TW202137577A - 具有增強汲極之像素 - Google Patents

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陶德 李爾瑞克
法席德 葛哈賽米
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美商寬騰矽公司
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Abstract

一些實施例係關於積體電路，其包括：像素，其包括：光電偵測區；及汲極，其經組態以丟棄來自該光電偵測區之外之該像素之半導體區內之電荷載體。一些實施例係關於積體電路，其包括：像素，其包括：光電偵測區；及汲極，其經組態以丟棄來自該光電偵測區之電荷載體，其中該汲極包括半導體區且該半導體區係由金屬觸點接觸。一些實施例係關於積體電路，其包括：像素，其包括：光電偵測區；及汲極，其經組態以丟棄來自該光電偵測區之電荷載體，其中該汲極包括透過不包含多晶矽電極之導電路徑與其進行電接觸之半導體區。

Description

具有增強汲極之像素
光電偵測器用於偵測各種應用中之光。已開發整合式光電偵測器，其產生指示入射光強度之電信號。用於成像應用之整合式光電偵測器包含陣列之像素以偵測自跨場景接收之光之強度。整合式光電偵測器之實例包含電荷耦合裝置(CCD)及互補金屬氧化物半導體(CMOS)影像感測器。
一些實施例係關於積體電路，其包括：像素，其包括：光電偵測區；及汲極，其經組態以丟棄來自該光電偵測區之外之該像素之半導體區內之電荷載體。
該汲極可經組態使得當該汲極以該像素之操作電壓範圍內之電壓偏壓時，該汲極不自該光電偵測區提取電荷載體。
該汲極可保持於固定電壓下。
該汲極之該電壓可為可變的。
該汲極可包括半導體區。
該積體電路可進一步包括接觸該半導體區之導電觸點。
該導電觸點可為金屬插頭。
在平面圖中，該導電觸點可不延伸至該汲極之區之外。
該半導體區可經摻雜。
該半導體區可經n型摻雜。
該積體電路可進一步包括在經n型摻雜之該半導體區下方之經p型摻雜之第二半導體區。
該半導體區可與該光電偵測區間隔開。
該汲極可為第一汲極且該像素可進一步包括第二汲極。
該第一汲極可在該光電偵測區之第一側上且該第二汲極可在該光電偵測區之第二側上。
該像素可進一步包括第三汲極。
該第三汲極可在該像素之讀出區內。
該第三汲極可經組態以丟棄來自該光電偵測區之載體。
該汲極可包括pn接面或肖特基(Schottky)接面。
該汲極可建立與該光電偵測區之空乏區重疊之空乏區。
該汲極可經組態以收集及丟棄該像素電路或一或多個摻雜區下方之電荷載體。
該汲極可為第一汲極且該積體電路可進一步包括第二汲極，其中該第二汲極經組態以丟棄來自該光電偵測區之載體。
一些實施例係關於積體電路，其包括：像素，其包括：光電偵測區；及汲極，其經組態以丟棄來自該光電偵測區之電荷載體，其中該汲極包括半導體區且該半導體區由金屬觸點接觸。
該半導體區可與該光電偵測區接觸。
該半導體區可經摻雜。
該半導體區可由與該半導體區相反之摻雜類型之第二半導體區而與光電偵測區分離。
當該汲極將電荷載體自該光電偵測區拉出時，該汲極可被控制為處於第一電壓，且當該汲極不將電荷載體自該光電偵測區拉出時，該汲極可被控制為處於第二電壓。
該汲極可經組態以當該汲極不丟棄來自該光電偵測區之電荷載體時，在該光電偵測區與該汲極之間產生電位障壁。
在平面圖中，該金屬觸點可不延伸至該汲極之區之外。
該積體電路可進一步包括在該金屬觸點與該汲極之間的矽化物材料。
在該金屬觸點與該汲極之間的電路徑中可不存在多晶矽。
一些實施例係關於積體電路，其包括：像素，其包括：光電偵測區；及汲極，其經組態以丟棄來自該光電偵測區之電荷載體，其中該汲極包括透過不包含多晶矽電極之導電路徑與其進行電接觸之半導體區。
該半導體區可與該光電偵測區接觸。
該半導體區可經摻雜。
該半導體區可由與該半導體區相反之摻雜類型之第二半導體區而與光電偵測區分離。
當該汲極將電荷載體自該光電偵測區拉出時，該汲極可被控制為處於第一電壓，且當該汲極不將電荷載體自該光電偵測區拉出時，該汲極可被控制為處於第二電壓。
該汲極可經組態以當該汲極不丟棄來自該光電偵測區之電荷載體時，在該光電偵測區與該汲極之間產生電位障壁。
在平面圖中，該金屬觸點可不延伸至該汲極之區之外。
一些實施例係關於積體電路，其包括：像素，其包括：光電偵測區；及光電二極體，其經組態以收集並排出非所要電荷載體。
該光電二極體可為第一光電二極體且該光電偵測區可包括第二光電二極體。
該第一光電二極體及該第二光電二極體可具有相同摻雜分佈。
該第一光電二極體及該第二光電二極體可為釘紮型光電二極體。
該光電偵測區可包括將電荷載體自該光電偵測區轉移至電荷儲存區之閘極。
該光電偵測區可為第一光電偵測區且該光電二極體可在該第一光電偵測區與第二光電偵測區之間。
該光電二極體可經組態以自該第一光電偵測區與該第二光電偵測區之間收集並排出非所要電荷載體。
一些實施例係關於製造積體電路之方法，該方法包括：形成包括光電偵測區及汲極之像素，該汲極經組態以丟棄來自該光電偵測區之外之該像素之半導體區內之電荷載體。
一些實施例係關於製造積體電路之方法，該方法包括：形成包括光電偵測區及汲極之像素，該汲極經組態以丟棄來自該光電偵測區之電荷載體；及形成接觸該汲極之金屬觸點。
一些實施例係關於製造積體電路之方法，該方法包括：形成包括光電偵測區及汲極之像素，該汲極經組態以丟棄來自該光電偵測區之電荷載體；及透過不包含多晶矽電極之導電路徑電接觸該汲極。
一些實施例係關於製造積體電路之方法，該方法包括：形成包括光電偵測區及光電二極體之像素，該光電二極體經組態以收集並排出非所要電荷載體。
前述概述僅係繪示性且不旨在限制。
本申請案根據35 U.S.C.119(e)主張2019年10月31日申請之美國臨時申請案第62/928,596號之申請日期之權利，該案之全部內容以引用的方式併入本文中。
本文中所描述係種整合式光電偵測器，其可準確地量測或「分時」入射光子到達之時間。在一些實施例中，整合式光電偵測器可以奈秒或皮秒解析度量測光子之到達。此光電偵測器可在包含分子偵測/定量之各種應用中找到應用，其可應用於核酸定序(例如DNA定序)。此光電偵測器可促進對來自用於標記核苷酸之發光分子之入射光子之到達之時域分析，藉此能夠基於照度壽命對核苷酸進行識別及定序。整合式光電偵測器之其他應用實例包含螢光壽命成像及飛行時間成像，如下文進一步討論。分子偵測 / 定量之時域量測討論
可使用生物學測定法(「bioassays」)執行生物學樣品之偵測及定量。習知上，生物測定涉及大型、昂貴實驗室設備，其需要訓練有素之研究科學家操作該設備並執行生物測定。習知上，生物測定係批量執行，使得大量特定類型之樣品對於偵測及定量係必需的。一些生物測定係藉由用發射特定波長光之發光標記標記樣品而執行。用光源照射樣品以引起發光，且用光電偵測器偵測發光以量化由標記發射之光量。使用發光標籤及/或報導(reporter)之生物測定習知上涉及昂貴雷射光源來照亮樣品及複雜發光偵測光學器件及電子器件以自經照亮樣品收集光。
在一些實施例中，如本文中所描述之整合式光電偵測器可回應於激發而偵測生物及/或化學樣品之照度特性。更具體而言，此整合式光電偵測器可偵測自樣品接收之光之時間特性。此整合式光電偵測器可使得能夠偵測及/或區分回應於激發而由發光分子發射之光之照度壽命，例如螢光壽命。在一些實施例中，可基於偵測及/或區分照度壽命來執行對樣品之識別及/或定量量測。例如，在一些實施例中，可藉由偵測及/或區分附接至各自核苷酸之發光分子之照度壽命來執行核酸(例如，DNA、RNA)之定序。各發光分子可直接附接(例如鍵合)至對應核苷酸或經由與核苷酸及發光分子鍵合之連結分子間接附接至對應核苷酸。
在一些實施例中，具有多個光電偵測結構及相關聯電子器件(稱為「像素」)之整合式光電偵測器可實現並行(例如，數百、數千、百萬或更多)之複數個樣品之量測及分析，其可減少執行複雜量測之成本並快速提高發現速率。在一些實施例中，光電偵測器之各像素可偵測來自樣品之光，該樣品可為單個分子或一個以上分子。在一些實施例中，此整合式光電偵測器可用於動態即時應用，諸如核酸(例如，DNA、RNA)定序。使用發光壽命偵測 / 定量分子
可將具有根據本申請案之態樣之整合式光電偵測器之積體電路設計為具有各種偵測及成像應用之合適功能。如下文進一步詳細描述，此整合式光電偵測器可具有在偵測時段(亦稱為「偵測週期」或「時間格」)內偵測光之能力。為了收集關於光之到達時間之資訊，回應於入射光子產生電荷載體且可基於其等到達時間將電荷載體引導至時間格中。
根據本申請案之一些態樣之整合式光電偵測器可用於區分包含發光分子(諸如螢光團)之發光源。發光分子在其等發射之光之波長、其等發射之光之時間特性(例如，其等之發射衰減時間週期)及其等對激發能量之回應方面不同。據此，基於偵測此等性質，可識別發光分子或與其他發光分子區分開。此等識別或區分技術可單獨使用或以任何合適組合使用。
在一些實施例中，如本申請案中所描述之整合式光電偵測器可量測或區分照度壽命，諸如螢光壽命。螢光壽命量測基於激發一或多個螢光分子，並量測所發射發光之時間變化。在螢光分子達到激發態之後，該螢光分子發射光子之概率隨時間呈指數下降。概率降低之速率可為螢光分子之特性，且對於不同螢光分子可不同。偵測由螢光分子發射之光之時間特性可允許識別螢光分子及/或相對於彼此區分螢光分子。發光分子在本文中亦指稱發光標記，或簡稱為「標記」。
在達到激發態之後，標記可在給定時間以一定概率發射光子。在激發標記之後，自經激發標記發射光子之概率可隨時間降低。光子隨時間發射之概率之降低可由指數衰減函數
Figure 02_image001
表示，其中p(t)係一次光子發射之概率t，且τ係標記之時間參數。時間參數τ指示當標記發射光子之概率係某一值時之激發之後之時間。時間參數τ係標記之性質，其可與其吸收及發射光譜性質不同。此時間參數τ指稱照度壽命、螢光壽命或簡稱為標記之「壽命」。
圖1繪製具不同壽命之兩個標記根據時間發射之光子之概率。由概率曲線B表示之標記具有比由概率曲線A表示之標記之發射概率衰減更快之發射概率。由概率曲線B表示之標記具有比由概率曲線A表示之標記更短之時間參數τ或壽命。在一些實施例中，標記可具有範圍自0.1 ns至20 ns之螢光壽命。然而，本文中所描述之技術不限於所使用之標記之壽命。
標記之壽命可用於區分一個以上標記，及/或可用於識別標記。在一些實施例中，可執行螢光壽命量測，其中由激發源激發具有不同壽命之複數個標記。作為實例，可由發射具有選定波長(例如，藉由實例，635 nm)之光之光源來激發分別具有0.5奈秒、1奈秒、2奈秒及3奈秒之壽命之四個標記。可基於量測由標記發射之光之壽命來使標記彼此識別或區分。然而，壽命本身無需計算，因為由標記發射之光之其他時間特性可用於區分其等。
與絕對強度值相反，藉由比較強度如何隨時間變化，螢光壽命量測可使用相對強度量測。因此，螢光壽命量測可避免絕對強度量測之一些困難。絕對強度量測可取決於存在之螢光團之濃度，且可需要校準步驟用於改變螢光團之濃度。相反，螢光壽命量測可對螢光團之濃度不敏感。
發光標記可為外源或內源。外源性標記可為用作發光標記之報導及/或標籤之外部發光標記。外源性標記之實例可包含螢光分子、螢光團、螢光染料、螢光著色、有機染料、螢光蛋白、酶及/或量子點。此等外源性標記可共軛至特異結合至特定靶標或組分之探針或官能團(例如，分子、離子及/或配體)。將外源性標籤或報導附接至探針允許透過偵測外源性標籤或報導之存在來識別靶標。探針之實例可包含蛋白質、核酸(諸如DNA分子或RNA分子)、脂質及抗體探針。外源性標記及官能團之組合可形成用於偵測之任何合適探針、標籤及/或標記，包含分子探針、標記探針、雜交探針、抗體探針、蛋白質探針(例如生物素結合探針)、酶標記、螢光探針、螢光標籤及/或酶報導。
雖然可將外源性標記添加至樣品或區，但內源性標記可已經為樣品或區之部分。內源性標記可包含存在之任何發光標記，其等在激發能之存在下可發光或「自發螢光」。內源性螢光團之自發螢光可提供無標記及無創標記，而無需引入內源性螢光團。此等內源性螢光團之實例可包含血紅蛋白、氧合血紅蛋白、脂質、膠原及彈性蛋白交聯、還原煙醯胺腺嘌呤二核苷酸(NADH)、氧化黃素(FAD及FMN)、脂褐素、角蛋白及/或卟啉，藉由實例而非限制。
與藉由發射光譜之量測來區分標記時相比，藉由壽命量測來區分標記可允許使用更少激發光波長。在一些實施例中，當使用更少波長之激發光及/或發光光時，感測器、濾波器及/或繞射光學器件在數目上可減少或消除。在一些實施例中，可用具有不同壽命之標記執行標記，且可由具有相同激發波長或光譜之光來激發標記。在一些實施例中，可使用發射單一波長或光譜之光之激發光源，其可降低成本。然而，本文中所描述之技術在此方面不受限，因為可使用任何數目個激發光波長或光譜。在一些實施例中，整合式光電偵測器可用於判定關於所接收光之光譜及時間資訊兩者。在一些實施例中，可藉由判定時間標記、強度參數、光譜參數或來自標記之所發射發光之參數之組合來執行存在之分子類型之定量分析。
偵測入射光子之到達時間之整合式光電偵測器可減少額外光學過濾(例如光譜過濾)要求。如下文所描述，根據本申請案之整合式光電偵測器可包含在特定時間移除光生載體之汲極。藉由依此方式移除光生載體，可丟棄回應於激發光脈衝而產生之非所要載體，而無需用於光學濾波以防止接收來自激發脈衝之光。此光電偵測器可降低整體設計整合複雜性、光學及/或濾波組件及/或成本。
在一些實施例中，可藉由在整合式光電偵測器之一或多個時間格中聚集所收集電荷載體以偵測作為時間之函數之照度強度值，來量測所發射發光之時間曲線而判定螢光壽命。在一些實施例中，可藉由執行多次量測來判定標記之壽命，其中將標記激發至激發態，且接著判定量測光子發射之時間。對於各量測，激發源可產生指向標記之激發光脈衝，且可判定激發脈衝與來自標記之隨後光子事件之間的時間。另外或替代地，當激發脈衝重複且週期性地發生時，可量測發生光子發射事件與隨後激發脈衝之間的時間，且可自激發脈衝之間的時間間隔(即，激發脈衝波形之週期)減去所量測時間來判定光子吸收事件之時間。
藉由用複數個激發脈衝重複此等實驗，可判定在激發之後之某一時間間隔內自標記發射光子之例項之數目，其指示在激發之後之此時間間隔內光子被發射之概率。所收集光子發射事件之數目可基於發射至標記之激發脈衝之數目。在一些實施例中，在一量測週期內光子發射事件之數目之範圍可自50至10,000,000，然而，本文中所描述之技術在此方面不受限。在激發之後之某一時間間隔內，自標記發射光子之例項之數目可填充表示在一系列離散時間間隔內發生之光子發射事件之數目之直方圖。可使用曲線擬合演演算法將曲線擬合至所記錄直方圖，得到表示在給定時間激發標記之後光子經發射之概率之函數。諸如
Figure 02_image001
之指數衰減函數可用於大致擬合直方圖資料。自此曲線擬合，可判定時間參數或壽命。可將所判定壽命與標記之已知壽命進行比較以識別存在之標記之類型。然而，如上文所提及，無需計算標記之壽命，因為可使用其他時間特性(諸如直接量測或依其他方式自量測導出之時間特性)來區分標記。
在一些例項中，光子發射事件之概率及因此標記之壽命或其他時間特性可基於標記之環境及/或條件而改變。例如，限制於小於激發光之波長之直徑之體積中的標記之壽命可小於標記不在該體積中時之壽命。可在類似於將標記用於標記時之條件下執行使用已知標記之壽命量測。當識別標記時，可使用由具有已知標記之此等量測判定之壽命。使用照度壽命量測進行定序
整合式光電偵測器之個別像素可能夠進行用於識別標記一或多個目標(諸如分子或分子上特定位置)之螢光標籤及/或報導之螢光壽命量測。任何一或多種感興趣分子可用螢光團標記，包含蛋白質、氨基酸、酶、脂質、核苷酸、DNA及RNA。當與偵測發射光之光譜或其他標記技術組合時，螢光壽命可增加可使用之螢光標籤及/或報導之總數目。基於壽命之識別可用於單分子分析方法以提供關於複雜混合物中分子相互作用之特性之資訊，其中此資訊在整體平均中將丟失且可包含蛋白質-蛋白質相互作用、酶活性、分子動力學及/或在膜上擴散。另外，具有不同螢光壽命之螢光團可用於在基於標記組分之存在之各種測定方法中標記靶組分。在一些實施例中，可基於偵測螢光團之特定壽命，(諸如)藉由使用微流體系統來分離組分。
量測螢光壽命可與其他分析方法組合使用。例如，可將螢光壽命與螢光諧振能量轉移(FRET)技術組合使用以區分位於一或多個分子上之供體及受體螢光團之狀態及/或環境。此等量測可用於判定供體與受體之間的距離。在一些例項中，自供體至受體之能量轉移可減少供體之壽命。在另一實例中，螢光壽命量測可與DNA定序技術組合使用，其中具有不同壽命之四個螢光團可用於標記具有未知核苷酸序列之DNA分子中之四個不同核苷酸(A、T、G、C)。螢光團之螢光壽命而非發射光譜可用於識別核苷酸序列。藉由對某些技術使用螢光壽命或其他時間特性代替發射光譜，可增加準確性及量測解析度，因為減少歸因於絕對強度量測之偽影。另外，壽命量測可減少系統之複雜性及/或費用，因為需要更少激發能量波長及/或需要偵測更少發射能量波長。
本文中所描述之方法可用於核酸定序，諸如DNA定序或RNA定序。DNA定序允許判定靶核酸分子中核苷酸之順序及位置。用於DNA定序之技術在用於判定核酸序列之方法以及定序程序中之速率、讀取長度及錯誤發生率方面大有不同。數個DNA定序方法係基於藉由合成定序，其中當核苷酸併入與靶核酸互補之新合成核酸股中時，判定核苷酸之身份。藉由合成方法之許多定序需要存在靶核酸分子群體(例如，靶核酸之複製)或擴增靶核酸以達成靶核酸群體之步驟。需要用於判定單個核酸分子序列之經改良方法。
以高準確度及長讀取長度對單個核酸分子進行定序已有最新進展。單分子定序技術(例如，由Pacific Biosciences開發之SMRT技術)中使用之靶核酸係單股DNA模板，其經添加至含有固定或附接至固體支撐物(諸如樣品多孔板之底部)之至少一種定序反應組分(例如DNA聚合酶)之樣品多孔板。樣品多孔板亦含有脫氧核糖核苷三磷酸，亦指稱「dNTP」，包含腺嘌呤、胞嘧啶、鳥嘌呤及胸腺嘧啶dNTP，其等共軛至偵測標記(諸如螢光團)。較佳地，各類dNTP (例如腺嘌呤dNTP、胞嘧啶dNTP、鳥嘌呤dNTP及胸腺嘧啶dNTP)各共軛至不同偵測標記，使得信號之偵測指示併入至新合成核酸中之dNTP之身份。偵測標記可在任何位置共軛至dNTP，使得偵測標記之存在不抑制dNTP併入至新合成核酸股或聚合酶之活性。在一些實施例中，偵測標記共軛至dNTP之末端磷酸酯(γ-磷酸酯)。
任何聚合酶可用於能夠合成與靶核酸互補之核酸之單分子DNA定序。聚合酶之實例包含大腸桿菌DNA聚合酶I、T7 DNA聚合酶、噬菌體T4 DNA聚合酶φ29(psi29)DNA聚合酶及其變體。在一些實施例中，聚合酶係單個亞基聚合酶。在靶核酸之核鹼基與互補dNTP之間進行鹼基配對之後，聚合酶藉由在新合成股之3'羥基末端與dNTP之α磷酸酯之間形成磷酸二酯鍵而將dNTP併入至新合成核酸股中。在其中共軛至dNTP之偵測標記係螢光團之實例中，其存在藉由激發發出信號且在併入步驟期間偵測發射脈衝。對於共軛至dNTP端子(γ)磷酸酯之偵測標記，將dNTP併入至新合成股中釋放β及γ磷酸酯及可自由地在樣品多孔板中擴散之偵測標記，導致自螢光團偵測之發射減少。
本文中所描述之技術不限於分子或其他樣品之偵測或定量或執行定序。在一些實施例中，整合式光電偵測器可執行成像以獲取關於區、物體或場景之空間資訊及關於使用該區、物體或場景之入射光子之到達之時間資訊。在一些實施例中，整合式光電偵測器可執行區、物體或樣品之發光壽命成像，諸如螢光壽命成像。用於時分光生電荷載體之整合式光電偵測器
一些實施例係關於具有一光電偵測器之積體電路，該光電偵測器回應於入射光子而產生電荷載體且能夠區分產生電荷載體之時序。在一些實施例中，積體電路可具有單一格(亦稱為「格」、「電荷儲存格」或「電荷載體儲存區」)用於對在光電偵測區中產生之電荷載體進行時分。在偵測週期期間產生之電荷載體經轉移至格。在偵測週期之外產生之電荷載體不轉移至格。如上文所提及，量測可重複多次，且格可在複數個量測上聚集在偵測週期內接收之電荷載體。接著讀出所儲存之電量。在讀出之後，可改變偵測週期之時序，且在重新設定格之後，可以不同偵測週期時序來執行另一組量測。接著，電荷載體在另一複數個量測上聚合且再次讀出所儲存電荷。在不同偵測週期中收集之電荷量可提供關於由光電偵測器接收之光之時間及/或強度之資訊。關於光子到達時間相對於參考時間之時序資訊可藉由改變其偵測週期時序自單一格獲得。此積體電路可用於各種應用之任何者中，諸如本文中所描述之彼等。描述具有直接方格化像素及單一格之積體電路之實例。在一些實施例中，積體電路可包含陣列之此等像素。
如本文中所使用，術語「半導體區」係指作為較大半導體結構(例如，像素區或晶片)之部分之任何形狀之半導體材料之體積。除非明確陳述為經摻雜或未摻雜，否則半導體區可為經摻雜或未摻雜。半導體區之實例包含摻雜區及未摻雜區，諸如本徵半導體材料之植入、擴散及區。術語「半導體之區」具有相同於「半導體區」之含義。直接方格化像素
圖2展示像素100之實例，其中在光子吸收/載體產生區102 (亦稱為「光電偵測區」)中產生之電荷載體可直接轉移至電荷載體儲存區108中之電荷儲存格，而無需其等之間的中間電荷載體捕獲區。此像素稱為「直接方格化像素」。該格可為單一格，沒有其他格經組態以直接自光子吸收/載體產生區102接收電荷載體。圖2展示在電荷載體儲存區108中具有單一格之像素100之實例。單一格像素相對於多格像素之優點可包含：對激發光之經改良抑制、藉由降低複雜性來簡化設計及歸因於需要驅動較少電極而功耗較低。格可聚集在參考時間或觸發事件之後之偵測週期中接收之電荷載體。而且，如下文進一步討論，為讀出目的，可存在一或多個額外儲存區以接收儲存於格中之電荷。例如，將儲存於格中之電荷轉移至另一電荷儲存區用於讀出可允許同時使用格用於接收電荷載體及另一電荷儲存區用於在電荷經讀出時保持電荷。
像素100可包含半導體區，該半導體區可由任何合適半導體(諸如，例如矽)形成。圖2展示下面之半導體區及在半導體區之頂部上方形成之電極206、203及213之平面圖。包含電極206及203之電荷載體隔離結構在不同時間選擇性地將光生電荷載體引導至格或拒絕區105。在一些實施例中，光子吸收/載體產生區102可包含形成於半導體區中之光電二極體，諸如釘紮光電二極體。光電二極體可為全空乏。在一些實施例中，光電二極體可一直保持基本上空乏電子。在一些實施例中，光電二極體經組態以收集單一光子。在此等實施例中，可產生單一光電子並將其限制於光電二極體中。若藉由CMOS程序形成，則光電二極體可由由CMOS程序產生之裝置內可用之電位全空乏。在一些實施例中，電極203可至少部分圍繞二極體之周邊耦合至二極體。電極203可允許受限載體之快速電荷轉移。在討論將電荷載體轉移至格之前，將描述藉由將非所要載體轉移至拒絕區105中來拒絕非所要載體。
再次參考圖2，直接方格化像素100可包含拒絕區105以在拒絕週期期間排放或依其他方式丟棄在光子吸收/載體產生區102中產生之電荷載體。可定時在觸發事件(諸如激發光脈衝)期間發生拒絕週期。由於激發光脈衝可在光子吸收/載體產生區102中產生數個非所要電荷載體，因此可在像素100中建立電位梯度以在拒絕週期期間將此等電荷載體排放至拒絕區105。作為實例，拒絕區105可包含高電位擴散區，其中電子經排放至電源電壓。拒絕區105可包含電極206，其將區102直接電荷耦合至拒絕區105。在一些實施例中，電極206可覆蓋半導體區。可改變電極206之電壓以在光子吸收/載體產生區102中建立所需電位梯度。在拒絕週期期間，可將電極206之電壓設定為自光子吸收/載體產生區102吸取載體至電極206，並流出至電源電壓之位準。例如，可將電極206之電壓設定為正電壓以吸引電子，使得將其等自光子吸收/載體產生區102吸取遠離至拒絕區105。在拒絕週期期間，可將電極203設定為形成電位障壁202以防止非所要電荷載體到達格之電位。拒絕區105可視作「橫向拒絕區」，因為其允許將載體自區102橫向轉移至汲極。在一些實施例中，相對於電荷載體自光電偵測區102至格之轉移方向(圖2中之向下)，拒絕係在與光電偵測區102相反之方向上(圖2中之向上)。然而，拒絕區105及收集區108之相對位置不限於光電二極體102之相對側。
在拒絕週期之後，可將在光子吸收/載體產生區102中產生之光生電荷載體轉移至格中。在偵測週期期間，可降低由電極203形成之電位障壁202，可升高由電極206形成之電位障壁，且光子吸收/載體產生區102與電荷載體儲存區108之間的半導體區內之電位可建立電位梯度，該電位梯度致使光生電荷載體引導至格。在偵測週期結束時，電位障壁202升高以防止進一步電荷載體轉移至格中。據此，格在偵測週期期間儲存在格中接收之電荷載體。如下文進一步討論，接著可讀出所儲存之電荷。
在一些實施例中，僅單一電極203可安置於區102與格之間之邊界處以控制電位障壁202，該電位障壁202允許或防止電荷載體轉移至格。然而，在一些實施例中，電位障壁202可由一個以上電極產生。電極203可控制電位障壁202以允許或防止電荷載體進入格。電位障壁202可為區102與格之間的單一電位障壁。
圖3展示操作像素100之方法50之流程圖，該方法50包含執行複數個交替載體拒絕步驟52及偵測步驟60，接著讀出步驟58。
在拒絕步驟52期間之像素100之操作繪示於圖4A中。拒絕步驟52在拒絕週期內發生。在拒絕步驟52中，像素100經操作以藉由將區102中產生之電荷載體轉移至拒絕區105來拒絕其等。例如，拒絕步驟52可包含控制電極206以產生驅動區102中產生之電荷載體至拒絕區105之電位梯度。藉由在圖4A之向上方向上引導載體而拒絕載體。升高至格之電位障壁202以防止非所要電荷進入格。
拒絕步驟52可經定時為在觸發事件期間發生。觸發事件可為用作光子之時分到達之時間參考之事件。觸發事件(例如)可為光學脈衝或電脈衝，且可為單一事件或重複、週期性事件。在照度壽命偵測之情況下，觸發事件可為激發光脈衝之產生或接收以激發發光分子(諸如螢光團)。在飛行時間成像之情況下，觸發事件可為由包括整合式光電偵測器之成像裝置發射之光脈衝(例如，來自閃光燈)。觸發事件可為用作計時光子或載體到達之參考之任何事件。
激發光脈衝之產生可產生大量光子，一些光子可到達像素100且可在光子吸收/載體產生區102中產生電荷載體。由於不需要量測來自激發光脈衝之光生載體，因此可藉由在拒絕步驟52中將其等引導至汲極來拒絕其等。此可減少非所要信號量，否則可需要由複雜光學組件(諸如快門或濾波器)防止其到達，其可增加額外設計複雜性及/或成本。
返回至圖3之討論，偵測步驟60在拒絕步驟52之後。如圖4B中所繪示，偵測步驟60可包含升高至拒絕區105之電位障壁(例如，藉由修改電極206之電壓)以防止光生電荷載體被丟棄。至拒絕區105之電位障壁之升高係偵測步驟60之開始，其具有稱為偵測週期之持續時間。在升高至拒絕區105之電位障壁之同時或之後，偵測步驟60包含降低區102與格之間的電位障壁202 (例如，藉由修改電極203之電壓)一段時間，其中允許電荷載體自區102傳遞至格。若在將電位障壁升高至拒絕區105之後降低電位障壁202，則在光電偵測區102中光生之任何電荷載體保留在光電偵測區102中，直至電位障壁202降低為止，且接著此等電荷載體傳遞至格。據此，偵測週期包含電位障壁202經降低之時間週期以及在電位障壁202經降低之前將電位障壁升高至拒絕區105之後之任何週期兩者。光子可或可不在偵測步驟60期間到達光電偵測區102。若光子到達光電偵測區102且在偵測週期期間產生光生電荷載體(步驟54)，則電位梯度導致電荷載體引導至格中(步驟56)，如圖4B中所繪示。可依任何合適方式建立此電位梯度，諸如在選定電位下使用分級摻雜濃度及/或一或多個電極。接著，在偵測週期結束時升高電位障壁202以防止進一步電荷載體轉移至格中，其標誌偵測週期結束。若在升高至格之電位障壁202時在區102中產生光生電荷載體，則可將電荷載體限制於區102中，直至再次發生拒絕步驟52且丟棄電荷載體為止。據此，格收集在偵測週期期間在區102中產生之光生電荷載體。
如上文所討論，在一些應用中，回應於觸發事件而接收光子並產生載體之概率可為低的(例如，約萬分之一)。據此，可在偵測步驟60中很少接收光子。然而，在一些實施例中，所接收光子之數量及/或接收光子之概率可更高，因為本文中所描述之技術不限於少量所接收光子。
在步驟56之後，可將拒絕步驟52及偵測步驟60重複n -1次以獲得關於光子在觸發事件之後趨向於到達之時間週期之資訊(例如統計資訊)。當重複偵測步驟60時，時分電荷載體可聚集在格中。重複偵測步驟60可使得能夠在格中聚集足夠數目個電荷載體以提供統計上有意義之結果。例如，在螢光壽命量測之上下文下，可預期回應於自螢光團接收之光子之光子吸收事件可相對較少地發生。例如，可預期此事件在約10,000次量測中發生一次。據此，可需要執行大量之量測(偵測步驟60)以聚集格中足夠數目個電荷載體，使得結果在統計上係有意義及/或具有足夠信雜比。在一些實施例中，可執行之用於螢光壽命量測之螢光團之量測次數n 可為50,000或更多、100,000或更多、200,000或更多、300,000或更多、400,000或更多、500,000或更多、一百萬或更多、2百萬或更多、5百萬或更多以使得能夠在各格中捕獲及分級足夠數目個電荷載體(在一些實施例中為數十或數百或更多)。可在MHz範圍內之頻率(諸如50 MHz與100 MHz之間、25 MHz與200 MHz之間、10 MHz與500 MHz之間或1 MHz與500 MHz之間(所有範圍包含端點))或其他頻率重複量測。在一些實施例中，在重複量測n-1次之後，在格中可累積約一百個載體(例如電子)。然而，其取決於所接收之光子數目。在一些實施例中，累積於格中之載體之數目可在10與10,000之間，諸如在50與1,000之間，或任何其他合適數目。方法50可在期望捕獲光子之任何合適時間週期上執行。執行方法50之週期稱為「幀」。在螢光壽命量測之上下文中，幀之合適長度可為(例如) 10毫秒。在一些實施例中，偵測步驟60可以MHz範圍之頻率重複。在一些實施例中，格可具有皮秒或奈秒級之解析度。
一旦已執行經分配數目個量測值n (步驟60)，方法則進行至讀出格之步驟58。在步驟58中，電荷可自格轉移至讀出節點111，該讀出節點係另一電荷載體儲存區。讀出節點111可包含浮動擴散。替代地，格本身可為用於電荷儲存及讀出兩者之浮動擴散。在此情況下，不存在212/213且111係格。電荷自格至讀出節點111之轉移繪示於圖4C中。為自各格轉移電荷，可改變電極213之電壓以降低格與讀出節點111之間的電位障壁212。可建立電位梯度，其導致電荷自格0流動至讀出節點111。轉移至讀出節點111之電荷接著可經轉換成電壓並使用讀出電路系統110讀出，其之實例展示於圖5中。
在一些實施例中，整合式裝置可經程式化以使得能夠改變格之時序。電極可由控制電路控制，該控制電路設定合適時序並調整幀之間的時序。在一些實施例中，可基於觸發事件之時序來設定時間格之時序，該觸發事件之時序啟始用於量測60之量測週期。在螢光壽命量測上下文中，可回應於偵測激發螢光團之激發脈衝之時序設定時間格之時序。例如，當激發光脈衝到達像素100時，大量載體可自光子吸收/載體產生區102行進至汲極。回應於激發脈衝，光生載體在汲極處之累積可引起汲極電壓之變化。據此，在一些實施例中，可藉由偵測汲極之電壓來偵測激發脈衝。例如，比較器可將汲極之電壓與臨限值進行比較，且當汲極之電壓超過臨限值時可產生脈衝。脈衝之時序可指示觸發事件之時序，且可基於此時序來設定時間格之時序。然而，本文中所描述之技術在此方面不受限，因為可使用任何合適技術來偵測量測之開始。
在描述像素100之操作之時序之後，現討論返回至像素100之結構及讀出。圖5展示沿圖2中之線A-A'之像素100之實例之橫截面圖。如所繪示，電極206、203及213形成於半導體基板101上或上方。在光子吸收/載體產生區102處自光源120接收光。光源120可為任何類型之光源，包含(藉由實例且非限制)在成像應用中待成像之發光樣品(例如，連結至核酸)或區或場景。光源120可包含非所要激發雷射光。光罩121可防止光到達基板之另一部分(例如)以防止電荷由雜散激發光或其他雜散光直接在格或讀出節點中產生。藉由實例且非限制，光罩121可由任何合適材料(諸如積體電路之金屬層)形成。圖5繪示在拒絕期間(向左)及轉移至格(向右)之電荷轉移之相反方向。
如圖5中所繪示，像素100可包含允許讀出儲存於格中之電荷之讀出電路系統110。像素100可為主動像素，使得讀出電路系統110包含讀出放大器，或可為被動像素，其中讀出電路系統110不包含讀出放大器。可使用任何合適類型之主動像素或被動像素讀出電路系統。若讀出電路系統110包含讀出放大器，則讀出放大器可將累積於電荷儲存格(例如，格0、格1)中之電荷作為輸入且產生表示電荷儲存格中之電荷之電壓作為輸出。
若讀出電路系統110包含讀出放大器，則可使用任何合適類型之放大器。合適放大器之實例包含基於共同源組態之放大器及基於源極隨耦器組態之放大器。基於源極隨耦器組態之讀出電路系統110之一個實例繪示於圖5中。如圖5中所展示，讀出區110可包含源極隨耦器緩衝電晶體sf、重設電晶體rt及列選擇電晶體rs。然而，本文中所描述之技術不限於任何特定放大器組態。在一些實施例中，轉移電極213可為讀出電路系統110之部分。
可使用任何合適讀出技術，包含雜訊減少技術。在一些實施例中，讀出電路系統110可使用相關雙採樣來讀出格。相關雙重採樣係其中可在包含未判定量之雜訊之重設電壓位準下對節點進行第一採樣，且在包含相同未判定雜訊之節點處對信號位準進行第二採樣之技術。可藉由自採樣信號位準減去採樣重設位準來減去雜訊。
如上文所討論，讀出格可包含將格中聚集之電荷量轉換成對應電壓。可以任何合適速率(諸如50Hz至100Hz、10Hz至500Hz或其他速率)執行自時間格之讀取。
轉移電極213可經電荷耦合至格。讀出節點111可經電荷耦合至轉移電極213。如圖5中所繪示，讀出節點111可連接至重設電晶體rt之源極。重設電晶體rt及列選擇電晶體rs之汲極可連接至高壓電源。重設電晶體rt及列選擇電晶體rs之閘極可由列驅動器電路控制。在一些實施例中，電晶體sf之源極可連接至列選擇電晶體rs之汲極。電晶體sf之閘極可連接至讀出節點111。在一些實施例中，源極隨耦器之源極可連接至行線讀出。
在一些實施例中，像素無需既具有格又具有讀出節點111。圖6展示像素200之實例之橫截面圖，其中格由讀出節點111形成。如上文所討論，讀出節點111可為浮動擴散。藉由消除電荷儲存區及電極213，將讀出節點111用作格可簡化像素設計及操作。圖7展示像素200之平面圖。如圖6及圖7中所見，在像素200中，電極203控制電位障壁202以存取讀出節點111。像素200之操作可相同於上文針對像素100所描述之操作，除可藉由無需將電荷自單獨格轉移至讀出節點111來簡化讀出之外。 實例儲存格
存在將電荷儲存格實施為半導體區內之電位井之若干方法。在一些實施例中，電位井可部分在電極203內。存在兩種類型之轉移，用於將電荷移入及移出井。累積轉移將電荷移入至井中。讀出轉移將電荷移出井。
以下係潛在井之可行特性： •    井可具有足以在30°C下儲存至少100個電子之累積電荷10 ms之深度。 •    電極203將區102電荷耦合至井。 •    井可至少部分位於電極203內。 •    在累積轉移期間，井可處於高於區102之全空乏電壓之電位。 •    在讀出轉移期間，井之全空乏電壓可處於低於浮動擴散重設位準之電位。 •    可動態調節井之電位，以滿足累積轉移及讀出轉移之需求兩者。
存在數個技術為格(諸如格0或格1)產生電位井。作為一個實例，電極203及213之一或多者可互補摻雜(分裂摻雜)。第二選項係將埋設通道n型植入物放置於由電極調變之井位置處。當電極處於高電位時，井電位增加超過收集區。第三選項係產生相同於區102之二極體之複製二極體。二極體可為埋設二極體，與區102之二極體一樣，具有相同植入。其可形成於障壁202與轉移電極213之間。可用跨讀出轉移閘極延伸之n型植入來調整空乏電壓。電極形成障壁202可摻雜N+，而讀出轉移電極可摻雜P+。在一些實施例中，可使用上文所描述技術之組合來形成格之電位井。
格之位置可在電極下方、未由電極覆蓋之區中，或在電極下方及未由電極覆蓋之區兩者中。例如，格可在電極203下方、在電極203與連接至t1之多晶矽轉移電極之間之不在電極203下方之區中，或在電極203下方及不在電極203下方之區兩者中。材料之實例
圖8展示可由其製造積體電路之材料之實例。像素可形成於半導體區中，該半導體區在一些實施例中可為矽。絕緣區(諸如氧化矽區)可使積體電路之區域彼此絕緣。電極(例如，電極206、203及213)可由多晶矽或另一導體形成。絕緣間隔物可定位於電極之側處。例如，絕緣區可由氮化矽形成。金屬(諸如鋁)可安置於電極上以對其進行電接觸。然而，可使用其他材料，因為本文中所描述之裝置不限於特定材料。增強汲極
發明人已認識到並瞭解，經組態以分時電荷載體之像素可對雜散電荷載體之捕獲敏感。歸因於各種程序(諸如漂移、擴散或光生化)，可在像素中發生雜散電荷載體。雜散電荷載體係不期望的，因為其等可到達光生區及/或時間格，最終導致雜訊，該雜訊掩蓋期望量測之信號，即在光電偵測區中回應於期望待量測之光而產生之電荷載體。期望捕獲及丟棄雜散電荷載體。
本文中描述可改良像素捕獲及丟棄雜散電荷載體之能力之汲極結構(「汲極」)。將描述兩類汲極：弱耦合至光電偵測區之彼等；及強耦合至光電偵測區之彼等。弱耦合至光電偵測區之汲極可捕獲及丟棄光電偵測區之外之像素之周邊中之電荷載體。此汲極可安置於像素之周邊中。像素之周邊可包含光電偵測區及格之外之像素區，包含自光電偵測區及格或在其下方橫向移位之區。當汲極經偏壓於像素之典型工作電壓處時，弱耦合至光電偵測區之汲極沒有足夠強地耦合至光電偵測區以自光電偵測區提取電荷載體。強耦合至光電偵測區之汲極可自光電偵測區提取電荷載體。例如，藉由將汲極設定為適當電壓，此汲極可捕獲及丟棄在不期望由光電偵測區量測光之週期期間產生之電荷載體。強耦合汲極亦可自圍繞強耦合汲極之區捕獲並丟棄光電偵測區之外之電荷載體。 弱耦合汲極
圖9展示像素100之實例，其可包含弱耦合至光電偵測區102之一或多個汲極130。汲極130可捕獲並丟棄來自像素100之周邊區之雜散電荷載體。如此，可將汲極130偏壓在合適電位處以吸引在像素之周邊區中雜散電荷載體。如圖9中所展示，汲極130a及/或130b可與光電偵測區102分離。
任何數目個汲極130可包含於像素110中。可基於趨向於存在雜散電荷載體之位置來選擇汲極130之數目及位置。作為實例，一或多個汲極130a及/或130b可沿像素100之側延伸，如圖9中所繪示。作為另一實例，汲極130c可在讀出區110內以捕獲在讀出區110及/或周圍區內之雜散電荷載體。
圖10A展示像素100之平面圖，該像素100包含與光電偵測區102分離之汲極130a及130b。汲極130a及130b可為半導體之區。圖10B展示沿圖10A中之線A-A'之圖10A之像素100之橫截面圖。如圖10B中所繪示，汲極130a、130b可為半導體之凸起區。汲極130a、130b可具有與光電偵測區102相同之高度。然而，其等可具有與彼此及光電偵測區102相同或不同之高度。可在光電偵測區102與汲極130a、130b之間形成絕緣材料之溝槽137。溝槽137可為淺溝槽絕緣體(STI)。汲極130a、130b可分別包含經摻雜半導體區132a及132b。在此實例中，經摻雜半導體區132a及132b係n型摻雜。可使用任何合適摻雜技術(諸如，例如植入或擴散)來形成經摻雜半導體區132a、132b。在經摻雜半導體區下方係具相反摻雜類型之經摻雜半導體區134。在此實例中，經摻雜半導體區134係p型摻雜。在區132及區134之相交處形成p-n接面。p-n接面可經反向偏壓，且可形成將雜散載體掃入汲極之空乏區。在一些實施例中，代替p-n接面或除p-n接面之外，可使用肖特基接面以建立將載體掃入汲極之電場。
觸點136a及136b分別接觸半導體區132a及132b。在一些實施例中，觸點136a、136b可為金屬觸點，諸如(例如)鎢插頭。觸點136可直接或間接接觸汲極之半導體區。在一些實施例中，可透過不包含多晶矽之導電路徑對汲極之半導體區進行電接觸。在一些實施例中，矽化物或其他材料可安置於金屬觸點(例如136)與(區132之)單晶半導體材料之間。在一些實施例中，可藉由將難熔金屬(例如鈷)與單晶半導體之頂部區混合來形成矽化物。金屬與半導體之間的此材料可促進在其等之間建立歐姆接觸。在一些實施例中，矽化物層可為大致30 nm厚(例如，在15 nm與45 nm厚之間)。然而，本文中所描述之技術及裝置不限於特定厚度或特定類型之材料。
如圖10A中所繪示，在平面圖中，觸點136a、136b可完全在對應半導體區130之區域內，使得其等不延伸超過對應半導體區130之區域。觸點136可經偏壓至電壓使得雜散載體透過汲極拉出。例如，若載體係電子，則可將觸點136之電壓設定成高於下覆基板之電位之電位。然而，當觸點136偏壓於像素100之工作電壓處時，汲極130僅弱耦合至光電偵測區102且沒有足夠強地耦合至光電偵測區102以自光電偵測區102提取電荷載體。即，施加至觸點136之足夠高電壓可使汲極132自光電偵測區102提取電荷載體，但此電壓遠高於像素100之工作電壓範圍。電壓可施加至像素內之各種電極及裝置以操作像素，且相對於施加至此等電極及裝置之接地之最大電壓(絕對值)低於導致弱耦合汲極自光電偵測區提取電荷載體所需之電壓(絕對值)。
可使用適當放置之汲極之組合以在像素陣列下產生空乏區，該空乏區協助切斷自表面至基板之電流路徑。此對於啟用「負基板偏壓」可能有用。負基板偏壓可在不損失量子效率之情況下大大改良雜散載體之拒絕。此概念展示於圖10C中。汲極之空乏區可在光電二極體下方形成經連接空乏區以夾住自裝置至基板之電流路徑。存在多種方式在像素陣列下方形成經連接空乏區以實現負基板偏壓。此處所描述之一個概念使用反向偏壓接面。亦可將此概念與其他方法(諸如在像素陣列之p井下方添加n型植入)組合。
在圖10B之實例中，光電偵測區102係釘紮型光電二極體，該釘紮型光電二極體具有在上表面處之高摻雜p+釘紮型區及下覆n型摻雜區。然而，本文中所描述之技術不限於作為釘紮型光電二極體之光電偵測區102，因為可實施其他類型之光電偵測區，諸如(例如)沒有釘紮之光電二極體或光閘極。
圖11展示像素之實例，該像素在讀出區130中包含汲極130c。汲極130c可捕獲在讀出區110中及下方之雜散電荷載體。汲極130c可依類似於上文關於汲極130a及130b所討論之方式結構化及偏壓。可在讀出區110中及在讀出區130c內之任何合適位置中提供任何數目個汲極130c。亦繪示於圖11中係對應於圖10B中之p型摻雜區134之PWELL區。
圖12展示像素之實例，該像素包含在結構及組成上類似於光電偵測區102之汲極130d。例如，光電偵測區102可為釘紮型光電二極體且汲極130d亦可為釘紮型光電二極體。在一些實施例中，光電偵測區102及汲極130d可由相同材料形成，且可具有相同摻雜分佈。然而，本文中所描述之技術在此方面不受限。與其他類型之汲極130一樣，汲極130d可具有收集雜散電荷載體之功能。類似於光電偵測區102，汲極130d可由電極138部分覆蓋，該電極138將汲極130d之光電二極體部分與觸點136c、136d分離。然而，此電極係可選的，只要汲極區連接至可丟棄非所要電荷載體之汲極電壓即可。 強耦合汲極
在一些實施例中，汲極可強耦合至光電偵測區。此汲極可自光電偵測區提取非所要電荷載體，諸如回應於激發光脈衝而產生之彼等。此汲極亦可自光電偵測區或格之外之區收集雜散電荷載體。在一些實施例中，強耦合汲極包含由金屬觸點直接或間接接觸之半導體區，而不透過多晶矽電極及介電閘極提供電控制。在其中需要接通及關斷汲極之情況下，消除多晶矽電極可減小開關電極上之寄生電容，其減小開關電極上之電流消耗及功耗。
圖13展示具強耦合至光電偵測區102之汲極140之像素之平面圖。汲極140可包含靠近光電偵測區102之半導體之區。一個或一個以上觸點136可接觸汲極之半導體區。觸點136可為金屬觸點(諸如鎢插頭)。與涉及多晶矽電極之先前技術相比，觸點136可直接接觸汲極140之半導體區。依另一方式，可透過不包含多晶矽電極及介電閘極之導電路徑對汲極之半導體區進行電接觸。在一些實施例中，矽化物或其他材料可安置於金屬觸點(例如136)與(汲極140之)單晶半導體材料之間。在一些實施例中，可藉由將難熔金屬(例如鈷)與單晶半導體之頂部區混合來形成矽化物。金屬與半導體之間的此材料可促進在其等之間建立歐姆接觸。在一些實施例中，矽化物層可為大致30 nm厚(例如，在15 nm與45 nm之間)。然而，本文中所描述之技術及裝置不限於特定厚度或特定類型之材料。
圖14展示沿圖13中之線B-B'之橫截面之一個實例。在此實例中，汲極包含摻雜n型之半導體區601。半導體區601可接觸釘紮型光電二極體之高摻雜p+層。
圖15A及圖15B展示當分別將0 V及2 V電壓施加至汲極140時沿圖13之線B-B'之光電二極體中之電位。如圖15A中所展示，向汲極施加0 V電壓允許電位跨光電二極體實質上保持恆定，其允許光生載體在光電二極體中保持足夠長時間以由第二收集閘極收集，儘管洩漏至汲極有限。如圖15B中所展示，施加2 V電壓使光電二極體中之電場傾斜並將光電二極體中之電子拉至汲極140中。
圖16展示沿圖13中之線B-B'之經摻雜以在光電二極體與汲極之間產生電位障壁之結構之橫截面之另一實例。在此實例中，汲極140包含摻雜n型之半導體區801，該半導體區801由摻雜p型之半導體區802而與光電二極體分離。半導體區802可為(例如)使用硼或BF2 之p型植入。與圖14中之結構相反，當汲極處於低電壓時，在光生區102與汲極之間存在電位障壁。此減少此汲極與第二收集閘極之間的競爭，該第二收集閘極旨在捕獲(例如)由螢光染料產生之載體，導致感測器之更高收集效率。
圖17A及圖17B展示當分別將0 V及2 V電壓施加至汲極140時沿圖13之線B-B'之光電二極體中之電位。如圖17A中所展示，當將0 V施加至汲極140時，電位障壁由區801與802之間之的p-n接面形成。如圖17B中所展示，施加2 V電壓使光電二極體中之電場傾斜並猝滅障壁，使光電二極體中之電子流入汲極140中。
在其中電荷載體係空穴而非電子之裝置中，半導體區之摻雜類型以及偏壓電壓之極性可相反，p型由n型替換且反之亦然，且高壓用低壓替換且反之亦然。
在一些實施例中，像素可具有一或多個弱耦合汲極及一或多個強耦合汲極兩者。例如，返回至圖9之討論，像素可具有一或多個強耦合汲極(105或140)及一或多個弱耦合汲極130。為像素提供一或多個弱耦合汲極及一或多個強耦合汲極兩者可增強非所要電荷載體之提取。像素陣列 / 晶片架構
圖18展示根據一些實施例之晶片架構之圖。在一些實施例中，圖18中之晶片1300可使用標準CMOS (互補金屬氧化物半導體)程序而形成於矽基板中。然而，本文中所描述之技術在此方面不受限，因為可使用任何合適基板或製程。如圖18中所展示，積體電路或晶片1300可包含：一像素陣列1302，其包含複數個像素100；控制電路1304，其包含時序電路1306；電壓/電流偏壓產生電路1305；及介面1308。然而，並非所有此等組件需要在晶片1300上，因為一或多個組件可在晶片外。例如，在一些實施例中，用於像素電極之控制信號可由位於晶片外之電路產生。
像素陣列1302包含以任何合適圖案(諸如，例如，矩形圖案)佈置之陣列之像素100。像素陣列1302可具有任何合適數目個像素。像素陣列可具有用於讀出像素陣列1302之列或行之列及/或行導體。可並列、串列或以其組合來讀出像素。例如，在一些實施例中，可並行讀出一列像素，且可循序讀出各列像素陣列。然而，本文中所描述之技術在此方面不受限，因為可依任何合適方式讀出像素。
像素陣列1302由控制電路1304控制。控制電路1304可為用於控制晶片1300上之操作(包含像素陣列1302之操作)之任何合適類型之控制電路。在一些實施例中，控制電路1304可包含經程式化以控制像素陣列1302之操作及晶片1300上之任何其他操作之微處理器。控制電路可包含電腦可讀媒體(例如記憶體)，該電腦可讀媒體(例如記憶體)儲存用於致使微處理器執行此等操作之電腦可讀指令(例如碼)。例如，控制電路1304可控制將待施加至各像素中之電荷載體隔離結構之電極之產生電壓。如上文所討論，控制電路1304可改變一或多個電極之電壓以捕獲載體，轉移載體，並執行像素及陣列之讀出。控制電路可基於所儲存之時序方案來設定電荷載體隔離結構之操作之時序。如上文所討論，所儲存之時序方案可為固定的、可程式化及/或自適應。
控制電路1304可包含用於像素之電荷載體隔離結構之時序操作或晶片之其他操作之時序電路1306。在一些實施例中，時序電路1306可使得能夠產生信號以精確地控制電荷載體隔離結構中之電壓變化之時序以準確地分時電荷載體。在一些實施例中，時序電路1306可包含外部參考時鐘及/或延遲鎖定環(DLL)用於精確地設定提供給電荷載體隔離結構之信號之時序。在一些實施例中，可使用兩個單端延遲線，各延遲線具180度對準級之一半數目異相。然而，可使用任何合適技術用於控制晶片上信號之時序。
晶片1300可包含用於自晶片1300發送信號、在晶片1300處接收信號或兩者之介面1308。介面1308可使得能夠讀出由像素陣列1302感測之信號。可使用類比介面及/或數位介面執行自晶片1300之讀出。若使用數位介面執行自晶片1300之讀出，則晶片1300可具有一或多個類比至數位轉換器用於將自像素陣列1302讀出之信號轉換成數位信號。在一些實施例中，讀出電路可包含可程式化增益放大器。可經由介面1308自外部源向晶片1300提供一或多個控制信號。例如，此等控制信號可控制待執行之量測之類型，其可包含設定時間格之時序。
自像素陣列1302讀出之信號之分析可由晶片上或晶片外之電路系統執行。例如，在螢光壽命量測之上下文中，對光子到達之時序之分析可包含近似螢光團之螢光壽命。可執行任何合適類型之分析。若在晶片上執行對自像素陣列1302讀出之信號之分析，則晶片1300可具有用於執行該分析之任何合適處理電路系統。例如，晶片1300可具有用於執行分析之微處理器，該微處理器係控制電路1304之部分或與控制電路1304分離。若在晶片上執行分析，則在一些實施例中，可將分析結果發送至外部裝置或依其他方式透過介面1308在晶片外提供。在一些實施例中，可在晶片外執行全部或部分分析。若在晶片外執行分析，則可透過介面1308將自像素陣列1302讀出之信號及/或由晶片1300執行之任何分析之結果提供給外部裝置。
在一些實施例中，晶片1300可包含以下之一或多者： 1)晶片上、數位受控、像素偏壓產生器(DAC)。 2)晶片上、數位可程式化增益放大器，其可將單端像素輸出電壓信號轉換成差分信號，並將增益應用於該信號。 3)數控放大器偏壓產生器，其可使用輸出速率調節功耗。製造技術
如上文所提及，可在CMOS程序中形成具有本文中所描述之汲極之晶片。下文描述合適程序之實例。在一些實施例中，可使用相同於或類似於2017年12月22日申請之題為「INTEGRATED PHOTODETECTOR WITH DIRECT BINNING PIXEL」之美國公開專利申請案2018/0180546中所描述之程序之程序，該案之全文以引用的方式併入本文中。此程序可使用適當遮罩來形成汲極及本文中所揭示之其他結構。然而，此為圖解說明，因為可使用各種不同程序。
1. 晶圓開始。 晶圓可由任何類型之半導體材料形成，其實例包含矽、鍺及矽鍺。晶圓可為任何類型之晶圓，諸如，體半導體晶圓、具有磊晶生長之半導體材料之晶圓及/或絕緣體上矽(SOI)晶圓。在此階段，深摻雜區134 (例如圖10B)可存在於晶圓中。
2. 深 n 井植入及啟動， 例如使用快速熱退火(RTA)或另一種類型之熱退火。取決於節點及鑄造廠，可使用STI迴路步驟3切換此步驟。
3.STI 迴路， 例如以蝕刻矽以形成溝槽137。
4. 井植入及啟動， 其可包含臨限值調整及抗穿通植入。
5. 多晶矽閘極迴路 以形成(例如)讀出電晶體之閘極。
6. 輕摻雜汲極植入 以形成LDD-MOSFET汲極，不與本文中所揭示之雜散電荷收集/拒絕汲極混淆。此等MOSFET可用於像素內部之轉移閘極及/或讀出電晶體上。
7. 像素 n 型植入， 其可用於形成光電二極體之n摻雜區。單一植入物或複數個植入物可用於形成光電二極體。在一些實施例中，複數個植入物可協助達成更佳跨光電二極體之電荷轉移。
8. 間隔物沈積及蝕刻， 例如以在各種電晶體之閘極之側上形成間隔物。
9.S/D( 源極 / 汲極 ) 植入及啟動， 例如用於讀出電晶體。可在此步驟或步驟8之後之任何其他步驟中形成摻雜區132。
10. 像素 p 型植入及啟動， 其可用於形成光電二極體之p摻雜區。
11.RPO / 矽化物迴路， 其可用於在半導體與金屬觸點之間形成矽化物以形成歐姆接觸。
12. 後端 (矽之頂部上之氧化物及金屬層)。此步驟可用於形成觸點136。
可以數個不同步驟之任何者來形成區801及802。例如，其等可在上文之步驟10中形成。作為另一實例，其等可在上文之步驟9中形成，特別係若區801可形成為具有相同於源極或汲極植入之植入參數。然而，在一些情況下，區801及802可為形成有不同於源極或汲極植入之植入參數之植入，其可需要形成不同於源極或汲極植入之遮罩及/或程序迴路。計算裝置
圖19係繪示性計算裝置1000之方塊圖，其可用於實施用於控制像素陣列或用於執行來自像素之資料之分析之控制電路。計算裝置1000可包含一或多個處理器1001及一或多個有形、非暫時性電腦可讀儲存媒體(例如記憶體1003)。記憶體1003可在有形非暫時性電腦可記錄媒體中儲存電腦程式指令，該等電腦程式指令在執行時實施上文所描述功能之任何者。處理器1001可耦合至記憶體1003且可執行此等電腦程式指令以使得功能得以實現及執行。
計算裝置1000亦可包含計算裝置可經由其與其他計算裝置通信(例如通過網路)之網路輸入/輸出(I/O)介面1005，且亦可包含計算裝置可經由其向使用則提供輸出及自使用者接收輸入之一或多個使用者I/O介面1007。使用者I/O介面可包含裝置，諸如鍵盤、滑鼠、麥克風、顯示裝置(例如，監測器或觸控螢幕)、揚聲器、相機及/或各種其他類型之I/O裝置。
可依數種方式之任何者來實施上文所描述之實施例。例如，可使用硬體、軟體或其組合來實施實施例。當以軟體實施時，軟體碼可在任何合適處理器(例如微處理器)或處理器集合上執行，無論在單一計算裝置中提供或在多個計算裝置之間分佈。應瞭解，可將執行上文所描述之功能之任何組件或組件集合一般視為控制上文所描述之功能之一或多個控制器。可依數種方式來實施一或多個控制器，諸如使用專用硬體或使用使用微碼或軟體經程式化以執行上述功能之通用硬體(例如一或多個處理器)。
在此方面，應瞭解，本文中所描述之實施例之一個實現方案包括用電腦程式(即複數個可執行指令)編碼之至少一個電腦可讀儲存媒體(例如，RAM、ROM、EEPROM、快閃記憶體或其他記憶體技術、CD-ROM、數位通用磁碟(DVD)或其他光碟儲存裝置、磁帶盒、磁帶、磁碟儲存裝置或其他磁性儲存裝置或其他有形、非暫時性電腦可讀儲存媒體)，該電腦程式當在一或多個處理器上執行時執行上文所討論之一或多個實施例之功能。電腦可讀媒體可為可運輸的，使得可將儲存在其上之程式加載至任何計算裝置上以實施本文中所討論之技術之態樣。另外，應瞭解，對在經執行時執行上文所討論之功能之任何者之電腦程式之引用不限於在主機電腦上運行之應用程式。實情係，本文在一般意義上使用術語電腦程式及軟體來指代可用於程式化一或多個處理器以實施本文中所討論之技術之態樣之任何類型之電腦碼(例如，應用軟體、韌體、微碼或任何其他形式之電腦指令)。額外應用
如上文所討論，儘管本文中所描述之整合式光電偵測器可應用於複數個生物及/或化學樣品之分析，但整合式光電偵測器可應用於其他應用，諸如(例如)成像應用。在一些實施例中，整合式光電偵測器可包含執行區、物體或場景之成像之像素陣列，且可偵測在來自區、物體或場景之不同區之個別像素處接收之光之時間特性。例如，在一些實施例中，整合式光電偵測器可基於自組織接收之光之時間特性來執行組織之成像，其可使得醫師能夠執行程序(例如手術)以識別組織之異常或患病區(例如， 癌變或癌變前)。在一些實施例中，可將整合式光電偵測器併入至醫療裝置(諸如手術成像工具)中。在一些實施例中，可獲得與組織回應於激發光脈衝而發出之光有關之時域資訊以對組織成像及/或特徵化。例如，可使用螢光壽命成像來執行組織或其他物體之成像及/或特徵化。
如上文所描述，儘管可在科學或診斷環境中應用整合式光電偵測器，諸如藉由對生物及/或化學樣品或成像組織進行成像或分析，但可在任何其他合適環境中使用此整合式光電偵測器。例如，在一些實施例中，此整合式光電偵測器可使用在個別像素中偵測之光之時間特性來對場景成像。用於對場景成像之應用程式之實例係範圍成像或飛行時間成像，其中分析光到達光電偵測器所花費之時間量以判定光行進至光電偵測器之距離。此技術可用於執行場景之三維成像。例如，可用自相對於整合式光電偵測器之已知位置發射之光脈衝及由光電偵測器偵測之反射光來照亮場景。量測光在陣列之各自像素處到達整合式光電偵測器所花費之時間量以判定自場景之各自部分行進以到達光電偵測器之各自像素之光之距離。在一些實施例中，例如，可將整合式光電偵測器併入至消費電子裝置(諸如相機、蜂巢式電話或平板電腦)中以使得此等裝置能夠基於所獲得之範圍資訊來捕獲及處理影像或視訊。
在一些實施例中，本申請案中所描述之整合式光電偵測器可用於量測低光強度。此光電偵測器可適合於需要具高靈敏度之光電偵測器之應用，諸如(例如)當前可使用單光子計數技術之應用。然而，本文中所描述之技術在此方面不受限，因為在本申請案中所描述之整合式光電偵測器可量測任何合適光強度。額外發光壽命應用 使用壽命進行成像及特徵化
如上文所提及，本文中所描述之技術不限於使用外源性螢光團之標記、偵測及定量。在一些實施例中，可透過使用整合式光電偵測器使用螢光壽命成像技術來成像及/或特徵化區、物體或樣品。在此等技術中，區、物體或樣品本身之螢光特性可用於成像及/或特徵化。可透過壽命成像及/或特徵化來偵測外源性標記或內源性標記。可將附接至探針之外源性標記提供給該區、物體或樣品，以便偵測特定靶組分之存在及/或位置。外源性標記可用作經標記探針之部分之標籤及/或報導，以偵測含有經標記探針之靶之區、物體或樣品之部分。內源性標記之自發螢光可為空間解析度提供無標記及非侵入性對比，其可容易用於成像而無需引入內源性標記。例如，來自生物組織之自發螢光信號可取決於組織並指示組織之生化及結構組成。
螢光壽命量測可提供螢光團周圍條件之定量量測。條件之定量量測可為偵測或對比之外。螢光團之螢光壽命可取決於螢光團之周圍環境(諸如pH或溫度)，且螢光壽命值之變化可指示螢光團周圍之環境之變化。作為實例，螢光壽命成像可映射樣品之局部環境(諸如生物組織(例如，組織切片或手術切除))之變化。內源性螢光團之自發螢光之螢光壽命量測可用於偵測組織中之物理及代謝變化。作為實例，可藉由量測來自樣品之自發螢光並自經量測自發螢光判定壽命來偵測組織架構、形態、氧合、pH、血管、細胞結構及/或細胞代謝狀態之變化。此等方法可用於臨床應用中，諸如篩查、影像引導之生檢或手術及/或內視鏡檢查。在一些實施例中，本申請案之整合式光電偵測器可併入至臨床工具(諸如手術器具)中以執行螢光壽命成像。基於經量測自發螢光判定螢光壽命提供作為無標記成像方法之臨床價值，該方法允許臨床醫生快速篩查組織並偵測肉眼不可見之小癌及/或癌前病變。螢光壽命成像可用於偵測及描繪惡性細胞或組織，諸如發射具有比健康組織更長之螢光壽命之發光之腫瘤或癌細胞。例如，螢光壽命成像可用於偵測光學可存取組織(諸如胃腸道、膀胱、皮膚或手術期間暴露之組織表面)上之癌症。
在一些實施例中，螢光壽命可用於顯微鏡技術以提供樣品之不同類型或狀態之間的對比。螢光壽命成像顯微鏡(FLIM)可藉由用光脈衝激發樣品、在螢光信號衰減時偵測螢光信號以判定壽命及在所得影像中映射衰減時間來執行。在此等顯微影像中，影像中之像素值可基於為光電偵測器中收集視域之各像素判定之螢光壽命。使用時間資訊對場景或物體進行成像
如上文所討論，可在科學及臨床環境中使用如本申請案中所描述之整合式光電偵測器，其中發射之光之時序可用於偵測、量化及/或成像區、物體或樣品。然而，本文中所描述之技術不限於科學及臨床應用，因為整合式光電偵測器可在可利用關於入射光子到達時間之時間資訊的任何成像應用中使用。應用之實例係飛行時間成像。 飛行時間應用
在一些實施例中，整合式光電偵測器可用於基於量測散射或反射光之時間分佈之成像技術，包含飛行時間量測。在此等飛行時間量測中，可將光脈衝發射至區或樣品中且可由整合式光電偵測器偵測散射光。散射或反射光可具有不同時間分佈，該時間分佈可指示該區或樣品之特性。樣品之反向散射光可藉由其等在樣品中之飛行時間來偵測及解析。此時間分佈可為時間點擴展函數(TPSF)。可藉由在發射光脈衝之後之多個時間週期上量測積分強度來獲取時間分佈。可以一定速率執行光脈衝之重複及累積散射光以確保在產生隨後光脈衝之前所有先前TPSF經完全熄滅。時間解析擴散光學成像方法可包含光譜擴散光學層析成像，其中光脈衝可為紅外光以便在樣品中之更深處成像。此等時間解析擴散光學成像方法可用於偵測生物體或生物體部分(諸如人之頭部)中之腫瘤。
另外或替代地，飛行時間量測可用於基於光速及所發射光脈衝與偵測自物體反射之光之間的時間來量測距離或距離範圍。此等飛行時間技術可用於各種應用中，包含相機、汽車中之接近偵測感測器、人機介面、機器人及可使用藉由此等技術收集之三維資訊之其他應用。額外態樣
本發明之各種態樣可單獨使用、組合地使用或以在前面描述之實施例中未明確討論之各種配置使用，且因此其應用不限於前面描述中闡述或圖中繪示之組件的細節及配置。例如，在一個實施例中所描述之態樣可依任何方式與其他實施例中所描述之態樣組合。
又，本發明可體現為方法，已提供其之實例。作為該方法之部分執行之動作可依任何適當方式排序。據此，可構造其中動作係以不同於所繪示之順序執行之實施例，其可包含同時執行一些動作，即使該等動作在繪示性實施例中展示為循序動作。
在申請專利範圍中使用序數術語(諸如，「第一」、「第二」、「第三」等等)以修飾申請專利元件(claim element)本身並不意謂一個申請專利元件相對於另一個申請專利元件之任何優先級、優先次序或順序，或執行方法之動作的時間順序，而係僅用作將具有特定名稱之一個申請專利元件與具有相同名稱(但使用序數術語)之另一元件區分開之標記，以區分該等申請專利元件。序數術語之使用亦不旨在排除額外元素。例如，對「第一」及「第二」元素之列舉並不排除「第三」元素或額外元素之存在。
又，本文中所使用之措詞及術語係出於描述之目的且不應視為限制性。本文中使用「包含」、「包括」或「具有」、「含有」、「涉及」及其變體意在涵蓋其後列出之項目及其等效物以及額外項目。
50:方法 52:拒絕步驟 54:步驟 56:步驟 58:讀出步驟 60:偵測步驟 100:直接方格化像素 101:半導體基板 102:光子吸收/載體產生區 105:拒絕區 108:收集區/儲存區 110:讀出電路系統 111:讀出節點 120:光源 121:光罩 130a:汲極 130b:汲極 130c:汲極 130d:汲極 132a:經摻雜半導體區 132b:經摻雜半導體區 134:經摻雜半導體區 136:觸點 136a:觸點 136b:觸點 136c:觸點 136d:觸點 137:溝槽 138:電極 140:汲極 200:像素 202:電位障壁 203:電極 206:電極 212:電位障壁 213:電極 601:半導體區 801:半導體區 802:半導體區 1000:計算裝置 1001:處理器 1003:記憶體 1005:網路輸入/輸出(I/O)介面 1007:使用者I/O介面 1300:晶片 1302:像素陣列 1304:控制電路 1305:電壓/電流偏壓產生電路 1306:時序電路 1308:介面
圖1繪製具不同壽命之兩個標記根據時間發射之光子之概率。
圖2展示直接方格化像素之實例。
圖3展示操作直接方格化像素之方法之流程圖。
圖4A至圖4C展示在圖3之方法之各個階段處之直接方格化像素。
圖5展示直接方格化像素之橫截面圖。
圖6展示直接方格化像素之橫截面圖，其中該格由讀出節點形成。
圖7展示圖6之直接方格化像素之平面圖。
圖8展示可由其製造積體電路之材料之實例。
圖9展示像素之實例，該像素可包含弱耦合至光電偵測區之一或多個汲極。
圖10A展示包含與光電偵測區分離之汲極之像素之平面圖。
圖10B展示沿圖10A中之線A-A'之圖10A之像素之橫截面圖。
圖10C繪示汲極之空乏區可在光電二極體下方形成經連接空乏區以夾住自裝置至基板之電流路徑。
圖11展示在讀出區中包含汲極之像素之實例。
圖12展示包含在結構及組成上類似於光電偵測區之汲極之像素之實例。
圖13展示具牢固地耦合至光電偵測區之汲極之像素之平面圖。
圖14展示沿圖13中之線B-B'之橫截面之實例。
圖15A及圖15B展示當分別將0 V及2 V電壓施加至汲極時沿圖13之線B-B'之光電二極體中之電位。
圖16展示沿圖13中之線B-B'經摻雜以在光電二極體與汲極之間產生電位障壁之橫截面之另一實例。
圖17A及圖17B展示當分別將0 V及2 V電壓施加至汲極時沿圖13之線B-B'之光電二極體中之電位。
圖18展示根據一些實施例之晶片架構之圖。
圖19係繪示性計算裝置之方塊圖。
100:直接方格化像素
102:光子吸收/載體產生區
105:拒絕區
108:收集區/儲存區
110:讀出電路系統
130a:汲極
130b:汲極
130c:汲極
140:汲極

Claims (48)

  1. 一種積體電路，其包括： 像素，其包括： 光電偵測區；及 汲極，其經組態以丟棄來自該光電偵測區之外之該像素之半導體區內之電荷載體。
  2. 如請求項1之積體電路，其中該汲極經組態使得當該汲極以該像素之操作電壓範圍內之電壓偏壓時，該汲極不自該光電偵測區提取電荷載體。
  3. 如請求項1或2之積體電路，其中該汲極保持於固定電壓下。
  4. 如請求項1至3中任一項之積體電路，其中該汲極之電壓係可變的。
  5. 如請求項1至4中任一項之積體電路，其中該汲極包括半導體區。
  6. 如請求項5之積體電路，其進一步包括接觸該半導體區之導電觸點。
  7. 如請求項6之積體電路，其中該導電觸點係金屬插頭。
  8. 如請求項6或請求項7之積體電路，其中在平面圖中，該導電觸點不延伸至該汲極之區之外。
  9. 如請求項5之積體電路，其中該半導體區係經摻雜。
  10. 如請求項9之積體電路，其中該半導體區係經n型摻雜。
  11. 如請求項10之積體電路，其進一步包括在經n型摻雜之該半導體區下方之經p型摻雜之第二半導體區。
  12. 如請求項1至11中任一項之積體電路，其中該半導體區與該光電偵測區間隔開。
  13. 如請求項1至12中任一項之積體電路，其中該汲極係第一汲極且該像素進一步包括第二汲極。
  14. 如請求項13之積體電路，其中該第一汲極在該光電偵測區之第一側上且該第二汲極在該光電偵測區之第二側上。
  15. 如請求項13或請求項14之積體電路，其中該像素進一步包括第三汲極。
  16. 如請求項15之積體電路，其中該第三汲極在該像素之讀出區內。
  17. 如請求項15或請求項16之積體電路，其中該第三汲極經組態以丟棄來自該光電偵測區之載體。
  18. 如請求項1至17中任一項之積體電路，其中該汲極包括pn接面或肖特基接面。
  19. 如請求項1至18中任一項之積體電路，其中該汲極建立與該光電偵測區之空乏區重疊之空乏區。
  20. 如請求項1至19中任一項之積體電路，其中該汲極經組態以收集及丟棄像素電路或一或多個摻雜區下方之電荷載體。
  21. 如請求項1至20中任一項之積體電路，其中該汲極係第一汲極且該積體電路進一步包括第二汲極，其中該第二汲極經組態以丟棄來自該光電偵測區之載體。
  22. 一種積體電路，其包括： 像素，其包括： 光電偵測區；及 汲極，其經組態以丟棄來自該光電偵測區之電荷載體，其中該汲極包括半導體區且該半導體區由金屬觸點接觸。
  23. 如請求項22之積體電路，其中該半導體區與該光電偵測區接觸。
  24. 如請求項22或請求項23之積體電路，其中該半導體區係經摻雜。
  25. 如請求項24之積體電路，其中該半導體區由與該半導體區相反之摻雜類型之第二半導體區而與光電偵測區分離。
  26. 如請求項22至25中任一項之積體電路，其中當該汲極將電荷載體自該光電偵測區拉出時，該汲極被控制為處於第一電壓，且當該汲極不將電荷載體自該光電偵測區拉出時，該汲極被控制為處於第二電壓。
  27. 如請求項22至26中任一項之積體電路，其中該汲極經組態以當該汲極不丟棄來自該光電偵測區之電荷載體時，在該光電偵測區與該汲極之間產生電位障壁。
  28. 如請求項22至27中任一項之積體電路，其中在平面圖中，該金屬觸點不延伸至該汲極之區之外。
  29. 如請求項22至28中任一項之積體電路，其進一步包括在該金屬觸點與該汲極之間的矽化物材料。
  30. 如請求項22至29中任一項之積體電路，其中在該金屬觸點與該汲極之間的電路徑中不存在多晶矽。
  31. 一種積體電路，其包括： 像素，其包括： 光電偵測區；及 汲極，其經組態以丟棄來自該光電偵測區之電荷載體，其中該汲極包括透過不包含多晶矽電極之導電路徑與其進行電接觸之半導體區。
  32. 如請求項31之積體電路，其中該半導體區與該光電偵測區接觸。
  33. 如請求項31或請求項32之積體電路，其中該半導體區係經摻雜。
  34. 如請求項33之積體電路，其中該半導體區由與該半導體區相反之摻雜類型之第二半導體區而與光電偵測區分離。
  35. 如請求項31至34中任一項之積體電路，其中當該汲極將電荷載體自該光電偵測區拉出時，該汲極被控制為處於第一電壓，且當該汲極不將電荷載體自該光電偵測區拉出時，該汲極被控制為處於第二電壓。
  36. 如請求項31至35中任一項之積體電路，其中該汲極經組態以當該汲極不丟棄來自該光電偵測區之電荷載體時，在該光電偵測區與該汲極之間產生電位障壁。
  37. 如請求項31至36中任一項之積體電路，其中在平面圖中不延伸至該汲極之區之外之金屬觸點進行該電接觸。
  38. 一種積體電路，其包括： 像素，其包括： 光電偵測區；及 光電二極體，其經組態以收集並排出非所要電荷載體。
  39. 如請求項38之積體電路，其中該光電二極體係第一光電二極體且該光電偵測區包括第二光電二極體。
  40. 如請求項39之積體電路，其中該第一光電二極體及該第二光電二極體具有相同摻雜分佈。
  41. 如請求項39或請求項40之積體電路，其中該第一光電二極體及該第二光電二極體係釘紮型光電二極體。
  42. 如請求項38至41中任一項之積體電路，其中該光電偵測區包括將電荷載體自該光電偵測區轉移至電荷儲存區之閘極。
  43. 如請求項38至42中任一項之積體電路，其中該光電偵測區係第一光電偵測區且該光電二極體在該第一光電偵測區與第二光電偵測區之間。
  44. 如請求項43之積體電路，其中該光電二極體經組態以自該第一光電偵測區與該第二光電偵測區之間收集並排出非所要電荷載體。
  45. 一種製造積體電路之方法，該方法包括： 形成包括光電偵測區及汲極之像素，該汲極經組態以丟棄來自該光電偵測區之外之該像素之半導體區內之電荷載體。
  46. 一種製造積體電路之方法，該方法包括： 形成包括光電偵測區及汲極之像素，該汲極經組態以丟棄來自該光電偵測區之電荷載體；及 形成接觸該汲極之金屬觸點。
  47. 一種製造積體電路之方法，該方法包括： 形成包括光電偵測區及汲極之像素，該汲極經組態以丟棄來自該光電偵測區之電荷載體；及 透過不包含多晶矽電極之導電路徑電接觸該汲極。
  48. 一種製造積體電路之方法，該方法包括： 形成包括光電偵測區及光電二極體之像素，該光電二極體經組態以收集並排出非所要電荷載體。
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