KR102560427B1 - 직접 비닝 픽셀을 갖는 집적 광검출기 - Google Patents

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Abstract

집적 회로는 입사 광자들을 수신하도록 구성되는 광검출 영역을 포함한다. 이 광검출 영역은 입사 광자들에 응답하여 복수의 전하 캐리어를 생성하도록 구성된다. 집적 회로는 적어도 하나의 전하 캐리어 저장 영역을 포함한다. 집적 회로는 복수의 전하 캐리어 중의 전하 캐리어들을 전하 캐리어들이 생성되는 시간들에 기초하여 적어도 하나의 전하 캐리어 저장 영역 내로 직접 선택적으로 지향시키도록 구성되는 전하 캐리어 분리 구조물을 또한 포함한다.

Description

직접 비닝 픽셀을 갖는 집적 광검출기
관련 출원에 대한 상호 참조
본 출원은 2016년 12월 22일자로 출원된, 발명의 명칭이 "INTEGRATED PHOTODETECTOR WITH DIRECT BINNING PIXEL"인 미국 가출원 일련번호 제62/438,051호에 대한 우선권을 주장하며, 이 가출원은 그 전체가 참조로 본 명세서에 포함된다.
본 출원은 2015년 8월 7일자로 출원된, 발명의 명칭이 "INTEGRATED DEVICE FOR TEMPORAL BINNING OF RECEIVED PHOTONS"인 미국 정규 출원 일련번호 제14/821,656호에 관련되어 있으며, 이 정규 출원은 그 전체가 참조로 본 명세서에 포함된다.
광검출기는 다양한 응용에서 광을 검출하는데 이용된다. 입사광의 강도를 나타내는 전기 신호를 생성하는 집적 광검출기가 개발되었다. 촬상 응용(imaging application)을 위한 집적 광검출기는 소정 장면에 걸쳐 수신된 광의 강도를 검출하는 픽셀 어레이를 포함한다. 집적 광검출기의 예로서는, CCD(charge coupled device) 및 CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor) 이미지 센서가 포함된다.
일부 실시예들은 집적 회로에 관한 것이고, 이 집적 회로는: 입사 광자들(incident photons)을 수신하고, 입사 광자들에 응답하여 복수의 전하 캐리어(charge carrier)를 생성하도록 구성되는 광검출 영역(photodetection region); 적어도 하나의 전하 캐리어 저장 영역; 및 복수의 전하 캐리어 중의 전하 캐리어들을 전하 캐리어들이 생성되는 시간들에 기초하여 적어도 하나의 전하 캐리어 저장 영역 내로 직접 선택적으로 지향(direct)시키도록 구성되는 전하 캐리어 분리 구조물(charge carrier segregation structure)을 포함한다.
일부 실시예들은 집적 회로에 관한 것이고, 이 집적 회로는 직접 비닝 픽셀(direct binning pixel)을 포함하고, 이 직접 비닝 픽셀은 입사 광자들을 수신하고, 입사 광자들에 응답하여 복수의 전하 캐리어를 생성하도록 구성되는 광검출 영역; 적어도 하나의 전하 캐리어 저장 영역; 및 복수의 전하 캐리어 중의 전하 캐리어들을 전하 캐리어들이 생성되는 시간들에 기초하여 적어도 하나의 전하 캐리어 저장 영역 내로 선택적으로 지향시키도록 구성되는 전하 캐리어 분리 구조물을 포함한다.
일부 실시예들은 집적 회로에 관한 것이고, 이 집적 회로는 복수의 픽셀을 포함하고, 복수의 픽셀 중 제1 픽셀은 직접 비닝 픽셀이고, 직접 비닝 픽셀은 입사 광자들을 수신하고, 입사 광자들에 응답하여 복수의 전하 캐리어를 생성하도록 구성되는 광검출 영역; 복수의 전하 캐리어 저장 영역; 및 복수의 전하 캐리어 중의 전하 캐리어들을 전하 캐리어들이 생성되는 시간들에 기초하여 복수의 전하 캐리어 저장 영역 중의 각자의 전하 캐리어 저장 영역들 내로 직접 선택적으로 지향시키고, 복수의 전하 캐리어 저장 영역에서, 복수의 측정 기간에 생성된 전하 캐리어들을 집성(aggregate)하도록 구성되는 전하 캐리어 분리 구조물을 포함한다.
일부 실시예들은 광검출 방법에 관한 것이고, 광검출 방법은: (A) 광검출 영역에서 입사 광자들을 수신하는 단계; 및 (B) 입사 광자들에 응답하여 생성된 복수의 전하 캐리어 중의 전하 캐리어들을 전하 캐리어들이 생성되는 시간들에 기초하여 광검출 영역으로부터 적어도 하나의 전하 캐리어 저장 영역 내로 직접 선택적으로 지향시키는 단계를 포함한다.
전하 캐리어 분리 구조물은 적어도 하나의 전하 캐리어 저장 영역의 제1 전하 캐리어 저장 영역과 광검출 영역 사이의 경계에서 적어도 하나의 전극을 포함할 수 있다.
전하 캐리어 분리 구조물은 광검출 영역과 제1 전하 캐리어 저장 영역 사이의 경계에서 단일 전극을 포함할 수 있다.
일부 실시예에서, 직접 비닝 픽셀 내에 전하 캐리어 포획 영역(charge carrier capture region)이 존재하지 않고 및/또는 광검출 영역과 전하 캐리어 저장 영역 사이에 전하 캐리어 포획 영역이 존재하지 않는다.
전하 캐리어들은 광검출 영역과 적어도 하나의 전하 캐리어 저장 영역 사이의 캐리어들을 포획하지 않고 적어도 하나의 전하 캐리어 저장 영역으로 전달(transfer)될 수 있다.
전하 캐리어 기각 영역(charge carrier rejection region)은 기각 기간 동안 광검출 영역에서 생성된 전하 캐리어들을 폐기할 수 있다.
폐기된 전하 캐리어들은 광검출 영역으로부터 전하 캐리어 저장 영역을 향하여 캐리어들이 지향되는 방향과 상이한 방향으로 광검출 영역으로부터 제거될 수 있다.
전하 캐리어 기각 영역은 광검출 영역과 전하 캐리어 기각 영역 사이의 경계에서의 전극의 전압을 변경함으로써 기각 기간 동안 광검출 영역에서 생성된 전하 캐리어들을 폐기할 수 있다.
단일 광자들은 적어도 하나의 전하 캐리어 저장 영역으로 전달되어 적어도 하나의 전하 캐리어 저장 영역에 집성될 수 있다.
반도체 기판의 표면 아래 1 마이크론보다 더 깊은 전하 캐리어들은 기각될 수 있다.
반도체 기판의 표면 아래 1 마이크론보다 더 깊은 전하 캐리어들은 광검출 영역의 포토다이오드(photodiode) 아래의 주입에 의해 적어도 부분적으로 기각될 수 있다.
주입은 깊은 실드(deep shield) 또는 깊은 드레인(deep drain)을 제공할 수 있다.
주입은 N-타입 또는 P+-타입일 수 있다.
반도체 기판의 표면 아래 1 마이크론보다 더 깊은 전하 캐리어들은 반도체 기판의 표면 아래의 드리프트 필드(drift field)에 의해 기각될 수 있다.
광검출 영역은 2 마이크론 깊이 미만인 에피택셜 영역에 형성될 수 있다.
광검출 영역은 포토다이오드를 포함하는 에피택셜 영역일 수 있다.
포토다이오드 내의 전하 캐리어들은 기각 기간 동안 기각 영역으로 전달될 수 있고, 이어서 제1 전하 캐리어 저장 영역에 대한 제1 전위 장벽(potential barrier)이 낮아질 수 있고, 이어서 제2 전하 캐리어 저장 영역에 대한 제2 전위 장벽이 낮아질 수 있다.
제1 전위 장벽은 제1 전극에 의해 제어될 수 있고, 제2 전위 장벽은 제2 전극에 의해 제어될 수 있다.
적어도 하나의 전하 캐리어 저장 영역은 복수의 전하 캐리어 저장 영역을 포함할 수 있다.
전술된 요약은 설명을 위해 제공된 것이지 제한하려는 것은 아니다.
도면에서, 다양한 도면에 나타나 있는 각각의 동일하거나 거의 동일한 컴포넌트는 유사한 참조 문자로 표시된다. 명료성을 위해, 모든 도면에서 모든 컴포넌트가 라벨링되지는 않을 수 있다. 도면들은 반드시 일정한 비율로 도시되는 것은 아니고, 대신에 본 명세서에서 설명되는 기술들 및 디바이스들의 다양한 양태들을 예시하는 것에 중점을 둔다.
도 1a는, 상이한 수명을 갖는 2개의 마커에 대한 시간의 함수로서 방출되는 광자의 확률을 도시한다.
도 1b는 예시적인 여기 펄스(점선) 및 예시적인 형광 방출(실선)에 대한 시간 경과에 따른 강도 프로파일의 예를 도시한다.
도 2a는 집적 광검출기의 픽셀의 도면을 도시한다.
도 2b는 도 2a에서와는 상이한 시간 및 공간에서 전하 캐리어를 포획하는 것을 나타낸다.
도 3은 직접 비닝 픽셀의 예를 도시한다.
도 4는 직접 비닝 픽셀을 동작시키는 방법의 흐름도를 도시한다.
도 5a 내지 도 5f는 도 4의 방법의 다양한 스테이지들에서의 직접 비닝 픽셀을 도시한다.
도 6은 직접 비닝 픽셀의 단면도를 도시한다.
도 7은 p+ 영역과 n+ 영역을 갖는 스플릿-도핑된 전극(split-doped electrode)을 도시한다.
도 8은 직접 비닝 픽셀의 예의 평면도를 도시한다.
도 9는 직접 비닝 픽셀의 다른 예의 평면도를 도시한다.
도 10은 기각 기간 동안 직접 비닝 픽셀에서의 전위를 도시한다.
도 11은 기각 영역에 대한 전위 장벽들 및 빈(bin)들이 상승되는 기간 동안 직접 비닝 픽셀에서의 전위를 도시한다.
도 12는 전하가 빈으로 전달될 수 있는 기간에서 직접 비닝 픽셀에서의 전위를 도시한다.
도 13은 전달 게이트에 의해 생성된 전위 장벽을 낮춤으로써 빈에 저장된 전하의 플로팅 확산(floating diffusion)(FD)으로의 전달을 도시한다.
도 14는 플로팅 확산(FD)을 리셋하는 것을 도시한다.
도 15는 파장의 함수로서의 흡수 깊이의 플롯을 도시한다.
도 16은 포토다이오드의 예에 대한 도핑 프로파일 및 전위를 도시한다.
도 17은 깊은-생성된 캐리어들(deep-generated carriers)이 표면에 도달하는 것을 방지할 수 있는 깊은 도핑된 영역(deep doped region)을 도시한다.
도 18은 10 ns 동안의 전자 움직임의 시뮬레이션을 도시하며, 캐리어들이 깊은 n-웰 영역 내로 끌어당겨지는 것을 예시한다.
도 19는 N-타입 매립 층(깊은 드레인)이 고전위에서 바이어싱되는 것을 도시한다.
도 20은 기판과 접촉하는 P+-타입 매립 층(깊은 실드)을 도시한다.
도 21은 집적 회로가 제조될 수 있는 재료들의 예들을 도시한다.
도 22는 일부 실시예들에 따른, 직접 비닝 픽셀에 대한 도핑 프로파일의 예를 도시한다.
도 23은 도 22에 도시된 도핑 프로파일을 갖는 직접 비닝 픽셀을 형성하기 위한 예시적인 프로세스 시퀀스를 도시한다.
도 24는 도 22의 라인 y = 0을 따르는 비소, 붕소, 인, 및 질소에 대한 예시적인 도핑 프로파일의 플롯을 도시한다.
도 25는 모든 전극의 전압을 0V로 설정함으로써 모든 장벽이 닫힐 때 도 23의 픽셀에서의 전위의 플롯을 도시한다.
도 26은 전극(213)의 전압이 3V로 설정될 때 도 23의 픽셀에서의 전위의 플롯을 도시한다.
도 27은 전극들의 전압들이 변화될 때 기판 내의 전위의 곡선들을 도시한다.
도 28 내지 도 32는 광검출기 및 4개의 상이한 픽셀 설계(d0-d3)를 형성하는 예시적인 프로세스를 도시한다. 도 28은 제1 레벨을 도시하고, 도 29는 제2 레벨을 도시하고, 도 30은 제3 레벨을 도시하고, 도 31은 제4 레벨을 도시하고, 도 32는 제5 레벨을 도시한다.
도 33은 칩 아키텍처의 다이어그램을 도시한다.
도 34는 예시적인 컴퓨팅 디바이스의 블록도이다.
입사 광자들의 도달 타이밍을 정확하게 측정하거나 "시간-비닝(time-bin)"할 수 있는 집적 광검출기가 본 명세서에서 설명된다. 일부 실시예에서, 집적 광검출기는 나노초 또는 피코초 해상도로 광자의 도달을 측정할 수 있다. 이러한 광검출기는, 핵산의 시퀀싱(예를 들어, DNA 시퀀싱)에 적용될 수 있는 분자 검출/정량화를 포함하는 다양한 응용 분야에서 응용될 수 있다. 이러한 광검출기는, 뉴클레오티드(nucleotide)를 라벨링하는데 이용되는 발광 분자(luminescent molecule)로부터의 입사 광자의 도달의 시간-영역 분석(time-domain analysis)을 용이하게 할 수 있고, 이로써, 휘도 수명에 기초한 뉴클레오티드의 식별 및 시퀀싱을 가능하게 한다. 집적 광검출기의 다른 응용 예는, 이하에서 추가로 논의되는 바와 같이, 형광 수명 촬상(fluorescence lifetime imaging) 및 비행 시간 촬상(time-of-flight imaging)을 포함한다.
분자 검출/정량화를 위한 시간 영역 측정에 대한 논의
생물학적 샘플의 검출 및 정량화는 생물학적 검정("생물검정(bioassays)")을 이용하여 수행될 수 있다. 생물검정은, 통상적으로, 장비를 조작하고 생물검정을 수행하도록 훈련된 연구 과학자를 요구하는 크고 값 비싼 실험실 장비를 수반한다. 생물검정은, 통상적으로, 검출 및 정량화를 위해 대량의 특정한 유형의 샘플이 필요하도록 대량으로 수행된다. 일부 생물검정은, 특정한 파장의 광을 방출하는 발광 마커로 샘플을 태깅함으로써 수행된다. 샘플은 광원을 이용하여 조사되어 발광을 야기하고, 발광 광은 광검출기로 검출되어 마커에 의해 방출되는 광의 양을 정량화한다. 발광 태그 및/또는 리포터(reporter)를 이용하는 생물검정은, 통상적으로, 샘플을 조사(illuminate)하는 고가의 레이저 광원 및 조사된 샘플로부터의 광을 수집하기 위한 복잡한 발광 검출 광학기기 및 전자 디바이스를 수반한다.
일부 실시예에서, 본 명세서에서 설명되는 집적 광검출기는 여기(excitation)에 응답하여 생물학적 및/또는 화학적 샘플(들)의 휘도 특성을 검출할 수 있다. 더 구체적으로는, 이러한 집적 광검출기는 샘플(들)로부터 수신된 광의 시간 특성을 검출할 수 있다. 이러한 집적 광검출기는, 여기에 응답하여 발광 분자에 의해 방출된 광의 휘도 수명, 예를 들어, 형광 수명의 검출 및/또는 구별을 가능하게 할 수 있다. 일부 실시예에서, 샘플(들)의 식별 및/또는 정량적 측정은 휘도 수명의 검출 및/또는 구별에 기초하여 수행될 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예에서, 핵산(예를 들어, DNA, RNA)의 시퀀싱은 각각의 뉴클레오티드에 부착된 발광 분자의 휘도 수명을 검출 및/또는 구별함으로써 수행될 수 있다. 각각의 발광 분자는, 대응하는 뉴클레오티드에 직접 부착(예를 들어, 결합)되거나 뉴클레오티드 및 발광 분자에 결합된 링커 분자(linker molecule)를 통해 대응하는 뉴클레오티드에 간접적으로 부착될 수 있다.
일부 실시예에서, "픽셀"이라고 지칭되는 다수의 광검출 구조물 및 연관된 전자 회로를 갖는 집적 광검출기는, 복수의 샘플(예를 들어, 수백, 수천, 수백만 또는 그 이상)의 측정 및 분석을 가능하게 하여, 복잡한 측정을 수행하는 비용을 절감하여, 발견 속도를 빠르게 진보시킬 수 있다. 일부 실시예에서, 광검출기의 각각의 픽셀은, 단일 분자 또는 하나보다 많은 분자일 수 있는, 샘플로부터의 광을 검출할 수 있다. 일부 실시예에서, 이러한 집적 광검출기는 핵산(예를 들어, DNA, RNA) 시퀀싱 등의 동적 실시간 응용에 이용될 수 있다.
휘도 수명을 이용한 분자의 검출/정량화
본 출원의 양태들에 따른 집적 광검출기를 갖는 집적 회로는 다양한 검출 및 촬상 응용을 위한 적절한 기능들로 설계될 수 있다. 이하에서 더 상세히 설명되는 바와 같이, 이러한 집적 광검출기는 하나 이상의 시간 간격(time interval), 또는 "시간 빈(time bin)" 내에서 광을 검출하는 능력을 가질 수 있다. 광의 도달 시간에 관한 정보를 수집하기 위해, 전하 캐리어들이 입사 광자들에 응답하여 생성되고, 그 도달 시간에 기초하여 각각의 시간 빈으로 분리될 수 있다.
본 출원의 일부 양태에 따른 집적 광검출기는, 형광체(fluorophores) 등의 발광 분자를 포함하는 발광 소스를 구별하는데 이용될 수 있다. 발광 분자들은, 그들이 방출하는 광의 파장, 방출하는 광의 시간적 특성(예를 들어, 방출 감쇠 기간), 및 여기 에너지에 대한 반응에 있어서 다르다. 따라서, 발광 분자는 이들 특성의 검출에 기초하여 다른 발광 분자로부터 식별되거나 구별될 수 있다. 그러한 식별 또는 구별 기술들은 단독으로 또는 임의의 적절한 조합으로 이용될 수 있다.
일부 실시예에서, 본 출원에서 설명되는 집적 광검출기는 형광 수명 등의 휘도 수명을 측정하거나 구별할 수 있다. 형광 수명 측정은, 하나 이상의 형광 분자를 여기시켜 방출된 발광의 시간 변화를 측정하는 것에 기초한다. 형광 분자가 여기 상태(excited state)에 도달한 후 형광 분자가 광자를 방출할 확률은 시간에 따라 지수적으로 감소한다. 확률이 감소하는 속도는 형광 분자의 특성일 수 있으며, 상이한 형광 분자마다 상이할 수 있다. 형광 분자에 의해 방출되는 광의 시간적 특성을 검출함으로써, 형광 분자를 식별하고 및/또는 형광 분자를 서로에 관해 구별할 수 있다. 발광 분자는 본 명세서에서 발광 마커, 또는 단순히 "마커"라고도 지칭된다.
여기 상태에 도달한 후, 마커는 주어진 시간에서 특정 확률로 광자를 방출할 수 있다. 광자가 여기된 마커로부터 방출될 확률은, 마커의 여기 후에 시간 경과에 따라 감소될 수 있다. 시간의 경과에 따라 광자가 방출되는 확률의 감소는 지수 감쇠 함수 로 나타낼 수 있으며, 여기서 p(t)는 시간 t에서 광자 방출의 확률이고, τ는 마커의 시간 파라미터이다. 시간 파라미터 τ는 마커가 광자를 방출할 확률이 특정 값일 때 여기 후의 시간을 나타낸다. 시간 파라미터 τ는 흡수 및 방출 스펙트럼 속성과는 구분될 수 있는 마커의 속성이다. 이러한 시간 파라미터 τ는 마커의 휘도 수명, 형광 수명 또는 간단히 "수명"이라고 지칭한다.
도 1a는, 상이한 수명을 갖는 2개의 마커에 대한 시간의 함수로서 방출되는 광자의 확률을 도시한다. 확률 곡선 B로 표시된 마커는, 확률 곡선 A로 표시된 마커에 대한 방출 확률보다 신속하게 감쇠되는 방출되는 확률을 갖는다. 확률 곡선 B로 표시되는 마커는, 확률 곡선 A로 표시되는 마커보다 짧은 시간 파라미터 τ 또는 수명을 가진다. 마커는 일부 실시예에서 0.1 내지 20 ns 범위의 형광 수명을 가질 수 있다. 그러나, 본 명세서에서 설명된 기술들은 이용된 마커(들)의 수명에 관해 제한되지 않는다.
마커의 수명은 하나보다 많은 마커를 구분하는데 이용될 수 있고, 및/또는 마커(들)를 식별하는데 이용될 수 있다. 일부 실시예에서, 상이한 수명들을 갖는 복수의 마커가 여기 소스에 의해 여기되는 형광 수명 측정이 수행될 수 있다. 예로서, 각각, 0.5, 1, 2, 및 3 나노초의 수명을 갖는 4개의 마커는, 선택된 파장(예를 들어, 예시에 의해 635nm)을 갖는 광을 방출하는 광원에 의해 여기될 수 있다. 마커들은, 마커들에 의해 방출된 광의 수명을 측정하는 것에 기초하여 서로간에 식별되거나 구별될 수 있다.
형광 수명 측정은, 절대 강도 값과는 달리, 시간 경과에 따라 강도가 어떻게 변화하는지를 비교함으로써 상대 강도 측정을 이용할 수 있다. 그 결과, 형광 수명 측정은 절대 강도 측정의 곤란점들 중 일부를 피할 수 있다. 절대 강도 측정은, 현재 존재하는 형광체의 농도에 따라 달라질 수 있으며, 다양한 형광체 농도에 대해 보정 단계(calibration step)가 필요할 수 있다. 대조적으로, 형광 수명 측정은 형광체의 농도에 민감하지 않을 수 있다.
발광 마커는 외인성 또는 내인성일 수 있다. 외인성 마커는, 발광 라벨링(luminescent labeling)을 위한 리포터 및/또는 태그로서 이용되는 외부 발광 마커일 수 있다. 외인성 마커의 예로서는, 형광 분자, 형광체, 형광 염료, 형광 스테인(fluorescent stains), 유기 염료, 형광 단백질, 효소 및/또는 양자점(quantum dot)을 포함할 수 있다. 이러한 외인성 마커는, 특정한 표적 또는 성분에 특이적으로 결합하는(specifically bind) 프로브 또는 작용기(예를 들어, 분자, 이온 및/또는 리간드)에 공액접합(conjugate)될 수 있다. 외인성 태그 또는 리포터를 프로브에 부착시키는 것은, 외인성 태그 또는 리포터의 존재 검출을 통한 표적의 식별을 허용한다. 프로브의 예로서는, 단백질, DNA 분자 또는 RNA 분자 등의 핵산, 지질 및 항체 프로브가 포함될 수 있다. 외인성 마커와 작용기(functional group)의 조합은, 분자 프로브, 라벨링된 프로브, 하이브리드화 프로브, 항체 프로브, 단백질 프로브(예를 들어, 바이오틴-결합 프로브), 효소 라벨, 형광 프로브, 형광 태그 및/또는 효소 리포터를 포함한, 검출에 이용되는, 임의의 적절한 프로브, 태그, 및/또는 라벨을 형성할 수 있다.
외인성 마커가 샘플 또는 영역에 추가될 수 있지만, 내인성 마커는 이미 샘플 또는 영역의 일부일 수 있다. 내인성 마커는 여기 에너지의 존재 하에서 발광 또는 "자가형광(autofluoresce)"할 수 있는 임의의 존재하는 발광 마커를 포함할 수 있다. 내인성 형광체의 자가형광은, 내인성 형광체의 도입을 요구하지 않고 라벨이 없는 비침습적인 라벨링을 제공할 수 있다. 이러한 내인성 형광체의 예로서는, 제한없이 예로서, 헤모글로빈, 옥시헤모글로빈, 지질, 콜라겐 및 엘라스틴 가교결합, 환원된 니코틴아미드 아데닌 디뉴클레오티드(NADH), 산화 플라빈(FAD 및 FMN), 리포푸신, 케라틴, 및/또는 프로피린이 포함될 수 있다.
수명 측정에 의해 마커들을 구분하는 것은, 마커들이 방출 스펙트럼의 측정에 의해 구분될 때보다 여기 광의 더 적은 수의 파장이 이용되는 것을 허용할 수 있다. 일부 실시예에서, 여기 광 및/또는 발광 광의 더 적은 수의 파장을 이용할 때, 센서, 필터, 및/또는 회절 광학기기의 수가 감소되거나 제거될 수 있다. 일부 실시예에서, 라벨링은 상이한 수명들을 갖는 마커들로 수행될 수 있고, 마커들은 동일한 여기 파장 또는 스펙트럼을 갖는 광에 의해 여기될 수 있다. 일부 실시예에서, 단일 파장 또는 스펙트럼의 광을 방출하는 여기 광원이 이용될 수 있어서, 비용을 감소시킬 수 있다. 그러나, 본 명세서에서 설명된 기술은, 임의 개수의 여기 광 파장 또는 스펙트럼이 이용될 수 있기 때문에, 이 점에서 제한되지 않는다. 일부 실시예에서, 집적 광검출기는 수신된 광에 관한 스펙트럼 및 시간 정보 양쪽 모두를 결정하는데 이용될 수 있다. 일부 실시예에서, 존재하는 분자(들)의 타입들의 정량적 분석은, 시간 파라미터, 스펙트럼 파라미터, 또는 마커로부터 방출된 발광의 시간 및 스펙트럼 파라미터들의 조합을 결정함으로써 수행될 수 있다.
입사 광자의 도달 시간을 검출하는 집적 광검출기는, 추가적인 광 필터링(예를 들어, 광 스펙트럼 필터링) 요건을 감소시킬 수 있다. 후술되는 바와 같이, 본 출원에 따른 집적 광검출기는, 특정한 시간에서 광생성된 캐리어(photogenerated carrier)를 제거하기 위한 드레인(drain)을 포함할 수 있다. 이러한 방식으로 광생성된 캐리어를 제거함으로써, 여기 펄스로부터의 광의 수신을 방지하는 광학 필터링의 필요없이, 여기 광 펄스에 응답하여 생성된 원치않는 전하 캐리어가 폐기될 수 있다. 이러한 광검출기는, 전체 설계 통합 복잡성, 광학 및/또는 필터링 컴포넌트들, 및/또는 비용을 감소시킬 수 있다.
일부 실시예에서, 형광 수명은, 시간의 함수로서 휘도 강도 값을 검출하기 위해 집적 광검출기의 하나 이상의 시간 빈에서 수집된 전하 캐리어들을 응집시켜 방출된 발광의 시간 프로파일을 측정함으로써 결정될 수 있다. 일부 실시예에서, 마커의 수명은, 마커가 여기 상태로 여기되는 복수의 측정을 수행한 다음, 광자가 방출되는 시간이 측정됨으로써 결정될 수 있다. 각각의 측정에 대해, 여기 소스는 마커쪽으로 지향된 여기 광의 펄스를 생성할 수 있고, 여기 펄스와 마커로부터의 후속 광자 이벤트 사이의 시간이 결정될 수 있다. 추가로 또는 대안으로서, 여기 펄스가 반복적으로 및 주기적으로 발생하는 경우, 광자 방출 이벤트가 발생하는 때와 후속 여기 펄스 사이의 시간이 측정될 수 있고, 이 측정된 시간이 여기 펄스들 사이의 시간 간격(즉, 여기 펄스 파형의 기간)으로부터 감산되어 광자 흡수 이벤트의 시간을 결정할 수 있다.
이러한 실험을 복수의 여기 펄스로 반복함으로써, 여기 이후의 소정 시간 간격 내에서 광자가 마커로부터 방출되는 경우의 수가 결정될 수 있고, 이것은, 여기 이후의 이러한 시간 간격 내에서 광자가 방출될 확률을 나타낸다. 수집된 광자 방출 이벤트의 수는, 마커에 방출된 여기 펄스의 수에 기초할 수 있다. 측정 기간에 걸친 광자 방출 이벤트의 수는, 일부 실시예에서 50 내지 10,000,000회 이상의 범위일 수 있지만, 본 명세서에서 설명된 기술들은 이 점에서 제한되지 않는다. 여기 후 소정 시간 간격 내에서 마커로부터 광자가 방출되는 경우의 수는, 일련의 이산적인 시간 간격들 또는 시간 빈들 내에서 발생하는 광자 방출 이벤트의 수를 나타내는 히스토그램(histogram)을 채울 수 있다. 특정한 수명 및/또는 특정한 마커를 식별하기 위해, 시간 빈의 수 및/또는 각각의 빈의 시간 간격이 설정 및/또는 조정될 수 있다. 시간 빈의 수 및/또는 각각의 빈의 시간 간격은, 방출된 광자를 검출하는데 이용되는 센서에 의존할 수 있다. 시간 빈의 수는, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 또는 그 이상, 예컨대, 16, 32, 64, 또는 그 이상일 수 있다. 곡선 피팅(curve fitting) 알고리즘은, 곡선을 기록된 히스토그램에 피팅하여, 그 결과, 주어진 시간에서 마커의 여기 이후에 방출될 광자의 확률을 나타내는 함수를 생성하는데 이용될 수 있다. 와 같은 지수 감쇠 함수는 히스토그램 데이터에 대략 피팅(approximately fit)하도록 사용될 수 있다. 이러한 곡선 피팅으로부터, 시간 파라미터 또는 수명이 결정될 수 있다. 결정된 수명은, 존재하는 마커의 타입을 식별하기 위해 마커의 알려진 수명과 비교될 수 있다.
수명은, 2개의 시간 간격에서의 강도 값들부터 계산될 수 있다. 도 1b는 예시적인 여기 펄스(점선) 및 예시적인 형광 방출(실선)에 대한 시간 경과에 따른 강도 프로파일의 예를 도시한다. 도 1b에 도시된 예에서, 광검출기는 적어도 2개의 시간 빈에 걸쳐 강도를 측정한다. 시간 t1과 t2 사이에서 발광 에너지를 방출하는 광자는, 광검출기에 의해 강도 I1로서 측정되고, 시간 t3과 t4 사이에서 방출되는 발광 에너지는 I2로서 측정된다. 도 1b에는 2개만이 도시되어 있지만, 임의의 적절한 개수의 강도 값이 획득될 수 있다. 그러면, 이러한 강도 측정은 수명을 계산하는데 이용될 수 있다. 한 번에 하나의 형광체가 존재할 때, 시간 비닝된(time binned) 발광 신호는 단일 지수 감쇠에 피팅될 수 있다. 일부 실시예에서, 형광체의 수명을 정확하게 식별하기 위해 2개의 시간 빈만이 필요할 수 있다. 2개 이상의 형광체가 존재할 때, 발광 신호를, 이중 또는 삼중 지수 등의 다중 지수 감쇠에 피팅함으로써 결합된 발광 신호로부터 개개의 수명이 식별할 수 있다. 일부 실시예에서, 이러한 발광 신호로부터 하나보다 많은 형광 수명을 정확하게 식별하기 위하여, 2개 이상의 시간 빈이 필요할 수 있다. 그러나, 복수의 형광체를 갖는 일부 경우에, 단일 지수 감쇠를 발광 신호에 피팅함으로써, 평균 형광 수명이 결정될 수 있다.
일부 경우에는, 광자 방출 이벤트의 확률과 그에 따른 마커의 수명은, 마커의 환경 및/또는 조건에 기초하여 변화할 수도 있다. 예를 들어, 여기 광의 파장보다 작은 직경을 갖는 체적 내에 국한된 마커의 수명은, 그 마커가 체적 내에 있지 않을 때보다 작을 수 있다. 마커가 라벨링에 이용될 때와 유사한 조건에서 알려진 마커를 이용한 수명 측정이 수행될 수 있다. 마커를 식별할 때, 알려진 마커를 이용한 이러한 측정으로부터 결정된 수명이 이용될 수 있다.
휘도 수명 측정을 이용한 시퀀싱
집적 광검출기의 개개의 픽셀들은, 분자 또는 분자 상의 특정한 위치 등의, 하나 이상의 표적을 라벨링하는 형광 태그 및/또는 리포터를 식별하는데 이용되는 형광 수명 측정을 할 수 있다. 임의의 하나 이상의 관심 분자는, 단백질, 아미노산, 효소, 지질, 뉴클레오티드, DNA 및 RNA를 포함한, 형광체로 라벨링될 수 있다. 방출된 광 또는 기타의 라벨링 기술의 스펙트럼을 검출하는 것과 결합될 때, 형광 수명은 이용될 수 있는 형광 태그 및/또는 리포터의 총 수를 증가시킬 수 있다. 수명에 기초한 식별은 단일 분자 분석 방법에 이용되어 이러한 정보가 앙상블 평균에서 소실되는 복잡한 혼합물에서 분자 상호작용의 특성에 관한 정보를 제공할 수 있으며, 단백질-단백질 상호작용, 효소 활성, 분자 역학, 및/또는 세포막 상의 확산을 포함할 수 있다. 추가로, 상이한 형광 수명을 갖는 형광체는, 라벨링된 성분의 존재에 기초하는 다양한 분석 방법에서 표적 성분을 태깅하는데 이용될 수 있다. 일부 실시예에서, 형광체의 특정한 수명을 검출하는 것에 기초하여, 마이크로유체 시스템의 이용하는 등에 의해, 성분들이 분리될 수 있다.
형광 수명을 측정하는 것은, 다른 분석 방법과 조합하여 이용될 수 있다. 예를 들어, 형광 수명은, 하나 이상의 분자에 위치한 도너 및 억셉터 형광체의 상태 및/또는 환경을 구별하기 위해 형광 공명 에너지 전달(FRET; fluorescence resonance energy transfer) 기술과 조합하여 이용될 수 있다. 이러한 측정은 도너와 억셉터 사이의 거리를 결정하는데 이용될 수 있다. 일부 경우에, 도너로부터 억셉터로의 에너지 전달은 도너의 수명을 감소시킬 수 있다. 또 다른 예에서, 형광 수명 측정은, 상이한 수명들을 갖는 4개의 형광체가 미지의 뉴클레오티드들의 서열을 갖는 DNA 분자에서 4개의 상이한 뉴클레오티드(A, T, G, C)를 라벨링하는데 이용될 수 있는 DNA 시퀀싱 기술과 조합하여 이용될 수 있다. 형광체의 발광 스펙트럼 대신 형광 수명은 뉴클레오티드들의 서열을 식별하는데 이용될 수 있다. 특정 기술에 대해 방출 스펙트럼 대신 형광 수명을 이용하면, 절대 강도 측정으로 인한 아티팩트가 감소되므로, 정확도 및 측정 해상도가 높아질 수 있다. 추가로, 수명 측정은, 더 적은 수의 여기 에너지 파장이 요구되고 및/또는 더 적은 수의 방출 에너지 파장이 검출될 필요가 있기 때문에, 시스템의 복잡성 및/또는 비용을 감소시킬 수 있다.
본 명세서에서 설명되는 방법들은, DNA 시퀀싱 또는 RNA 시퀀싱 등의, 핵산의 시퀀싱에 이용될 수 있다. DNA 시퀀싱은, 표적 핵산 분자에서 뉴클레오티드들의 순서 및 위치의 결정을 허용한다. DNA 시퀀싱에 이용되는 기술은, 시퀀싱 과정에서 속도, 판독 길이 및 오류 발생률뿐만 아니라 핵산 서열을 결정하는데 이용되는 방법에 따라 크게 다르다. 다수의 DNA 시퀀싱 방법들은, 뉴클레오티드가 표적 핵산에 상보적인 핵산의 새로 합성된 가닥(strand)에 혼입됨에 따라 뉴클레오티드의 정체(identity)가 결정되는, 합성에 의한 시퀀싱에 기초한다. 합성 방법에 의한 많은 시퀀싱은, 표적 핵산 분자들의 집단(예를 들어, 표적 핵산의 사본들)의 존재 또는 표적 핵산들의 집단을 달성하기 위한 표적 핵산의 증폭 단계를 요구한다. 단일 핵산 분자들의 서열을 결정하기 위한 개선된 방법이 요구된다.
높은 정확성과 긴 판독 길이를 갖는 단일 핵산 분자들을 시퀀싱하는데 있어서 최근 진보가 있었다. 예를 들어, Pacific Biosciences가 개발한 SMRT 기술과 같은 단일 분자 시퀀싱 기술에 이용되는 표적 핵산은, 샘플 웰(sample well)의 바닥 등의 고체 지지체에 고정되거나 부착된 시퀀싱 반응(예를 들어, DNA 중합효소)의 적어도 하나의 성분을 포함하는 샘플 웰에 추가되는 단일 가닥 DNA 템플릿(single stranded DNA template)이다. 샘플 웰은 또한, 형광체 등의 검출 라벨에 공액접합된 아데닌, 시토신, 구아닌, 및 티민 dNTPs를 포함한, "dNTPs"라고도 하는, 디옥시리보뉴클레오시드 3인산염(deoxyribonucleoside triphosphates)을 함유한다. 바람직하게는, 각각의 부류의 dNTPs(예를 들어, 아데닌 dNTPs, 시토신 dNTPs, 구아닌 dNTPs, 및 티민 dNTPs)는, 신호의 검출이 새로 합성된 핵산에 혼입된 dNTP의 정체를 표시하도록, 별개의 검출 라벨에 각각 공액접합된다. 검출 라벨은, 검출 라벨의 존재가 새로 합성된 핵산 가닥 내로의 dNTP의 혼입 또는 중합효소의 활성을 금지하지 않도록 임의의 위치에서 dNTP에 공액접합될 수 있다. 일부 실시예에서, 검출 라벨은 dNTP의 말단 인산염(감마 인산염)에 공액접합된다.
임의의 중합효소는 표적 핵산에 상보적인 핵산을 합성할 수 있는 단일 분자 DNA 시퀀싱에 이용될 수 있다. 중합효소의 예로서는, 대장균 DNA 중합효소 I, T7 DNA 중합효소, 박테리오파지 T4 DNA 중합효소 ψ29(psi29) DNA 중합효소, 및 이들의 변이체가 포함된다. 일부 실시예에서, 중합효소는 단일 서브유닛 중합효소이다. 표적 핵산의 핵 염기와 상보형 dNTP 사이의 염기쌍을 형성할 때, 중합효소는, 새로 합성된 핵산 가닥의 3'히드록실 말단과 dNTP의 알파 인산염 사이에 포스포디에스테르 결합(phosphodiester bond)을 형성함으로써 dNTP를 새로 합성된 핵산 가닥에 혼입시킨다. dNTP에 공액접합된 검출 라벨이 형광체인 예에서, 그 존재는 여기에 의해 시그널링되고, 방출의 펄스는 혼입 단계 동안에 검출된다. dNTP의 말단(감마) 인산염에 공액접합된 검출 라벨의 경우, 새로 합성된 가닥으로의 dNTP의 혼입의 결과, 베타 및 감마 인산염과, 샘플 웰에서 자유롭게 확산되는 검출 라벨이 방출되어, 결국 형광체로부터 검출되는 방출이 감소한다.
본 명세서에서 설명되는 기술은, 분자 또는 다른 샘플의 검출 또는 정량화, 또는 시퀀싱 수행에 대해 제한되지 않는다. 일부 실시예에서, 집적 광검출기는, 영역, 대상 또는 장면에 관한 공간 정보, 및 영역, 대상 또는 장면을 이용하는 입사 광자의 도달에 관한 시간 정보를 획득하기 위해 촬상을 수행할 수 있다. 일부 실시예에서, 집적 광검출기는, 형광 수명 촬상 등의, 영역, 대상 또는 샘플의 발광 수명 촬상을 수행할 수 있다.
추가 응용
여기서 설명되는 집적 광검출기가, 전술된 바와 같이, 복수의 생물학적 및/또는 화학적 샘플의 분석에 적용될 수 있지만, 집적 광검출기는, 예를 들어, 촬상 응용 등의 다른 응용에도 적용될 수 있다. 일부 실시예에서, 집적 광검출기는, 영역, 대상 또는 장면의 촬상을 수행하는 픽셀 어레이를 포함할 수 있고, 영역, 대상 또는 장면의 상이한 영역들로부터 개개의 픽셀에서 수신된 광의 시간적 특성을 검출할 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예에서, 집적 광검출기는, 조직으로부터 수신된 광의 시간적 특성에 기초하여 조직의 촬상을 수행할 수 있으며, 이것은 의사가 절차(예를 들어, 수술)를 수행하여 조직의 비정상적 또는 질환이 있는 영역(암 또는 전암성)을 식별할 수 있게 한다. 일부 실시예에서, 집적 광검출기는 외과용 촬상 도구 등의 의료 디바이스에 통합될 수 있다. 일부 실시예에서, 광 여기 펄스에 응답하여 조직에 의해 방출되는 광에 관한 시간-영역 정보가 획득되어 조직을 이미지화 및/또는 특성규명할 수 있다. 예를 들어, 조직 또는 다른 대상물의 촬상 및/또는 특성규명은, 형광 수명 촬상을 이용하여 수행될 수 있다.
집적 광검출기는, 전술된 바와 같이, 생물학적 및/또는 화학적 샘플의 촬상이나 분석, 또는 조직의 촬상을 수행하는 등에 의해, 과학적 또는 진단적 맥락에서 적용될 수 있지만, 이러한 집적 광검출기는 기타 임의의 적절한 상황에서 이용될 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예에서, 이러한 집적 광검출기는 개개의 픽셀에서 검출된 광의 시간적 특성을 이용하여 장면을 이미지화할 수 있다. 장면을 촬상하기 위한 응용의 예는, 광이 광검출기에 도달하는데 걸리는 시간의 양이 분석되어 광이 광검출기까지 이동한 거리를 결정하는, 거리 촬상(range imaging) 또는 비행 시간 촬상이다. 이러한 기술은, 장면의 3차원 촬상을 수행하는데 이용될 수 있다. 예를 들어, 장면은, 집적 광검출기에 관한 알려진 위치로부터 방출된 광 펄스로 조사되고, 반사된 광이 광검출기에 의해 검출된다. 광이, 집적 광검출기의 어레이의 각각의 픽셀에 도달하는데 걸리는 시간의 양이 측정되어, 광검출기의 각각의 픽셀에 도달하기 위해 광이 장면의 각각의 부분으로부터 이동한 거리(들)를 결정한다. 일부 실시예에서, 집적 광검출기는, 예를 들어, 카메라, 셀룰러 전화 또는 태블릿 컴퓨터 등의 소비자 전자 디바이스에 통합되어, 이러한 디바이스가 획득된 범위 정보에 기초하여 이미지 또는 비디오를 포착 및 처리할 수 있게 한다.
일부 실시예에서, 본 출원에서 설명된 집적 광검출기는 낮은 광 강도를 측정하는데 이용될 수 있다. 이러한 광검출기는, 예를 들어, 현재 단일 광자 카운팅 기술을 이용할 수 있는 응용과 같이 고감도의 광검출기를 요구하는 응용에 적절할 수 있다. 그러나, 본 출원에서 설명되는 집적 광검출기는 임의의 적절한 광 강도를 측정할 수 있기 때문에, 본 출원에서 설명된 기술은 이 점에서 제한되지 않는다.
추가적인 발광 수명 응용
수명을 이용한 촬상 및 특성규명
전술된 바와 같이, 본 명세서에서 설명되는 기술은, 외인성 형광체를 이용한 라벨링, 검출 및 정량화로 제한되지 않는다. 일부 실시예에서, 영역, 대상 또는 샘플은, 집적 광검출기의 이용을 통한 형광 수명 촬상 기술을 이용하여 이미지화 및/또는 특성규명될 수 있다. 이러한 기술에서, 영역, 대상 또는 샘플 자체의 형광 특성은 촬상 및/또는 특성규명에 이용될 수 있다. 수명 촬상 및/또는 특성규명을 통해, 외인성 마커 또는 내인성 마커가 검출될 수 있다. 프로브에 부착된 외인성 마커는, 특정한 목표 성분의 존재 및/또는 위치를 검출하기 위해 영역, 대상 또는 샘플에 제공될 수 있다. 외인성 마커는, 라벨링된 프로브에 대한 표적을 포함하는 영역, 대상 또는 샘플의 일부를 검출하기 위해, 라벨링된 프로브의 일부로서의 태그 및/또는 리포터로서 역할할 수 있다. 내인성 마커의 자가형광은, 내인성 마커의 도입을 요구하지 않고 촬상에 용이하게 이용될 수 있는 공간 해상도를 위한 라벨이 없는 비침습적 콘트라스트를 제공할 수 있다. 예를 들어, 생물학적 조직으로부터의 자가형광 신호는, 조직의 생화학적 및 구조적 조성에 의존할 수 있고, 이를 나타낼 수 있다.
형광 수명 측정은, 형광체 주변의 조건에 대한 정량적 측정을 제공할 수 있다. 조건의 정량적 측정은, 검출 또는 대조에 추가될 수 있다. 형광체의 형광 수명은, pH 또는 온도 등의 형광체의 주위 환경에 따라 달라질 수 있으며, 형광 수명 값의 변화는 형광체를 둘러싼 환경의 변화를 나타낼 수 있다. 예를 들어, 형광 수명 촬상은, 생물학적 조직(예를 들어, 조직 절편 또는 외과적 절제술)에서와 같이, 샘플의 국소 환경의 변화를 맵핑할 수 있다. 내인성 형광체의 자가형광에 대한 형광 수명 측정은, 조직의 물리적 변화 및 대사 변화를 검출하는데 이용될 수 있다. 예로서, 조직 구조물, 형태, 산소화, pH, 혈관질(vascularity), 세포 구조물 및/또는 세포 대사 상태에서의 변화는, 샘플로부터의 자가형광을 측정하고 측정된 자가형광으로부터 수명을 결정함으로써 검출될 수 있다. 이러한 방법은, 스크리닝, 이미지-유도된 생체검사 또는 수술, 및/또는 내시경 검사 등의, 임상 응용에 이용될 수 있다. 일부 실시예에서, 본 출원의 집적 광검출기는, 예를 들어, 형광 수명 촬상을 수행하기 위한 수술 도구 등의, 임상 도구에 통합될 수 있다. 측정된 자가형광에 기초하여 형광 수명을 결정하는 것은, 임상의가 조직을 신속하게 스크리닝하고 육안으로는 뚜렷하지 않은 작은 암 및/또는 전암성 병변을 검출할 수 있게 해주는 라벨없는 촬상 방법으로서의 임상적 가치를 제공한다. 형광 수명 촬상은, 건강한 조직보다 긴 형광 수명을 갖는 발광을 방출하는 종양 또는 암 세포 등의, 악성 세포 또는 조직의 검출 및 묘사에 이용될 수 있다. 예를 들어, 형광 수명 촬상은, 수술 동안에 노출된 위장관, 방광, 피부 또는 조직 표면 등의, 광학적으로 접근가능한 조직 상의 암을 검출하는데 이용될 수 있다.
일부 실시예에서, 형광 수명은 현미경 기술에 이용되어 상이한 타입들 또는 샘플 상태들 사이에서 대비를 제공할 수 있다. 형광 수명 촬상 현미경(FLIM; Fluorescence lifetime imaging microscopy)은, 샘플을 광 펄스로 여기시키고, 감쇠되는 형광 신호를 검출하여 수명을 결정하고, 결과적인 이미지에서 감쇠 시간을 맵핑하는 것에 의해 수행될 수 있다. 이러한 현미경 이미지에서, 이미지 내의 픽셀 값들은, 시야를 수집하는 광검출기의 각각의 픽셀에 대해 결정된 형광 수명에 기초할 수 있다.
시간 정보를 이용한 장면 또는 대상 촬상
전술된 바와 같이, 본 출원에 설명되는 집적 광검출기는, 방출된 광의 타이밍이, 영역, 대상 또는 샘플을 검출, 정량화 및/또는 이미지화하는데 이용될 수 있는 과학적 및 임상적 상황에서 이용될 수 있다. 그러나, 여기서 설명된 기술은, 집적 광검출기가 입사 광자의 도달 시간에 관한 시간 정보를 이용할 수 있는 임의의 촬상 애플리케이션에서 이용될 수 있기 때문에, 과학적 및 임상적 응용으로 제한되지 않는다. 응용의 예는 비행 시간 촬상이다.
비행 시간 응용
일부 실시예에서, 집적 광검출기는, 비행 시간 측정을 포함한, 산란되거나 반사된 광의 시간 프로파일을 측정하는 것에 기초하는 촬상 기술에서 이용될 수 있다. 이러한 비행 시간 측정에서, 광 펄스가 영역 또는 샘플 내에 방출될 수 있고, 산란된 광은 집적 광검출기에 의해 검출될 수 있다. 산란되거나 반사된 광은, 영역 또는 샘플의 특성을 나타낼 수 있는 별개의 시간 프로파일을 가질 수 있다. 샘플에 의한 후방산란된 광은, 샘플에서의 그 비행 시간에 의해 검출되고 해결될 수 있다. 이러한 시간 프로파일은 TPSF(temporal point spread function)일 수 있다. 시간 프로파일은, 광 펄스가 방출된 후 복수의 시간 빈에 걸친 통합된 강도(integrated intensity)를 측정함으로써 취득될 수 있다. 광 펄스의 반복 및 산란된 광의 축적은, 후속 광 펄스를 생성하기 전에 모든 이전의 TPSF가 완전히 소멸되는 것을 보장하기 위해 소정 비율로 수행될 수 있다. 시간-분해된 확산 광학 촬상 방법은, 샘플 내의 더 깊은 곳에서 이미지를 얻기 위하여 광 펄스가 적외선일 수 있는 분광 확산 광학 단층촬영을 포함할 수 있다. 이러한 시간-분해된 확산 광학 촬상 방법은, 사람의 머리 등의, 유기체 또는 그 일부에서 종양을 검출하는데 이용될 수 있다.
추가로 또는 대안으로서, 비행 시간 측정은, 방출된 광 펄스와, 물체로부터 반사된 광을 검출하는 것 사이의 시간 및 광의 속도에 기초하여 거리 또는 거리 범위를 측정하는데 이용될 수 있다. 이러한 비행 시간 기술은, 카메라, 자동차의 근접 검출 센서, 인간-머신 인터페이스, 로봇, 및 이러한 기술에 의해 수집된 3차원 정보를 이용할 수 있는 기타의 응용을 포함한 다양한 응용에서 이용될 수 있다.
광생성된 전하 캐리어를 시간 비닝(Time Binning)하기 위한 집적 광검출기
일부 실시예들은, 입사 광자들에 응답하여 전하 캐리어를 생성하고 전하 캐리어가 기준 시간(예를 들어, 트리거 이벤트)에 관한 입사 광자의 도달에 의해 생성되는 타이밍을 식별할 수 있는 광검출기를 갖는 집적 회로에 관한 것이다. 일부 실시예에서, 전하 캐리어 분리 구조물은, 상이한 시간들에서 생성된 전하 캐리어들을 분리하고, 전하 캐리어들을 상이한 기간들 내에서 생성된 전하 캐리어들을 응집시키는 하나 이상의 전하 캐리어 저장 영역("빈")으로 향하게 한다. 각각의 빈은 선택된 시간 간격 내에서 생성된 전하 캐리어를 저장한다. 각각의 빈에 저장된 전하를 판독하는 것은, 각각의 시간 간격 내에 도달한 광자의 수에 대한 정보를 제공할 수 있다. 이러한 집적 회로는, 본 명세서에 설명된 것들 등의, 다양한 응용들 중 임의의 것에서 이용될 수 있다.
광검출 영역 및 전하 캐리어 분리 구조물을 갖는 집적 회로의 예가 설명될 것이다. 일부 실시예에서, 집적 회로는 픽셀 어레이를 포함할 수 있고, 각각의 픽셀은, 이하에서 논의되는 바와 같이, 하나 이상의 광검출 영역 및 하나 이상의 전하 캐리어 분리 구조물을 포함할 수 있다.
픽셀 구조물 및 동작의 개요
도 2a는 일부 실시예에 따른 픽셀(100)의 도면을 도시한다. 픽셀(100)은, 광자 흡수/캐리어 생성 영역(102)(광검출 영역이라고도 함), 캐리어 이동/포획 영역(106), "전하 캐리어 저장 빈" 또는 간단히 "빈"이라고도 하는 하나 이상의 전하 캐리어 저장 영역을 갖는 캐리어 저장 영역(108), 및 전하 캐리어 저장 빈으로부터 신호를 판독하기 위한 판독 회로(110)를 포함한다.
광자 흡수/캐리어 생성 영역(102)은, 입사 광자를 광생성된 전하 캐리어로 변환할 수 있는 반도체 재료(예를 들어, 실리콘)의 영역일 수 있다. 광자 흡수/캐리어 생성 영역(102)은, 광에 노출되어, 입사 광자를 수신할 수 있다. 광자가 광자 흡수/캐리어 생성 영역(102)에 의해 흡수될 때, 광자는, 전자/홀 쌍 등의, 광생성된 전하 캐리어를 발생시킬 수 있다. 광생성된 전하 캐리어는, 본 명세서에서는 간단히 "전하 캐리어"라고도 한다.
광자 흡수/캐리어 생성 영역(102)에서 전계가 형성될 수 있다. 일부 실시예에서, 전계는 캐리어 이동/포획 영역(106) 내의 변화하는 전계와는 구분되는 "정적"일 수 있다. 광자 흡수/캐리어 생성 영역(102)에서의 전계는 수평 성분, 수직 성분, 또는 수평 및 수직 성분 모두를 포함할 수 있다. 전계의 횡방향 성분은, 화살표로 나타낸 바와 같이, 도 2a의 하향 방향에 있을 수 있고, 이는 광생성된 전하 캐리어들을 캐리어 이동/포획 영역(106)을 향해 구동시키는 힘을 광생성된 전하 캐리어에 유도한다. 전계는 다양한 방식으로 형성될 수 있다.
일부 실시예에서, 하나 이상의 전극이 광자 흡수/캐리어 생성 영역(102) 위에 형성될 수 있다. 전극(들)에 전압이 인가되어 광자 흡수/캐리어 생성 영역(102)에서 전계를 확립(establish)할 수 있다. 이러한 전극(들)은 "포토게이트(photogate)(들)"로 지칭될 수 있다. 일부 실시예에서, 광자 흡수/캐리어 생성 영역(102)은 전하 캐리어가 완전히 공핍된 실리콘 영역일 수 있다.
일부 실시예에서, 광자 흡수/캐리어 생성 영역(102) 내의 전계는, PN 접합 등의 접합에 의해 형성될 수 있다. 광자 흡수/캐리어 생성 영역(102)의 반도체 재료는, 광생성된 전하 캐리어들을 캐리어 이동/포획 영역(106)을 향하도록 구동시키는 힘을 광생성된 전하 캐리어들에 유도하는 전계를 생성하는 배향 및/또는 형상을 갖는 PN 접합을 형성하도록 도핑될 수 있다. 접합을 이용하여 전계를 생성하는 것은, 입사 광자의 일부가 광자 흡수/캐리어 생성 영역(102)에 도달하는 것을 방지할 수 있는 광자 흡수/캐리어 생성 영역(102) 위에 놓이는 전극의 이용과 관련하여 양자 효율을 향상시킬 수 있다. 접합을 이용하면 포토게이트의 이용과 관련하여 암전류(dark current)가 감소될 수 있다. 암전류는 캐리어를 생성할 수 있는 반도체 기판의 표면에서의 불완전성에 의해 생성될 수 있다는 것을 알았다. 일부 실시예에서, PN 접합 다이오드의 P 단자는 자신의 전압을 설정하는 단자에 접속될 수 있다. 이러한 다이오드는 "고정형(pinned)" 포토다이오드라고 지칭될 수 있다. 고정형 포토 다이오드는 전압을 설정하고 캐리어를 끌어 당기는 단자로 인해 표면에서의 캐리어 재결합(carrier recombination)을 촉진하여, 암전류를 감소시킬 수 있다. 포획하고자 하는 광생성된 전하 캐리어는, 표면의 재결합 영역 밑을 통과할 수 있다. 일부 실시예에서, 횡방향 전계는 반도체 재료에서의 단계화된 도핑 농도(graded doping concentration)를 이용하여 형성될 수 있다.
일부 실시예에서, 전계를 생성하기 위한 접합을 갖는 흡수/캐리어 생성 영역(102)은 다음과 같은 특성들 중 하나 이상을 가질 수 있다:
1) 시변동 전계(time varying field)로부터 멀어짐에 따라 테이퍼링되는(tapered) 공핍된 n-타입 영역
2) 전계를 n-타입 영역 내로 횡방향으로 천이시키는 갭을 갖는 n-타입 영역을 둘러싸는 p-타입 주입
3) n-타입 영역을 매립하고 기생 전자에 대한 재결합 영역으로서 역할하는 p-타입 표면 주입.
일부 실시예에서, 접합과 적어도 하나의 전극의 조합에 의해 광자 흡수/캐리어 생성 영역(102)에서 전계가 형성될 수 있다. 예를 들어, 접합 및 단일 전극, 또는 2개 이상의 전극이 이용될 수 있다. 일부 실시예에서, 하나 이상의 전극이 캐리어 이동/포획 영역(106) 부근에 배치되어, 접합으로부터 비교적 멀리 위치한 캐리어 이동/포획 영역(106) 부근에서 전위 구배를 확립할 수 있다.
도 2a에 나타낸 바와 같이, 광자가 포획되고 전하 캐리어(101A)(예를 들어, 전자)가 시간 t1에서 생성될 수 있다. 일부 실시예에서, 전하 캐리어(101A)가 (도 2a에 도시된 화살표로 나타낸 바와 같이) 도 2a의 하향 방향으로 이동하게 하는, 광자 흡수/캐리어 생성 영역(102) 및 캐리어 이동/포획 영역(106)을 따르는 전위 구배(electrical potential gradient)가 형성될 수 있다. 전위 구배에 응답하여, 전하 캐리어(101A)는, 시간 t1에서의 그의 위치로부터, 시간 t2에서의 제2 위치, 시간 t3에서의 제3 위치, 시간 t4에서의 제4 위치, 및 시간 t5에서의 제5 위치로 이동할 수 있다. 따라서 전하 캐리어(101A)는 전위 구배에 응답하여 캐리어 이동/포획 영역(106)으로 이동한다.
캐리어 이동/포획 영역(106)은 반도체 영역일 수 있다. 일부 실시예에서, 캐리어 이동/포획 영역(106)은, 캐리어 이동/포획 영역(106)이 (예를 들어, 금속 층 등의 상부에 있는 불투명한 재료에 의해) 입사광으로부터 차폐될 수 있다는 점을 제외하고는, 광자 흡수/캐리어 생성 영역(102)과 동일한 재료(예를 들어, 실리콘)의 반도체 영역일 수 있다.
일부 실시예에서, 및 이하에서 더 논의되는 바와 같이, 광자 흡수/캐리어 생성 영역(102) 및 캐리어 이동/포획 영역(106)에서 이들 영역 위에 배치된 전극들에 의해 전위 구배가 형성될 수 있다. 그러나, 본 명세서에서 설명된 기술은 전위 구배를 생성하는데 이용되는 전극의 특정한 위치에 관해 제한되지 않는다. 또한, 여기서 설명된 기술은 전극을 이용하여 전위 구배를 확립하는 것으로 제한되지 않는다. 일부 실시예에서, 전위 구배는 공간적으로 단계화된 도핑 프로파일 및/또는 PN 접합을 이용하여 형성될 수도 있다. 전하 캐리어가 광자 흡수/캐리어 생성 영역(102) 및 캐리어 이동/포획 영역(106)을 따라 이동하게 하는 전위 구배를 확립하기 위해 임의의 적절한 기술이 이용될 수 있다.
전하 캐리어 분리 구조물은 상이한 시간들에서 생성된 전하 캐리어들을 분리할 수 있도록 픽셀 내에 형성될 수 있다. 일부 실시예에서, 전하 캐리어 분리 구조물의 적어도 일부는 캐리어 이동/포획 영역(106) 위에 형성될 수 있다. 전하 캐리어 분리 구조물은 캐리어 이동/포획 영역(106) 위에 형성된 하나 이상의 전극을 포함할 수 있으며, 그것의 전압은 캐리어 이동/포획 영역(106)에서의 전위를 변경하기 위해 제어 회로에 의해 제어될 수 있다.
캐리어 이동/포획 영역(106) 내의 전위는 전하 캐리어를 포획할 수 있도록 변경될 수 있다. 전위 구배는, 미리 결정된 공간 영역 내에 캐리어를 국한할 수 있는 전위 장벽을 생성하기 위해 캐리어 이동/포획 영역(106) 위에 놓이는 하나 이상의 전극 상의 전압을 변경함으로써 변경될 수 있다. 예를 들어, 도 2a의 캐리어 이동/포획 영역(106)에서 파선 위에 놓인 전극 상의 전압은, 도 2a의 캐리어 이동/포획 영역(106) 내의 파선을 따라 전위 장벽을 상승시키기 위해 시간 t5에서 변화될 수 있고, 이로써 전하 캐리어(101A)를 포획한다. 도 2a에 도시된 바와 같이, 시간 t5에서 포획된 캐리어는 캐리어 저장 영역(108)의 빈인 "빈0"으로 전달될 수 있다. 전하 캐리어 저장 빈으로의 캐리어의 전달은, 캐리어 이동/포획 영역(106) 및/또는 캐리어 저장 영역(108)의 전위를 변경하여(예를 들어, 이들 영역 위에 놓인 전극(들)의 전압을 변경하여) 캐리어가 전하 캐리어 저장 빈으로 이동하게 함으로써 수행될 수 있다.
캐리어 이동/포획 영역(106)의 미리 결정된 공간적 영역 내의 특정 시점에서 전위를 변경하는 것은, 특정한 시간 간격 내에서 발생된 광자 흡수에 의해 생성된 캐리어를 트래핑(trapping)할 수 있게 한다. 상이한 시간들 및/또는 위치들에서 광생성된 전하 캐리어들을 트래핑함으로써, 광전자 흡수에 의해 전하 캐리어들이 생성된 시간들이 구별될 수 있다. 이러한 의미에서, 전하 캐리어는, 트리거 이벤트 발생 후 시간 및/또는 공간의 특정 지점에서 전하 캐리어를 트래핑함으로써 "시간 비닝(time binned)"될 수 있다. 특정한 빈 내의 전하 캐리어의 시간 비닝은, 입사 광자의 흡수에 의해 광생성된 전하 캐리어가 생성된 시간에 관한 정보를 제공하고, 따라서, 트리거 이벤트, 광생성된 전하 캐리어를 생성한 입사 광자의 도달에 관한 "시간 빈"과 유사하다.
도 2b는 상이한 시점 및 지점에서 전하 캐리어를 포획하는 것을 나타낸다. 도 2b에 도시된 바와 같이, 캐리어 이동/포획 영역(106)에서 파선 위에 놓인 전극 상의 전압은, 도 2b의 캐리어 이동/포획 영역(106) 내의 파선을 따라 전위 장벽을 상승시키기 위해 시간 t9에서 변경되어, 캐리어(101B)를 포획한다. 도 2b에 도시된 바와 같이, 시간 t9에서 포획된 캐리어는 캐리어 저장 영역(108)의 빈 "빈1"에 전달될 수 있다. 전하 캐리어(101B)는 시간 t9에서 포획되기 때문에, 이것은 시간 t5에서 포획된 캐리어(101A)에 대한 광자 흡수 이벤트(즉, t1에서)와는 상이한 시간(즉, 시간 t6)에서 발생한 광자 흡수 이벤트를 나타낸다.
직접 비닝 픽셀
도 3은 광자 흡수/캐리어 생성 영역(102)에서 생성된 전하 캐리어가 전하 캐리어 저장 영역(108) 내의 전하 저장 빈에 직접 전달될 수 있는 픽셀(200)의 예를 도시한다. 이러한 픽셀은 "직접 비닝 픽셀"이라고 지칭된다. 도 3에 도시된 바와 같이, 픽셀(200)은 캐리어 이동/포획 영역(106)을 포함하지 않는다. 캐리어 이동/포획 영역(106)에서 캐리어들을 포획하기보다는, 전하 캐리어들은 광자 흡수/캐리어 생성 영역(102)으로부터 전하 캐리어 저장 영역(108)의 빈으로 직접 전달될 수 있다. 전하 캐리어가 전달되는 빈은 전하 캐리어를 생성하는 광자 흡수/캐리어 생성 영역(102) 내의 광자의 도달 시간에 기초한다. 직접 비닝 픽셀의 면적은 적어도 부분적으로 캐리어 이동/포획 영역(106)의 생략으로 인해 감소될 수 있다. 유리하게는, 일부 실시예에서, 직접 비닝 픽셀은 반도체 칩의 더 작은 면적을 차지할 수 있으며, 이는 수 천 또는 수 백만 픽셀, 또는 그 이상과 같이, 칩 상에 많은 픽셀들을 형성하는 것을 가능하게 할 수 있다. 칩 상에 다수의 픽셀들을 제공하는 것은 다수의 측정들을 병렬로 수행하는 것, 또는 높은 공간 해상도로 촬상을 수행하는 것을 가능하게 할 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, 직접 비닝 픽셀은 감소된 전력 소비를 가질 수 있다. 픽셀의 각각의 전극을 충전 및 방전하는 것은 전력을 소비할 수 있기 때문에, 픽셀(200)은 더 적은 수의 전극들의 존재로 인해 감소된 전력 소비를 가질 수 있고, 즉, 캐리어 이동/포획 영역(106)에서 전하 캐리어들을 포획하기 위한 전극들은 생략될 수 있다.
도 3은 전하 캐리어 저장 영역(108)에서 2개의 빈, 즉, 빈 0 및 빈 1을 갖는 픽셀(200)의 예를 도시한다. 위에서 논의된 바와 같이, 빈 0은 트리거 이벤트에 후속하는 하나의 기간에서 수신된 전하 캐리어들을 집성할 수 있고, 빈 1은 트리거 이벤트와 관련하여 나중의 기간에서 수신된 전하 캐리어들을 집성할 수 있다. 그러나, 전하 저장 영역(108)은 1개의 빈, 3개의 빈, 4개의 빈, 또는 그 이상과 같은 임의의 수의 빈들을 가질 수 있다.
광자 흡수/캐리어 생성 영역(102)은, 예를 들어, 실리콘과 같은 임의의 적절한 반도체로 형성될 수 있는 반도체 영역을 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 광자 흡수/캐리어 생성 영역(102)은 고정형 포토다이오드와 같은 포토다이오드를 포함할 수 있다. 포토다이오드는 완전히 공핍될 수 있다. 일부 실시예에서, 포토다이오드는 항상 전자들이 본질적으로 공핍된 채로 있을 수 있다. 일부 실시예에서, 포토다이오드는 단일 광자들을 수집하도록 구성된다. 이러한 실시예들에서, 단일 광전자가 생성되고 포토다이오드에 국한될 수 있다. CMOS 프로세스에 의해 형성되는 경우, 포토다이오드는 CMOS 프로세스에 의해 생성된 디바이스들 내에서 이용가능한 전위들에 의해 완전히 공핍될 수 있다. 전극들(203, 205 및 206)은 도 8에 더 상세히 도시된 바와 같이 다이오드의 주변부를 적어도 부분적으로 둘러싸는 다이오드에 결합될 수 있다. 그러나, 도 8에 도시된 실시예는 전극들(203, 205 및 206)에 적합한 기하 구조의 일례일 뿐이라는 점에 유의해야 한다. 전극들(203 및 205)은 국한된 캐리어들의 빠른 전하 전달을 허용할 수 있다. 빈들로의 전하 캐리어들의 전달을 논의하기 전에, 원하지 않는 캐리어들을 기각 영역(105)으로 전달하는 것에 의한 원하지 않는 캐리어들의 기각가 설명될 것이다.
다시 도 3을 참조하면, 직접 비닝 픽셀(200)은 기각 기간 동안 광자 흡수/캐리어 생성 영역(102)에서 생성된 전하 캐리어들을 드레인하거나 다른 방식으로 폐기하는 기각 영역(105)을 포함할 수 있다. 기각 기간은 여기 광 펄스와 같은 트리거 이벤트 동안 발생하도록 타이밍 조절될 수 있다. 여기 광 펄스가 광자 흡수/캐리어 생성 영역(102)에서 다수의 원하지 않는 전하 캐리어를 생성할 수 있기 때문에, 기각 기간 동안 이러한 전하 캐리어를 기각 영역(105)으로 드레인하기 위해 픽셀(200)에서 전위 구배가 확립될 수 있다. 예로서, 기각 영역(105)은 전자들이 공급 전압으로 드레인되는 고전위 확산 면적을 포함할 수 있다. 기각 영역(105)은 전하가 영역(102)을 기각 영역(105)에 직접 결합하는 전극(206)을 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 전극(206)은 반도체 영역 위에 놓일 수 있다. 전극(206)의 전압은 광자 흡수/캐리어 생성 영역(102)에서 원하는 전위 구배를 확립하도록 변화될 수 있다. 기각 기간 동안, 전극(206)의 전압은 광자 흡수/캐리어 생성 영역(102)으로부터 전극(206)으로 캐리어들을 인출(draw)하고 공급 전압으로 나가는 레벨로 설정될 수 있다. 예를 들어, 전극(206)의 전압은 전자들을 끌어당기기 위해 양의 전압으로 설정될 수 있어, 이것들이 광자 흡수/캐리어 생성 영역(102)으로부터 기각 영역(105)으로 인출되게 한다. 기각 기간 동안, 전극들(203 및 205)은 원하지 않는 전하 캐리어들이 빈들에 도달하는 것을 방지하기 위해 전위 장벽들(202 및 204)을 형성하는 전위로 설정될 수 있다. 기각 영역(105)은 "횡방향 기각 영역"으로 간주될 수 있는데, 그 이유는 그것이 캐리어들을 영역(102)으로부터 드레인으로 횡방향으로 전달하는 것을 허용하기 때문이다. 일부 실시예에서, 기각은 저장 빈들에 대해 광검출 영역으로부터 반대 방향에 있다.
기각 기간 후에, 광자 흡수/캐리어 생성 영역(102)에서 생성된 광생성 전하 캐리어는 시간-비닝될 수 있다. 개별 전하 캐리어들은 그들의 도달 시간에 기초하여 빈으로 지향될 수 있다. 그렇게 하기 위해, 광자 흡수/캐리어 생성 영역(102)과 전하 캐리어 저장 영역(108) 사이의 전위는 광생성된 전하 캐리어들이 각각의 시간 빈들로 향하게 하는 전위 구배를 설정하기 위해 각각의 기간들에서 변경될 수 있다. 예를 들어, 제1 기간 동안, 전극(203)에 의해 형성된 전위 장벽(202)이 낮아질 수 있고, 광자 흡수/캐리어 생성 영역(102)으로부터 빈 0으로 전위 구배가 확립될 수 있어, 이 기간 동안 생성된 캐리어가 빈 0으로 전달되게 된다. 이어서, 제2 기간 동안, 전극(205)에 의해 형성된 전위 장벽(204)이 낮아질 수 있고, 광자 흡수/캐리어 생성 영역(102)으로부터 빈 1로 전위 구배가 확립될 수 있어, 이 나중의 기간 동안 생성된 캐리어가 빈 1로 전달되게 된다.
도 4는 일부 실시예에 따른, 복수의 측정(2820)을 수행하는 단계를 포함하는 픽셀(200)을 동작시키는 방법(2800)의 흐름도를 도시한다. 일부 실시예에서, "측정"은 광자를 수신하는 것 및 포획된 캐리어를 특정 기간 또는 빈에 대응하는 전하 저장 노드로 전달하는 것을 포함할 수 있다. 광자가 광검출기에 도달하는 시간에 관한 통계 정보를 수집하기 위해 측정이 복수회 반복될 수 있다. 이러한 방법은, 여기서 설명되는 바와 같이 적어도 부분적으로 집적된 디바이스에 의해 수행될 수 있다.
단계(2802)는 트리거 이벤트 동안 발생하도록 타이밍 조절될 수 있다. 트리거 이벤트는, 광자의 도달을 시간 비닝하기 위한 시간 기준으로서 역할하는 이벤트일 수 있다. 트리거 이벤트는, 예를 들어, 광 펄스 또는 전기 펄스일 수 있으며, 단일 이벤트이거나 반복적 및 주기적 이벤트일 수 있다. 형광 수명 검출의 맥락에서, 트리거 이벤트는 형광체를 여기시키는 광 여기 펄스의 생성일 수 있다. 비행 시간 촬상의 맥락에서, 트리거 이벤트는, 집적 광검출기를 포함하는 촬상 디바이스에 의해 방출된 (예를 들어, 플래시로부터의) 광의 펄스일 수 있다. 트리거 이벤트는, 광자 또는 캐리어의 도달 타이밍을 위한 기준으로 이용되는 임의의 이벤트일 수 있다.
광 여기 펄스의 생성은, 상당한 수의 광자를 생성할 수 있으며, 그 중 일부는 픽셀(200)에 도달할 수 있고 광자 흡수/캐리어 생성 영역(102)에서 전하 캐리어들을 생성할 수 있다. 광 여기 펄스로부터의 광생성된 캐리어들이 측정되기를 원하지 않기 때문에, 이 캐리어들은 그것들을 드레인으로 지향시킴으로써 기각될 수 있다. 이것은, 그렇지 않으면, 추가적인 설계 복잡성 및/또는 비용을 추가할 수 있는, 셔터 또는 필터와 같은 복잡한 광학 컴포넌트들에 의한 도달을 방지해야 하는, 원하지 않는 신호의 양을 감소시킬 수 있다.
단계(2802)는 기각 기간에 대응한다. 단계(2802) 동안의 픽셀(200)의 동작이 도 5a에 도시된다. 단계(2802)에서, 픽셀(200)은 영역(102)에서 생성된 전하 캐리어들을 기각 영역(105)에 전달함으로써 그 전하 캐리어들을 기각하도록 동작된다. 예를 들어, 단계(2802)는 영역(102)에서 생성된 전하 캐리어들을 기각 영역(105)으로 유도하는 전위 구배를 생성하도록 전극(206)을 제어하는 단계를 포함할 수 있다. 캐리어들은 그것들을 도 5a의 상향 방향으로 지향시킴으로써 기각된다.
단계(2804)에서, 광자 흡수 및 캐리어 생성이 영역(102)에서 수행될 수 있다. 위에서 논의된 바와 같이, 일부 응용들에서, 트리거 이벤트에 응답하여 광자를 수신하고 캐리어를 생성할 확률은 낮을 수 있다(예를 들어, 10,000에 약 1). 따라서, 트리거 이벤트에 응답하여 광자들이 수신되지 않는 경우가 종종 있기 때문에, 단계(2804)는 각각의 트리거 이벤트에 대해 수행되지 않을 수 있다. 그러나, 일부 실시예에서, 수신된 광자들의 양은 더 높을 수 있다.
단계(2804) 동안, 광생성된 전하 캐리어들이 기각되는 것을 방지하기 위해 광검출 영역(102)과 기각 영역(105) 사이에 전위 장벽이 존재한다. 단계(2804) 동안, 빈 0에 대한 전위 장벽(202)이 도 5b에 도시된 바와 같이 하강될 수 있거나, 도 5c에 도시된 바와 같이 상승될 수 있다. 빈 0에 대한 전위 장벽(202)이 낮아지는 경우, 전하 캐리어는 빈 0으로 직접 통과할 수 있다(단계 2806). 빈 0에 대한 전위 장벽(202)이 상승되는 경우, 단계(2806)까지 영역(102)에 전하 캐리어가 국한될 수 있다.
단계(2806)에서, 캐리어(존재한다면)가 빈 0으로 전달된다. 빈 0에 대한 전위 장벽(202)은 하강되거나 하강된 상태를 유지한다. 단계(2802) 다음의 기간에서 광생성된 전하 캐리어가 생성되는 경우, 전위 장벽(202)의 하강은 전하 캐리어가 빈 0으로 전달되는 것을 허용한다. 전위 장벽(202)은 영역(102)과 빈 0(도 3, 도 5b) 사이의 경계에서 전극(203)의 전압을 제어함으로써 상승 또는 하강될 수 있다. 이러한 전극은 반도체 영역 내의 전위를 제어하는 반도체 영역 위에 배치될 수 있다. 일부 실시예에서, 빈 0으로의 전하 캐리어의 전달을 허용하거나 방지하는 전위 장벽(202)을 제어하기 위해, 영역(102)과 빈 0 사이의 경계에 단일 전극(203)만이 배치될 수 있다. 그러나, 일부 실시예에서, 전위 장벽(202)은 하나보다 많은 전극에 의해 생성될 수 있다. 도 2a의 전하 캐리어 포획 영역(106)과 달리, 전위 장벽(202)을 생성하는 전극(들)(206)은 빈 외부의 위치에서 전하 캐리어를 트래핑하지 않을 수 있다. 오히려, 전극(들)(206)은 전하 캐리어가 빈 0에 들어가는 것을 허용하거나 방지하도록 전위 장벽(202)을 제어할 수 있다. 또한, 영역(102)과 빈 사이에 다수의 전위 장벽을 생성하는 전하 캐리어 포획 영역(106)과 달리, 전위 장벽(202)은 영역(102)과 빈 0 사이의 단일 전위 장벽일 수 있다. 이 단락에서 설명된 것과 동일하거나 유사한 특성들은 빈 1, 전위 장벽(204) 및 전위 장벽(204)을 생성하는 전극(들)(205)에 존재할 수 있다.
일부 실시예에서, 기각 기간 후에, 오직 한 방향으로, 즉, 영역(102)으로부터 시간 빈으로의 방향으로 전하가 흐르는 것을 허용하는 전위 구배가 형성될 수 있다. 전하는 도 5a 내지 도 5d의 하향 방향에서 빈들 중 하나로 흐른다. 생성된 캐리어들이 도면들의 하향 방향에서 반도체 영역을 통해 캐리어 저장 영역(108)을 향하여 이동하게 하기 위해 반도체 영역에 적절한 전위 구배가 확립될 수 있다. 이러한 전위 구배는 등급화된 도핑 농도 및/또는 선택된 전위들에 있는 하나 이상의 전극들을 사용하는 것과 같은 임의의 적절한 방식으로 확립될 수 있다. 따라서, 단계(2802) 이후 영역(102)에서 생성된 광생성된 전하 캐리어가 빈 0으로 전달되므로, 빈 0에서 광생성된 전하 캐리어의 도달을 시간 비닝한다.
단계(2806)에 이어서, 도 5c에 도시된 바와 같이, 빈 0에 대한 전위 장벽(202)이 상승된다. 임의로, 빈 0에 대한 전위 장벽(202)과 빈 1에 대한 전위 장벽(204) 둘 다는 일정 기간 동안 상승될 수 있다. 장벽(202)과 장벽(204) 둘 다가 상승되면, 단계(2806) 다음에 생성된 전하 캐리어는 단계(2808)까지 영역(102)에서 국한될 수 있다.
단계(2808)에서, 도 5d에 예시된 바와 같이, 캐리어(존재한다면)가 빈 1에 전달된다. 빈 1에 대한 전위 장벽(204)은 하강된다. 광생성된 전하 캐리어가 단계(2806) 다음의 기간에서 생성되는 경우, 전위 장벽(204)의 하강은 전하 캐리어가 빈 1로 전달되는 것을 허용한다. 전위 장벽(204)은 영역(102)과 빈 1 사이의 경계에서 전극(205)의 전압을 제어함으로써 상승 또는 하강될 수 있다. 그러한 전극은 반도체 영역 위에 배치될 수 있다. 따라서, 단계(2806) 이후 영역(102)에서 생성된 광생성된 전하 캐리어가 빈 1에 전달되어, 빈 1에서 광생성된 전하 캐리어의 도달을 시간 비닝한다. 단계(2808)에 이어서, 전위 장벽(202)이 상승될 수 있다.
단계(2808)에 후속하여, 측정(2820)은, 트리거 이벤트 후에 광자들이 도달하는 경향이 있는 기간들에 관한 정보(예를 들어, 통계 정보)를 얻기 위해 n-1회 반복될 수 있다. 시간-비닝된 전하 캐리어들은, 측정(2820)이 반복됨에 따라 대응하는 전하 저장 빈들에서 집성될 수 있다. 측정(2820)을 반복하면, 전하 캐리어 저장 빈들 내에 충분한 수의 전하 캐리어들을 집성하여 통계적으로 의미있는 결과들을 제공하는 것이 가능할 수 있다. 예를 들어, 형광 수명 측정의 맥락에서, 형광체로부터 수신된 광자에 응답하여 광자 흡수 이벤트가 비교적 드물게 발생할 것으로 예상될 수 있다. 예를 들어, 이러한 이벤트는 약 10,000회의 측정에서 한번 발생할 것으로 예상될 수 있다. 따라서, 결과들이 통계적으로 의미있고 및/또는 충분한 신호 대 잡음비를 갖도록 전하 캐리어 저장 빈들에서 충분한 수의 전하 캐리어들을 집성하기 위해 다수의 측정들(2820)이 수행될 필요가 있을 수 있다. 일부 실시예에서는, 각각의 빈에서 충분한 수의 전하 캐리어들(예를 들어, 일부 실시예들에서, 수 십 또는 수 백, 또는 그 이상)을 포획 및 비닝하는 것을 가능하게 하기 위해, 형광 수명 측정에 대해 수행될 수 있는 형광체의 측정의 수 n은 50,000 또는 그 이상, 100,000 또는 그 이상, 200,000 또는 그 이상, 300,000 또는 그 이상, 400,000 또는 그 이상, 500,000 또는 그 이상, 1백만 또는 그 이상, 2백만 또는 그 이상, 5백만 또는 그 이상일 수 있다. 측정들은 MHz 범위, 예컨대 50 MHz 내지 100 MHz, 25 MHz 내지 200 MHz, 10 MHz 내지 500 MHz, 또는 1 MHz 내지 500 MHz의 주파수에서 반복될 수 있고, 모든 범위는 종점을 포함하거나, 다른 주파수에 있다. 일부 실시예에서, 측정이 n-1회 반복된 후에, 약 100개의 캐리어(예를 들어, 전자)가 시간 빈들에 축적될 수 있다. 그러나, 이것은 물론 수신된 광자들의 수에 의존한다. 일부 실시예에서, 시간 빈들에 축적된 캐리어들의 수는 10 내지 10,000, 예컨대, 50 내지 1,000, 또는 임의의 다른 적합한 수일 수 있다. 방법(2800)은, 광자를 포획하기를 원하는 임의의 적절한 기간에 걸쳐 수행될 수 있다. 형광 수명 측정의 맥락에서, 방법(2800)을 수행하기 위한 적절한 기간은, 예를 들어, 10 밀리초일 수 있다. 일부 실시예에서, 측정(2820)은 MHz 범위의 주파수에서 반복될 수 있다. 일부 실시예에서, 시간 빈은 피코초 또는 나노초 스케일의 해상도를 가질 수 있다.
일단 할당된 측정 횟수 n이 수행되고 나면, 방법은 시간 빈들을 판독하는 단계(2810)로 진행할 수 있다. 단계(2810)에서, 빈들로부터 판독 노드(111)로 전하가 전달되고, 이는 플로팅 확산을 포함할 수 있다. 전하는 개별 빈들로부터 판독 노드(111)로 순차적으로 전달될 수 있다. 각각의 빈에 대해, 전하는 판독 노드(111)로 전달되고, 이어서 판독 회로(110)를 사용하여 전압으로 변환될 수 있으며, 그 예가 도 6에 도시되어 있다. 각각의 빈으로부터 전하를 전달하기 위해, 전극들(213 및/또는 214)(도 3) 상의 전압들은 빈과 판독 노드(111) 사이의 전위 장벽을 하강하도록 변경될 수 있다. 판독 시퀀스의 예는 판독 노드(111)의 전압을 리셋하고, 이어서 빈 0과 판독 노드(111) 사이의 전위 장벽(212)을 하강하기 위해 전극(213) 상의 전압을 변경함으로써 전하를 빈 0으로부터 판독 노드(111)로 전달하는 것이다. 전하가 빈 0으로부터 판독 노드(111)로 흐르게 하는 전위 구배가 확립될 수 있다. 이것은 도 5e에 예시되어 있다. 판독 노드(111)에 전달되는 전하는 이후 전압으로 변환되어 판독될 수 있다. 판독 노드(111)의 전압은 이후 리셋될 수 있다. 이어서, 빈1과 판독 노드(111) 사이의 전위 장벽(214)을 하강하기 위해 전극(215) 상의 전압을 변경함으로써 전하가 빈 1로부터 판독 노드(111)로 전달된다. 전하가 빈 1로부터 판독 노드(111)로 흐르게 하는 전위 구배가 확립될 수 있다. 이것은 도 5f에 예시되어 있다.
도 6은 도 3의 라인 A-A'를 따르는 픽셀(200)의 예의 단면도를 도시한다. 도시된 바와 같이, 전극들(206, 203 및 213)은 반도체 기판 상에 또는 위에 형성된다. 광은, 광원(120)으로부터 광자 흡수/캐리어 생성 영역(102)에서 수신된다. 광원(120)은, 제한이 아닌 예로서, (예를 들어, 핵산에 연결된) 발광 샘플 또는 촬상 응용들에서 촬상될 영역 또는 장면을 포함하는, 임의의 타입의 광원일 수 있다. 광원(120)은 원하지 않는 여기 레이저 광을 포함할 수 있다. 차광부(121)가, 예를 들어, 전하들이 여기 미광(stray excitation light) 또는 다른 미광(stray light)에 의해 저장 빈들 또는 판독 노드들에서 직접 생성되는 것을 방지하기 위해, 광이 기판의 다른 부분에 도달하는 것을 방지한다. 차광부(121)는, 제한이 아닌 예로서, 집적 회로의 금속 층 등의, 임의의 적절한 재료로 형성될 수 있다. 도 6은 기각 동안의 (좌측으로의) 전하 전달 및 빈(우측)으로의 전달의 반대 방향을 예시한다.
예시적인 판독 회로 및 시퀀스
도 6에 나타낸 바와 같이, 픽셀(200)은, 전하 캐리어 저장 영역(108)의 전하 저장 빈(들)에 저장된 전하를 판독하는 것을 허용하는 판독 회로(110)를 포함할 수 있다. 픽셀(200)은, 판독 회로(110)가 판독 증폭기를 포함하는 능동 픽셀이거나, 판독 회로(110)가 판독 증폭기를 포함하지 않는 수동 픽셀일 수 있다. 임의의 적절한 타입의 능동 픽셀 또는 수동 픽셀 판독 회로가 이용될 수 있다. 판독 회로(110)가 판독 증폭기를 포함한다면, 판독 증폭기는 전하 저장 빈(예를 들어, 빈 0, 빈 1)에 축적된 전하를 입력으로서 취하여 전하 저장 빈 내의 전하를 나타내는 전압을 출력으로서 생성할 수 있다.
판독 회로(110)가 판독 증폭기를 포함한다면, 임의의 적절한 타입의 증폭기가 이용될 수 있다. 적절한 증폭기의 예로서는, 공통 소스 구성에 기초한 증폭기와 소스-팔로워(source-follower) 구성에 기초한 증폭기가 포함된다. 소스-팔로워 구성에 기초한 판독 회로(110)의 한 예가 도 6에 도시되어 있다. 도 6에 도시된 바와 같이, 판독 영역(110)은 소스 팔로워 버퍼 트랜지스터(sf), 리셋 트랜지스터(rt) 및 행 선택 트랜지스터(rs)를 포함할 수 있다. 그러나, 여기서 설명된 기술은 임의의 특정한 증폭기 구성에 관해 제한되지 않는다. 일부 실시예에서, 하나 이상의 전달 전극(213, 215)은 판독 회로(110)의 일부일 수 있다.
잡음 감소 기술을 포함하는 임의의 적절한 판독 기술이 이용될 수 있다. 일부 실시예에서, 판독 회로(110)는 상관된 이중 샘플링을 이용하여 전하 캐리어 저장 빈을 판독할 수 있다. 상관된 이중 샘플링은, 미결정된 양의 잡음을 포함하는 노드에서 리셋 전압 레벨로 제1 샘플이 취해질 수 있고, 동일한 미결정된 잡음을 포함하는 노드에서 신호 레벨로 제2 샘플이 취해질 수 있는 기술이다. 잡음은, 샘플링된 신호 레벨로부터 샘플링된 리셋 레벨을 감산함으로써 제거될 수 있다.
시간 빈들을 판독하는 것은, 위에서 논의한 바와 같이, 전하 저장 빈들 각각에 집성된 전하의 양을 대응하는 전압들로 변환하는 것을 포함할 수 있다. 시간 빈들로부터의 판독은 50 Hz 내지 100 Hz, 10 Hz 내지 500 Hz, 또는 다른 레이트와 같은 임의의 적절한 레이트로 수행될 수 있다. 일부 실시예에서, 픽셀의 전하 캐리어 저장 빈들로부터의 판독은 동일한 픽셀의 하나 이상의 전하 캐리어 저장 빈 내의 전하 캐리어들의 수집과 동시에 수행될 수 있다.
전달 전극들(213 및 215)은 각각의 빈에 개별적으로 전하 결합될 수 있다. 공통 판독 노드(111)가 모든 전달 전극에 전하 결합될 수 있다. 도 6에 도시된 바와 같이, 판독 노드(111)는 리셋 트랜지스터(rt)의 소스에 접속될 수 있다. 리셋 트랜지스터(rt) 및 행 선택 트랜지스터(rs)의 드레인들은 고전압 공급(high voltage supply)에 접속될 수 있다. 리셋 트랜지스터(rt) 및 행 선택 트랜지스터(rs)의 게이트들은 행 드라이버 회로에 의해 제어될 수 있다. 일부 실시예에서, 트랜지스터(sf)의 소스는 행 선택 트랜지스터(rs)의 드레인에 접속될 수 있다. 트랜지스터(sf)의 게이트는 판독 노드(111)에 접속될 수 있다. 일부 실시예에서, 소스 팔로워의 소스는 열 라인 판독(column line readout)에 접속될 수 있다.
시간 빈의 수와 타이밍
임의의 적절한 수의 시간 빈이 이용될 수 있다. 도 3에는, 2개의 빈을 갖는 픽셀의 예가 예시되어 있다. 그러나, 원하는 시간 해상도 및 다른 인자들에 기초하여 임의의 적절한 수의 빈들을 갖는 픽셀이 생성될 수 있다. 빈의 수를 증가시키는 것은 각각의 픽셀이 차지하는 영역을 증가시킬 수 있고, 전체 픽셀 수를 감소시키거나 더 작은 피처 크기를 갖는 제작 프로세스를 이용함으로써 달성될 수 있다. 작은 수의 빈들을 이용하는 것은, 칩에 피팅할 수 있는 픽셀들의 수를 증가시키는 것을 허용할 수 있다. 일부 실시예에서, 단일 빈은 특정한 기간 내에 도달하는 광자의 수를 결정하는데 이용될 수 있다.
시간 빈의 타이밍은 임의의 적절한 방식으로 선택될 수 있다. 일부 실시예에서, 시간 빈들에 대한 타이밍은, 각각의 측정 기간에서 타이밍이 동일하도록 고정될 수 있다. 타이밍은 전역적 타이밍 신호에 기초하여 설정될 수 있다. 예를 들어, 타이밍 신호는 측정 기간의 시작을 설정할 수 있고, 시간 빈들은 타이밍 신호로부터 경과된 미리 결정된 시간량에 기초하여 시작 및 종료하도록 제어될 수 있다. 형광 수명 측정 맥락에서, 시간 빈에 대한 타이밍은, 검출될 것으로 예상되는 형광 수명의 가능한 범위에 기초하여 여기 펄스의 타이밍에 관해 설정될 수 있다. 비행 시간 촬상 맥락에서, 시간 빈의 타이밍은 촬상될 장면에 대한 예상된 거리 범위에 기초하여 설정될 수 있다. 그러나, 일부 실시예에서, 시간 빈들의 타이밍은 가변적이거나 프로그램가능할 수 있다.
일부 실시예에서, 시간 빈들에 대한 타이밍은, 측정(2820)을 위한 측정 기간을 개시하는 트리거 이벤트의 타이밍에 기초하여 설정될 수 있다. 형광 수명 측정 맥락에서, 시간 빈에 대한 타이밍은 형광체를 여기시키는 여기 펄스의 타이밍을 검출하는 것에 응답하여 설정될 수 있다. 예를 들어, 광 여기 펄스가 픽셀(200)에 도달할 때, 광자 흡수/캐리어 생성 영역(102)으로부터 드레인으로 캐리어들의 서지(surge)가 이동할 수 있다. 여기 펄스에 응답하여 드레인에서 광생성된 캐리어들의 축적은 드레인의 전압 변화를 야기할 수 있다. 따라서, 일부 실시예에서, 여기 펄스는 드레인의 전압을 검출함으로써 검출될 수 있다. 예를 들어, 비교기는 드레인의 전압을 임계값과 비교할 수 있고, 드레인의 전압이 임계값을 초과할 때 펄스를 생성할 수 있다. 펄스의 타이밍은 트리거 이벤트의 타이밍을 표시할 수 있고, 시간 빈들의 타이밍은 이 타이밍에 기초하여 설정될 수 있다. 그러나, 임의의 적절한 기술이 측정의 시작을 검출하는 데 이용될 수 있기 때문에, 본 명세서에 설명된 기술들은 이와 관련하여 제한되지 않는다.
일부 실시예에서, 집적 디바이스는 시간 빈들의 타이밍을 변화시킬 수 있도록 프로그램될 수 있다. 일부 실시예에서, 시간 빈들의 타이밍은 수행될 특정한 측정 세트에 대해 프로그램될 수 있다. 예를 들어, 통합된 디바이스가 제1 범위 내의 수명을 갖는 제1 마커 세트를 이용하는 제1 타입의 테스트에 이용되는 경우, 시간 빈들은 그 범위 내의 마커들의 수명을 구별하기 위한 적절한 값들로 프로그램될 수 있다. 그러나, 통합된 디바이스가 상이한 수명들을 갖는 상이한 마커들을 이용하는 또 다른 타입의 테스트에 이용되는 경우, 제2 타입의 테스트에서 이용된 마커들에 적절한 상이한 시간 간격들에 대응하도록 프로그램함으로써 시간 빈들이 변경될 수 있다. 일부 실시예에서, 시간 빈들의 타이밍은 한 세트의 측정들의 결과에 기초하여 측정들 사이에서 적응적으로 제어될 수 있다.
예시적인 저장 빈들
전하 저장 빈을 반도체 영역 내의 전위 웰(potential well)로서 구현하기 위한 몇 가지 방법이 존재한다. 일부 실시예에서, 전위 웰은 전극(203 또는 205) 내에 부분적으로 있을 수 있다. 전하를 웰 안과 밖으로 이동시키기 위한 2가지 타입의 전달이 있다. 축적 전달(accumulation transfer)은 전하를 웰 내로 이동시킨다. 판독 전달은 전하를 웰의 밖으로 이동시킨다.
다음은 전위 웰의 가능한 특성들이다:
● 웰은 30℃에서 10 ms 동안 적어도 100개의 전자의 축적된 전하를 저장하기에 충분한 깊이로 될 수 있다.
● 전극(203 또는 205)은 영역(102)을 웰에 전하 결합한다.
● 웰은 전극(203 또는 205) 내에 적어도 부분적으로 있을 수 있다.
● 웰은 영역(102)의 완전 공핍 전압보다 축적 전달 동안 더 높은 전위에 있을 수 있다.
● 웰의 완전 공핍 전압은 판독 전달 동안 플로팅 확산 리셋 레벨보다 낮은 전위에 있을 수 있다.
● 웰의 전위는 축적 전달 및 판독 전달의 요건들 모두를 서빙하기 위해 동적으로 변조될 수 있다.
빈 0 또는 빈 1과 같은 빈에 대한 전위 웰을 생성하는 다수의 기술이 존재한다. 일례로서, 전극들(203, 205, 213 및 215) 중 하나 이상은 상보적-도핑(스플릿-도핑)될 수 있다. 도 7은, p+ 영역 및 n+ 영역을 갖는 스플릿-도핑된 전극(2302)을 도시한다. 도 7에 도시된 바와 같이, 스플릿-도핑된 전극(2302)의 n+ 영역은, 전하 캐리어들(예를 들어, 전자들)을 국한시킬 수 있는 전위 웰을 n+ 영역 아래에 생성할 수 있다. 도 7은, 스플릿-도핑된 전극(2302)의 전압을 높게 유지하는 것이 점선으로 도시된 바와 같은 전위 구배를 생성할 수 있으며, 이는 전위 웰(2304) 내에 전하 캐리어들(예를 들어, 전자들)을 국한시킬 수 있다는 것을 나타낸다. 스플릿-도핑된 전극(2302)의 전압을 낮추는 것은, 예를 들어, 스플릿-도핑된 전극(2302) 아래의 전위를 상승시켜 전위 웰(2304)에 포획된 전하를 전하 저장 빈에 전달하는 것을 가능하게 할 수 있다.
전극(2302)은 영역(102)의 측면 상에 P+ 도핑될 수 있고, 빈 측면 상에 N+ 도핑될 수 있다. 일함수 차이는 예를 들어, 1 볼트와 같은 전압 구배를 생성할 수 있다. 제2 옵션은 전극에 의해 변조되는 웰 위치에 매립 채널 n-타입 주입을 배치하는 것이다. 전극이 고전위에 있을 때, 웰 전위는 수집 영역을 넘어 증가한다. 제3 옵션은 영역(102)의 다이오드와 동일한 복제 다이오드(replica diode)를 생성하는 것이다. 다이오드는, 동일한 주입을 갖는 영역(102)의 다이오드와 같이 매립 다이오드(buried diode)일 수 있다. 그것은 장벽들(202 또는 204)과 전달 전극(213) 사이에 형성될 수 있다. 공핍 전압은 판독 전달 게이트를 가로질러 연장되는 n-타입 주입으로 조정될 수 있다. 장벽(202 또는 204)을 형성하는 전극은 N+ 도핑될 수 있고, 판독 전달 전극은 P+ 도핑될 수 있다. 일부 실시예에서, 전술한 기술들의 조합이 빈에 대한 전위 웰을 형성하는 데 사용될 수 있다.
도 8은 일부 실시예들에 따른 직접 비닝 픽셀(200)의 예의 평면도를 도시한다. 예시된 바와 같이, 영역(102)은 원형 형상을 가질 수 있지만, 본 명세서에 설명된 기술들은 이와 관련하여 제한되지 않는다.
도 9는 일부 실시예들에 따른 직접 비닝 픽셀(200)의 다른 예의 평면도를 도시한다. 도 9는 하부의 폴리실리콘 전극들 위에 놓이고 그에 전기적으로 접속되는 금속 단자들을 도시한다. 금속 영역(cd)은 기각 영역(105)에 접속되고, 금속 영역(b0)은 전극(206)에 접속되고, 금속 영역(b1)은 전극(203)에 접속되고, 금속 영역(b2)은 전극(205)에 접속된다. 금속 영역(t1)은 빈 0으로의 전달 게이트로서 역할을 하는 폴리실리콘 전극에 접속되며, 이는 판독을 위해 빈 0에 저장된 전하를 전달하는 것을 허용한다. 유사하게, 금속 영역(t2)은 빈 1로의 전달 게이트로서 역할을 하는 다른 폴리실리콘 전극에 접속되며, 이는 판독을 위해 빈 1에 저장된 전하를 전달하는 것을 허용한다.
"TG" 층으로 도시된 바와 같이, 전극들(203 및 205)의 하부 상에 배치되는 포켓 주입들(pocket implants)이 있다. 확산과 포켓 주입들 사이의 교차점은 N=0으로 라벨링된다. 측벽 주입들로 인해, 검은색 표시들은 포켓 전위가 발생하는 곳이다. 이 예에서는, 포켓이 전극들 사이에 연장된다. 그러나, 본 명세서에서 설명된 기술은 이와 관련하여 제한되지 않는다.
빈의 위치는 전극 아래에, 전극에 의해 커버되지 않는 영역에, 또는 전극 아래와 전극에 의해 커버되지 않는 영역 둘 다에 있을 수 있다. 예를 들어, 빈 0 은 전극(203) 아래에, 전극(203)과 t1에 접속된 폴리실리콘 전달 전극 사이의 전극(203) 아래에 있지 않은 영역에, 또는 전극(203) 아래와 전극(203) 아래에 있지 않은 영역 둘 다에 있을 수 있다.
도 10 내지 도 14는 픽셀(200)의 실시예에 대한 방법(2800)의 다양한 단계에서의 반도체 재료의 도핑 농도 및 픽셀(200)의 전위 구배를 도시한다.
도 10은 도 5a에 또한 대응하는, 단계(2802)의 기각 기간 동안의 전위를 도시한다. 좌측 하부의 플롯은 도 8의 y 차원을 따르는 전위를 도시한다. 광자 흡수/캐리어 생성 영역(102)은 y=0에 중심을 둔다. 좌측 하부 및 좌측 상부 상의 플롯들에서 보이는 바와 같이, y=0의 좌측으로의 기각 영역의 전극이 하이로 될 때, y=0의 좌측에서 기각 영역 쪽으로 전위가 떨어진다. 따라서, 캐리어들은 광자 흡수/캐리어 생성 영역(102)으로부터 기각 영역(105)으로 전달된다. 우측 하부의 플롯은 도핑 농도를 나타낸다.
도 11은 기각 영역에 대한 전위 장벽들 및 빈들이 (도 5c에서와 같이) 상승되는 기간 동안의 전위를 도시한다. 이 상태에서, 영역(102)에 생성된 임의의 전하 캐리어들은 y=0 주위에 생성된 사발형 전위 웰로 인해 영역(102)에서 국한된다.
도 12는 도 5b 및 도 5d에 대응하는, 전하가 빈으로 전달될 수 있는 단계들(2806 및 2808) 동안의 전위를 도시한다. y 차원에서의 전위는 전하가 빈 0 및 빈 1에 전달되는 경우들에 대해 유사하다. 이와 관련하여, 도 12는 캐리어를 하나의 빈 대(vs.) 다른 빈을 향해 구동시키는 도 8의 횡방향 치수를 따르는 구배를 도시하지 않는다. 도 12에 도시된 바와 같이, 전위는 빈을 향해 영역(102)의 우측으로 떨어지고, 이는 대응하는 빈에 존재하는 임의의 캐리어를 구동할 것이다.
도 13 및 도 14는 판독 단계 동안의 전위를 도시한다. 도 13은 전달 게이트에 의해 생성된 전위 장벽을 낮춤으로써 빈에 저장된 전하의 플로팅 확산(floating diffusion)(FD)으로의 전달을 도시한다. 도 14는 플로팅 확산(FD)을 리셋하는 것을 도시한다.
수직 기각
본 발명자들은 반도체 기판 내의 깊은 곳에서 전하 캐리어들의 광생성으로부터 발생하는 문제를 인식하고 인정하였다. 기판 내의 깊은 곳에 상당한 전위 구배가 없을 수 있기 때문에, 이 영역에서 생성되는 캐리어들은 느리게 이동할 수 있고, 예측 가능한 경로를 취하지 않을 수 있다. 일부 경우들에서, 깊은-생성된 캐리어들은 궁극적으로 표면으로 이동하여 영역(102)에 국한될 수 있다. 영역(102) 내에 이러한 캐리어들을 수집하는 것은 바람직하지 않은데, 그 이유는 캐리어들이 전류 측정 기간 동안 도달한 광자들에 대응하지 않고, 따라서, 기각되어야 하는 잡음이기 때문이다. 본 발명자들은 직접-비닝 픽셀 또는 다른 타입의 픽셀에서 사용될 수 있는 깊은-생성된 캐리어들을 기각하기 위한 구조들 및 기술들을 개발하였다. 이러한 구조들 및 기술들을 논의하기 전에, 깊은-생성된 캐리어들의 생성 및 이동이 논의될 것이다.
도 15에 도시된 바와 같이, 흡수 깊이는, 광이 흡수되기 전에 더 긴 파장들이 반도체 내로 더 깊게 침투하도록 하는 파장의 함수이다.
흡수 깊이는 흡수 계수의 역 또는 1/a에 의해 주어진다. 강도는, 흡수 깊이가 광이 표면 강도의 약 36%로 떨어지는 재료 내의 거리, 1/e 또는 1 타우(τ)이도록 기판 내로 지수적으로 감쇠한다. 짧은 파장 광(청색)은 표면의 짧은 거리 내에 흡수되도록 큰 흡수 계수를 갖고, 더 긴 파장 광(적색)은 더 낮은 레이트로 흡수된다.
에피-웨이퍼(epi-wafer)는 고농도로 도핑된 핸들을 갖는, 3-5 마이크론 두께의, 저농도로 도핑된(예를 들어, 2x1015cm-3) 에피택시 영역을 포함한다. 활성 영역에서는 전위 구배가 없고, 따라서 전계는 최소이다. 캐리어들은 3개의 소스로부터 모션을 받는다:
1) 열적
2) 드리프트
3) 확산
전계 또는 도핑 구배가 없는 경우, 캐리어들은 확률적 프로세스에서 반도체의 진동 원자들과 충돌한다. 캐리어들은 도펀트들 및 다른 캐리어들과 정전기적으로 상호작용한다. 300°K에서의 자유 충돌들 사이의 평균 시간은 1e-7 cm/s의 열 속도를 갖는 약 1e-13 초이다. 특성 평균 자유 경로는 약 10nm이다.
도 16은 영역(102)의 포토다이오드에 대한 도핑 프로파일 및 전위를 도시한다. 완전 공핍된 저농도로 도핑된 매립 n-타입 영역(1x1016cm-3)은 캐리어들을 가장 높은 전위의 영역으로 끌어 당기는 전계를 생성한다. 공핍 영역 아래에 생성된 캐리어들은 국한되기 전에 전계 내로 확산된다. 확산 프로세스는 느리고, 캐리어들이 생성된 후에 잘 도달하게 한다.
매립 다이오드 영역의 깊이는 주입이 구현되는 스테이지에서 CMOS 프로세스에 의해 제한될 수 있다(에너지 < 400 keV). 전계의 활성 영역 및 연장은 1.5㎛ 깊이 미만일 수 있으며, 이는 광전자들(photo-electrons)의 약 20%가 평평한 전계를 갖는 영역에 들어가게 한다. 10 ns 사이클에서, 1백만 광자를 시뮬레이션한 후, 40개의 광자 중 약 1개의 광자가 사이클의 절반, 또는 5ns 후에 기판에서 여전히 래깅(lagging)되고 있다. 처음 100 ps 내에서, 10개의 광자 중 약 1개의 광자가 여전히 래깅되고 있다. 이것은 100ps 기각 레이턴시를 사용하는 10 대 1의 최상의 경우 기각 비율을 나타낸다.
깊은-생성된 캐리어들을 드레인하고/하거나 적어도 이들이 표면 근처의 포토다이오드 영역에 도달하는 것을 방지하는 것이 바람직하다. 본 발명자들은 그렇게 하기 위한 구조들 및 기술들을 개발하였다. 일부 실시예에서, "깊은-생성된 캐리어들"은 표면 아래 1 마이크론 초과에서 생성된 캐리어들을 지칭한다. 그러나, 캐리어들이 문제가 될 수 있는 깊이는 상이한 재료들 및 프로세스 기술들에 대해 달라질 수 있기 때문에, 본 발명은 이와 관련하여 제한되지 않는다.
하나의 기술은 깊은-생성된 캐리어들이 포토다이오드에 들어가는 것을 차단하는, 포토다이오드 아래의 드레인 또는 장벽을 형성하는 것이다. 도 17은 깊은-생성된 캐리어들(deep-generated carriers)이 표면에 도달하는 것을 방지할 수 있는 깊은 도핑된 영역(deep doped region)을 도시한다. 깊은 도핑된 영역은 900 keV의 에너지 또는 임의의 다른 적절한 에너지를 이용하는 깊은 주입일 수 있다. 일부 실시예에서, 깊은 주입은 표면이 기판의 바닥과 동일한 전위에 있을 수 있게 하기 위해 (예를 들어, 도 20에서와 같이) 비연속적일 수 있다. 도 18은 10 ns 동안의 전자 움직임의 시뮬레이션을 도시하며, 캐리어들이 깊은 n-웰 영역 내로 끌어당겨지는 것을 예시한다.
깊은 도핑된 영역이 n-타입이면, 그것은 깊은-생성된 캐리어들을 드레인으로 수집하고 전달하기 위해 기각 영역, 및 따라서 공급 전압에 접속될 수 있다. 깊은 도핑된 영역이 p-타입이면, 그것은 깊은 도핑된 캐리어들을 차단하고 이들이 포토다이오드에 도달하는 것을 방지하는 장벽을 형성할 수 있다.
깊은 캐리어들은 3-5 um 두께, 또는 임의의 다른 적절한 두께의 에피택시 기판을 사용할 때 기각될 수 있다. 표면의 1 um 내의 광생성된 캐리어들은 공핍된 다이오드 N-영역 내로 수집될 수 있다.
깊은 캐리어들을 처리하기 위해 2개의 별개의 기술이 구현될 수 있다:
1) 하나의 기술은 매립 드레인이다. 도 19는 N-타입 매립 층(깊은 드레인)이 고전위(예를 들어, 3 볼트)에서 바이어싱되는 예를 도시한다. 깊은 광전자들은 N-타입 매립 층으로 끌어 당겨져서 콘택들에서 드레인된다.
2) 다른 기술은 매립 실드이다. 도 20은 기판과 접촉하는 P+-타입 매립 층(깊은 실드)을 도시한다. 깊은 광전자들은 P+-타입 매립 층으로부터 밀어내어져서 N-타입 픽업들로 확산되고 콘택들에서 드레인된다. P+-타입 매립 층은 비연속적이고 다이오드 구조가 저전위에서 하부 측면으로부터 기판 전위로 바이어싱된 채로 유지할 수 있게 한다. 다이오드에 인터페이싱하는 전극들의 빠른 동적 스위칭을 위해, 이것은 다이오드 공핍 전압이 고주파수에서도 고정된 채로 유지되기 때문에 이점일 수 있다.
매립 다이오드의 좌측 및 우측 상의 N 및 P 영역은 표준 N웰(NW) 및 P웰(PW) 처리를 이용하여 구현될 수 있다. N웰로의 N+ 탭들은 표준 소스 드레인 고농도 도핑된 주입들일 수 있다. 깊은 N 영역은 1000 keV 초과의 높은 에너지 인 주입일 수 있다. 깊은 P+ 영역은 500keV 초과의 높은 에너지 붕소 주입일 수 있다.
깊은 생성된 캐리어들을 드레인하기 위한 다른 기술은 깊은-생성된 캐리어들을 표면으로부터 멀리 끌어 당기는 기판 내의 드리프트 필드를 생성하는 것이다. 드리프트 필드는 기판에서 수직 전위 구배를 생성함으로써 생성될 수 있다.
깊은 생성된 캐리어들을 피하기 위한 또 다른 기술은, 반도체 영역(예를 들어, 에피택셜 영역)을 매우 얇게, 예컨대, 3 마이크론보다 얇거나, 2 마이크론보다 얇거나, 1 마이크론보다 얇게 만드는 것이다.
추가 실시예들
도 21은 집적 회로가 제조될 수 있는 재료들의 예들을 도시한다. 픽셀은, 일부 실시예에서 실리콘일 수 있는, 반도체 영역에 형성될 수 있다. 실리콘 산화물 영역들과 같은 절연 영역들은 집적 회로의 영역들을 서로 절연시킬 수 있다. 전극들(예를 들어, 전극들(206, 203 및 213))은 폴리실리콘 또는 다른 전도체로 형성될 수 있다. 절연 스페이서들은 전극들의 측면들에 배치될 수 있다. 예를 들어, 절연 영역들은 실리콘 질화물로 형성될 수 있다. 알루미늄과 같은 금속이 전극들 상에 배치되어 그에 대한 전기적 접촉을 이룰 수 있다. 그러나, 본 명세서에 설명된 디바이스들이 특정 재료들에 대해 제한되지 않으므로, 다른 재료들이 사용될 수 있다.
도 22는 일부 실시예들에 따른, 픽셀(200)에 대한 도핑 프로파일의 예를 도시한다. 광검출 영역(102)은 표면에서의 P-타입 영역과 매립 N-타입 영역을 갖는 포토다이오드를 포함한다. 전극들(206 및 203)은 N-타입으로 도핑될 수 있다. 전극(213)은 P-타입으로 도핑될 수 있다. 전극(203)과 전극(213) 사이의 도핑의 차이는, 복수의 주입과는 대조적으로, 하나의 주입이 전하 캐리어들을 국한하는 것을 허용하기 위해 영역(108) 내에 형성될 수 있게 하는 일함수 차이를 생성할 수 있다. 그러나, 이것은 선택적이고, 일부 실시예에서, 영역(108)은 복수의 주입을 포함할 수 있다. 전극들(203 및/또는 213) 아래의 전하 저장 영역(108)은 이 예에서 N-타입으로 도핑된다. 고농도 도핑된 영역(301)이 포토다이오드에 대향하는 전극(213)의 먼 측으로 반도체 영역 내에 형성될 수 있다. 캐리어들이 기판 내의 깊은 곳으로부터 전하 저장 영역(108)에 들어가는 것을 방지하도록 장벽 주입(302)이 형성될 수 있다. 이 예에서, 장벽 주입은 P-타입일 수 있다.
빈은 확산으로의 전극(203) 내지 전극(213)의 절반에 걸치는 주입을 포함할 수 있다. 출력에 대한 빈 장벽은 P+ 도핑된 게이트 전극과 N+ 도핑된 게이트 전극 사이의 일함수 차이에 의해 형성될 수 있다. 이것은 충분한 1.1V 장벽 차이를 형성할 수 있다. 이 차이는 전극(203)과 전극(213) 사이에 차이 전압을 인가함으로써 확장될 수 있다. 예를 들어, 전극(213)은 0V로 설정될 수 있고 전극(203)은 0.4V로 설정될 수 있다. 이것은 1.5V 차이를 생성한다.
입력에 대한 전위 장벽은 다이오드 인터페이스에서 붕소 주입에 의해 형성될 수 있다. 장벽 전위는 빈 주입의 최대 공핍 전압에 관련된다. 빈 주입 용량 및 에너지는 빈의 최대 전위 깊이(maximum potential depth)를 결정할 수 있다. 이것은 빈의 입력측에 대한 충분한 장벽을 허용하도록 프로세스에서 튜닝될 수 있다. 출력측은 일함수 차이로 인해 강건한 장벽을 가지며, 또한 전압들에 의해 튜닝가능하다. 입력 장벽은 튜닝하는 데 더욱 중요하다. 빈 전위 깊이는 전극(203)에 인가된 전압에 의해 튜닝될 수 있다. 그러나, 이것은 또한 입력 다이오드에 대한 장벽에 영향을 미친다. 입력 다이오드에 대한 장벽은 게이트 제어될 수 있다. 따라서, 빈 주입 용량 및 에너지는 최대 빈 공핍 전위에서 충분한 장벽을 전달하기 위해 튜닝될 수 있다. 빈 주입과 동일한 마스크를 사용하여, 깊은 고용량 붕소 주입이 기판에 대한 장벽을 형성할 수 있고, 이는 표유 전자들(stray electrons)의 픽업을 방지한다.
도 23은 도 22에 도시된 도핑 프로파일을 갖는 픽셀(200)을 형성하기 위한 예시적인 프로세스 시퀀스를 도시한다. 이 프로세스는 임의의 적절한 시퀀스의 도펀트 주입들 및/또는 확산들을 포함할 수 있다. 그러나, 도 23의 프로세스는 예시이며, 다른 적절한 프로세스들이 사용될 수 있다는 것을 이해해야 한다.
도 24는 도 22의 라인 y=0을 따르는 비소, 붕소, 인, 및 Nt에 대한 예시적인 도핑 프로파일의 플롯을 도시한다. 기판 내의 깊이는 수직 축 상에 도시되고, 수평 축 상에는 농도가 도시된다.
도 25는 모든 전극의 전압을 0V로 설정함으로써 모든 장벽이 닫힐 때 도 22의 픽셀에서의 전위의 플롯을 도시한다. 예시된 바와 같이, 빈 내에 캐리어들을 국한하는 것을 허용하는 전위 웰이 생성된다.
도 26은 전극(213)의 전압이 3V로 설정될 때 도 22의 픽셀에서의 전위의 플롯을 도시한다. 전극(213) 상의 전압을 상승시키는 것은 빈과 판독 노드(111) 사이의 장벽을 하강시킨다.
도 27은 전극들(206, 203 및 213)의 전압들이 변화될 때 기판 내의 전위의 곡선들을 도시한다.
예시적인 집적 회로 실현 및 집적 광검출기 형성 방법
일부 실시예에서, 칩(1300)은 표준 CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor) 공정을 이용하여 실리콘 기판 내에 형성될 수 있다. 그러나, 임의의 적절한 기판 또는 제조 공정이 이용될 수 있기 때문에, 여기서 설명된 기술은 이 점에서 제한되지 않는다. 도 28 내지 도 32는 광검출기 및 4개의 상이한 픽셀 설계(d0-d3)를 형성하는 예시적인 프로세스를 도시한다. 도 28은 반도체 영역 내의 확산 및 N-웰 영역들, 및 상부의 폴리 전극 층을 갖는 레벨 0을 도시한다. 도 29는 레벨 1을 도시하고, 도 30은 레벨 2를 도시하고, 도 31은 레벨 3을 도시하고, 도 32는 레벨 4를 도시한다.
픽셀 어레이/칩 아키텍처
도 33은 일부 실시예에 따른 칩 아키텍처의 도면을 도시한다. 도 33에 도시된 바와 같이, 집적 회로 또는 칩(1300)은, 복수의 픽셀(100)을 포함하는 픽셀 어레이(1302), 타이밍 회로(1306)를 포함하는 제어 회로(1304), 전압/전류 바이어스 생성 회로(1305) 및 인터페이스(1308)를 포함할 수 있다.
픽셀 어레이(1302)는, 예를 들어, 직사각형 패턴 등의 임의의 적절한 패턴으로 배치된 픽셀(101)들의 어레이를 포함한다. 픽셀 어레이(1302)는 임의의 적절한 수의 픽셀을 가질 수 있다. 픽셀 어레이는, 픽셀 어레이(1302)의 행 또는 열을 판독하기 위한 행 및/또는 열 전도체를 가질 수 있다. 픽셀들은 병렬로, 직렬로, 또는 이들의 조합으로 판독될 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예에서, 픽셀들의 행은 병렬로 판독될 수 있고, 픽셀 어레이의 각각의 행은 순차적으로 판독될 수 있다. 그러나, 픽셀들은 임의의 적절한 방식으로 판독될 수 있기 때문에, 여기서 설명된 기술들은 이 점에서 제한되지 않는다.
픽셀 어레이(1302)는 제어 회로(1304)에 의해 제어된다. 제어 회로(1304)는, 픽셀 어레이(1302)의 동작을 비롯한, 칩(1300)의 동작을 제어하기 위한 임의의 적절한 타입의 제어 회로일 수 있다. 일부 실시예에서, 제어 회로(1304)는, 픽셀 어레이(1302)의 동작 및 칩(1300)의 기타 임의의 동작을 제어하도록 프로그램된 마이크로프로세서를 포함할 수 있다. 제어 회로는, 마이크로프로세서로 하여금 이러한 동작을 수행하게 하기 위한 컴퓨터 판독가능한 명령어(예를 들어, 코드)를 저장하는 컴퓨터 판독가능한 매체(예를 들어, 메모리)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 제어 회로(1304)는, 각각의 픽셀에서 전하 캐리어 분리 구조물(들)의 전극들에 인가되는 전압을 생성하는 것을 제어할 수 있다. 제어 회로(1304)는, 앞서 논의된 바와 같이, 캐리어를 포획하고, 캐리어를 전달하고, 픽셀 및 어레이의 판독을 수행하기 위해 하나 이상의 전극의 전압을 변화시킬 수 있다. 제어 회로는, 저장된 타이밍 방식에 기초하여 전하 캐리어 분리 구조물의 동작 타이밍을 설정할 수 있다. 저장된 타이밍 방식은, 앞서 논의된 바와 같이, 고정되고, 프로그램가능하며 및/또는 적응적일 수 있다.
제어 회로(1304)는, 픽셀의 전하 캐리어 분리 구조물(들)의 타이밍 동작들 또는 칩의 다른 동작들을 위한 타이밍 회로(1306)를 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 타이밍 회로(1306)는, 전하 캐리어 분리 구조물(들)에서의 전압 변화의 타이밍을 정확하게 제어하여 전하 캐리어들을 정확하게 시간 비닝하는 신호를 생성하는 것을 가능하게 할 수 있다. 일부 실시예에서, 타이밍 회로(1306)는 전하 캐리어 분리 구조물(들)에 제공되는 신호의 타이밍을 정확하게 설정하기 위한 외부 기준 클럭 및/또는 지연 고정 루프(DLL)를 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 2개의 단일-단 지연 라인이 이용될 수 있고, 각각은 스테이지의 수의 절반이 180도 위상차로(out of phase) 정렬되어 있다. 그러나, 임의의 적절한 기술이 칩 상의 신호들의 타이밍을 제어하기 위해 이용될 수 있다.
칩(1300)은, 칩(1300)으로부터 신호를 전송하거나, 칩(1300)에서 신호를 수신하거나, 또는 양쪽 모두를 위한 인터페이스(1308)를 포함할 수 있다. 인터페이스(1308)는 픽셀 어레이(1302)에 의해 감지된 신호를 판독하는 것을 가능하게 할 수 있다. 칩(1300)으로부터의 판독은, 아날로그 인터페이스 및/또는 디지털 인터페이스를 이용하여 수행될 수 있다. 칩(1300)으로부터의 판독이 디지털 인터페이스를 이용하여 수행된다면, 칩(1300)은 픽셀 어레이(1302)로부터 판독된 신호를 디지털 신호로 변환하기 위한 하나 이상의 아날로그-대-디지털 변환기를 가질 수 있다. 일부 실시예에서, 판독 회로는 프로그램가능한 이득 증폭기를 포함할 수 있다. 하나 이상의 제어 신호는, 외부 소스로부터 인터페이스(1308)를 통해 칩(1300)에 제공될 수 있다. 예를 들어, 이러한 제어 신호는, 시간 빈들의 타이밍을 설정하는 것을 포함할 수 있는, 수행될 측정 타입을 제어할 수 있다.
픽셀 어레이(1302)로부터 판독된 신호의 분석은, 온칩(on-chip) 또는 오프칩(off-chip) 회로에 의해 수행될 수 있다. 예를 들어, 형광 수명 측정의 맥락에서, 광자 도달 타이밍의 분석은 형광체의 형광 수명을 근사하는 것을 포함할 수 있다. 임의의 적절한 타입의 분석이 수행될 수 있다. 픽셀 어레이(1302)로부터 판독된 신호의 분석이 온칩으로 수행된다면, 칩(1300)은 분석을 수행하기 위한 임의의 적절한 처리 회로를 가질 수 있다. 예를 들어, 칩(1300)은, 제어 회로(1304)의 일부이거나 이와는 분리된 분석을 수행하기 위한 마이크로프로세서를 가질 수 있다. 분석이 칩 상에서 수행된다면, 일부 실시예에서, 분석 결과는 외부 디바이스에 전송되거나 그렇지 않으면 인터페이스(1308)를 통해 오프칩 제공될 수 있다. 일부 실시예에서, 분석의 전부 또는 일부는 오프칩으로 수행될 수 있다. 분석이 오프칩으로 수행된다면, 픽셀 어레이(1302)로부터 판독된 신호 및/또는 칩(1300)에 의해 수행된 임의의 분석의 결과는 인터페이스(1308)를 통해 외부 디바이스에 제공될 수 있다.
일부 실시예에서, 칩(1300)은 다음 중 하나 이상을 포함할 수 있다:
1) 온칩, 디지털 제어형, 픽셀 바이어스 생성기(DAC).
2) 단일-단 픽셀 출력 전압 신호를 차동 신호로 변환하고 이 신호에 이득을 적용하는, 온칩, 디지털 프로그램가능한 이득 증폭기
3) 출력 레이트와 함께 전력 손실의 스케일링을 허용하는, 디지털-제어형 증폭기 바이어스 생성기.
도 34는, 픽셀 어레이를 제어하거나 픽셀들로부터의 데이터의 분석을 수행하기 위한 제어 회로를 구현하는 데 이용될 수 있는 예시적인 컴퓨팅 디바이스(1000)의 블록도이다. 컴퓨팅 디바이스(1000)는, 하나 이상의 프로세서(1001) 및 하나 이상의 타입의 비일시적 컴퓨터 판독가능 저장 매체(예를 들어, 메모리(1003))를 포함할 수 있다. 메모리(1003)는, 실행될 때 전술된 기능성 중 임의의 것을 구현하는 컴퓨터 프로그램 명령어들을 유형의 비일시적 컴퓨터 기록가능 매체에 저장할 수 있다. 프로세서(들)(1001)은 메모리(1003)에 결합될 수 있고, 이러한 컴퓨터 프로그램 명령어를 실행하여 그 기능이 실현되고 수행되게 할 수 있다.
컴퓨팅 디바이스(1000)는 또한, 컴퓨팅 디바이스가 (예를 들어, 네트워크를 통해) 다른 컴퓨팅 디바이스와 통신할 수 있는 네트워크 입력/출력(I/O) 인터페이스(1005)를 포함할 수 있으며, 또한 컴퓨팅 디바이스가 사용자에게 출력을 제공하고 사용자로부터 입력을 수신할 수 있는 하나 이상의 사용자 I/O 인터페이스(1007)를 포함할 수 있다. 사용자 I/O 인터페이스는, 키보드, 마우스, 마이크로폰, 디스플레이 디바이스(예를 들어, 모니터 또는 터치 스크린), 스피커, 카메라 및/또는 다양한 다른 타입의 I/O 디바이스 등의 디바이스를 포함할 수 있다.
전술된 실시예들은 다양한 방식들 중 임의의 방식으로 구현될 수 있다. 예를 들어, 실시예들은 하드웨어, 소프트웨어, 또는 이들의 조합으로 구현될 수 있다. 소프트웨어로 구현될 때, 소프트웨어 코드는, 단일의 컴퓨팅 디바이스에 제공된 또는 복수의 컴퓨팅 디바이스들 사이에 분산된 임의의 적절한 프로세서(예를 들어, 마이크로프로세서) 또는 프로세스들의 집합 상에서 실행될 수 있다. 전술된 기능들을 수행하는 임의의 컴포넌트 또는 컴포넌트들의 집합은 앞서 논의된 기능들을 제어하는 하나 이상의 제어기로서 총칭적으로 간주될 수 있다는 것을 이해해야 한다. 하나 이상의 제어기들은, 전용 하드웨어에 의해, 또는 기재된 기능을 수행하는 마이크로코드 또는 소프트웨어를 이용하여 프로그램된 범용 하드웨어(예를 들어, 하나 이상의 프로세서)에 의해 등으로 다양한 방식으로 구현될 수 있다.
이와 관련하여, 여기서 설명된 실시예의 한 구현은, 하나 이상의 프로세서 상에서 실행될 때, 하나 이상의 실시예의 전술된 기능을 수행하는 컴퓨터 프로그램(즉, 복수의 실행가능한 명령어)으로 인코딩된 적어도 하나의 컴퓨터 판독가능 저장 매체(예를 들어, RAM, ROM, EEPROM, 플래시 메모리 또는 다른 메모리 기술, CD-ROM, 디지털 다목적 디스크(DVD) 또는 다른 광 디스크 스토리지, 자기 카세트, 자기 테이프, 자기 디스크 스토리지 또는 다른 자기 스토리지 디바이스, 또는 다른 유형의 비일시적 컴퓨터 판독가능 저장 매체)를 포함한다는 것을 이해해야 한다. 컴퓨터-판독가능한 매체는, 매체에 저장된 프로그램이 임의의 컴퓨팅 디바이스 상에 로딩되어 여기서 논의된 기술들의 양태들을 구현할 수 있도록 이송가능할(transportable) 수 있다. 또한, 실행될 때 전술된 기능들 중 임의의 것을 수행하는 컴퓨터 프로그램에 대한 언급은 호스트 컴퓨터에서 실행되는 애플리케이션 프로그램으로 제한되지 않는다는 점을 이해해야 한다. 오히려, 컴퓨터 프로그램 및 소프트웨어라는 용어는, 본 명세서에서 논의되는 기술들의 양태들을 구현하도록 하나 이상의 프로세서를 프로그램하는 데 채용될 수 있는 임의 타입의 컴퓨터 코드(예를 들어, 애플리케이션 소프트웨어, 펌웨어, 마이크로코드, 또는 기타 임의의 형태의 컴퓨터 명령어)를 언급하기 위해 본 명세서에서 일반적 의미로 사용된다.
추가 양태들
본 발명의 다양한 양태들은, 단독으로, 조합하여, 또는 상기에서 설명된 실시예에서 특별히 논의되지 않은 다양한 방식으로 이용될 수 있으므로, 그 적용성은 설명에서 개시되거나 도면에 예시된 컴포넌트들의 상세사항이나 배열로 제한되지 않는다. 예를 들어, 한 실시예에서 설명된 양태들은 다른 실시예들에서 설명된 양태들과 임의의 방식으로 조합될 수 있다.
또한, 본 발명은 방법으로서 구현될 수 있고, 그 예는 이미 제공되었다. 방법의 일부로서 수행되는 동작들은 임의의 적절한 방식으로 정렬될 수 있다. 따라서, 예시적인 실시예에서는 순차적 동작들로서 도시되어 있더라도, 일부 동작들을 동시에 수행하는 것을 포함할 수 있는, 동작들이 예시된 것과는 상이한 순서로 수행되는 실시예들이 구성될 수 있다.
청구항들에서 청구항 요소를 변경하기 위해 제1", "제2", "제3" 등의 서수 용어의 사용은, 그 자체로, 하나의 청구항 요소의 또 다른 청구항 요소에 대한 임의의 우선권, 우선순위, 또는 순서를 함축하거나, 방법의 동작들이 수행되는 시간적 순서를 함축하는 것은 아니며, 소정의 명칭을 갖는 하나의 청구항 요소를 동일한 명칭을 갖는 또 다른 청구항 요소와 구별하여 청구항 요소들을 구별하기 위한 라벨로서 이용될 뿐이다.
또한, 여기서 사용되는 어법과 용어는 설명의 목적을 위한 것이며 제한적인 것으로 간주되어서는 안 된다. 여기서, "내포하는(including)", "포함하는(comprising)", 또는 "갖는(having)", "담고 있는(containing)", "수반하는(involving)" 및 그 파생어들은 이후에 열거되는 항목들과 그 균등물뿐만 아니라 추가 항목들을 포괄하는 것을 의미한다.

Claims (22)

  1. 집적 회로로서,
    입사 광자들(incident photons)을 수신하고, 상기 입사 광자들에 응답하여 복수의 전하 캐리어(charge carrier)를 생성하도록 구성되는 광검출 영역(photodetection region);
    적어도 하나의 전하 캐리어 저장 영역; 및
    상기 복수의 전하 캐리어 중의 전하 캐리어들을 상기 전하 캐리어들이 생성되는 시간들에 기초하여 상기 적어도 하나의 전하 캐리어 저장 영역 내로 직접 선택적으로 지향(direct)시키고, 상기 적어도 하나의 전하 캐리어 저장 영역에서, 복수의 여기 광 펄스에 응답하여 생성된 전하 캐리어들을 집성(aggregate)하도록 구성되는 전하 캐리어 분리 구조물(charge carrier segregation structure)
    을 포함하는, 집적 회로.
  2. 집적 회로로서,
    직접 비닝 픽셀(direct binning pixel)을 포함하고, 상기 직접 비닝 픽셀은,
    입사 광자들을 수신하고, 상기 입사 광자들에 응답하여 복수의 전하 캐리어를 생성하도록 구성되는 광검출 영역;
    적어도 하나의 전하 캐리어 저장 영역; 및
    상기 복수의 전하 캐리어 중의 전하 캐리어들을 상기 전하 캐리어들이 생성되는 시간들에 기초하여 상기 적어도 하나의 전하 캐리어 저장 영역 내로 선택적으로 지향시키고, 상기 적어도 하나의 전하 캐리어 저장 영역에서, 복수의 여기 광 펄스에 응답하여 생성된 전하 캐리어들을 집성하도록 구성되는 전하 캐리어 분리 구조물
    을 포함하는, 집적 회로.
  3. 집적 회로로서,
    복수의 픽셀을 포함하고, 상기 복수의 픽셀 중 제1 픽셀은 직접 비닝 픽셀이고, 상기 직접 비닝 픽셀은,
    입사 광자들을 수신하고, 상기 입사 광자들에 응답하여 복수의 전하 캐리어를 생성하도록 구성되는 광검출 영역;
    복수의 전하 캐리어 저장 영역; 및
    상기 복수의 전하 캐리어 중의 전하 캐리어들을 상기 전하 캐리어들이 생성되는 시간들에 기초하여 상기 복수의 전하 캐리어 저장 영역 중의 각자의 전하 캐리어 저장 영역들 내로 직접 선택적으로 지향시키고, 상기 복수의 전하 캐리어 저장 영역에서, 복수의 여기 광 펄스에 응답하여 생성된 전하 캐리어들을 집성하도록 구성되는 전하 캐리어 분리 구조물
    을 포함하는, 집적 회로.
  4. 광검출 방법으로서,
    (A) 광검출 영역에서 입사 광자들을 수신하는 단계; 및
    (B) 상기 입사 광자들에 응답하여 생성된 복수의 전하 캐리어 중의 전하 캐리어들을 상기 전하 캐리어들이 생성되는 시간들에 기초하여 상기 광검출 영역으로부터 적어도 하나의 전하 캐리어 저장 영역 내로 직접 선택적으로 지향시키고, 상기 적어도 하나의 전하 캐리어 저장 영역에서, 복수의 여기 광 펄스에 응답하여 생성된 전하 캐리어들을 집성하는 단계
    를 포함하는, 광검출 방법.
  5. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전하 캐리어 분리 구조물은 상기 광검출 영역과 상기 적어도 하나의 전하 캐리어 저장 영역의 제1 전하 캐리어 저장 영역 사이의 경계에서 적어도 하나의 전극을 포함하는, 집적 회로.
  6. 제5항에 있어서, 상기 전하 캐리어 분리 구조물은 상기 광검출 영역과 상기 제1 전하 캐리어 저장 영역 사이의 경계에서 단일 전극을 포함하는, 집적 회로.
  7. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 직접 비닝 픽셀 내에 전하 캐리어 포획 영역(charge carrier capture region)이 존재하지 않고 및/또는 상기 광검출 영역과 전하 캐리어 저장 영역 사이에 전하 캐리어 포획 영역이 존재하지 않는, 집적 회로.
  8. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 전하 캐리어들은 상기 광검출 영역과 상기 적어도 하나의 전하 캐리어 저장 영역 사이의 캐리어들을 포획하지 않고 상기 적어도 하나의 전하 캐리어 저장 영역으로 전달(transfer)되는, 집적 회로.
  9. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 전하 캐리어 기각 영역(charge carrier rejection region)이 기각 기간(rejection period) 동안에 상기 광검출 영역에서 생성된 전하 캐리어들을 폐기하는, 집적 회로.
  10. 제9항에 있어서, 상기 폐기된 전하 캐리어들은 상기 광검출 영역으로부터 전하 캐리어 저장 영역을 향하여 캐리어들이 지향되는 방향과 상이한 방향으로 상기 광검출 영역으로부터 제거되는, 집적 회로.
  11. 제9항에 있어서, 전하 캐리어 기각 영역이 상기 광검출 영역과 상기 전하 캐리어 기각 영역 사이의 경계에서 전극의 전압을 변경함으로써 기각 기간 동안 상기 광검출 영역에서 생성된 전하 캐리어들을 폐기하는, 집적 회로.
  12. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 단일 광자들이 상기 적어도 하나의 전하 캐리어 저장 영역에 전달되어 상기 적어도 하나의 전하 캐리어 저장 영역에 집성되는, 집적 회로.
  13. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 반도체 기판의 표면 아래 1 마이크론보다 더 깊은 전하 캐리어들이 기각되는, 집적 회로.
  14. 제13항에 있어서, 상기 반도체 기판의 표면 아래 1 마이크론보다 더 깊은 전하 캐리어들은 상기 광검출 영역의 포토다이오드(photodiode) 아래의 주입(implant)에 의해 적어도 부분적으로 기각되는, 집적 회로.
  15. 제14항에 있어서, 상기 주입은 깊은 실드(deep shield) 또는 깊은 드레인(deep drain)을 제공하는, 집적 회로.
  16. 제15항에 있어서, 상기 주입은 N-타입 또는 P+-타입인, 집적 회로.
  17. 제13항에 있어서, 상기 반도체 기판의 표면 아래 1 마이크론보다 깊은 전하 캐리어들은 상기 반도체 기판의 표면 아래의 드리프트 필드(drift field)에 의해 기각되는, 집적 회로.
  18. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 광검출 영역은 2 마이크론 깊이보다 작은 에피택셜 영역 내에 형성되는, 집적 회로.
  19. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 광검출 영역은 포토다이오드를 포함하는 에피택셜 영역인, 집적 회로.
  20. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 포토다이오드 내의 전하 캐리어들은 기각 기간 동안 기각 영역으로 전달되고, 이어서 제1 전하 캐리어 저장 영역에 대한 제1 전위 장벽이 하강되고, 이후 제2 전하 캐리어 저장 영역에 대한 제2 전위 장벽이 하강되는, 집적 회로.
  21. 제20항에 있어서, 상기 제1 전위 장벽은 제1 전극에 의해 제어되고, 상기 제2 전위 장벽은 제2 전극에 의해 제어되는, 집적 회로.
  22. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 전하 캐리어 저장 영역은 복수의 전하 캐리어 저장 영역을 포함하는, 집적 회로.
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