TW202107066A - 用於積體裝置之光學吸收過濾材 - Google Patents

Abstract

本發明描述與減弱入射於用於樣本分析之積體裝置中之感測器上的激發輻射相關的設備及方法。具有選定材料及晶體形態之至少一個半導體薄膜位於形成於基板上之積體裝置中的波導與感測器之間。可針對半導體材料之單層的相隔40 nm之激發波長及發射波長獲得大於100或更大之抑制比。

Description

用於積體裝置之光學吸收過濾材

本申請案係關於運用光學吸收過濾材減少用以分析樣本之積體裝置中之非所需輻射。

在用於分析樣本之儀器區域中，可使用微型晶片並行地分析大量分析物或試樣(包含於一或多個樣本內)。在一些情況下，將光學激發輻射遞送至晶片上執行單獨分析之複數個離散部位。激發輻射可激發每一位點處之試樣、連接至該試樣之螢光團或參與了與試樣相互作用之螢光團。回應於激發，可自藉由感測器偵測之位點發射輻射。可使用自用於一位點之經發射輻射獲得或不具有經發射輻射之資訊來判定彼位點處之試樣之特徵。

本發明描述與減弱入射於積體裝置(諸如用於樣本分析之裝置)中之感測器上的激發輻射或其他非所需輻射相關的設備及方法。在一些實施例中，具有選定材料及晶體形態之半導體薄膜形成於基板上之材料堆疊中且位於積體裝置之像素中的波導與感測器之間。選擇半導體材料及晶體形態以顯著減弱激發輻射，同時使超過75%的自像素中之反應腔室發射至感測器的輻射通過。可針對分隔40 nm或大約40 nm之波長獲得大於100或更大的波長鑑別比(亦被稱作「抑制比」或「吸光比」)。在一些實施中，多層堆疊包括由介電材料層分離之吸收材料層。堆疊可包括具有不同厚度的至少三個或四個層。對於分隔開110 nm或大約110 nm之波長，此類堆疊可在垂直於80度之入射角範圍(或此等角度內之任何子範圍)內提供大於10,000之抑制比。

一些實施例係關於多層半導體吸收過濾材，其包含複數個半導體吸收層及分離複數個半導體吸收體以形成多層堆疊之複數個介電材料層，其中在該多層堆疊內存在至少三種不同層厚度。

一些實施例係關於一種形成多層半導體吸收過濾材之方法。一種方法可包含沈積複數個半導體吸收層；及沈積分離複數個半導體吸收體以形成多層堆疊之複數個介電材料層，其中該多層堆疊內沈積至少三種不同層厚度。

一些實施例係關於一種螢光偵測總成，其包含：基板，其上形成有光學偵測器；反應腔室，其經配置以接收螢光分子；光波導，其安置於光學偵測器與反應腔之間；及光學吸收過濾材，其包含半導體材料層且安置於該光學偵測器與該反應腔室之間。

一些實施例係關於一種光學吸收過濾材，其包含形成於基板上之非平面構形上方的半導體層。

一些實施例係關於一種光學吸收過濾材，其包含形成於基板上之積體裝置中的三元III-V半導體。

一些實施例係關於一種用於形成螢光偵測裝置之方法，該方法包含：在基板上形成光學偵測器；在該基板上之該光學偵測器上方形成半導體光學吸收過濾材；在該基板上之該光學偵測器上方形成光波導；及形成反應腔室，該反應腔室經組態以在該光學吸收過濾材及該光波導上方接收螢光分子。

可結合隨附圖式自以下描述更完全地理解本發明教示之前述及其他態樣、實施、作用、功能、特徵及實施例。

相關申請案

本申請案根據35 U.S.C. § 119(e)主張2019年3月5日提交的標題為「SEMICONDUCTOR OPTICAL ABSORPTION FILTER FOR AN INTEGRATED DEVICE」的美國臨時申請案第62/413,997號及2019年4月9日提交的標題為「SEMICONDUCTOR OPTICAL ABSORPTION FILTER FOR AN INTEGRATED DEVICE」的美國臨時申請案第62/831,237號的優先權，該等申請案中之每一者以全文引用之方式併入本文中。

I. 具有半導體吸收體之積體裝置

用於分析樣本之儀器不斷改良且可併入微型組件(例如，電子晶片、微流晶片)，其可有助於減小儀器之總體大小。待分析之樣本可包括空氣(例如感測有害氣體漏泄、燃燒副產品或有毒化學組分)、水或其他可攝取液體、食品樣本及獲自個體之生物樣本(血液、尿液等)。在一些情況下，期望具有用於分析樣本之攜帶型手持儀器，以使得技術員或醫療人員可易於將儀器攜帶至可執行服務且需要快速及精確分析樣本之現場。在臨床環境中，可需要桌上型大小的儀器進行更複雜的樣本分析，諸如人類基因之定序或全血球計數分析。

在先進分析儀器(諸如美國專利公開案第2015/0141267號及美國專利第9,617,594號中所描述之彼等分析儀器，該兩個專利皆以引用之方式併入本文中)，一次性積體裝置(為簡潔起見，其可被稱作「晶片」及「一次性晶片」)可用於執行大規模並行樣本分析。一次性積體裝置可包含封裝式生物光電晶片，在該晶片上可存在大量像素，該等像素具有用於並行分析一個樣本或不同樣本之反應腔室。舉例而言，生物光電晶片上具有反應腔室之像素之數目可在一些情況下介於約10,000與約10,000,000之間，且在一些情況下介於100,000與約100,000,000之間。在一些實施例中，一次性晶片可安裝至先進分析儀器之收容器中且與儀器中之光學及電子組件介接。一次性晶片可容易由使用者替換以用於各新樣本分析。

圖 1-1 為描繪可包括於生物光電晶片之像素中之一些組件的簡化圖。像素可包括反應腔室1-130、光波導1-115、半導體吸收體1-135及形成於基板1-105上之感測器1-122。波導1-115可將光能自遠端光學源輸送至像素且將激發輻射提供至反應腔室1-130。激發輻射可激發存在於反應腔室1-130中之一或多個螢光團。自螢光團發射之輻射可由感測器1-122偵測。來自感測器1-122之信號或其缺乏可提供關於反應腔室1-130中之分析物之存在或不存在的資訊。在一些實施中，來自感測器1-122之信號可鑑別反應腔室中存在之分析物之類型。

對於樣本分析，含有一或多種分析物之樣本可沈積於反應腔室1-130上方。舉例而言，樣本可安置於反應腔室1-130上方之儲集器或微流體通道中。在一些情況下，樣本可以小液滴之形式印刷至包括反應腔室1-130之經處理表面上。在樣本分析期間，來自待分析樣本的至少一個分析物可進入反應腔室1-130。在一些實施中，分析物自身可在由自波導1-115遞送之激發輻射激發時發螢光。在一些情況下，分析物本身可攜載一或多個經連接螢光分子。在又其他情況下，分析物可淬滅已存在於反應腔室1-130中之螢光團。當發螢光實體進入反應腔室中且藉由激發輻射激發時，發螢光實體可發射處於不同於激發輻射之波長的輻射，該輻射又由感測器1-122偵測。半導體吸收體1-135可優先使激發輻射減弱顯著超過來自反應腔室1-130之發射輻射。

更詳細而言，反應腔室1-130可形成為透明或半透明層1-110。根據一些實施例，反應腔室可具有介於50 nm與1 µm之間的深度。在一些實施例中，反應腔室1-130之最小直徑可在50 nm與300 nm之間。若反應腔室1-130形成為零模式波導，則在一些情況下，最小直徑可甚至小於50 nm。若待分析大型分析物，則最小直徑可大於300 nm。反應腔室可位於光波導1-115上方，使得反應腔室之底部可至多在波導1-115之頂部上方500 nm。在一些情況下，反應腔室1-130之底部可位於波導內或波導1-115之頂表面上。根據一些實施例，透明或半透明層1-110可由氧化物或氮化物形成，以使得來自光波導1-115之激發輻射及來自反應腔室1-130之發射輻射將通過透明或半透明層1-110而不會減弱例如超過10%。

在一些實施中，可存在一或多個額外透明或半透明層1-137，其形成於基板1-105上且位於該基板與光波導1-115之間。在一些實施中，此等額外層可由氧化物或氮化物形成，且可具有與透明或半透明層1-110相同類型之材料。半導體吸收體1-135可形成於波導1-115與感測器1-122之間的此等額外層1-137內。自光波導1-115之底部至感測器1-122之距離可在500 nm與10 µm之間。

在各種實施例中，基板1-105可包含半導體基板，諸如矽(Si)。然而，在一些實施例中，可使用其他半導體材料。感測器1-122可包含經圖案化且形成於基板1-105上的半導體光電二極體。感測器1-122可經由互連件1-170連接至基板上之其他互補金屬氧化物半導體(CMOS)電路。

圖 1-2 中展示可包含於積體裝置之像素處之結構的另一實例。根據一些實施，一或多個光阻擋層1-250可形成於層1-110上方，反應腔室1-230可形成於該層1-110中。在一些實施中，反應腔室之蝕刻製程可以打開將變為反應腔室1-230之頂部的一或多個光阻擋層中之孔隙開始。光阻擋層1-250可由一或多個金屬層形成。在一些情況下，光阻擋層1-250可包括半導體及/或氧化層。光阻擋層1-250可減少或防止來自光波導1-115之激發輻射行進至反應腔室1-230上方之樣本中且激發樣本內之分析物。另外，光阻擋層1-250可防止外部輻射自反應腔室上方通過到達感測器1-122。來自反應腔室外部之發射可促成非所需背景輻射及信號雜訊。

在一些實施例中，一或多個膜片層1-240可形成於感測器1-122上方。膜片層1-240可包括開口1-242以允許來自反應腔室1-230之發射通過到達感測器1-122，同時阻擋來自其他方向(例如，來自相鄰像素或來自散射激發輻射)之發射或輻射。舉例而言，膜片層1-240可由光阻擋材料形成，該光阻擋材料可以寬入射角阻止經散射激發輻射觸發感測器1-122及促成背景雜訊。

在一些情況下，膜片層1-240可由導電材料形成，且提供用於形成於基板1-105上或上方之電路的電位參考平面或接地平面。根據一些實施，通孔或孔洞1-237可形成於半導體吸收體1-235 (及罩蓋層，若存在，其接觸半導體吸收層)中，使得豎直導電互連件或通孔1-260可連接至膜片層1-240而不接觸可導電的半導體吸收體1-235。在一些情況下，半導體吸收體1-235可用作形成於基板1-105上或上方之電路的電位參考平面或接地平面，且豎直互連件可連接至半導體吸收體1-235且可不連接至膜片層1-240。在一些情況下，孔洞1-237可包括防止導電通孔1-260與半導體吸收層1-235之間的電接觸之電絕緣材料(例如，氧化物)。在一些實施中，半導體吸收層1-235可具有高電阻率且孔洞1-237可填充有導電材料以提供經由半導體吸收層之電連接。在實施例中，可存在額外電子組件，諸如在每一像素處與感測器一起形成於基板1-105上之儲存及讀出電子件1-224。舉例而言，讀出電子件可用於控制信號獲取及讀出每一感測器1-122處之所儲存電荷。在一些實施例中，半導體吸收體1-235 (及罩蓋層)中之孔洞1-237可促進經由半導體層之電連接，例如，積體電路經由線接合、覆晶結合或其他方法與外部電路之連接。

在一些情況下，可存在多個半導體吸收材料層，如圖 1-3 中所描繪。舉例而言，半導體吸收體1-335可包含由材料介入層1-334間隔開的兩層、三層或更多層半導體吸收材料1-336。介入層1-334可具有與半導體吸收材料1-336不同的折射率。介入層1-334可另外或替代地具有不同於半導體吸收材料1-336之透射率。在一些情況下，半導體吸收材料1-336之不同層之厚度基本上相同，且可不同於介入層1-334之厚度，但在一些情況下，半導體吸收材料1-336之層可具有至少兩種不同厚度。在一些實施例中，半導體吸收材料1-336之厚度對於矽類吸收材料可在75 nm與90 nm之間且激發特徵波長在515 nm與540 nm之間。其他厚度可用於其他吸收材料及激發波長。在一些情況下，介入層1-334之厚度基本上相同，且可不同於半導體吸收材料1-336之層厚度，但在一些情況下，介入層1-334可具有至少兩種不同厚度。在一些實施例中，介入層1-334之厚度對於氧化矽可在50 nm與150 nm之間且激發特徵波長在515 nm與540 nm之間。其他厚度可用於其他介入層材料及激發波長。

藉由使用如圖 1 至圖 3 中所描繪之多層半導體吸收材料1-336，各層之間的光學干涉效應可有效地銳化半導體吸收體之頻帶邊緣的陡度且改良半導體吸收體1-335之抑制比。頻帶邊緣之干涉銳化可使半導體吸收材料1-336之結晶度品質較低。在一些實施中，多晶或非晶半導體材料(例如，非晶矽、非晶碳化矽、非晶ZnTe、非晶InGaN等)可用於具有多層半導體吸收材料1-336之半導體吸收體1-335中。

圖 2-1 中展示半導體吸收體2-135之其他細節。在各種實施例中，半導體吸收體2-135包含半導體吸收層2-210。圖 2-1 中所示之結構可實施於僅具有一層半導體吸收材料之半導體吸收體中，或可用於具有多層半導體吸收材料之半導體吸收體中之一或多個層中。該半導體吸收層可由具有一帶隙之半導體材料形成。舉例而言，半導體吸收層可由具有對應於光譜之可見範圍之帶隙的複合半導體材料形成。實例材料包括(但不限於)碲化鋅、氮化銦鎵、磷化鎵、氧化釩、氮化鉭、砷化鋁、矽化鎂、銻化鋁、砷化矽及砷化銦。可適合於一些應用之額外材料包括碳化矽、氫化碳化矽、硫化鎘、氧化鎘及硒化鋅。此類實例材料可以各種化學計量比實施。半導體吸收層2-210在一些實施例中可為多晶的，或在一些實施例中可為單晶的。在一些情況下，沿橫向平面內方向量測，多晶半導體吸收層2-210之平均晶粒尺寸可能不小於20 nm。在一些情況下，沿橫向平面內方向量測，多晶半導體吸收層2-210之平均晶粒尺寸可能不小於1 µm。在一些實施例中，半導體吸收層2-210可包含非晶形半導體材料。根據一些實施例，半導體吸收層2-210之厚度可在200 nm與5 µm之間。在一些情況下，半導體吸收層2-210之厚度可在1 µm與2 µm之間。

可選擇或調適用於半導體吸收層2-210之半導體材料之類型以提供對激發輻射之所要吸收率及對自反應腔室1-230發射之輻射的透射率。舉例而言，半導體材料可經選擇或調適以具有帶隙，使得具有大於帶隙之光子能之激發輻射大部分將由半導體材料吸收且來自具有小於帶隙之光子能之反應腔室1-230的螢光團發射大部分將由半導體材料傳輸。在實施例中，選擇或調適帶隙以使得吸收之波長與傳輸之波長之間的轉變處於由光波導1-115提供之激發輻射與自反應腔室1-230發射之螢光發射之間。半導體吸收層2-210之帶隙可藉由改變半導體之組成(例如，改變In _x Ga _1-x N中In與Ga之化學計量比，其中x值係在根據0＜x＜1之範圍內)來調適。

圖 2-2 中展示由ZnTe形成之半導體吸收層2-210之實例透射曲線。在一些實施例中，激發輻射可具有532 nm之特徵波長，且螢光發射可具有處於560 nm與580 nm之間的特徵波長值。對於其中激發輻射具有大約532 nm之特徵波長的所展示實例，半導體吸收層2-210所傳輸的發射輻射(例如，朝向感測器1-122)係激發輻射的大約400倍(抑制比R_r 約400)。在一些實施中，激發輻射可具有介於500 nm與540 nm之間的特徵波長且發射輻射可具有介於560 nm與650 nm之間的特徵波長。在一些情況下，抑制比可較高(例如，介於400與800之間、介於800與1000之間或介於1000與3000之間)。根據一些實施例，半導體吸收體可使所需偵測到之輻射(例如，來自反應腔室之發射輻射)減弱5%與85%之間，同時使非所需輻射顯著減弱超過此量。

本發明人已認識到且理解，過濾材截止之陡度及在長於截止點之波長下傳輸的輻射與在短於截止點之波長下吸收的輻射的比率取決於半導體吸收層2-210之厚度、半導體吸收層之數目、半導體吸收層之晶體品質以及激發及發射特徵波長之分隔，且取決於此等參數中之每一者可在一定程度上修改。舉例而言，可藉由調整半導體吸收材料之沈積時間之長度來控制半導體吸收層2-210之厚度。

在一些實施例中，可選擇沈積製程之類型(例如，金屬有機化學氣相沈積、分子束磊晶法或物理氣相沈積)以改良半導體吸收層2-210之晶體品質。在一些情況下，不同材料之晶種層可首先沈積於底層上以改良隨後沈積之半導體吸收層2-210之晶體品質。在一些實施中，可進行沈積後退火步驟以改良半導體吸收層2-210之晶體品質。在一些實施例中，如在層平面中所量測，半導體吸收層2-210可具有不小於20 nm之平均晶粒尺寸。在一些情況下，平均晶粒尺寸不小於50 nm。在一些情況下，平均晶粒尺寸不小於100 nm。在一些情況下，平均晶粒尺寸不小於500 nm。在一些情況下，平均晶粒尺寸在40 nm與100 nm之間。在一些情況下，平均晶粒尺寸在100 nm與500 nm之間。在一些情況下，平均晶粒尺寸在100 nm與1 μm之間。在一些情況下，平均晶粒尺寸在1 μm與3 μm之間。在一些情況下，平均晶粒尺寸在2 μm與5 μm之間。在一些情況下，平均晶粒尺寸在5 μm與10 μm之間。根據一些實施，半導體吸收層2-210可具有較大晶粒尺寸或可基本上為單晶。舉例而言，半導體吸收層2-210可在使用處置晶圓生長時自單晶體晶圓剝離及轉移，且藉由接合至基板1-105上之底層而沈積。

在一些實施中，半導體吸收層2-210可具有特定結晶形態，諸如纖維狀、圓柱形或餅狀。纖維形態可展現在半導體吸收層2-210中豎直定向之纖維類或高柱狀晶體。圖 2-4 以透射電子顯微影像展示纖維晶體之實例。長柱狀晶體具有高縱橫比(例如，大於10:1之長徑比)，並且豎直定向且形成於碲化鋅層內。圓柱形形態可具有長度直徑比率在0.5:1與10:1之間的晶粒。餅狀形態可具有長度直徑比率小於0.5:1的晶粒。

在一些情況下，半導體吸收層2-210可由非晶形半導體材料形成。舉例而言，本文中所描述之半導體材料中之任一者可藉由濺鍍、電子束蒸發或諸如電漿增強型化學氣相沈積(PECVD)之化學氣相沈積製程而沈積為非晶形材料。實例非晶形半導體材料包括(但不限於)非晶矽、非晶碳化矽、非晶氮化矽、非晶氧化矽、非晶ZnTe、非晶InGaN及其合金。在一些實施中，可將非晶形半導體材料(例如，非晶氫化矽、非晶氫化碳化矽等)或合金氫化。在一些實施中，可在沈積期間(例如，在化學氣相沈積製程期間)將氮添加至非晶形半導體材料或合金。在一些狀況下，可在沈積期間將氮及/或其他元素添加至材料(諸如，非晶矽)，以將折射率n 及消光係數k 調諧至用於傳輸及阻擋所關注波長所需之值。在一些實施例中，經沈積非晶形半導體材料可包括分佈於整個非晶形半導體材料中之奈米晶體或微型晶體。非晶形半導體吸收層2-210可用於本文中所描述之半導體吸收體結構中之任一者中。實務上，利用現有鑄造工具及製程在基板上製造非晶形半導體吸收層2-210可更容易且成本較低。在一些情況下，例如，可在與CMOS製程相容之較低溫度(例如，低於500℃)下達成非晶形半導體或其他材料之沈積。儘管非晶形半導體材料可能不會提供與同一類型之多晶或結晶半導體材料一樣陡變的頻帶邊緣，但在特徵激發及發射波長存在較大差異時，頻帶邊緣可為足夠的。然而，一些微型製造製程可使得多晶或結晶半導體材料能夠以與CMOS結構相容之方式使用。

吸收層(諸如半導體吸收層2-210)之優點為其可具有比其他類型之波長過濾材(諸如多層介電過濾材)更高的角度容限。在介電過濾材中，該等層各自吸收可忽略量之輻射(例如，小於入射輻射之一個百分比)。舉例而言，厚度為約2微米之多層介電過濾材(諸如分佈式布拉格反射器)可在正入射角下提供大約800之抑制比R_r 。抑制比R_r 為發射波長下之傳輸強度(對於實例結構為572 nm)與激發波長下之傳輸強度(對於實例結構為532 nm)的比率。在30度入射角下，抑制比R_r 下降至110。相比之下，2.0微米厚之ZnTe半導體吸收層2-210在所有入射角下提供超過800之抑制比R_r 。因此，就角度容限而言，微米級薄膜式吸收層或半導體吸收層2-210可勝過微米級薄膜式多層介電過濾材，且另外與廣泛可用之CMOS處理設備相容。舉例而言，半導體吸收層2-210可包含可能不具有多層介電過濾材所必需之緊湊尺寸容限的一個層或幾個層。

根據一些實施例，半導體吸收層2-210可由InGaN形成，其可提供在廣泛範圍內之帶隙可調諧性。舉例而言，藉由改變In與Ga之濃度比，帶隙可自0.8 eV調諧至3.4 eV，覆蓋整個可見波長範圍。InGaN可作為單晶材料磊晶生長於結晶基板上，或可以多晶形式藉由各種化學及物理沈積方法沈積，該等沈積方法包括金屬有機化學氣相沈積(MOCVD)、分子束磊晶法(MBE)、濺鍍、反應性濺鍍及其他已確立方法。在一些實施中，可藉由合金化或以其他方式組合二元半導體與第三第II族及/或第VI族元素來調諧帶隙。一些實例所得ZnTe半導體組合物包括(但不限於) ZnTeO及CdZnTe。

單晶體InGaN之模型化表明，對於1.5微米之層厚度，可獲得大於3000之抑制比R_r (572 nm/532 nm)。在一些實施例中，半導體吸收體2-135可包含由InGaN形成之半導體吸收層2-210。吸收層之厚度可在200 nm與3微米之間，且層之抑制比R_r 可在20與100,000之間。圖 2-3 標繪針對單晶體InGaN計算的抑制比R_r 隨著層厚度變化之實例曲線。

在一些實施例中，一或多個罩蓋層2-220可鄰近於半導體吸收層2-210形成。在一些情況下，在半導體吸收層2-210之一側上可存在一個罩蓋層2-220。在其他情況下，在半導體吸收層2-210之每一側(例如，頂側及底側)上可存在罩蓋層。根據一些實施例，罩蓋層2-220可包含厚度介於20 nm與100 nm之間的至少一個薄層，但在一些情況下可使用較厚層。在一些實施中，在半導體吸收層2-210之一側上的罩蓋層2-220可包含複數個不同材料層。可用於罩蓋層2-220之實例材料包括(但不限於)氮化矽、氧化鋁、氧化鈦、氧化鉿及氧化鉭。

可包括一或多個罩蓋層2-220以防止半導體吸收層2-210擴散至鄰近材料中或防止半導體吸收材料釋放至環境中。在一些實施中，相較於將由半導體吸收層2-210單獨提供之黏著，罩蓋層2-220可另外或替代地提供對緊鄰層之經改良黏著。在一些實施中，一或多個罩蓋層2-220可減小或誘發半導體吸收層2-210中之應力及/或改良半導體吸收層2-210之結晶度。在一些情況下，罩蓋層2-220可藉由提供補償類型之應力(例如，在半導體吸收層具有壓縮應力的情況下之張應力)來減小來自總成中之半導體吸收層2-210的應力。

另外或替代地，在一些實施例中，可形成罩蓋層以減少自半導體吸收層2-210之光學反射。在一些情況下，半導體吸收層2-210可具有明顯不同於鄰近層之折射率，其可造成來自半導體吸收層2-210與鄰近層之間的介面之可觀量的反射輻射。就此而言，一或多個罩蓋層2-220可形成為半導體吸收層2-210之抗反射塗層，且減少波長範圍內之一或多個波長的光學反射。舉例而言，罩蓋層2-220可減少來自反應腔室1-230之發射輻射及/或激發輻射之反射。對於由ZnTe形成且具有鄰近氧化矽層之半導體吸收層2-210，532 nm及572 nm處之反射可分別為大約14%及10%。添加厚度為63 nm之氮化矽之罩蓋層2-220可將此等反射減少至小於1%。根據一些實施例，相較於不存在氧化物或氮化物罩蓋層之情況，鄰近於半導體吸收層形成之氧化物或氮化物罩蓋層減少來自半導體吸收層的針對500 nm與750 nm之間的可見波長之光學反射。可選擇氧化物或氮化物罩蓋層之厚度以減少針對所需波長之光學反射。

根據一些實施，半導體吸收層2-210可自身併入或與一或多個罩蓋層2-220一起併入至一堆疊中，該堆疊包括光學性質不同於半導體吸收層2-210之一或多個介電層，例如，如圖 1-3 中所描繪。可選擇一或多個介電層、半導體吸收層2-210及一或多個罩蓋層2-220 (若存在)之厚度以提供激發輻射及/或發射輻射之光學干涉。如此，半導體吸收層2-210及一或多個介電層可形成混合吸收性干涉過濾材，相較於單獨的半導體吸收體1-235之抑制比R_r ，該混合吸收性干涉過濾材可進一步增加堆疊之抑制比R_r 。在一些情況下，此類多層堆疊可包含由多晶或非晶形半導體材料形成之一或多個半導體吸收層2-210。在一些情況下，多層堆疊可包含一或多個吸收層，該一或多個吸收層由不為半導體之多晶或非晶形材料形成。

本發明人已進一步認識到且理解，發射輻射可使用德克斯特能量轉移(DET)及/或福斯特共振能量轉移(FRET)製程而移位至較長波長。作為一實例，可存在與分析物或試樣相關之兩個螢光團。相較於第二螢光團，兩個螢光團之第一螢光團可藉由遞送至反應腔室之激發輻射更有效地激發。第二螢光團可與化學連接子連接，使得其與第一螢光團極為接近(例如小於10 nm)。如此，來自第一螢光團之發射能量可將第一螢光團轉移至第二螢光團且激發第二螢光團，使得其係在與第一螢光團相比更長之特徵波長下發射輻射且藉由感測器1-122偵測。作為一實例，第一螢光團可以利用在光譜之黃色區域內之特徵波長進行發射，且第二螢光團可以利用例如在光譜之橙色或紅色區域內之紅移之特徵波長進行發射。在一些情況下，自第一螢光團至第二螢光團之能量轉移可為非輻射DET或FRET過程。發射輻射能量轉移及移位至較長特徵波長產生大於單一螢光團之斯托克位移的有效斯托克位移(Stokes shift)。此類增加之有效斯托克位移可將更遠離半導體吸收體之頻帶邊緣的發射輻射移動至其中半導體吸收體對發射波長之吸收率小於在第一螢光團之情況下的吸收率的位置。

大體而言，需要使用在激發波長與發射波長之間分隔較大之螢光團。對於螢光團中之單一電子轉變，此分隔被稱作「斯托克位移」。在一些實施例中，可如上文所描述在FRET或DET方法中使用多個螢光團以達成激發波長與發射波長之間的較大分隔。由於使用多個螢光團而產生之激發波長與發射波長之間的此較大分隔在本文中稱為「有效斯托克位移」。

圖 2-5 標繪針對多層半導體吸收體計算的傳輸結果隨著五種不同入射角之波長變化。多層半導體吸收體由四個非晶矽層組成，該四個非晶矽層的厚度各為大約85 nm，由厚度各為大約110 nm的三個氧化矽層分隔。多層半導體吸收體嵌入於氧化矽中。非晶矽之折射率在532 nm之波長下為大約4.3，其值視輻射之波長而定，且氧化矽之折射率在532 nm之波長下為大約1.5，其值亦視入射於半導體吸收體上之輻射之波長而定。對於此計算，激發輻射具有大約532 nm之特徵波長，且如上文所描述使用兩個螢光團以將發射特徵波長移位至620 nm與690 nm之間的範圍內之值。該計算展示可藉由多層半導體吸收體獲得大於1000之抑制比。

圖 2-5 中標繪之結果亦指示針對非正入射角之抑制比得以維持或在一些情況下甚至更高。此行為不同於多層介電帶通濾波器之角度相依性，其中對於非正入射角，抑制比可顯著減小。在包括複數個像素之積體裝置中，維持大入射角內之高抑制比可為有利的。舉例而言，在大入射角內具有高抑制比之濾波器可允許更緊湊地將像素封裝在一起，此係因為濾波器可更好地阻擋或減小將另外由感測器1-122偵測為串擾雜訊的來自鄰近像素之傾斜輻射。

在一些情況下，僅在較大非正入射角下維持激發輻射之高抑制可足以增加像素密度。舉例而言，在圖 2-5 中，具有532 nm之特徵波長之激發輻射在高達60度或更高之非法線角下受到的抑制愈來愈多。此行為可改良對來自相鄰像素之激發輻射之抑制。在一些實施中，增加在較大非正入射角下之發射輻射之抑制的半導體吸收體可為進一步有益的。圖 2-5 之結果指示在60度下之發射輻射比在35度下之發射輻射減弱更多。此行為可改良對來自相鄰像素之發射輻射之抑制。根據一些實施例，積體裝置中之複數個像素之像素中心之間的間距可具有介於2微米與50微米之間的範圍內之值，但在一些情況下，較小或較大間距可以係有可能的。

圖 2-6A 中描繪多層半導體吸收體過濾材2-600之另一實例。半導體吸收體過濾材2-600可包括由複數層介電材料2-620分隔之複數層半導體吸收體2-630。在所說明實例中，多層半導體吸收體過濾材2-600包含由六層介電材料2-620分隔之半導體吸收體2-630之七個層或薄膜。各層半導體吸收體2-630可吸收顯著更多的輻射(例如，多達介電材料層2-620之輻射的至少兩倍)。作為一實例，半導體吸收體2-630可由摻氮非晶矽形成，且介電材料層2-620可包含諸如二氧化矽之氧化物。在此上下文中，「摻雜」係指添加雜質以調整吸收體之光學性質(例如折射率、消光係數)。多層半導體吸收體過濾材2-600可進一步整合於基板上之周圍材料2-610、2-640之堆疊中。周圍材料可為與介電材料層2-620相同的材料或不同的材料。在一些實施中，可使用比圖 2-6A 中所說明之更少或更多層之半導體吸收體2-630。

儘管圖 2-6A 中描繪之實例過濾材包含半導體吸收體，但在其他實施例中可使用其他材料。舉例而言，摻雜玻璃、氧化物或氮化物可用作吸收層。在一些情況下，半導體吸收體可具有低於某一波長之較強光學吸收率，且因此對於一些應用可為較佳的。一些吸收材料可具有約530 nm之光學吸收率之急劇轉變。非晶形材料在其光學吸收曲線中可具有寬廣轉變。非晶矽為具有光學吸收率之寬廣轉變之半導體材料。可有利的係藉由將氮或其他元素作為摻雜劑引入至非晶矽或所選吸收材料中來調整光學性質(例如折射率、消光係數、吸收率)。在一些情況下，所得材料形成吸收材料與摻雜物或摻雜化合物(例如，非晶矽及氮化矽)之非晶合金。儘管合金化製程在本文中被稱作「摻雜」，但應瞭解，摻雜物不必表現為半導體摻雜物。在一些實施例中，所得合金之電行為可表徵為介電吸收材料而非半導體。對於本發明實施例之多層吸收體過濾材，吸收層展現多達介入介電層至少兩倍的光學吸收率，且可進一步包括折射率與介入層之差異大於10%或Δn ≥ 0.1。

在許多習知多層介電過濾材中，過濾材堆疊中之層為四分之一波長層且在整個堆疊中使用每一材料之相同厚度，使得該堆疊具有極規則之重複結構(例如t₁ 、t₂ 、t₁ 、t₂ 、t₁ 、t₂ 、t₁ 、t₂ )，其中t₁ 為堆疊中第一介電材料之厚度且t₂ 為堆疊中第二介電材料之厚度。對於多層半導體吸收體過濾材2-600，本發明人已發現，除四分之一波長及非均一厚度外的層厚度可改良過濾材特性。舉例而言，各層半導體吸收體2-630可皆具有相同厚度t_a ，且介電材料層2-620可具有大於四分之一波長之不同厚度。當吸收層之厚度大於四分之一波長且並非四分之一波長之倍數時，亦可獲得改良。在一些情況下，堆疊內之層可存在至少三種或四種不同厚度。舉例而言，厚度t₁ 可不同於厚度t₂ ，且兩種厚度可不同於厚度t₃ ，如圖 2-6A 之說明中所描繪。在其他情況下，半導體吸收體2-630之厚度t_s1 、t_s2 、…t_s8 及介電材料2-620之層的厚度t_d1 、t_d2 、…t_d8 皆可在該堆疊內變化，如圖 2-7 之多層半導體吸收體過濾材2-700中所描繪。另外，一些層厚度可能不對應於該過濾材經設計以阻擋或傳遞之輻射的四分之一波長。判定層內之四分之一波長厚度，從而說明該層之折射率。堆疊內之相同材料及/或不同材料之厚度之變化在一些情況下可大於20%，在一些情況下大於50%，且在一些情況下又大於100%，但可低10倍。

根據一些實施例，在多層半導體吸收體過濾材中，半導體吸收體2-630之厚度可在20 nm與300 nm之間。介電材料2-620之層厚度可在40 nm與300 nm之間。在一些情況下，半導體吸收體2-630可由摻雜或合金化非晶矽或上文所描述之其他半導體材料形成。使用非晶矽之優點為其可在足夠低以與其他CMOS製程(諸如，形成後端金屬化物之製程)相容之溫度下沈積。在一些實施中，氮可用作摻雜物或添加物，但在一些吸收體中可使用其他摻雜物或添加物(例如碳、磷、鍺、砷等)。在摻氮非晶矽之情況下，在非晶矽之沈積期間添加的氮之量可在0原子百分比與40原子百分比之間。此摻雜位準範圍可產生在2.6與4.3之間的折射率值範圍及在0.01與0.5之間的消光係數值範圍。在其他實施例中可使用其他摻雜物、半導體材料及摻雜範圍，以獲得針對特定波長範圍(例如，綠色、藍色或紫外線波長或紅外線波長)之不同折射率值及消光係數值。

圖 2-6B 標繪針對類似圖 2-6A 中所說明之多層半導體吸收體之多層半導體吸收體2-600計算的傳輸結果隨著五種不同入射角之波長而變化。多層半導體吸收體由摻氮非晶矽吸收體2-630之七個層組成。對於此實例，半導體吸收體2-630之各層的厚度為大約30 nm。介電材料2-620之最外層之厚度t₁ 為大約67 nm。朝向堆疊中心移動之介電材料2-620之下幾層的厚度t₂ 為大約108 nm。介電材料2-620之最內層之厚度t₃ 為大約95 nm。多層半導體吸收體過濾材2-600嵌入於氧化矽中。經摻雜非晶矽之折射率在532 nm之波長下為約3.6，其值視輻射之波長而定。經摻雜非晶矽之消光係數k 在532 nm之波長下為大約0.2，且具有波長相依性。氧化矽之折射率在532 nm之波長下為大約1.5，其值亦視入射於半導體吸收體上之輻射之波長而定。

針對圖2-6B 中所說明之結果，過濾材設計係用於具有大約532 nm (由曲線圖中之左側陰影條指示)之特徵波長的激發輻射。另外，如上所述使用兩個螢光團以藉由FRET及/或DET製程增加有效斯托克位移且將發射特徵波長移位至在640 nm與700 nm之間的範圍內的值(由曲線圖中之右陰影區指示)。結果表明，當吸收過濾材中包括並非四分之一波長厚的層時，可獲得大於24,000的抑制比。結果亦展示具有針對至多60度之入射角維持之高抑制比的過濾材之極好的角度相依性。

圖 2-6C 中展示結合圖 2-6B 描述之多層半導體吸收體過濾材2-600之角度相依性的其他細節。所標繪曲線係關於以各種角度入射於過濾材上之具有532 nm之特徵波長的s 偏振輻射。p 偏振輻射之結果展示較小角度容限。頂部跡線標繪入射輻射之反射率R。中間跡線標繪入射輻射之吸收率A，且下部跡線標繪入射輻射之透射率T。對s 偏振輻射之角度容限極好地達到約80度，其對於習知多層介電過濾材係不可能的。舉例而言，針對介於0度與80度之間的入射角，將抑制比維持在10000以上。在一些實施例中，過濾材之反射率可在相同入射角範圍內使其平均值改變小於20%。本發明人最初並未預期包括非均一厚度之層之堆疊中的此類高抑制比及寬角度容限。

可瞭解，過濾材之效能可取決於圍繞過濾材(例如，當整合至基板中時位於過濾材上方及下方，諸如圖 1-3 中所描繪)之材料而不同。舉例而言，當整合於基板上時，來自基板上之其他材料的反射可根據類似圖 2-6B 及圖 2-6C 中所示之計算結果的計算結果來更改過濾材之反射率、吸收率及透射率特徵。

圖 2-7 說明多層半導體吸收體過濾材2-700之另一實例。此過濾材設計包括半導體吸收體2-630之層及介電材料2-620之層兩者之厚度的變化。在實例實施例中，半導體吸收體2-630之層之厚度(分別自t_s1 至t_s8 )為大約32 nm、大約153 nm、大約145 nm、大約32 nm、大約145 nm、大約32 nm、大約145 nm及大約133 nm。在經實施裝置中，厚度可恰好為所列值或在此等值之±5 nm內。介電材料2-620之層之厚度(分別自t_d1 至t_d7 )為大約56 nm、大約100 nm、大約79 nm、大約100 nm、大約100 nm、大約79 nm及大約100 nm。在經實施裝置中，厚度可恰好為所列值或在此等值之±5 nm內。圖 2-7 中所說明的過濾材設計可適用於使用單一螢光團(例如不使用FRET或DET)之應用。

多層吸收體過濾材可藉由吸收材料及介電材料之依序定時沈積形成。沈積可經定時以達成每一層之所要厚度。可使用化學氣相沈積製程。較佳沈積方法為電漿增強式化學氣相沈積(PECVD)。所沈積之吸收層之數目在一些實施例中可少於20個，在一些實施例中少於10個且在一些實施例中又少於5個。根據一些實施例，吸收層可位於整合堆疊中之各區處，各區包括該堆疊內用於激發輻射之電場之一或多個波峰部分。在一些情況下，吸收層可遠離用於發射輻射之電場中之波峰而定位。

儘管半導體吸收體1-235在圖 1-2 中展示為平面層，但本發明並不僅限於平面半導體吸收體。在一些情況下且現參看圖 3-1 ，半導體吸收體3-135可形成於第一層3-110上以具有構形結構。根據一些實施例，構形結構之高度h 可在100 nm與2000 nm之間。在一些情況下，高度h 可介於半導體吸收體之厚度t 的1 ½倍與3倍之間。根據一些實施例，構形結構中之凹陷3-113或頂峰3-114之寬度w 可具有50 nm與500微米之間的任何值。第二層3-112可沈積於半導體吸收體上方以填充該構形，如圖 3-1 中所說明。

可包括半導體吸收體3-135之構形以緩解半導體吸收體3-135中之平面內應力。在一些情況下，半導體吸收材料可積聚沈積製程造成之平面內應力。此類應力(若足夠嚴重)可造成基板之翹曲，且在一些情況下造成半導體層之開裂及/或分層。構形可使應力得到緩解且防止翹曲、開裂及分層。在一些實施例中，在介於反應腔室1-230與對應感測器1-122之間的半導體吸收體3-135之區域中可存在一或多個構形特徵。在一些情況下，反應腔室1-230與感測器1-122之間可不存在構形，且該構形可位於像素內或像素之間的相鄰區中。在一些實施中，半導體吸收體3-135中之構形特徵可間隔大於500微米(例如，至多1毫米或更大)之距離，且在一些情況下，構形特徵可位於像素區外部且足以緩解像素區之應力。

在一些情況下，半導體吸收體3-135中之構形可提供額外改良。舉例而言，構形可增加過濾材之總體吸收率，此係由於穿過吸收體之較長路徑將出現一些入射輻射。另外，所沈積之半導體吸收層之結晶度可藉由構形(例如藉由誘導或緩解薄膜應力)改良，導致更突然之過濾材截止及較好抑制比。

在一些情況下，包括構形之半導體吸收體3-135可在沈積之後回蝕，以形成穿過半導體吸收體之一或多個絕緣通孔3-210，如圖 3-2 中所說明。在此實例中，豎直互連件2-160可在不電連接至半導體吸收體3-135的情況下穿過絕緣通孔3-210。像素內可存在一或多個絕緣通孔3-210及豎直互連件2-160。豎直互連件可連接至其他平面內互連件2-170或半導體吸收體3-135上方及/或下方之電位參考平面。在一些實施例中，可添加填充材料3-230以填充半導體吸收體3-135中之凹陷區。填充材料3-230可具有與形成於剩餘半導體吸收體3-135上方之第二層3-112相同的材料或不同的材料。

在一些實施中，像素內可不存在豎直互連件。實情為，孔洞可穿過半導體吸收體1-235、3-135且在絕緣通孔3-210內開口，使得可進行與半導體吸收體3-135下方之接觸墊的線接合。舉例而言，線接合可位於像素區外部。用於線接合之孔洞可藉由對光阻劑或硬光罩進行圖案化及蝕刻未被光阻劑或硬光罩覆蓋之暴露區域中之半導體吸收體來開口。經蝕刻半導體吸收體在蝕刻之前可能具有或可能不具有構形結構。

圖 3-3 描繪半導體吸收體3-135之另一實施例，該半導體吸收體3-135經形成以在第一層3-110上方具有構形結構。在此實施例中，絕緣通孔3-310僅形成於豎直互連件2-160所穿過的區域中。不同於圖 3-2 中所示之結構，相鄰區在半導體吸收體3-135中可包括無間斷構形。根據此實施例，第二層3-312可形成於鄰近於絕緣通孔3-310的半導體吸收體之區域上方。第二層3-312可具有與形成於第二層3-312上之第三層3-314相同的材料或不同的材料。在實施例中，第一層3-110、第二層3-312及第三層3-314可包含如上文結合圖 1-1 描述之透明或半透明材料。

圖 3-4A 至圖 3-4E 中說明與用於形成具有構形之半導體吸收體3-135及單個絕緣通孔3-310之實例方法相關之結構。根據一些實施例，第一抗蝕劑3-410可沈積且圖案化於透明或半透明材料之第一層3-110上。第一經圖案化抗蝕劑3-410可位於將形成單個絕緣通孔3-310之處。在一些實施例中，第一經圖案化抗蝕劑3-410可為軟抗蝕劑，諸如聚合抗蝕劑。根據一些實施，第二抗蝕劑3-420可沈積並圖案化於第一層3-310上。一些第二經圖案化抗蝕劑3-420可在曝光及顯影之後保留在第一經圖案化抗蝕劑3-410上方。位於第一經圖案化抗蝕劑3-410上方之第二經圖案化抗蝕劑3-420可限定待形成之絕緣通孔3-310之大小及位置。根據一些實施例，第二經圖案化抗蝕劑可為硬抗蝕劑，諸如氮化物、氧化物或金屬抗蝕劑層。根據一些實施例，第二抗蝕劑3-420展現對於第一抗蝕劑3-410及下伏第一層3-110之蝕刻選擇性。圖案化第一抗蝕劑3-410及第二抗蝕劑3-420之後的結構可如圖 3-4A 中所示呈現。

在製程之後續步驟中，可執行蝕刻步驟以蝕刻掉第一層3-110中並未被第一經圖案化抗蝕劑3-410及第二經圖案化抗蝕劑3-420覆蓋之區。在一些情況下，可進行初步蝕刻以蝕刻掉第一經圖案化抗蝕劑3-410中未被第二經圖案化抗蝕劑3-420覆蓋之部分。蝕刻可產生具有空腔壁3-435之蝕刻空腔3-430，如圖 3-4B 中所說明。在蝕刻之後，第一層3-110之部分頂表面3-437未經蝕刻。

在後續製程步驟中，移除第二經圖案化抗蝕劑3-420，從而留下第一經圖案化抗蝕劑3-410。接著，可進行第二蝕刻步驟以進一步蝕刻第一層3-110，如圖 3-4C 中所描繪。在此第二蝕刻中，在不蝕刻第一經圖案化抗蝕劑3-410下方之導柱3-440之頂表面的情況下回蝕蝕刻空腔3-430及第一層3-437之頂表面兩者。在完成第二蝕刻之後所得導柱3-440可高於周圍構形。

在將構形蝕刻至第一層3-110中之後，可自第一層3-110移除第一經圖案化抗蝕劑3-410，且在準備沈積半導體吸收體3-135時清潔該層之表面。半導體吸收體3-135之一或多個層接著可沈積於第一層3-110之構形上方。在一些情況下，沈積可為保形沈積，使得保形層在第一層3-110之水平及傾斜表面上具有均一厚度(在10%內)，如垂直於接觸表面所量測。半導體吸收體3-135可例如藉由電漿沈積製程或原子層沈積製程或任何其他合適的沈積製程沈積。可用於沈積半導體吸收體3-135之一或多個層的其他實例沈積製程包括(但不限於)濺鍍、分子束磊晶法、脈衝雷射沈積、封閉空間昇華、電子束蒸發、氣相沈積、化學氣相沈積、電漿增強式化學氣相沈積、電沈積及金屬有機化學氣相沈積。在一些實施中，在半導體吸收體1-235為平面的情況下，半導體吸收體可藉由晶圓轉移沈積。在一些實施中，在半導體吸收體3-135具有構形之情況下，半導體吸收體及一或多個相鄰層可藉由晶圓轉移沈積。在一些情況下，半導體吸收體層3-135可在沈積之後退火以改良半導體吸收體之結晶度。隨後，第二層3-312可沈積於半導體吸收體3-135上方，從而產生如圖 3-4D 中所示之結構。第二層3-312的厚度可大於半導體吸收體3-135及第一層3-110之構形h 之變化。如上文所提及，第二層3-312可與第一層3-110屬於相同類型，例如，半透明材料，諸如氧化物或氮化物。

可接著使用化學機械拋光(CMP)來平面化如圖 3-4E 中所示之結構。在此步驟中，拋光可移除第二層3-312之一部分及半導體吸收體3-135之最高特徵以打開絕緣通孔3-310，如圖 3-4E 中所說明。可使用額外微影步驟以經由絕緣通孔形成導電豎直互連件。第三層3-314可沈積於第二層3-312上方以形成圖 3-3 中所示之結構。為了獲得圖 3-2 中所示之結構，不使用第一抗蝕劑3-410。

根據一些實施例，圖 4 中展示一次性晶片之實例結構4-100。一次性晶片結構4-100可包括生物光電晶片4-110，其具有半導體基板4-105且包括形成於該基板上之複數個像素4-140。每一像素4-140可具有如上文結合圖 1-1 至圖 3-4E 描述之半導體吸收體的結構及實施例。在實施例中，可存在將激發輻射提供至一列或一行像素4-140的列或行波導4-115。激發輻射可例如經由光學埠4-150耦接至波導中。在一些實施例中，光柵耦合器可形成於生物光電晶片4-110之表面上，以將來自聚焦光束之激發輻射耦合至連接至複數個波導4-115之一或多個接收波導中。

一次性晶片結構4-100可進一步包括圍繞生物光電晶片4-110上之像素區形成的壁4-120。壁4-120可為支撐生物光電晶片4-110之塑膠或陶瓷殼體之部分。壁4-120可形成至少一個儲集器4-130，至少一個樣本可置放於該儲集器4-130中並與生物光電晶片4-110之表面上的反應腔室1-130直接接觸。舉例而言，壁4-120可防止儲集器4-130中之樣本流入含有光學埠4-150及光柵耦合器之區域中。在一些實施例中，一次性晶片結構4-100可進一步包括在一次性晶片之外部表面上的電接點及封裝內之互連件，使得可在生物光電晶片4-110上之電路與安裝有一次性晶片之儀器中的電路之間進行電連接。

在一些實施例中，半導體吸收體2-135可整合於類似圖 4 中所示之一次性晶片結構的一次性晶片結構的每一像素處，然而，半導體吸收體2-135並不限於整合於本文中所展示及描述之總成中。本發明實施例之半導體吸收體亦可整合至可不包括光波導及/或可不包括反應腔室之其他半導體裝置中。舉例而言，本發明實施例之半導體吸收體可整合至光學感測器中，對於該等光學感測器，可能需要對在一定範圍之一或多個波長之抑制。在一些實施中，本發明實施例之半導體吸收體可併入至CCD及/或CMOS成像陣列中。舉例而言，半導體吸收體可形成於成像陣列中之一或多個像素處的光電二極體上方，使得吸收體對由光電二極體接收之輻射進行濾波。此類成像陣列可用於例如螢光顯微成像中，其中激發輻射優先由半導體吸收體減弱。此類成像陣列可用於夜視護目鏡中，其中可見輻射優先減弱，而紅外輻射經傳遞以防止諸如LED之明亮的可見光源使護目鏡盲眩。

根據一些實施，整合至總成中之半導體吸收體2-135之抑制比R_r 的值可介於10與100之間。在一些實施中，抑制比R_r 的值可介於100與500之間。在一些情況下，抑制比R_r 的值可介於500與1000之間。在一些實施中，抑制比R_r 的值可介於1000與2000之間。在一些實施中，抑制比R_r 的值可介於2000與5000之間。半導體吸收體之優點為，相較於對於多層過濾材，可更容易藉由選擇半導體吸收層之厚度而選擇抑制比R_r ，如自圖 2-3 可見。半導體吸收體之額外優點為可吸收而非反射散射激發輻射(多層過濾材之情況亦如此)，從而減少像素之間的串擾。另一優點為半導體吸收體之有效厚度可顯著大於用於以遠離半導體吸收層之表面之法線的角度入射之射線的半導體吸收層之實際厚度。另外，如上文所提及，半導體吸收體之效能對微型製造容限所引起的半導體吸收層之厚度變化敏感性遠不及多層過濾材之效能對組成層厚度之依賴性。

II. 實例生物分析應用

描述一種實例生物分析應用，其中積體半導體吸收體1-135可用於改良自先進分析儀器中所使用之一次性晶片上的反應腔室發射之輻射的偵測。舉例而言，半導體吸收體1-135可顯著減少入射於感測器1-122上之激發輻射，且由此可觀地減少可能另外壓製自反應腔室1-130發射之輻射的所偵測背景雜訊。在一些情況下，如上文結合圖 2-2 所解釋，激發輻射之抑制可為發射輻射之減弱的800倍，使來自感測器1-122之信號對雜訊比顯著改良。

當安裝於儀器之收容器中時，一次性晶片可與先進分析儀器內之光學及電子設備進行光學及電子通信。儀器可包括用於外部介面之硬體，使得來自晶片之資料可傳達至外部網路。在實施例中，術語「光學」可指紫外、可見、近紅外及短波長紅外光譜帶。儘管可對各種樣本進行各種類型之分析，但以下解釋描述基因定序。然而，本發明不限於經組態用於基因定序之儀器。

總之且參考圖 5-1A ，攜帶型先進分析儀器5-100可包含一或多個脈衝式光學源5-108，其以可替換模組形式安裝在儀器5-100內或以其他方式耦合至儀器5-100。攜帶型分析儀器5-100可包括光學耦合系統5-115及分析系統5-160。光學耦合系統5-115可包括光學組件之某一組合(其可例如不包括以下組件當中之任一者，包括以下組件中之一者或以下組件中超過一個組件：透鏡、鏡面、濾光器、衰減器、波束轉向組件、波束整形組件)且經組態以對來自脈衝式光學源5-108之輸出光學脈衝5-122進行操作及/或將該等輸出光學脈衝5-122耦合至分析系統5-160。分析系統5-160可包括複數個組件，其經配置以將光學脈衝導向至至少一個反應腔室以用於樣本分析，自至少一個反應腔室接收一或多個光學信號(例如，螢光、反向散射輻射)且產生表示所接收光學信號之一或多個電信號。在一些實施例中，分析系統5-160可包括一或多個光偵測器且亦可包括經組態以處理來自光偵測器之電信號的信號處理電子件(例如，一或多個微控制器、一或多個場可程式化閘陣列、一或多個微處理器、一或多個數位信號處理器、邏輯閘等)。分析系統5-160亦可包括資料傳輸硬體，該資料傳輸硬體經組態以傳輸資料至外部裝置(例如，儀器5-100可經由一或多個資料通信鏈路所連接至的網路上之一或多個外部裝置)及自該外部裝置接收資料。在一些實施例中，分析系統5-160可經組態以接收生物光電晶片5-140，該生物光電晶片5-140固持待分析之一或多個樣本。

圖 5-1B 描繪包括緊湊型脈衝式光學源5-108之攜帶型分析儀器5-100之另一詳細實例。在此實例中，脈衝式光學源5-108包含緊湊型被動鎖模雷射模組5-110。被動鎖模雷射可在不施加外部脈衝信號之情況下自主地產生光學脈衝。在一些實施中，該模組可安裝至儀器底盤或框架5-102，且可位於儀器之外殼體內部。根據一些實施例，脈衝式光學源5-108可包括可用以操作光學源且對來自光學源5-108之輸出光束進行操作的額外組件。鎖模雷射5-110可包含雷射空腔中或耦接至雷射空腔之元件(例如，飽和吸收體、聲光調變器、克爾透鏡)，其誘發雷射縱向頻率模式之相位鎖定。雷射空腔可部分地由空腔端鏡5-111、5-119限定。頻率模式之此類鎖定引起雷射之脈衝式操作(例如，空腔內脈衝5-120在空腔端鏡之間來回彈跳)，且自一個端鏡5-111產生部分透射之一串輸出光學脈衝5-122。

在一些情況下，分析儀器5-100經組態以接收可移除、經封裝、生物光電或光電晶片5-140 (亦稱為「一次性晶片」)。一次性晶片可包括生物光電晶片4-110，如圖 4 中所描繪，其例如包含複數個反應腔室、經配置以將光學激發能量遞送至反應腔室之積體光學組件及經配置以偵測來自反應腔室之螢光發射的積體光偵測器。在一些實施中，晶片5-140可在單次使用之後拋棄，而在其他實施中，晶片5-140可再使用兩次或多於兩次。當儀器5-100接收晶片5-140時，晶片5-140可與脈衝式光學源5-108及與分析系統5-160中之設備電連通及光學連通。舉例而言，可經由晶片封裝上的電接點進行電連通。

在一些實施例中且參考圖 5-1B ，可將一次性晶片5-140 (例如，經由插口連接)安裝於電子電路板5-130上，諸如可包括額外儀器電子件之印刷電路板(PCB)。舉例而言，PCB 5-130可包括經組態以將電功率、一或多個時脈信號及控制信號提供至晶片5-140之電路，及經配置以接收表示自反應腔室偵測到之螢光發射之信號的信號處理電路。在一些實施中，自晶片5-140返回之資料可部分地或完全地由儀器5-100上之電子件處理，但資料可經由網路連接傳輸至一或多個遠端資料處理器。PCB 5-130亦可包括經組態以自晶片接收與耦合至晶片5-140之波導中的光學脈衝5-122之光學耦合及功率位準相關的回饋信號的電路。回饋信號可經提供至脈衝式光學源5-108及光學系統5-115中之一者或兩者以控制光學脈衝5-122之輸出光束之一或多個參數。在一些情況下，PCB 5-130可將功率提供或路由至脈衝式光學源5-108以用於操作光學源及光學源5-108中之相關電路。

根據一些實施例，脈衝式光學源5-108包含緊湊型鎖模雷射模組5-110。該鎖模雷射可包含增益介質5-105 (在一些實施例中，其可為固態材料)、輸出耦合器5-111及雷射空腔端鏡5-119。鎖模雷射之光學空腔可受輸出耦合器5-111及端鏡5-119約束。雷射空腔之光軸5-125可具有一或多個摺疊(匝)以增加雷射空腔之長度且提供所要脈衝重複率。脈衝重複率係由雷射空腔之長度(例如，光學脈衝在雷射空腔內往返的時間)判定。

在一些實施例中，雷射空腔中可存在額外光學元件(圖 5-1B 中未展示)以用於波束整形、波長選擇及/或脈衝形成。在一些情況下，端鏡5-119包含飽和吸收體鏡面(SAM)，其誘發縱向空腔模式之被動模式鎖定且引起鎖模雷射之脈衝操作。鎖模雷射模組5-110可進一步包括泵源(例如，雷射二極體，圖 5-1B 中未展示)以用於激發增益介質5-105。鎖模雷射模組5-110之更多細節可見於2017年12月15日提交的標題為「Compact Mode-Locked Laser Module」之美國專利申請案第15/844,469號中，該申請案以引用之方式併入本文中。

當雷射5-110經鎖模時，腔內脈衝5-120可在端鏡5-119與輸出耦合器5-111之間循環，且腔內脈衝之一部分可經由輸出耦合器5-111傳輸作為輸出脈衝5-122。因此，當腔內脈衝5-120在雷射空腔中之輸出耦合器5-111與端鏡5-119之間來回彈跳時，可在該輸出耦合器處偵測到如圖 5-2 之曲線圖中所描繪之一連串輸出脈衝5-122。

圖 5-2 描繪輸出脈衝5-122之時間強度剖面，但該圖示並非按比例繪製。在一些實施例中，所發射脈衝之峰強度值可大致相等，且剖面可具有高斯時間剖面，但諸如sech² 剖面之其他剖面可為可能的。在一些情況下，該等脈衝可不具對稱時間剖面且可具有其他時間形狀。各脈衝之持續時間之特徵可為半峰全寬(FWHM)值，如圖 5-2 中所指示。根據鎖模雷射之一些實施例，超短光學脈衝可具有小於100皮秒(ps)之FWHM值。在一些情況下，FWHM值可在大約5 ps與大約30 ps之間。

輸出脈衝5-122可由規則間隔T 分離。舉例而言，T 可藉由輸出耦合器5-111與空腔端鏡5-119之間的往返旅程時間來判定。根據一些實施例，脈衝分隔間隔T 可介於約1 ns與約30 ns之間。在一些情況下，脈衝分隔間隔T 可介於約5 ns與約20 ns之間，對應於約0.7公尺與約3公尺之間的雷射空腔長度(雷射空腔內之光軸5-125之大致長度)。在實施例中，脈衝分隔間隔對應於雷射空腔中之往返旅程時間，以使得3公尺之空腔長度(6公尺之往返距離)提供約20 ns之脈衝分隔間隔T 。

根據一些實施例，所要脈衝分隔間隔T 及雷射空腔長度可藉由晶片5-140上之反應腔室之數目、螢光發射特徵及用於自晶片5-140讀取資料的資料處置電路系統之速度的組合判定。在實施例中，不同螢光團可藉由其不同螢光衰變速率或特徵使用壽命加以區分。因此，需要存在足夠脈衝分隔間隔T 以收集所選擇螢光團之適當統計資料來區分其不同衰變速率。另外，若脈衝分隔間隔T 太短，則資料處置電路無法跟上大量資料正由較大數目之反應腔室收集。介於約5 ns與約20 ns之間的脈衝分隔間隔T 適合於具有至多約2 ns之衰變速率的螢光團且適合於處置來自介於約60,000個與10,000,000個反應腔室之間的資料。

根據一些實施，波束轉向模組5-150可自脈衝式光學源5-108接收輸出脈衝，且經組態以至少調整光學脈衝在晶片5-140之光學耦合器(例如光柵耦合器)上的位置及入射角。在一些情況下，來自脈衝式光學源5-108之輸出脈衝5-122可由波束轉向模組5-150操作以另外或替代地改變晶片5-140上之光學耦合器處的波束形狀及/或波束旋轉。在一些實施中，波束轉向模組5-150可進一步將輸出脈衝之波束之聚焦及/或偏振調整提供至光學耦合器上。波束轉向模組之一個實例描述於2016年5月20日提交的標題為「Pulsed Laser and Bioanalytic System」之美國專利申請案第15/161,088號中，該美國專利申請案以引用之方式併入本文中。波束轉向模組之另一實例係描述於2016年12月16日提交且標題為「Compact Beam Shaping and Steering Assembly」的獨立美國專利申請案第62/435,679號中，該美國專利申請案以引用之方式併入本文中。

參考圖 5-3 ，舉例而言，來自脈衝式光學源之輸出脈衝5-122可耦合至一次性生物光電晶片5-140上之一或多個光波導5-312中。在一些實施例中，光學脈衝可經由光柵耦合器5-310耦合至一或多個波導，但在一些實施例中可使用與晶片5-140上之一或多個光波導之末端的耦合。根據一些實施例，四邊形偵測器5-320可位於半導體基板5-305 (例如，矽基板)上，以用於輔助將光學脈衝5-122之波束對準至光柵耦合器5-310。一或多個波導5-312及一或多個反應腔室5-330可整合於與基板、波導、反應腔室與光偵測器5-322之間的介入介電層(例如二氧化矽層)相同之半導體基板上。

各波導5-312可包括反應腔室5-330下方之錐形部分5-315，以使沿波導耦合至反應腔室之光學功率相等。減小錐形可迫使波導之核心外部之更多光能逐漸耦合至反應腔室且補償沿波導的光學損失，包括耦合至反應腔室中之輻射損失。第二光柵耦合器5-317可位於各波導之末端處，以將光能導向至積體光電二極管5-324。舉例而言，積體光電二極管可偵測沿波導向下耦合之功率的量且將偵測到的信號提供至控制波束轉向模組5-150之回饋電路。

反應腔室5-330或反應腔室5-330可與波導之錐形部分5-315對準且凹入至槽5-340中。可存在位於半導體基板5-305上的用於每一反應腔室5-330之光偵測器5-322。在一些實施例中，半導體吸收體(在圖 5-5 中展示為光學過濾材5-530)可位於每一像素處之波導與光偵測器5-322之間。金屬塗層及/或多層塗層5-350可圍繞反應腔室且在波導上方形成，以防止光學激發不在反應腔室中(例如，分散於反應腔室上方之溶液中)的螢光團。金屬塗層及/或多層塗層5-350可升高超出槽5-340之邊緣，以減小各波導之輸入及輸出端處的波導5-312中之光能之吸收性損失。

晶片5-140上可存在複數列波導、反應腔室及時間分箱光偵測器。舉例而言，在一些實施中，對於總共65,536個反應腔室而言，可存在128列，各自具有512個反應腔室。其他實施可包括更少或更多反應腔室，且可包括其他佈局組態。來自脈衝式光學源5-108之光學功率可經由一或多個星型耦合器或多模干擾耦合器分佈至多個波導，或可藉由任何其他構件定位於至晶片5-140之光學耦合器5-310與複數個波導5-312之間。

圖 5-4 說明自波導5-315之錐形部分內的光學脈衝5-122至反應腔室5-330的光能耦合。附圖已自光學波之電磁場模擬產生，該電磁場模擬考慮波導尺寸、反應腔室尺寸、不同材料之光學特性及波導5-315之錐形部分距反應腔室5-330的距離。波導可由例如二氧化矽之周圍介質5-410中之氮化矽形成。波導、周圍介質及反應腔室可藉由2015年8月7日提交之標題為「Integrated Device for Probing, Detecting and Analyzing Molecules」的美國申請案第14/821,688號中所描述之微型製造方法形成。根據一些實施例，消逝光場5-420將藉由波導輸送之光能耦合至反應腔室5-330。

圖 5-5 中描繪反應腔室5-330中發生的生物反應之非限制性實例。實例描繪核苷酸或核苷酸類似物依序併入與目標核酸互補之生長股中。依序併入可在反應腔室5-330中發生，且可藉由先進分析儀器偵測以對DNA進行定序。反應腔室可具有介於約150 nm與約250 nm之間的深度及介於約80 nm與約160 nm之間的直徑。金屬化層5-540 (例如，用於電氣參考電位之金屬化物)可在光偵測器5-322上方經圖案化以提供阻擋來自相鄰反應腔室及其他非所需輻射源之雜散輻射的孔隙或膜片。根據一些實施例，聚合酶5-520可位於反應腔室5-330內(例如，附接至腔室之基底)。聚合酶可溶解目標核酸5-510 (例如，衍生自DNA之一部分核酸)，且對互補核酸生長股進行定序，以產生DNA生長股5-512。用不同螢光團標記之核苷酸或核苷酸類似物可分散於反應腔室上方及反應腔室內之溶液中。

在將經標記核苷酸或核苷酸類似物5-610併入至互補核酸生長股中時，如圖 5-6 中所描繪，一或多個附接螢光團5-630可藉由自波導5-315耦合至反應腔室5-330中之光能脈衝重複激發。在一些實施例中，一或多個螢光團5-630可以任何適合之連接子5-620附接至一或多個核苷酸或核苷酸類似物5-610。併入事件可持續至多約100 ms之一段時間。在此時間期間，可藉由例如時間分箱光偵測器5-322偵測由藉由來自鎖模雷射之脈衝激發螢光團而產生的螢光發射脈衝。在一些實施例中，在每一像素處可存在用於信號處置(例如，放大、讀出、路由、信號預處理等)之一或多個額外積體電子裝置5-323。根據一些實施例，每一像素可包括傳遞螢光發射且減少來自激發脈衝之輻射傳輸的至少一個光學過濾材5-530 (例如，半導體吸收體)。一些實施可不使用光學過濾材5-530。藉由將具有不同發射特徵(例如，螢光衰變速率、強度、螢光波長)之螢光團附接至不同核苷酸(A、C、G、T)，在將DNA股5-512併入核酸時偵測且區分不同發射特徵能夠判定DNA生長股的基因序列。

根據一些實施例，經組態以基於螢光發射特徵分析樣本之先進分析儀器5-100可偵測不同螢光分子之間的螢光使用壽命及/或強度之差異及/或不同環境中之相同螢光分子的使用壽命及/或強度之間的差異。作為解釋，圖 5 -7 標繪兩種不同螢光發射機率曲線(A及B)，其例如可表示來自兩種不同螢光分子之螢光發射。參考曲線A (虛線)，在藉由短或超短光學脈衝激發之後，來自第一分子的螢光發射之機率p_A (t) 可隨時間衰變，如所描繪。在一些情況下，正發射之光子的機率隨時間之降低可由指數衰變函數

表示，其中P_Ao 為初始發射機率且τ₁ 為與表徵發射衰變機率之第一螢光分子相關的時間參數。τ₁ 可稱為第一螢光分子之「螢光使用壽命」、「發射使用壽命」或「使用壽命」。在一些情況下，τ₁ 值可藉由螢光分子之局部環境改變。其他螢光分子可具有與曲線A中所展示之發射特徵不同的發射特徵。舉例而言，另一螢光分子可具有與單一指數衰變不同之衰變剖面，且其使用壽命可由半衰期值或一些其他度量值表徵。

第二螢光分子可具有指數式衰變剖面p_B (t )，但具有可量測之不同使用壽命τ₂ ，如針對圖 5-7 中曲線B所描繪。在所展示之實例中，曲線B之第二螢光分子的使用壽命比曲線A之使用壽命短，且在激發第二分子之後愈早，發射機率p_B (t )比曲線A之發射機率愈高。在一些實施例中，不同螢光分子可具有範圍介於約0.1 ns至約20 ns之使用壽命或半衰期值。

螢光發射使用壽命之差異可用於在不同螢光分子的存在或不存在之間進行辨別及/或用於在螢光分子所經受之不同環境或條件之間進行辨別。在一些情況下，基於使用壽命(而非例如發射波長)辨別螢光分子可簡化生物分析儀器5-100之態樣。作為一實例，在基於使用壽命辨別螢光分子時，可減少波長鑑別光學件(諸如波長濾光器、各波長之專用偵測器、不同波長下之專用脈衝式光源及/或繞射光學件)的數目或除去該等波長鑑別光學件。在一些情況下，在單一特徵波長下操作之單一脈衝式光學源可用於激發不同螢光分子，該等螢光分子在光譜之相同波長範圍內發射但具有可量測之不同使用壽命。使用單一脈衝式光學源而非在不同波長下操作的多個源以激發及辨別在相同波長範圍中發射之不同螢光分子的分析系統可以不太複雜地進行操作及維持，更緊湊，且可以較低成本製造。

儘管基於螢光使用壽命分析之分析系統可具有某些益處，但藉由分析系統所獲得的信息之量及/或偵測準確度可藉由允許額外偵測技術而增加。舉例而言，一些生物分析系統5-160可另外經組態以基於螢光波長及/或螢光強度辨別試樣之一或多個特性。

再次參考圖 5-7 ， 根據一些實施例，可以光偵測器區分不同螢光使用壽命，該光偵測器經組態以在螢光分子之激發之後對螢光發射事件進行時間分箱。時間分箱可發生在光偵測器之單一電荷積聚循環期間。電荷積聚循環為讀出事件之間的間隔，在此讀出事件期間，將光生載流子積聚於時間分箱光偵測器之分箱(bin)中。將藉由發射事件之時間分箱判定螢光使用壽命的概念以圖形方式引入圖 5-8 中。在僅在時間t₁ 之前的時間t_e 時，藉由短或超短光學脈衝激發螢光分子或相同類型(例如，對應於圖 5 -7 的曲線B之類型)的螢光分子集。針對較大分子集，發射強度可具有類似於曲線B之時間剖面，如圖 5-8 中所描繪。

然而，對於單分子或少數分子而言，對於此實例，螢光光子之發射根據圖 5-7 中之曲線B的統計資料發生。時間分箱光偵測器5-322可將自發射事件產生之載流子積聚至離散時間分箱中。圖 5-8 指示三個分箱，但在實施例中可使用更少分箱或更多分箱。相對於螢光分子之激發時間t_e 以時間方式解析該等分箱。舉例而言，第一分箱可積聚在時間t₁ 與t₂ 之間的間隔期間產生的載流子，該積聚在時間t_e 的激發事件之後發生。第二分箱可積聚在時間t₂ 與t₃ 之間的間隔期間產生的載流子，且第三分箱可積聚在時間t₃ 與t₄ 之間的間隔期間產生的載流子。在加總大量發射事件時，時間分箱中積聚之載流子可接近圖 5-8 中所示之衰變強度曲線，且分箱信號可用於區分不同螢光分子或螢光分子所定位之不同環境。

時間分箱光偵測器5-322之實例係描述於2015年8月7日提交之標題為「Integrated Device for Temporal Binning of Received Photons」的美國專利申請案第14/821,656號且描述於2017年12月22日提交之標題為「Integrated Photodetector with Direct Binning Pixel」的美國專利申請案15/852,571中，該等申請案均以全文引用之方式併入本文中。出於解釋目的，在圖 5-9 中描繪時間分箱光偵測器之非限制性實施例。單一時間分箱光偵測器5-322可包含光子吸收/載流子產生區域5-902、載流子排放通道5-906及全部形成於半導體基板上之複數個載流子儲存分箱5-908a、5-908b。載流子輸送通道5-907可連接在光子吸收/載流子產生區域5-902與載流子儲存分箱5-908a、5-908b之間。在所說明實例中，展示兩個載流子儲存分箱，但可存在更多或更少。可存在連接至載流子儲存分箱之讀出通道5-910。光子吸收/載流子產生區域5-902、載流子排放通道5-906、載流子儲存分箱5-908a、5-908b及讀出通道5-910可藉由局部摻雜半導體及/或形成相鄰絕緣區域形成，以提供載流子之光偵測能力、限制及輸送。時間分箱光偵測器5-322亦可包括形成於基板上之複數個電極5-920、5-921、5-922、5-923、5-924，該等電極經組態以在裝置中產生電場以便經由該裝置輸送載流子。

在操作中，將來自脈衝式光學源5-108 (例如，鎖模雷射)之激發脈衝5-122之一部分遞送至在時間分箱光偵測器5-322上方的反應腔室5-330。最初，一些激發輻射光子5-901可到達光子吸收/載流子產生區域5-902且產生載流子(展示為亮陰影圓)。亦可存在與激發輻射光子5-901一起到達且產生對應載流子(展示為暗陰影圓)之一些螢光發射光子5-903。最初，由激發輻射產生之載流子之數目與由螢光發射產生的載流子之數目相比可為過大的。時間間隔|t_e -t₁ |期間產生之初始載流子可藉由以例如第一電極5-920將其閘控至載流子排放通道5-906中來抑制。

在後續時間，大部分螢光發射光子5-903到達光子吸收/載流子產生區域5-902且產生載流子(指示暗陰影圓)，該等載流子提供表示來自反應腔室5-330之螢光發射的有用及可偵測信號。根據一些偵測方法，稍後可閘控第二電極5-921及第三電極5-923以將稍後(例如，在第二時間間隔|t₁ -t₂ |期間)產生之載流子導向至第一載流子儲存分箱5-908a。隨後，稍後(例如，在第三時間間隔|t₂ -t₃ |)期間可閘控第四電極5-922及第五電極5-924，以將載流子導向至第二載體儲存分箱5-908b。對於大量激發脈衝而言可在激發脈衝之後以此方式繼續電荷積聚，以在各載流子儲存分箱5-908a、5-908b中積聚明顯數目的載流子及信號位準。稍後，可自分箱讀出信號。在一些實施中，對應於各儲存分箱之時間間隔以亞奈秒時間標度為單位，但在一些實施例中(例如，在螢光團具有更長衰變時間之實施例中)可使用更長時間標度。

在激發事件(例如，來自脈衝式光學源之激發脈衝)之後產生載流子且對載流子進行時間分箱的方法可在單一激發脈衝之後發生一次或可在多次激發脈衝之後在時間分箱光偵測器5-322的單一電荷積聚循環期間重複多次。在完成電荷積聚之後，載流子可經由讀出通道5-910自儲存分箱讀出。舉例而言，可將適當偏壓序列可施加至電極5-923、5-924且至少施加至電極5-940以將載流子自儲存分箱5-908a、5-908b移除。電荷積聚及讀出方法可以晶片5-140上產生資料訊框的大規模並行操作發生。

儘管結合圖 5-9 描述的實例包括多個電荷儲存分箱5-908a、5-908b，但在一些情況下可實際上使用單一電荷儲存分箱。舉例而言，僅分箱1 (bin1)可存在於時間分箱光偵測器5-322中。在此情況下，可以可變時間閘控方式操作單一儲存分箱5-908a，以在不同激發事件之後查看不同時間間隔。舉例而言，在第一系列激發脈衝中之脈衝之後，可閘控用於儲存分箱5-908a的電極，以收集在第一時間間隔期間(例如，在第二時間間隔|t₁ -t₂ |期間)產生之載流子，且可在第一預定數目個脈衝之後讀出積聚的信號。在同一反應腔室處後續系列激發脈衝中之脈衝之後，可閘控用於儲存分箱5-908a之相同電極，以收集在不同間隔期間(例如，在第三時間間隔|t₂ - t₃ |期間)產生之載流子，且可在第二預定數目個脈衝之後讀出積聚的信號。若需要，則可在後續時間間隔期間以類似方式收集載流子。以此方式，可使用單個載流子儲存分箱產生對應於在激發脈衝到達反應腔室之後的不同時段期間之螢光發射的信號位準。

不管針對激發之後的不同時間間隔進行電荷積聚的方式如何，讀出之信號可提供表示例如螢光發射衰變特徵之分箱之直方圖。在圖 5-10A 及圖 5-10B 中說明實例程序，其中兩個電荷儲存分箱用於自反應腔室獲取螢光發射。直方圖之分箱可指示在激發反應腔室5-330中的螢光團之後的各時間間隔期間偵測到的光子之數目。在一些實施例中，將在較大數目之激發脈衝之後積聚用於分箱之信號，如圖5- 10A中所描繪。激發脈衝可在由脈衝間隔時間T 分隔之時間t_e1 、t_e2 、t_e3 、……、t_eN 發生。在一些情況下，針對在反應腔室中所觀測到之單一事件(例如DNA分析中之單一核苷酸併入事件)，在電子儲存分箱中之信號積聚期間可存在介於10⁵ 個與10⁷ 個之間的施加至反應腔室之激發脈衝5-122 (或其部分)。在一些實施例中，一個分箱(分箱0 (bin0))可經組態以偵測使用各光學脈衝遞送之激發能量的振幅，且可用作參考信號(例如，以正規化資料)。在其他情況下，激發脈衝振幅可為穩定的，在信號獲取期間判定一或多次，且不會在每一激發脈衝之後判定，使得每一激發脈衝之後不存在bin0信號獲取。在此等情況下，由激發脈衝產生之載流子可被抑制且自如上文結合圖 5-9 所描述之光子吸收/載流子產生區域5-902轉儲。

在一些實施中，在激發事件之後可自螢光團發射僅單個光子，如圖 5-10A 中所描繪。在時間t_e1 之第一激發事件之後，在時間t_f1 發射之光子可在第一時間間隔內(例如，在時間t₁ 與t₂ 之間)出現，使得所得電子信號積聚於第一電子儲存分箱中(促成分箱1)。在時間t_e2 之後續激發事件中，在時間t_f2 發射之光子可在第二時間間隔內(例如，在時間t₂ 與t₃ 之間)出現，使得所得電子信號促成分箱2。在時間t_e3 之下一激發事件之後，光子可在第一時間間隔內出現之時間t_f3 發射。

在一些實施中，在反應腔室5-330處接收之每一激發脈衝之後發射及/或偵測到的螢光光子可不存在。在一些情況下，可存在針對遞送至反應腔室之每10,000個激發脈衝在反應腔室處偵測到的少至一個螢光光子。將鎖模雷射5-110實施為脈衝式激發源5-108之一個優點在於，鎖模雷射可以高脈衝重複率產生具有高強度及快速斷開時間之短光學脈衝(例如，介於50 MHz與250 MHz之間)。在此類高脈衝重複率之情況下，10毫秒電荷積聚間隔內之激發脈衝之數目可為50,000至250,000，使得可偵測信號可積聚。

在大量激發事件及信號積聚之後，可讀出時間分箱光偵測器5-322之載流子儲存分箱，以為反應腔室提供多值信號(例如，兩個值或更多值的直方圖、N維載體等)。各分箱之信號值可視螢光團之衰變速率而定。舉例而言且再次參考圖 5 -8 ，具有衰變曲線B之螢光團在分箱1至分箱2中之信號比將比具有衰變曲線A的螢光團高。可分析分箱之值且將其與校準值及/或彼此進行比較以判定存在之特定螢光團。對於定序應用，鑑別螢光團可判定併入至例如DNA生長股中之核苷酸或核苷酸類似物。對於其他應用，鑑別螢光團可判定所關注之分子或試樣之一致性，所關注之分子或試樣可鍵聯至螢光團或用螢光團標記。

為進一步幫助理解信號分析，可將積聚之多分箱值標繪為直方圖，例如，如圖 5-10B 中所描繪，或可記錄為N維空間中之載體或位置。可單獨地執行校準回合以獲取鍵聯至四種核苷酸或核苷酸類似物之四個不同螢光團的多值信號之校準值(例如，校準直方圖)。作為一實例，校準直方圖可如圖 5-11A (與T核苷酸相關之螢光標記)、圖 5 -11B (與A核苷酸相關之螢光標記)、圖 5 -11C (與C核苷酸相關的螢光標記)及圖 5 -11D (與G核苷酸相關之螢光標記)中所描繪呈現。經量測多值信號(對應於圖 5 -10B 之 直方圖)與校準多值信號之比較可判定正併入至DNA生長股中的核苷酸或核苷酸類似物之一致性「T」(圖 5 -11A )。

在一些實施中，可另外或替代地使用螢光強度以區分不同螢光團。舉例而言，一些螢光團可以顯著不同強度發射，或即使其衰變速率可為類似的，但其激發機率可具有顯著差異(例如，至少約35%之差異)。藉由將經分箱信號(分箱5-3)與經量測激發能量及/或其他所採集信號進行參考，可能有可能基於強度位準來區分不同螢光團。

在一些實施例中，可將相同類型之不同數目個螢光團鍵聯至不同核苷酸或核苷酸類似物，以使得可基於螢光團強度鑑別核苷酸。舉例而言，可將兩種螢光團鍵聯至第一核苷酸(例如，「C」)或核苷酸類似物，且可將四種或更多種螢光團鍵聯至第二核苷酸(例如，「T」)或核苷酸類似物。由於不同數目個螢光團，可存在與不同核苷酸相關之不同激發及螢光團發射機率。舉例而言，在信號積聚間隔期間可存在「T」核苷酸或核苷酸類似物之更多發射事件，以使得分箱之明顯強度顯著高於「C」核苷酸或核苷酸類似物。

基於螢光團衰變速率及/或螢光團強度區分核苷酸或任何其他生物或化學試樣使得能夠簡化分析儀器5-100中之光學激發及偵測系統。舉例而言，可以單一波長源(例如，產生一種特徵波長的來源而非多個來源或在多個不同特徵波長下操作之來源)執行光學激發。另外，在偵測系統中可能不需要波長辨別光學件及過濾材來區分不同波長之螢光團。又，各反應腔室可使用單一光偵測器以偵測來自不同螢光團的發射。

片語「特徵波長」或「波長」用以指有限輻射頻寬內之中心或主要波長(例如，藉由脈衝式光學源輸出之20 nm頻寬內的中心或峰值波長)。在一些情況下，「特徵波長」或「波長」可用以指藉由來源輸出之總輻射頻寬內的峰值波長。

發射波長在約560 nm與約900 nm之間的範圍內之螢光團可提供足夠量之螢光以便藉由時間分箱光偵測器(其可使用CMOS製程在矽晶圓上製造)偵測。可將此等螢光團鍵聯至所關注之生物分子，諸如用於基因定序應用之核苷酸或核苷酸類似物。可在矽類光偵測器中運用比在更長波長下之螢光高的響應度偵測此波長範圍中之螢光發射。另外，此波長範圍中之螢光團及相關連接子可不干涉核苷酸或核苷酸類似物併入至DNA生長股中。在一些實施中，發射波長在約560 nm與約660 nm之間的範圍內之螢光團可藉由單波長源光學激發。此範圍中之實例螢光團為Alexa Fluor 647，可購自Waltham, Massachusetts的Thermo Fisher Scientific Inc.。較短波長(例如，介於約500 nm與約650 nm之間)之激發能量可用於激發在約560 nm與約900 nm之間的波長下發射之螢光團。在一些實施例中，時間分箱光偵測器可例如藉由將諸如Ge之其他材料併入至光偵測器活性區域中，有效偵測來自反應腔室之更長波長發射。

吸收過濾材及相關方法之實施例在如下文進一步描述之各種組態中係可能的。實例裝置組態包括如下文所描述之組態(1)至(8)之組合。 (1)    一種多層吸收體過濾材，其包含：複數個吸收體(諸如半導體吸收體)層；及分離該複數個吸收體以形成多層堆疊之複數個介電材料層，其中在該多層堆疊內存在至少三個不同層厚度。吸收體可為半導體吸收體。 (2)    如組態(1)之過濾材，其中該複數個介電材料層包括至少兩種不同厚度。 (3)    如組態1或2之過濾材，其中該複數個吸收體層包括至少兩種不同厚度。 (4)    如組態(1)至(3)中任一者之過濾材，其中堆疊內存在至少四種不同層厚度。 (5)    如組態(1)至(4)中任一者之過濾材，其中堆疊內之一些厚度並不對應於過濾材經設計以對其進行阻擋的輻射的四分之一波長。 (6)    如組態(1)至(5)中任一者之過濾材，其中該三個不同層厚度中之至少兩者相差大於50%。 (7)    如組態(1)至(6)中任一者之過濾材，其中吸收劑體層包含摻雜矽。 (8)    如組態(1)至(7)中任一者之過濾材，其中吸收體層之厚度在20 nm與300 nm之間。 用於製造吸收體過濾材之方法可包括各種製程。實例方法包括如下文所描述之製程(9)至(13)之組合。此等製程可至少部分用以製造上文所列之組態之吸收過濾材。 (9)    一種形成多層吸收體過濾材之方法，該方法包含：沈積複數個吸收體層；及沈積分離該複數個吸收體以形成多層堆疊之複數個介電材料層，其中至少三個不同層厚度沈積於該多層堆疊內。 (10)  如(9)之方法，其中沈積該複數個吸收體層包含沈積相差至少20%之至少兩種不同厚度之吸收體。 (11)  如(9)或(10)之方法，其中沈積該複數個吸收體層包含沈積並非四分之一波長厚之吸收體層。 (12)  如(9)至(11)中任一者之方法，其中沈積該複數個介電材料層包含沈積相差至少20%的至少兩種不同厚度的介電材料。 (13)  如(9)至(12)中任一者之方法，其中沈積該複數個介電材料層包含沈積並非四分之一波長厚之介電材料層。 吸收過濾材之實施例可包括於螢光偵測總成中。此類實施例之實例係在組態(14)至(42)中列出。 (14)  一種螢光偵測總成，其包含：基板，其上形成有光學偵測器；反應腔室，其經配置以接收螢光分子；光波導，其安置於該光學偵測器與該反應腔室之間；及光學吸收過濾材，其包含安置於該光學偵測器與該反應腔室之間的半導體吸收層。 (15)  如組態(14)之總成，其進一步包含：具有在反應腔室與光學偵測器之間的開口之膜片層；接觸半導體吸收層之第一側面之第一罩蓋層；穿過第一罩蓋層及半導體吸收層之孔洞；及延伸穿過該孔洞之導電互連件。 (16)  如組態(14)或(15)之總成，其進一步包含至少一個介電層，該至少一個介電層配置於具有該半導體吸收層之堆疊中以形成吸收干擾過濾材，其中該堆疊之抑制比大於單獨的半導體吸收層之抑制比。 (17)  如組態(14)至(16)中任一者之總成，其進一步包含至少一個介電層，該至少一個介電層配置於具有該半導體吸收層及至少一個額外半導體吸收層之堆疊中以形成吸收干涉過濾材，其中該堆疊之抑制比大於單獨的半導體吸收層之抑制比。 (18)  如組態(14)至(17)中任一者之總成，其中該半導體吸收層包含足以吸收在反應腔室處導向之第一波長之激發輻射及自該反應腔室傳輸第二波長之發射輻射的帶隙。 (19)  如組態(18)之總成，其中第一波長對應於可見電磁光譜之綠色區域，且第二波長對應於可見電磁光譜之黃色區域或紅色區域。 (20)  如組態(19)之總成，其中第一波長在515奈米(nm)至540 nm之範圍內，且第二波長在620 nm至650 nm之範圍內。 (21)  如組態(19)之總成，其中該第一波長為大約532 nm，且該第二波長為大約572奈米。 (22)  如組態(18)之總成，其中帶隙在2.2 eV至2.3 eV範圍內。 (23)  如組態(14)至(22)中任一者之總成，其中該半導體吸收層包含二元II-VI半導體。 (24)  如組態(23)之總成，其中該半導體吸收層為碲化鋅。 (25)  如組態(23)之總成，其中該半導體吸收層與來自第II族或第VI族之第三元素合金化。 (26)  如組態(14)至(22)中任一者之總成，其中該半導體吸收層包含三元III-V半導體。 (27)  如組態(26)之總成，其中該半導體吸收層為氮化銦鎵。 (28)  如組態(14)至(27)中任一者之總成，其中該半導體吸收層為非晶形的。 (29)  如組態(14)至(27)中任一者之總成，其中該半導體吸收層為多晶的。 (30)  如組態(14)至(27)中任一者之總成，其中該半導體吸收層具有不小於20 nm之平均晶粒尺寸。 (31)  如組態(14)至(27)中任一者之總成，其中該半導體吸收層基本上為單晶。 (32)  如組態(14)至(31)中任一者之總成，其進一步包含接觸該半導體吸收層之第一罩蓋層。 (33)  如組態(32)之總成，其中該罩蓋層防止元素自該半導體吸收層擴散。 (34)  如組態(32)或(33)之總成，其中罩蓋層包含厚度為5 nm至200 nm之耐火金屬氧化物。 (35)  如組態(34)之總成，其中耐火金屬氧化物包含氧化鉭、氧化鈦或氧化鉿。 (36)  如組態(32)至(35)中任一者之總成，其中罩蓋層減少來自半導體吸收層的針對500 nm與750 nm之間的可見波長之光學反射。 (37)  如組態(32)至(36)中任一者之總成，其中罩蓋層提供總成中之半導體吸收層之增加的黏著。 (38)  如組態(32)至(37)中任一者之總成，其中該罩蓋層減少來自該總成中之半導體吸收層的平面內應力。 (39)  如組態(14)至(38)中任一者的總成，其進一步包含穿過光學吸收過濾材形成之開口及延伸穿過該開口之導電連接部。 (40)  如組態(14)至(39)中任一者之總成，其中該光學吸收過濾材形成於非平面構形上方。 (41)  如組態(40)之總成，其進一步包含穿過光學吸收過濾材形成之開口及延伸穿過該開口之導電連接部。 (42)  如組態(41)之總成，其中該開口位於該光學吸收過濾材與相鄰層之間的平坦化介面處且在該平坦化介面處已移除該半導體吸收層。 光學吸收過濾材之額外實施例描述於組態(43)至(54)中。 (43)  一種光學吸收過濾材，其包含形成於基板上之非平面構形上方的半導體吸收層。 (44)  如組態(43)之光學吸收過濾材，其中該半導體吸收層之至少一部分已藉由平坦化移除。 (45)  如組態(44)之光學吸收過濾材，其進一步包含延伸穿過由該半導體吸收層之經移除部分形成之開口的導電連接部。 (46)  如組態(43)至(45)中任一者之光學吸收過濾材，其中該半導體吸收層具有在10%內之均一厚度且符合該非平面構形。 (47)  如組態(46)之光學吸收過濾材，其中該半導體吸收層之部分基本上正交於該基板之平面延伸。 (48)  一種光學吸收過濾材，其包含形成於基板上之積體裝置中之三元III-V半導體吸收層。 (49)  如組態(48)之光學吸收過濾材，其中三元III-V半導體吸收層為單晶的。 (50)  如組態(48)或(49)之光學吸收過濾材，其中三元III-V半導體吸收層為氮化銦鎵。 (51)  如組態(48)至(50)中任一者之光學吸收過濾材，其中該積體裝置包括位於該光學吸收過濾材之相對側上的光學偵測器及反應腔室。 (52)  如組態(51)之光學吸收過濾材，其中該積體裝置進一步包括與該反應腔室位於該光學吸收過濾材之同一側上的光波導。 (53)  如組態(48)至(50)中任一者之光學吸收過濾材，其中該積體裝置包括位於該光學吸收過濾材之相對側上的光學偵測器及光波導。 (54)  如組態(48)至(53)中任一者之光學吸收過濾材，其進一步包含鄰近於該半導體吸收層形成之抗反射層，該抗反射層經組態以減少來自該半導體吸收層的針對500 nm與750 nm之間的可見波長之光學反射。 用於形成螢光偵測裝置之各種方法係可能的。實例方法包括如下文所描述之製程(55)至(58)之組合。此等製程可至少部分地用以製造上文所列之組態之螢光偵測裝置。 (55)  一種用於形成螢光偵測裝置之方法，該方法包含：在基板上形成光學偵測器；在該基板上之該光學偵測器上方形成半導體光學吸收過濾材；在該基板上之該光學偵測器上方形成光波導；及形成反應腔室，該反應腔室經組態以在該光學吸收過濾材及該光波導上方接收螢光分子。 (56)  如(55)之方法，其中形成該半導體光學吸收過濾材包含在非平面構形上方以保形方式沈積半導體吸收層。 (57)  如(55)或(56)之方法，其進一步包含形成與該半導體吸收層接觸之氧化物或氮化物罩蓋層以防止元素自該半導體吸收層擴散。 (58)  如(57)之方法，其進一步包含鄰近於半導體吸收層形成氧化物或氮化物罩蓋層，該氧化物或氮化物罩蓋層之厚度相較於不存在氧化物或氮化物罩蓋層之情況減少來自半導體吸收層的針對500 nm與750 nm之間的可見波長之光學反射。 用於改良光學偵測器之信號對雜訊比之各種方法係可能的。實例方法包括如下文所描述之製程(59)至(66)之組合。 (59)  一種改良光學偵測器之信號對雜訊比之方法，該方法包含：利用光波導將激發輻射遞送至反應腔室，其中光波導及反應腔室整合於基板上；使來自反應腔室之發射輻射傳遞通過包含半導體吸收層之光學吸收過濾材；利用光學偵測器偵測已傳遞通過該半導體吸收層之發射輻射；及利用該半導體吸收層減弱朝向光學偵測器行進之激發輻射。 (60)  如(59)之方法，其進一步包含利用該半導體吸收層使朝向該光學偵測器行進之激發輻射的減弱較已傳遞通過該半導體吸收層之發射輻射的減弱多10倍與100倍之間。 (61)  如(59)之方法，其進一步包含利用該半導體吸收層使朝向該光學偵測器行進之激發輻射的減弱較已傳遞通過半導體吸收層之發射輻射的減弱多100倍與1000倍之間。 (62)  如(59)之方法，其進一步包含利用該半導體吸收層使朝向該光學偵測器行進之激發輻射的減弱較已傳遞通過半導體吸收層之發射輻射的減弱多1000倍與3000倍之間。 (63)  如(59)至(62)中任一項之方法，其中激發輻射具有在500 nm至540 nm範圍內之第一特徵波長且發射輻射具有在560 nm與690 nm之間的第二特徵波長。 (64)  如(59)至(63)中任一項之方法，其進一步包含使該發射輻射傳遞通過接觸該半導體吸收層之第一罩蓋層。 (65)  如(64)之方法，其進一步包含利用第一罩蓋層減少來自該半導體吸收層的發射輻射之反射。 (66)  如(59)至(65)中任一項之方法，其中該第一罩蓋層包含厚度為5 nm至200 nm之耐火金屬氧化物。 (67)  如(59)至(66)中任一項之方法，其進一步包含利用該罩蓋層減少來自該半導體吸收層之平面內應力。

III. 結論

因此在已描述用於先進分析系統5-100之系統架構之若干實施例的若干態樣的情況下，應瞭解，熟習此項技術者將容易想到各種更改、修改及改良。此類更改、修改及改良意欲為本發明之一部分，且意欲在本發明之精神及範疇內。雖然本教示內容已結合各種實施例及實例進行描述，但並不意欲本教示內容限於此類實施例或實例。相反，如熟習此項技術者將瞭解，本教示內容涵蓋各種替代方案、修改及等效物。

雖然已描述且說明各種發明性實施例，但是一般熟習此項技術者將易於設想用於執行功能及/或獲得結果及/或所描述的優點中之一或多者的各種其他構件及/或結構，且將此類變化及/或修改中之各者視為在所描述之發明性實施例的範疇內。更一般而言，熟習此項技術者將易於瞭解，所描述之所有參數、尺寸、材料及組態意謂為實例且實際參數、尺寸、材料及/或組態將取決於使用本發明教示的一或多個特定應用。熟習此項技術者將認識到或使用不超過常規實驗便能夠確定所描述之特定發明性實施例之許多等效物。因此，應理解，前述實施例僅藉助於實例呈現且在隨附申請專利範圍及其等效物之範疇內，發明性實施例可以不同於特定描述及主張之其他方式來實踐。本發明之發明性實施例可針對所描述的各單獨特徵、系統、系統升級及/或方法。另外，若此類特徵、系統、系統升級及/或方法不相互不一致，則兩個或更多個此類特徵、系統及/或方法之任何組合包括於本發明的發明性範疇內。

另外，儘管可指示本發明之一些優點，但應瞭解，並非本發明之每一實施例皆將包括每一所描述之優點。一些實施例可不實施描述為有利的任何特徵。因此，前文描述及圖式僅藉助於實例。

本申請案中所引用的所有文獻及類似材料，包括(但不限於)專利、專利申請案、文章、著作、論文及網頁，不管該等文獻及類似材料之格式如何，皆明確以全文引用之方式併入本文中。在所併入文獻及類似材料中之一或多者(包括但不限於定義之術語、術語用法、所描述之技術等)與本申請案不同或抵觸的情況下，以本申請案為準。

所使用之章節標題僅出於組織目的而不應視為以任何方式限制所描述的主題。

又，所描述的技術可實體現為一種方法，已提供其至少一個實例。作為方法之部分的所執行之動作可以任何適合的方式排序。因此，可建構如下實施例：其中動作以不同於所說明之次序的次序執行，亦即，可包括同時執行一些動作，即使此等動作在說明性實施例中展示為連續動作。

如所定義及使用之所有定義應理解為支配辭典定義、以引用方式併入的文獻中之定義及/或所定義術語之普通含義。

在說明書及申請專利範圍中數值及範圍可描述為近似或準確值或範圍。舉例而言，在一些情況下，可參考值使用術語「約」、「大約」及「基本上」。此類參考意欲涵蓋參考值以及加上及減去值之合理變化。舉例而言，片語「介於約10與約20之間」在一些實施例中欲意謂「介於恰好10與恰好20之間」，以及在一些實施例中欲意謂「介於10 ± δ1與20 ± δ2之間」。值之變化δ1、δ2之量在一些實施例中可小於值的5%、在一些實施例中小於值之10%且又在一些實施例中小於值的20%。在給定較大值範圍(例如，包括兩個或更多個數量級之範圍)之實施例中，值的變化δ1、δ2之量可高達50%。舉例而言，若可操作範圍自2延伸至200，則「大約80」可涵蓋介於40與120之間的值，且範圍可大至介於1與300之間。在預期準確值時，使用術語「恰好」，例如，「介於恰好2與恰好200之間」。

術語「相鄰」可指緊密接近彼此配置(例如，在小於約兩個元件中之較大者的橫向或豎直尺寸之五分之一的距離內)之兩個元件。在一些情況下，相鄰元件之間可存在介入結構或層。在一些情況下，相鄰元件可在無介入結構或元件之情況下緊鄰彼此。

除非明確相反指示，否則如在本說明書及申請專利範圍中使用之不定冠詞「一(a/an)」應理解為意謂「至少一個」。

如在說明書及申請專利範圍中使用之片語「及/或」應理解為意謂如此結合之要素的「任一者或兩者」，亦即，在一些情況下以結合方式存在且在其他情況下未結合地存在的要素。用「及/或」列出的多個要素應以相同方式解釋，亦即，如此結合之「一或多個」要素。可視情況存在除了藉由「及/或」條項所具體鑑別之要素以外的其他要素，無論與具體鑑別之彼等要素相關或不相關。因此，作為非限制性實例，參考「A及/或B」在結合諸如「包含」之開放式措辭使用時，在一個實施例中可僅指A (視情況包括除了B以外的要素)；在另一實施例中可僅指B (視情況包括除了A以外的要素)；在又一實施例中可指A及B兩者(視情況包括其他要素)；等等。

如在本說明書及申請專利範圍中所用，「或(or)」應理解為具有與上文所定義之「及/或」相同的含義。舉例而言，當在清單中分離各項時，「或」或「及/或」應解釋為包括性的，亦即，不僅包括多個要素或要素清單中之至少一者，而且包括超過一者，及視情況存在的其他未列項。相反，僅明確指出的術語，諸如「……中之唯一者」或「……中之恰好一者」或當在申請專利範圍中使用時，「由……組成」將係指包括多個要素或要素清單中之恰好一個元件。一般而言，如所用之術語「或」當前面具有排他性術語(諸如「任一」、「……中之一者」、「……中之僅一者」或「……中之恰好一者」)時，僅應解釋為指示排他性替代物(亦即，「一者或另一者，但非兩者」)。當用於申請專利範圍中時，「主要由……組成」應具有如其在專利法律領域中所使用之普通含義。

如說明書及申請專利範圍中所用，片語「至少一個」在提及一或多個要素之清單時，應理解為意謂選自要素清單之任一或多個要素中的至少一個要素，但不一定包括要素清單內具體所列之每一個要素中之至少一者且不排除要素清單中之任何要素組合。此定義亦允許可視情況存在除片語「至少一個」所指的要素之清單內具體鑑別的要素以外的要素，而無論與具體鑑別的彼等要素相關抑或不相關。因此，作為非限制性實例，「A及B中之至少一者」 (或等效地「A或B中之至少一者」或等效地「A及/或B中之至少一者」)在一個實施例中可指至少一個(視情況包括多於一個) A而不存在B (且視情況包括除B以外的要素)；在另一實施例中，指至少一個(視情況包括多於一個) B而不存在A (且視情況包括除A以外的要素)；在又一實施例中，指至少一個(視情況包括多於一個) A及至少一個(視情況包括多於一個) B (且視情況包括其他要素)；等。

在申請專利範圍中以及在上述說明書中，諸如「包含」、「包括」、「攜載」、「具有」、「含有」、「涉及」、「擁有」、「由……構成」及其類似者之全部過渡性片語應理解為開放的，亦即，意謂包括但不限於。僅過渡片語「由......組成」及「基本由......組成」分別應為封閉或半封閉過渡片語。

除非陳述為彼效果，否則申請專利範圍不應讀作限於所描述之次序或要素。應理解，一般熟習此項技術者可在不脫離隨附申請專利範圍之精神及範疇的情況下作出形式及細節中之各種變化。主張出現在以下申請專利範圍及其等效物之精神及範疇內的所有實施例。

1-105:基板 1-110:透明或半透明層 1-115:光波導 1-122:感測器 1-130:反應腔室 1-135:半導體吸收體 1-137:透明或半透明層 1-170:互連件 1-122:感測器 1-224:儲存及讀出電子件 1-230:反應腔室 1-235:半導體吸收體 1-237:通孔或孔洞 1-240:膜片層 1-242:開口 1-250:光阻擋層 1-260:豎直導電互連件或通孔 1-334:材料介入層 1-335:半導體吸收體 1-336:半導體吸收材料 2-135:半導體吸收體 2-160:豎直互連件 2-170:平面內互連件 2-210:半導體吸收層 2-220:罩蓋層 2-600:多層半導體吸收體過濾材 2-610:包圍材料 2-620:介電材料 2-630:半導體吸收體 2-640:包圍材料 2-700:多層半導體吸收體過濾材 3-110:第一層 3-112:第二層 3-113:凹陷 3-114:頂峰 3-135:半導體吸收體 3-210:絕緣通孔 3-230:填充材料 3-310:絕緣通孔 3-312:第二層 3-314:第三層 3-410:第一抗蝕劑 3-420:第二經圖案化抗蝕劑 3-430:蝕刻空腔 3-435:空腔壁 3-437:頂表面 3-440:導柱 4-100:實例結構 4-105:半導體基板 4-110:生物光電晶片 4-115:波導 4-120:壁 4-130:儲集器 4-140:像素 4-150:光學埠 5-100:分析儀器 5-102:儀器底盤或框架 5-105:增益介質 5-108:脈衝式光學源 5-110:雷射模組 5-111:空腔端鏡/輸出耦合器 5-119:空腔端鏡 5-115:光學耦合系統 5-119:雷射空腔端鏡 5-120:空腔內脈衝 5-122:輸出光學脈衝 5-125:光軸 5-130:電子電路板 5-140:生物光電晶片 5-150:波束轉向模組 5-160:分析系統 5-310:光柵耦合器 5-312:光波導 5-315:錐形部分 5-317:第二光柵耦合器 5-320:四邊形偵測器 5-322:光偵測器 5-323:積體電子裝置 5-324:積體光電二極管 5-330:反應腔室 5-322:時間分箱光偵測器 5-340:分箱 5-350:塗層 5-410:周圍介質 5-420:消逝光場 5-510:目標核酸 5-512:DNA生長股 5-520:聚合酶 5-530:光學過濾材 5-540:金屬化層 5-610:核苷酸或核苷酸類似物 5-620:連接子 5-630:螢光團 5-901:激發輻射光子 5-902:光子吸收/載流子產生區域 5-903:螢光發射光子 5-906:載流子排放通道 5-907:載流子輸送通道 5-908a:載流子儲存分箱 5-908b:載流子儲存分箱 5-910:讀出通道 5-920:電極 5-921:電極 5-922:電極 5-923:電極 5-924:電極

熟習此項技術者將理解，本文所描述之圖式僅出於說明之目的。應理解，在一些情況下，可放大或增大展示本發明之各種態樣以有助於本發明之理解。在圖式中，在通篇各種圖中，相同參考標號一般係指相同特徵、功能上類似及/或結構上類似之元件。圖式未必為按比例的，實際上重點在於說明教示之原理。圖式不意欲以任何方式限制本教示之範疇。

圖 1-1 描繪根據一些實施例之積體裝置之像素處的結構的實例。

圖 1-2 描繪根據一些實施例之積體裝置之像素處的結構的實例。

圖 1-3 描繪根據一些實施例之積體裝置之像素處的結構的實例。

圖 2-1 說明根據一些實施例之實例半導體吸收體結構。

圖 2-2 標繪根據一些實施例的光學透射率隨著ZnTe半導體吸收層之波長變化。

圖 2-3 標繪根據一些實施例的抑制比R_r 隨著InGaN半導體吸收層之厚度變化。

圖 2-4 為實例半導體吸收層之透射電子顯微圖。

圖 2-5 標繪根據一些實施例的透射率隨著入射於多層半導體吸收體上之輻射之波長變化。

圖 2- 6A 描繪根據一些實施例之多層吸收體過濾材之實例。

圖 2-6B 標繪根據一些實施例的透射率隨著入射於多層半導體吸收體上之輻射之波長變化的另一實例。

圖 2-6C 標繪根據一些實施例的反射率、吸收率及透射率隨著入射於多層半導體吸收體上之s 偏振輻射之角度變化。

圖 2-7 描繪根據一些實施例之多層吸收體過濾材的另一實例。

圖 3-1 說明根據一些實施例之形成於構形上方的實例吸收體。

圖 3-2 說明根據一些實施例之形成於構形上方之實例吸收體。

圖 3-3 說明根據一些實施例之形成於構形上方之實例吸收體。

圖 3-4A 描繪根據一些實施例之可用以在構形上方形成半導體吸收體的經圖案化之抗蝕劑層。

圖 3-4B 說明根據一些實施例的與在構形上方形成半導體吸收體相關聯的結構。

圖 3-4C 說明根據一些實施例的與在構形上方形成半導體吸收體相關聯的結構。

圖 3-4D 說明根據一些實施例的與在構形上方形成半導體吸收體相關聯的結構。

圖 3-4E 說明根據一些實施例的與在構形上方形成半導體吸收體相關聯的結構。

圖 4 描繪根據一些實施例之積體裝置之一部分之剖示立體圖。

圖 5-1A 為根據一些實施例的包括緊湊鎖模雷射模組之分析儀器的方塊圖描繪。

圖 5- 1B 描繪根據一些實施例的併入至分析儀器中之緊湊鎖模雷射模組。

圖 5 -2 描繪根據一些實施例之光學脈衝列。

圖 5-3 描繪根據一些實施例的可藉由脈衝雷射經由一或多個波導以光學方式激發之平行反應腔室之實例且進一步展示用於各腔室之對應偵測器。

圖 5 -4 說明根據一些實施例的自波導對反應腔室之光學激發。

圖 5-5 描繪根據一些實施例的積體反應腔室、光波導及時間分箱光偵測器之其他細節。

圖 5-6 描繪根據一些實施例的可在反應腔室內發生之生物反應的實例。

圖 5 -7 描繪具有不同衰變特徵之兩種不同螢光團的發射機率曲線。

圖 5 -8 描繪根據一些實施例的螢光發射之時間分箱偵測。

圖 5 -9 描繪根據一些實施例的時間分箱光偵測器。

圖 5-10A 描繪根據一些實施例的來自反應腔室之螢光發射的脈衝激發及時間分箱偵測。

圖 5-10B 描繪根據一些實施例的在重複分析物之脈衝激發之後各種時間格中的積聚螢光光子計數之直方圖。

圖 5-11A 至 圖 5-11D 描繪根據一些實施例的可對應於四種核苷酸(T、A、C、G)或核苷酸類似物之不同直方圖。

本發明之特徵及優勢將自下文結合圖式所闡述之實施方式而變得更顯而易見。在參考圖式描述實施例時，可使用方向參考(「在...上方(above)」、「在...下方(below)」、「頂部(top)」、「底部(bottom)」、「左側(left)」、「右側(right)」、「水平(horizontal)」、「豎直(vertical)」等)。此類參考僅意欲作為讀者在正常定向上觀看圖式之輔助。此等方向參考不意欲描述實施裝置之特徵的較佳或唯一定向。裝置可使用其他定向實施。

2-600:多層半導體吸收體過濾材

2-610:包圍材料

2-620:介電材料

2-630:半導體吸收體

Claims (67)

1. 一種多層吸收體過濾材，其包含： 複數個吸收體層；及 分離該複數個吸收體以形成多層堆疊之複數個介電材料層，其中在該多層堆疊內存在至少三種不同層厚度。
2. 如請求項1之過濾材，其中該複數個介電材料層包括至少兩種不同厚度。
3. 如請求項1或2之過濾材，其中該複數個吸收體層包括至少兩種不同厚度。
4. 如請求項1或2之過濾材，其中在該堆疊內存在至少四種不同層厚度。
5. 如請求項1或2之過濾材，其中該堆疊內之該等厚度中之一些並不對應於該過濾材經設計以對其進行阻擋的輻射之四分之一波長。
6. 如請求項1或2之過濾材，其中該三種不同層厚度中之至少兩者相差大於50%。
7. 如請求項1或2之過濾材，其中該等吸收體層包含摻雜矽。
8. 如請求項1或2之過濾材，其中該等吸收體層之厚度在20 nm與300 nm之間。
9. 一種形成多層吸收體過濾材之方法，該方法包含： 沈積複數個吸收體層；及 沈積分離該複數個吸收體以形成多層堆疊之複數個介電材料層，其中至少三種不同層厚度沈積於該多層堆疊內。
10. 如請求項9之方法，其中沈積該複數個吸收體層包含沈積相差至少20%之至少兩種不同厚度之吸收體。
11. 如請求項9或10之方法，其中沈積該複數個吸收體層包含沈積並非四分之一波長厚之吸收體層。
12. 如請求項9或10之方法，其中沈積該複數個介電材料層包含沈積相差至少20%之至少兩種不同厚度之介電材料。
13. 如請求項9或10之方法，其中沈積該複數個介電材料層包含沈積並非四分之一波長厚之介電材料層。
14. 一種螢光偵測總成，其包含： 基板，其上形成有光學偵測器； 反應腔室，其經配置以接收螢光分子； 光波導，其安置於該光學偵測器與該反應腔室之間；及 光學吸收過濾材，其包含安置於該光學偵測器與該反應腔室之間的半導體吸收層。
15. 如請求項14之總成，其進一步包含： 膜片層，其具有在該反應腔室與該光學偵測器之間的開口； 第一罩蓋層，其接觸該半導體吸收層之第一側； 穿過該第一罩蓋層及半導體吸收層之孔洞；及 延伸穿過該孔洞之導電互連件。
16. 如請求項14或15之總成，其進一步包含至少一個介電層，該至少一個介電層配置於具有該半導體吸收層之堆疊中以形成吸收干擾過濾材，其中該堆疊之抑制比大於單獨的該半導體吸收層之抑制比。
17. 如請求項14或15之總成，其進一步包含至少一個介電層，該至少一個介電層配置於具有該半導體吸收層及至少一個額外半導體吸收層之堆疊中以形成吸收干擾過濾材，其中該堆疊之抑制比大於單獨的該半導體吸收層之抑制比。
18. 如請求項14或15之總成，其中該半導體吸收層包含足以吸收在該反應腔室處導向之第一波長之激發輻射且自該反應腔室傳輸第二波長之發射輻射的帶隙。
19. 如請求項18之總成，其中該第一波長對應於可見電磁光譜之綠色區域，且該第二波長對應於可見電磁光譜之黃色區域或紅色區域。
20. 如請求項19之總成，其中該第一波長係在515奈米(nm)至540 nm之範圍內，且該第二波長係在620 nm至650 nm之範圍內。
21. 如請求項19之總成，其中該第一波長為大約532 nm，且該第二波長為大約572奈米。
22. 如請求項18之總成，其中該帶隙在2.2 eV至2.3 eV範圍內。
23. 如請求項14之總成，其中該半導體吸收層包含二元II-VI半導體。
24. 如請求項23之總成，其中該半導體吸收層為碲化鋅。
25. 如請求項23之總成，其中該半導體吸收層與來自第II族或第VI族之第三元素合金化。
26. 如請求項14之總成，其中該半導體吸收層包含三元III-V半導體。
27. 如請求項26之總成，其中該半導體吸收層為氮化銦鎵。
28. 如請求項14至27中任一項之總成，其中該半導體吸收層為非晶形的。
29. 如請求項14至27中任一項之總成，其中該半導體吸收層為多晶的。
30. 如請求項14至27中任一項之總成，其中該半導體吸收層具有不小於20 nm之平均晶粒尺寸。
31. 如請求項14至27中任一項之總成，其中該半導體吸收層為基本上單晶的。
32. 如請求項14至31中任一項之總成，其進一步包含接觸該半導體吸收層之第一罩蓋層。
33. 如請求項32之總成，其中該罩蓋層防止元素自該半導體吸收層擴散。
34. 如請求項32之總成，其中該罩蓋層包含厚度為5 nm至200 nm之耐火金屬氧化物。
35. 如請求項34之總成，其中該耐火金屬氧化物包含氧化鉭、氧化鈦或氧化鉿。
36. 如請求項32至35中任一項之總成，其中該罩蓋層減少來自該半導體吸收層的針對500 nm與750 nm之間的可見波長之光學反射。
37. 如請求項32至36中任一項之總成，其中該罩蓋層提供該總成中之該半導體吸收層的增加之黏著。
38. 如請求項32至36中任一項之總成，其中該罩蓋層減少來自該總成中之該半導體吸收層的平面內應力。
39. 如請求項14至36中任一項之總成，其進一步包含穿過該光學吸收過濾材形成之開口及延伸穿過該開口之導電連接部。
40. 如請求項14至36中任一項之總成，其中該光學吸收過濾材形成於非平面構形上方。
41. 如請求項40之總成，其進一步包含穿過該光學吸收過濾材形成之開口及延伸穿過該開口之導電連接部。
42. 如請求項41之總成，其中該開口位於該光學吸收過濾材與相鄰層之間的平坦化介面處且在該平坦化介面處已移除該半導體吸收層。
43. 一種光學吸收過濾材，其包含形成於基板上之非平面構形上方的半導體吸收層。
44. 如請求項43之光學吸收過濾材，其中該半導體吸收層之至少一部分已藉由平坦化移除。
45. 如請求項44之光學吸收過濾材，其進一步包含延伸穿過由該半導體吸收層之經移除部分形成之開口的導電連接部。
46. 如請求項43至45中任一項之光學吸收過濾材，其中該半導體吸收層具有在10%內之均一厚度且符合該非平面構形。
47. 如請求項46之光學吸收過濾材，其中該半導體吸收層之部分基本上正交於該基板之平面延伸。
48. 一種光學吸收過濾材，其包含形成於基板上之積體裝置中之三元III-V半導體吸收層。
49. 如請求項48之光學吸收過濾材，其中該三元III-V半導體吸收層為單晶的。
50. 如請求項48或49之光學吸收過濾材，其中該三元III-V半導體吸收層為氮化銦鎵。
51. 如請求項48至50中任一項之光學吸收過濾材，其中該積體裝置包括位於該光學吸收過濾材之相對側上的光學偵測器及反應腔室。
52. 如請求項51之光學吸收過濾材，其中該積體裝置進一步包括與該反應腔室位於該光學吸收過濾材之同一側上的光波導。
53. 如請求項48至50中任一項之光學吸收過濾材，其中該積體裝置包括位於該光學吸收過濾材之相對側上的光學偵測器及光波導。
54. 如請求項48至53中任一項之光學吸收過濾材，其進一步包含鄰近於該半導體吸收層形成之抗反射層，該抗反射層經組態以減少來自該半導體吸收層的針對500 nm與750 nm之間的可見波長之光學反射。
55. 一種形成螢光偵測裝置之方法，該方法包含： 在基板上形成光學偵測器； 在該基板上之該光學偵測器上方形成半導體光吸收過濾材； 在該基板上之該光學偵測器上方形成光波導；及 形成反應腔室，該反應腔室經組態以在該光學吸收過濾材及該光波導上方接收螢光分子。
56. 如請求項55之方法，其中形成該半導體光學吸收過濾材包含在非平面構形上方以保形方式沈積半導體吸收層。
57. 如請求項55或56之方法，其進一步包含形成與該半導體吸收層接觸之氧化物或氮化物罩蓋層以防止元素自該半導體吸收層擴散。
58. 如請求項57之方法，其進一步包含鄰近於該半導體吸收層形成該氧化物或氮化物罩蓋層，該氧化物或氮化物罩蓋層之厚度相較於不存在該氧化物或氮化物罩蓋層之情況減少來自該半導體吸收層的針對500 nm與750 nm之間的可見波長之光學反射。
59. 一種改良光學偵測器之信號對雜訊比之方法，該方法包含： 利用光波導將激發輻射遞送至反應腔室，其中該光波導及反應腔室整合於基板上； 使來自該反應腔室之發射輻射傳遞通過包含半導體吸收層之光學吸收過濾材; 利用光學偵測器偵測已傳遞通過該半導體吸收層之發射輻射；及 利用該半導體吸收層減弱朝向該光學偵測器行進之激發輻射。
60. 如請求項59之方法，其進一步包含利用該半導體吸收層使朝向該光學偵測器行進之該激發輻射的減弱較已傳遞通過該半導體吸收層之該發射輻射的減弱多10倍與100倍之間。
61. 如請求項59之方法，其進一步包含利用該半導體吸收層使朝向該光學偵測器行進之該激發輻射的減弱較已傳遞通過該半導體吸收層之該發射輻射的減弱多100倍與1000倍之間。
62. 如請求項59之方法，其進一步包含利用該半導體吸收層使朝向該光學偵測器行進之該激發輻射的減弱較已傳遞通過該半導體吸收層之該發射輻射的減弱多1000倍與3000倍之間。
63. 如請求項59之方法，其中該激發輻射具有在500 nm至540 nm之範圍內的第一特徵波長，且該發射輻射具有在560 nm與690 nm之間的第二特徵波長。
64. 如請求項59至63中任一項之方法，其進一步包含使該發射輻射傳遞通過接觸該半導體吸收層之第一罩蓋層。
65. 如請求項64之方法，其進一步包含利用該第一罩蓋層減少來自該半導體吸收層的該發射輻射之反射。
66. 如請求項59至65中任一項之方法，其中該第一罩蓋層包含厚度為5 nm至200 nm之耐火金屬氧化物。
67. 如請求項59至66中任一項之方法，其進一步包含利用該罩蓋層減少來自該半導體吸收層之平面內應力。

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