TW202115382A - 用於積體裝置之光學奈米結構抑制器及其方法 - Google Patents

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詹姆士 畢區
凱爾 普雷斯頓
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Abstract

本發明描述與光子帶隙光學奈米結構相關之設備及方法。此等光學奈米結構可展現禁止光子帶隙或允許光子帶隙，且可用於抑制(例如，阻斷或衰減)第一波長下之輻射，同時允許透射第二波長下之輻射。光子帶隙光學奈米結構之實例包括在一個、兩個或三個維度中具有週期性或準週期性且在至少兩個維度中具有結構變化的週期性及準週期性結構。此等光子帶隙光學奈米結構可形成於包括光電二極體及經配置以分析由該等光電二極體接收之輻射之CMOS電路的積體裝置中。

Description

用於積體裝置之光學奈米結構抑制器及其方法
本申請案係關於用光學奈米結構減少積體裝置中之非想要輻射。
在用於分析樣本之儀器區域中，微型晶片可用於平行分析大量分析物或試樣(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位點。激發輻射可激發各位點處之試樣、連接至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，可自位點發射輻射且可由感測器偵測所發射輻射。自位點之所發射輻射獲得或缺少所發射輻射之資訊可用於判定彼位點處之試樣的特徵。
描述與光子帶隙光學奈米結構相關之設備及方法。此等光學奈米結構可展現禁止光子帶隙或允許光子帶隙，且可用於抑制第一波長下之輻射(例如，阻斷或衰減該輻射之大部分)，同時允許透射第二波長下之輻射。光子帶隙光學奈米結構之實例包括在兩個或三個維度中具有結構變化且在一個、兩個或三個維度中具有週期性或準週期性的週期性及準週期性結構。此等光子帶隙光學奈米結構可形成於積體裝置中，該等積體裝置包括光學感測器，諸如光電二極體、CCD光電二極體陣列、CMOS光電二極體陣列、影像感測器陣列、螢光感測器陣列等。在一實例實施例中，光子帶隙光學奈米結構可與用於分析試樣之儀器結合使用，其中光學偵測用於分析藉由試樣回應於遞送至該試樣之光學激發而發射之輻射。光子帶隙光學奈米結構在此等情況下可適用於減少造成背景雜訊之一或多個波長帶中之某些輻射，同時允許透射含有有用信號之波長帶中之輻射，藉此改良信雜比(signal-to-noise ratio)。
一些實施例係關於一種積體裝置，其包含具有第一表面之基板及形成於該基板上之複數個像素。該等複數個像素中之至少一些包含：反應室，其經組態以接收樣本；感測器，其經組態以偵測自該反應室發射之輻射；波導，其經組態以將激發輻射耦合至該反應室；及光學奈米結構，其安置於該波導與該感測器之間。該光學奈米結構經圖案化以包括平行於該基板之該第一表面的平面中之結構變化且抑制該激發輻射之至少一部分在垂直於該第一表面之方向上入射於該光學奈米結構上。
在一些實施例中，該等結構變化至少在該平面之一個維度中為週期性或準週期性的。
在一些實施例中，該光學奈米結構展現光子帶隙。
在一些實施例中，該等結構變化在該平面之兩個維度中為週期性或準週期性的。
在一些實施例中，該等結構變化展現150 nm與500 nm之間的週期性。
在一些實施例中，該光學奈米結構在該等結構變化內不具有缺失或顯著不同之週期性組件。
在一些實施例中，該光學奈米結構包含具有第一折射率之介電材料之第一複數個離散區。
在一些實施例中，該介電材料之該第一複數個離散區在該平面中展現100 nm與300 nm之間的寬度。
在一些實施例中，該光學奈米結構包含該介電材料之第二複數個離散區，該介電材料之該第一及該第二離散區沿垂直於該基板之該第一表面的方向彼此隔開。
在一些實施例中，介電材料之該第一及該第二離散區沿平行於該平面之方向彼此交錯。
在一些實施例中，該介電材料之該第一複數個離散區藉由具有不同於該第一折射率之第二折射率的材料之區域分離。
在一些實施例中，該介電材料之該第一複數個離散區在垂直於該平面之方向上延伸。
在一些實施例中，該介電材料之該第一複數個離散區沿垂直於該基板之該第一表面之方向展現100 nm與300 nm之間的高度。
在一些實施例中，該積體裝置進一步包含安置於該反應室與該感測器之間的膜片。
在一些實施例中，該積體裝置進一步包含安置於該反應室與該感測器之間的光學元件，該光學元件增大該發射輻射於該感測器上之聚集。
在一些實施例中，該光學元件包含介電材料之圓盤，該介電材料對於相同波長之該發射輻射具有與圍繞該圓盤之材料之第二折射率不同的第一折射率。
一些實施例係關於一種操作積體裝置之方法。該方法包含由在基板上形成之波導將激發輻射耦合至鄰近該波導形成之反應室，該激發輻射具有第一波長；使來自該反應室之發射輻射穿過光學奈米結構至感測器，其中該光學奈米結構經圖案化以包括平行於該基板之第一表面的平面中之結構變化，且其中該發射輻射具有不同於該第一波長之第二波長並且回應於該激發輻射對該反應室中之至少一個發射極的激發而產生；且用該光學奈米結構抑制該激發輻射之至少一部分。
在一些實施例中，該方法進一步包含用該基板上形成之感測器偵測穿過該光學奈米結構之該發射輻射的至少一部分。
在一些實施例中，抑制該激發輻射之一部分包含使該激發輻射之該部分自該光學奈米結構反射。
在一些實施例中，該第一波長在該光學奈米結構之光子帶隙內。
在一些實施例中，該第二波長在該光學奈米結構之該光子帶隙外部。
在一些實施例中，該等結構變化至少在該平面之一個維度中為週期性或準週期性的。
在一些實施例中，該等結構變化在該平面之兩個維度中為週期性或準週期性的。
在一些實施例中，該方法進一步包含使來自該反應室之該發射輻射穿過膜片。
在一些實施例中，該方法進一步包含用該膜片抑制該激發輻射。
在一些實施例中，該方法進一步包含用位於該反應室與光學奈米結構之間的介電圓盤聚集該發射輻射。
一些實施例係關於一種用於製造積體裝置之方法。該方法包含在具有第一表面之基板上形成複數個像素，使得該等複數個像素中之至少一些包含反應室及感測器；在該等複數個像素中之至少一些中形成波導；且在該波導與該感測器之間的該等複數個像素中之至少一些中形成光學奈米結構。形成該光學奈米結構包含使第一介電材料圖案化以包括平行於該基板之該第一表面的平面中之結構變化。
在一些實施例中，使第一介電材料圖案化包含在該第一介電材料中形成週期性或準週期性圖案。
在一些實施例中，使該第一介電材料圖案化以包括結構變化包含蝕刻該第一介電材料以在該第一介電材料中形成空隙。
在一些實施例中，該方法進一步包含用不同於該第一介電材料之第二介電材料填充該等空隙。
在一些實施例中，該方法進一步包含在該等複數個像素中之至少一些中形成該波導之前執行平坦化製程步驟。
在一些實施例中，形成該波導包含使用與該第一介電材料相同的材料形成該波導。
可結合隨附圖式根據以下描述更充分地理解本教示內容之前述及其他態樣、實施方案、作用、功能、特徵以及實施例。
相關申請案之交叉參考
本申請案根據35 U.S.C. § 119(e)主張2019年6月19日根據代理人案號R0708.70061US00申請之名稱為「OPTICAL NANOSTRUCTURE REJECTER FOR AN INTEGRATED DEVICE AND RELATED METHODS」的美國臨時專利申請案第62/863,635號之優先權，其特此以全文引用之方式併入本文中。
I. 具有光學奈米結構抑制器之積體裝置
下文主要結合分析樣本之儀器描述光學奈米結構抑制器之實施例。然而，發明性實施例並不僅限於分析樣本之儀器。光學奈米結構抑制器可適用於其他應用，諸如光學成像裝置、光學感測器、半導體雷射或發光二極體等。
用於分析樣本之儀器不斷改良且可併有微型裝置(例如，電子晶片、光電晶片、微流體晶片等)，此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、燃燒副產物或有毒化學組分)、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，使得技術員或醫療人員可易於將儀器攜帶至需要服務之現場且快速及精確地分析樣本。在臨床環境中，可能需要用於更複雜之樣本分析(諸如人類基因之定序)或全血球計數分析的桌上型大小之儀器。
在先進分析儀器(諸如美國專利申請案公開案第2015/0141267號及美國專利9,617,594中所描述之彼等分析儀器，兩者皆以引用之方式併入本文中)中，拋棄式積體裝置(亦被稱作「晶片」及「拋棄式晶片」)可用於執行大規模平行樣本分析。積體裝置可包含經封裝生物光電晶片，在該經封裝生物光電晶片上可存在具有經配置以用於一個樣本或不同樣本之平行分析的反應室之大量像素。舉例而言，在生物光電晶片上具有反應室之像素數目可介於約10,000與約10,000,000之間。在一些實施例中，拋棄式晶片可安裝至先進分析儀器之插座中且與儀器中之光學及電子組件介接。拋棄式晶片可容易地由使用者置換以用於各新樣本分析。
圖 1-1 為描繪可包括於例如生物光電晶片之像素中之一些組件的簡化圖。在樣本分析裝置中，像素可包括反應室1-130、光波導1-115、光學奈米結構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傳輸至像素且將激發輻射提供至反應室1-130。在一些實施例中，可經由瞬逝耦合將由波導1-115傳輸之激發輻射耦合至反應室1-130。箭頭1-140描繪激發輻射自波導1-115至反應室1-130之耦合。激發輻射可激發存在於反應室1-130中之一或多種分析物。可藉由感測器1-122偵測自分析物發射之輻射。箭頭1-142描繪在下游方向上傳播之發射輻射(儘管發射射線可以其他角度發射)。根據一些實施例，來自感測器1-122之信號或其缺失可提供關於反應室1-130中存在或不存在分析物之資訊。在一些實施方案中，來自感測器1-122之信號可鑑別存在於反應室中之分析物之類型。
對於樣本分析，可將含有一或多種分析物之樣本沈積於反應室1-130上方。舉例而言，可將樣本安置於反應室1-130上方之儲集器或微流體通道中，使得樣本與反應室發生接觸。在一些情況下，樣本可以液滴之形式印刷於包括反應室1-130之經處理表面上。在樣本分析期間，來自待分析之樣本的至少一種分析物可進入反應室1-130中。在一些實施方案中，分析物自身可在藉由自波導1-115遞送之激發輻射1-140激發時發螢光。在一些情況下，分析物本身可攜帶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室1-130中之螢光團。當螢光實體進入反應室中且藉由激發輻射激發時，螢光實體可在與藉由感測器1-122偵測之激發輻射不同之波長下發射輻射。
本發明人已認識到且瞭解，沿波導1-115行進之激發輻射之一部分可遠離波導1-115輻射，且在一些情況下可藉由感測器1-122接收並偵測(無論直接由波導抑或在反射及/或散射時)。激發輻射之偵測可干擾發射輻射之偵測且降低信雜比。此反過來可不利地影響裝置分析或鑑別樣本之能力。
遠離波導1-115之激發能量之輻射(由箭頭1-144指示)可由於波導自身之散射而產生，此可由波導側壁之粗糙度或波導、波導與鄰近材料之界面或鄰近材料中之其他缺陷的存在引起。另外或替代地，激發能量可由於波導芯之折射率與波導包層之折射率之間的差異有限的事實而遠離波導輻射，從而產生朝向感測器1-122延伸之瞬逝場。
本發明人已認識到且瞭解，藉由在波導1-115與感測器1-122之間插入諸如光學奈米結構1-135之光學抑制器，可減少激發輻射之偵測，由此改良信雜比。光學奈米結構可經組態以基於激發輻射與發射輻射之間的特徵波長之差異區分信號與雜訊。光學奈米結構可經設計以抑制(例如，阻斷或衰減大部分)激發輻射1-144，同時允許發射輻射1-142穿過且達至感測器1-122。在一些情況下，大部分入射於光學奈米結構1-135上且朝向感測器1-122行進之發射輻射1-142透射通過光學奈米結構。在一些實施例中，光學奈米結構可包括經設計以展現至少一個光子帶隙之光學奈米結構，由此抑制入射於光學奈米結構1-135上且具有光子帶隙內之波長的光能。
本發明人已認識到且瞭解，可藉由形成週期性(或準週期性)光學奈米結構來實現光子帶隙光學抑制器，該光學奈米結構在一個、兩個或三個維度中具有週期性且在至少兩個維度中具有結構變化。在一些實施例中，週期性(或準週期性)可產生其中禁止光傳播之光譜帶(光子帶隙)。特性類似於週期性固態晶體內部禁止之具有某一波長之布洛赫波(Bloch wave)。在禁止帶隙內，入射於光學奈米結構上之輻射相消地干涉且因此經抑制。在一些實施例中，光學奈米結構可經設計以使得激發輻射之波長落入禁止光子帶隙內，而發射輻射之波長落入禁止光子帶隙外部。因此，透射發射輻射且反射激發輻射。在一些實施方案中，透射大部分發射輻射且反射大部分激發輻射。在一些實施方案中，透射75%與95%之間的發射輻射且反射75%與95%之間的激發輻射。在一些實施方案中，透射85%與99%之間的發射輻射且反射85%與99%之間的激發輻射。
根據一些實施例，可獲得相反效能，由此光學奈米結構經設計以展現允許光子帶(而非禁止光子帶隙)。在此等實施例中，透射允許光子帶內之波長，而抑制允許帶外部之波長。在一些此等實施例中，光學奈米結構可經設計以使得激發輻射之波長落入允許光子帶外部，而發射輻射之波長落入允許光子帶內。因此，根據上文結合光子帶隙光學奈米結構所描述之量，(至少部分地)透射發射輻射且(至少部分地)反射激發輻射。
如上文所提及，本文中所描述之類型之光學奈米結構不限於僅與具有描述於圖 1-1 中之結構的積體裝置結合使用。更一般而言，本文中所描述之光學奈米結構之實施例可用於其中期望抑制一或多個波長或一或多個波長範圍且期望准許透射一或多個波長或一或多個波長範圍的應用中。在其他可能情形中，本文中所描述之光學奈米結構可與光通信系統、光學成像系統、激光雷射系統(Lidar system)等結合使用。
圖 1-2 為根據一些實施例的說明實例光學奈米結構之模擬光譜回應之曲線圖。特定言之，圖 1-2 描繪與實例光學奈米結構相關之反射係數(1-202)、透射係數(1-204)及吸收係數(1-206)隨波長而變化。反射係數表示反射輻射之功率與入射輻射之功率之間的比率。透射係數表示透射輻射之功率與入射輻射之功率之間的比率。吸收係數表示吸收功率與入射輻射之功率之間的比率。如圖 1 -2 中所說明，此光學奈米結構展現大約515 nm與大約550 nm之間的禁止光子帶隙(1-201)。對於禁止光子帶隙1-201內之波長，透射係數1-204小於0.1，表明小於10%之入射功率穿過光學奈米結構。反射或吸收剩餘之功率。在此情況下，反射50%至80%之入射功率，且吸收其餘功率。下文提供實例光學奈米結構之細節。
對於禁止光子帶隙1-201外部之波長，更大量之入射功率可透射通過光學奈米結構。舉例而言，在大於570 nm之波長下，可透射50%或更高之入射功率。在大於600 nm之波長下，可透射90%或更高之入射功率。在一些實施例中，光學奈米結構可經設計以使得激發輻射之波長落入光子帶隙1-201內且發射輻射之波長落入光子帶隙1-201外部。在此奈米結構之一個特定實例中，激發輻射可具有510 nm與550 nm之間的波長且發射波長可在560 nm與700 nm之間。對於經設計以在不同波長範圍處具有光子帶隙之光學奈米結構，激發及發射波長之其他值亦為可能的。光子帶隙可具有有限頻寬。頻寬可為例如小於150 nm、小於100 nm、小於50 nm或小於30 nm。
對於圖 1-2 中所繪製之結果，實例奈米結構為二維週期性光學奈米結構(其中之一實例描繪於圖 1-3D 中)。奈米結構經配置為形成於單層氧化矽材料中之氮化矽柱之立方體結構。柱之週期性p3 為250 nm且柱寬w3 為140 nm。層之厚度為125 nm。
光子帶隙1-201之光譜位置及光子帶隙內及外部之係數值可視如將在下文進一步描述的奈米結構之不同結構特徵(例如，週期性、材料、柱寬或線寬、柱形狀等)而定。在一些實施例中，可根據待分析之樣本類型及/或可用之激發源及發射體類型來調整光學奈米結構之特徵。在一些實施例中，結構特徵可經調整以使得在一些實施例中25%與15%之間(包括端值)、在一些實施例中15%與10%之間(包括端值)、在一些實施例中10%與5%之間(包括端值)以及在一些實施例中5%與1%之間(包括端值)的光子帶隙內之入射輻射透射通過奈米結構。在一些情況下，光子帶隙內小於1%之入射輻射透射通過奈米結構。在一些實施例中，結構特徵可經調整以使得在一些實施例中50%與75%之間(包括端值)、在一些實施例中75%與90%之間(包括端值)、在一些實施例中90%與95%之間(包括端值)以及在一些實施例中95%與99%之間(包括端值)的光子帶隙外部之入射輻射透射通過光學奈米結構。在一些情況下，光子帶隙外部大於99%之入射輻射透射通過光學奈米結構。
圖 1-2 之光譜回應係關於一種經設計以展現禁止光子帶隙之光學奈米結構，由此抑制具有光子帶隙內之波長的輻射且透射具有光子帶隙外部之波長的輻射。替代地，光學奈米結構可經設計以展現允許光子帶，由此透射具有允許光子帶內之波長的輻射且抑制具有允許光子帶外部之波長的輻射。一個此類奈米結構之光譜回應(圖 1 -2 中未說明)可在允許光子帶內展現高透射係數(例如，在一些實施例中50%與75%之間(包括端值)、在一些實施例中75%與90%之間(包括端值)、在一些實施例中90%與95%之間(包括端值)以及在一些實施例中95%與99%之間(包括端值))，且在允許光子帶外部展現低透射係數(例如，在一些實施例中25%與15%之間(包括端值)、在一些實施例中15%與10%之間(包括端值)、在一些實施例中10%與5%之間(包括端值)以及在一些實施例中5%與1%之間(包括端值))。此類光學奈米結構可經設計以使得激發輻射之波長落入允許光子帶外部且發射輻射之波長落入允許光子帶內。
返回參考圖 1-1 ，可將反應室1-130形成為透明或半透明層1-110。根據一些實施例，反應室可具有介於50 nm與1 µm之間的深度。在一些實施例中，反應室1-130之最小直徑可在50 nm與300 nm之間。若將反應室1-130形成為零模式波導，則最小直徑可能在一些情況下甚至小於50 nm。若分析大型分析物，則最小直徑可大於300 nm。反應室可位於光波導1-115上方，使得反應室之底部可至多在波導1-115之頂部上方500 nm。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，使得例如來自光波導1-115之激發輻射及來自反應室1-130之發射輻射將穿過透明或半透明層1-110，而不會衰減超過10%。
在一些實施方案中，可存在一或多個形成於基板1-105上且位於基板與光波導1-115之間的額外透明或半透明層1-137。在一些實施方案中，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。舉例而言，光學奈米結構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。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上之半導體光電二極體。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(complementary metal-oxide-semiconductor；CMOS)電路。
光學奈米結構1-135可經配置以展現禁止光子帶隙或允許光子帶。如上文所描述，可選擇光子帶隙或允許帶之光譜位置以抑制激發輻射且允許發射輻射穿過奈米結構至感測器1-122。在一些實施例中，光學奈米結構1-135經圖案化以包括平行於基板之表面(例如，表面1-107)的平面(圖 1 -1 中之xy 平面)中之結構變化及週期性。在一些實施例中，光學奈米結構1-135可具有在xy 平面中為週期性(或準週期性)之結構變化。結構變化可在一個維度(諸如沿x軸或y軸)中或在兩個維度(諸如沿x軸及y軸)中為週期性(或準週期性)的。在一些實施例中，結構變化可涉及兩種或更多種不同折射率之材料。
根據一些實施例，在一個維度中具有週期性且在至少兩個維度中具有結構變化之光學奈米結構之實例描繪於圖 1-3A 中。在所實施之一維結構中，桿體可在y 方向上延伸遠大於週期性或間距P1 之有限距離。在一些實施方案中，在y 方向上延伸之距離遠大於所關注區域(例如，反應室1-130之直徑、波導1-115之寬度或感測器1-122之直徑)。圖 1 -3A 說明沿平行或實質上平行於基板1-105之表面1-107的一個軸線(此實例中之x軸)為週期性之光學奈米結構。在此實例中，光學奈米結構1-135包括以週期性方式沿x軸交替之兩種材料(1-302及1-304)。材料1-302及1-304在發射輻射之波長下具有不同折射率且/或在激發輻射之波長下具有不同折射率。在一些實施例中，光學奈米結構在結構變化內不具有缺失或顯著不同之週期性組件。應瞭解，在一些實施例中，可使用且可以週期性圖案配置超過兩種材料(例如，交替兩種材料或將第三種材料週期性地添加至所示圖案中)。
根據本文中所描述之實施例，任何適合的材料1-302及1-304可用於形成光學奈米結構。實例材料包括(但不限於)介電材料及導電材料中之一者或兩者。此等介電材料及導電材料之實例包括矽(非晶形、奈米晶、微晶、單晶或多晶、摻雜或未摻雜)、氮化矽、碳化矽、氧化矽及其摻合物或混合物(包括富矽氮化物及/或氮摻雜之矽以及其他)、空氣、聚合物、鋁、銅、氮化鈦、鎢、氧化鈦、鍺、鉭等。在一個實例中，材料1-302包括矽且材料1-304包括氮化矽。在另一實例中，材料1-302包括矽且材料1-304包括氧化矽。在另一實例中，材料1-302包括矽且材料1-304包括聚合物。在另一實例中，材料1-302包括氮化矽且材料1-304包括氧化矽。在另一實例中，材料1-302包括氮化矽且材料1-304包括空氣。其他組合亦為可能的。
本發明人已發現某些材料可用於光學奈米結構1-135之設計中以最佳化效能，包括具有特定n及k值之富矽氮化物材料。舉例而言，此等材料可在光學奈米結構1-135之設計中用作濾光器，或用作用於形成如本文中所描述之光學奈米結構1-135的介電材料及導電材料中之任一者。此等材料之非限制性實例包括富矽氮化物材料。富矽氮化物材料之兩個實例(富矽氮化物I及富矽氮化物II)之特徵分別展示於圖 6-1A 及圖 6-1B 之圖形中。各圖形中所展示的係材料相對於波長之n (折射率)及k (消光係數)值。
在圖 1-3A 之所說明實例中，光學奈米結構1-135包括沿x軸週期性重複之單位單元。其中單位單元重複之週期性(P1 )可在一些實施例中介於150 nm與2 µm之間，在一些實施例中介於150 nm與1 µm之間，在一些實施例中介於150 nm與500 nm之間，在一些實施例中介於150 nm與400 nm之間，在一些實施例中介於150 nm與300 nm之間，在一些實施例中介於200 nm與300 nm之間，在一些實施例中介於230 nm與270 nm之間或在一些實施例中介於240 nm與260 nm之間。其他範圍亦為可能的。第一材料1-302沿x軸之寬度(W1 )可在一些實施例中介於50 nm與1 µm之間，在一些實施例中介於50 nm與500 nm之間，在一些實施例中介於100 nm與500 nm之間，在一些實施例中介於100 nm與300 nm之間，在一些實施例中介於150 nm與300 nm之間，在一些實施例中介於100 nm與250 nm之間，在一些實施例中介於150 nm與250 nm之間，在一些實施例中介於100 nm與150 nm之間，在一些實施例中介於150 nm與200 nm之間，在一些實施例中介於130 nm與150 nm之間或在一些實施例中介於130 nm與140 nm之間。在一些實施例中，可選擇週期性P1 及寬度W1 以使得所得光學奈米結構之光譜回應抑制激發輻射且允許發射輻射穿過。舉例而言，可選擇P1 及W1 以使得所選激發輻射之特徵波長落入禁止光子帶隙內且所得發射輻射之特徵波長落在禁止光子帶隙外部，或使得發射輻射之波長落入允許光子帶內且激發輻射之波長落在允許光子帶外部。
材料1-302及1-304可以任何適合之方式，諸如使用下文結合圖 4-1A 至圖 4-1J 所論述之製造製程形成光學奈米結構。在一些實施例中，材料1-302及1-304可經由一或多個微影步驟，例如藉由使用適當設計之光罩及光微影製程來圖案化。在一些實施例中，如圖 1 -3A 之實例中所展示，材料1-302包括沿y軸延伸之複數個桿體，但不同形狀及定向亦為可能的。
在一些實施例中，光學奈米結構1-135可包括以週期性或準週期性方式配置之多個材料層。在一些實施例中，具有多個層可改良光學奈米結構之透射及/或反射係數。舉例而言，具有多個層可致使禁止光子帶隙內之反射係數增加及禁止光子帶隙外部之透射係數增加，或可致使允許光子帶內之透射係數增加及允許光子帶外部之反射係數增加。
圖 1-3B 說明根據一些實施例的具有以週期性方式配置之多個材料層之奈米結構的實例正視圖。此實例說明具有在z 方向上堆疊之四層的光學奈米結構，但可使用任何其他適合數目之層。在多層光學奈米結構中，可沿垂直於基板1-105之表面1-107的軸線(例如，沿z 軸)在不同位置處形成各層。在一些情況下，各層可包括在一個維度(如例如圖 1 -3A 中所展示)中為週期性或在兩個維度(例如，沿x 軸及y 軸)中為週期性之經圖案化材料1-302、1-304。圖 1 -3B 之光學奈米結構包括第一材料(例如，介電材料或導電材料)之第一複數個離散區(1-302)及具有不同折射率之第二材料(介電材料、導電材料或空氣)之第二複數個離散區(1-304)。
在一些實施例中，一個層之離散區相對於另一層之離散區而交錯。舉例而言，在圖 1-3B 之實例光學奈米結構中，第一及第三層中之每一者相對於第二及第四層沿x 軸交錯。
多層光學奈米結構之各層之高度(H1 )或厚度可在一些實施例中介於50 nm與1 µm之間，在一些實施例中介於50 nm與500 nm之間，在一些實施例中介於100 nm與500 nm之間，在一些實施例中介於100 nm與300 nm之間，在一些實施例中介於150 nm與300 nm之間，在一些實施例中介於100 nm與250 nm之間，在一些實施例中介於150 nm與250 nm之間，在一些實施例中介於100 nm與150 nm之間，在一些實施例中介於150 nm與200 nm之間，在一些實施例中介於120 nm與150 nm之間，在一些實施例中介於120 nm與140 nm之間，在一些實施例中介於120 nm與130 nm之間或在一些實施例中介於130 nm與140 nm之間。其他範圍亦為可能的。不同層可具有不同高度。替代地，所有層可具有基本上相同之高度。
在一些實施例中，光學奈米結構可具有在平面內之兩個維度中為週期性或準週期性之結構變化。在平面內之兩個維度中具有結構變化之光學奈米結構之實例描繪於圖 1-3C 及圖 1-3D 中。在圖 1 -3C 之實例中，第二材料1-314之行藉由第一材料1-312之區域彼此分離。第一及第二材料1-312、1-314可為上文關於材料1-302、1-304所描述之材料中之任一者。在圖 1 -3C 之實例中，第二材料1-314可具有比第一材料1-312更低之折射率值。在圖 1 -3D 之實例中，第一材料1-322之行藉由第二材料1-324之區域彼此分離。第一及第二材料1-322、1-324可為上文關於材料1-302、1-304所描述之材料中之任一者。在圖 1 -3D 之實例中，第二材料1-324可具有比第一材料1-322更高之折射率值。
對於圖 1-3C 及圖 1-3D 中所描繪之實例，沿x 軸之週期性(P2 及P3 )可具有上文結合圖 1-3A 所描述之範圍中之任一者中的值。類似地，沿y 軸之週期性可具有上文結合圖 1 -3A 所描述之範圍中之任一者中的值。由平面二維光學奈米結構之單位單元內之一種材料形成的特徵可具有任何適合之形狀，諸如正方形、矩形、多邊形、三角形、圓形或不規則。沿x 軸之結構特徵之寬度(W2 及W3 )可具有上文結合圖 1 -3A 所描述之範圍中之任一者中的值。類似地，沿y 軸之結構特徵之寬度可具有上文結合圖 1 -3A 所描述之範圍中之任一者中的值。在一些實施例中，可以堆疊形式沿z 軸形成平面二維光學奈米結構之多個層，諸如圖 1 -3C 或圖 1 -3D 中所展示之彼等。可類似於圖 1-3B 之配置來交錯該等層。各層之高度(H3 )可具有上文結合圖 1-3B 所描述之範圍中之任一者中的值。
與一個維度中之光學奈米結構週期性相比，兩個或三個維度中之彼等週期性提供額外設計參數。因此，兩個或三個維度中之光學奈米結構週期性提供更大可撓性以工程改造所要光譜回應。舉例而言，在一些實施例中，兩個或三個維度中之光學奈米結構週期性在光子帶隙或允許光子帶內具有更平的光譜回應且/或在光子帶隙或允許光子帶之邊緣處具有更陡的衰減。更陡的衰減可導致在光子帶隙或允許帶之邊緣附近之激發及發射波長之透射係數與反射係數之間的更大差異。
結合圖 1-3A 、圖 1-3B 、圖 1-3C 及圖 1-3D 描述之實例展現一個或兩個維度中之週期性。另外或替代地，準週期性光學奈米結構可用於實現以禁止光子帶隙或允許光子帶為特徵之光譜回應。根據一些實施例，其中所描述之類型之準週期性光學奈米結構可包括兩個或更多個交替建構嵌段。準週期性光學奈米結構之實例包括基於斐波那契序列(Fibonacci sequence)之一維光子結構(圖 1-3E 中所展示)、基於彭羅斯結構(Penrose structure)之二維光子結構(圖 1-3F 中所展示)、具有二十面體准結晶結構之三維光子結構、基於Thue-Morse序列之一維、二維或三維光子結構、基於週期倍增序列(period-doubling sequence)之一維、二維或三維光子結構、基於魯丁-夏皮羅序列(Rudin-Shapiro sequence)之一維、二維或三維光子結構、基於康托序列(Cantor sequence)之一維、二維或三維光子結構及其他。一些此等結構可產生具有光子帶隙或允許帶之光譜回應，即使其不具有平移對稱性。本文中所描述之類型之準週期性結構可明確為非週期性的。
返回參考圖 1-1 ，波導1-115與感測器1-122之間的光學奈米結構之存在可致使激發輻射1-144抑制，同時允許發射能量1-142之透射。激發輻射1-144可直接來自波導1-115及/或由裝置之其他表面散射。本發明人已認識到且瞭解，本實施例之光學奈米結構可相較於例如多層介電干涉濾光器更有效地減少激發輻射1-144自寬角度範圍之透射。
圖 1-4A 及圖 1-4B 描繪對具有類似於圖 1-1 中所描繪之實例結構之積體裝置進行計算的實例電場圖案。然而，微盤包括於模擬中且位於波導1-115與光學奈米結構1-135之間。微盤在下文經進一步描述且有助於將發射輻射聚集至感測器1-122上。對於此模擬，波導1-115及光學奈米結構包含由氧化矽圍繞之氮化矽。光學奈米結構形成為具有如圖 1 -3D 中所展示之立方晶體之單層平面二維奈米結構。第一材料1-322由氮化矽形成且第二材料1-324由氧化矽形成。對於此實例，間距P3 為260 nm，寬度W3 為160 nm，且層H3 之厚度為125 nm。
對於此實例模擬，激發輻射具有532 nm之特徵波長(λ=λ激發 )且發射輻射具有572 nm之特徵波長(λ=λ發射 )。其他光學奈米結構參數(週期性、寬度、厚度等)及/或其他波長(包括例如500 nm-540 nm範圍中之激發波長，以產生620 nm-650 nm範圍中之發射波長)可用於其他實施例中。用在模擬域內利用具有以下激發及發射輻射之初始條件求解麥克斯韋方程(Maxwell's equations) (例如，使用時域有限差分分析(finite-difference time-domain analysis))之軟體計算電場圖案：1)將λ=λ激發 下之輻射自外部源耦合至單模波導1-115中，及2)在反應室1-130中產生λ=λ發射 下之輻射。
如對於λ=λ激發 之圖 1-4A 中所說明，電場之大部分受限於將激發輻射遞送至反應室1-130之波導1-115內。然而，可觀量之激發輻射的電場由於與波導相關之瞬逝場以及來自波導壁及包括反應室之像素內之其他結構的散射而在波導1-115下方延伸。光學奈米結構1-135可將大部分激發電場反射回至波導。不存在光學奈米結構1-135，電場可達至感測器1-122且造成背景雜訊。此結果將為非所要的，因為其可降低偵測系統之信雜比。在波導1-115與感測器1-122之間使用光學奈米結構導致在鄰近感測器1-122之區域中電場之量值實質性減小。因此，顯著減少所偵測之激發能量的量。
如圖 1-4B 中所說明，在λ=λ發射 下自反應室1-130朝向感測器行進之發射輻射大部分透射通過光學奈米結構1-135且可行進至感測器1-122。如上文所提及，微盤1-145有助於將發射輻射聚集(concentrate/condense)至感測器1-122上。
本發明人已進一步認識到，激發輻射可在一些情況下以不同入射角照在光學奈米結構1-135上。除其他可能原因外，此可能為由於激發輻射在照在光學奈米結構上之前經多次反射且自像素內之結構散射出的結果。認識到此問題，本發明人已瞭解例如本實施例之光學奈米結構之有利特徵係能夠在比多層干涉濾光器更寬之入射角範圍內抑制輻射。
與其他類型之光學抑制器相比，本文中所描述之類型的光學奈米結構在寬入射角範圍內提供光學抑制。對於單層光學奈米結構，此行為係由於在xy 平面中存在週期性或準週期性結構變化(在一個或兩個維度中)。圖 1 -5 為說明在所關注之波長下與兩種不同光學結構相關之抑制比率之曲線圖，其繪製為入射角(橫軸)之函數。抑制比率為在特徵發射波長(在此實例中為572 nm)下透射通過光學結構之發射輻射量除以在特徵激發波長(在此實例中為532 nm)下透射通過光學結構之激發輻射量的比率。將相同量之功率入射於光學結構上以用於發射輻射及激發輻射。相對於光學結構之平面表面之法線量測入射角。
針對沿z 軸具有交替折射率之具有23層(但可使用任何其他數目之層，諸如10與50之間的層、10與40之間的層、20與50之間的層或20與40之間的層以及其他)之多層干涉濾光器，繪製第一抑制比率曲線1-501。此光學結構在xy 平面中不展現結構變化。因此，在各xy 平面中，折射率為均勻的。此光學結構之抑制比率在低於20º相對較高，但對於大於20º之入射角顯著下降。此下降意謂可觀量的以大於約22º之角度照在光學結構上之激發輻射透射通過光學結構且可在感測器1-122處產生背景信號。
針對具有平面內結構變化之本實施例之實例單層光學奈米結構，繪製第二抑制比率曲線1-502。實例光學奈米結構具有立方晶格，其中將基本上正方形之氮化矽柱嵌入氧化矽中。柱具有140 nm之寬度且x 方向及y 方向兩者中之週期性為250 nm。層之厚度為125 nm。如圖 1-5 中所說明，對於低於45º之所有角度，抑制比率大於約10。因此，與多層干涉濾光器相比，此光學奈米結構可在更寬之入射角範圍內提供更佳之激發輻射抑制。
可包括於積體裝置之像素處之光學結構的另一實例展示於圖 2-1 中。根據一些實施方案，可將一或多個膜片層2-110形成於感測器1-122上方。膜片層2-110可包括穿過光還原材料之開口或孔2-112。光還原材料可包含金屬、聚合物、半導體或抑制(例如，吸收及/或反射)入射於膜片層2-110上之大部分激發輻射的任何材料。在一些情況下，光還原材料亦可抑制發射輻射。孔2-112可允許來自反應室1-130之發射穿過膜片層2-110且達至感測器1-122，同時光還原材料阻斷或衰減來自其他方向(例如，來自鄰近像素或來自經散射激發輻射)之輻射。舉例而言，膜片層2-110可阻斷或衰減寬入射角下之經散射激發輻射，以免照在感測器1-122上並造成背景雜訊。在一些實施例中，膜片層2-110可由導電材料形成且向形成於基板1-105上或上方之電路提供電勢參考平面或接地平面。在一些實施例中，膜片層2-110可由介電材料形成。膜片層中之孔2-112可以任何適合之方式成形，諸如正方形、矩形、圓盤、橢圓、多邊形等。
在圖 2-1 之實例中，包括兩個膜片層2-110。將一個膜片層安置於波導1-115與光學奈米結構1-135之間。將另一膜片層安置於光學奈米結構1-135與感測器1-122之間。然而，應瞭解可使用任何其他適合數目之膜片層及位置。在一些情況下，可使用單一膜片層且可使其位於反應室1-130與光學奈米結構1-135之間或光學奈米結構1-135與感測器1-122之間。
在一些實施例中，聚光光學元件2-160可用於將自反應室發射之發射輻射聚集至感測器上。在圖 2-1 之實例中，聚光光學元件2-160位於反應室1-130與光學奈米結構1-135之間，但其他位置亦為可能的。根據一些實施例，聚光光學元件2-160可由在發射輻射之波長下透明之一或多種材料製成且其折射率不同於(例如，大於)圍繞聚光光學元件2-160之材料的折射率。以此方式，聚光光學元件2-160可提供來自反應室1-130之發射輻射的一些聚焦。在一些實施例中，光學元件2-160可成形為圓盤(例如，微盤)，藉此提供旋轉對稱性。光學元件2-160可經定位以使得圓盤之中心沿z 軸與反應室1-130之中心而對準。在一些實施例中，反應室1-130、光學元件2-160、膜片2-112及感測器1-122可沿z 軸彼此對準。
根據一些實施例，本文中所描述之類型的裝置可藉由材料沈積及圖案化之連續步驟來製造以在積體裝置之晶片中建立多個層級。在一些實施方案中，可藉由將兩個基板或晶圓彼此結合來獲得用於積體裝置之晶片。舉例而言，積體裝置(其中像素處之實例結構描繪於圖 2 -1 中)可由可經對準且結合至CMOS基板1-101之生物光學基板1-100形成。實例生物光學基板1-100可包括若干像素，各像素具有反應室1-130、波導1-115、光學奈米結構1-135及視情況選用之一或多個膜片層2-110以及一或多個光學元件2-160。實例CMOS基板1-101可包括具有感測器1-122 (例如，每像素一個感測器)之若干對應像素及用於處理由感測器產生之信號的電路。層2-202表示可用於路由及/或處理信號之導體層或半導體層。
根據一些實施例，在圖 2-2 中描繪一對膜片層2-110及聚光光學元件2-160之效果。如所說明，實質上平行於z 軸發射之射線直接穿過膜片層中之開口。藉由膜片層2-110中之一者抑制以實質上偏離z 軸之角度發射之射線。藉由光學元件2-160聚焦以較小角度發射之射線。因此，將自反應室1-130發射之輻射聚集至感測器1-122上，由此增大信雜比。
可包括於積體裝置之像素處之結構的另一實例展示於圖 2-3 中。根據一些實施方案，可將一或多個光還原層2-150形成於層1-110上方，反應室1-130可形成於該層1-110中。光還原層2-150可由一或多個金屬層形成。在一些情況下，光還原層2-150可包括半導體及/或氧化層。光還原層2-150可減少或防止來自光波導1-115之激發輻射行進至反應室1-130上方之樣本中且激發樣本內之螢光團。另外，光還原層2-150可防止來自反應室上方之外部輻射穿過至感測器1-122。來自反應室外部之發射可造成非想要背景輻射及信號雜訊。可結合本文中所描述之實施例中之任一者使用光還原層2-150。
根據一些實施例，實例拋棄式晶片結構3-100展示於圖 3 中。拋棄式晶片結構3-100可包括生物光電晶片3-110，其具有半導體基板3-105且包括形成於基板上之複數個像素3-140。各像素3-140可具有如上文結合圖 1 -1 至圖 2 -3 所描述之光學奈米結構之結構及實施例。在一些實施例中，可存在將激發輻射提供至像素3-140之列(或行)之波導3-115的列(或行)。在一些實施方案中，圖 1 -1 之波導1-115可用作此等波導中之任一者。激發輻射可例如經由光學埠3-150耦合至波導中。在一些實施例中，光柵耦合器可形成於生物光電晶片3-110之表面上，以將來自聚焦光束之激發輻射耦合至一或多個連接至複數個波導3-115之接收波導中。
拋棄式晶片結構3-100可進一步包括在晶片3-110上之像素區周圍形成之壁3-120。壁3-120可為支撐晶片之塑膠或陶瓷殼體之一部分。壁3-120可形成至少一個儲集器3-130，其中至少一個樣本可經置放且與生物光電晶片3-110之表面上的反應室1-130發生直接接觸。舉例而言，壁3-120可防止儲集器3-130中之樣本流入含有光學埠3-150及光柵耦合器之區域中。在一些實施例中，拋棄式晶片結構3-100可進一步包括拋棄式晶片之外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3-110上之電路與晶片所安裝之儀器中的電路之間進行電連接。
如上文所提及，光學奈米結構1-135並不僅限於如圖 3 中所描繪之拋棄式晶片結構3-100。光學奈米結構1-135之實例實施例可包括於其他晶片中，諸如具有光感測器陣列之成像晶片。此等成像晶片可用於攝影機、視訊攝影機、智慧型電話及光學感測陣列中。
II. 用於製造光學奈米結構之方法
圖 4-1A 至圖 4-1J 說明與用於製造光學奈米結構(諸如上文所描述之光學奈米結構中之任一者)之方法相關的實例結構。在圖 4 -1A 中所描繪之製程步驟中，提供或獲得可在其上執行微影步驟之基板4-100。基板4-100可包括已在基板4-100上形成之一些結構。舉例而言，基板4-100可包括光學奈米結構1-135下方之圖 1-1 或圖 2-1 中所展示之結構的一部分。在一些實施例中，基板4-100可包含主體半導體基板，但在一些實施方案中可使用其他類型之主體基板。
根據一些實施例，第一材料層4-102可沈積或生長於基板4-100上，如圖 4-1B 中所描繪。第一材料層4-102可例如藉由物理氣相沈積(PVD)、電漿增強型化學氣相沈積(PECVD)、高密度電漿(HDP) PECVD或濺鍍來沈積。第一材料層4-102可包括非晶形矽、氮化矽、氮化鈦、氧化鈦以及上文針對光學奈米結構1-135所描述之其他可能材料，包括例如具有特定n (折射率)及k (消光係數)值之富矽氮化物材料，諸如富矽氮化物I及富矽氮化物II。隨後，光阻層4-104可沈積於第一材料層4-102上且使用光微影曝光及顯影製程來圖案化，如圖 4-1C 中所描繪。使用經圖案化之光阻層4-104作為蝕刻遮罩，可在已移除光阻之區域中蝕刻第一材料層4-102以在第一材料層4-102中形成空隙，如圖 4-1D 中所描繪。可在清潔步驟中自基板移除剩餘光阻。經蝕刻之第一材料層4-102之所得結構可包含複數個材料區4-106，該等材料區4-106可例如根據上文結合圖 1-3A 至圖 1-3F 所描述之單層結構中之一者來配置。舉例而言，材料區4-106可形成光學奈米結構1-135之行。
在一些實施方案中，第二材料層4-108 (具有與第一材料層不同之折射率)可沈積於材料區4-106上，如圖 4-1E 中所描繪。第二材料層4-108可藉由任何適合之沈積製程(諸如PVD、PECVD、HDP PECVD或濺鍍)來沈積。第二材料層4-108可包含氧化矽、氮化矽、氮化鈦、氧化鈦以及上文針對光學奈米結構1-135所描述之其他可能材料，包括例如具有特定n (折射率)及k (消光係數)值之富矽氮化物材料，諸如富矽氮化物I及富矽氮化物II。在一些情況下，第二材料層4-108填充材料區4-106之間的區域。根據一些實施方案，第二材料層4-108可例如經由化學機械拋光(CMP)平坦化，從而產生如圖 4-1F 中所描繪之平面表面。然而，在一些情況下，可在不執行第二材料層4-108之平坦化步驟的情況下將一或多個層沈積於第二材料層4-108上。在一些實施例中，圖 4 -1F 中所描繪之結構可形成光學奈米結構1-135，且例如根據上文結合圖 1 -3A 至圖 1 -3F 所描述之單層結構中之一者來配置。
視情況，可將一或多個額外層添加至光學奈米結構中，產生例如圖 1-3B 之配置。圖 4-1G 至圖 4 -1J 描繪根據一些實施例的與用於形成第二奈米結構層之步驟相關的結構。可使用類似步驟形成額外層。在一些實施方案中，第三材料層4-110可沈積或生長於第二材料層4-108上，如圖 4-1G 中所描繪。第三材料層4-110可例如藉由PVD、PECVD、HDP PECVD或濺鍍來沈積。第三材料層4-110可包括非晶形矽、氮化矽、氮化鈦、氧化鈦以及上文針對光學奈米結構1-135所描述之其他可能材料，包括例如具有特定n (折射率)及k (消光係數)值之富矽氮化物材料，諸如富矽氮化物I及富矽氮化物II。在一些實施方案中，第三材料層4-110可為與第一材料層4-102相同之材料。根據一些實施例，光阻層4-112可沈積於第三材料層4-110上且使用光微影曝光及顯影製程來圖案化。使用經圖案化之光阻層4-112作為蝕刻遮罩，可在已移除光阻之區域中蝕刻第三材料層4-110，如圖 4-1H 中所描繪。可在蝕刻之後自基板移除殘餘光阻。所得結構包括複數個材料區4-114。
隨後，第四材料層4-116可例如經由PVD、PECVD、HDP PECVD或濺鍍沈積於材料區4-114上。在一些情況下，第四材料層4-116填充材料區4-114之間的區域，如圖 4-1I 中所描繪。根據一些實施例，第四材料層4-116可由具有與第三材料層4-110之折射率不同的折射率之材料製成。第四材料層4-116可包括氧化矽、氮化矽、氮化鈦、氧化鈦以及上文針對光學奈米結構1-135所描述之其他可能材料，包括例如具有特定n (折射率)及k (消光係數)值之富矽氮化物材料，諸如富矽氮化物I及富矽氮化物II。在一些情況下，第四材料層4-116可為與第二材料層4-108相同之材料。根據一些實施方案，第四材料層4-116可例如使用CMP製程步驟來平坦化，從而產生如圖 4-1J 中所描繪之平面表面。在其他實施方案中，可在不使第四材料層平坦化之情況下將一或多個層沈積於第四材料層4-116上。
與用於製造光學奈米結構之另一實例方法相關之結構的額外實例描繪於圖 4-2A 至圖 4-2J 中。此製造方法在一些方面上類似於圖 4-1A 至圖 4 -1J 之製造方法。然而，不同於圖 4-1A 至圖 4 -1J 之製造方法，雙遮罩層4-104/4-103及4-112/4-111用作用於形成材料區之蝕刻遮罩。基板4-100及層4-102、4-104、4-106、4-108、4-110、4-112、4-114及4-116可具有與結合圖 4-1A 至圖 4 -1J 描述之彼等相同的特徵。在一些情況下，與單一光阻層相比，雙遮罩層(有時被稱作雙層抗蝕劑)可提供經改良蝕刻選擇性或經改良圖案化保真度。在一些實施例中，遮罩層(例如，4-103、4-111)中之一者可包含例如由金屬、氧化物、氮化物或半導體形成之所謂的「硬遮罩」。
形成光學奈米結構1-135之實例方法可包含獲得如圖 4-2A 中所描繪之基板4-100。如上文結合圖 4-1A 所提及，基板可包括經圖案化結構。如上文所描述，第一材料層4-102可沈積或生長於基板4-100上。另外，第一抗蝕劑層4-103可沈積於第一材料層4-102上，如圖 4-2B 中所描繪。第一抗蝕劑層4-103可為硬質材料而非聚合物。舉例而言，第一抗蝕劑層4-103可包含氧化矽、氮化矽或鉭以及其他可能材料，包括例如具有特定n (折射率)及k (消光係數)值之富矽氮化物材料，諸如富矽氮化物I及富矽氮化物II。根據一個實例，第一材料層4-102可為氮化矽且第一抗蝕劑層4-103可為氧化矽，但可使用其他材料組合。接著光阻層4-104 (第二抗蝕劑層)可沈積於第一抗蝕劑層4-103上且使用光微影曝光及顯影製程來圖案化，以產生圖 4 -2C 中所描繪之結構。使用經圖案化之光阻層4-104作為第一蝕刻遮罩，可在已移除光阻之區域中蝕刻第一抗蝕劑層4-103以將圖案自光阻轉印至第一抗蝕劑層4-103，如圖 4-2D 中所描繪。在此蝕刻步驟期間及/或之後，可移除光阻層4-104。
使用第一抗蝕劑層4-103作為蝕刻遮罩，可在已移除第一抗蝕劑層4-103之區域中蝕刻第一材料層4-102以在第一材料層4-102中形成空隙。蝕刻製程保留如圖 4-2E 中所描繪之材料區4-106。在一些情況下，剩餘之第一抗蝕劑層4-103可自基板移除。在其他情況下，可將剩餘之第一抗蝕劑層保留在如圖 4-2E 中所說明之材料區4-106上。在一些情況下，第一抗蝕劑層可比第一材料層4-102及第二材料層4-108薄得多且未明顯地影響光學奈米結構1-135之效能。在一些實施方案中，第一抗蝕劑層4-103可為與第二材料層4-108相同之材料。在蝕刻以形成材料區4-106之後，第二材料層4-108可沈積於材料區4-106上，如圖 4-2F 中所描繪。第二材料層可填充材料區4-106之間的區域。在一些情況下，第二材料層4-108可例如經由CMP平坦化。圖 4 -2F 之結構可形成上文結合圖 1 -3A 至圖 1 -3F 所描述之單層光學奈米結構1-135。
視情況，可將一或多個額外層添加至光學奈米結構中，產生例如圖 1-3B 之配置。圖 4-2G 至圖 4 -2J 描繪根據一些實施例的與用於形成第二奈米結構層之步驟相關的結構。可使用類似步驟形成額外層。舉例而言，第三材料層4-110可沈積或生長於第二材料層4-108上，如圖 4-2G 中所描繪。隨後，第一抗蝕劑層4-111可沈積於第三材料層4-110上，且光阻層4-112可沈積於第一抗蝕劑層4-111上。可使用光微影曝光及顯影製程來圖案化光阻層。光阻層4-112可提供蝕刻遮罩以在已移除光阻之區域中蝕刻第一抗蝕劑層4-111，且第一抗蝕劑層可提供蝕刻遮罩以蝕刻第三材料層4-110，如上文所描述及圖 4 -2H 中所描繪。可在蝕刻第三材料層4-110期間或之後移除殘餘光阻層4-112。蝕刻第三材料層4-110形成材料區4-114。第四材料層4-116可沈積於材料區4-114上且可填充材料區4-114之間的間隙，如圖 4-2I 中所描繪。根據一些實施例，可平坦化第四材料層4-116，如圖 4-2J 中所描繪。
圖 4-1H 及圖 4-2H 中之說明指示將第二材料區4-114形成於第一材料區4-106上方，使得第二材料區4-114之底部與第一材料區4-106之頂部豎直間隔，其中第二材料層4-108之均勻層在此等底部與頂部之間。然而，在一些實施方案中，在此等底部與頂部之間可能不存在間隙。舉例而言，第二材料層之平坦化步驟可移除高於第一材料區4-106之頂部的大部分或所有第二材料層4-108，使得第二材料區4-114之底部基本上處於與第一材料區4-106之頂部相同的高度。
III . 實例生物分析應用
描述一種實例生物分析應用，其中積體半導體可用於改良自先進分析儀器中所使用之拋棄式晶片上的反應室發射之輻射的偵測。當安裝於儀器之插座中時，拋棄式晶片可與先進分析儀器內之光學及電子設備進行光及電通信。儀器可包括用於外部介面之硬體，使得可將來自晶片之資料傳達至外部網路。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。儘管可對各種樣本執行各種類型之分析，但以下解釋描述基因定序。然而，本發明不限於經組態以用於基因定序之儀器。
總而言之且參考圖 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，其作為可替換模組安裝於儀器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中之任一者，包括以下組件中之一者或超過一個組件：透鏡、反射鏡、濾光器、衰減器、光束轉向組件、光束成形組件)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/或將其耦合至分析系統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室以用於樣本分析，自至少一個反應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，其經組態以將資料傳輸至外部裝置(例如，儀器5-100可經由一或多個資料通信鏈路連接至的網路上之一或多個外部裝置)及自外部裝置接收資料。在一些實施例中，分析系統5-160可經組態以接收固持一或多個待分析之樣本之生物光電晶片5-140。
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的另一詳細實例。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。在一些實施方案中，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可包括可用於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合至雷射空腔之元件(例如，可飽和吸收體、聲光調變器、克爾透鏡(Kerr lens))，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界定。頻率模式之此類鎖定引起雷射之脈衝式操作(例如，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產生一串部分透射之輸出光學脈衝5-122。
在一些情況下，分析儀器5-100經組態以接收可移除式經封裝生物光電或光電晶片5-140 (亦被稱作「拋棄式晶片」)。拋棄式晶片可包括生物光電晶片3-110，如圖 4 中所描繪，其例如包含複數個反應室、經配置以將光學激發能量遞送至反應室之積體光學組件及經配置以偵測來自反應室之螢光發射的積體光偵測器。在一些實施方案中，晶片5-140可在單次使用之後拋棄，而在其他實施方案中，晶片5-140可再使用兩次或更多次。當藉由儀器5-100接收晶片5-140時，其可與脈衝式光學源5-108及與分析系統5-160中之設備進行電及光通信。舉例而言，可經由晶片封裝上之電接點進行電通信。
在一些實施例中且參考圖 5-1B ，可將拋棄式晶片5-140安裝(例如，經由插口連接)於電子電路板5-130，諸如可包括額外儀器電子件之印刷電路板(PCB)上。舉例而言，PCB 5-130可包括經組態以向光電晶片5-140提供電功率、一或多個時脈信號及控制信號之電路，及經配置以接收表示自反應室偵測之螢光發射的信號之信號處理電路。在一些實施方案中，自光電晶片返回之資料可部分或全部藉由儀器5-100上之電子件處理，儘管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回饋信號之電路，該等回饋信號與耦合至光電晶片5-140之波導中之光學脈衝5-122的光學耦合及功率位準相關。可將回饋信號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之輸出光束的一或多個參數。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。鎖模雷射可包含增益介質5-105 (其在一些實施例中可為固態材料)、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之時間)判定。
在一些實施例中，雷射空腔中可存在用於光束成形、波長選擇及/或脈衝形成之額外光學元件(圖 5-1B 中未展示)。在一些情況下，端鏡5-119包含可飽和吸收鏡(saturable-absorber mirror；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式操作。鎖模雷射模組5-110可進一步包括用於激發增益介質5-105之泵源(例如雷射二極體，圖 5-1B 中未展示)。鎖模雷射模組5-110之其他細節可見於2017年12月15日申請之標題為「Compact Mode-Locked Laser Module」的美國專利申請案第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之時間強度曲線，但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，且曲線可具有高斯時間曲線，但諸如sech2 曲線之其他曲線可為可能的。在一些情況下，脈衝可不具有對稱時間曲線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(full-width-half-maximum；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可藉由規則間隔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之間的往返行進時間來判定。根據一些實施例，脈衝分離間隔T 可在約1 ns與約30 ns之間。在一些情況下，脈衝分離間隔T 可在約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，脈衝分離間隔對應於雷射空腔中之往返行進時間，使得3公尺之空腔長度(6公尺之往返距離)提供大約20 ns之脈衝分離間隔T 。
根據一些實施例，所要脈衝分離間隔T 及雷射空腔長度可藉由晶片5-140上之反應室數目、螢光發射特徵及用於自光電晶片5-140讀取資料之資料處理電路的速度之組合來判定。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壽命加以區分。因此，需要存在足夠的脈衝分離間隔T 以收集所選螢光團之適當統計資料來區分其不同衰變速率。另外，若脈衝分離間隔T 太短，則資料處理電路無法跟上正由大量反應室收集之大量資料。介於約5 ns與約20 ns之間的脈衝分離間隔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理來自約60,000與10,000,000個反應室之間的資料。
根據一些實施方案，光束轉向模組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光電晶片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可藉由光束轉向模組5-150操作以另外地或替代地改變光電晶片5-140上之光學耦合器處的光束形狀及/或光束旋轉。在一些實施方案中，光束轉向模組5-150可進一步將輸出脈衝之光束之聚焦及/或偏振調整提供至光學耦合器上。光束轉向模組之一個實例描述於2016年5月20日申請之標題為「Pulsed Laser and Bioanalytic System」的美國專利申請案第15/161,088號中，該申請案以引用之方式併入本文中。光束轉向模組之另一實例描述於2016年12月16日申請且標題為「Compact Beam Shaping and Steering Assembly」的獨立美國專利申請案第62/435,679號中，該申請案以引用之方式併入本文中。
舉例而言，參考圖 5-3 ，可將來自脈衝式光學源之輸出脈衝5-122耦合至生物光電晶片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光電晶片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之光束對準至光柵耦合器5-310。一或多個波導5-312及一或多個反應室5-330可與基板、波導、反應室與光偵測器5-322之間的中間介電層(例如，二氧化矽層)一起整合於相同半導體基板上。
各波導5-312可包括反應室5-330下方之楔形部分5-315，以使沿波導耦合至反應室之光功率相等。減小楔形可迫使更多光能在波導之核心外部，從而增大與反應室之耦合及對沿波導的光學損失(包括耦合至反應室中之光損失)之補償。第二光柵耦合器5-317可位於各波導之末端以將光能導向至積體光電二極體5-324。舉例而言，積體光電二極體可偵測一定量的沿波導向下耦合之功率且將所偵測信號提供至控制光束轉向模組5-150之回饋電路。
反應室5-330可與波導之楔形部分5-315對準且將其凹入於槽5-340中。可存在位於半導體基板5-305上的用於各反應室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 中展示為光學濾光器5-530)可位於各像素處之波導與光偵測器5-322之間。可在反應室周圍及波導上方形成金屬塗層及/或多層塗層5-350，以防止並不處於反應室中(例如，分散於反應室上方之溶液中)之螢光團的光學激發。金屬塗層及/或多層塗層5-350可升高超出槽5-340之邊緣，以減小波導5-312中之光能在各波導之輸入及輸出端處的吸收性損失。
在光電晶片5-140上可存在複數列波導、反應室及時間分格光偵測器。舉例而言，在一些實施方案中，對於總共65,536個反應室而言，可存在128列，各自具有512個反應室。其他實施方案可包括更少或更多反應室，且可包括其他佈局組態。來自脈衝式光學源5-108之光功率可經由一或多個星型耦合器或多模干涉耦合器，或藉由位於晶片5-140之光學耦合器5-310與複數個波導5-312之間的任何其他構件分佈至多個波導。
圖 5-4 說明自波導之楔形部分5-315內的光學脈衝5-122至反應室5-330之光能耦合。已由光學波之電磁場模擬產生圖式，該電磁場模擬考慮波導尺寸、反應室尺寸、不同材料之光學特性及波導5-315之楔形部分距反應室5-330的距離。舉例而言，波導可由二氧化矽之周圍介質5-410中之氮化矽形成。波導、周圍介質及反應室可藉由2015年8月7日申請之標題為「Integrated Device for Probing, Detecting and Analyzing Molecules」的美國專利申請案第14/821,688號中所描述之微型製造製程來形成。根據一些實施例，瞬逝光場5-420將由波導傳輸之光能耦合至反應室5-330。
圖 5-5 中描繪反應室5-330中發生之生物反應之非限制性實例。實例描繪將核苷酸或核苷酸類似物依序併入至與目標核酸互補之生長股中。依序併入可在反應室5-330中發生，且可藉由先進分析儀器來偵測以定序DNA。反應室可具有約150 nm與約250 nm之間的深度及約80 nm與約160 nm之間的直徑。金屬化層5-540 (例如，用於電參考電勢之金屬化)可在光偵測器5-322上方圖案化以提供抑制來自鄰近反應室及其他非想要光源之雜散輻射的光圈或膜片。根據一些實施例，聚合酶5-520可位於反應室5-330內(例如，連接至室之基底)。聚合酶可溶解目標核酸5-510 (例如，衍生自DNA之一部分核酸)，且定序互補核酸之生長股以產生DNA生長股5-512。可將用不同螢光團標記之核苷酸或核苷酸類似物分散於反應室上方之溶液中及反應室內。
如圖 5-6 中所描繪，當將經標記之核苷酸或核苷酸類似物5-610併入至互補核酸生長股中時，一或多個連接螢光團5-630可藉由自波導5-315耦合至反應室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可用任何適合之連接子5-620連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，例如可用時間分格光偵測器5-322偵測由藉由來自鎖模雷射之脈衝激發螢光團而產生之螢光發射脈衝。在一些實施例中，在各像素處可存在一或多個用於信號處理(例如，放大、讀出、路由、信號預處理等)之額外積體電子裝置5-323。根據一些實施例，各像素可包括至少一個傳遞螢光發射且減少來自激發脈衝之輻射透射的光學濾光器5-530 (例如，半導體吸收體)。一些實施方案可不使用光學濾光器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)之螢光團連接至不同核苷酸(A、C、G、T)，在DNA股5-512併有核酸且能夠判定DNA生長股之基因序列時偵測且區分不同發射特徵。
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壽命及/或強度之差異，及/或不同環境中之相同螢光分子的壽命及/或強度之間的差異。藉助於解釋，圖 5 -7 繪製兩種不同螢光發射概率曲線(A及B)，其可表示例如來自兩種不同螢光分子之螢光發射。參考曲線A (虛線)，在由短或超短光學脈衝激發之後，來自第一分子之螢光發射的概率pA (t) 可如所描繪隨時間而衰變。在一些情況下，正發射之光子的概率隨時間之降低可由指數衰變函數
Figure 02_image001
表示，其中PAo 為初始發射概率且τ1 為與表徵發射衰變概率之第一螢光分子相關的時間參數。τ1 可被稱作第一螢光分子之「螢光壽命」、「發射壽命」或「壽命」。在一些情況下，可藉由螢光分子之局部環境更改τ1 值。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曲線，且其壽命之特徵可為半衰期值或一些其他度量值。
第二螢光分子可具有指數之衰變曲線pB (t) ，但具有可量測之不同壽命τ2 ，如圖 5-7 中之曲線B所描繪。在所展示之實例中，曲線B之第二螢光分子的壽命比曲線A之壽命短，且在激發第二分子之後愈早，發射概率pB (t )比曲線A之發射概率愈高。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之壽命或半衰期值。
螢光發射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，基於壽命(而非例如發射波長)辨別螢光分子可簡化分析儀器5-100之態樣。作為一實例，當基於壽命辨別螢光分子時，可在數目方面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學源及/或繞射光學件)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能操作及維持不太複雜，更緊湊且可以較低成本製造。
儘管基於螢光壽命分析之分析系統可具有某些益處，但由分析系統獲得之資訊量及/或偵測準確度可藉由允許額外偵測技術而增大。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/或螢光強度辨別樣本之一或多個特性。
再次參考圖 5-7 ，根據一些實施例，可用經組態以在激發螢光分子之後時間分格螢光發射事件之光偵測器區分不同螢光壽命。時間分格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(photo-generated carrier)積聚於時間分格光偵測器之分格中。將藉由時間分格發射事件來判定螢光壽命之概念以圖形方式引入圖 5-8 中。當時間te 僅在t1 之前時，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 之曲線B的類型)之螢光分子集。針對較大分子集，發射強度可具有類似於曲線B之時間曲線，如圖 5-8 中所描繪。
然而，針對單分子或少數分子，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。時間分格光偵測器5-322可將由發射事件產生之載流子積聚至離散時間分格中。圖 5-8 中指示三個分格，但在實施例中可使用更少分格或更多分格。相對於螢光分子之激發時間te 在時間上解析該等分格。舉例而言，第一分格可積聚在時間t1 與t2 之間的間隔期間產生之載流子，該等載流子在時間te 的激發事件之後發生。第二分格可積聚在時間t2 與t3 之間的間隔期間產生之載流子，且第三分格可積聚在時間t3 與t4 之間的間隔期間產生之載流子。當加總大量發射事件時，時間分格中積聚之載流子可接近圖 5-8 中所展示之衰變強度曲線，且經分格信號可用於區分不同螢光分子或螢光分子所位於之不同環境。
時間分格光偵測器5-322之實例描述於2015年8月7日申請之標題為「Integrated Device for Temporal Binning of Received Photons」的美國專利申請案第14/821,656號中且描述於2017年12月22日申請之標題為「Integrated Photodetector with Direct Binning Pixel」的美國專利申請案第15/852,571號中，該等申請案皆以全文引用之方式併入本文中。出於解釋目的，在圖 5-9 中描繪時間分格光偵測器之非限制性實施例。單一時間分格光偵測器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格5-908a、5-908b。載流子傳輸通道5-907可在光子吸收/載流子產生區域5-902與載流子儲存分格5-908a、5-908b之間連接。在所說明實例中，展示兩個載流子儲存分格，但可存在更多或更少。可存在連接至載流子儲存分格之讀出通道5-910。光子吸收/載流子產生區域5-902、載流子排放通道5-906、載流子儲存分格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來形成，以提供載流子之光偵測能力、限制及傳輸。時間分格光偵測器5-322亦可包括複數個形成於基板上之電極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用於經由裝置傳輸載流子。
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的一部分遞送至時間分格光偵測器5-322上方之反應室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過大。時間間隔|te -t1 |期間產生之初始載流子可藉由例如用第一電極5-920將其閘控至載流子排放通道5-906中來抑制。
稍後，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格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流子儲存分格5-908b。對於大量激發脈衝，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格5-908a、5-908b中積聚可觀數目之載流子及信號位準。稍後，可自分格讀出信號。在一些實施方案中，對應於各儲存分格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)之後產生且時間分格載流子的方法可在單一激發脈衝之後發生一次或在多個激發脈衝之後在時間分格光偵測器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讀出儲存分格。舉例而言，可將適當偏壓序列施加至電極5-923、5-924且至少施加至電極5-940，以將載流子自儲存分格5-908a、5-908b移除。電荷積聚及讀出製程可在光電晶片5-140上之大規模平行操作中發生，從而產生資料訊框。
儘管結合圖 5-9 所描述之實例包括多個電荷儲存分格5-908a、5-908b，但在一些情況下可實際上使用單一電荷儲存分格。舉例而言，僅分格1可存在於時間分格光偵測器5-322中。在此情況下，可以可變之時間閘控方式操作單一儲存分格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，可閘控用於儲存分格5-908a之電極，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經積聚信號。在處於相同反應室之後續系列激發脈衝中之脈衝之後，可閘控用於儲存分格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經積聚信號。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，可使用單一載流子儲存分格來產生對應於在激發脈衝到達反應室之後不同時間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之方式如何，所讀出之信號可提供表示例如螢光發射衰變特徵之分格的直方圖。在圖 5-10A 及圖 5-10B 中說明實例製程，其中兩個電荷儲存分格用於自反應室獲取螢光發射。直方圖之分格可指示在激發反應室5-330中之螢光團之後的各時間間隔期間所偵測到的光子之數目。在一些實施例中，將在大量激發脈衝之後積聚用於分格之信號，如圖 5-10A 中所描繪。激發脈衝可在由脈衝間隔時間T 分離之時間te1 、te2 、te3 、…、teN 發生。在一些情況下，針對在反應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)，在電子儲存分格中之信號積聚期間可存在施加至反應室之介於105 與107 個之間的激發脈衝5-122 (或其部分)。在一些實施例中，一個分格(分格0)可經組態以偵測利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，以校正資料)。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，且不會在各激發脈衝之後判定，使得各激發脈衝之後不存在分格0信號獲取。在此類情況下，由激發脈衝產生之載流子可經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。
在一些實施方案中，可在激發事件之後自螢光團發射僅單一光子，如圖 5-10A 中所描繪。在時間te1 之第一激發事件之後，時間tf1 之發射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格中(促成分格1)。在時間te2 之後續激發事件中，時間tf2 之發射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格2。在時間te3 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tf3 發射。
在一些實施方案中，在反應室5-330處接收之各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，對於遞送至反應室之每10,000個激發脈衝，可存在少至一個反應室處所偵測到的螢光光子。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(例如，介於50 MHz與250 MHz之間)產生具有高強度及快速斷開時間之短光學脈衝。在此等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，使得可積聚可偵測信號。
在大量激發事件及載流子積聚之後，可讀出時間分格光偵測器5-322之載流子儲存分格以向反應室提供多值信號(例如，兩個或更多個值之直方圖、N維向量等)。各分格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之螢光團在分格1至分格2中之信號比將比具有衰變曲線A的螢光團高。可分析來自分格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，該所關注之分子或試樣可連接至螢光團。
為進一步幫助理解信號分析，可將所積聚之多分格值繪製為例如如圖 5-10B 中所描繪之直方圖，或可將其記錄為N維空間中之向量或位置。可單獨地執行校準回合以獲取連接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，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核苷酸相關之螢光標記)及圖 5 -11D (與G核苷酸相關之螢光標記)中所描繪呈現校準直方圖。經量測多值信號(對應於圖 5 -10B 之直方圖)與校準多值信號的比較可判定併入至DNA生長股中之核苷酸或核苷酸類似物之一致性「T」 (圖 5 -11A )。
在一些實施方案中，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，但其激發概率可具有顯著差異(例如，至少約35%之差異)。藉由將經分格信號(分格5-3)與經量測激發能量及/或其他所獲取信號進行參考，可有可能基於強度位準來區分不同螢光團。
在一些實施例中，可將不同數目個相同類型之螢光團連接至不同核苷酸或核苷酸類似物，使得可基於螢光團強度鑑別核苷酸。舉例而言，可將兩種螢光團連接至第一核苷酸(例如「C」)或核苷酸類似物，且可將四種或更多種螢光團連接至第二核苷酸(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概率。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，使得分格之表觀強度顯著高於「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，可用單一波長源(例如，產生一種特徵波長之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濾光器來區分不同波長之螢光團。此外，單一光偵測器可用於各反應室以偵測來自不同螢光團之發射。
片語「特徵波長」或「波長」用於指輻射之有限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」可用於指藉由來源輸出之總輻射頻寬內之峰值波長。
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格光偵測器(其可在矽晶圓上使用CMOS製程來製造)偵測。可將此等螢光團連接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。可在基於矽之光偵測器中用比更長波長下之螢光更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。在一些實施方案中，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一波長源來光學激發。此範圍中之實例螢光團為Alexa Fluor 647，其可購自Waltham, Massachusetts之Thermo Fisher Scientific Inc.。較短波長(例如，介於約500 nm與約650 nm之間)下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，時間分格光偵測器可例如藉由將其他材料(諸如Ge)併入至光偵測器活性區域中來有效偵測來自反應室之更長波長發射。
IV. 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之情況下，應瞭解，各種更改、修改及改良對於熟習此項技術者而言將容易發生。此等更改、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等實施例或實例。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，且將此等變量及/或修改中之每一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發明性教示內容的一或多個特定應用。熟習此項技術者將認識到或能夠僅使用常規實驗便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來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係關於所描述之各單獨特徵、系統、系統升級及/或方法。另外，若此等特徵、系統、系統升級及/或方法並不相互矛盾，則兩個或更多個此等特徵、系統及/或方法之任何組合包括於本發明之發明性範疇內。
此外，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優點。一些實施例可能不實施描述為有利之任何特徵。因此，前述描述及圖式僅藉助於實例。
本申請案中所引用之所有文獻及類似材料，包括(但不限於)專利、專利申請案、文章、書籍、論文及網頁，皆以全文引用的方式明確地併入，不管此等文獻及類似材料之格式如何。在所併入文獻及類似材料中之一或多者與本申請案(包括(但不限於)所定義之術語、術語用法、所描述之技術或其類似者)不同或矛盾的情況下，以本申請案為准。
所使用之章節標題僅出於組織目的且不應解釋為以任何方式限制所描述之標的物。
此外，所描述之技術可實施為一種方法，其已提供至少一個實例。作為方法之部分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：其中以不同於所說明之次序執行動作，其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。
如所定義及所使用之所有定義應理解為控制在辭典定義、以引用之方式併入的文獻中之定義及/或所定義術語之普通含義內。
數值及範圍可在說明書及申請專利範圍中描述為近似或準確之值或範圍。舉例而言，在一些情況下，關於值可使用術語「約」、「大約」及「實質上」。此類參考意欲涵蓋參考值以及加上及減去該值之合理偏差。舉例而言，片語「介於約10與約20之間」在一些實施例中意欲意謂「介於準確10與準確20之間」，以及在一些實施例中意欲意謂「介於10 ± δ1與20 ± δ2之間」。值之變量δ1、δ2之量可在一些實施例中小於值的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，值的變量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。在需要準確值時，使用術語「準確」，例如「介於準確2與準確200之間」。
術語「鄰近」可係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，鄰近元件之間可存在中間結構或層。在一些情況下，鄰近元件可在無中間結構或元件之情況下緊鄰彼此。
除非明確相反指示，否則如本說明書及申請專利範圍中所使用之不定冠詞「一(a/an)」應理解為意謂「至少一個」。
如本說明書及申請專利範圍中所使用之片語「及/或」應理解為意謂如此結合之元件中之「任一者或兩者」，亦即，在一些情況下結合地存在且在其他情況下未結合地存在之元件。使用「及/或」列出之多個元件應以相同方式進行解釋，亦即，如此結合之元件中之「一者或多者」。可視情況存在除藉由「及/或」條項特定鑑別之元件以外的其他元件，無論與特定鑑別之彼等元件相關抑或無關。因此，作為一非限制性實例，參考「A及/或B」在與諸如「包含」之開放式語言結合使用時，可在一個實施例中僅指A (視情況包括除B以外之元件)；在另一實施例中僅指B (視情況包括除A以外之元件)；在又一實施例中指A及B兩者(視情況包括其他元件)；等。
如本說明書及申請專利範圍中所使用，「或」應理解為具有與如上文所定義之「及/或」相同的含義。舉例而言，當分離清單中之項目時，「或」或「及/或」應解釋為包括性的，亦即，包括多個或一系列元件中之至少一者(但亦包括多於一者)及視情況額外未列出項目。僅明確指示相反之術語，諸如「中之僅一者」或「中之恰好一者」或(當用於申請專利範圍中時) 「由…組成」將係指包括多個或一系列元件中之恰好一個元件。一般而言，當置於排他性術語，諸如「任一者」、「中之一者」、「中之僅一者」或「中之恰好一者」之前時，如所使用之術語「或」應僅解釋為指示排他性替代方式(亦即，「一者或另一者，但非兩者」)。當用於申請專利範圍中時，「基本上由…組成」應具有如其在專利法律領域中所使用之普通含義。
如本說明書及申請專利範圍中所使用，關於一或多個元件之清單的片語「至少一個」應理解為意謂選自元件清單中之元件中之任一者或多者的至少一個元件，但未必包括元件清單內特定列出之各元件及每個元件中之至少一者，且不排除元件清單中之元件的任何組合。此定義亦允許可視情況存在除片語「至少一個」所指的元件清單內特定鑑別之元件以外的元件，不論與特定鑑別之彼等元件相關抑或不相關。因此，作為一非限制性實例，「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」)可在一個實施例中指至少一個(視情況包括超過一個) A而不存在B (且視情況包括除B以外的元件)；在另一實施例中指至少一個(視情況包括超過一個) B而不存在A (且視情況包括除A以外的元件)；在又一實施例中指至少一個(視情況包括超過一個) A及至少一個(視情況包括超過一個) B (且視情況包括其他元件)；等。
在申請專利範圍中以及在上述說明書中，諸如「包含」、「包括」、「攜帶」、「具有」、「含有」、「涉及」、「擁有」、「由…構成」及其類似者之所有過渡性片語應理解為開放式的，亦即，意謂包括但不限於。僅過渡性片語「由…組成」及「基本上由…組成」分別應為封閉式或半封閉式過渡性片語。
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元件。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。
1-100:生物光學基板 1-101:互補金屬氧化物半導體基板 1-105:基板 1-107:表面 1-110:透明或半透明層 1-115:光波導 1-122:感測器 1-130:反應室 1-135:光學奈米結構 1-137:額外透明或半透明層 1-140:箭頭/激發輻射 1-142:箭頭/發射輻射 1-144:箭頭/激發輻射 1-170:互連件 1-201:禁止光子帶隙 1-202:反射係數 1-204:透射係數 1-206:吸收係數 1-302:材料 1-304:材料 1-312:第一材料 1-314:第二材料 1-322:第一材料 1-324:第二材料 1-501:第一抑制比率曲線 1-502:第二抑制比率曲線 2-110:膜片層 2-112:開口或孔 2-150:光還原層 2-160:聚光光學元件 2-202:層 3-100:拋棄式晶片結構 3-105:半導體基板 3-110:生物光電晶片 3-115:波導 3-120:壁 3-130:儲集器 3-140:像素 3-150:光學埠 4-100:基板 4-102:第一材料層 4-103:遮罩層/第一抗蝕劑層 4-104:光阻層 4-106:材料區/層 4-108:第二材料層 4-110:第三材料層 4-111:遮罩層/第一抗蝕劑層 4-112:光阻層 4-114:材料區 4-116:第四材料層 5-100:攜帶型先進分析儀器 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:緊湊型被動鎖模雷射模組 5-111:空腔端鏡/輸出耦合器 5-115:光學耦合系統 5-119:空腔端鏡 5-120:腔內脈衝 5-122:輸出光學脈衝 5-125:光軸 5-130:電子電路板/印刷電路板 5-140:生物光電晶片/拋棄式晶片 5-150:光束轉向模組 5-160:分析系統 5-305:半導體基板 5-310:光柵耦合器 5-312:光波導 5-315:楔形部分 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:額外積體電子裝置 5-324:積體光電二極體 5-330:反應室 5-340:槽 5-350:金屬塗層及/或多層塗層 5-410:周圍介質 5-420:瞬逝光場 5-510:目標核酸 5-512:DNA生長股 5-520:聚合酶 5-530:光學濾光器 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:連接螢光團 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:載流子傳輸通道 5-908a:載流子儲存分格 5-908b:載流子儲存分格 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 5-940:電極 A:螢光發射概率曲線 B:螢光發射概率曲線H1 :高度H3 :高度P1 :週期性或間距P2 :週期性P3 :週期性pA (t) :概率PAo :初始發射概率pB (t) :衰變曲線T :規則間隔 t1 :時間 t2 :時間 t3 :時間 t4 :時間 te :時間W1 :寬度W2 :寬度W3 :寬度 τ1 :壽命 τ2 :壽命
熟習此項技術者將理解本文中所描述之圖式僅出於說明之目的。應理解，在一些情況下，可誇大或放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，在通篇各種圖式中，類似參考標號一般係指類似特徵、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內容之原理。圖式不意欲以任何方式限制本教示內容之範疇。
圖 1-1 為根據一些實施例的說明處於積體裝置之像素的結構之實例之示意圖。
圖 1-2 為根據一些實施例的說明實例光學奈米結構之光譜回應之曲線圖。
圖 1 -3A 為根據一些實施例的說明在一個維度(x 方向)中為週期性且在至少兩個維度(x 及z )中具有結構變化之光學奈米結構之實例的俯視圖。
圖 1-3B 為根據一些實施例的說明包括多個層之光學奈米結構之實例的正視圖。
圖 1 -3C 為根據一些實施例的說明在兩個維度中為週期性之光學奈米結構之實例的俯視圖。
圖 1-3D 為根據一些實施例的說明在兩個維度中為週期性之光學奈米結構之另一實例的透視圖。
圖 1-3E 為根據一些實施例的說明在一個維度中為準週期性之光學奈米結構之實例的俯視圖。
圖 1-3F 為根據一些實施例的說明在兩個維度中為準週期性之光學奈米結構之實例的俯視圖。
圖 1-4A 為根據一些實施例的說明在圖 1-1 之結構中激發輻射之實例電場的曲線圖，該電場係在第一波長處計算。
圖 1-4B 為根據一些實施例的說明可自圖 1-1 之結構中之反應室發射的發射輻射之實例電場之曲線圖，該電場係在第二波長處計算。
圖 1 -5 為根據一些實施例的說明對於兩種類型之光學奈米結構，光學抑制隨入射角變化的曲線圖。
圖 2-1 為根據一些實施例的說明積體裝置之像素處之結構之另一實例的示意圖。
根據一些實施例，圖 2-2 描繪圖 2-1 之結構且包括發射輻射之射線。
圖 2-3 為根據一些實施例的說明積體裝置之像素處之結構之另一實例的示意圖。
圖 3 描繪根據一些實施例的積體裝置之實例結構之剖視圖。
圖 4-1A 至圖 4-1J 描繪根據一些實施例的與用於製造光學奈米結構之實例方法相關之結構。
圖 4-2A 至圖 4-2J 描繪根據一些實施例的與用於製造光學奈米結構之實例方法相關之結構。
圖 5-1A 為根據一些實施例的包括緊湊型鎖模雷射模組之分析儀器之方塊圖描繪。
圖 5-1B 描繪根據一些實施例的併入至分析儀器中之緊湊型鎖模雷射模組。
圖 5 -2 描繪根據一些實施例的一系列光學脈衝。
根據一些實施例，圖 5-3 描繪可經由一或多個波導由脈衝雷射光學激發之平行反應室的實例且進一步展示各室之對應偵測器。
圖 5-4 說明根據一些實施例的自波導對反應室之光學激發。
圖 5-5 描繪根據一些實施例的積體反應室、光波導及時間分格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室內發生之生物反應之實例。
圖 5 -7 描繪具有不同衰變特徵之兩種不同螢光團的發射概率曲線。
圖 5 -8 描繪根據一些實施例的螢光發射之時間分格偵測。
圖 5 -9 描繪根據一些實施例的時間分格光偵測器。
圖 5-10A 描繪根據一些實施例的來自樣本之螢光發射的脈衝激發及時間分格偵測。
圖 5-10B 描繪根據一些實施例的在重複樣本之脈衝激發後各種時間格中之積聚螢光光子計數的直方圖。
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。
圖 6 -1A 描繪根據一些實施例的用於設計光學奈米結構之第一例示性富矽氮化物材料之折射率與波長的圖形。
圖 6 -1B 描繪根據一些實施例的用於設計光學奈米結構之第二例示性富矽氮化物材料之折射率與波長的圖形。
當與圖式結合時，本發明之特徵及優勢將自下文所闡述之詳細描述而變得更顯而易見。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)。此等參考僅意欲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。可使用其他定向來實施裝置。
1-105:基板
1-107:表面
1-110:透明或半透明層
1-115:光波導
1-122:感測器
1-130:反應室
1-135:光學奈米結構
1-137:額外透明或半透明層
1-140:箭頭/激發輻射
1-142:箭頭/發射輻射
1-144:箭頭/激發輻射
1-170:互連件

Claims (30)

  1. 一種積體裝置，其包含： 基板，其具有第一表面；及 複數個像素，其形成於該基板上，該等複數個像素中之至少一些包含： 反應室，其經組態以接收樣本； 感測器，其經組態以偵測自該反應室發射之發射輻射； 波導，其經組態以將激發輻射耦合至該反應室；及 光學奈米結構，其安置於該波導與該感測器之間，其中該光學奈米結構經圖案化以包括實質上平行於該基板之該第一表面的平面中之結構變化且抑制該激發輻射之至少一部分在實質上垂直於該第一表面之方向上入射於該光學奈米結構上。
  2. 如請求項1之積體裝置，其中該等結構變化至少在該平面之一個維度中為週期性或準週期性的。
  3. 如請求項1或請求項2之積體裝置，其中該光學奈米結構展現光子帶隙。
  4. 如請求項1至3中任一項之積體裝置，其中該等結構變化在該平面之兩個維度中為週期性或準週期性的。
  5. 如請求項1至4中任一項之積體裝置，其中該等結構變化展現150 nm與500 nm之間的週期性。
  6. 如請求項1至5中任一項之積體裝置，其中該光學奈米結構在該等結構變化內不具有缺失或顯著不同之週期性組件。
  7. 如請求項1至6中任一項之積體裝置，其中該光學奈米結構包含具有第一折射率之介電材料之第一複數個離散區。
  8. 如請求項7之積體裝置，其中該介電材料之該第一複數個離散區在該平面中展現100 nm與300 nm之間的寬度。
  9. 如請求項7或請求項8之積體裝置，其中該光學奈米結構包含該介電材料之第二複數個離散區，該介電材料之該第一及該第二離散區沿垂直於該基板之該第一表面的方向彼此隔開。
  10. 如請求項9之積體裝置，其中介電材料之該第一及該第二離散區沿平行於該平面之方向彼此交錯。
  11. 如請求項7至10中任一項之積體裝置，其中該介電材料之該第一複數個離散區藉由具有不同於該第一折射率之第二折射率的材料之區域分離。
  12. 如請求項7至11中任一項之積體裝置，其中該介電材料之該第一複數個離散區在垂直於該平面之方向上延伸。
  13. 如請求項12之積體裝置，其中該介電材料之該第一複數個離散區沿垂直於該基板之該第一表面之方向展現100 nm與300 nm之間的高度。
  14. 如請求項1至13中任一項之積體裝置，其進一步包含安置於該反應室與該感測器之間的膜片。
  15. 如請求項1至14中任一項之積體裝置，其進一步包含安置於該反應室與該感測器之間的光學元件，該光學元件增大該發射輻射於該感測器上之聚集。
  16. 如請求項15之積體裝置，其中該光學元件包含介電材料之圓盤，該介電材料對於相同波長之該發射輻射具有與圍繞該圓盤之材料之第二折射率不同的第一折射率。
  17. 一種操作積體裝置之方法，該方法包含： 由在基板上形成之波導將激發輻射耦合至鄰近該波導形成之反應室，該激發輻射具有第一波長； 使來自該反應室之發射輻射穿過光學奈米結構至感測器，其中該光學奈米結構經圖案化以包括實質上平行於該基板之第一表面的平面中之結構變化，且其中該發射輻射具有不同於該第一波長之第二波長並且回應於該激發輻射對該反應室中之至少一個發射極的激發而產生；及 用該光學奈米結構抑制該激發輻射之至少一部分。
  18. 如請求項17之方法，其進一步包含用該基板上形成之感測器偵測穿過該光學奈米結構之該發射輻射的至少一部分。
  19. 如請求項17或請求項18之方法，其中抑制該激發輻射之一部分包含使該激發輻射之該部分自該光學奈米結構反射。
  20. 如請求項17至19中任一項之方法，其中該第一波長在該光學奈米結構之光子帶隙內。
  21. 如請求項20之方法，其中該第二波長在該光學奈米結構之該光子帶隙外部。
  22. 如請求項17至21中任一項之方法，其中該結構變化在該平面之至少一個維度中為週期性或準週期性的。
  23. 如請求項17至22中任一項之方法，其中該結構變化在該平面之兩個維度中為週期性或準週期性的。
  24. 如請求項17至23中任一項之方法，其進一步包含使來自該反應室之該發射輻射穿過膜片。
  25. 如請求項24之方法，其進一步包含用該膜片抑制該激發輻射。
  26. 如請求項17至25中任一項之方法，其進一步包含用位於該反應室與光學奈米結構之間的介電圓盤聚集該發射輻射。
  27. 一種用於製造積體裝置之方法，該方法包含： 在具有第一表面之基板上形成複數個像素，使得該等複數個像素中之至少一些包含反應室及感測器； 在該等複數個像素中之至少一些中形成波導；及 在該波導與該感測器之間的該等複數個像素中之至少一些中形成光學奈米結構，其中形成該光學奈米結構包含： 使第一介電材料圖案化以包括實質上平行於該基板之該第一表面的平面中之結構變化。
  28. 如請求項27之方法，其中使第一介電材料圖案化包含在該第一介電材料中形成週期性或準週期性圖案。
  29. 如請求項27或請求項28之方法，其中使該第一介電材料圖案化以包括結構變化包含蝕刻該第一介電材料以在該第一介電材料中形成空隙。
  30. 如請求項29之方法，其進一步包含用不同於該第一介電材料之第二介電材料填充該等空隙。
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