KR20210022688A - 가변 검출 시간의 전하 저장 빈을 갖는 집적 광검출기 - Google Patents
가변 검출 시간의 전하 저장 빈을 갖는 집적 광검출기 Download PDFInfo
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Abstract
집적 회로는 입사 광자들을 수신하도록 구성되는 광검출 영역을 포함한다. 광검출 영역은 입사 광자들에 응답하여 복수의 전하 캐리어를 생성하도록 구성된다. 집적 회로는 전하 캐리어 저장 영역을 포함한다. 집적 회로는 또한, 복수의 전하 캐리어 중의 전하 캐리어들을 전하 캐리어들이 생성되는 시간에 기초하여 적어도 하나의 전하 캐리어 저장 영역 내로 선택적으로 지향시키도록 구성되는 전하 캐리어 분리 구조체를 포함한다.
Description
본 출원은 35 U.S.C.§119(e) 하에서 2018년 6월 22일에 출원된, 발명의 명칭이 "INTEGRATED PHOTODETECTOR WITH CHARGE STORAGE BIN OF VARIED DETECTION TIME"인 미국 가출원 일련 번호 제62/688,669호에 대한 우선권을 주장하며, 이는 그 전체가 본 명세서에 참조로 포함된다.
본 출원은 2017년 12월 22일자로 출원된, 발명의 명칭이 "INTEGRATED PHOTODETECTOR WITH DIRECT BINNING PIXEL"인 미국 정규 출원 일련 번호 제15/852,571호에 관련되고, 이는 그 전체가 본 명세서에 참고로 포함된다.
광검출기는 다양한 응용에서 광을 검출하는데 사용된다. 입사 광의 강도를 나타내는 전기 신호를 생성하는 집적 광검출기가 개발되었다. 촬상 응용을 위한 집적 광검출기는 소정 장면에 걸쳐 그로부터 수신된 광의 강도를 검출하는 픽셀 어레이를 포함한다. 집적 광검출기의 예로서는, CCD(charge coupled device) 및 CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor) 이미지 센서가 포함된다.
집적 회로는: 입사 광자들을 수신하도록 구성되는 광검출 영역- 광검출 영역은 입사 광자들에 응답하여 복수의 전하 캐리어를 생성하도록 구성됨 -; 및 기각 기간(rejection period) 동안 복수의 전하 캐리어 중 하나 이상의 제1 전하 캐리어를 전하 캐리어 기각 영역 내로 지향시키고; 검출 기간 동안 복수의 전하 캐리어 중 하나 이상의 제2 전하 캐리어를 광검출 영역으로부터 전하 캐리어 저장 영역 내로 직접 지향시키도록 구성되는 전하 캐리어 분리 구조체를 포함할 수 있다.
집적 회로는 기각 기간, 검출 기간, 또는 기각 기간 및 검출 기간 둘 다의 타이밍을 변화시키도록 구성될 수 있다.
집적 회로는 상이한 프레임들에서 기각 기간, 검출 기간, 또는 기각 기간 및 검출 기간 둘 다의 타이밍을 변화시키도록 구성될 수 있다.
각각의 프레임은 기각 기간; 및 검출 기간의 복수의 반복을 포함할 수 있고, 각각의 프레임은 전하 캐리어 저장 영역의 판독을 추가로 포함할 수 있다.
집적 회로는 프레임에 걸쳐 전하 캐리어 저장 영역에 전하 캐리어들을 집성시키고(aggregate), 집성된 전하 캐리어들의 양을 나타내는 신호를 판독하도록 구성될 수 있다.
집적 회로는 적어도: 기각 기간, 검출 기간, 또는 기각 기간 및 검출 기간 둘 다의 제1 타이밍을 갖는 제1 프레임과; 기각 기간, 검출 기간, 또는 기각 기간 및 검출 기간 둘 다의 제2 타이밍을 갖는 제2 프레임 사이에서 스위칭하도록 구성될 수 있다.
제1 프레임은 제1 검출 기간을 가질 수 있고, 제2 프레임은 제1 검출 기간과 상이한 제2 검출 기간을 가질 수 있다.
집적 회로는 제1 및 제2 프레임들과 기각 기간, 검출 기간, 또는 기각 기간 및 검출 기간 둘 다의 제3 타이밍을 갖는 제3 프레임 사이에서 스위칭하도록 추가로 구성될 수 있다.
제1 프레임은 전하 캐리어 저장 영역의 제1 판독을 포함할 수 있고 제2 프레임은 전하 캐리어 저장 영역의 제2 판독을 포함한다.
전하 캐리어 분리 구조체는 광검출 영역과 전하 캐리어 저장 영역 사이의 경계에서 적어도 하나의 전극을 포함할 수 있다.
전하 캐리어 분리 구조체는 광검출 영역과 제1 전하 캐리어 저장 영역 사이의 경계에서 단일 전극을 포함할 수 있다.
전하 캐리어 기각 영역은 광검출 영역에 인접할 수 있다.
집적 회로는 광검출 영역과 전하 캐리어 저장 영역 사이에 어떤 전하 캐리어 포획 영역도 존재하지 않는 것을 가질 수 있다.
전하 캐리어들은 광검출 영역과 전하 캐리어 저장 영역 사이의 캐리어들을 포획하지 않고서 전하 캐리어 저장 영역으로 전달될 수 있다.
폐기된 전하 캐리어들은 캐리어들이 광검출 영역으로부터 전하 캐리어 저장 영역을 향해 지향되는 방향과 상이한 방향으로 광검출 영역으로부터 제거될 수 있다.
전하 캐리어 기각 영역은 광검출 영역과 전하 캐리어 기각 영역 사이의 경계에서 전극의 전압을 변경함으로써 기각 기간 동안 광검출 영역에서 생성된 전하 캐리어들을 폐기할 수 있다.
단일 전자들이 전하 캐리어 저장 영역으로 전달되어 전하 캐리어 저장 영역에 집성될 수 있다.
전하 캐리어 저장 영역은 단일 전하 캐리어 저장 영역일 수 있다.
집적 회로는 광검출 영역으로부터 직접적으로 광발생된 전하 캐리어들을 수신하도록 구성된 어떤 다른 전하 캐리어 저장 영역들도 갖지 않을 수 있다.
전하 캐리어 저장 영역은 제1 전하 캐리어 저장 영역일 수 있고, 집적 회로는 제1 전하 캐리어 저장 영역으로부터 전하 캐리어들을 수신하도록 구성된 제2 전하 캐리어 저장 영역을 추가로 포함할 수 있다.
제2 전하 캐리어 저장 영역은 픽셀에 대한 판독 노드일 수 있다.
광검출 방법은, 광검출 영역에 의해 생성된 복수의 전하 캐리어 중 하나 이상의 제1 전하 캐리어를 기각 기간 동안 전하 캐리어 기각 영역 내로 지향시키는 단계; 및 복수의 전하 캐리어 중 하나 이상의 제2 전하 캐리어를 검출 기간 동안 광검출 영역으로부터 전하 캐리어 저장 영역 내로 직접 지향시키는 단계를 포함할 수 있다.
집적 회로는: 입사 광자들을 수신하도록 구성되는 광검출 영역- 광검출 영역은 입사 광자들에 응답하여 복수의 전하 캐리어를 생성하도록 구성됨 -; 및 전하 캐리어 저장 영역을 포함할 수 있으며, 집적 회로는: (A) 제1 각자의 트리거 이벤트들에 후속하는 복수의 제1 검출 기간에 걸쳐 전하 캐리어 저장 영역에 제1 광발생된 전하 캐리어들을 집성시키고- 복수의 제1 검출 기간은 제1 각자의 트리거 이벤트들에 각자의 제1 타이밍을 개별적으로 가짐 -; (B) (A)에 후속하여 전하 캐리어 저장 영역에 저장된 전하를 나타내는 제1 신호를 판독하고; (C) 제2 각자의 트리거 이벤트들에 후속하는 복수의 제2 검출 기간에 걸쳐 전하 캐리어 저장 영역에 제2 광발생된 전하 캐리어들을 집성시키고- 복수의 제2 검출 기간은 제2 각자의 트리거 이벤트들에 각자의 제2 타이밍을 개별적으로 가짐 -; (D) (C)에 후속하여 전하 캐리어 저장 영역에 저장된 전하를 나타내는 제2 신호를 판독하도록 구성된다.
복수의 제1 검출 기간은 복수의 제2 검출 기간과 상이한 시작 시간들, 종료 시간들 및/또는 지속기간들을 가질 수 있다.
집적 회로는 적어도 (A) 내지 (D)를 복수 회 반복하도록 구성될 수 있다.
집적 회로는 (A) 내지 (D)를 복수 회 반복하는 것으로부터 판독된 제1 신호들 및 제2 신호들에 기초하여 제1 신호의 평균 값 및 제2 신호의 평균 값을 계산하도록 구성될 수 있다.
집적 회로는 제1 신호의 평균 값 및 제2 신호의 평균 값에 적어도 부분적으로 기초하여 분자의 적어도 일부분을 식별하도록 구성될 수 있다.
집적 회로는: (E) 각자의 제3 트리거 이벤트들에 후속하는 복수의 제3 검출 기간에 걸쳐 전하 캐리어 저장 영역에 제3 광발생된 전하 캐리어들을 집성시키고- 복수의 제3 검출 기간은 각자의 제3 트리거 이벤트들에 각자의 제3 타이밍을 개별적으로 가짐 -; 및 (F) (E)에 후속하여 전하 캐리어 저장 영역에 저장된 전하를 나타내는 제3 신호를 판독하도록 추가로 구성될 수 있으며, 집적 회로는 적어도 (A) 내지 (F)를 복수 회 반복하도록 구성된다.
전하 캐리어 저장 영역은 단일 전하 캐리어 저장 영역일 수 있다.
전하 캐리어 저장 영역은 제1 전하 캐리어 저장 영역일 수 있고, 픽셀은 제1 전하 캐리어 저장 영역 및 제1 전하 캐리어 저장 영역으로부터 전하를 수신하는 제2 전하 캐리어 저장 영역을 포함할 수 있다.
광검출 방법은: (A) 제1 각자의 트리거 이벤트들에 후속하는 복수의 제1 검출 기간에 걸쳐 상기 전하 캐리어 저장 영역에 제1 광발생된 전하 캐리어들을 집성시키는 단계- 복수의 제1 검출 기간은 제1 각자의 트리거 이벤트들에 각자의 제1 타이밍을 개별적으로 가짐 -; (B) (A)에 후속하여 전하 캐리어 저장 영역에 저장된 전하를 나타내는 제1 신호를 판독하는 단계; (C) 제2 각자의 트리거 이벤트들에 후속하는 복수의 제2 검출 기간에 걸쳐 전하 캐리어 저장 영역에 제2 광발생된 전하 캐리어들을 집성시키는 단계- 복수의 제2 검출 기간은 제2 각자의 트리거 이벤트들에 각자의 제2 타이밍을 개별적으로 가짐 -; 및 (D) (C)에 후속하여 전하 캐리어 저장 영역에 저장된 전하를 나타내는 제2 신호를 판독하는 단계를 포함할 수 있다.
집적 회로는: 입사 광자들을 수신하도록 구성되는 광검출 영역- 광검출 영역은 입사 광자들에 응답하여 복수의 전하 캐리어를 생성하도록 구성됨 -; 및 전하 캐리어 저장 영역을 포함할 수 있고, 집적 회로는: 전하 저장 영역에서, 제1 트리거 이벤트들에 대한 제1 시간 기간 내에 광검출 영역에 의해 수신된 제1 전하 캐리어들을 집성시키고; 전하 저장 영역에서, 제2 트리거 이벤트들에 대한 제2 시간 기간 내에 광검출 영역에 의해 수신된 제2 전하 캐리어들을 집성시키고; 제1 전하 캐리어의 제1 양 및 제2 전하 캐리어의 제2 양을 나타내는 신호들을 판독하고; 제1 및 제2 전하 캐리어들을 분석하여 광검출 영역에 의해 수신된 광의 시간 특성을 획득하도록 구성된다.
집적 회로는 시간 특성을 분석하여 광의 방출과 연관된 분자의 적어도 일부분을 식별하는 것을 포함하도록 추가로 구성될 수 있다.
방법은: 전하 저장 영역에서, 제1 트리거 이벤트들에 대한 제1 시간 기간 내에 광검출 영역에 의해 수신된 제1 전하 캐리어들을 집성시키는 단계; 전하 저장 영역에서, 제2 트리거 이벤트들에 대한 제2 시간 기간 내에 광검출 영역에 의해 수신된 제2 전하 캐리어들을 집성시키는 단계; 제1 전하 캐리어들의 제1 양 및 제2 전하 캐리어들의 제2 양을 나타내는 신호들을 판독하는 단계; 및 제1 및 제2 전하 캐리어들을 분석하여 광검출 영역에 의해 수신된 광의 시간 특성을 획득하는 단계를 포함할 수 있다.
방법은 시간 특성을 분석하여 광의 방출과 연관된 분자의 적어도 일부를 식별하는 단계를 추가로 포함할 수 있다.
광검출 방법은: (A) 제1 각자의 트리거 이벤트들에 후속하는 복수의 제1 검출 기간에 걸쳐 전하 캐리어 저장 영역에 제1 광발생된 전하 캐리어들을 집성시키는 단계- 복수의 제1 검출 기간은 제1 지속기간을 개별적으로 가짐 -; (B) (A)에 후속하여 전하 캐리어 저장 영역에 저장된 전하를 판독하는 단계; (C) 각자의 트리거 이벤트들에 후속하는 복수의 제2 검출 기간에 걸쳐 전하 캐리어 저장 영역에 제2 광발생된 전하 캐리어들을 집성시키는 단계- 복수의 제2 검출 기간은 제2 지속기간을 개별적으로 갖고, 제1 지속기간은 제2 지속기간과 상이함 -; 및 (D) (C)에 후속하여 전하 캐리어 저장 영역에 저장된 전하를 판독하는 단계를 포함한다.
집적 회로는 입사 광자들을 수신하도록 구성되는 광검출 영역- 광검출 영역은 입사 광자들에 응답하여 복수의 전하 캐리어를 생성하도록 구성됨 -; 및 전하 캐리어 저장 영역을 포함한다. 집적 회로는: (A) 제1 각자의 트리거 이벤트들에 후속하는 복수의 제1 검출 기간에 걸쳐 상기 전하 캐리어 저장 영역에 제1 광발생된 전하 캐리어들을 집성시키고- 복수의 제1 검출 기간은 제1 지속기간을 개별적으로 가짐 -; (B) (A)에 후속하여 전하 캐리어 저장 영역에 저장된 전하를 판독하고; (C) 각자의 트리거 이벤트들에 후속하는 복수의 제2 검출 기간에 걸쳐 전하 캐리어 저장 영역에 제2 광발생된 전하 캐리어들을 집성시키고- 복수의 제2 검출 기간은 제2 지속기간을 개별적으로 갖고, 제1 지속기간은 제2 지속기간과 상이함 -; (D) (C)에 후속하여 전하 캐리어 저장 영역에 저장된 전하를 판독하도록 구성된다.
제1 지속기간은 제2 지속기간의 절반 미만 및 1/5보다 클 수 있다.
제1 검출 기간들 및 제2 검출 기간들은 트리거 이벤트들에 대해 동시에 시작할 수 있다.
집적 회로는 입사 광자들을 수신하도록 구성되는 광검출 영역- 광검출 영역은 입사 광자들에 응답하여 복수의 전하 캐리어를 생성하도록 구성됨 -; 전하 캐리어 저장 영역; 및 전하 캐리어들이 생성되는 시간에 기초하여 복수의 전하 캐리어 중의 전하 캐리어들을 전하 캐리어 기각 영역 내로 선택적으로 지향시키거나 또는 전하 캐리어 저장 영역 내로 직접 지향시키도록 구성된 전하 캐리어 분리 구조체를 포함한다.
광검출 방법은 (A) 광검출 영역에서 입사 광자들을 수신하는 단계; 및 (B) 전하 캐리어들이 생성되는 시간에 기초하여 복수의 전하 캐리어 중의 전하 캐리어들을 전하 캐리어 기각 영역 내로 선택적으로 지향시키거나 또는 전하 캐리어 저장 영역 내로 직접 지향시키는 단계를 포함한다.
집적 회로는 입사 광자들을 수신하도록 구성되는 광검출 영역- 광검출 영역은 입사 광자들에 응답하여 복수의 전하 캐리어를 생성하도록 구성됨 -; 전하 캐리어 저장 영역; 및 복수의 전하 캐리어 중의 전하 캐리어들을 기각 기간 동안 전하 캐리어 기각 영역 내로 또는 검출 기간 동안 전하 캐리어 저장 영역 내로 선택적으로 지향시키도록 구성된 전하 캐리어 분리 구조체- 전하 캐리어 분리 구조체는 검출 기간을 변화시키도록 제어됨 -를 포함한다.
광검출 방법은 (A) 광검출 영역에서 입사 광자들을 수신하는 단계; (B) 복수의 전하 캐리어 중의 전하 캐리어들을 기각 기간 동안 전하 캐리어 기각 영역 내로 또는 검출 기간 동안 전하 캐리어 저장 영역 내로 선택적으로 지향시키는 단계; 및 (C) 검출 기간을 변화시키는 단계를 포함한다.
집적 회로는 직접 비닝 픽셀(binning pixel)을 추가로 포함할 수 있고, 직접 비닝 픽셀은 광검출 영역, 전하 캐리어 저장 영역 및 전하 캐리어 분리 구조체를 포함한다.
집적 회로는 복수의 직접 비닝 픽셀을 포함할 수 있다.
전하 캐리어 저장 영역은 제1 복수의 측정 기간에 생성된 전하 캐리어들을 집성시키도록 구성될 수 있고, 제1 복수의 측정 기간은 제1 검출 기간을 갖는다.
전하 캐리어 저장 영역은 제2 복수의 측정 기간에 생성된 전하 캐리어들을 집성시키도록 구성될 수 있고, 제2 복수의 측정 기간은 제1 측정 기간들의 것과 상이한 지속기간의 제2 검출 기간을 갖는다.
제1 프레임은 제1 복수의 측정 기간 및 전하 캐리어 저장 영역의 제1 판독을 포함할 수 있고, 제2 프레임은 제2 복수의 측정 기간 및 전하 캐리어 저장 영역의 제2 판독을 포함한다.
전하 캐리어 분리 구조체는 제1 프레임과 제2 프레임 사이에서 교대하도록 제어될 수 있다.
전하 캐리어 분리 구조체는 광검출 영역과 전하 캐리어 저장 영역 사이의 경계에 적어도 하나의 전극을 포함할 수 있다.
전하 캐리어 분리 구조체는 광검출 영역과 제1 전하 캐리어 저장 영역 사이의 경계에 단일 전극을 포함할 수 있다.
일부 경우에, 광검출 영역과 적어도 하나의 전하 캐리어 저장 영역의 전하 캐리어 저장 영역 사이에 어떤 전하 캐리어 포획 영역도 존재하지 않는다.
전하 캐리어들은 광검출 영역과 전하 캐리어 저장 영역 사이의 캐리어들을 포획하지 않고서 전하 캐리어 저장 영역으로 전달될 수 있다.
폐기된 전하 캐리어들은 캐리어들이 광검출 영역으로부터 전하 캐리어 저장 영역을 향해 지향되는 방향과 상이한 방향으로 광검출 영역으로부터 제거될 수 있다.
전하 캐리어 기각 영역은 광검출 영역과 전하 캐리어 기각 영역 사이의 경계에서 전극의 전압을 변경함으로써 기각 기간 동안 광검출 영역에서 생성된 전하 캐리어들을 폐기할 수 있다.
단일 전자들이 전하 캐리어 저장 영역으로 전달되어 적어도 하나의 전하 캐리어 저장 영역에 집성될 수 있다.
전하 캐리어 저장 영역은 광검출 영역에 대한 단일 시간 빈(single time bin)을 구성할 수 있다.
집적 회로는 판독을 위해 단일 시간 빈으로부터의 전하를 저장하기 위한 판독 영역을 추가로 포함할 수 있다.
전술한 요약은 예시로서 제공된 것이지 제한하도록 의도된 것은 아니다.
도면에서, 다양한 도면에 예시되어 있는 각각의 동일하거나 거의 동일한 컴포넌트는 유사한 참조 문자로 표현된다. 명료성을 위해, 모든 도면에서 모든 컴포넌트가 라벨링되지는 않았다. 도면들은 반드시 일정한 비율로 도시되는 것은 아니고, 대신에 본 명세서에서 설명되는 기법들 및 디바이스들의 다양한 양태들을 예시함에 있어서 강조가 있을 수 있다.
도 1은, 상이한 수명을 갖는 2개의 마커에 대해 시간의 함수로서 방출되는 광자의 확률을 도시한다.
도 2는 직접 비닝 픽셀의 예를 도시한다.
도 3은 직접 비닝 픽셀을 동작시키는 방법의 흐름도를 도시한다.
도 4a 내지 도 4c는 도 3의 방법의 다양한 스테이지들에서의 직접 비닝 픽셀을 도시한다.
도 5는 직접 비닝 픽셀의 단면도를 도시한다.
도 6a는 복수의 교대 프레임을 수행하는 것을 포함하는 픽셀(100)을 동작시키는 방법(150)의 흐름도를 도시한다.
도 6b 및 도 6c는 상이한 프레임들에서 상이한 검출 기간들로 픽셀을 동작시키기 위한 타이밍도들을 도시한다.
도 7은 2개의 프레임 사이의 스위칭을 예시하는 타이밍도를 도시한다.
도 8a는 빈(bin)이 판독 노드에 의해 형성되는 직접 비닝 픽셀의 단면도를 도시한다. 도 8b는 도 8a의 직접 비닝 픽셀의 평면도를 도시한다.
도 9는 집적 회로가 그로부터 제조될 수 있는 재료들의 예들을 도시한다.
도 10 내지 도 14는 광검출기 및 4개의 상이한 픽셀 설계 n0-n3을 형성하는 예시적인 프로세스를 도시한다. 도 10은 제1 레벨을 도시하고, 도 11은 제2 레벨을 도시하고, 도 12는 제3 레벨을 도시하고, 도 13은 제4 레벨을 도시하고, 도 14는 제5 레벨을 도시한다.
도 15는 칩 아키텍처의 도면을 도시한다.
도 16은 예시적인 컴퓨팅 디바이스의 블록도이다.
도 1은, 상이한 수명을 갖는 2개의 마커에 대해 시간의 함수로서 방출되는 광자의 확률을 도시한다.
도 2는 직접 비닝 픽셀의 예를 도시한다.
도 3은 직접 비닝 픽셀을 동작시키는 방법의 흐름도를 도시한다.
도 4a 내지 도 4c는 도 3의 방법의 다양한 스테이지들에서의 직접 비닝 픽셀을 도시한다.
도 5는 직접 비닝 픽셀의 단면도를 도시한다.
도 6a는 복수의 교대 프레임을 수행하는 것을 포함하는 픽셀(100)을 동작시키는 방법(150)의 흐름도를 도시한다.
도 6b 및 도 6c는 상이한 프레임들에서 상이한 검출 기간들로 픽셀을 동작시키기 위한 타이밍도들을 도시한다.
도 7은 2개의 프레임 사이의 스위칭을 예시하는 타이밍도를 도시한다.
도 8a는 빈(bin)이 판독 노드에 의해 형성되는 직접 비닝 픽셀의 단면도를 도시한다. 도 8b는 도 8a의 직접 비닝 픽셀의 평면도를 도시한다.
도 9는 집적 회로가 그로부터 제조될 수 있는 재료들의 예들을 도시한다.
도 10 내지 도 14는 광검출기 및 4개의 상이한 픽셀 설계 n0-n3을 형성하는 예시적인 프로세스를 도시한다. 도 10은 제1 레벨을 도시하고, 도 11은 제2 레벨을 도시하고, 도 12는 제3 레벨을 도시하고, 도 13은 제4 레벨을 도시하고, 도 14는 제5 레벨을 도시한다.
도 15는 칩 아키텍처의 도면을 도시한다.
도 16은 예시적인 컴퓨팅 디바이스의 블록도이다.
입사 광자의 도달 타이밍을 정확하게 측정하거나 "시간-비닝(time-bin)"할 수 있는 집적 광검출기가 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 응용을 찾을 수 있다. 이러한 광검출기는, 뉴클레오티드들을 라벨링하는데 이용되는 발광 분자들로부터의 입사 광자들의 도달의 시간-도메인 분석을 용이하게 함으로써, 휘도 수명들에 기초한 뉴클레오티드들의 식별 및 시퀀싱을 가능하게 한다. 집적 광검출기의 다른 응용 예들은, 이하에서 더 논의되는 바와 같이, 형광 수명 촬상 및 TOF(time-of-flight) 촬상을 포함한다.
분자 검출/정량화를 위한 시간 도메인 측정에 대한 논의
생물학적 샘플들의 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 대량으로 수행되어 검출 및 정량을 위해 많은 양의 특정 유형의 샘플이 필요하게 만든다. 일부 생물검정은, 특정한 파장의 광을 방출하는 발광 마커(luminescent marker)로 샘플을 태깅함으로써 수행된다. 샘플은 광원에 의해 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 각자의 뉴클레오티드에 부착된 발광 분자의 휘도 수명을 검출 및/또는 구별함으로써 수행될 수 있다. 각각의 발광 분자는, 대응하는 뉴클레오티드에 직접 부착(예를 들어, 본딩)되거나 뉴클레오티드 및 발광 분자에 본딩된 링커 분자(linker molecule)를 통해 대응하는 뉴클레오티드에 간접적으로 부착될 수 있다.
일부 실시예에서, "픽셀"이라고 지칭되는 다수의 광검출 구조체 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 절감하고 발견 속도를 빠르게 진전시킬 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) 시퀀싱과 같은 동적 실시간 응용에 이용될 수 있다.
휘도 수명을 이용한 분자의 검출/정량화
본 출원의 양태에 따른 집적 광검출기를 갖는 집적 회로는 다양한 검출 및 촬상 응용을 위한 적절한 기능을 갖도록 설계될 수 있다. 이하에서 더 상세히 설명되는 바와 같이, 이러한 집적 광검출기는, "검출 기간" 또는 "시간 빈"이라고도 하는, 검출 시간 기간 내에서 광을 검출하는 능력을 가질 수 있다. 광의 도달 시간에 관한 정보를 수집하기 위해, 전하 캐리어가 입사 광자에 응답하여 생성되고 이들의 도달 시간에 기초하여 시간 빈 내로 지향될 수 있다.
본 출원의 일부 양태에 따른 집적 광검출기는, 형광체(fluorophores)와 같은 발광 분자를 포함하는 발광 소스를 구별하는데 이용될 수 있다. 발광 분자들은, 그들이 방출하는 광의 파장, 그들이 방출하는 광의 시간 특성(예를 들어, 그들의 방출 감쇠 시간 기간), 및 여기 에너지에 대한 그들의 반응에 있어서 다르다. 따라서, 발광 분자는 이들 특성의 검출에 기초하여 다른 발광 분자로부터 식별되거나 구별될 수 있다. 그러한 식별 또는 구별 기법들은 단독으로 또는 임의의 적합한 조합으로 사용될 수 있다.
일부 실시예에서, 본 출원에서 설명되는 집적 광검출기는 형광 수명과 같은 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 시간 특성을 검출함으로써, 형광 분자를 식별하고 및/또는 형광 분자를 서로에 관해 구별하는 것을 허용할 수 있다. 발광 분자는 본 명세서에서 발광 마커 또는 단순히 "마커"로서 또한 지칭된다.
여기 상태에 도달한 후, 마커는 주어진 시간에 특정 확률로 광자를 방출할 수 있다. 여기된 마커로부터 방출되는 광자의 확률은 마커의 여기 후에 시간이 지남에 따라 감소할 수 있다. 시간에 따른 광자 방출 확률의 감소는 지수 감쇠 함수(exponential decay function) 
에 의해 표현될 수 있고, 여기서, p(t)는 시간 t에서의 광자 방출 확률이고, τ는 마커의 시간 파라미터이다. 시간 파라미터 τ는 마커가 광자를 방출할 확률이 특정 값일 때 여기 후의 시간을 나타낸다. 시간 파라미터 τ는 그의 흡수 및 방출 스펙트럼 특성들과는 별개일 수 있는 마커의 특성이다. 이러한 시간 파라미터 τ는 휘도 수명, 형광 수명 또는 간단히 마커의 "수명"으로 지칭된다.
도 1은 상이한 수명을 갖는 2개의 마커에 대해 시간의 함수로서 방출되는 광자의 확률을 도시한다. 확률 곡선 B로 표현된 마커는, 확률 곡선 A로 표현된 마커에 대한 방출 확률보다 더 신속하게 감쇠되는 방출 확률을 가진다. 확률 곡선 B로 표현된 마커는 확률 곡선 A로 표현된 마커보다 더 짧은 시간 파라미터 τ또는 수명을 갖는다. 마커는 일부 실시예에서 0.1 내지 20ns 범위의 형광 수명을 가질 수 있다. 그러나, 본 명세서에 기술된 기법들은 사용된 마커(들)의 수명에 대해 제한되지 않는다.
한 마커의 수명은 하나보다 많은 마커 중에서 구별하는데 이용되거나, 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, 제각기, 0.5, 1, 2, 및 3 나노초의 수명을 갖는 4개의 마커는, 선택된 파장(예를 들어, 635nm)을 갖는 광을 방출하는 광원에 의해 여기될 수 있다. 마커들은 마커들에 의해 방출된 광의 수명을 측정하는 것에 기초하여 식별되거나 서로 구별될 수 있다. 그러나, 수명 자체는 계산될 필요가 없는데, 그 이유는 마커들에 의해 방출되는 광의 다른 시간 특성들이 그들 사이를 구별하기 위해 사용될 수 있기 때문이다.
형광 수명 측정은, 절대 강도 값과는 반대로, 시간 경과에 따라 강도가 어떻게 변하는지를 비교함으로써 상대 강도 측정을 이용할 수 있다. 그 결과, 형광 수명 측정은 절대 강도 측정의 곤란점들 중 일부를 피할 수 있다. 절대 강도 측정은, 존재하는 형광체의 농도에 좌우될 수 있으며, 다양한 형광체 농도에 대해 교정 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 마커들은 특정 표적 또는 컴포넌트에 특정적으로 결합하는 프로브 또는 관능기(functional group)(예를 들어, 분자, 이온, 및/또는 리간드)에 접합(conjugate)될 수 있다. 외인성 태그 또는 리포터를 프로브에 부착하는 것은 외인성 태그 또는 리포터의 존재의 검출을 통하여 표적의 식별을 가능하게 한다. 프로브의 예로서는, 단백질, DNA 분자 또는 RNA 분자와 같은 핵산, 지질 및 항체 프로브가 포함될 수 있다. 외인성 마커와 관능기(functional group)의 조합은, 분자 프로브, 라벨링된 프로브, 혼성화 프로브(hybridization probes), 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 않고서 라벨이 없는 비침습적인 라벨링을 제공할 수 있다. 이러한 내인성 형광체의 예는, 제한이 아닌 예로서, 헤모글로빈, 옥시헤모글로빈, 지질, 콜라겐 및 엘라스틴 가교결합, 환원된 니코틴아미드 아데닌 디뉴클레오티드(NADH), 산화 플라빈(FAD 및 FMN), 리포푸신, 케라틴, 및/또는 프로피린을 포함할 수 있다.
수명 측정에 의해 마커들 사이를 구별하는 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 절감할 수 있다. 그러나, 본 명세서에서 설명된 기술은, 임의 개수의 여기 광 파장 또는 스펙트럼이 이용될 수 있기 때문에, 이런 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 유형의 정량적 분석은 마커로부터의 방출된 발광의 시간 파라미터, 강도 파라미터, 스펙트럼 파라미터, 또는 파라미터들의 조합을 결정함으로써 수행할 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 광발생된 캐리어를 제거하기 위한 드레인(drain)을 포함할 수 있다. 이러한 방식으로 광발생된 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 검출하도록 집적 광검출기의 하나 이상의 시간 빈에서 수집된 전하 캐리어들을 집성시킴으로써 방출된 발광의 시간 프로파일을 측정함으로써 결정될 수 있다. 일부 실시예에서, 마커의 수명은, 마커가 여기 상태로 여기되는 다중의 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 특정 시간 간격 내에서 광자가 마커로부터 방출되는 경우의 수가 결정될 수 있고, 이는 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 명세서에 설명된 기술은 이 점에서 제한되지 않는다. 여기 후 특정 시간 간격 내에서 마커로부터 광자가 방출되는 경우의 수는, 일련의 이산적인 시간 간격들 내에서 발생하는 광자 방출 이벤트의 수를 표현하는 히스토그램(histogram)을 채울 수 있다. 커브 피팅(curve fitting) 알고리즘은, 곡선을 기록된 히스토그램에 맞추어, 그 결과, 주어진 시간에서 마커의 여기 이후에 방출될 광자의 확률을 표현하는 함수를 생성하는데 이용될 수 있다. 
과 같은 지수 감쇠 함수(exponential decay function)가 히스토그램 데이터에 대략 들어맞도록 사용될 수 있다. 이러한 곡선 피팅으로부터, 시간 파라미터 또는 수명이 결정될 수 있다. 결정된 수명은, 존재하는 마커의 유형을 식별하기 위해 마커의 알려진 수명과 비교될 수 있다. 그러나, 앞서 언급한 바와 같이, 마커의 수명은 계산될 필요가 없는데, 그 이유는 직접 측정되거나 다르게는 측정으로부터 도출되는 시간 특성과 같은 다른 시간 특성이 마커들 사이를 구별하기 위해 사용될 수 있기 때문이다.
일부 경우들에서, 광자 방출 이벤트의 확률 및 따라서 마커의 수명 또는 다른 시간 특성은 마커의 주변 및/또는 조건들에 기초하여 변할 수 있다. 예를 들어, 여기 광의 파장보다 작은 직경을 갖는 볼륨 내에 국한된 마커의 수명은 그 마커가 볼륨 내에 있지 않을 때보다 작을 수 있다. 마커가 라벨링에 이용될 때와 유사한 조건 하에서 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 분자상의 특정한 위치와 같은, 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 조합될 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 세포막상의 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 것에 의해 그런 것처럼, 성분들이 분리될 수 있다.
형광 수명을 측정하는 것은, 다른 분석 방법과 조합하여 이용될 수 있다. 예를 들어, 형광 수명은, 하나 이상의 분자에 위치된 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 대신에 형광 수명은 뉴클레오티드들의 서열을 식별하는데 이용될 수 있다. 특정 기술에 대한 방출 스펙트럼 대신에 형광 수명 또는 또 다른 시간 특성을 이용함으로써, 절대 강도 측정으로 인한 아티팩트가 감소되기 때문에 정확도 및 측정 분해능이 증가할 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 방법은, DNA 시퀀싱 또는 RNA 시퀀싱과 같은 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 발생률 뿐만 아니라 핵산 서열을 결정하는데 이용되는 방법에 있어서 크게 달라진다. 다수의 DNA 시퀀싱 방법은, 뉴클레오티드가 표적 핵산에 상보적인 핵산의 새로 합성된 가닥(strand)에 혼입됨에 따라 뉴클레오티드의 정체가 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 길이로 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 바닥과 같은 고체 지지체에 고정되거나 부착된 시퀀싱 반응(예를 들어, DNA 중합효소)의 적어도 하나의 성분을 포함하는 샘플 웰에 추가되는 단일 가닥 DNA 템플릿이다. 샘플 웰은 또한, 형광체와 같은 검출 라벨에 공액접합된 아데닌, 시토신, 구아닌, 및 티민 dNTP를 포함한, "dNTPs"이라고도 하는, 디옥시리보뉴클레오시드 3인산염(deoxyribonucleoside triphosphate)을 함유한다. 바람직하게는, dNTPs의 각각의 부류(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. 폴리머라제의 예는 E. 콜라이 DNA 중합효소 I, T7 DNA 중합효소, 박테리오파지 T4 DNA 중합효소 
29(psi29) DNA 중합효소, 및 그의 변이체를 포함한다. 일부 실시예들에서, 중합효소는 단일 서브유닛 중합효소이다. 표적 핵산의 핵 염기와 상보형 dNTP 사이의 염기쌍을 형성할 때, 중합효소는, 새로 합성된 가닥의 3'히드록실 말단과 dNTP의 알파 인산염 사이에 포스포디에스테르 본딩(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 제한되지는 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 촬상과 같은, 영역, 대상 또는 샘플의 발광 수명 촬상을 수행할 수 있다.
광발생된 전하 캐리어를 시간 비닝(Time Binning)하기 위한 집적 광검출기
일부 실시예는 입사 광자에 응답하여 전하 캐리어를 생성하고 전하 캐리어가 생성되는 타이밍을 구별할 수 있는 광검출기를 갖는 집적 회로에 관한 것이다. 일부 실시예에서, 집적 회로는 광검출 영역에서 생성된 전하 캐리어를 시간 비닝하기 위한 단일 빈("빈", "전하 저장 빈" 또는 "전하 캐리어 저장 영역"이라고도 함)을 가질 수 있다. 검출 기간 동안 생성된 전하 캐리어는 빈에 전달된다. 검출 기간 밖에서 생성된 전하 캐리어는 빈에 전달되지 않는다. 위에서 언급된 바와 같이, 측정들은 다수 회 반복될 수 있고, 빈은 복수의 측정에 걸쳐 검출 기간 내에 수신된 전하 캐리어를 집성시킬 수 있다. 그 후 저장된 전하량이 판독된다. 판독에 후속하여, 검출 기간의 타이밍이 변경될 수 있고, 빈을 재설정한 후에, 또 다른 측정 세트가 상이한 검출 기간 타이밍으로 수행될 수 있다. 전하 캐리어는 그 후 또 다른 복수의 측정에 걸쳐 집성되고, 저장된 전하는 다시 판독된다. 상이한 검출 기간들에서 수집된 전하량은 광검출기에 의해 수신된 광의 타이밍 및/또는 강도에 관한 정보를 제공할 수 있다. 기준 시간에 대한 광자들의 도달 시간에 관한 타이밍 정보는 그 검출 기간 타이밍을 변경함으로써 단일 빈으로부터 획득될 수 있다. 이러한 집적 회로는, 본 명세서에 설명된 것들과 같은, 다양한 응용들 중 임의의 것에서 이용될 수 있다. 단일 빈을 갖는 직접 비닝 픽셀을 갖는 집적 회로의 예들이 설명된다. 일부 실시예에서, 집적 회로는 그러한 픽셀들의 어레이를 포함할 수 있다.
직접 비닝 픽셀
도 2는 광자 흡수/캐리어 생성 영역(102)에서 생성된 전하 캐리어들("광검출 영역"이라고도 함)이 전하 캐리어 저장 영역(108)에서의 전하 저장 빈에 그들 사이에 중간 전하 캐리어 포획 영역 없이 직접 전달될 수 있는 픽셀(100)의 예를 도시한다. 이러한 픽셀은 "직접 비닝 픽셀"이라고 한다. 빈은 단일 빈일 수 있고, 어떠한 다른 빈들도 광자 흡수/캐리어 생성 영역(102)으로부터 직접 전하 캐리어를 수신하도록 구성되지 않는다. 도 2는 전하 캐리어 저장 영역(108)에 단일 빈을 갖는 픽셀(100)의 예를 도시한다. 멀티-빈 픽셀에 비해 단일 빈 픽셀의 장점들은 여기 광의 개선된 기각, 복잡성의 감소에 의한 설계의 단순화, 및 더 적은 전극들을 구동할 필요성으로 인한 더 낮은 전력 소비를 포함할 수 있다. 빈은 기준 시간 또는 트리거 이벤트에 후속하는 검출 기간에 수신된 전하 캐리어들을 집성시킬 수 있다. 또한, 이하에서 더 논의되는 바와 같이, 판독 목적을 위해 빈에 저장된 전하를 수신하기 위해 하나 이상의 추가적인 저장 영역이 존재할 수 있다. 예를 들어, 판독을 위해 빈에 저장된 전하를 또 다른 전하 저장 영역에 전달하는 것은 전하 캐리어들을 수신하기 위한 빈과 전하가 판독되는 동안 전하를 유지하기 위한 또 다른 전하 저장 영역의 동시 사용을 허용할 수 있다.
픽셀(100)은 예를 들어, 실리콘과 같은 임의의 적절한 반도체로 형성될 수 있는 반도체 영역을 포함할 수 있다. 도 2는 반도체 영역이 그 아래에 있고 전극들(206, 203 및 213)이 반도체 영역의 상단 위에 형성된 평면도를 도시한다. 전극들(206 및 203)을 포함하는 전하 캐리어 분리 구조체는 상이한 시간들에서 광발생된 전하 캐리어들을 빈에 또는 기각 영역(105)에 선택적으로 지향시킨다. 일부 실시예에서, 광자 흡수/캐리어 생성 영역(102)은 반도체 영역에 형성된 피닝된 포토다이오드(pinned photodiode)와 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. 그러한 실시예들에서, 단일 광전자가 생성되어 포토다이오드에 국한될 수 있다. CMOS 프로세스에 의해 형성되는 경우, 포토다이오드는 CMOS 프로세스에 의해 생성된 디바이스들 내에서 이용가능한 전위들에 의해 완전히 공핍될 수 있다. 일부 실시예에서, 전극(203)은 다이오드들의 주변부를 적어도 부분적으로 둘러싸는 다이오드에 결합될 수 있다. 전극(203)은 국한된 캐리어들의 빠른 전하 전달을 허용할 수 있다. 빈으로의 전하 캐리어들의 전달을 논의하기 전에, 원하지 않는 캐리어들을 기각 영역(105)으로 전달하는 것에 의한 원하지 않는 캐리어들의 기각이 설명될 것이다.
도 2를 다시 참조하면, 직접 비닝 픽셀(100)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)에 다수의 원하지 않는 전하 캐리어를 생성할 수 있기 때문에, 기각 기간 동안 이러한 전하 캐리어들을 기각 영역(105)으로 드레인하기 위해 픽셀(100)에 전위 구배가 확립될 수 있다. 예로서, 기각 영역(105)은 전자들이 공급 전압으로 드레인되는 고전위 확산 영역을 포함할 수 있다. 기각 영역(105)은 영역(102)을 기각 영역(105)에 직접 전하 결합하는 전극(206)을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 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) 내로 캐리어들을 끌어당기고(draw) 공급 전압으로 나가는 레벨에 설정될 수 있다. 예를 들어, 전극(206)의 전압은 전자들을 끌어당기기 위해 양의 전압에 설정될 수 있고, 따라서 이들은 광자 흡수/캐리어 생성 영역(102)으로부터 기각 영역(105)으로 끌어당겨진다. 기각 기간 동안, 전극(203)은 원하지 않는 전하 캐리어들이 빈에 도달하는 것을 방지하기 위해 전위 장벽(202)을 형성하는 전위에 설정될 수 있다. 기각 영역(105)은 "측방향 기각 영역"으로 간주될 수 있는데, 그 이유는 그것이 캐리어들을 영역(102)으로부터 드레인으로 측방향으로 전달하는 것을 허용하기 때문이다. 일부 실시예들에서, 기각은 광검출 영역(102)으로부터 빈으로의 전하 캐리어들의 전달 방향(도 2에서 아래쪽)에 관하여 광검출 영역(102)으로부터 반대 방향(도 2에서 위쪽)에 있다. 그러나, 기각 영역(105) 및 수집 영역(108)의 상대 위치들은 포토다이오드(102)의 대향 측면들에 제한되지 않는다.
기각 기간에 후속하여, 광자 흡수/캐리어 생성 영역(102)에서 생성된 광발생된 전하 캐리어는 빈에 전달될 수 있다. 검출 기간 동안, 전극(203)에 의해 형성된 전위 장벽(202)은 낮아질 수 있고, 전극(206)에 의해 형성된 전위 장벽은 상승될 수 있고, 광자 흡수/캐리어 생성 영역(102)과 전하 캐리어 저장 영역(108) 사이의 반도체 영역 내의 전위는 광발생된 전하 캐리어(들)가 빈에 지향되게 하는 전위 구배를 확립할 수 있다. 검출 기간의 끝에서, 전위 장벽(202)은 추가의 전하 캐리어들이 빈에 전달되는 것을 방지하도록 상승된다. 따라서, 빈은 검출 기간 동안 빈에 수신된 전하 캐리어들을 저장한다. 저장된 전하는 이후 아래에 더 논의되는 바와 같이 판독될 수 있다.
일부 실시예에서, 영역(102)과 빈 사이의 경계에 단일 전극(203)만이 배치되어 빈으로의 전하 캐리어의 전달을 허용하거나 방지하는 전위 장벽(202)을 제어할 수 있다. 그러나, 일부 실시예에서, 전위 장벽(202)은 하나보다 많은 전극에 의해 생성될 수 있다. 전극(들)(203)은 전하 캐리어가 빈에 진입하는 것을 허용하거나 방지하도록 전위 장벽(202)을 제어할 수 있다. 전위 장벽(202)은 영역(102)과 빈 사이의 단일 전위 장벽일 수 있다.
도 3은 복수의 교대하는 캐리어 기각 단계(52) 및 검출 단계(60), 이어서 판독 단계(58)를 수행하는 것을 포함하는 픽셀(100)을 동작시키는 방법(50)의 흐름도를 도시한다.
기각 단계(52) 동안의 픽셀(100)의 동작은 도 4a에 도시된다. 기각 단계(52)는 기각 기간 동안 발생한다. 기각 단계(52)에서, 픽셀(100)은 영역(102)에서 생성된 전하 캐리어들을 기각 영역(105)에 전달함으로써 이들을 기각하도록 동작된다. 예를 들어, 기각 단계(52)는 영역(102)에서 생성된 전하 캐리어들을 기각 영역(105)으로 몰고가는 전위 구배를 생성하도록 전극(206)을 제어하는 것을 포함할 수 있다. 캐리어들은 그것들을 도 4a의 상향 방향으로 지향시킴으로써 기각된다. 빈에 대한 전위 장벽(202)은 원치 않는 전하가 빈에 진입하는 것을 방지하기 위해 상승된다.
기각 단계(52)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. 휘도 수명 검출의 맥락에서, 트리거 이벤트는 형광체와 같은 발광 분자를 여기시키는 여기 광 펄스의 생성 또는 수신일 수 있다. TOF 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 발생은 상당한 수의 광자를 생성할 수 있으며, 그 중 일부는 픽셀(100)에 도달할 수 있고 광자 흡수/캐리어 생성 영역(102)에서 전하 캐리어를 생성할 수 있다. 여기 광 펄스로부터의 광발생된 캐리어들이 측정되기를 원하지 않기 때문에, 이들은 기각 단계(52)에서 이들을 드레인으로 지향함으로써 기각될 수 있다. 이것은 그렇지 않았더라면 추가적인 설계 복잡도 및/또는 비용을 추가할 수 있는 셔터 또는 필터와 같은 복잡한 광학 컴포넌트들에 의해 도착하지 못하도록 방지될 필요가 있을 수 있는 원치 않는 신호의 양을 감소시킬 수 있다.
도 3의 논의로 되돌아가서, 검출 단계(60)는 기각 단계(52)를 뒤따른다. 도 4b에 예시된 바와 같이, 검출 단계(60)는 광발생된 전하 캐리어들이 폐기되는 것을 방지하기 위해 (예를 들어, 전극(206)의 전압을 수정함으로써) 기각 영역(105)에 대한 전위 장벽을 상승시키는 것을 포함할 수 있다. 기각 영역(105)에 대한 전위 장벽의 상승은 검출 기간(detection period)이라고 하는 지속기간을 갖는 검출 단계(60)의 시작이다. 기각 영역(105)에 대한 전위 장벽의 상승과 동시에 또는 그에 후속하여, 검출 단계(60)는 전하 캐리어들이 영역(102)으로부터 빈으로 통과하는 것이 허용되는 시간 기간 동안 (예를 들어, 전극(203)의 전압을 변경함으로써) 영역(102)과 빈 사이의 전위 장벽(202)의 저하를 포함한다. 전위 장벽(202)이 기각 영역(105)에 대한 전위 장벽의 상승에 후속하여 낮아지면, 광검출 영역(102)에서 광발생된 임의의 전하 캐리어들은 전위 장벽(202)이 낮아질 때까지 광검출 영역(102)에 남고, 이후 이러한 전하 캐리어들은 빈 내로 통과한다. 따라서, 검출 기간은 전위 장벽(202)이 낮아지는 기간 뿐만 아니라 전위 장벽(202)이 낮아지기 전에 기각 영역(105)에 대한 전위 장벽의 상승에 후속하는 임의의 기간 둘 다를 포함한다. 광자는 검출 단계(60) 동안 광검출 영역(102)에 도달하거나 도달하지 않을 수 있다. 광자가 광검출 영역(102)에 도달하고 광발생된 전하 캐리어가 검출 기간 동안 생성되면(단계 54), 도 4b에 예시된 바와 같이, 전위 구배는 전하 캐리어가 빈 내로 지향되도록 야기한다(단계 56). 그러한 전위 구배는 단계화된 도핑 농도 및/또는 선택된 전위들에서의 하나 이상의 전극을 사용하는 것과 같은 임의의 적절한 방식으로 확립될 수 있다. 그 다음, 전위 장벽(202)은 검출 기간의 끝에서 상승되어 추가 전하 캐리어들이 빈에 전달되는 것을 방지하고, 이는 검출 기간의 끝을 마킹한다. 빈에 대한 전위 장벽(202)이 상승되는 동안 광발생된 전하 캐리어가 영역(102)에 생성되는 경우, 기각 단계(52)가 다시 발생하고 전하 캐리어가 폐기될 때까지 전하 캐리어가 영역(102)에 국한될 수 있다. 따라서, 빈은 검출 기간 동안 영역(102)에서 생성된 광발생된 전하 캐리어들을 수집한다.
앞서 논의된 바와 같이, 일부 응용에서, 트리거 이벤트에 응답하여 광자를 수신하고 캐리어를 생성할 확률은 낮을 수 있다(예를 들어, 약 10,000 중의 1). 따라서, 검출 단계(60)에서 광자가 드물게 수신될 수 있다. 그러나, 일부 실시예에서, 수신된 광자의 양 및/또는 광자를 수신할 확률은 더 높을 수 있는데, 이는 본 명세서에 설명된 기술이 적은 양의 수신된 광자에 제한되지 않기 때문이다.
단계(56)에 후속하여, 기각 단계(52) 및 검출 단계(60)은 트리거 이벤트 후에 광자들이 도달하는 경향이 있는 시간 기간들에 관한 정보(예를 들어, 통계 정보)를 획득하기 위해 n-1회 반복될 수 있다. 시간 비닝된 전하 캐리어들은 검출 단계(60)이 반복됨에 따라 빈에서 집성될 수 있다. 검출 단계(60)을 반복하는 것은 빈에 충분한 수의 전하 캐리어를 집성시켜서 통계적으로 의미있는 결과를 제공하는 것을 가능하게 할 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, 빈에 충분한 수의 전하 캐리어들을 집성시켜서 결과들이 통계적으로 의미있고 및/또는 충분한 신호 대 잡음비를 갖도록 하기 위해 많은 수의 측정들(검출 단계 60)이 수행될 필요가 있을 수 있다. 일부 실시예에서, 형광 수명 측정을 위해 수행될 수 있는 형광체의 측정 횟수(n)는, 각각의 빈에서 충분한 수의 전하 캐리어를 포획 및 비닝할 수 있게 하기 위해, 50, 000 이상, 100, 000 이상, 200, 000 이상, 300, 000 이상, 400, 000 이상, 500, 000 이상, 1백만 이상, 2백만 이상, 5백만 이상일 수 있다(즉, 일부 실시예에서는, 수십 또는 수백 이상). 측정들은 MHz 범위, 예컨대 50 MHz 내지 100 MHz, 25MHz 내지 200 MHz, 10 MHz 내지 500 MHz, 또는 1 MHz 내지 500 MHz의 주파수에서 - 모든 범위는 종점들을 포함함 -, 또는 또 다른 주파수에서 반복될 수 있다. 일부 실시예에서, 측정이 n-1회 반복된 후에, 약 100개의 캐리어(예를 들어, 전자들)가 빈에 축적될 수 있다. 그러나, 이것은 수신된 광자들의 수에 의존한다. 일부 실시예에서, 빈에 축적된 캐리어들의 수는 10 내지 10,000, 예컨대 50 내지 1,000, 또는 임의의 다른 적절한 수일 수 있다. 방법(50)은, 광자가 포획되기를 바라는 임의의 적절한 시간 기간에 걸쳐 수행될 수 있다. 방법(50)이 수행되는 기간은 "프레임"이라고 한다. 형광 수명 측정의 맥락에서, 프레임의 적절한 길이는, 예를 들어, 10 밀리초일 수 있다. 일부 실시예에서, 검출 단계(60)는 MHz 범위인 주파수에서 반복될 수 있다. 일부 실시예에서, 빈은 피코초 또는 나노초 스케일의 분해능을 가질 수 있다.
일단 할당된 횟수 n의 측정(단계 60)이 수행되었다면, 방법은 빈을 판독하는 단계(58)로 진행한다. 단계(58)에서, 전하는 빈으로부터 또 다른 전하 캐리어 저장 영역인 판독 노드(111)로 전달될 수 있다. 판독 노드(111)는 플로팅 확산부(floating diffusion)를 포함할 수 있다. 대안으로서, 빈 자체가 전하 저장 및 판독 둘 모두에 이용되는 플로팅 확산부일 수 있다. 이 경우, (212/213)은 없고 (111)이 빈이다. 빈으로부터 판독 노드(111)로의 전하의 전달이 도 4c에 예시된다. 각각의 빈으로부터 전하를 전달하기 위해, 전극(213)의 전압은 빈과 판독 노드(111) 사이의 전위 장벽(212)을 낮추도록 변경될 수 있다. 전하가 빈(0)으로부터 판독 노드(111)로 흐르게 야기하는 전위 구배가 확립될 수 있다. 판독 노드(111)에 전달되는 전하는 그 후 전압으로 변환되어 판독 회로(110)를 이용하여 판독될 수 있으며, 그 예가 도 5에 도시되어 있다.
가변 픽셀 타이밍
일부 실시예들서, 기각 기간(기각 단계 52), 검출 기간(검출 단계 60) 또는 둘 다의 타이밍과 같은 픽셀 타이밍은 상이한 프레임들(즉, 방법(50)의 각각의 인스턴스들)에 대해 변경된다. 픽셀 타이밍을 변경하는 것은 상이한 시간 기간들에서 픽셀에 의해 수신되는 광의 특성들을 획득하는 것을 가능하게 할 수 있다. 픽셀 타이밍을 변경하는 것은 또한 단일 시간 빈이 트리거 이벤트에 대해 상이한 시간 기간들에 수신된 광자들에 관한 정보를 캡처하게 할 수 있다. 일부 실시예에서, 제1 프레임(방법(50)의 제1 인스턴스)은 제1 픽셀로 수행될 수 있고, 이후 제2 프레임(방법(50)의 제2 인스턴스)은 상이한 픽셀 타이밍으로 수행될 수 있다. 일부 실시예에서, 타이밍은 도 6a에 예시된 바와 같이 2개 이상의 상이한 픽셀 타이밍 간에서 앞뒤로 변경된다.
도 6a는 상이한 타이밍들로 상이한 프레임들 간에 스위칭하는 것을 포함하는 픽셀(100)을 동작시키는 방법(150)의 흐름도를 도시한다. 단계(152)는 제1 픽셀 타이밍 또는 제1 프레임으로 방법(50)을 수행하는 단계를 포함한다. 그 다음, 픽셀 타이밍이 변경된다. 단계(156)는 제2 픽셀 타이밍 또는 제2 프레임 동안 방법(50)을 수행하는 단계를 포함한다. 단계들(152 및 156)은 적합한 시간 기간에 걸쳐 (예를 들어, 반응 동안 분자의 발광 기간에 걸쳐) 정보를 캡처하기 위해 복수 회 반복될 수 있다. 도 6a는 프레임들을 교대시키기 전에 각각의 프레임을 한번 수행하는 것을 도시하지만, 일부 실시예들에서는 또 다른 프레임으로 스위칭하기 전에 프레임이 복수 회 수행될 수 있다. 예를 들어, 단계(152)에서 제1 프레임이 복수 회 수행될 수 있고(예를 들어, 방법(50)이 제1 타이밍으로 복수 회 수행될 수 있고), 그 후 검출 기간이 변경될 수 있고, 제2 프레임이 복수 회 수행될 수 있다(예를 들어, 방법(50)이 제2 타이밍으로 복수 회 수행될 수 있다). 추가적으로, 도 6a는 2개의 상이한 프레임을 수행하는 것을 도시하지만, 일부 실시예들에서는 2개보다 많은 프레임이 시퀀스로 수행될 수 있다. 예를 들어, 3개의 프레임이 수행되는 경우, 프레임 2가 단계(156)에서 수행된 후에, 픽셀 타이밍은 다시 변경되고, 제1 프레임으로 복귀하기 전에 제3 프레임에 대해 수행될 수 있다.
도 6b는 방법(50)이 제1 타이밍으로 수행되는 제1 프레임에 대한 기각 기간(기각 단계 52) 및 검출 기간(검출 단계 60)의 타이밍의 예를 예시한다. 도 6a의 상단 도면은 여기 레이저 펄스들일 수 있는 트리거 이벤트들의 타이밍을 도시한다. 레이저 펄스들은 주기 TL로 주기적일 수 있다. 상단으로부터의 제2 및 제3 플롯들은 제1 프레임 동안의 단계들(52 및 60)의 타이밍을 제각기 예시한다.
이 예에서, 기각 단계(52)는 기각 전극(206)의 전압 VRej를 하이 레벨로 설정하는 것을 포함한다. 기각 단계(52)는 레이저 펄스 동안 발생하는 것으로 도시된다. 기각 기간 TR이라고 명명되는 기각 단계의 기간은 VRej가 하이인 시간이다. 기각 기간은 레이저 펄스 전에 시작하고 레이저 펄스 후에 종료하여 레이저 여기 광에 의해 생성되는 원하지 않는 캐리어들이 폐기되는 것을 보장하는 것을 도울 수 있다.
이 예에서, 검출 단계(60)은 전극(203)의 전압 VBin을 하이 레벨에 설정하는 것으로 시작하는데, 이 하이 레벨은 광발생된 전하가 빈에 진입하는 것을 허용한다. 레이저 펄스(예를 들어, 레이저 펄스의 중심 시간)와 검출 단계(60)의 시작 사이의 지연은 지연 시간 d로서 도시된다. 전극(206)의 전압 VRej는 전극(203)의 전압 VBin이 하이 레벨에 설정되는 것과 동시에 로우 레벨에 설정될 수 있다. 제1 프레임에서, 검출 단계(60)은 검출 기간 TD1 동안 지속된다. 이 기간 동안 광검출 영역(102)에서 생성된 전하 캐리어들은 빈에 전달된다. 하나의 특정한 비제한적인 예로서, TD1은 2 나노초일 수 있다. 검출 기간의 끝에서, 전극(203)의 전압 VBin은 로우 레벨로 설정되어 추가적인 전하 캐리어가 빈에 진입하는 것을 방지한다. 검출 기간 후에 생성된 전하 캐리어들은 빈에 전달되지 않고, 다음 기각 단계(52) 동안 폐기될 수 있다.
단계들(52 및 60)을 (n-1)회 반복한 후, 빈은 n개의 여기 레이저 펄스에 후속하는 검출 기간 TD1 내에 수신된 전하 캐리어들을 축적한다. 저장된 캐리어들은 그 후 판독되거나 저장 노드로 송신될 수 있다. 제1 프레임에 대해 도시된 타이밍이 여기 레이저 펄스에 시간상 비교적 가까운 검출 기간을 갖기 때문에, 제1 프레임에 저장된 전하 캐리어들은, 이 예에서, 여기 레이저 펄스 후에 비교적 곧바로 생성되는 경향이 있는 광자들을 나타낸다.
제1 프레임에 뒤이어, 타이밍이 변경되고, 방법(50)은 상이한 타이밍을 갖는 제2 프레임에 대해 수행된다. 이 예에서, 제1 프레임과 제2 프레임 간의 차이는 검출 기간 TD2가 검출 기간 TD1보다 길다는 것이다. 따라서, 제2 프레임은 나중에 주기 TL에서 광발생된 전하 캐리어들을 캡처할 수 있다. 하나의 특정한 비제한적인 예로서, TD2는 7 나노초일 수 있다.
단계들 (52 및 60)을 (n-1)회 반복한 후, 빈은 여기 레이저 펄스에 후속하는 검출 기간 TD2 내에 전하 캐리어들을 저장한다. 저장된 캐리어들은 그 후 판독될 수 있다. 제2 프레임에 대해 도시된 타이밍이 제1 프레임에서보다 긴 지속기간을 갖기 때문에, 제2 프레임에 저장된 전하 캐리어들은, 이 예에서, 여기 레이저 펄스 후에 비교적 곧바로 생성되는 경향이 있는 광자들 및 나중에 생성되는 경향이 있는 광자들 둘 다를 나타낸다.
도 6b는 기각 기간 타이밍(예를 들어, 시작 시간 및 지속 기간)이 제1 및 제2 프레임들 둘 다에 대해 동일한 반면, 제1 및 제2 프레임들에 대한 검출 기간 타이밍은 검출 기간의 시작 시간을 동일하게 유지하면서 전하 캐리어들이 빈에 진입하는 것을 허용하도록 VBin이 설정되는 시간량을 변경함으로써 변경되는 예를 예시한다. 그러나, 제1 프레임에서의 기각 기간 TR의 타이밍은 제2 프레임에서의 기각 기간 TR의 타이밍과 동일할 필요는 없는데, 그 이유는 그것들이 상이한 지속기간들, 시작 시간들 및/또는 종료 시간들을 가질 수 있기 때문이다. 일부 실시예들에서, 상이한 타이밍 특성들이 프레임들 간에서 변경될 수 있다. 기각 기간 시작 시간 및/또는 종료 시간, 기각 기간 지속기간, 검출 기간 시작 시간 및/또는 종료 시간 및 검출 기간 지속기간의 임의의 조합이 상이한 프레임들에서 변경될 수 있다.
도 6c는 제1 및 제2 프레임들에 대한 타이밍의 또 다른 예를 도시한다. 이 예에서(그리고 도 6b의 예와 대조적으로), 기각 기간의 시작 시간 및 종료 시간이 2개의 프레임 간에서 변경된다. 제1 프레임에서, VRej는 기각 기간 TR 동안 하이에 설정된다. 제2 프레임에서, VRej는 레이저 펄스에 비해 더 일찍 시작하는 기각 기간 TR 동안 하이에 설정된다. 이 예에서, 제1 프레임에서의 기각 기간 TR의 지속기간은 제2 프레임에서의 기각 기간 TR과 동일하다. 그러나, 제1 프레임에서의 기각 기간 TR의 지속기간은, 이들이 상이한 지속기간들을 가질 수 있기 때문에, 제2 프레임에서의 기각 기간 TR과 동일할 필요는 없다. 예를 들어, 제1 프레임에서의 기각 기간 TR은 도 6c에 도시된 것보다 더 일찍 시작할 수 있으며, 이 경우 제1 프레임에서의 기각 기간 TR은 제2 프레임에서의 기각 기간 TR보다 길다. VRej가 로우에 설정된 후에, 광발생된 전하들은 광검출 영역에 남을 수 있으며, 이는 제1 프레임에서보다 제2 프레임에서 더 일찍 발생한다. 양쪽 프레임들에서 VBin의 타이밍이 동일하지만, 기각 기간이 더 일찍 종료되기 때문에 검출 기간 TD2는 제1 프레임에서보다 제2 프레임에서 사실상 더 일찍 시작하고, VBin이 하이로 될 때까지 광발생된 전하들이 기각 영역에 남아 있을 수 있다. 도 6c에 도시된 타이밍은 도 6b에 도시된 타이밍에 비해 감소된 잡음이라는 이점을 가질 수 있는데, 그 이유는 제1 프레임에서의 검출 기간 TD1은 도 6b의 예에서보다 나중에 시작하고, 이는 여기 펄스에 의해 생성된 원하지 않는 광발생된 전하 캐리어들이 빈에 전달될 가능성을 감소시키기 때문이다.
타이밍이 제1 프레임으로부터 제2 프레임까지 상이할 수 있는 다수의 상이한 방식이 있다. 예를 들어, 레이저 펄스(예를 들어, 레이저 펄스의 중심 시간)와 검출 단계(60)의 시작 사이의 지연인 지연 시간 d는 도 6b의 예에서와 같이 양쪽 프레임들에서 동일할 필요는 없으며, 제1 프레임의 지연 시간(d1)보다 짧은 지연 시간(d2)을 갖는 제2 프레임을 도시하는 도 6c의 예에서와 같이 상이할 수 있다. 또한, TD2는, 도 6c에 예시된 바와 같이, 이것이 기각 기간들 사이의 지속기간의 일부만을 연장할 수 있으므로, 기각 기간들 사이의 전체 지속기간을 연장할 필요가 없다. 또한, 프레임들의 순서는 역전될 수 있고, 제2 프레임은 제1 프레임 전에 발생한다. 프레임 당 레이저 펄스들의 수는 제1 프레임 및 제2 프레임에 대해 동일할 수 있거나, 또는 상이한 유형들의 프레임들에서 상이할 수 있다. 본 명세서에서 구체적으로 설명된 것들 이외에 제1 및 제2 프레임들 사이에는 차이가 있을 수 있다.
타이밍을 변경하는 것을 설명하였으므로, 타이밍을 변경하는 것에 의해 수집된 정보가 설명될 것이다. 제1 프레임 동안 빈에 저장된 전하량은 C1이라고 하고 제2 프레임 동안 빈에 저장된 전하량은 C2라고 한다. C1 및 C2는 수신된 광의 강도 특성 및 시간 특성 모두를 나타낸다. 강도 특성 및 시간 특성을 획득하기 위해 C1 및 C2를 처리하는 다수의 방식이 존재한다. 예로서, C2가 강도 특성을 나타낼 수 있거나, 또는 C1과 C2의 합이 강도 특성을 나타낼 수 있다. 또한 예로서, C1과 C2의 비는 시간 특성을 나타낼 수 있다. 이들 예들은 단지, C1 및 C2가 타이밍 및 강도 특성을 나타내는 방식을 예시하기 위한 것이다. 이러한 특성들이 설명된 방식들로 또는 더 복잡한 계산들을 사용하여 계산될 수 있지만, 타이밍 또는 강도 특성들을 계산할 필요는 없다. 일부 실시예들에서, 신경망과 같은 머신 러닝 알고리즘은 고유 타이밍 및 세기 정보를 포함하는 미가공 정보 C1 및 C2에 기초하여 발광 분자들을 구별하도록 훈련될 수 있다. 훈련 후, 알고리즘은 미가공 정보 C1 및 C2에 기초하여 발광 분자들을 식별 및/또는 구별하기 위해 사용될 수 있다. 이 정보는 예를 들어, 핵산을 시퀀싱하기 위해 사용될 수 있다.
도 7은 방법(50)이 프레임 1과 프레임 2 사이에서 교대하며 여러 번 수행될 수 있음을 예시한다. 도 7은 뉴클레오티드 혼입 이벤트 동안 발생할 수 있는 형광 펄스의 타이밍을 도시한다. 2개의 프레임에 대해 도시된 레벨들은 제각기 C1 및 C2의 값들이다. C1 및 C2에 대한 평균값들은, 임의의 적절한 계산(예를 들어, 평균, 중앙값 등)을 이용하여, 다수의 프레임에 걸쳐 계산될 수 있다. 평균 값들은 형광 펄스의 강도 및/또는 시간 특성을 얻기 위해 사용될 수 있고, 및/또는 미가공 평균 값들은 발광 분자들을 식별 및/또는 구별하는데 직접 사용될 수 있다. 도 6 및 도 7은 2개의 상이한 타이밍(프레임 1 및 프레임 2)이 사용되는 예를 도시하지만, 2개 이상 또는 3개 이상과 같은 임의의 수의 상이한 타이밍이 사용될 수 있다. 예를 들어, 2개의 프레임, 3개의 프레임 또는 그 이상이 사용될 수 있다.
일부 실시예에서, 집적 디바이스는 빈의 타이밍을 변화시키는 것을 가능하게 하도록 프로그래밍될 수 있다. 전극들은 적절한 타이밍을 설정하고 프레임들 간의 타이밍을 조절하는 제어 회로에 의해 제어될 수 있다. 일부 실시예에서, 시간 빈에 대한 타이밍은, 측정(60)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 검출한 것에 응답하여 설정될 수 있다. 예를 들어, 여기 광 펄스가 픽셀(100)에 도달할 때, 광자 흡수/캐리어 생성 영역(102)으로부터 드레인으로 캐리어들의 서지(surge)가 이동할 수 있다. 여기 펄스에 응답한 드레인에서의 광발생된 캐리어의 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 나타낼 수 있고, 시간 빈의 타이밍은 이 타이밍에 기초하여 설정될 수 있다. 그러나, 임의의 적절한 기술이 측정의 시작을 검출하는데 이용될 수 있기 때문에, 여기서 설명된 기술은 이런 면에서 제한되지 않는다.
픽셀(100)의 동작 타이밍을 설명하였으므로, 지금부터의 논의는 픽셀(100)의 구조 및 판독으로 돌아간다. 도 5는 도 2의 라인 A-A'를 따른 픽셀(100)의 일례의 단면도를 도시한다. 예시된 바와 같이, 전극들(206, 203 및 213)은 반도체 기판(101) 상에 또는 그 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 임의 유형의 광원일 수 있다. 광원(120)은 원하지 않는 여기 레이저 광을 포함할 수 있다. 차광부(121)는, 예를 들어, 전하들이 표류 여기 광(stray excitation light) 또는 다른 표류 광(stray light)에 의해 빈 또는 판독 노드에서 직접 발생하는 것을 방지하도록 광이 기판의 또 다른 부분에 도달하는 것을 방지할 수 있다. 차광부(121)는, 제한이 아닌 예로서, 집적 회로의 금속 층과 같은 임의의 적절한 재료로 형성될 수 있다. 도 5는 기각 동안의 (좌측으로의) 전하 전달 및 빈(우측)으로의 전달의 반대 방향들을 도시한다.
도 5에 예시된 바와 같이, 픽셀(100)은 빈에 저장된 전하를 판독하는 것을 허용하는 판독 회로(110)를 포함할 수 있다. 픽셀(100)은, 판독 회로(110)가 판독 증폭기를 포함하는 능동 픽셀이거나, 또는 판독 회로(110)가 판독 증폭기를 포함하지 않는 수동 픽셀일 수 있다. 임의의 적절한 유형의 능동 픽셀 또는 수동 픽셀 판독 회로가 이용될 수 있다. 판독 회로(110)가 판독 증폭기를 포함하는 경우, 판독 증폭기는 전하 저장 빈(예를 들어, 빈 0, 빈 1)에 축적된 전하를 입력으로서 취하여 전하 저장 빈에서의 전하를 나타내는 전압을 출력으로서 생성할 수 있다.
판독 회로(110)가 판독 증폭기를 포함한다면, 임의의 적절한 유형의 증폭기가 이용될 수 있다. 적절한 증폭기의 예로서는 공통 소스 구성에 기초한 증폭기와 소스-팔로워 구성에 기초한 증폭기가 포함된다. 소스-팔로워 구성에 기초한 판독 회로(110)의 일례가 도 5에 예시되어 있다. 도 5에 도시된 바와 같이, 판독 영역(110)은 소스 팔로워 버퍼 트랜지스터 sf, 리셋 트랜지스터 rt 및 행 선택 트랜지스터 rs를 포함할 수 있다. 그러나, 여기서 설명된 기술은 임의의 특정한 증폭기 구성에 관해 제한되지는 않는다. 일부 실시예에서, 전달 전극(213)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 빈을 판독할 수 있다. 상관된 이중 샘플링은, 미결정된 양의 잡음을 포함하는 노드에서 리셋 전압 레벨로 제1 샘플이 취해질 수 있고, 동일한 미결정된 잡음을 포함하는 노드에서의 신호 레벨로 제2 샘플이 취해질 수 있는 기술이다. 잡음은 샘플링된 신호 레벨로부터 샘플링된 리셋 레벨을 감산함으로써 제거될 수 있다.
빈을 판독하는 것은, 앞서 논의된 바와 같이, 빈에 집성시킨 전하의 양을 대응하는 전압으로 변환하는 것을 포함할 수 있다. 시간 빈으로부터의 판독은 50Hz 내지 100Hz, 10Hz 내지 500Hz, 또는 또 다른 레이트와 같은 임의의 적절한 레이트로 수행될 수 있다.
전달 전극(213)은 빈에 전하 결합될 수 있다. 판독 노드(111)는 전달 전극(213)에 전하 결합될 수 있다. 도 5에 예시된 바와 같이, 판독 노드(111)는 리셋 트랜지스터 rt의 소스에 접속될 수 있다. 리셋 트랜지스터 rt 및 행 선택 트랜지스터 rs의 드레인들은 고전압 전원에 접속될 수 있다. 리셋 트랜지스터 rt 및 행 선택 트랜지스터 rs의 게이트들은 행 드라이버 회로에 의해 제어될 수 있다. 일부 실시예들에서, 트랜지스터 sf의 소스는 행 선택 트랜지스터 rs의 드레인에 접속될 수 있다. 트랜지스터 sf의 게이트는 판독 노드(111)에 접속될 수 있다. 일부 실시예들에서, 소스 팔로워의 소스는 열 라인 판독에 접속될 수 있다.
일부 실시예들에서, 픽셀이 빈 및 판독 노드(111) 둘 모두를 가질 필요는 없다. 도 8a는 빈이 판독 노드(111)에 의해 형성되는 픽셀(200)의 일례의 단면도를 도시한다. 판독 노드(111)는 앞서 논의한 바와 같이 플로팅 확산부일 수 있다. 빈으로서 판독 노드(111)를 이용하는 것은 전하 저장 영역 및 전극(213)을 제거함으로써 픽셀 설계 및 동작을 단순화할 수 있다. 도 8b는 픽셀(200)의 평면도를 나타낸다. 도 8a 및 도 8b에서 알 수 있는 바와 같이, 픽셀(200)에서, 전극(203)은 판독 노드(111)에 액세스하는데 있어서 전위 장벽(202)을 제어한다. 픽셀(200)의 동작은, 별도의 빈으로부터 판독 노드(111)로 전하를 전달할 필요성을 회피함으로써 판독이 단순화될 수 있다는 점을 제외하고는, 픽셀(100)에 대해 앞서 논의한 것과 동일할 수 있다.
예시적인 저장 빈들
전하 저장 빈을 반도체 영역 내의 전위 웰(potential well)로서 구현하는 몇 가지 방식이 있다. 일부 실시예에서, 전위 웰은 부분적으로 전극(203) 내에 있을 수 있다. 웰 안팎으로 전하를 이동시키기 위한 2가지 유형의 전달이 존재한다. 축적 전달은 전하를 웰 내로 이동시킨다. 판독 전달은 전하를 웰로부터 이동시킨다.
다음은 전위 웰의 가능한 특성들이다:
· 웰은 30℃에서 10ms 동안 적어도 100개의 전자의 축적된 전하를 저장하기에 충분한 깊이를 가질 수 있다.
· 전극(203) 전하는 영역(102)을 웰에 결합한다.
· 웰은 전극(203) 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 확산부 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. 한 예로서, 전극들(203 및 213) 중 하나 이상은 상보성 도핑(스플릿-도핑)될 수 있다. 제2 옵션은 전극에 의해 변조되는 웰 위치에 매립 채널 n-형 임플란트를 배치하는 것이다. 전극이 고 전위에 있을 때, 웰 전위는 수집 영역을 넘어 증가한다. 제3 옵션은 영역(102)의 다이오드와 동일한 복제 다이오드를 생성하는 것이다. 다이오드는 동일한 임플란트를 갖는 영역(102)의 다이오드에서와 같이 매립 다이오드일 수 있다. 그것은 장벽(202)과 전달 전극(213) 사이에 형성될 수 있다. 공핍 전압은 판독 전달 게이트에 걸쳐서 연장되는 n형 임플란트로 조절될 수 있다. 전극 형성 장벽(202)은 N+ 도핑될 수 있는 한편, 판독 전달 전극은 P+ 도핑될 수 있다. 일부 실시예에서, 전술된 기술들의 조합이 빈에 대한 전위 웰을 형성하는데 이용될 수 있다.
빈의 위치는, 전극 아래에, 전극에 의해 덮이지 않은 영역에, 또는 전극 아래와 전극에 의해 덮이지 않은 영역 둘 모두에 있을 수 있다. 예를 들어, 빈은 전극(203) 아래에, 전극(203)과 t1에 접속된 폴리실리콘 전달 전극 사이의 전극(203) 아래가 아닌 영역에, 또는 전극(203) 아래에 및 전극(203) 아래가 아닌 영역 둘 다에 있을 수 있다.
재료의 예
도 9는 집적 회로가 그로부터 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 또 다른 전도체로 형성될 수 있다. 절연 스페이서들은 전극들의 측면들에 배치될 수 있다. 예를 들어, 절연 영역들은 실리콘 질화물로 형성될 수 있다. 알루미늄과 같은 금속은 전극들 상에 배치되어 그것에 전기적 접촉을 이룰 수 있다. 그러나, 본 명세서에 설명된 디바이스들이 특정 재료들에 대해 제한되지 않으므로, 다른 재료들이 사용될 수 있다.
예시적인 집적 회로 실현 및 집적 광검출기 형성 방법
일부 실시예에서, 도 15의 칩(1300)은 표준 CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor) 공정을 이용하여 실리콘 기판에 형성될 수 있다. 그러나, 임의의 적절한 기판 또는 제조 공정이 이용될 수 있기 때문에, 여기서 설명된 기술은 이런 면에서 제한되지 않는다. 도 10 내지 도 14는 광검출기 및 4개의 상이한 픽셀 설계 n0-n3을 형성하는 예시적인 공정을 도시한다. 도 10은 반도체 영역에서의 확산 영역 및 N-웰 영역과 위에 놓인 폴리 전극 층을 갖는 레벨 0을 도시한다. 도 11은 레벨 1을 도시하고, 도 12는 레벨 2를 도시하고, 도 13은 레벨 3을 도시하고, 도 14는 레벨 4를 도시한다.
픽셀 어레이/칩 아키텍처
도 15는 일부 실시예들에 따른 칩 아키텍처의 도면을 도시한다. 도 15에 도시된 바와 같이, 집적 회로 또는 칩(1300)은, 복수의 픽셀(100)을 포함하는 픽셀 어레이(1302), 타이밍 회로(1306) 포함하는 제어 회로(1304), 전압/전류 바이어스 생성 회로(1305) 및 인터페이스(1308)를 포함할 수 있다. 그러나, 하나 이상의 컴포넌트가 칩 바깥에 있을 수 있기 때문에, 이들 컴포넌트들 모두가 칩(1300) 상에 있을 필요는 없다. 예를 들어, 일부 실시예에서, 픽셀 전극들에 대한 제어 신호들은 칩 바깥에 위치된 회로에 의해 생성될 수 있다.
픽셀 어레이(1302)는, 예를 들어, 직사각형 패턴과 같은 임의의 적절한 패턴으로 레이아웃된 픽셀(100)들의 어레이를 포함한다. 픽셀 어레이(1302)는 임의의 적절한 수의 픽셀을 가질 수 있다. 픽셀 어레이는, 픽셀 어레이(1302)의 행들 또는 열들을 판독하기 위한 행 및/또는 열 전도체들을 가질 수 있다. 픽셀들은, 병렬로, 직렬로, 또는 이들의 조합으로 판독될 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예들에서, 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 이런 면에서 제한되지 않는다.
픽셀 어레이(1302)는 제어 회로(1304)에 의해 제어된다. 제어 회로(1304)는, 픽셀 어레이(1302)의 동작을 포함하여, 칩(1300)상의 동작을 제어하기 위한 임의의 적절한 타입의 제어 회로일 수 있다. 일부 실시예에서, 제어 회로(1304)는 픽셀 어레이(1302)의 동작 및 칩(1300)상의 기타 임의의 동작을 제어하도록 프로그래밍된 마이크로프로세서를 포함할 수 있다. 제어 회로는, 마이크로프로세서로 하여금 이러한 동작을 수행하게 야기하기 위한 컴퓨터 판독가능 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 구조체(들)의 전극들에 인가되는 전압을 생성하는 것을 제어할 수 있다. 제어 회로(1304)는, 앞서 논의된 바와 같이, 캐리어들을 포획하고, 캐리어들을 전달하고, 및 픽셀들 및 어레이의 판독을 수행하기 위해 하나 이상의 전극의 전압들을 변경할 수 있다. 제어 회로는, 저장된 타이밍 방식에 기초하여 전하 캐리어 분리 구조체의 동작 타이밍을 설정할 수 있다. 저장된 타이밍 방식은, 앞서 논의된 바와 같이, 고정되고, 프로그래밍가능하며 및/또는 적응적일 수 있다.
제어 회로(1304)는, 픽셀의 전하 캐리어 분리 구조체(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 구조체(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 빈의 타이밍을 설정하는 것을 포함할 수 있는, 수행될 측정 타입을 제어할 수 있다.
픽셀 어레이(1302)로부터 판독된 신호의 분석은, 온칩 또는 오프칩 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 오프-칩 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 발생기(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 소산의 스케일링을 허용하는, 디지털-제어형 증폭기 바이어스 발생기.
도 16은, 픽셀 어레이를 제어하거나 픽셀로부터의 데이터의 분석을 수행하기 위한 제어 회로를 구현하는데 이용될 수 있는 예시적인 컴퓨팅 디바이스(1000)의 블록도이다. 컴퓨팅 디바이스(1000)는 하나 이상의 프로세서(1001) 및 하나 이상의 유형(tangible)의 비일시적 컴퓨터 판독가능 저장 매체(예를 들어, 메모리(1003))을 포함할 수 있다. 메모리(1003)는, 실행될 때 전술된 기능성 중 임의의 것을 구현하는 컴퓨터 프로그램 명령어들을 유형의 비일시적인 컴퓨터 기록가능 매체에 저장할 수 있다. 프로세서(들)(1001)는 메모리(1003)에 커플링될 수 있고, 그러한 컴퓨터 프로그램 명령어들을 실행하여 기능성이 실현 및 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 인터페이스들은 키보드, 마우스, 마이크로폰, 디스플레이 디바이스(예를 들어, 모니터 또는 터치 스크린), 스피커들, 카메라, 및/또는 다양한 다른 타입들의 I/O 디바이스들과 같은 디바이스들을 포함할 수 있다.
전술된 실시예들은 다양한 방식들 중 임의의 방식으로 구현될 수 있다. 예컨대, 실시예는 하드웨어, 소프트웨어 또는 그 조합을 사용하여 실시될 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. 상기한 기능을 수행하기 위한 임의의 부품 또는 부품의 집합체는 일반적으로 상기 논의된 기능을 제어하는 하나 이상의 제어기로서 간주될 수 있음이 이해되어야 한다. 하나 이상의 제어기는 많은 방식으로, 예컨대 전용 하드웨어를 사용하여, 또는 상기 언급된 기능을 수행하기 위해 마이크로코드 또는 소프트웨어를 사용하여 프로그래밍된 범용 하드웨어(예를 들어, 하나 이상의 프로세서)를 사용하여 실행될 수 있다.
이와 관련하여, 본 명세서에 설명된 실시예들의 하나의 구현은, 하나 이상의 프로세서 상에서 실행될 때, 하나 이상의 실시예의 상기에 논의된 기능들을 수행하는 컴퓨터 프로그램(즉, 복수의 실행가능 명령어들)으로 인코딩되는 적어도 하나의 컴퓨터 판독가능 저장 매체(예를 들어, RAM, ROM, EEPROM, 플래시 메모리 또는 다른 메모리 기술, CD-ROM, 디지털 다기능 디스크들(DVD) 또는 다른 광 디스크 스토리지, 자기 카세트들, 자기 테이프, 자기 디스크 스토리지 또는 다른 자기 스토리지 디바이스들, 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 상술한 기능들 중 임의의 기능을 행하는 컴퓨터 프로그램이란, 호스트 컴퓨터 상에서 실행되는 애플리케이션 프로그램에 국한되지 않음을 이해할 것이다. 오히려, 컴퓨터 프로그램 및 소프트웨어라는 용어들은, 본 명세서에서 논의된 기법들의 양태들을 구현하기 위해 하나 이상의 프로세서를 프로그래밍하도록 채용될 수 있는 임의의 타입의 컴퓨터 코드(예를 들어, 애플리케이션 소프트웨어, 펌웨어, 마이크로코드, 또는 임의의 다른 형태의 컴퓨터 명령어)를 참조하기 위해 일반적인 의미로 본 명세서에서 사용된다.
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, 여기 광 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 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 출원에서 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 매핑할 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 매핑하는 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 그들의 TOF(time of flight)에 의해 검출되고 분석(resolve)될 수 있다. 이러한 시간 프로파일은 TPSF(temporal point spread function)일 수 있다. 시간 프로파일은, 광 펄스가 방출된 후 복수의 시간 기간에 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.
추가 양태들
본 발명의 다양한 측면이 단독으로, 조합하여, 또는 이상에 기술한 실시예에서 구체적으로 논의되지 않은 각종의 구성으로 사용될 수 있으며, 따라서 그의 응용이 이상의 설명에 기술되고 첨부 도면에 예시된 컴포넌트의 상세 및 구성으로 제한되지 않는다. 예를 들어, 일 실시예에 기술된 측면이 다른 실시예에 기술된 측면과 임의의 방식으로 결합될 수 있다.
또한, 본 발명은 예가 제공되어 있는 방법으로서 실시될 수도 있다. 방법의 일부로서 수행되는 동작들은 임의의 적절한 방식으로 순서가 정해질 수 있다. 따라서, 예시적 실시예에서는 순차적 동작들로서 도시되어 있더라도, 일부 동작들을 동시에 수행하는 것을 포함한, 예시된 것과는 상이한 순서로 동작들이 수행되는 실시예들이 구성될 수 있다.
청구항 요소를 수식하기 위한 청구범위에서의 "제1", "제2", "제3" 등과 같은 서수 용어들의 사용은 그것만으로는 방법의 행위들이 수행되는 시간 순서 또는 하나의 청구항 요소의 다른 청구항 요소에 대한 임의의 우선순위, 선행(precedence), 또는 순서를 내포하는 것이 아니라, 청구항 요소들을 구별하기 위해, 특정 명칭을 갖는 하나의 청구항 요소를,(서수 용어를 사용한 것을 제외하고는) 동일한 명칭을 갖는 다른 요소로부터 구별하기 위한 표지들로서 단지 사용된다. 서수 용어들의 사용은 또한 추가적인 요소들을 배제하도록 의도되지 않는다. 예를 들어, "제1" 및 "제2" 요소의 인용은 "제3" 요소 또는 추가 요소들의 존재를 배제하지 않는다.
또한, 본 명세서에서 이용된 어법(phraseology) 및 용어는 설명의 목적을 위한 것이며, 제한하는 것으로서 간주되어서는 안 된다. 여기서 "including", "comprising", 또는 "having", "containing", "involving", 및 그의 변형들의 사용은 그 뒤에 열거된 항목들 및 그의 동등물들뿐만 아니라 추가적인 항목들을 포함하도록 의도되어 있다.
Claims (35)
- 집적 회로로서,
입사 광자들을 수신하도록 구성되는 광검출 영역- 상기 광검출 영역은 상기 입사 광자들에 응답하여 복수의 전하 캐리어를 생성하도록 구성됨 -;
전하 캐리어 저장 영역; 및
전하 캐리어 분리 구조체
를 포함하고, 상기 전하 캐리어 분리 구조체는,
기각 기간 동안 상기 복수의 전하 캐리어 중 하나 이상의 제1 전하 캐리어를 전하 캐리어 기각 영역 내로 지향시키고;
검출 기간 동안 상기 복수의 전하 캐리어 중 하나 이상의 제2 전하 캐리어를 상기 광검출 영역으로부터 상기 전하 캐리어 저장 영역 내로 직접 지향시키도록 구성되는 집적 회로. - 제1항에 있어서,
상기 집적 회로는 상기 기각 기간, 상기 검출 기간, 또는 상기 기각 기간 및 상기 검출 기간 둘 다의 타이밍을 변화시키도록 구성되는 집적 회로. - 제2항에 있어서,
상기 집적 회로는 상이한 프레임들에서 상기 기각 기간, 상기 검출 기간, 또는 상기 기각 기간 및 상기 검출 기간 둘 다의 타이밍을 변화시키도록 구성되는 집적 회로. - 제3항에 있어서,
각각의 프레임은,
기각 기간; 및
검출 기간
의 복수의 반복을 포함하고, 각각의 프레임은,
상기 전하 캐리어 저장 영역의 판독을 추가로 포함하는 집적 회로. - 제3항에 있어서,
상기 집적 회로는 프레임에 걸쳐 상기 전하 캐리어 저장 영역에서 전하 캐리어들을 집성시키고 상기 집성된 전하 캐리어들의 양을 나타내는 신호를 판독하도록 구성되는 집적 회로. - 제3항에 있어서,
상기 집적 회로는 적어도,
상기 기각 기간, 상기 검출 기간, 또는 상기 기각 기간 및 상기 검출 기간 둘 다의 제1 타이밍을 갖는 제1 프레임과;
상기 기각 기간, 상기 검출 기간, 또는 상기 기각 기간 및 상기 검출 기간 둘 다의 제2 타이밍을 갖는 제2 프레임사이에서 스위칭하도록 구성되는 집적 회로. - 제6항에 있어서,
상기 제1 프레임은 제1 검출 기간을 갖고 상기 제2 프레임은 상기 제1 검출 기간과 상이한 제2 검출 기간을 갖는 집적 회로. - 제6항 또는 제7항에 있어서,
상기 집적 회로는 상기 제1 및 제2 프레임들과 상기 기각 기간, 상기 검출 기간, 또는 상기 기각 기간 및 상기 검출 기간 둘 다의 제3 타이밍을 갖는 제3 프레임 사이에서 스위칭하도록 추가로 구성되는 집적 회로. - 제6항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제1 프레임은 상기 전하 캐리어 저장 영역의 제1 판독을 포함하고, 상기 제2 프레임은 상기 전하 캐리어 저장 영역의 제2 판독을 포함하는 집적 회로. - 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 전하 캐리어 분리 구조체는 상기 광검출 영역과 상기 전하 캐리어 저장 영역 사이의 경계에 적어도 하나의 전극을 포함하는 집적 회로. - 제10항에 있어서,
상기 전하 캐리어 분리 구조체는 상기 광검출 영역과 상기 제1 전하 캐리어 저장 영역 사이의 경계에 단일 전극을 포함하는 집적 회로. - 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 전하 캐리어 기각 영역은 상기 광검출 영역에 인접하는 집적 회로. - 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 광검출 영역과 상기 전하 캐리어 저장 영역 사이에 어떤 전하 캐리어 포획 영역도 존재하지 않는 집적 회로. - 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 광검출 영역과 전하 캐리어 저장 영역 사이의 캐리어들을 포획하지 않고 상기 전하 캐리어 저장 영역에 전하 캐리어들이 전달되는 집적 회로. - 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서,
캐리어들이 상기 광검출 영역으로부터 상기 전하 캐리어 저장 영역을 향해 지향되는 방향과 상이한 방향으로 상기 광검출 영역으로부터 폐기된 전하 캐리어들이 제거되는 집적 회로. - 제15항에 있어서,
상기 전하 캐리어 기각 영역은 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. - 제1항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서,
단일 전자들이 상기 전하 캐리어 저장 영역으로 전달되어 상기 전하 캐리어 저장 영역에 집성되는 집적 회로. - 제1항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 전하 캐리어 저장 영역은 단일 전하 캐리어 저장 영역인 집적 회로. - 제18항에 있어서,
어떤 다른 전하 캐리어 저장 영역들도 상기 광검출 영역으로부터 광발생된 전하 캐리어들을 직접 수신하도록 구성되지 않는 집적 회로. - 제19항에 있어서,
상기 전하 캐리어 저장 영역은 제1 전하 캐리어 저장 영역이고, 상기 집적 회로는 상기 제1 전하 캐리어 저장 영역으로부터 전하 캐리어들을 수신하도록 구성된 제2 전하 캐리어 저장 영역을 추가로 포함하는 집적 회로. - 제20항에 있어서,
상기 제2 전하 캐리어 저장 영역은 픽셀에 대한 판독 노드인 집적 회로. - 광검출 방법으로서,
기각 기간 동안 광검출 영역에 의해 생성된 복수의 전하 캐리어 중 하나 이상의 제1 전하 캐리어를 전하 캐리어 기각 영역 내로 지향시키는 단계; 및
검출 기간 동안 상기 복수의 전하 캐리어 중 하나 이상의 제2 전하 캐리어를 상기 광검출 영역으로부터 전하 캐리어 저장 영역 내로 직접 지향시키는 단계
를 포함하는 광검출 방법. - 집적 회로로서,
입사 광자들을 수신하도록 구성되는 광검출 영역- 상기 광검출 영역은 상기 입사 광자들에 응답하여 복수의 전하 캐리어를 생성하도록 구성됨 -; 및
전하 캐리어 저장 영역
을 포함하고, 상기 집적 회로는,
(A) 제1 각자의 트리거 이벤트들에 후속하는 복수의 제1 검출 기간에 걸쳐 제1 광발생된 전하 캐리어들을 상기 전하 캐리어 저장 영역에 집성시키고- 상기 복수의 제1 검출 기간은 상기 제1 각자의 트리거 이벤트들에 각자의 제1 타이밍을 개별적으로 가짐 -;
(B) (A)에 후속하여 상기 전하 캐리어 저장 영역에 저장된 전하를 나타내는 제1 신호를 판독하고;
(C) 제2 각자의 트리거 이벤트들에 후속하는 복수의 제2 검출 기간에 걸쳐 제2 광발생된 전하 캐리어들을 상기 전하 캐리어 저장 영역에 집성시키고- 상기 복수의 제2 검출 기간은 상기 제2 각자의 트리거 이벤트들에 각자의 제2 타이밍을 개별적으로 가짐 -;
(D) (C)에 후속하여 상기 전하 캐리어 저장 영역에 저장된 전하를 나타내는 제2 신호를 판독하도록 구성되는 집적 회로. - 제23항에 있어서,
상기 복수의 제1 검출 기간은 상기 복수의 제2 검출 기간과 상이한 시작 시간들, 종료 시간들 및/또는 지속기간들을 갖는 집적 회로. - 제23항 또는 제24항에 있어서,
상기 집적 회로는 적어도 (A) 내지 (D)를 복수 회 반복하도록 구성되는 집적 회로. - 제25항에 있어서,
상기 집적 회로는 (A) 내지 (D)를 복수 회 반복하는 것으로부터 판독되는 상기 제1 신호들 및 제2 신호들에 기초하여 상기 제1 신호의 평균 값 및 상기 제2 신호의 평균 값을 계산하도록 구성되는 집적 회로. - 제26항에 있어서,
상기 집적 회로는 상기 제1 신호의 평균값 및 상기 제2 신호의 평균값에 적어도 부분적으로 기초하여 분자의 적어도 일부분을 식별하도록 구성되는 집적 회로. - 제25항 내지 제27항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 집적 회로는,
(E) 각자의 제3 트리거 이벤트들에 후속하는 복수의 제3 검출 기간에 걸쳐 제3 광발생된 전하 캐리어들을 상기 전하 캐리어 저장 영역에 집성시키고- 상기 복수의 제3 검출 기간은 상기 각자의 제3 트리거 이벤트들에 각자의 제3 타이밍을 개별적으로 가짐 -;
(F) (E)에 후속하여 상기 전하 캐리어 저장 영역에 저장된 전하를 나타내는 제3 신호를 판독하도록 추가로 구성되고,
상기 집적 회로는 적어도 (A) 내지 (F)를 복수 회 반복하도록 구성되는 집적 회로. - 제23항 내지 제28항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 전하 캐리어 저장 영역은 단일 전하 캐리어 저장 영역인, 집적 회로. - 제23항 내지 제29항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 전하 캐리어 저장 영역은 제1 전하 캐리어 저장 영역이고, 픽셀은 상기 제1 전하 캐리어 저장 영역 및 상기 제1 전하 캐리어 저장 영역으로부터 전하를 수신하는 제2 전하 캐리어 저장 영역을 포함하는 집적 회로. - 광검출 방법으로서,
(A) 제1 각자의 트리거 이벤트들에 후속하는 복수의 제1 검출 기간에 걸쳐 제1 광발생된 전하 캐리어들을 전하 캐리어 저장 영역에 집성시키는 단계- 상기 복수의 제1 검출 기간은 상기 제1 각자의 트리거 이벤트들에 각자의 제1 타이밍을 개별적으로 가짐 -;
(B) (A)에 후속하여 상기 전하 캐리어 저장 영역에 저장된 전하를 나타내는 제1 신호를 판독하는 단계;
(C) 제2 각자의 트리거 이벤트들에 후속하는 복수의 제2 검출 기간에 걸쳐 제2 광발생된 전하 캐리어들을 상기 전하 캐리어 저장 영역에 집성시키는 단계- 상기 복수의 제2 검출 기간은 상기 제2 각자의 트리거 이벤트들에 각자의 제2 타이밍을 개별적으로 가짐 -; 및
(D) (C)에 후속하여 상기 전하 캐리어 저장 영역에 저장된 전하를 나타내는 제2 신호를 판독하는 단계
를 포함하는 광검출 방법. - 집적 회로로서,
입사 광자들을 수신하도록 구성되는 광검출 영역- 상기 광검출 영역은 상기 입사 광자들에 응답하여 복수의 전하 캐리어를 생성하도록 구성됨 -; 및
전하 캐리어 저장 영역
을 포함하고, 상기 집적 회로는,
전하 저장 영역에서, 제1 트리거 이벤트들에 대한 제1 시간 기간 내에 광검출 영역에 의해 수신된 제1 전하 캐리어들을 집성시키고;
상기 전하 저장 영역에서, 제2 트리거 이벤트들에 대한 제2 시간 기간 내에 상기 광검출 영역에 의해 수신된 제2 전하 캐리어들을 집성시키고;
상기 제1 전하 캐리어들의 제1 양 및 상기 제2 전하 캐리어들의 제2 양을 나타내는 신호들을 판독하고;
상기 제1 및 제2 전하 캐리어들을 분석하여 상기 광검출 영역에 의해 수신된 광의 시간 특성을 획득하도록 구성되는 집적 회로. - 제32항에 있어서,
상기 집적 회로는 상기 시간 특성을 분석하여 상기 광의 방출과 연관된 분자의 적어도 일부를 식별하도록 추가로 구성되는 집적 회로. - 방법으로서,
전하 저장 영역에서, 제1 트리거 이벤트들에 대한 제1 시간 기간 내에 광검출 영역에 의해 수신된 제1 전하 캐리어들을 집성시키는 단계;
상기 전하 저장 영역에서, 제2 트리거 이벤트들에 대한 제2 시간 기간 내에 상기 광검출 영역에 의해 수신된 제2 전하 캐리어들을 집성시키는 단계;
상기 제1 전하 캐리어들의 제1 양 및 상기 제2 전하 캐리어들의 제2 양을 나타내는 신호들을 판독하는 단계; 및
상기 제1 및 제2 전하 캐리어들을 분석하여 상기 광검출 영역에 의해 수신된 광의 시간 특성을 획득하는 단계
를 포함하는 방법. - 제34항에 있어서,
상기 시간 특성을 분석하여 상기 광의 방출과 연관된 분자의 적어도 일부분을 식별하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
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