TWI836905B - 具有直接合併像素之整合式光電偵測器 - Google Patents

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凱斯 G 菲夫
大衛 波伊斯佛特
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Abstract

本發明揭示一種積體電路，其包含經組態以接收入射光子之一光電偵測區域。該光電偵測區域經組態以回應於入射光子而產生複數個電荷載子。該積體電路包含至少一電荷載子儲存區域。該積體電路亦包含一電荷載子分離結構，其經組態以基於產生電荷載子之時間而選擇性地將該複數個電荷載子之電荷載子直接引導至該至少一電荷載子儲存區域中。

Description

具有直接合併像素之整合式光電偵測器
光電偵測器在多種應用中用於偵測光。已開發產生指示入射光之強度之一電氣信號之整合式光電偵測器。用於成像應用之整合式光電偵測器包含一像素陣列以偵測自跨越一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)及互補式金屬氧化物半導體(CMOS)影像感測器。
一些實施例係關於一種積體電路，其包括：一光電偵測區域，其經組態以接收入射光子，該光電偵測區域經組態以回應於入射光子而產生複數個電荷載子；至少一電荷載子儲存區域；及一電荷載子分離結構，其經組態以基於產生電荷載子之時間而選擇性地將該複數個電荷載子之電荷載子直接引導至該至少一電荷載子儲存區域中。 一些實施例係關於一種積體電路，其包括：一直接合併像素，該直接合併像素包括：一光電偵測區域，其經組態以接收入射光子，該光電偵測區域經組態以回應於入射光子而產生複數個電荷載子；至少一電荷載子儲存區域；及一電荷載子分離結構，其經組態以基於產生電荷載子之時間而選擇性地將該複數個電荷載子之電荷載子引導至該至少一電荷載子儲存區域中。 一些實施例係關於一種積體電路，其包括：複數個像素，該複數個像素之一第一像素係一直接合併像素，其包括：一光電偵測區域，其經組態以接收入射光子，該光電偵測區域經組態以回應於入射光子而產生複數個電荷載子；複數個電荷載子儲存區域；及一電荷載子分離結構，其經組態以基於產生電荷載子之時間而選擇性地將該複數個電荷載子之電荷載子直接引導至該複數個電荷載子儲存區域之各自電荷載子儲存區域中且在該複數個電荷載子儲存區域中聚集在複數個量測週期中產生之電荷載子。 一些實施例係關於一種光電偵測方法，其包括：(A)在一光電偵測區域處接收入射光子；及(B)基於產生電荷載子之時間選擇性地將回應於入射光子而產生之複數個電荷載子之電荷載子自該光電偵測區域直接引導至至少一電荷載子儲存區域。 該電荷載子分離結構可包括位於該光電偵測區域與該至少一電荷載子儲存區域之一第一電荷載子儲存區域之間的一邊界處之至少一電極。 該電荷載子分離結構可包括位於該光電偵測區域與該第一電荷載子儲存區域之間的該邊界處之一單一電極。 在一些實施例中，該直接合併像素中不存在電荷載子捕獲區域及/或該光電偵測區域與一電荷載子儲存區域之間不存在電荷載子捕獲區域。 電荷載子可在無需在該光電偵測區域與該至少一電荷載子儲存區域之間捕獲該等載子之情況下轉移至該至少一電荷載子儲存區域。 一電荷載子拒斥區域可在一拒斥期間丟棄在該光電偵測區域中產生之電荷載子。 經丟棄電荷載子可在不同於載子自該光電偵測區域被朝向一電荷載子儲存區域引導之一方向之一方向上自該光電偵測區域移除。 一電荷載子拒斥區域可藉由改變該光電偵測區域與該電荷載子拒斥區域之間的一邊界處之一電極之一電壓而在一拒斥期間丟棄在該光電偵測區域中產生之電荷載子。 單一光子可轉移至該至少一電荷載子儲存區域且在該至少一電荷載子儲存區域中聚集。 可拒斥在一半導體基板之一表面下方深超過一微米之電荷載子。 可至少部分地藉由該光電偵測區域之一光電二極體下方之一植入物拒斥在一半導體基板之該表面下方深超過一微米之電荷載子。 該植入物可提供一深屏蔽或一深汲極。 該植入物可為N型或P+型。 可藉由一半導體基板之表面下方之一漂移場拒斥在該半導體基板之該表面下方深超過一微米之電荷載子。 該光電偵測區域可形成於深度小於兩微米之一磊晶區域中。 該光電偵測區域可為包括一光電二極體之一磊晶區域。 該光電二極體中之電荷載子在一拒斥期間可轉移至一拒斥區域，接著，可降低至一第一電荷載子儲存區域之一第一電位障，接著，可降低至一第二電荷載子儲存區域之一第二電位障。 該第一電位障可由一第一電極控制且該第二電位障可由一第二電極控制。 該至少一電荷載子儲存區域可包括複數個電荷載子儲存區域。 前述概要以繪示的方式提供且不意欲具限制性。
相關申請案之交叉參考本申請案主張2016年12月22日申請之名稱為「INTEGRATED PHOTODETECTOR WITH DIRECT BINNING PIXEL」之美國臨時申請案第62/438,051號之優先權，該案之全部內容特此以引用的方式併入本文中。 本申請案係關於2015年8月7日申請之名稱為「INTEGRATED DEVICE FOR TEMPORAL BINNING OF RECEIVED PHOTONS」之美國非臨時申請案第14/821,656號，該案之全部內容特此以引用的方式併入本文中。 本文中描述一種可准確地量測或「時間合併」入射光子之到達之時序之整合式光電偵測器。在一些實施例中，該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。此一光電偵測器可應用於包含分子偵測/定量之多種應用中，分子偵測/定量可應用於核酸之定序(例如DNA定序)。此一光電偵測器可促進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，藉此達成基於照度壽命之核苷酸之識別及定序。整合式光電偵測器之應用之其他實例包含螢光壽命成像及飛行時間成像，如下文所進一步討論。 分子偵測 / 定量之時域量測之討論可使用生物檢定(「生物測定(bioassay)」)執行生物樣本之偵測及定量。生物測定習知地涉及大型、昂貴實驗室設備，從而需要經訓練以操作設備及執行生物測定之研究科學家。生物測定習知地批量執行使得大量特定類型之樣本係偵測及定量所必需。藉由使用發射一特定波長之光之發光標記來標誌樣本而執行一些生物測定。使用一光源來照明樣本以引起發光，且使用一光電偵測器偵測發光光以量化由標記發射之光之量。使用發光標誌及/或報告子之生物測定習知地涉及用於照明樣本之昂貴雷射光源及用於自被照明樣本收集光之複雜發光偵測光學器件及電子器件。 在一些實施例中，如本文所描述之一整合式光電偵測器可回應於激發而偵測(若干)生物及/或化學樣本之發光特性。更具體而言，此一整合式光電偵測器可偵測自該(等)樣本接收之光之時間特性。此一整合式光電偵測器可達成偵測及/或辨別由一發光分子回應於激發而發射之光之發光壽命(例如螢光壽命)。在一些實施例中，可基於偵測及/或辨別發光壽命而執行(若干)樣本之識別及/或定量量測。例如，在一些實施例中，可藉由偵測及/或辨別附接至各自核苷酸之發光分子之發光壽命而執行一核酸(例如DNA、RNA)之定序。各發光分子可直接附接(例如鍵結)至一對應核苷酸或經由鍵結至一對應核苷酸及發光分子之一連接分子間接附接至該核苷酸。 在一些實施例中，具有若干光電偵測結構及相關聯之電子器件之一整合式光電偵測器(稱為「像素」)可達成複數個像素(例如數百個、數千個、數百萬個或更多)之並行量測及分析，此可減少執行複雜量測之成本且快速提升發現之速率。在一些實施例中，光電偵測器之各像素可偵測來自一樣本之光，該樣本可為一單一分子或一個以上分子。在一些實施例中，此一整合式光電偵測器可用於諸如核酸(例如DNA、RNA)定序之動態即時應用。 使用發光壽命之分子之偵測 / 定量根據本申請案之態樣之具有一整合式光電偵測器之一積體電路可經設計具有用於多種偵測及成像應用之適合功能。如下文所進一步詳細描述，此一整合式光電偵測器可具有在一或多個時間間隔或「時間儲格」內偵測光之能力。為收集關於光之到達時間之資訊，回應於入射光子而產生電荷載子且電荷載子可基於其等到達時間而分離至各自時間儲格中。 根據本申請案之一些態樣之一整合式光電偵測器可用於區分包含發光分子(諸如螢光團)之光發射源。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(例如其等之發射衰變時間週期)及其等對於激發能量之回應方面可不同。相應地，可基於偵測此等性質而自其他發光分子識別或辨別發光分子。此等識別或辨別技術可單獨使用或以任何適合組合使用。 在一些實施例中，如本申請案中所描述之一整合式光電偵測器可量測或辨別諸如螢光壽命之發光壽命。螢光壽命量測係基於激發一或多個螢光分子及量測經發射發光之時間變動。一螢光分子在其達到一激發狀態之後發射一光子之機率隨時間指數減小。機率減小之速率可為一螢光分子之特性，且可針對不同螢光分子而不同。偵測由螢光分子發射之光之時間特性可允許相對於彼此識別螢光分子及/或辨別螢光分子。發光分子在本文中亦可指稱發光標記或僅指稱「標記」。 在達到一激發狀態之後，一標記可在一給定時間以一特定機率發射一光子。一光子自一激發標記發射之機率可在該標記之激發之後隨時間減小。一光子經發射之機率隨時間減小可由一指數衰變函數 p(t) = e -t/τ 表示，其中p(t)係一時間t處之光子發射之機率，且τ係標記之一時間參數。時間參數τ指示當標記發射一光子之機率係一特定值時激發之後之一時間。時間參數τ係一標記之一性質，其可不同於該標記之吸收及發射光譜性質。此一時間參數τ指稱一標記之發光壽命、螢光壽命或僅指稱「壽命」。 圖1A標繪針對具有不同壽命之兩個標記之依據時間而變化之光子被發射之機率。由機率曲線B表示之標記具有比由機率曲線A表示之標記之發射機率更快衰變之一發射機率。由機率曲線B表示之標記具有比由機率曲線A表示之標記短之一時間參數τ或壽命。在一些實施例中，標記可具有在自0.1 ns至20 ns之範圍內之螢光壽命。然而，本文所描述之技術不受限於所使用之該(等)標記之壽命。 一標記之壽命可用於辨別一個以上標記及/或可用於識別(若干)標記。在一些實施例中，可執行螢光壽命量測，其中具有不同壽命之複數個標記由一激發源激發。作為一實例，分別具有0.5奈秒、1奈秒、2奈秒及3奈秒之四個標記可由發射具有一選定波長(例如，舉實例而言，635 nm)之光之一光源激發。可基於量測由標記發射之光之壽命而識別標記或使標記相互區別。 螢光壽命量測可藉由比較強度如何隨時間改變(相對於絕對強度值)而使用相對強度量測。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不同的變螢光團濃度可能需要校準步驟。相比而言，螢光壽命量測可對螢光團之濃度不敏感。 發光標記可係外源的或內源的。外源標記可為用作為用於發光標記之一報告子/或標誌之外部發光標記。外源標記之實例可包含螢光分子、螢光團、螢光染料、螢光染色、有機染料、螢光蛋白、酵素及/或量子點。此等外源標記可與特別接合於一特定靶或組分之一探針或官能基(例如分子、離子及/或配位體)共軛。將一外源標誌或報告子附接至一探針允許透過偵測該外源標誌或報告子之存在而識別目標。探針之實例可包含蛋白質探針、核酸(諸如DNA分子或RNA分子)探針、脂質探針及抗體探針。一外源標記與一官能基之組合可形成用於偵測之任何適合探針、標誌及/或標籤，包含分子探針、經標記探針、雜交探針、抗體探針、蛋白質探針(例如生物素結合探針)、酵素標籤、螢光探針、螢光標誌及/或酵素報告子。 儘管外源標記可添加至一樣本或區域，但內源標記可已為該樣本或區域之部分。內源標記可包含可在存在激發能量之情況下發光或「自發螢光」之所存在之任何發光標記。內源螢光團之自發螢光可提供無標籤及非侵入性標記而無需引入內源螢光團。此等內源螢光團之實例可包含(舉實例而言且不受限於)血紅素、氧合血紅素、脂質、膠原蛋白、彈性蛋白交聯、還原型菸鹼醯胺腺[嘌呤]二核苷酸(NADH)、氧化黃素(FAD及FMN)、脂褐質、角蛋白及/或卟啉。 藉由壽命量測之標記之間的區分可允許使用比當藉由發射光譜之量測來區分標記時少之波長之激發光。在一些實施例中，當使用較少波長之激發光及/或發光光時，感測器、濾波器及/或繞射光學器件之數目可減少或消除。在一些實施例中，可使用具有不同壽命之標記執行標記，且該等標記由具有相同激發波長或光譜之光激發。在一些實施例中，可使用發射具有一單一波長或光譜之光之一激發光源，此可降低成本。然而，本文所描述之技術不受限於此方面，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，一整合式光電偵測器可用於判定關於所接收之光之光譜及時間資訊兩者。在一些實施例中，可藉由判定自一標記發射之發光之一時間參數、一光譜參數或時間參數及光譜參數之一組合來執行所存在之該等類型之(若干)分子之一定量分析。 偵測入射光子之到達時間之一整合式光電偵測器可降低額外光學濾波(例如光譜濾波)要求。如下文所描述，根據本申請案之一整合式光電偵測器可包含一汲極以在特定時間移除光生載子。藉由依此方式移除光生載子，可在無需光學濾波之情況下丟棄回應於一激發光脈衝而產生之無用電荷載子以防止自該激發脈衝接收光。此一光電偵測器可減小總設計整合複雜度、減少光學及/或濾波組件及/或降低成本。 一些實施例中，可藉由憑藉使所收集之電荷載子聚集於整合式光電偵測器之一或多個時間儲格中來量測所發射發光之時間分佈曲線圖來偵測依據時間變化之亮度強度值來判定一螢光壽命。在一些實施例中，可藉由執行多個量測來判定一標記之壽命，其中將該標記激發至一激發狀態且接著量測發射一光子之時間。就各量測而言，激發源可產生引導至該標記之激發光之一脈衝，且可判定激發脈衝與來自該標記之後續光子事件之間的時間。另外或替代地，當一激發脈衝重複及週期性地發生時，可量測發生一光子發射事件與後續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)減去量測時間以判定光子吸收事件之時間。 藉由使用複數個激發脈衝重複此等實驗，可判定激發之後之一特定時間間隔內自標記發射一光子之情況之數目，其指示一光子在激發之後之此一時間間隔內被發射之機率。所收集之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。一量測週期內之光子發射事件之數目可在自50至10,000,000或10,000,000以上之範圍內，然而，在一些實施例中，本文所描述之技術不受限於此方面。一光子在激發之後之一特定時間間隔內自標記發射之情況之數目可填充表示在一系列離散時間間隔或時間儲格內發生之光子發射事件之數目之一直方圖。可設定及/或調整時間儲格之數目及/或各儲格之時間間隔以識別一特定壽命及/或一特定標記。時間儲格之數目及/或各儲格之時間間隔可取決於用於偵測所發射之光子之感測器。時間儲格之數目可為1個、2個、3個、4個、5個、6個、7個、8個或8個以上(諸如16個、32個、64個或64個以上)。一曲線擬合演算法可用於使一曲線擬合於所記錄之直方圖，從而導致表示一光子在激發標記之後在一給定時間處被發射之機率之一函數。一指數衰變函數(諸如 p(t) = e -t/τ )可用於近似擬合直方圖資料。可自此一曲線擬合判定時間參數或壽命。經判定之壽命可與標記之已知壽命相比較以識別所存在之標記之類型。 可自兩個時間間隔處之強度值計算一壽命。圖1B展示一實例性激發脈衝(虛線)及實例性螢光發射(實線)之隨時間之實例性強度分佈曲線圖。在圖1B中所展示之實例中，光電偵測器量測至少兩個時間儲格內之強度。在時間t1與t2之間發射發光能量之光子由光電偵測器量測為強度I1而在時間t3與t4之間發射之發光能量經量測為I2。可獲得任何適合數目個強度值，儘管圖1B中僅展示兩個強度值。接著，此等強度量測可用於計算一壽命。當在某一時間處存在一螢光團時，則時間合併發光信號可擬合於一單一指數衰變。在一些實施例中，可僅需要兩個時間儲格以準確識別一螢光團之壽命。當存在兩個或兩個以上螢光團時，則藉由使一組合發光信號擬合於多個指數衰變(諸如雙指數或三指數)而自該發光信號識別個別壽命。在一些實施例中，可需要兩個或兩個以上時間儲格以自此一發光信號準確識別一個以上螢光團壽命。然而，在具有多個螢光團之一些情況中，可藉由使一單一指數衰變擬合於發光信號而判定一平均螢光壽命。 在一些情況中，可基於一標記之周圍及/或條件而改變一光子發射事件之機率及因此該標記之壽命。例如，經限制於具有小於激發光之波長之一直徑之一體積中的一標記之壽命可小於當該標記不在該體積中時之壽命。可在類似於當標記用於標記之條件下執行已知標記之壽命量測。可在識別一標記時使用自已知標記之此等量測判定之壽命。 使用發光壽命量測之定序一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靶(諸如分子或分子上之特定位置)之螢光標誌及/或報告子之螢光壽命量測。可使用一螢光團(包含蛋白質、胺基酸、酶、核苷酸、DNA及RNA)標記所關注之任一或多個分子。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誌及/或報告子之總數目。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之分子相互作用之特性之資訊，其中此資訊將在系集平均中丟失且可包含蛋白質-蛋白質相互作用、酵素活性、分子動力學及/或隔膜上之擴散。另外，具有不同螢光壽命之螢光團可用於在基於一經標記組分之存在之各種檢定方法中加標誌於目靶組分。在一些實施例中，基於偵測螢光團之特定壽命，組分可(諸如)藉由微流體系統而分離。 量測螢光壽命可與其他分析方法組合使用。例如，螢光壽命可與螢光共振能量轉移(FRET)技術組合使用以辨別位於一或多個分子上之施體及受體螢光團之狀態及/或環境。此等量測可用於判定施體與受體之間的距離。在一些情況中，自施體至受體之能量轉移可減少施體之壽命。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在具有未知核苷酸序列之一DNA分子中標記四個不同核苷酸(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之序列。藉由使用螢光壽命替代發射光譜用於特定技術，準確度及量測解析度可增加，因為歸因於絕對強度量測之假影減少。另外，壽命量測可減小複雜度及/或降低系統之費用，因為需要較少激發能量波長及/或需要偵測較少發射能量波長。 本文所描述之方法可用於諸如DNA定序或RNA定序之核酸之定序。DNA定序允許判定一靶核酸分子中之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、讀取長度及誤差之發生率方面大幅改變。若干DNA定序方法係基於藉由合成之定序，其中當一核苷酸併入與靶核酸互補之一新合成核酸股中時判定該核苷酸之身份。許多藉由合成之定序方法要求存在目標核酸分子之一群體(例如一靶核酸之複本)或放大目標核酸以達成目標核酸之一群體之一步驟。期望用於判定單核酸分子之序列之改良方法。 使用高準確度及長讀取長度定序單核酸分子已出現新進展。用於單分子定序技術(例如由Pacific Biosciences開發之SMRT技術)之目標核酸係添加至一樣本槽之一單股DNA模板，該樣本槽含有固化或附接至一固體支撐物(諸如一樣本槽之底部)之定序反應(例如DNA聚合酶)之至少一組件。樣本槽亦含有與諸如螢光團之偵測標籤共軛之脫氧核糖核苷三磷酸(亦係指一「dNTPs」)(包含腺嘌呤、胞嘧啶、鳥嘌呤及胸腺嘧碇dNTPs)。較佳地，各種類之dNTPs (例如腺嘌呤dNTPs、胞嘧啶dNTPs、鳥嘌呤dNTPs及胸腺嘧碇dNTPs)各與一不同偵測標誌共軛使得信號之偵測指示併入新合成核酸中之dNTP之身份。偵測標誌可與任何位置處之dNTP共軛使得偵測標誌之存在不抑制dNTP併入新合成核酸股中或聚合酶之活性。在一些實施例中，偵測標誌與dNTP之末端磷酸鹽(伽瑪磷酸鹽)共軛。 任何聚合酶可用於能夠合成與一靶核酸互補之一核酸之單分子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聚合酶及其等之變體。在一些實施例中，聚合酶係一單亞單元聚合酶。在一靶核酸之一核鹼基與互補dNTP之間的鹼基配對之後，聚合酶藉由在新合成股之3’羥基端與dNTP之α磷酸鹽之間形成一磷酸二酯鍵而將dNTP併入新合成核酸股中。在其中與dNTP共軛之偵測標籤係一螢光團之實例中，偵測標籤之存在由激發以信號發出且在合併之步驟期間偵測一發射脈衝。就與dNTP之末端(γ)磷酸鹽共軛之偵測標籤而言，將dNTP併入新合成股中導致釋放β磷酸鹽及γ磷酸鹽及偵測標籤，其在樣本槽中自由擴散，從而導致自螢光團偵測之發射之一減少。 本文所描述之技術不受限於分子或其他樣本之偵測或定量或執行定序。在一些實施例中，一整合式光電偵測器可執行成像以獲得關於一區域、物件或場景之空間資訊及關於使用該區域、物件或場景之入射光子之到達之時間資訊。在一些實施例中，該整合式光電偵測器可執行一區域、物件或場景之發光壽命成像(諸如螢光壽命成像)。 額外應用儘管本文所描述之整合式光電偵測器可應用於如上文所討論之複數種生物及/或化學樣本之分析，但整合式光電偵測器可應用於諸如(例如)成像應用之其他應用。在一些實施例中，整合式光電偵測器可包含執行一區域、物件或場景之成像之一像素陣列，且可偵測在個別像素處自該區域、物件或場景之不同區域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而執行該組織之成像，其可使得執行一程序(例如手術)之一醫師能夠識別組織之一異常或病態區域(例如癌變區域或癌前區域)。在一些實施例中，整合式光電偵測器可併入諸如一手術成像工具之一醫療裝置中。在一些實施例中，可獲得關於由組織回應於一光激發脈衝而發射之光之時域資訊以成像及/或特徵化組織。例如，可使用螢光壽命成像執行組織或其他物件之成像及/或特徵化。 儘管整合式光電偵測器可(諸如)藉由執行如上文所描述之生物及/或化學樣本或成像組織之成像或分析而應用於一科學或診斷情境中，但此一整合式光電偵測器可用於任何其他適合情境中。例如，在一些實施例中，此一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成像一場景。用於成像一場景之一應用之一實例係距離成像或飛行時間成像，其中分析光到達光電偵測器耗費之時間量以判定光行進至光電偵測器之距離。此一技術可用於執行一場景之三維成像。例如，可使用自相對於整合式光電偵測器之一已知位置發射之一光脈衝來照明一場景，且可由整合式光電偵測器偵測反射光。量測光到達陣列之各自像素處之整合式光電偵測器耗費之時間量以判定光自場景之各自部分到達光電偵測器之各自像素所行進之該(等)距離。在一些實施例中，整合式光電偵測器可併入一消費者電子裝置(諸如一攝影機、蜂巢式電話或平板電腦)中以(例如)使得此等裝置能夠基於所獲得之距離資訊而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。此一光電偵測器可適合於需要具有一高敏感度之光電偵測器之應用，諸如(例如)當前可使用單一光子計數技術之應用。然而，本文所描述之技術不受限於此方面，因為本申請案中所描述之整合式光電偵測器可量測任何適合光強度。 額外發光壽命應用 使用壽命之成像及特徵化 如上文所提及，本文所描述之技術不受限於使用外源螢光團來標記、偵測及定量。在一些實施例中，可透過使用一整合式光電偵測器而使用螢光壽命成像技術成像或特徵化一區域、物件或樣本。在此等技術中，該區域、物件或樣本自身之螢光特性可用於成像及/或特徵化。可透過壽命成像及/或特徵化偵測外源標記或內源標記。附接至一探針之外源標記可提供至該區域、物件或樣本以偵測特定靶組分之存在及/或位置。外源標記可充當一標誌及/或報告子作為一標記探針之部分以偵測含有該標記探針之一靶之區域、物件或樣本之部分。內源標記之自發螢光可為空間解析度提供可易於用於成像而無需引入內源標記之一無標誌及非侵入性對比。例如，來自生物組織之自發螢光信號可取決於且指示組織之生物化學及結構組成。 螢光壽命量測可提供螢光團周圍之條件之一定量量測。條件之定量量測可作為對偵測或對比之補充。一螢光團之螢光壽命可取決於該螢光團之周圍環境(諸如pH或溫度)且螢光壽命之值之一改變可指示包圍螢光團之環境之一改變。作為一實例，螢光壽命成像可映射一樣本之局部環境中(諸如生物組織(例如一組織切片或手術切除)中之改變。外源螢光團之自發螢光之螢光壽命可用於偵測組織中之生理變化及新陳代謝變化。作為實例，可藉由量測來自樣本之自發螢光及自經量測之自發螢光判定一壽命來偵測組織架構、形態、氧合作用、pH、血管分佈、細胞結構及/或細胞新陳代謝狀態。此等方法可用於諸如篩查、影像導引活檢或手術及/或內視鏡檢法之臨床應用中。在一些實施例中，本申請案之一整合式光電偵測器可併入一臨床工具(諸如一手術儀器)中以(例如)執行螢光壽命成像。基於經量測之自發螢光判定螢光壽命提供臨床值作為允許一臨床醫師快速篩查組織及偵測對於肉眼不明顯之小癌症及/或癌症前損傷之一無標籤成像方法。螢光壽命成像可用於惡性細胞或組織(諸如發射具有比健康組織長之一螢光壽命之發光之腫瘤或癌細胞)之偵測及界定。例如，螢光壽命成像可用於偵測可光學接取組織(諸如腸胃道、膀胱、皮膚或在手術期間曝露之組織表面)上之惡性腫瘤。 在一些實施例中，螢光壽命可用於顯微術技術以在樣本之不同類型或狀態之間提供對比。可藉由使用一光脈衝激發一樣本、當螢光信號衰變時偵測該信號以判定一壽命及在所得影像中映射衰變時間而執行螢光壽命成像顯微術(FLIM)。在此等顯微術影像中，影像中之像素值可基於針對收集視場之光電偵測器中之各像素判定之螢光壽命。 使用時間資訊成像一場景或物件如上文所討論，如本申請案中所描述之一整合式光電偵測器可用於科學及臨床情境中，其中所發射之光之時序可用於偵測、量化及/或成像一區域、物件或樣本。然而，本文所描述之技術不受限於科學及臨床應用，因為整合式光電偵測器可用於可利用關於入射光子之到達時間之時間資訊之任何成像應用中。一應用之一實例係飛行時間成像。 飛行時間應用 在一些實施例中，一整合式光電偵測器可用於基於量測散射或反射光之一時間分佈曲線(包含飛行時間量測)之成像技術中。在此等飛行時間量測中，一光脈衝可發射至一區域或樣本中且散射光可由該整合式光電偵測器偵測。散射或反射光可具有可指示該區域或樣本之特性之一不同時間分佈曲線。由樣本反向散射之光可由光在樣本中之飛行時間偵測及解析。此一時間分佈曲線可為一時間點擴展函數(TPSF)。可藉由在發射光脈衝之後的多個時間儲格內量測累積強度而獲取時間分佈曲線。可依一特定速率執行光脈衝之重複及累積散射光以確保所有先前TPSF在產生一後續光脈衝之前完全無效。時間解析擴散光學成像方法可包含光譜擴散光學斷層掃瞄，其中光脈衝可為紅外光以在樣本中之一進一步深度處成像。此等時間解析擴散光學成像方法可用於偵測一有機體中或一有機體之部分中(諸如一個人之頭部)之腫瘤。 另外或替代地，飛行時間量測可用於基於光之速度及一發射光脈衝與偵測自一物件反射之光之間的時間而量測距離或一距離範圍。此等飛行時間技術可用於多種應用，包含攝影機、汽車中之接近偵測感測器、人機介面、機器人科學及可使用由此等技術收集之三維資訊之其他應用。 用於時間合併光生電荷載子之整合式光電偵測器一些實施例係關於一種積體電路，其具有一光電偵測器，該光電偵測器回應於入射光子而產生電荷載子且能夠相對於一參考時間(例如一觸發事件)辨別藉由入射光子之到達產生電荷載子之時序。在一些實施例中，一電荷載子分離結構分離在不同時間產生之電荷載子且將電荷載子引導至聚集在不同時間週期內產生之電荷載子之一或多個電荷載子儲存區域(稱為「儲格」)。各儲格儲存在一選定時間間隔內產生之電荷載子。讀出儲存於各儲格中之電荷可提供關於在各時間間隔內到達之光子之數目之資訊。此一積體電路可用於諸如本文所描述之多種應用之任何者中。 將描述具有一光電偵測區域及一電荷載子分離結構之一積體電路之一實例。在一些實施例中，該積體電路可包含一像素陣列，且各像素可包含一或多個光電偵測區域及一或多個電荷載子分離結構，如下文所討論。 像素結構及操作之概述圖2A展示根據一些實施例之一像素100之一圖。像素100包含一光子吸收/載子產生區域102 (亦指稱一光電偵測區域)、一載子行進/捕獲區域106、具有一或多個電荷載子儲存區域之一載子儲存區域108 (在本文中亦指稱「電荷載子儲存格」或僅指稱「儲格」)及用於自電荷載子儲存格讀出信號之讀出電路110。 光子吸收/載子產生區域102可為可將入射光子轉換為光生電荷載子之半導體材料(例如矽)之一區域。光子吸收/載子產生區域102可曝露於光，且可接收入射光子。當一光子由光子吸收/載子產生區域102吸收時，其可產生諸如一電子/電洞對之光生電荷載子。光生電荷載子在本文中亦簡單地指稱「電荷載子」。 一電場可在光子吸收/載子產生區域102中建立。在一些實施例中，電場可為「靜態」以區別於載子行進/捕獲區域106中之變化電場。光子吸收/載子產生區域102中之電場可包含一橫向分量、一垂直分量或一橫向分量及一垂直分量兩者。電場之橫向分量可在如由箭頭所指示之圖2A之向下方向上，其在光生電荷載子上誘發一力，該力驅動光生電荷載子朝向載子行進/捕獲區域106。電場可以多種方式形成。 在一些實施例中，一或多個電極可形成於光子吸收/載子產生區域102上方。該(等)電極可具有施加於其以在光子吸收/載子產生區域102中建立一電場之電壓。此(等)電極可稱為「(若干)光閘」。在一些實施例中，光子吸收/載子產生區域102可為完全空乏電荷載子之一矽區域。 在一些實施例中，光子吸收/載子產生區域102中之電場可由一接面(諸如一PN接面)建立。光子吸收/載子產生區域102之半導體材料可經摻雜以形成具有產生在光生電荷載子上誘發一力之一電場之一定向及/或形狀之PN接面，該力驅動光生電荷載子朝向載子行進/捕獲區域106。使用一接面產生電場可相對於使用上覆光子吸收/載子產生區域102之電極(其可防止入射光子之一部分到達光子吸收/載子產生區域102)而改良量子效率。使用一接面可相對於使用光閘而減小暗電流。應已瞭解，暗電流可由可產生載子之半導體基板之表面處之缺陷產生。在一些實施例中，PN接面二極體之P端子可連接至設定其電壓之一端子。此一二極體可指稱一「釘紮」光電二極體。一釘紮光電二極體可歸因於設定其電壓及吸引載子之端子而促進表面處之載子重組，此可減小暗電流。期望捕獲之光生電荷載子可在表面處之重組區域下方通過。在一些實施例中，可使用半導體材料中之一梯度摻雜濃度建立橫向電場。 在一些實施例中，具有產生一電場之一接面之一光子吸收/載子產生區域102可具有以下特性之一或多者： 1)自時變場漸縮之一空乏n型區域， 2)包圍n型區域之一p型植入物，其中間隙用於將電場橫向轉變成n型區域，及/或 3)掩埋n型區域且充當寄生電子之一重組區域之一p型表面植入物。 在一些實施例中，電場可由一接面及至少一電極之一組合建立於光子吸收/載子產生區域102中。例如，可使用一接面及一單一電極或兩個或兩個以上電極。在一些實施例中，一或多個電極可定位於載子行進/捕獲區域106附近以在載子行進/捕獲區域106附近建立電位梯度，其可定位為相對遠離接面。 如圖2A中所繪示，在時間t1處，可捕獲一光子且可產生一電荷載子101A (例如一電子)。在一些實施例中，一電位梯度可沿光子吸收/載子產生區域102及載子行進/捕獲區域106建立，其引起電荷載子101A在圖2A之向下方向上行進(如由圖2A中所展示之箭頭所繪示)。回應於該電位梯度，電荷載子101A可自其在時間t1處之位置移動至時間t2處之一第二位置、時間t3處之一第三位置、時間t4處之一第四位置及時間t5處之一第五位置。因此，電荷載子101A回應於該電位梯度而移動至載子行進/捕獲區域106。 載子行進/捕獲區域106可為一半導體區域。在一些實施例中，除載子行進/捕獲區域106可被屏蔽而免受入射光(例如由諸如一金屬層之一上覆不透明材料)之外，載子行進/捕獲區域106可為相同於光子吸收/載子產生區域102之材料(例如矽)之一半導體區域。 在一些實施例中且如下文所進一步討論，一電位梯度可由定位於光子吸收/載子產生區域102及載子行進/捕獲區域106上方之電極建立於此等區域中。然而，本文所描述之技術不受限於用於產生一電位梯度之電極之特定位置。本文所描述之技術亦不受限於使用電極建立一電位梯度。在一些實施例中，可使用一空間梯度摻雜分佈及/或一PN接面建立一電位梯度。任何適合技術可用於建立一電位梯度，其引起電荷載子沿光子吸收/載子產生區域102及載子行進/捕獲區域106行進。 一電荷載子分離結構可形成於像素中以達成分離在不同時間產生之電荷載子。在一些實施例中，該電荷載子分離結構之至少一部分可形成於載子行進/捕獲區域106上方。該電荷載子分離結構可包含形成於載子行進/捕獲區域106上方之一或多個電極，該一或多個電極之電壓可由控制電路控制以改變載子行進/捕獲區域106中之電位。 載子行進/捕獲區域106中之電位可改變以達成捕獲一電荷載子。可藉由改變上覆載子行進/捕獲區域106之一或多個電極上之電壓來改變電位梯度以產生可將一載子限制於一預定空間區域內之一電位障。例如，上覆圖2A之載子行進/捕獲區域106中之虛線之一電極上之電壓可在時間t5處改變以沿圖2A之載子行進/捕獲區域106中之虛線升高一電位障，藉此捕獲電荷載子101A。如圖2A中所展示，可將在時間t5處捕獲之載子可轉移至電荷載子儲存區域108之一儲格「儲格0」。可藉由改變載子行進/捕獲區域106及/或載子儲存區域108中之電位(例如，藉由改變上覆此等區域之(若干)電極之電壓)以引起載子行進至電荷載子儲存格而執行載子至電荷載子儲存格之轉移。 在載子行進/捕獲區域106之一預定空間區域內在一特定時間點處改變電位可達成捕捉由一特定時間間隔內發生之光子吸收產生之一載子。藉由在不同時間及/或位置捕捉光生電荷載子，可辨別由光子吸收產生電荷載子之時間。據此而言，一電荷載子可藉由在發生一觸發事件之後之一特定時間點及/或空間處捕捉該電荷載子而「時間合併」。一特定儲格內之一電荷載子之時間合併提供關於以下之資訊：光生電荷載子由一入射光子之吸收產生之時間及因此，同樣地，相對於該觸發事件之「時間儲格」，產生光生電荷載子之入射光子之到達。 圖2B繪示在一不同時間點及空間處捕獲一電荷載子。如圖2B中所展示，可在時間t9處改變上覆載子行進/捕獲區域106中之虛線之一電極上之電壓以沿圖2B之載子行進/捕獲區域106中之虛線升高一電位障，藉此捕獲載子101B。如圖2B中所展示，在時間t9處捕獲之載子可轉移至載子儲存區域108中之一儲格「儲格1」。由於電荷載子101B係在時間t9處被捕捉，因此其表示在不同於在時間t5處捕獲之載子101A之光子吸收事件(即在t1處)之一時間處(即時間t6)發生之一光子吸收事件。 直接合併像素圖3展示其中光子吸收/載子產生區域102中所產生之電荷載子可直接轉移至電荷載子儲存區域108中之一電荷儲存格之一像素200之一實例。此一像素稱為一「直接合併像素」。如圖3中所展示，像素200不包含一載子行進/捕獲區域106。可將電荷載子自光子吸收/載子產生區域102直接轉移至電荷載子儲存區域108之一儲格中而非在載子行進/捕獲區域106中捕獲載子。一電荷載子轉移至其之儲格係基於產生電荷載子之光子吸收/載子產生區域102中之一光子之到達時間。可至少部分地歸因於省略載子行進/捕獲區域106而減小一直接合併像素之區域。有利地，在一些實施例中，一直徑合併像素可占用一半導體晶圓上之一小區域，其可達成在該晶圓上形成許多像素(諸如數千或數百萬像素或更多像素)。在一晶圓上提供大量像素可達成並行執行大量量測，或用高空間解析度執行成像。替代地或另外，一直接合併像素可具有減少電力消耗。由於對像素之各電極進行充電及放電可消耗電力，因此像素200可歸因於存在較少電極(即可省略用於在載子行進/捕獲區域106中捕獲電荷載子之電極)而具有減少電力消耗。 圖3展示在電荷載子儲存區域108中具有兩個儲格：儲格0及儲格1之一像素200之一實例。如上文所討論，儲格0可聚集在一觸發事件之後之一週期中接收之電荷載子，而儲格1可聚集在相對於一觸發事件之一稍後時間週期中接收之電荷載子。然而，電荷儲存區域108可具有任何數目個儲格(諸如一個儲格、三個儲格、四個儲格或更多儲格)。 光子吸收/載子產生區域102可包含一半導體區域，其可由任何適合半導體(諸如(例如)矽)形成。在一些實施例中，光子吸收/載子產生區域102可包含一光電二極體(諸如一釘紮光電二極體)。光電二極體可完全空乏。在一些實施例中，光電二極體可保持基本上始終空乏電子。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，一單一光電子可在光電二極體中產生且限制於光電二極體中。若由一CMOS程序形成，則光電二極體可由在由一CMOS程序產生之裝置內可用之電位完全空乏。電極203、205、206可在至少部分地包圍二極體之周邊的情況下耦合至二極體，如圖8中所更詳細展示。然而，應注意圖8中所描繪之實施例僅係適合於電極203、205、206之一幾何形狀之一實例。電極203及205可允許受限制載子之快速電荷轉移。在討論電荷載子至儲格之轉移之前，將描述藉由將無用載子轉移至一拒斥區域105而拒斥無用載子。 再次參考圖3，直接合併像素200可包含一拒斥區域105以在一拒斥期間汲取或以其他方式丟棄光子吸收/載子產生區域102中所產生之電荷載子。一拒斥期間可經計時以在諸如一激發光脈衝之一觸發事件期間發生。由於一激發光脈衝可在光子吸收/載子產生區域102中產生若干無用電荷載子，故可在像素200中建立一電位梯度以在一拒斥期間將此等電荷載子汲取至拒斥區域105。作為一實例，拒斥區域105可包含其中電子被汲取至一供應電壓之一高電位擴散區域。拒斥區域105可包含將區域102直接電荷耦合至拒斥區域105之一電極206。在一些實施例中，電極206可上覆半導體區域。電極206之電壓可改變以在光子吸收/載子產生區域102中建立一所要電位梯度。在一拒斥期間，電極206之電壓可設定為將載子自光子吸收/載子產生區域102汲取至電極206中且汲出至供應電壓之一位準。例如，電極206之電壓可設定為一正電壓以吸引電子使得電子被汲取遠離光子吸收/載子產生區域102至拒斥區域105。在一拒斥期間，電極203及205可設定為形成電位障202及204以防止無用電荷載子到達儲格之一電位。拒斥區域105可被視為一「橫向拒斥區域」，因為其允許將載子自區域102橫向轉移至一汲極。在一些實施例中，拒斥在相對於儲存格之與光電偵測區域相反之方向上。 在拒斥期間之後，光子吸收/載子產生區域102中之一光生電荷載子可被時間合併。可基於個別電荷載子之到達時間而將其引導至一儲格。為此，可在各自時間週期中改變光子吸收/載子產生區域102與電荷載子儲存區域108之間的電位以建立引起光生電荷載子被引導至各自時間儲格之一電位梯度。例如，在一第一時間週期期間，可降低由電極203形成之一電位障202，且可自光子吸收/載子產生區域102至儲格0建立一電位梯度使得在此週期期間產生之一載子被轉移至儲格0。接著，在一第二時間週期期間，可降低由電極205形成之一電位障204，且可自光子吸收/載子產生區域102至儲格1建立一電位梯度使得在此稍後週期期間產生之一載子被轉移至儲格1。 圖4展示根據一些實施例之包含執行複數個量測2820之操作一像素200之一方法2800的一流程圖。在一些實施例中，一「量測」可包含接收一光子且將所捕獲之載子轉移至對應於一特定時間週期或儲格之一電荷儲存節點。一量測可重複複數次以收集關於光子到達光電偵測器之時間之統計資訊。此一方法可至少部分地由如本文所描述之一整合式裝置執行。 步驟2802可經計時以在一觸發事件期間發生。一觸發事件可為充當一光子之時間合併到達之一時間參考之一事件。觸發事件可為(例如)一光學脈衝或一電脈衝且可為一單一事件或一重複、週期性事件。在螢光壽命偵測之情境中，觸發事件可為產生一光激發脈衝以激發一螢光團。在飛行時間成像之情境中，觸發事件可為由包括整合式光電偵測器之一成像裝置發射之光之一脈衝(例如來自一閃光)。觸發事件可為用作用於計時光子或載子之到達之一參考之任何事件。 光激發脈衝之產生可產生顯著數目個光子，一些光子可到達像素200且可在光子吸收/載子產生區域102中產生電荷載子。由於不期望量測來自光激發脈衝之光生載子，因此可藉由將光生載子引導至一汲極而拒斥光生載子。此可減少原本可能需要諸如一快門或濾光器之複雜光學組件(其可添加額外設計複雜度及/或成本)來防止其到達之無用信號之量。 步驟2802對應於一拒斥期間。圖5A中繪示步驟2802期間像素200之操作。在步驟2802中，操作像素200以藉由將區域102中所產生之電荷載子轉移至拒斥區域105而拒斥該等電荷載子。例如，步驟2802可包含控制電極206以產生將區域102中所產生之電荷載子驅動至拒斥區域105之一電位梯度。藉由在圖5A之向上方向上引導載子而拒斥載子。 在步驟2804中，可在區域102中執行光子吸收及載子產生。如上文所討論，在一些應用中，回應於一觸發事件而接收一光子且產生一載子之機率可較低(例如約1/10,000)。相應地，可不針對各觸發事件執行步驟2804，因為通常無法回應於一觸發事件而接收到光子。然而，在一些實施例中，所接收之光子之量可較高。 在步驟2804期間，一電位障存在於光電偵測區域102與拒斥區域105之間以防止光生電荷載子被拒斥。在步驟2804期間，可降低至儲格0之一電位障202 (如圖5B中所展示)或可升高至儲格0之一電位障202 (如圖5C中所展示)。若降低至儲格0之一電位障202，則一電荷載子可直接傳遞至儲格0 (步驟2806)。若升高至儲格0之一電位障202，則一電荷載子可被限制於區域102中直至步驟2806。 在步驟2806中，將一載子(若存在)轉移至儲格0。至儲格0之電位障202降低或保持降低。若在步驟2802之後之時間週期中產生一光生電荷載子，則降低電位障202允許電荷載子被轉移至儲格0。電位障202可藉由控制區域102與儲格0之間的邊界處之一電極203 (圖3、圖5B)之電壓而降低或升高。此一電極可定位於半導體區域上方，其控制半導體區域中之電位。在一些實施例中，僅一單一電極203可安置於區域102與儲格0之間的邊界處以控制允許或防止一電荷載子之轉移至儲格0之電位障202。然而，在一些實施例中，電位障202可由一個以上電極產生。不同於圖2A之電荷載子捕獲區域106，產生電位障202之(若干)電極206可不在一儲格外部之一位置處捕捉一電荷載子。確切而言，(若干)電極206可控制一電位障202以允許或防止一電荷載子進入儲格0。另外，不同於在區域102與一儲格之間產生若干電位障之電荷載子捕獲區域106，電位障202可為區域102與儲格0之間的一單一電位障。相同或類似於本段落中所描述之特性可存在於儲格1、電位障204及產生電位障204之(若干)電極205中。 在一些實施例中，在拒斥期間之後，可形成一電位梯度，其僅允許電荷在一方向上(即在自區域102至一時間儲格之方向上)流動。電荷在圖5A至圖5D之向下方向上流動至儲格之一者。一適合電位梯度可建立於半導體區域中以引起所產生之載子在朝向載子儲存區域108之圖之向下方向上行進通過半導體區域。此一電位梯度可以任何適合方式(諸如使用一梯度摻雜濃度及/或選定電位處之一或多個電極)建立。相應地，將在步驟2802之後於區域102中產生之一光生電荷載子轉移至儲格0，因此時間合併儲格0中之光生電荷載子之到達。 在步驟2806之後，升高至儲格0之電位障202，如圖5C中所繪示。至儲格0之電位障202及至儲格1之電位障204兩者可視情況升高達一時間週期。若障壁202及障壁204兩者均升高，則在步驟2806之後產生之一電荷載子可被限制於區域102中直至步驟2808。 在步驟2808中，將一載子(若存在)轉移至儲格1，如圖5D中所繪示。降低至儲格1之電位障204。若一光生電荷載子在步驟2806之後之時間週期中產生，則降低電位障204允許電荷載子轉移至儲格1。可藉由控制區域102與儲格1之間的邊界處之一電極205之電壓而升高或降低電位障204。此一電極可定位於半導體區域上方。相應地，在步驟2806之後，將區域102中產生之一光生電荷載子轉移至儲格1，因此時間合併儲格1中之光生電荷載子之到達。在步驟2808之後，可升高電位障202。 在步驟2808之後，量測2820可重複n-1次以獲得關於光子趨向於在一觸發事件之後到達之時間週期之資訊(例如統計資訊)。當重複量測2820時，時間合併電荷載子可聚集於對應電荷儲存格中。重複量測2820可達成在電荷載子儲存格中聚集足以提供具有統計意義之結果之數目個電荷載子。例如，在螢光壽命量測之情境中，可期望回應於自一螢光團接收之一光子之一光子吸收事件可相對罕有發生。例如，可期望此一事件在約10,000次量測中發生一次。相應地，可能需要執行大量量測2820以在電荷載子儲存格中聚集足夠數目個電荷載子使得結果具有統計意義及/或具有一足夠信號雜訊比。在一些實施例中，可針對螢光壽命量測執行之一螢光團之量測之數目 n可為50,000或50,000以上、100,000或100,000以上、200,000或200,000以上、300,000或300,000以上、400,000或400,000以上、500,000或500,000以上、一百萬或一百萬以上、兩百萬或兩百萬以上、五百萬或五百萬以上以達成捕獲且在各儲格中合併足夠數目個(即在一些實施例中，數十個或數百個或數百個以上電荷載子)。量測可依在MHz範圍中之一頻率(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 MH之間)重複，所有範圍包含端點，或依另一頻率重複。在一些實施例中，在量測重複n-1次之後，約一百個載子(例如電子)可累積於時間儲格中。然而，此當然取決於所接收之光子之數目。在一些實施例中，時間儲格中累積之載子之數目可介於10與10,000之間(諸如介於50與1,000之間)或任何其他適合數目。方法2800可在期望捕獲光子之任何適合時間週期內執行。在螢光壽命量測之情境中，用於執行方法2800之一適合週期可為(例如) 10毫秒。在一些實施例中，一量測2820可依在MHz範圍中之一頻率重複。在一些實施例中，時間儲格可具有依皮秒或奈秒尺度之一解析度。 一旦已執行經分配之數目個量測 n，方法便行進至讀出時間儲格之步驟2810。在步驟2810中，將電荷自儲格轉移至可包含一浮動擴散之一讀出節點111。電荷可自個別儲格依序轉移至讀出節點111。就各儲格而言，可將電荷轉移至讀出節點111，且接著可使用讀出電路110將其轉換為一電壓(圖6中展示讀出電路110之一實例)。為使電荷自各儲格轉移，可改變電極213及/或214 (圖3)上之電壓以降低儲格與讀出節點111之間的一電位障。一讀出序列之一實例係重設讀出節點111之電壓，接著，藉由改變電極213上之電壓以降低儲格0與讀出節點111之間的一電位障212而將電荷自儲格0轉移至讀出節點111。可建立引起電荷自儲格0流動至讀出節點111之電位梯度。此繪示於圖5E中。接著，轉移至讀出節點111之電荷可轉換為一電壓且被讀出。接著，可重設讀出節點111之電壓。接著，可藉由改變電極215上之電壓以降低儲格1與讀出節點111之間的一電位障214而將電荷自儲格1轉移至讀出節點111。可建立引起電荷自儲格1流動至讀出節點111之一電位梯度。此繪示於圖5F中。 圖6展示沿圖3中之線A-A’之像素200之一實例的一橫截面圖。如圖中所繪示，電極206、203及213形成於一半導體基板上或上方。光在光子吸收/載子產生區域102處自一光源120接收。光源120可為任何類型之光源，包含(舉實例而言且不具限制性)一發光樣本(例如鍵聯至一核酸)或待在成像應用中成像之一區域或場景。光源120可包含無用激發雷射光。一遮光罩121防止光到達基板之另一部分(例如防止電荷由雜散激發光或其他雜散光直接產生於儲存格或讀出節點中)。遮光罩121可由(舉實例而言且不具限制性)任何適合材料(諸如積體電路之一金屬層)形成。圖6繪示在拒斥期間之電荷轉移(至左邊)及至儲格之轉移(右邊)之相反方向。 實例性讀出電路及序列 如圖6中所繪示，像素200可包含允許讀出儲存於電荷載子儲存區域108之該(等)電荷儲存格中之電荷之讀出電路110。像素200可為一主動像素使得讀出電路110包含一讀出放大器，或可為一被動像素，其中讀出電路110不包含一讀出放大器。可使用任何適合類型之主動像素或被動像素讀出電路。若讀出電路110包含一讀出放大器，則讀出放大器可將累積於一電荷儲存格(例如儲格0、儲格1)中之電荷作為一輸入且產生表示電荷儲存格中之電荷之一電壓作為一輸出。 若讀出電路110包含一讀出放大器，則可使用任何適合類型之放大器。適合放大器之實例包含基於一共同源極組態之放大器及基於一源極隨耦器組態之放大器。圖6中繪示基於一源極隨耦器組態之讀出電路110之一實例。如圖6中所展示，讀出區域110可包含一源極隨耦器緩衝電晶體sf、一重設電晶體rt及一列選擇電晶體rs。然而，本文所描述之技術不受限於任何特定放大器組態。在一些實施例中，一或多個轉移電極213、215可為讀出電路110之部分。 可使用任何適合讀出技術(包含雜訊降低技術)。在一些實施例中，讀出電路110可使用相關雙取樣讀出電荷載子儲存格。相關雙取樣係其中一第一樣本可依一重設電壓位準(其包含一未定雜訊量)自一節點取得且一第二樣本可依包含相同未定雜訊之一信號位準自該節點取得之技術。雜訊可藉由自經取樣之信號位準減去經取樣之重設位準而消除。 讀出時間儲格可包含將聚集於電荷儲存格之各者中之電荷量轉換為對應電壓，如上文所討論。可依任何適合速率(諸如50 Hz至100 Hz、10 Hz至500 Hz或另一速率)執行自時間儲格之讀出。在一些實施例中，可在相同於在相同像素之一或多個電荷載子儲存格中收集電荷載子之時間處執行自一像素之電荷載子儲存格之讀出。 轉移電極213及215可單獨地電荷耦合至各儲格。一共同讀出節點111可電荷耦合至所有轉移電極。如圖6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之汲極可連接至一高電壓供應器。重設電晶體rt及列選擇電晶體rs之閘極可由一列驅動器電路控制。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。 時間儲格之數目及時序 可使用任何數目個時間儲格。在圖3中，已繪示具有兩個儲格之一像素之一實例。然而，可基於所要時間解析度及其他因素而產生具有任何適合數目個儲格之一像素。增加儲格之數目可增由各像素占據之區域，且可藉由減少像素之總數或藉由使用具有一較小特徵大小之一製造程序而達成。使用少量儲格可允許增加可配合於一晶圓上之像素之數目。在一些實施例中，一單一儲格可用於判定在一特定時間週期內到達之光子之數目。 可以任何適合方式選擇時間儲格之時序。在一些實施例中，時間儲格之時序可固定使得時序在各量測週期中相同。可基於一全域計時信號而設定時序。例如，一計時信號可確立一量測週期之開始，且時間儲格可經控制以基於已自該計時信號經過之一預定時間量而開始及結束。在螢光壽命量測情境中，可基於預期偵測之螢光壽命之可能範圍而相對於一激發脈衝之時序設定時間儲格之時序。在飛行時間成像情境中，可基於待成像之場景之一預期距離範圍而設定時間儲格之時序。然而，在一些實施例中，時間儲格之時序可變動或可程式化。 在一些實施例中，可基於起始一量測2820之一量測週期之一觸發事件之時序而設定時間儲格之時序。在螢光壽命量測情境中，可回應於偵測激發一螢光團之一激發脈衝之時序而設定時間儲格之時序。例如，當一光激發脈衝到達像素200時，載子之一浪湧可自光子吸收/載子產生區域102行進至汲極。回應於激發脈衝之光生載子在汲極處之累積可引起汲極之電壓之一改變。相應地，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，一比較器可將汲極之電壓與一臨限值相比較，且可在汲極之電壓超過該臨限值時產生一脈衝。脈衝之時序可指示觸發事件之時序，且可基於此時序而設定時間儲格之時序。然而，本文所描述之技術不受限於此方面，因為任何適合技術可用於偵測一量測之開始。 在一些實施例中，整合式裝置可程式化以達成改變時間儲格之時序。在一些實施例中，時間儲格之時序可針對待執行之一組特定量測經程式化。例如，若整合式裝置用於使用具有一第一範圍內之壽命之一第一組標記之一第一類型之測試，時間儲格可程式化為用於辨別該範圍內之標記之壽命之適合值。然而，若整合式裝置用於使用具有不同壽命之不同標記另一類型之測試，則可藉由程式化時間儲格以對應於適合於用於第二類型之測試中之標記之不同時間間隔而改變時間儲格。在一些實施例中，時間儲格之時序可基於一組量測之結果而在量測之間自適應地控制。 實例性儲存格 存在若干方式以將一電荷儲存格實施為半導體區域內之一電位井。在一些實施例中，該電位井可部分地位於電極203或205內。存在兩種類型之轉移以將電荷移入及移出該井。累積轉移將電荷移動至該井中。讀出轉移將電荷移出該井。 以下係電位井之可能特性： ˙井可具有足以在30℃下儲存至少100個電子之累積電荷達10 ms之深度。 ˙電極203或205將區域102電荷耦合至井。 ˙井可至少部分地位於電極203或205內。 ˙在累積轉移期間，井可在高於區域102之完全空乏電壓之電位處。 ˙在讀出轉移期間，井之完全空乏電壓可在低於浮動擴散重設位準之電位處。 ˙井之電位可經動態調變以滿足累積轉移及讀出轉移之要求兩者。 存在產生諸如儲格0或儲格1之一儲格之電位井之若干技術。作為一實例，電極203、205、213及215之一或多者可互補摻雜(分離摻雜)。圖7展示具有一p+區域及一n+區域之一分離摻雜電極2302。如圖7中所展示，分離摻雜電極2302之n+區域可在n+區域下產生一電位井，其可限制電荷載子(例如電子)。圖7繪示保持分離摻雜電極2302之電壓較高可產生如虛線中所展示之一電位梯度，其可限制一電位井2304中之電荷載子(例如電子)。降低分離摻雜電極2302之電壓可升高分離摻雜電極2302下之電位以達成將在電位井2304中捕捉之電荷轉移至(例如)一電荷儲存格。 電極2302可為區域102之側上之摻雜P+及儲格側上之N+。工作函數差異可產生一電壓梯度(諸如(例如) 1伏特)。一第二選擇係將一掩埋通道n型植入物放置於由電極調變之井位置處。當電極在高電位處時，井電位增加超出收集區域。一第三選擇係產生相同於區域102之二極體之一複製二極體。該二極體可為具有相同植入物之如同區域102之二極體之一掩埋二極體。其可形成於障壁202或204與轉移電極213之間。可使用延伸跨越讀出轉移閘極之n型植入物來調整空乏電壓。形成障壁202或204之電極可為摻雜N+而讀出轉移電極可為摻雜P+。在一些實施例中，上述技術之一組合可用於形成一儲格之電位井。 圖8展示根據一些實施例之一直接合併像素200之一實例之一平面圖。如圖中所繪示，區域102可具有一圓形形狀，儘管本文所描述之技術不受限於此方面。 圖9展示根據一些實施例之一直接合併像素200之另一實例之一平面圖。圖9展示上覆及電連接至下伏多晶矽電極之金屬端子。金屬區域cd連接至拒斥區域105，金屬區域b0連接至電極206，金屬區域b1連接至電極203且金屬區域b2連接至電極205。金屬區域t1連接至充當至儲格0之一轉移閘極之一多晶矽電極，其允許轉移出儲存於儲格0中之電荷以待讀出。類似地，金屬區域t2連接至充當至儲格1之一轉移閘極之另一多晶矽電極，其允許轉移出儲存於儲格1中之電荷以待讀出。 存在定位於電極203及205之下部分上之袋植入物，如使用「TG」所展示。擴散與袋植入物之間的交叉使用N=0來標記。歸因於側壁植入物，黑色標記係其中出現袋電位之位置。在此實例中，一袋在電極之間延伸。然而，本文所描述之技術及裝置不受限於此方面。 一儲格之位置可在一電極下，在未由該電極覆蓋之一區域中或在一電極下且在未由該電極覆蓋之一區域中。例如，儲格0可在電極203下，在電極203與連接至t1之多晶矽轉移電極之間的未在電極203下之區域中或在電極203下且在不在電極203下之一區域中兩者。 圖10至圖14展示针对一像素200之一實施例之半導體材料中之摻雜濃度及方法2800之各種步驟處的像素200之電位梯度。 圖10展示步驟2802之拒斥期間之電位，其亦對應於圖5A。左下中之圖展示沿圖8之y維度之電位。光子吸收/載子產生區域102居中於y = 0處。如圖中左下及左上所見，當y = 0之左邊之拒斥區域之電極變高時，電位朝向y = 0之左邊之拒斥區域下降。相應地，載子自光子吸收/載子產生區域102轉移至拒斥區域105。右下中之圖展示摻雜濃度。 圖11展示在其中至拒斥區域及儲格之電位障升高(如圖5C中)之一週期期間之電位。在此狀態中，區域102中所產生之任何電荷載子歸因於y = 0周圍產生之碗狀電位井而限制於區域102中。 圖12展示對應於圖5B及圖5D之其中電荷可轉移至一儲格之步驟2806及2808期間之電位。y維度中之電位類似於其中電荷轉移至儲格0及儲格1之情況。據此而言，圖12不展示將驅動一載子朝向一儲格及另一儲格之沿圖8之橫向維度之梯度。如圖12中所展示，電位朝向儲格向區域102之右邊漸降，其將所存在之任何載子驅動至對應儲格中。 圖13及圖14繪示讀出相位期間之電位。圖13展示藉由降低由一轉移閘極產生之一電位障而將儲存於一儲格中之電荷轉移至浮動擴散FD。圖14繪示重設浮動擴散FD。 垂直拒斥發明者已意識到且瞭解一問題產生於在一半導體基板內深處光生電荷載子。由於基板內深處可能不存在顯著電位梯度，因此產生於此區域中之載子可緩慢移動，且可不遵循一可預測路徑。在一些情況中，深產生載子最終可行進至表面且限制於區域102中。不期望收集區域102中之此等載子，因為該等載子不對應於在當前量測週期期間到達之光子，且因此係應被拒斥之雜訊。發明者已開發結構及技術以拒斥可用於一直接合併像素或另一類型之像素中之深產生載子。在討論此等結構及技術之前，將討論深產生載子之產生及移動。 如圖15中所展示，吸收深度係波長之一函數使得較長波長在光被吸收之前更深地穿透至一半導體中。吸收深度由吸收係數之倒數或1/a給定。強度指數衰變至基板中使得吸收深度係至材料中之距離，在所述距離處光下降至表面強度1/e或1 tau (τ)之約36%。短波長光(藍色光)具有一較大吸收係數使得其在表面之一短距離內被吸收，而較長波長光(紅色光)依一較低速率被吸收。 一磊晶圓包含具有高度摻雜手柄之3微米至5微米厚之一輕度摻雜(例如2x10 15cm -3)磊晶區域。主動區域中不存在電位梯度，所以電場最小。載子經歷來自3個來源之運動： 1)熱 2)漂移 3)擴散 當無電場或摻雜梯度時，在一隨機程序中，載子與半導體之振動原子踫撞。載子與摻雜物及其他載子靜電地相互作用。300°K下自由碰撞之間的平均時間約為1e -13s，其中一熱速度係1e -7cm/s。特性平均自由路徑約為10 nm。 圖16展示區域102之光電二極體之摻雜分佈曲線圖及電位。(1x10 16cm -3)之一完全空乏輕度摻雜掩埋n型區域產生將載子拉至具有最高電位之區域中之一電場。產生於空乏區域下方之載子在被限制之前擴散至電場中。擴散程序較緩慢且引起載子在產生之後適當到達。 掩埋二極體區域之深度可由CMOS程序限制於實施植入之階段(能量＜ 400 keV)。主動區域及電場之延伸可小於1.5 µm深，其導致約20%之光電子進入具有平面電場之一區域。在一10 ns循環中，在模擬1百萬光子之後，約1/40光子在一半循環或5 ns之後仍滯留於基板中。在前100 ps內，約1/10光子仍滯留。此表示使用一100 ps拒斥延時之10:1之一最佳情況拒斥比。 期望汲取深產生載子及/或至少防止深產生載子到達表面附近之光電二極體區域。發明者已開發用於如此做之結構及技術。在一些實施例中，「深產生載子」係指產生於表面下方1微米以上之載子。然而，本發明不受限於此方面，因為載子可成為問題之深度可針對不同材料及程序技術而不同。 一種技術係在光電二極體下方形成阻止深產生載子進入光電二極體之一汲極或障壁。圖17展示可防止深產生電荷到達表面之一深摻雜區域。該深摻雜區域可為使用一900 keV能量或任何其他適合能量之一深植入物。在一些實施例中，深植入物可不連續(諸如(例如)圖20中)以允許表面處於相同於基板之底部之電位。圖18展示10 ns之電子運動之一模擬，其繪示載子被汲取至深n-井區域。 若深摻雜區域係n型，則可將其連接至拒斥區域及因此連接至一供應電壓以收集深產生載子且將其轉移至一汲極。若深摻雜區域係p型，則其可形成阻擋深摻雜載子且防止其到達光電二極體之一障壁。 當使用具有3 um至5 um厚度或任何其他適合厚度之一磊晶基板時，可拒斥深載子。可將表面之1 um內之光生載子收集至空乏二極體N區域中。 實施兩種單獨技術以處置深載子： 1)一種技術係一掩埋汲極。圖19展示一實例，其中一N型掩埋層(深汲極)在高電位處(例如3伏特)偏壓。深光電子被拉至該N型掩埋層中且在接點處被吸走。 2)另一種技術係一掩埋屏蔽。圖20展示與基板接觸之一P+型掩埋層(深屏蔽)。深光電子自該P+型掩埋層排斥且擴散至N型拾波器中且在接點處被吸走。該P+型掩埋層不連續且允許二極體結構保持自低電位處之底側偏壓至基板電位。就介接於二極體之電極之快速動態切換而言，此可為一優點，因為甚至在高頻率處下二極體空乏電壓仍保持固定。 可使用標準NWELL (NW)及PWELL (PW)處理來實施掩埋二極體之左側及右側上之N區域及P區域。至NWELL之N+分接頭可為標準源極汲極高度摻雜植入物。深N區域可為超過1000 keV之一高能量磷植入物。深P+區域可為超過500 keV之一高能量硼植入物。 用於汲取深產生載子之另一種技術係在基板中產生一漂移場，其將深產生載子自表面拉離。可藉由在基板中產生一垂直電位梯度而產生該漂移場。 用於避免深產生載子之另一種技術係使半導體區域(例如一磊晶區域)非常薄(諸如比三微米薄、比兩微米薄或比1微米薄)。 額外實施例圖21展示積體電路可由其製造之材料之實例。一像素可形成於一半導體區域(在一些實施例中，該半導體區域可為矽)中。絕緣區域(諸如氧化矽區域)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，絕緣區域可由氮化矽形成。諸如鋁之一金屬可安置於電極上以與電極電接觸。然而，可使用其他材料，因為本文所描述之裝置不受限於特定材料。 圖22展示根據一些實施例之一像素200之一摻雜分佈曲線圖之一實例。光電偵測區域102包含具有位於表面處之一P型區域及一掩埋N型區域之一光電二極體。電極206及203可為摻雜N型。電極213可為摻雜P型。與複數個植入物相反，電極203與電極213之間的摻雜之差異可產生允許一植入物形成於區域108中以允許限制電荷載子之一工作函數差異。然而，此係可選的，且在一些實施例中，區域108可包含複數個植入物。在此實例中，電極203及/或213下方之電荷儲存區域108係摻雜N型。一高度摻雜區域301可在半導體區域中形成至與光電二極體相對之電極213之遠側。一障壁植入物302可經形成以防止載子自基板中之深處進入電荷儲存區域108。在此實例中，障壁植入物可為P型。 儲格可包含橫跨電極203至電極213之半部而進入擴散之一植入物。至輸出之儲格障壁可由一P+摻雜閘極電極與一N+摻雜閘極電極之間的工作函數差異形成。此可形成一足夠1.1 V障壁差異。此差異可藉由在電極203與電極213之間施加一差異電壓而擴展。例如，可將電極213設定為0 V且可將電極203設定為0.4 V。此產生一1.5 V差異。 至輸入之電位障可由一硼植入物形成於二極體介面處。電位障係相對於儲格植入物之最大空乏電壓。儲格植入物劑量及能量可判定儲格之最大電位深度。此可在程序中調諧以允許至儲格之輸入側之一足夠障壁。輸出側歸因於工作函數差異而具有一穩健障壁且亦可由電壓調諧。調諧輸入障壁係更重要。可藉由將電壓施加於電極203而調諧儲格電位深度。然而，此亦影響至輸入二極體之障壁。至輸入二極體之障壁可由閘極控制。因此，儲格植入物劑量及能量可經調諧以在最大儲格空乏電位處輸送一足夠障壁。使用相同於儲格植入物之遮罩，一深、高劑量硼植入物可形成至基板之一障壁，其防止拾取雜散電子。 圖23展示用於形成具有圖22中所繪示之摻雜分佈曲線圖之像素200之一例示性程序序列。程序可包含摻雜物植入物及/或擴散之任何適合序列。然而，應瞭解圖23之程序係具舉實例而言，且可使用其他適合程序。 圖24展示沿圖22之線y = 0之砷、硼、磷及Nt之一例示性摻雜分佈曲線圖之一圖。垂直軸上展示至基板中之深度，而水平軸上展示濃度。 圖25展示當藉由將所有電極之電壓設定為0 V而閉合所有障壁時圖22之像素中之電位之一圖。如圖中所繪示，產生允許將載子限制於儲格中之一電位井。 圖26展示當將電極213之電壓設定為3 V時圖22之像素中之電位之一圖。升高電極213上之電壓降低儲格與讀出節點111之間的障壁。 圖27展示當電極206、203及213之電壓改變時基板內之電位之曲線。 實例性積體電路實現及形成整合式光電偵測器之方法在一些實施例中，可使用一標準CMOS (互補式金屬氧化物半導體)程序使晶片1300形成於一矽基板中。然而，本文所描述之技術不受限於此方面，因為可使用任何適合基板或製造程序。圖28至圖32展示用於形成光電偵測器及四個不同像素設計d0至d3之一例示性程序。圖28展示具有半導體區域中之擴散及N井區域及一上覆多電極層之層級0。圖29展示層級1，圖30展示一層級2，圖31展示層級3且圖32展示層級4。 像素陣列 / 晶片架構圖33展示根據一些實施例之晶片架構之一圖。如圖33中所展示，一積體電路或晶片1300可包含：一像素陣列1302，其包含複數個像素100；一控制電路1304，其包含一計時電路1306；電壓/電流偏壓產生電路1305及一介面1308。 像素陣列1302包含以任何適合圖案(諸如(例如)一矩形圖案)佈置之一像素陣列101。像素陣列1302可具有任何適合數目個像素。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。像素可被並行讀出、串行讀出或以並行及串行之一組合讀出。例如，在一些實施例中，一列像素可並行讀出，且像素陣列之各列可依序讀出。然而，本文所描述之技術不受限於此方面，因為像素可依任何適合方式讀出。 像素陣列1302由一控制電路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)之任何適合類型之控制電路。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一微處理器。控制電路可包含儲存用於引起微處理器執行此等操作之電腦可讀指令(例如碼)之一電腦可讀媒體(例如記憶體)。例如，控制電路1304可控制產生待施加於各像素中之該(等)電荷載子分離結構之電極之電壓。控制電路1304可改變一或多個電極之電壓(如上文所討論)以捕獲載子、轉移載子及執行像素及陣列之讀出。控制電路可基於所儲存之一時序方案而設定電荷載子分離結構之操作之時序。所儲存之該時序方案可固定、可程式化及/或具適應性，如上文所討論。 控制電路1304可包含用於計時像素之該(等)電荷載子分離結構之操作及晶片之其他操作之一計時電路1306。在一些實施例中，計時電路1306可達成產生信號以精確地控制該(等)電荷載子分離結構中之電壓改變之時序以準確地計時儲格電荷載子。在一些實施例中，計時電路1306可包含用於精確地設定提供至該(等)電荷載子分離結構之信號之時序之一外部參考時脈及/或一延遲鎖定迴路(DLL)。在一些實施例中，可使用兩個單端延遲線路，各線路具有一半數目之180度異相對準之載台。然而，任何適合技術可用於控制晶片上之信號之時序。 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一介面1308。介面1308可達成讀出由像素陣列1302感測之信號。可使用一類比介面及/或一數位介面執行自晶片1300讀出。若使用一數位介面執行自晶片1300讀出，則晶片1300可具有用於將自像素陣列1302讀出之信號轉換為數位信號之一或多個類比轉數位轉換器。在一些實施例中，讀出電路可包含一可程式化增益放大器。一或多個信號可經由介面1308自一外部來源提供至晶片1300。例如，此等控制信號可控制待執行之量測之類型，其可包含設定時間儲格之時序。 可由晶片上電路或晶片外電路執行自像素陣列1302讀出之信號之分析。例如，在螢光壽命量測之情境中，光子到達之時序之分析可包含接近一螢光團之一螢光壽命。可執行任何適合類型之分析。若自像素陣列1302讀出之信號之分析在晶片上執行，則晶片1300可具有用於執行分析之任何適合處理電路。例如，晶片1300可具有係控制電路1304之部分或與控制電路1304分離之用於執行分析之一微處理器。若在晶片上執行分析，則在一些實施例中，可將分析之結果發送至一外部裝置或以其他方式透過介面1308提供至晶片外。在一些實施例中，可在晶片外執行分析之所有或一部分。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至一外部裝置。 在一些實施例中，晶片1300可包含以下之一或多者： 1)晶片上、數位控制像素偏壓產生器(DAC)。 2)將單端像素輸出電壓信號轉換為一差動信號且將增益施加於該信號之晶片上、數位可程式化增益放大器。 3)允許使用輸出速率標定功率耗散之數位控制放大器偏壓產生器。 圖34係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一控制電路之一繪示性計算裝置1000的一方塊圖。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可將電腦程式指令儲存於一有形非暫時性電腦可讀儲存媒體中，電腦程式指令在被執行時實施上述功能性之任何者。(若干)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引起實現及執行功能性。 計算裝置1000亦可包含計算裝置經由可經由其與其他計算裝置通信(例如在一網路上)之一網路輸入/輸出(I/O)介面1005，且亦可包含計算裝置可經由其提供輸出至一使用者且自該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介面可包含諸如一鍵盤、一滑鼠、一麥克風、一顯示裝置(例如一監視器或觸控螢幕)、揚聲器、一攝影機及/或各種其他類型之I/O裝置之裝置。 上述實施例可以數種方式之任何者實施。例如，可使用硬體、軟體或硬體及軟體之一組合來實施實施例。當在軟體中實施時，软体程式码可在任何適合處理器(例如一微處理器)或處理器之集合上執行，無論提供於一單一計算裝置中或分佈於多個計算裝置中。應瞭解，執行上述功能之任何組件或組件之集合一般可視為控制上文所討論之功能之一或多個控制器。該一或多個控制器可以多種方式實施(諸如使用專用硬體或使用通用硬體(例如一或多個處理器)，通用硬體使用微碼或軟體程式化以執行上文所列舉之功能)。 在此方面，應瞭解，本文所描述之實施例之一實施方案包括使用一電腦程式(即複數個可執行指令)編碼之至少一電腦可讀儲存媒體(例如RAM、ROM、EEPROM、快閃記憶體或其他記憶體技術、CD-ROM、數位多功能光碟(DVD)或其他光碟儲存器、匣式磁帶、磁帶、磁碟儲存器或其他磁性儲存裝置、或其他有形、非暫時電腦可讀儲存媒體)，在一或多個處理器上執行時，該電腦程式執行上文所討論之一或多個實施例之功能。電腦可讀媒體可係可運輸的使得儲存於其上之程式可負載於任何計算裝置上以實施本文所討論之技術之態樣。另外，應瞭解，參考在被執行時執行上文所討論之功能之任何者之一電腦程式不受限於在一主機電腦上運行之一應用程式。確切而言，術語電腦程式及軟體在本文中以一一般意義使用以指稱可用於程式化一或多個處理器以實施本文所討論之技術之態樣之任何類型之電腦程式碼(例如應用軟體、韌體、微碼或任何其他形式之電腦指令)。 額外態樣本發明之各種態樣可單獨使用、組合使用或用於未在前文描述之實施例中具體討論之多種配置中且因此其應用不受限於前述描述中所闡述或圖式中所繪示之組件之細節及配置。例如，一實施例中所描述之態樣可依任何方式與在其他實施例中描述之態樣組合。 另外，本發明可體現為一方法，本文已提供該方法之一實例。作為該方法之部分執行之動作可以任何適合方式排序。相應地，可構造實施例，其中以不同於繪示之一順序執行動作，其可包含同時執行一些動作(即使在繪示性實施例中展示為循序動作)。 在技術方案中使用序數術語(諸如「第一」、「第二」、「第三」等等)以修改一技術方案要素本身並不隱含任何優先權、優先性或一技術方案要素之順序優先於另一技術方案要素或執行一方法之動作之時間順序，而僅用作為標誌以區分具有一特定名稱之一技術方案要素與具有一相同名稱(但使用序數詞)之另一技術方案要素以區分技術方案要素。 另外，本文所使用之片語及術語係為了描述目的且不應被視為具限制性。在本文中使用「包含」、「包括」或「具有」、「含有」、「涉及」及其等之變體意謂涵蓋此後所列之項目及其等效物以及額外項目。
100:像素 101A:電荷載子 101B:電荷載子 102:光子吸收/載子產生區域/光電偵測區域 105:拒斥區域 106:載子行進/捕獲區域/電荷載子捕獲區域 108:載子儲存區域/電荷載子儲存區域/電荷儲存區域 110:讀出電路/讀出區域 111:讀出節點 120:光源 121:遮光罩 200:像素 202:電位障/障壁 203:電極 204:電位障/障壁 205:電極 206:電極 212:電位障 213:轉移電極 214:電極 215:電極 301:高度摻雜區域 302:障壁植入物 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:使用者輸入/輸出(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:計時電路 1308:介面 2302:分離摻雜電極 2304:電位井 2800:方法 2802:步驟 2804:步驟 2806:步驟 2808:步驟 2810 :步驟 2820:量測 A:機率曲線 A-A’:線 B:機率曲線 b0:金屬區域 b1:金屬區域 b2:金屬區域 d0至d3:像素設計 cd:金屬區域 I1:強度 I2:強度 rs:列選擇電晶體 rt:重設電晶體 sf:源極隨耦器緩衝電晶體 t1:時間/金屬區域 t2:時間/金屬區域 t3:時間 t4:時間 t5:時間 t6:時間 t7:時間 t8:時間 t9:時間
在圖式中，各種圖中所繪示之各相同或幾乎相同組件由一相同元件符號表示。為清楚起見，並非每個組件階可在每個圖式中被標記。圖式不必按比例繪製，因為該等圖式係為強化闡釋本文所描述之技術及裝置之各種態樣之用。 圖1A標繪針對具有不同壽命之兩個標記之依據時間而變化之光子被發射之機率。 圖1B展示一實例性激發脈衝(虛線)及實例性螢光發射(實線)之隨時間之實例性強度分佈曲線圖。 圖2A展示一整合式光電偵測器之一像素之一圖。 圖2B繪示在不同於圖2A之一時間點及空間處捕獲一電荷載子。 圖3展示一直接合併像素之一實例。 圖4展示操作一直接合併像素之一方法之一流程圖。 圖5A至圖5F展示圖4之方法之各種階段處之直接合併像素。 圖6展示一直接合併像素之一橫截面圖。 圖7展示具有一p+區域及一n+區域之一分離摻雜電極。 圖8展示一直接合併像素之一實例之一平面圖。 圖9展示一直接合併像素之另一實例之一平面圖。 圖10展示在拒斥期間直接合併像素中之電位。 圖11展示在其中至拒斥區域及儲格之電位障升高之一週期期間直接合併像素中之電位。 圖12展示在其中電荷可轉移至一儲格之一週期中直接合併像素中之電位。 圖13展示藉由降低由一轉移閘極產生之一電位障而將儲存於一儲格中之電荷轉移至浮動擴散FD。 圖14繪示重設浮動擴散FD。 圖15展示作為波長之一函數之吸收深度之一圖。 圖16展示一光電二極體之一實例之摻雜分佈曲線圖及電位。 圖17展示可防止深產生電荷到達表面之一深摻雜區域。 圖18展示10 ns之電子運動之一模擬，其繪示載子被汲取至深n-井區域。 圖19展示一N型掩埋層(深汲極)在高電位處偏壓。 圖20展示與基板接觸之一P+型掩埋層(深屏蔽)。 圖21展示可由其製造積體電路之材料之實例。 圖22展示根據一些實施例之一直接合併像素之一摻雜分佈曲線圖之一實例。 圖23展示用於形成具有圖22中所繪示之摻雜分佈曲線圖之直接合併像素之一例示性程序序列。 圖24展示沿圖22之線y = 0之砷、硼、磷及氮之一例示性摻雜分佈曲線圖之一圖。 圖25展示當藉由將所有電極之電壓設定為0 V而閉合所有障壁時圖23之像素中之電位之一圖。 圖26展示當將電極213之電壓設定為3 V時圖23之像素中之電位之一圖。 圖27展示當電極之電壓改變時基板內之電位之曲線。 圖28至圖32展示用於形成光電偵測器及四個不同像素設計d0至d3之一例示性程序。圖28展示一第一層級，圖29展示一第二層級，圖30展示一第三層級，圖31展示一第四層級且圖32展示一第五層級。 圖33展示一晶片架構之一圖。 圖34係一繪示性計算裝置之一方塊圖。
102:光子吸收/載子產生區域/光電偵測區域
105:拒斥區域
108:載子儲存區域/電荷載子儲存區域/電荷儲存區域
110:讀出電路/讀出區域
111:讀出節點
200:像素
202:電位障/障壁
203:電極
204:電位障/障壁
205:電極
206:電極
212:電位障
213:轉移電極
214:電極
215:電極
A-A’:線

Claims (19)

  1. 一種積體電路，其包括：光電偵測區域，其經組態以接收入射光子，該光電偵測區域經組態以回應於該等入射光子而產生複數個電荷載子；至少一電荷載子儲存區域；電荷載子分離結構，其經組態以基於產生該複數個電荷載子之時間而選擇性地將該複數個電荷載子之電荷載子引導至該至少一電荷載子儲存區域中，其中該電荷載子分離結構經組態以在該光電偵測區域與該至少一電荷載子儲存區域之間不捕獲該複數個電荷載子之情況下將該複數個電荷載子轉移至該至少一電荷載子儲存區域中，其中該電荷載子分離結構經組態以在該至少一電荷載子儲存區域中聚集第一電荷載子，該等第一電荷載子係回應於該等入射光子之第一光子而產生，該等第一光子係由至少一發光分子回應於激發光脈衝而產生；及電荷載子拒斥區域，其經組態以在拒斥期間接收第二電荷載子，該等第二電荷載子係回應於該等入射光子之第二光子而在該光電偵測區域中產生，該等激發光脈衝包括該等第二光子。
  2. 如請求項1之積體電路，其進一步包括像素，該像素包含該光電偵測區域、該至少一電荷載子儲存區域以及該電荷載子分離結構。
  3. 如請求項2之積體電路，其中該積體電路包括複數個像素。
  4. 如請求項1之積體電路，其中該電荷載子分離結構包括位於該光電偵測區域與該至少一電荷載子儲存區域之第一電荷載子儲存區域之間的邊界處之至少一電極。
  5. 如請求項4之積體電路，其中該電荷載子分離結構包括位於該光電偵測區域與該第一電荷載子儲存區域之間的該邊界處之單一電極。
  6. 如請求項1之積體電路，其中該等第二電荷載子在與載子自該光電偵測區域被朝向該至少一電荷載子儲存區域引導之方向不同的方向上自該光電偵測區域移除。
  7. 如請求項1之積體電路，其進一步包括位於該光電偵測區域與該電荷載子拒斥區域之間的邊界處之電極。
  8. 如請求項1之積體電路，其中單一光子被轉移至該至少一電荷載子儲存區域且在該至少一電荷載子儲存區域中聚集。
  9. 如請求項1之積體電路，其中該光電偵測區域係形成於半導體基板中，且其中該半導體基板之表面下方深超過一微米之電荷載子被拒斥。
  10. 如請求項9之積體電路，其中至少部分地藉由該光電偵測區域之光電二極體下方之植入物拒斥在該半導體基板之該表面下方深超過一微米之電荷載子。
  11. 如請求項10之積體電路，其中該植入物提供深屏蔽或深汲極。
  12. 如請求項11之積體電路，其中該植入物係N型或P+型。
  13. 如請求項9之積體電路，其中藉由該半導體基板之該表面下方之漂移場拒斥在該半導體基板之該表面下方深超過一微米之電荷載子。
  14. 如請求項1之積體電路，其中該光電偵測區域係形成於小於兩微米深之磊晶區域中。
  15. 如請求項1之積體電路，其中該光電偵測區域係包括光電二極體之磊晶區域。
  16. 如請求項1之積體電路，其中該至少一電荷載子儲存區域包括複數個電荷載子儲存區域。
  17. 一種光電偵測方法，其包括：(A)在光電偵測區域處接收入射光子；(B)基於產生電荷載子之時間而選擇性地將回應於該等入射光子而產生之複數個電荷載子之電荷載子自該光電偵測區域引導至至少一電荷載子儲存區域，其中在該光電偵測區域與該至少一電荷載子儲存區域之間不捕獲該等電荷載子之情況下將該等電荷載子轉移至該至少一電荷載子儲存區 域中，且在該至少一電荷載子儲存區域中聚集第一電荷載子，該等第一電荷載子係回應於該等入射光子之第一光子而產生，該等第一光子係由至少一發光分子回應於激發光脈衝而產生；及(C)藉由電荷載子拒斥區域且在拒斥期間接收第二電荷載子，該等第二電荷載子係回應於該等入射光子之第二光子而在該光電偵測區域中產生，該等激發光脈衝包括該等第二光子。
  18. 如請求項17之光電偵測方法，其中該光電偵測區域中之電荷載子在拒斥期間轉移至拒斥區域，接著降低至第一電荷載子儲存區域之第一電位障，接著降低至第二電荷載子儲存區域之第二電位障。
  19. 如請求項18之光電偵測方法，其中該第一電位障係由第一電極控制且該第二電位障係由第二電極控制。
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