成長鎖の遺伝子配列の決定を可能にする。
いくつかの実施形態によれば、蛍光放出特性に基づいてサンプルを分析するように構成された高度分析機器５－１００は、異なる蛍光分子間の蛍光寿命および／または強度の差、および／または異なる環境における同じ蛍光分子の寿命および／または強度の差を検出することができる。図５－７は、説明を目的として、例えば、２つの異なる蛍光分子からの蛍光放出を表すことができる２つの異なる蛍光放出確率曲線（ＡおよびＢ）をプロットしたものである。曲線Ａ（破線）を参照すると、短いまたは超短光パルスによって励起された後、第１の分子からの蛍光放出の確率ｐＡ（ｔ）は、図示されるように、時間とともに減衰し得る。いくつかの場合において、光子が経時的に放出される確率の減少は、指数関数的減衰関数ｐＡ（ｔ）＝ＰＡＯｅ－ｔ／τ１によって表すことができ、式中、ＰＡＯは初期放出確率であり、τ１は、放出減衰確率を特徴付ける第１の蛍光分子に関連付けられた時間パラメータである。τ１は、第１の蛍光分子の「蛍光寿命」、「発光寿命」、または「寿命」と称され得る。いくつかの場合において、τ１の値は、蛍光分子の局所環境によって変化し得る。他の蛍光分子は、曲線Ａに示されるものとは異なる発光特性を有し得る。例えば、別の蛍光分子は、単一の指数関数的減衰とは異なる減衰プロファイルを有し得るとともに、その寿命は、半減期値またはいくつかの他の測定基準によって特徴付けられ得る。
第２の蛍光分子は、指数関数的な減衰プロファイルｐＢ（ｔ）を有し得るが、図５－７の曲線Ｂに示されるように、測定可能な異なる寿命τ２を有する。曲線Ｂの初期放出確率は、ＰＢＯとして図５－７に示されている。図示された例では、曲線Ｂの第２の蛍光分子の寿命は、曲線Ａの寿命よりも短く、放出の確率ｐＢ（ｔ）は、曲線Ａよりも第２の分子の励起後にすぐに高くなる。いくつかの実施形態において、異なる蛍光分子は、約０．１ｎｓ～約２０ｎｓの範囲の寿命または半減期値を有し得る。
蛍光放出寿命の差は、異なる蛍光分子の有無を識別するため、および／または蛍光分子がさらされる異なる環境もしくは条件を識別するために使用され得る。いくつかの場合には、蛍光分子を（例えば、発光波長ではなく）寿命に基づいて識別することにより、分析機器５－１００の態様を簡略化することができる。一例として、寿命に基づいて蛍光分子を識別する場合、波長を識別する光学素子（波長フィルタ、各波長用の専用の検出器、異なる波長における専用のパルス光源、および／または回折光学素子など）の数を低減または排除することができる。いくつかの場合には、光スペクトルの同じ波長領域内で発光するが、明らかに異なる寿命を有する異なる蛍光分子を励起するために、単一の特性波長で動作する単一のパルス光源が使用され得る。同じ波長領域で発光する異なる蛍光分子を励起および識別するために、異なる波長で動作する複数の光源ではなく、単一のパルス光源を使用する分析システムは、動作および維持がより複雑でなく、よりコンパクトであり、より低コストで製造することができる。
蛍光寿命分析に基づく分析システムは、特定の利点を有し得るが、分析システムによって得られる情報量および／または検出精度は、さらなる検出技術を可能にすることによって増加され得る。例えば、いくつかの分析システム５－１６０はさらに、蛍光波長および／または蛍光強度に基づいて、サンプルの１つまたは複数の特性を識別するように構成され得る。
図５－７を再度参照すると、いくつかの実施形態によれば、異なる蛍光寿命は、蛍光分子の励起後の蛍光放出事象を時間ビニングするように構成された光検出器を用いて区別することができる。時間ビニングは、光検出器の単一の電荷蓄積サイクル中に行うことができる。電荷蓄積サイクルは、光生成キャリアが時間ビニング光検出器のビンに蓄積される読み出しイベント間の間隔である。発光事象の時間ビニングによって蛍光寿命を決定する概念は、図５－８において図式的に導入される。ｔ１の直前の時点ｔｅにおいて、同じタイプ（例えば、図５－７の曲線Ｂに対応するタイプ）の蛍光分子または蛍光分子のアンサンブルは、短いまたは超短光パルスによって励起される。分子の大きなアンサンブルの場合、放出の強度は、図５－８に示されるように、曲線Ｂに類似する時間プロファイルを有し得る。
しかしながら、単一の分子または少数の分子の場合、蛍光光子の放出は、この例では、図５－７の曲線Ｂの統計に従って生じる。時間ビニング光検出器５－３２２は、放出事象から生成されたキャリアを離散時間ビンに蓄積することができる。図５－８には３つのビンが示されているが、より少ないビンまたはより多いビンも実施形態で使用され得る。ビンは、蛍光分子の励起時間ｔｅに関して時間的に分解される。例えば、第１のビンは、時間ｔｅにおける励起事象後に生じる、時点ｔ１と時点ｔ２との間の間隔中に生成されたキャリアを蓄積することができる。第２のビンは、時点ｔ２と時点ｔ３との間の間隔中に生成されたキャリアを蓄積することができ、第３のビンは、時点ｔ３と時点ｔ４との間の間隔中に生成されたキャリアを蓄積することができる。多数の放出事象が合計されるとき、時間ビンに蓄積されたキャリアは、図５－８に示される減衰強度曲線に近似することができ、ビニングされた信号は、異なる蛍光分子または蛍光分子が位置する異なる環境を区別するために使用することができる。
時間ビニング光検出器５－３２２の例は、２０１５年８月７日に出願された「INTEGRATED DEVICE FOR TEMPORAL BINNING OF RECEIVED PHOTONS」を名称とする米国特許出願第１４／８２１，６５６号、および２０１７年１２月２２日に出願された「INTEGRATED PHOTODETECTOR WITH DIRECT BINNING PIXEL」を名称とする米国特許出願第１５／８５２，５７１号に記載されており、それぞれ参照によりその全体が本明細書に援用される。図５－９には、説明を目的として、時間ビニング光検出器の非限定的な実施形態が示されている。単一の時間ビニング光検出器５－３２２は、光子吸収／キャリア生成領域５－９０２、キャリア放出チャネル５－９０６、および複数のキャリア蓄積領域５－９０８ａ，５－９０８ｂを備え得る。これらはすべて半導体基板上に形成されている。キャリア伝送チャネル５－９０７は、光子吸収／キャリア生成領域５－９０２とキャリア蓄積領域５－９０８ａ，５－９０８ｂとの間を接続し得る。図示された例では、２つのキャリア蓄積領域が示されているが、これより多くてもよいし少なくてもよい。キャリア蓄積領域に接続された読み出しチャネル５－９１０も存在し得る。光子吸収／キャリア生成領域５－９０２、キャリア放出チャネル５－９０６、キャリア蓄積領域５－９０８ａ，５－９０８ｂ、および読み出しチャネル５－９１０は、半導体を局所的にドープすることによって、および／または隣接絶縁領域を形成することによって形成され、光検出能力、キャリアの閉じ込めおよび輸送を提供することができる。また、時間ビニング光検出器５－３２２は、基板上に形成された複数の電極５－９２０，５－９２１，５－９２２，５－９２３，５－９２４を含み得る。これらの電極は、デバイスを介してキャリアを伝送するためにデバイス内に電界を生成するように構成されている。単一の電荷蓄積領域および複数の順次結合された電荷蓄積領域を含む適切な光検出器の他の例が本明細書に記載されるが、本明細書に記載される実施形態はそれらに限定されない。
動作時、パルス光源５－１０６（例えば、モードロックレーザ）からの励起パルス５－１２２の一部は、時間ビニング光検出器５－３２２を介して反応チャンバ５－３３０に送達される。最初に、いくつかの励起放射光子５－９０１は、光子吸収／キャリア生成領域５－９０２に到達してキャリア（薄い影付きの円として示される）を生成し得る。励起放射光子５－９０１とともに到着し、対応するキャリア（濃い影付きの円として示される）を生成するいくつかの蛍光放出光子５－９０３も存在し得る。最初に、励起放射によって生成されるキャリアの数は、蛍光放出によって生成されるキャリアの数と比較して多すぎる可能性がある。時間間隔ｔｅ－ｔ１中に生成された初期キャリアは、例えば、第１の伝送ゲート５－９２０を用いてキャリア放出チャネル５－９０６内にゲーティングすることによって除去することができる。
その後、大部分の蛍光放出光子５－９０３が光子吸収／キャリア生成領域５－９０２に到達して、反応チャンバ５－３３０からの蛍光放出を表す有用かつ検出可能な信号を提供するキャリア（濃い影付きの円で示す）を生成する。いくつかの検出方法によれば、第２の電極５－９２１および第３の電極５－９２３は、後の時間（例えば、第２の時間間隔ｔ１－ｔ２中）に生成されたキャリアを第１のキャリア蓄積領域５－９０８ａに向けるために、後の時間にゲーティングされ得る。その後、第４の電極５－９２２および第５の電極５－９２４は、第２のキャリア蓄積領域５－９０８ｂにキャリアを向けるために、後の時間（例えば、第３の時間間隔ｔ２－ｔ３中）にゲーティングされ得る。電荷蓄積が多数の励起パルスについて励起パルス後にこのように継続されることで、各キャリア蓄積領域５－９０８ａ，５－９０８ｂ内にかなりの数のキャリアおよび信号レベルを蓄積することができる。その後、信号をビンから読み出すことができる。いくつかの実装形態において、各蓄積領域に対応する時間間隔は、サブナノ秒の時間スケールであるが、いくつかの実施形態においては（例えば、フルオロフォアがより長い減衰時間を有する実施形態においては）、より長い時間スケールが使用され得る。
励起事象（例えば、パルス光源からの励起パルス）後にキャリアを生成して時間ビニングするプロセスは、時間ビニング光検出器５－３２２の単一の電荷蓄積サイクル中において、単一の励起パルス後に１回生じ得るか、または複数の励起パルス後に複数回繰り返され得る。電荷蓄積が完了した後、読み出しチャネル５－９１０を介して蓄積領域からキャリアを読み出すことができる。例えば、適切なバイアスシーケンスを電極５－９２３，５－９２４および少なくとも電極５－９４０に印加し、蓄積領域５－９０８ａ，５－９０８ｂからキャリアを除去することができる。電荷蓄積および読み出しプロセスは、光電子チップ５－１４０上において超並列動作で行うことができ、その結果、データのフレームが得られる。
図５－９に関連して説明した例は、複数の電荷蓄積領域５－９０８ａ，５－９０８ｂを含むが、いくつかの場合には、代わりに単一の電荷蓄積領域を使用することができる。例えば、ビン１のみが時間ビニング光検出器５－３２２に存在してもよい。このような場合、異なる励起事象後の異なる時間間隔を見るために、可変時間ゲート方式で単一の蓄積領域５－９０８ａを動作させることができる。例えば、第１の一連の励起パルス内のパルスの後、第１の時間間隔中（例えば、第２の時間間隔ｔ１－ｔ２中）に生成されたキャリアを収集するために、蓄積領域５－９０８ａのための電極をゲーティングすることができ、第１の所定数のパルスの後に蓄積された信号を読み出すことができる。同じ反応チャンバにおける後続の一連の励起パルスにおけるパルスの後、異なる間隔中（例えば、第３の時間間隔ｔ２－ｔ３中）に生成されたキャリアを収集するために、蓄積領域５－９０８ａ用の同じ電極をゲーティングすることができ、第２の所定数のパルスの後に、蓄積された信号を読み出すことができる。キャリアは、必要に応じて同様の方法で後の時間間隔中に収集することができる。このように、励起パルスが反応チャンバに到達した後の異なる期間中の蛍光放出に対応する信号レベルを、単一のキャリア蓄積領域を使用して生成することができる。
いくつかの実施形態において、第２および第３の時間間隔の間に生成されたキャリアは、順次結合された電荷キャリア蓄積領域を使用して収集および蓄積され得る。例えば、時間間隔ｔ１－ｔ２中に生成された電荷キャリアは、第１の電荷蓄積領域に収集されるとともに、第２の電荷蓄積領域に伝送され得る。次いで、時間間隔ｔ２－ｔ３中に生成された電荷キャリアが第１の電荷蓄積領域に収集され、時間間隔ｔ１－ｔ２の間に収集された電荷キャリアが読み出し領域ＦＤに読み出される。代替的にまたは追加的に、時間間隔ｔ１－ｔ２中に生成された電荷キャリアが第３の電荷蓄積領域にさらに伝送されるとともにそこから読み出され得る。次いで、時間間隔ｔ２－ｔ３中に生成された電荷キャリアが（例えば、その間に読み出し領域ＦＤの電圧をリセットすることなく）第３の電荷蓄積領域を介して第２の電荷蓄積領域から読み出され得る。
励起後の異なる時間間隔に対してどのように電荷蓄積が実行されるかにかかわらず、読み出される信号は、例えば、蛍光放出減衰特性を表すビンのヒストグラムを提供することができる。例示的なプロセスが、図５－１０Ａおよび図５－１０Ｂに示されており、反応チャンバから蛍光放出を取得するために２つの電荷蓄積領域が使用される。ヒストグラムのビンは、反応チャンバ５－３３０内の１つまたは複数のフルオロフォアの励起後の各時間間隔中に検出された光子の数を示すことができる。いくつかの実施形態において、ビンの信号は、図５－１０Ａに示されるように、多数の励起パルスに続いて蓄積され得る。励起パルスは、パルス間隔時間Ｔによって分離される時点ｔｅ１，ｔｅ２，ｔｅ３，…ｔｅＮにおいて発生し得る。いくつかの場合には、反応チャンバ内で観察される単一事象（例えば、ＤＮＡ分析における単一ヌクレオチド組み込み事象）に対する電子蓄積領域における信号の蓄積中に、反応チャンバに印加される１０５～１０７個の励起パルス５－１２２（またはその一部）が存在し得る。いくつかの実施形態において、１つのビン（ビン０）は、各光パルスとともに送達される励起エネルギーの振幅を検出するように構成され得るとともに（例えば、データを正規化するための）基準信号として使用され得る。他の場合においては、励起パルスの振幅は安定していて、信号取得中に１回以上判定され、各励起パルス後に判定されないことで、各励起パルス後にビン０の信号取得はない。このような場合、図５－９に関連して上述したように、励起パルスによって生成されたキャリアは除去され、光子吸収／キャリア生成領域５－９０２から排除され得る。
いくつかの実装形態では、図５－１０Ａに示されるように、励起事象に続いて、単一光子のみがフルオロフォアから放出され得る。時点ｔｅ１での第１の励起事象の後、時点ｔｒ１で放出された光子が第１の時間間隔内（例えば、時点ｔ１と時点ｔ２との間）に生じ得ることにより、それによって得られた電子信号が第１の電子蓄積領域に蓄積される（ビン１にもたらされる）。時点ｔｅ２での後続の励起事象では、時点ｔｒ２で放出された光子が第２の時間間隔内（例えば、時点ｔ２と時点ｔ３との間）に生じ得ることにより、それによって得られた電子信号がビン２にもたられる。時点ｔｅ３における次の励起事象の後、光子は第１の時間間隔内に生じる時点ｔｒ３に放出され得る。
いくつかの実装形態では、各励起パルスが反応チャンバ５－３３０で受信された後に放出および／または検出される蛍光光子がない場合がある。いくつかの場合には、反応チャンバに送達される１０，０００励起パルス毎に、反応チャンバにおいて検出されるわずか１つの蛍光光子が存在し得る。パルス励起源５－１０６としてモードロックレーザ５－１１３を実装することの１つの利点は、モードロックレーザが、高いパルス繰り返し率（例えば、５０ＭＨｚ～２５０ＭＨｚ）で高い強度および迅速なターンオフ時間を有する短い光パルスを生成できることである。このような高いパルス繰返し率では、１０ミリ秒の電荷蓄積間隔内の励起パルスの数が５０，０００～２５０，０００となり得ることにより、検出可能な信号を蓄積することができる。
多数の励起事象およびキャリア蓄積の後、時間ビニング光検出器５－３２２のキャリア蓄積領域は、反応チャンバのための多値信号（例えば、２つ以上の値のヒストグラム、Ｎ次元ベクトル等）を提供するために読み出され得る。各ビンについての信号値は、フルオロフォアの減衰速度に依存し得る。例えば、再び図５－８を参照すると、減衰曲線Ｂを有するフルオロフォアは、減衰曲線Ａを有するフルオロフォアよりもビン１～ビン２においてより高い信号の比を有する。ビンからの値が分析され、較正値に対して比較されるおよび／または互いに比較されることで、存在する特定のフルオロフォアを決定することができる。シーケンシング用途では、フルオロフォアを同定することにより、例えば、ＤＮＡの成長鎖に組み込まれているヌクレオチドまたはヌクレオチド類似体を決定することができる。他の用途では、フルオロフォアを同定することにより、フルオロフォアに連結され得る対象の分子または試料の同一性を決定することができる。
信号分析の理解をさらに助けるために、累積されたマルチビン値は、例えば図５－１０Ｂに示されるように、ヒストグラムとしてプロットされ得るか、またはＮ次元空間におけるベクトルまたは位置として記録され得る。較正の実行は、４つのヌクレオチドまたはヌクレオチド類似体に連結された４つの異なるフルオロフォアに関する多値信号（例えば、較正ヒストグラム）の較正値を取得するために別々に行われ得る。一例として、較正ヒストグラムは、図５－１１Ａ（Ｔヌクレオチドに関連付けられた蛍光標識）、図５－１１Ｂ（Ａヌクレオチドに関連付けられた蛍光標識）、図５－１１Ｃ（Ｃヌクレオチドに関連付けられた蛍光標識）、および図５－１１Ｄ（Ｇヌクレオチドに関連付けられた蛍光標識）に示されるように現れ得る。測定された多値信号（図５－１０Ｂのヒストグラムに対応する）と較正多値信号との比較により、ＤＮＡの成長鎖に組み込まれているヌクレオチドまたはヌクレオチド類似体の同一性「Ｔ」（図５－１１Ａ）を決定することができる。
いくつかの実装形態では、異なるフルオロフォアを区別するために、蛍光強度が追加的にまたは代替的に使用され得る。例えば、いくつかのフルオロフォアは、それらの減衰率が類似し得る場合でも、有意に異なる強度で発光し得るか、またはそれらの励起確率に有意な差（例えば、少なくとも約３５％の差）を有し得る。ビニングされた信号（ビン５－３）を測定された励起エネルギーおよび／または他の取得された信号と参照することによって、強度レベルに基づいて異なるフルオロフォアを区別することが可能であり得る。
いくつかの実施形態において、同じタイプの異なる数のフルオロフォアは、ヌクレオチドがフルオロフォア強度に基づいて同定され得るように、異なるヌクレオチドまたはヌクレオチド類似体に連結され得る。例えば、２つのフルオロフォアを第１のヌクレオチド（例えば、「Ｃ」）またはヌクレオチド類似体に連結することができ、４つ以上のフルオロフォアを第２のヌクレオチド（例えば、「Ｔ」）またはヌクレオチド類似体に連結することができる。異なる数のフルオロフォアのために、異なるヌクレオチドに関連付けられた異なる励起およびフルオロフォア放出確率が存在し得る。例えば、信号蓄積間隔の間に「Ｔ」ヌクレオチドまたはヌクレオチド類似体についてより多くの発光事象が存在し得ることにより、ビンの見かけの強度は、「Ｃ」ヌクレオチドまたはヌクレオチド類似体の場合よりも有意に高くなる。
フルオロフォア減衰率および／またはフルオロフォア強度に基づいてヌクレオチドまたは任意の他の生物学的もしくは化学的試料を区別することにより、分析機器５－１００における光励起および検出システムの簡略化が可能となる。例えば、光励起は、単一の波長源（例えば、複数の源または複数の異なる特徴的な波長で動作する源ではなく、１つの特徴的な波長を生成する源）を用いて行うことができる。加えて、波長を識別する光学素子およびフィルタは、異なる波長のフルオロフォアを識別するために、検出システムにおいて必要とされなくてもよい。また、異なるフルオロフォアからの発光を検出するために、各反応チャンバに単一の光検出器を使用することができる。
「特徴的な波長」または「波長」という語句は、放射の限定された帯域幅内の中心または主な波長（例えば、パルス光源によって出力される２０ｎｍ帯域幅内の中心波長またはピーク波長）を指すために使用される。いくつかの場合においては、「特徴的な波長」または「波長」は、源によって出力される放射の全帯域幅内のピーク波長を指すために使用され得る。
約５６０ｎｍ～約９００ｎｍの範囲の発光波長を有するフルオロフォアは、時間ビニング光検出器（ＣＭＯＳプロセスを使用してシリコンウェハ上に製作することができる）によって検出される十分な量の蛍光を提供することができる。これらのフルオロフォアは、遺伝子シーケンシング用途のためのヌクレオチドまたはヌクレオチド類似体などの対象の生体分子に連結することができる。この波長範囲の蛍光放出は、シリコンベースの光検出器において、より長い波長の蛍光よりも高い応答性で検出することができる。さらに、この波長範囲のフルオロフォアおよび関連リンカーは、ＤＮＡの成長鎖へのヌクレオチドまたはヌクレオチド類似体の組み込みを妨害しない可能性がある。いくつかの実装形態において、約５６０ｎｍ～約６６０ｎｍの範囲内の発光波長を有するフルオロフォアは、単一波長源で光学的に励起され得る。この範囲内のフルオロフォアの例は、サーモフィッシャーサイエンティフィック社（Thermo Fisher Scientific Inc.）（マサチューセッツ州、ウォルサム）から入手可能なAlexa Fluor 647である。より短い波長（例えば、約５００ｎｍ～約６５０ｎｍ）の励起エネルギーを使用することで、約５６０ｎｍ～約９００ｎｍの波長で発光するフルオロフォアを励起することができる。いくつかの実施形態において、時間ビニング光検出器は、例えば、Ｇｅなどの他の材料を光検出器の活性領域に組み込むことによって、反応チャンバからのより長い波長の発光を効率的に検出することができる。
［ＶＩＩＩ．タンパク質シーケンシング用途］
本開示のいくつかの態様は、タンパク質シーケンシングに有用であり得る。例えば、本開示のいくつかの態様は、ポリペプチドからアミノ酸配列情報を決定するのに（例えば、１つまたは複数のポリペプチドをシーケンシングするのに）有用である。いくつかの実施形態において、アミノ酸配列情報は、単一のポリペプチド分子について決定され得る。いくつかの実施形態において、ポリペプチドの１つまたは複数のアミノ酸が（例えば、直接的または間接的に）標識され、ポリペプチド中の標識アミノ酸の相対位置が決定される。いくつかの実施形態は、タンパク質中のアミノ酸の相対位置は、一連のアミノ酸標識および開裂ステップを使用して決定される。
いくつかの実施形態において、末端アミノ酸（例えば、Ｎ末端またはＣ末端アミノ酸）の同一性が評価され、その後、末端アミノ酸が除去され、末端における次のアミノ酸の同一性が評価され、このプロセスが、ポリペプチド中の複数の連続するアミノ酸が評価されるまで繰り返される。いくつかの実施形態において、アミノ酸の同一性を評価することは、存在するアミノ酸のタイプを決定することを含む。いくつかの実施形態において、アミノ酸のタイプを決定することは、例えば、天然由来の２０のアミノ酸のうちのどれが末端アミノ酸であるかを決定することによって（例えば、個々の末端アミノ酸に特異的な認識分子を使用して）、実際のアミノ酸同一性を決定することを含む。しかし、いくつかの実施形態において、末端アミノ酸型の同一性を評価することは、ポリペプチドの末端に存在し得る潜在的アミノ酸のサブセットを決定することを含み得る。いくつかの実施形態では、これは、アミノ酸が１つまたは複数の特定のアミノ酸ではない（したがって、他のアミノ酸のいずれかであり得る）ことを決定することによって達成され得る。いくつかの実施形態では、これは、アミノ酸の特定のサブセット（例えば、サイズ、電荷、疎水性、結合特性に基づく）のどれがポリペプチドの末端にあり得るかを（例えば、２つ以上の末端アミノ酸の特定のサブセットに結合する認識分子を使用して）決定することによって達成され得る。
ポリペプチドのアミノ酸は、例えば、ポリペプチド上の１つまたは複数のタイプのアミノ酸に選択的に結合するアミノ酸認識分子を使用して、間接的に標識され得る。ポリペプチドのアミノ酸は、例えば、ポリペプチド上の１つまたは複数のタイプのアミノ酸側鎖を一意に同定可能な標識を用いて選択的に修飾することによって、直接標識することができる。アミノ酸側鎖の選択的標識の方法、ならびに標識されたポリペプチドの調製および分析に関する詳細は、当技術分野において公知である（例えば、Swaminathan, et al. PLoS Comput Biol. 2015, 11(2):e1004080参照）。したがって、いくつかの実施形態において、１つまたは複数のタイプのアミノ酸は、１つまたは複数のタイプのアミノ酸に選択的に結合する１つまたは複数のアミノ酸認識分子の結合を検出することによって同定される。いくつかの実施形態において、１つまたは複数のタイプのアミノ酸は、標識ポリペプチドを検出することによって同定される。
いくつかの実施形態において、タンパク質中の標識アミノ酸の相対位置は、タンパク質分子中の標識アミノ酸の相対位置を決定するために、孔（例えば、タンパク質チャネル）を介して標識タンパク質を移動させ、その孔を介した移動中に標識アミノ酸からの信号（例えば、フェルスター共鳴エネルギー移動（ＦＲＥＴ）信号）を検出することによって、タンパク質からアミノ酸を除去することなく決定することができる。
本明細書中において、ポリペプチドをシーケンシングすることは、ポリペプチドについての配列情報を決定することをいう。いくつかの実施形態において、これは、ポリペプチドの一部（または全て）について各連続アミノ酸の同一性を決定することを伴い得る。しかし、いくつかの実施形態において、これは、ポリペプチド内のアミノ酸のサブセットの同一性を評価すること（例えば、ポリペプチド中の各アミノ酸の同一性を決定することなく、１つまたは複数のアミノ酸型の相対位置を決定すること）を伴い得る。いくつかの実施形態において、アミノ酸含量情報は、ポリペプチド中の異なるタイプのアミノ酸の相対位置を直接決定することなく、ポリペプチドから得ることができる。アミノ酸含量のみを使用して、存在するポリペプチドの同一性を（例えば、アミノ酸含量をポリペプチド情報のデータベースと比較し、どのポリペプチドが同じアミノ酸含量を有するかを決定することによって）推測することができる。
いくつかの実施形態において、より長いポリペプチドまたはタンパク質から（例えば、酵素による開裂および／または化学的な開裂を介して）得られた複数のポリペプチド生成物についての配列情報を分析して、より長いポリペプチドまたはタンパク質の配列を再構築または推測することができる。したがって、いくつかの実施形態は、ポリペプチドの複数の断片をシーケンシングすることによってポリペプチドをシーケンシングするための組成物および方法を提供する。いくつかの実施形態において、ポリペプチドをシーケンシングすることは、複数のポリペプチド断片の配列情報を組み合わせて、ポリペプチドの配列を同定および／または決定することを含む。いくつかの実施形態において、配列情報を組み合わせることは、コンピュータハードウェアおよびソフトウェアによって実施され得る。本明細書に記載される方法は、有機体のプロテオーム全体などの関連ポリペプチドのセットをシーケンシングすることを可能にし得る。いくつかの実施形態において、複数の単一分子シーケンシング反応は並列に（例えば、単一チップ上で）行われ得る。例えば、いくつかの実施形態において、複数の単一分子シーケンシング反応はそれぞれ単一チップ上の別個のサンプルウェルにおいて実施される。
いくつかの実施形態において、本明細書で提供される方法は、タンパク質の複合混合物を含むサンプル中の個々のタンパク質のシーケンシングおよび同定のために使用され得る。いくつかの実施形態は、タンパク質の複合混合物中の個々のタンパク質を一意的に同定する方法を提供する。いくつかの実施形態において、個々のタンパク質は、タンパク質の部分アミノ酸配列を決定することによって、混合サンプル中で検出される。いくつかの実施形態において、タンパク質の部分アミノ酸配列は、約５～５０のアミノ酸の連続した区間内にある。
いかなる特定の理論にも束縛されるものではないが、ほとんどのヒトタンパク質は、プロテオームデータベースを参照して不完全な配列情報を用いて同定することができると考えられる。例えば、ヒトプロテオームの単純なモデリングにより、タンパク質のおよそ９８％は、６～４０のアミノ酸の区間内のわずか４種類のアミノ酸を検出することによって一意的に同定され得ることを示している（例えば、Swaminathan, et al. PLoS Comput Biol. 2015,11(2):e1004080、およびYao, et al. Phys. Biol. 2015,12(5):055003を参照）。従って、タンパク質の複合混合物は、約６～４０のアミノ酸の短いポリペプチド断片に分解（例えば、化学的に分解、酵素的に分解）することができ、このポリペプチドライブラリのシーケンシングは、元の複合混合物中に存在するタンパク質の各々の同一性および存在量を明らかにし得る。部分的な配列情報を決定することによってポリペプチドを選択的にアミノ酸標識および同定するための組成物および方法は、２０１５年９月１５日に出願された「SINGLE MOLECULE PEPTIDE SEQUENCING」を名称とする米国特許出願第１５／５１０，９６２号に詳細に記載されており、参照によりその全体が援用される。
いくつかの実施形態によるシーケンシングは、基板または固体支持体（例えば、チップまたは集積デバイス）の表面上にポリペプチドを固定化する工程を包含し得る。いくつかの実施形態において、ポリペプチドは、基板上のサンプルウェルの表面上（例えば、サンプルウェルの底面上）に固定化することができる。いくつかの実施形態において、ポリペプチドの第１の末端は表面に固定化され、他の末端は本明細書に記載されるようなシーケンシング反応に供される。例えば、いくつかの実施形態において、ポリペプチドは、Ｃ末端を介して表面に固定化され、末端アミノ酸の認識および分解は、ポリペプチドのＮ末端からＣ末端に向かって進行する。いくつかの実施形態において、ポリペプチドのＮ末端アミノ酸は固定化（例えば、表面に付着）される。いくつかの実施形態において、ポリペプチドのＣ末端アミノ酸は固定化（例えば、表面に付着）される。いくつかの実施形態において、１つまたは複数の非末端アミノ酸が固定化（例えば、表面に付着）される。固定化されたアミノ酸は、例えば本明細書に記載されるように、任意の好適な共有結合または非共有結合のリンケージを使用して付着させることができる。いくつかの実施形態において、複数のポリペプチドは、例えば、基板上のサンプルウェルのアレイにおいて、複数のサンプルウェルに付着される（例えば、１つのポリペプチドが、各サンプルウェルの表面、例えば、底面に付着される）。
本開示のいくつかの態様は、末端アミノ酸修飾および開裂の反復サイクルに供される標識ポリペプチドの発光を検出することによって、ポリペプチドをシーケンシングする方法を提供する。例えば、図５－１２は、いくつかの実施形態に従ってエドマン分解によって標識ポリペプチドをシーケンシングする方法を示す。いくつかの実施形態において、本方法は、概して、エドマン分解によるシーケンシングの他の方法について本明細書に記載されるよう進行する。例えば、いくつかの態様において、図５－１２に示されたステップ（１）および（２）は、エドマン分解反応において、それぞれ末端アミノ酸修飾および末端アミノ酸開裂について本明細書の他の箇所に記載されるように行われ得る。
図５－１２の例に示されるように、いくつかの実施形態において、本方法は、（１）標識ポリペプチドの末端アミノ酸を修飾するステップを含む。本明細書の他の箇所に記載されるように、いくつかの実施形態において、修飾することは、末端アミノ酸をイソチオシアネート（例えば、ＰＩＴＣ）と接触させて、イソチオシアネート修飾末端アミノ酸を形成することを含む。いくつかの実施形態において、イソチオシアネート修飾５－１２１０は、末端アミノ酸を、開裂試薬（例えば、本明細書に記載されるような化学的または酵素による開裂試薬）による除去を受けやすい形態に変換する。したがって、いくつかの実施形態において、本方法は、（２）エドマン分解について本明細書の他の箇所に詳述される化学的または酵素による手段を使用して修飾末端アミノ酸を除去するステップを含む。
いくつかの実施形態において、本方法は、複数のサイクルにわたってステップ（１）～（２）を繰り返すことを含み、その間に、標識ポリペプチドの発光が検出され、末端からの標識アミノ酸の除去に対応する開裂事象が検出信号の減少として検出され得る。いくつかの実施形態において、図５－１２に示されるように、ステップ（２）の後に信号に変化がないことにより、未知のタイプのアミノ酸が同定される。したがって、いくつかの実施形態において、部分的な配列情報は、各逐次ラウンド中にステップ（２）に続いて検出された信号を評価することであって、その検出信号の変化に基づいて決定された同一性によってアミノ酸タイプを割り当てること、またはその検出信号の変化がないことに基づいてアミノ酸タイプを未知のものとして同定することにより、その検出信号を評価することによって決定することができる。
本開示のいくつかの態様は、末端アミノ酸と標識アミノ酸認識分子および標識開裂試薬（例えば、標識エキソペプチダーゼ）との結合相互作用を評価することによる、リアルタイムでのポリペプチドシーケンシングの方法を提供する。図５－１３は、別個の結合事象が信号出力５－１３００の信号パルスを生じさせるシーケンシング方法の例を示す。図５－１３の挿入図は、このアプローチによるリアルタイムシーケンシングの一般的スキームを示す。図示されるように、標識アミノ酸認識分子５－１３１０は、末端アミノ酸（ここではリジンとして示される）に選択的に結合するとともにそこから解離することで、末端アミノ酸を同定するために使用され得る信号出力５－１３００に一連のパルスを生じさせる。いくつかの実施形態において、一連のパルスは、対応する末端アミノ酸の同一性の診断となり得るパルシングパターンを提供する。
理論に束縛されるものではないが、標識アミノ酸認識分子５－１３１０は、結合の結合速度（ｋｏｎ）および結合の解離速度（ｋｏｆｆ）によって定義される結合親和性（ＫＤ）に従って選択的に結合する。これらの速度定数ｋｏｆｆ，ｋｏｎは、それぞれパルス持続時間（例えば、検出可能な結合事象に対応する時間）およびパルス間持続時間（例えば、検出可能な結合事象間の時間）の重要な決定因子である。いくつかの実施形態において、これらの速度は、最良のシーケンシング精度を与えるパルス持続時間およびパルス速度を達成するように操作され得る。
挿入図に示されるように、シーケンシング反応混合物は、標識アミノ酸認識分子５－１３１０のものとは異なる検出可能な標識を含む標識開裂試薬５－１３２０をさらに含む。いくつかの態様において、標識開裂試薬５－１３２０は、標識アミノ酸認識分子５－１３１０の濃度よりも低い濃度で混合物中に存在する。いくつかの実施形態において、標識開裂試薬５－１３２０は、末端アミノ酸のほとんどまたは全てのタイプを開裂するような広い特異性を呈する。
信号出力５－１３００の進行によって示されるように、いくつかの実施形態において、標識開裂試薬５－１３２０による末端アミノ酸開裂は、一意的に識別可能な信号パルスを生じ、これらの事象は、標識アミノ酸認識分子５－１３１０の結合パルスよりも低い頻度で生じる。このように、ポリペプチドのアミノ酸は、リアルタイムシーケンシングプロセスでカウントおよび／または同定され得る。信号出力５－１３００にさらに示されるように、いくつかの実施形態において、標識アミノ酸認識分子５－１３１０は、各タイプに対応する異なる結合特性を有する２つ以上のタイプのアミノ酸に結合するように操作され、これにより、一意的に識別可能なパルシングパターンが生成される。いくつかの実施形態においては、複数の標識アミノ酸認識分子が使用され得るとともに、その各々は対応する末端アミノ酸を同定するために使用され得る診断パルシングパターンを有するものである。
［ＩＸ．結論］
以上、本開示の技術のいくつかの態様および実施形態を説明したが、様々な変更、修正、および改善が当業者には容易に想起され得る。そのような変更、修正、および改善は、本明細書に記載される技術の趣旨および範囲内であることが意図される。したがって、上述した実施形態は単に例として提示されており、発明の実施形態は、添付の特許請求の範囲およびその均等物の範囲内で、具体的に説明されるものとは別の態様で実践され得る。加えて、本明細書に説明される２つ以上の特徴、システム、物品、材料、キット、および／または方法の任意の組み合わせは、そのような特徴、システム、物品、材料、キット、および／または方法が相互に矛盾しない場合、本開示の範囲内に含まれる。
また、説明したように、いくつかの態様は、１つまたは複数の方法として具現化され得る。方法の一部として実行される動作は、任意の適切な方法で順序付けられ得る。したがって、例示的な実施形態において連続した動作として示されている場合でも、いくつかの動作を同時に実行することを含み得る、図示されたものとは異なる順序で動作が実行される実施形態が構築され得る。
本明細書で定義され使用されるすべての定義は、辞書の定義、参照により組み込まれる文書での定義、および／または定義された用語の通常の意味を支配する。
本明細書および特許請求の範囲で使用される「１つ」は、明確に反対の指示がない限り、「少なくとも１つ」を意味する。
本明細書および特許請求の範囲で使用される「および／または」という語句は、そのように結合された要素の「いずれか１つまたは両方」、すなわち、ある場合には結合的に存在し、他の場合には選言的に存在する要素を意味する。
１つまたは複数の要素のリストに関して本明細書および特許請求の範囲で使用される「少なくとも１つ」という語句は、それら要素のリスト内の要素のうちの任意の１つまたは複数から選択される少なくとも１つの要素を意味するが、必ずしも要素のリスト内に具体的に列挙された各要素およびすべての要素のうちの少なくとも１つを含むわけではなく、要素のリスト内の要素の任意の組合せを除外するわけではない。また、この定義は、「少なくとも１つ」という語句が言及する要素のリスト内で具体的に識別された要素以外の要素が、具体的に識別されたそれらの要素に関連するか関連しないかにかかわらず、随意に存在し得ることを許容する。
特許請求の範囲および明細書において、「備える」、「含む」、「担持する」、「有する」、「含有する」、「伴う」、「保持する」、「構成されている」などのすべての句はオープンエンドでありそれを含むがそれに限定されないことを意味する。「からなる」および「から本質的になる」という語句はそれぞれクローズドまたはセミクローズドの語句であるものとする。

Claims (54)

  1. 集積回路であって、
    光検出領域であって、
    第１の方向において入射光子を受け取り、
    前記入射光子を受け取ることに応答して電荷キャリアを生成し、
    前記第１の方向に第１の固有電界を誘起する
    ように構成された前記光検出領域と、
    前記光検出領域から前記電荷キャリアを受け取るように構成された１つまたは複数の電荷蓄積領域と、
    を備える集積回路。
  2. 前記光検出領域が、第１の固有電位レベルを有する第１の層と、前記第１の方向における前記第１の層の後に位置するとともに前記第１の固有電位レベルとは異なる第２の固有電位レベルを有する第２の層とを含む、請求項１に記載の集積回路。
  3. 前記第１の層が第１のドーパント濃度を有し、前記第２の層が前記第１のドーパント濃度よりも高い第２のドーパント濃度を有する、請求項２に記載の集積回路。
  4. 前記光検出領域が、前記第１の方向における前記第２の層の後に位置するとともに前記第２のドーパント濃度よりも高い第３のドーパント濃度を有する第３の層をさらに含む、請求項３に記載の集積回路。
  5. 前記光検出領域が、三角形状の開口部を有するマスクを含み、前記三角形状の開口部の底辺は、第２の方向における前記三角形状の開口部の頂点の後に位置し、前記マスクは、前記光検出領域から前記１つまたは複数の電荷蓄積領域に第２の固有電界を前記第２の方向に誘起するように構成されている、請求項１～４のうちのいずれか一項に記載の集積回路。
  6. 前記光検出領域が第１のドーパント濃度を有し、前記１つまたは複数の電荷蓄積領域が前記第１のドーパント濃度よりも高い少なくとも第２のドーパント濃度を有する、請求項１～５のうちのいずれか一項に記載の集積回路。
  7. 前記光検出領域から前記１つまたは複数の電荷蓄積領域への電荷キャリアの伝送、および／または前記１つまたは複数の電荷蓄積領域から読み出し領域への電荷キャリアの伝送を制御するように構成された１つまたは複数の伝送ゲートをさらに備え、前記１つまたは複数の伝送ゲートは、前記第１の方向における前記光検出領域および前記１つまたは複数の電荷蓄積領域の後に位置する、請求項１～６のいずれか一項に記載の集積回路。
  8. 集積回路であって、
    光検出領域であって、
    入射光子を受け取ることに応答して電荷キャリアを生成し、
    第１の方向に第１の固有電界を誘起する
    ように構成された前記光検出領域と、
    前記光検出領域から前記電荷キャリアを受け取るように構成された１つまたは複数の電荷蓄積領域と、
    前記第１の方向における前記光検出領域および前記１つまたは複数の電荷蓄積領域の後に位置し、前記光検出領域から前記１つまたは複数の電荷蓄積領域への電荷キャリアの伝送、および／または前記１つまたは複数の電荷蓄積領域から読み出し領域への電荷キャリアの伝送を制御するように構成された１つまたは複数の伝送ゲートと、
    を備える集積回路。
  9. 前記光検出領域が、第１の固有電位レベルを有する第１の層と、前記第１の方向における前記第１の層の後に位置するとともに前記第１の固有電位レベルとは異なる第２の固有電位レベルを有する第２の層とを含む、請求項８に記載の集積回路。
  10. 前記第１の層が第１のドーパント濃度を有し、前記第２の層が前記第１のドーパント濃度よりも高い第２のドーパント濃度を有する、請求項９に記載の集積回路。
  11. 前記光検出領域が、前記第１の方向における前記第２の層の後に位置するとともに前記第２のドーパント濃度よりも高い第３のドーパント濃度を有する第３の層をさらに含む、請求項１０に記載の集積回路。
  12. 前記光検出領域が、三角形状の開口部を有するマスクを含み、前記三角形状の開口部の底辺は、第２の方向における前記三角形状の開口部の頂点の後に位置し、前記マスクは、前記光検出領域から前記１つまたは複数の電荷蓄積領域に第２の固有電界を前記第２の方向に誘起するように構成されている、請求項８～１１のいずれか一項に記載の集積回路。
  13. 前記光検出領域が第１の固有電位レベルを有し、前記１つまたは複数の電荷蓄積領域が前記第１の固有電位レベルとは異なる少なくとも第２の固有電位レベルを有する、請求項８～１２のうちのいずれか一項または先行する他のいずれか一項に記載の集積回路。
  14. 前記光検出領域が第１のドーパント濃度を有し、前記１つまたは複数の電荷蓄積領域が前記第１のドーパント濃度よりも高い少なくとも第２のドーパント濃度を有する、請求項１３に記載の集積回路。
  15. 方法であって、
    集積回路の光検出領域において第１の固有電界を第１の方向に誘起すること、
    前記光検出領域において入射光子を受け取ることに応答して電荷キャリアを生成すること、
    前記光検出領域から生成された前記電荷キャリアを１つまたは複数の電荷蓄積領域において受け取ること、
    前記第１の方向における前記光検出領域および前記１つまたは複数の電荷蓄積領域の後に位置する１つまたは複数の伝送ゲートを使用して、前記光検出領域から前記１つまたは複数の電荷蓄積領域への電荷キャリアの伝送、および／または前記１つまたは複数の電荷蓄積領域から読み出し領域への電荷キャリアの伝送を制御すること、
    を備える方法。
  16. 前記第１の固有電界は、第１の固有電位レベルを有する前記光検出領域の第１の層と、前記第１の方向における前記第１の層の後に位置するとともに前記第１の固有電位レベルとは異なる第２の固有電位レベルを有する前記光検出領域の第２の層とによって少なくとも部分的に誘起される、請求項１５に記載の方法。
  17. 前記第１の固有電界は、前記第１の層の第１のドーパント濃度と、前記第１のドーパント濃度よりも高い前記第２の層の第２のドーパント濃度とによって少なくとも部分的に誘起される、請求項１６に記載の方法。
  18. 前記第１の固有電界は、前記第１の方向における前記第２の層の後に位置するとともに前記第２のドーパント濃度よりも高い第３のドーパント濃度を有する前記光検出領域の第３の層によって少なくとも部分的に誘起される、請求項１７に記載の方法。
  19. 前記光検出領域から前記１つまたは複数の電荷蓄積領域に第２の固有電界を第２の方向に誘起することをさらに備え、
    前記第２の固有電界は、前記光検出領域のマスクによって少なくとも部分的に誘起され、前記マスクは三角形状の開口部を有し、前記三角形状の開口部の底辺は、前記第２の方向における前記三角形状の開口部の頂点の後に位置する、請求項１５～１８のうちのいずれか一項に記載の方法。
  20. 前記光検出領域から前記１つまたは複数の電荷蓄積領域に第２の固有電界を第２の方向に誘起することをさらに備え、
    前記第２の固有電界は、前記光検出領域の第１のドーパント濃度と、前記第１のドーパント濃度よりも高い前記１つまたは複数の電荷蓄積領域の少なくとも第２のドーパント濃度とによって少なくとも部分的に誘起される、請求項１５～１９のうちのいずれか一項に記載の方法。
  21. 集積回路であって、
    光検出領域であって、
    第１の方向において入射光子を受け取り、
    前記入射光子を受け取ることに応答して電荷キャリアを生成する
    ように構成された前記光検出領域と、
    前記光検出領域から前記電荷キャリアを受け取るように構成された１つまたは複数の電荷蓄積領域と、
    前記光検出領域から前記１つまたは複数の電荷蓄積領域に向けて前記電荷キャリアを少なくとも部分的に前記第１の方向に伝搬するために前記光検出領域内に電荷キャリア空乏を誘起するように構成された１つまたは複数の荷電および／またはバイアス領域と、
    を備える集積回路。
  22. 前記１つまたは複数の荷電および／またはバイアス領域は、前記光検出領域内に前記電荷キャリア空乏を誘起する金属酸化物化合物を備える電荷層を含む、請求項２１に記載の集積回路。
  23. 前記１つまたは複数の荷電および／またはバイアス領域は、前記光検出領域内に前記電荷キャリア空乏を誘起する電圧バイアスを、前記集積回路が電源に電気的に結合されたときに前記電源から受け取るように構成された１つまたは複数の金属領域を含む、請求項２１または２２に記載の集積回路。
  24. 前記１つまたは複数の荷電および／またはバイアス領域は、
    前記光検出領域の第１の側に位置する第１の荷電および／またはバイアス領域と、
    前記第１の方向に垂直な第２の方向において前記第１の側とは反対側の前記光検出領域の第２の側に位置する第２の荷電および／またはバイアス領域と、
    を含む、請求項２１～２３のうちのいずれか一項に記載の集積回路。
  25. 前記１つまたは複数の荷電および／またはバイアス領域は、前記光検出領域に沿って前記第１の方向に延伸している、請求項２１～２４のうちのいずれか一項に記載の集積回路。
  26. 前記光検出領域と前記１つまたは複数の電荷蓄積領域との間の電荷キャリアの伝送、および／または前記１つまたは複数の電荷蓄積領域と読み出し領域との間の電荷キャリアの伝送を制御するように構成された１つまたは複数の伝送ゲートをさらに備え、前記１つまたは複数の伝送ゲートは、前記第１の方向における前記光検出領域および前記１つまたは複数の電荷蓄積領域の後に位置する、請求項２１～２５のうちのいずれか一項に記載の集積回路。
  27. 前記１つまたは複数の荷電および／またはバイアス領域の周囲に配置された１つまたは複数のドープバリアをさらに備える請求項２１～２６のうちのいずれか一項に記載の集積回路。
  28. 方法であって、
    集積回路の光検出領域内に電荷キャリア空乏を誘起すること、
    第１の方向において入射光子を前記光検出領域にて受け取ること、
    前記入射光子に応答して前記光検出領域において電荷キャリアを生成すること、
    前記光検出領域から前記集積回路の１つまたは複数の電荷蓄積領域に向けて前記電荷キャリアを少なくとも部分的に前記第１の方向に伝搬すること、
    前記光検出領域からの前記電荷キャリアを前記１つまたは複数の電荷蓄積領域にて受け取ること、を備える方法。
  29. 前記電荷キャリア空乏は、金属酸化物化合物を備える電荷層を含む前記集積回路の１つまたは複数の荷電領域によって少なくとも部分的に誘起される、請求項２８に記載の方法。
  30. 前記電荷キャリア空乏は、前記光検出領域内に前記電荷キャリア空乏を誘起するための電圧バイアスを受ける１つまたは複数の金属領域によって少なくとも部分的に誘起される、請求項２８または２９に記載の方法。
  31. 前記電荷キャリア空乏は、少なくとも、前記光検出領域の第１の側と、前記第１の方向に垂直な第２の方向において前記第１の側とは反対側の前記光検出領域の第２の側とにおいて、前記光検出領域に沿って前記第１の方向に誘起される、請求項２８～３０のうちのいずれか一項に記載の方法。
  32. 前記第１の方向における前記光検出領域および前記１つまたは複数の電荷蓄積領域の後に位置する１つまたは複数の伝送ゲートを使用して、前記光検出領域と前記１つまたは複数の電荷蓄積領域との間の電荷キャリアの伝送、および／または前記１つまたは複数の電荷蓄積領域と読み出し領域との間の電荷キャリアの伝送を制御することをさらに備える請求項２８～３１のうちのいずれか一項に記載の方法。
  33. 前記第１の方向に垂直な第２の方向に互いに分離した前記光検出領域の外側端と前記第１の方向に位置合わせされた金属シールドの開口部を通じて前記入射光子を前記光検出領域にて受け取ることをさらに備える請求項２８～３２のうちのいずれか一項に記載の方法。
  34. 集積回路であって、
    第１の光検出領域を含む第１のピクセルと、
    第２の光検出領域を含む第２のピクセルと、
    前記第１の光検出領域と前記第２の光検出領域との間に位置する１つまたは複数の荷電および／またはバイアス領域と、
    を備える集積回路。
  35. 前記第１のピクセルは、第１の方向における入射光子に応答して前記第１の光検出領域で生成された電荷キャリアを受け取るように構成された１つまたは複数の電荷蓄積領域をさらに含み、
    前記第２のピクセルは、前記第１の方向において入射光子を受け取ることに応答して前記第２の光検出領域で生成された電荷キャリアを受けるように構成された１つまたは複数の電荷蓄積領域をさらに含む、請求項３４に記載の集積回路。
  36. 前記１つまたは複数の荷電および／またはバイアス領域は、前記第１の光検出領域に沿って第１の方向に延伸するものであって、少なくとも、前記第１の光検出領域の第１の側と、前記第１の方向に垂直な第２の方向における前記第１の側とは反対側の前記第１の光検出領域の第２の側とにおいて、前記第１の光検出領域に沿って前記第１の方向に延伸している、請求項３４または３５に記載の集積回路。
  37. 前記１つまたは複数の荷電および／またはバイアス領域は、前記第１の光検出領域内に電荷キャリア空乏を誘起するように構成された金属酸化物化合物を備える電荷層を含む、請求項３４～３６のうちのいずれか一項に記載の集積回路。
  38. 前記１つまたは複数の荷電および／またはバイアス領域は、前記第１の光検出領域内に電荷キャリア空乏を誘起する電圧バイアスを、前記集積回路が電源に電気的に結合されたときに前記電源から受け取るように構成された１つまたは複数の金属領域を含む、請求項３４～３７のうちのいずれか一項に記載の集積回路。
  39. 前記第１の光検出領域と前記１つまたは複数の電荷蓄積領域との間の電荷キャリアの伝送、および／または前記１つまたは複数の電荷蓄積領域と読み出し領域との間の電荷キャリアの伝送を制御するように構成された１つまたは複数の伝送ゲートをさらに備え、前記１つまたは複数の伝送ゲートは、前記第１の方向における前記第１の光検出領域および前記１つまたは複数の電荷蓄積領域の後に位置する、請求項３４～３８のうちのいずれか一項に記載の集積回路。
  40. 前記第１の方向において前記１つまたは複数の荷電および／またはバイアス領域の前に位置する金属シールドをさらに備え、前記金属シールドは、前記第１の方向に垂直な方向に互いに分離した前記光検出領域の外側端と前記第１の方向に位置合せされた開口部を含む、請求項３９に記載の集積回路。
  41. 集積回路を製造する方法であって、
    前記集積回路の光検出領域を形成することであって、前記光検出領域が入射光子を受け取る第１の方向において前記光検出領域内に第１の電界を誘起するように前記光検出領域を形成することを備える方法。
  42. 前記光検出領域を形成することは、
    第１の固有電位レベルを有するように前記光検出領域の第１の層を形成すること、
    前記第１の方向における前記第１の層の後に位置するとともに前記第１の固有電位レベルとは異なる第２の固有電位レベルを有するように前記光検出領域の第２の層を形成すること、
    を含む、請求項４１に記載の方法。
  43. 前記光検出領域を形成することは、
    第１のドーパント濃度を有するように前記第１の層をドープすること、
    前記第１のドーパント濃度よりも高い第２のドーパント濃度を有するように前記第２の層をドープすること、
    を含む、請求項４２に記載の方法。
  44. 前記光検出領域を形成することは、前記第１の方向における前記第２の層の後に位置するとともに前記第２のドーパント濃度よりも高い第３のドーパント濃度を有するように第３の層をドープすることをさらに含む、請求項４３に記載の方法。
  45. 前記第１の方向における前記光検出領域および前記１つまたは複数の電荷蓄積領域の後に１つまたは複数の伝送ゲートを配置すること、
    前記１つまたは複数の伝送ゲートを前記光検出領域および前記１つまたは複数の電荷蓄積領域に電気的に結合すること、
    をさらに備える請求項４１～４４のうちのいずれか一項に記載の方法。
  46. 集積回路を製造する方法であって、
    第１のピクセルの第１の光検出領域と第２のピクセルの第２の光検出領域との間に１つまたは複数の荷電および／またはバイアス領域を形成することを備える方法。
  47. 前記１つまたは複数の荷電および／またはバイアス領域を形成することは、前記１つまたは複数の荷電および／またはバイアス領域の内部および／または上に、金属酸化物化合物を備える電荷層を堆積することにより、前記第１の光検出領域内に電荷キャリア空乏を誘起することを含む、請求項４６に記載の方法。
  48. 前記電荷層を堆積することは、
    マスクエッチングを実行して少なくとも１つのトレンチを形成すること、
    前記少なくとも１つのトレンチ内に前記金属酸化物化合物をコンフォーマルに堆積すること、
    を含む、請求項４７に記載の方法。
  49. 前記１つまたは複数の荷電および／またはバイアス領域を形成することは、
    前記第１の光検出領域と前記第２の光検出領域との間に配置される第１の荷電および／またはバイアス領域を形成すること、
    前記第１の光検出領域と第３のピクセルの第３の光検出領域との間に配置される第２の荷電および／またはバイアス領域を形成すること、
    を含む、請求項４６～４８のうちのいずれか一項に記載の方法。
  50. 第１の方向における前記第１の光検出領域および前記１つまたは複数の電荷蓄積領域の後に１つまたは複数の伝送ゲートを配置すること、
    前記１つまたは複数の伝送ゲートを前記第１のピクセルの前記第１の光検出領域および前記１つまたは複数の電荷蓄積領域に電気的に結合すること、
    をさらに備える請求項４６～４９のうちのいずれか一項に記載の方法。
  51. 前記第１および第２の光検出領域を形成することは、前記集積回路の第１の面をドープすることを含み、前記１つまたは複数の荷電および／またはバイアス領域は、前記第１の方向において前記第１の面とは反対側の前記集積回路の第２の面から形成される、請求項５０に記載の方法。
  52. 前記１つまたは複数の荷電および／またはバイアス領域を形成することは、
    前記第１の光検出領域の第１の側に第１の荷電および／またはバイアス領域を形成すること、
    前記第１の方向に垂直な第２の方向において前記第１の側とは反対側の前記第１の光検出領域の第２の側に第２の荷電および／またはバイアス領域を形成すること、
    を含む、請求項５０または５１に記載の方法。
  53. 前記１つまたは複数の荷電および／またはバイアス領域を形成することは、前記少なくとも１つのトレンチをエッチングにより形成し、前記第１の光検出領域に沿って前記第１の方向に延伸するように前記少なくとも１つのトレンチ内に電荷層を堆積することを含む、請求項５０～５２のうちのいずれか一項に記載の方法。
  54. 前記第１の方向における前記１つまたは複数の荷電および／またはバイアス領域の前に金属シールドを配置することをさらに備え、前記金属シールドは、前記第１の方向に垂直な第２の方向に互いに分離した前記光検出領域の外側端と前記第１の方向に位置合わせされた開口部を有する、請求項５０～５３のうちのいずれか一項に記載の方法。
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