(57)【要約】      （修正有）【課題】飛行時間型イメージセンサである集積回路では、受け取った光子の到着タイミングを正確に測定する。【解決手段】ピクセル１００において、光検出領域１０２は、入射光子に応答して複数の電荷キャリア１０１Ａを生成する。集積回路は、少なくとも１つの電荷キャリア貯蔵領域１０８を備える。集積回路はまた、電荷キャリアが生成された時間に基づいて、複数の電荷キャリアのうちの電荷キャリアを少なくとも１つの電荷キャリア貯蔵領域内へ選択的に方向付けするように構成された電荷キャリア分離構造を備える。【選択図】図２Ａ
2020162127.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
集積回路であって、
第１の励起光パルスに応答して第１の複数の電荷キャリアを生成するとともに第２の励起光パルスに応答して第２の複数の電荷キャリアを生成するように構成された、光検出領域と、
１つ以上の電荷キャリア貯蔵領域と、
電荷キャリア分離構造と、を備え、前記電荷キャリア分離構造は、
前記第１の複数の電荷キャリアがドレインに対して流れることを可能にすることにより、前記第１の複数の電荷キャリアを前記光検出領域から除去し、前記第１の複数の電荷キャリアを廃棄する、工程と、
前記第１の複数の電荷キャリアの前記除去の後、前記光検出領域が前記第２の複数の電荷キャリアを生成する前に、検知された光子によって前記光検出領域に生成された検知された電荷キャリアを前記光検出領域から除去し、前記検知された電荷キャリアを前記１つ以上の電荷キャリア貯蔵領域内へ方向付けする、工程と、を行うように構成され、
前記電荷キャリア分離構造は、前記検知された電荷キャリアが前記光検出領域に生成した時間に基づいて、前記検知された電荷キャリアを前記１つ以上の電荷キャリア貯蔵領域のうちの選択された電荷キャリア貯蔵領域内へ方向付けするように構成される、集積回路。
【請求項２】
前記１つ以上の電荷キャリア貯蔵領域は、複数の電荷キャリア貯蔵領域を含み、
前記電荷キャリア分離構造は、検知された複数の電荷キャリアを、前記検知された複数の電荷キャリアが前記光検出領域に生成した時間に基づいて、前記複数の電荷キャリア貯蔵領域のうちのそれぞれの電荷キャリア貯蔵領域内へ選択的に方向付けするように構成される、請求項１に記載の集積回路。
【請求項３】
前記電荷キャリア分離構造を制御して測定を行うように構成された制御回路をさらに備え、該測定において、前記制御回路は、前記検知された電荷キャリアを前記１つ以上の電荷キャリア貯蔵領域に移送することを可能とするように前記電荷キャリア分離構造の電位を変化させる、請求項１または２に記載の集積回路。
【請求項４】
前記制御回路は、前記測定を複数の回数行うべく前記電荷キャリア分離構造を制御するように構成され、前記複数の回数は、１０００回以上、随意では１００万回以上である、請求項３に記載の集積回路。
【請求項５】
前記複数の回数の前記測定は、５０ミリ秒未満の期間に行われる、請求項４に記載の集積回路。
【請求項６】
前記制御回路は、前記第１の励起光パルスのタイミングに基づいて前記測定を行うように構成される、請求項３〜５のいずれか一項に記載の集積回路。
【請求項７】
前記電荷キャリア分離構造は、検知された複数の電荷キャリアを前記１つ以上の電荷キャリア貯蔵領域に集約するように構成される、請求項１〜６のいずれか一項に記載の集積回路。
【請求項８】
前記集積回路は、
（ｉ）前記１つ以上の電荷キャリア貯蔵領域からの１つまたは複数の信号を分析して、経時的に光子の到着に関する情報を生成する、
（ｉｉ）前記１つ以上の電荷キャリア貯蔵領域からの１つまたは複数の信号に関する情報を、分析のためにコンピューティング・デバイスに対して送信する、または
（ｉ）と（ｉｉ）との両方を行う
ように構成される、請求項１〜７のいずれか一項に記載の集積回路。
【請求項９】
前記集積回路または前記コンピューティング・デバイスは、前記１つまたは複数の信号を分析して、輝度寿命を計算する、または第１の輝度寿命を第２の輝度寿命と弁別するように構成される、請求項８に記載の集積回路。
【請求項１０】
前記集積回路または前記コンピューティング・デバイスは、前記１つまたは複数の信号を分析して、蛍光寿命を計算する、または第１の蛍光寿命を第２の蛍光寿命と弁別するように構成される、請求項９に記載の集積回路。
【請求項１１】
前記集積回路は、前記光子を検出して核酸のシークエンシングを行うように構成される、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の集積回路。
【請求項１２】
前記集積回路は、フルオロフォアから入射光子を受け取るように構成される、請求項１〜１１のいずれか一項に記載の集積回路。
【請求項１３】
光検出方法であって、
光検出領域によって、前記光検出領域が第１の励起光パルスからの第１の複数の入射光子を受け取ることに応答して、第１の複数の電荷キャリアを生成する工程と、
前記第１の複数の電荷キャリアがドレインに対して流れることを可能にすることにより、前記第１の複数の電荷キャリアを前記光検出領域から除去し、前記第１の複数の電荷キャリアを廃棄する、工程と、
前記第１の複数の電荷キャリアの前記除去の後、前記光検出領域が第２の複数の電荷キャリアを生成する前に、検知された光子によって前記光検出領域に生成された検知された電荷キャリアを前記光検出領域から除去し、前記光検出領域が第２の励起光パルスを受け取ることに応答して、前記検知された電荷キャリアを１つ以上の電荷キャリア貯蔵領域内へ方向付けする、工程と、を行うように構成され、
前記検知された電荷キャリアは、前記検知された電荷キャリアが前記光検出領域に生成した時間に基づいて、前記１つ以上の電荷キャリア貯蔵領域のうちの選択された電荷キャリア貯蔵領域内へ方向付けされる、光検出方法。
【請求項１４】
前記第１の励起光パルスは発光分子を励起し、前記発光分子から受け取った検知された光子によって、前記第１の励起光パルスにより励起された前記発光分子に応答して、前記検知された電荷キャリアが前記光検出領域に生成する、請求項１３に記載の光検出方法。
【請求項１５】
前記入射光子は、フルオロフォアから受け取られる、請求項１３に記載の光検出方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、受け取られた光子の時間ビニングのための集積デバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
光検出器は、様々な用途において光を検出するために使用されている。入射光の強度を示す電気信号を生成する集積光検出器が開発されている。イメージング用途の集積光検出器は、シーン全体から受け取られた光の強度を検出するためのピクセルのアレイを含む。集積光検出器の例は、電荷結合素子（ＣＣＤ）および相補型金属酸化膜半導体（ＣＭＯＳ）画像センサを含む。
【図面の簡単な説明】
【０００３】
【図１Ａ】異なる寿命を有する２つのマーカについて時間の関数として光子の放出される確率をプロットする図。
【図１Ｂ】例示的な励起パルス（点線）および例示的な蛍光放出（実線）の例示的な強度プロファイルを経時的に示す図。
【図２Ａ】いくつかの実施形態による集積光検出器のピクセルの図。
【図２Ｂ】図２Ａと異なる時点および空間で電荷キャリアを捕獲することを示す図。
【図３Ａ】いくつかの実施形態によるピクセルの電荷キャリア閉じ込め領域を示す図。
【図３Ｂ】複数の電極Ｖｂ０〜Ｖｂｎ、ｂ０〜ｂｍ、ｓｔ１、ｓｔ２、およびｔｘ０〜ｔｘ３が図３Ａの電荷キャリア閉じ込め領域の上に位置する、図３Ａのピクセルを示す図。
【図３Ｃ】光子吸収／キャリア発生領域がＰＮ接合を含む実施形態を示す図。
【図３Ｄ】ドーピング特性を追加した図３Ｃの場合のようなピクセルの上面図。
【図３Ｅ】キャリア移動／捕獲エリアを含む図３Ｃの場合のようなピクセルの上面図。
【図３Ｆ】図３Ｅの場合のようなピクセルのアレイを示すと共に、拡散、ポリシリコン、コンタクト、および金属１の領域を示す図。
【図３Ｇ】図３Ｆのピクセル・アレイを示すと共に、拡散、ポリシリコン、コンタクト、金属１、Ｎインプラント、Ｐインプラント、およびＰエピの領域を示す図。
【図４】図３Ｂのピクセルの回路図であって、電荷キャリア閉じ込めエリアが太い黒線で示される図。
【図５Ａ】図３Ｂの線Ａ−Ａ’に沿った光子吸収／キャリア発生エリアおよびキャリア移動／捕獲エリアにおける電荷キャリア閉じ込めエリアにおいて確立され得る電位勾配を示す図。
【図５Ｂ】ある期間の後に、電極ｂ０の電圧を減少させることにより電子に対する電位障壁が時間ｔ１で上昇され得ることを示す図。
【図５Ｃ】別の期間の後に、電極ｂ２の電圧を減少させることにより電子に対する別の電位障壁が時間ｔ２で上昇され得ることを示す図。
【図５Ｄ】別の期間の後に、電極ｂ４の電圧を減少させることにより電子に対する別の電位障壁が時間ｔ３で上昇され得ることを示す図。
【図５Ｅ】別の期間の後に、電極ｂ６の電圧を減少させることにより電子に対する別の電位障壁が時間ｔ４で上昇され得ることを示す図。
【図５Ｆ】別の期間の後に、電極ｂｍの電圧を減少させることにより電子に対する別の電位障壁が時間ｔ５で上昇され得ることを示す図。
【図６Ａ】キャリアが光生成されたときのキャリアの位置を示す図。
【図６Ｂ】その直後に、確立された電位勾配に応じてキャリアが下方向に移動したときのキャリアの位置を示す図。
【図６Ｃ】キャリアがドレインに到達したときのキャリアの位置を示す図。
【図６Ｄ】キャリア（たとえば電子）が光生成されたときのキャリアの位置を示す図。
【図６Ｅ】その直後に電位勾配に応答してキャリアが下方向に移動したときのキャリアの位置を示す図。
【図６Ｆ】時間ｔ１の後にキャリアが電位障壁に到達したときのキャリアの位置を示す図。
【図６Ｇ】電子が時間ｔ１と時間ｔ２の間で電極ｂ０と電極ｂ２の間に到着する場合、電子は図６Ｇに示されるように電位障壁５０１と電位障壁５０２の間で捕獲されることを示す図。
【図６Ｈ】電子が時間ｔ１と時間ｔ２の間に到着しており、電位障壁５０１と電位障壁５０２の間で捕獲されたままである一例を示す図。
【図６Ｉ】電子が時間ｔ１と時間ｔ２の間に到着しており、電位障壁５０１と電位障壁５０２の間で捕獲されたままである一例を示す図。
【図６Ｊ】電子が時間ｔ１と時間ｔ２の間に到着しており、電位障壁５０１と電位障壁５０２の間で捕獲されたままである一例を示す図。
【図６Ｋ】電極ｂ０〜ｂ８、ｓｔ０およびｓｔ１の電圧を経時的に示す電圧タイミング図。
【図７Ａ】図３Ｂの線Ｂ−Ｂ’に沿った電荷キャリア閉じ込めエリアの断面の電位のプロットを示す図。
【図７Ｂ】時間ｔ５の後に、電極ｂ１、ｂ３、ｂ５、およびｂ７の電圧が随意的に減少され（図６Ｋに示されていない）、ポテンシャル井戸内の電子の位置を上昇させて電子の移送を促進することを示す図。
【図７Ｃ】時間ｔ６（図６Ｋ）で電極ｓｔ０およびｓｔ１の電圧が上昇され得ることを示す図。
【図７Ｄ】時間ｔ７で電極ｓｔ０の電圧が降下され、それにより（もしあれば）捕獲されたキャリアを対応するビン（この例ではｂｉｎ２）に閉じ込め得ることを示す図。
【図７Ｅ】電位障壁５０３と電位障壁５０４の間で捕獲された電子を示す平面図。
【図７Ｆ】電極ｓｔ１の電圧が上昇されてキャリアが移送されていることを示す平面図。
【図７Ｇ】電極ｓｔ１の電圧が低下されてキャリアがｂｉｎ２に捕獲されていることを示す平面図。
【図７Ｈ】いくつかの実施形態による電荷キャリア分離構造の電極の特性を示す図。
【図８Ａ】いくつかの実施形態による、複数の測定を行う工程を含む方法のフローチャート。
【図８Ｂ】時間ｔ０および時間ビンｂｉｎ０〜ｂｉｎ３で生成される励起パルスを示す図。
【図８Ｃ】蛍光寿命測定のセットについての各時間ビン内の光子／電荷キャリアの数のプロットを示す図であって、マーカまたはダイの蛍光発光の確率が経時的に指数関数的に減少することを示す図。
【図８Ｄ】いくつかの実施形態による集積光検出器を動作させる方法であって、複数の異なるトリガ・イベントに応答して集積光検出器で光が受け取られる方法を示す図。
【図８Ｅ】図８Ｄの方法を実施しているときの電荷キャリア分離構造の電極の電圧を示す図。
【図９Ａ】相関二重サンプリングを使用してビンｂｉｎ０〜ｂｉｎ３を順次読み出すためのタイミング図の例を示す図。
【図９Ｂ】いくつかの実施形態による、各信号値のリセット値を測定することを必要としない相関二重サンプリングを行うための読出シーケンスを示す図。
【図１０Ａ】複数の列Ｃ１からＣｎおよび複数の行を有するピクセルのアレイであって、選択された行Ｒｉが例として示されているアレイを示す図。
【図１０Ｂ】複数の列に対して共通の読出回路が提供され得る実施形態を示す図。
【図１０Ｃ】列の数よりも少ない複数の読出回路を有する実施形態を示す図。
【図１０Ｄ】サンプル・ホールド回路構成と増幅回路構成とアナログ−デジタル（Ａ／Ｄ）コンバータとを含む、列読出回路構成を示す回路図。
【図１０Ｅ】増幅回路構成とＡ／Ｄコンバータの両方がピクセル・アレイの２つの列によって共有される、読出回路構成の実施形態を示す図。
【図１０Ｆ】ピクセル・アレイのｎ列が読出回路構成および／またはＡ／Ｄコンバータを共有する実施形態を示す図。
【図１０Ｇ】複数の増幅器を含む増幅回路構成の例を示す図。
【図１０Ｈ】それぞれの列のための第１段の増幅器と２つの列によって共有される第２段の増幅器とを有する増幅回路構成を含む読出回路構成の図。
【図１０Ｉ】第１段の増幅器、第２段の増幅器、および第３段の増幅器を含む読出回路構成の図。
【図１０Ｊ】差動サンプル・ホールド回路および差動増幅器を含む２つの列によって共有される読出回路構成を示す図。
【図１０Ｋ】第１の列がサンプル段階にあり第２の列がホールド段階であるときの差動サンプル・ホールド回路および差分増幅器の図。
【図１０Ｌ】第２の列がサンプル段階にあり第１の列がホールド段階であるときの差動サンプル・ホールド回路および差分増幅器の図。
【図１０Ｍ】差動サンプル・ホールド回路および差動増幅器を含む３つ以上の列によって共有される読出回路構成を示す図。
【図１１】時間ビンのタイミングが測定のセットの結果に基づいて測定間で適応的に制御され得ることを示す図。
【図１２】４つのサブピクセルを含むピクセルの例を示す図。
【図１３】いくつかの実施形態によるチップ・アーキテクチャの図。
【図１４Ａ】いくつかの実施形態による、クワッド・ピクセルの６４×６４アレイを有するチップの実施形態の図。
【図１４Ｂ】いくつかの実施形態による、各アレイがクワッド・ピクセルの２５６×６４オクタル（ｏｃｔａｌ）ピクセル・アレイを有する２×２アレイを含むチップの実施形態の図。
【図１５Ａ】半導体基板に形成され得る電荷閉じ込め領域の斜視図。
【図１５Ｂ】図１５Ａに対応する平面図。
【図１６】パターニングされたポリシリコン層を形成することによる絶縁層上への電極の形成を示す図。
【図１７】ｐ＋領域およびｎ＋領域を有する分割ドーピングされた電極（ｓｐｌｉｔ−ｄｏｐｅｄ  ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ）を示す図。
【図１８】ビアに連結するためのパターニングされたポリシリコン層上の金属層（たとえば金属１）の形成を示す図。
【図１９】ポリシリコン層および電荷閉じ込め領域上に重ねられた金属層を示す図。
【図２０】金属層に接触するビアの形成を示す図。
【図２１】第２の金属層、および第２の金属層に接触するビアの形成を示す図。
【図２２】第３の金属層の形成を示す図。
【図２３】いくつかの実施形態による、電荷キャリア分離構造の電極を駆動するための駆動回路の例を示す図。
【図２４】チップがプリント回路板に付けられた実施形態を示す図。
【図２５】チップの中央領域における３２行を有効にし、チップの縁端部の４８行を無効にすることを示す図。
【図２６】例示的コンピューティング・デバイスのブロック図。
【発明を実施するための形態】
【０００４】
いくつかの実施形態は、入射光子を受け取るように構成された光検出領域を備える集積回路に関し、光検出領域は、入射光子に応答して複数の電荷キャリアを生成するように構成されている。集積回路はまた、少なくとも１つの電荷キャリア貯蔵領域を備える。集積回路はまた、複数の電荷キャリアのうちの電荷キャリアを、電荷キャリアが生成された時間に基づいて、少なくとも１つの電荷キャリア貯蔵領域内へ選択的に方向付けするように構成された電荷キャリア分離構造を備える。
【０００５】
いくつかの実施形態は、入射光子を受け取るように構成された光検出領域を含む集積回路に関し、光検出領域は、入射光子に応答して複数の電荷キャリアを生成するように構成されている。集積回路はまた、少なくとも１つの電荷キャリア貯蔵領域を備える。集積回路はまた、複数の電荷キャリアのうちの電荷キャリアを、電荷キャリアが生成された時間に基づいて、少なくとも１つの電荷キャリア貯蔵領域内へ選択的に方向付けするための手段を備える。
【０００６】
いくつかの実施形態は、光検出方法に関し、光検出方法は、入射光子を受け取る工程と、入射光子に応答して生成された複数の電荷キャリアのうちの電荷キャリアを、電荷キャリアが生成された時間に基づいて、少なくとも１つの電荷キャリア貯蔵領域内へ選択的に方向付けする工程とを備える。
【０００７】
いくつかの実施形態は、プロセッサによって実行されたときに光検出方法を実施する命令を記憶したコンピュータ可読記憶媒体に関する。この方法は、入射光子に応答して生成された複数の電荷キャリアのうちの電荷キャリアを、電荷キャリアが生成された時間に基づいて、少なくとも１つの電荷キャリア貯蔵領域内へ選択的に方向付けするように、電荷キャリア分離構造を制御する工程を備える。
【０００８】
いくつかの実施形態は、集積回路を形成する方法に関する。この方法は、光検出領域と電荷キャリア移動領域とを備える電荷キャリア閉じ込め領域を形成する工程を備える。光検出領域は、入射光子に応答して複数の電荷キャリアを生成するように構成される。この方法はまた、複数の電荷キャリアのうちの電荷キャリアを、電荷キャリアが生成された時間に基づいて、少なくとも１つの電荷キャリア貯蔵領域内へ選択的に方向付けするように構成された電荷キャリア分離構造を形成する工程を備える。
【０００９】
いくつかの実施形態は、核酸をシークエンシングする方法に関する。この方法は、核酸のそれぞれのヌクレオチドに対して直接または間接的に少なくとも一定期間付着された発光分子から光子を受け取る工程を備える。この方法はまた、入射光子に応答して生成された複数の電荷キャリアのうちの電荷キャリアを、電荷キャリアが生成された時間に基づいて、少なくとも１つの電荷キャリア貯蔵領域内へ選択的に方向付けする工程を備える。
【００１０】
いくつかの実施形態は、プロセッサによって実行されたときに核酸をシークエンシングする方法を実施する命令を記憶したコンピュータ可読記憶媒体に関する。この方法は、核酸のそれぞれのヌクレオチドに連結された発光分子からの光子を受け取る集積回路によって検出された入射光子の到着時間を少なくとも部分的に使用して、核酸をシークエンシングする工程を備える。
【００１１】
いくつかの実施形態は、核酸をシークエンシングする方法に関する。この方法は、集積回路を使用して、核酸のそれぞれのヌクレオチドに連結された発光分子からの入射光子の到着時間を検出する工程を備える。この方法はまた、発光分子からの入射光子の到着時間を検出する集積回路を少なくとも部分的に使用して、発光分子を識別する工程を備える。
【００１２】
いくつかの実施形態は、蛍光性寿命イメージングの方法に関する。この方法は、蛍光性分子からの入射光子の到着時間を検出する集積回路を少なくとも部分的に使用して、蛍光性寿命を示す画像を生成する工程を備える。
【００１３】
いくつかの実施形態は、飛行時間型イメージング（ｔｉｍｅ−ｏｆ−ｆｌｉｇｈｔ  ｉｍａｇｉｎｇ）の方法に関する。この方法は、入射光子を受け取る工程と、入射光子に応答して生成された複数の電荷キャリアのうちの電荷キャリアを、電荷キャリアが生成された時間に基づいて、少なくとも１つの電荷キャリア貯蔵領域内へ選択的に方向付けする工程とを備える。
【００１４】
上記の概要は例示のために提供され、限定することは意図されていない。
図面では、様々な図に示される同一またはほぼ同一の各構成要素は、同様の参照符号によって表される。明確にするため、すべての構成要素がすべての図で標識付けされるわけではない。図面は必ずしも原寸に比例して描かれるのではなく、本明細書で説明される技法およびデバイスの様々な態様を例示することに重点が置かれる。
【００１５】
本明細書では、入射光子の到着のタイミングを正確に測定または「時間ビニング」することができる集積光検出器が説明される。いくつかの実施形態では、集積光検出器は、ナノ秒またはピコ秒の分解能で光子の到着を測定することができる。そのような光検出器は、核酸のシークエンシング（たとえばＤＮＡシークエンシング）に適用され得る分子検出／定量化を含む様々な用途において用途を見出すことができる。そのような光検出器は、ヌクレオチドを標識するために使用される発光分子からの入射光子の到着の時間領域解析を容易にし、それにより、輝度寿命に基づくヌクレオチドの識別およびシークエンシングを可能にすることができる。集積光検出器の用途の他の例は、以下でさらに論じられるように蛍光寿命イメージングおよび飛行時間型イメージングを含む。
分子検出／定量化のための時間領域測定の考察
生物学的サンプルの検出および定量化が、生物学的アッセイ（「バイオアッセイ」）を使用して行われ得る。バイオアッセイは従来、大型で高価な実験機器を必要とし、機器を操作しバイオアッセイを行うために訓練された研究科学者を要する。バイオアッセイは従来、まとめて行われ、大量の特定のタイプのサンプルが検出および定量化のために必要となっている。いくつかのバイオアッセイは、特定の波長の光を放出する発光性マーカを用いてサンプルにタグ付けすることによって行われる。サンプルは光源によって照射されて発光を生じ、発光性の光が光検出器によって検出され、マーカにより放出される光の量が定量化される。発光性タグおよび／またはレポータを使用するバイオアッセイは従来、サンプルを照射するための高価なレーザ光源、ならびに照射されたサンプルから光を収集するための複雑な発光性検出オプティクスおよび電子部品を必要とする。
【００１６】
いくつかの実施形態では、本明細書に説明されるような集積光検出器は、励起に応答して生物学的および／または化学的サンプルの輝度特性を検出することができる。より具体的には、そのような集積光検出器は、サンプルから受け取られた光の時間的特性を検出することができる。そのような集積光検出器は、励起に応答して発光分子によって放出される光の輝度寿命、たとえば蛍光寿命を検出および／または弁別することを可能にすることができる。いくつかの実施形態では、輝度寿命の検出および／または弁別に基づいて、サンプルの識別および／または定量的測定が行われ得る。たとえば、いくつかの実施形態では、核酸（たとえば、ＤＮＡ、ＲＮＡ）のシークエンシングは、それぞれのヌクレオチドに付着された発光分子の輝度寿命を検出および／または弁別することによって行われ得る。各発光分子は、対応するヌクレオチドに対して直接的に付着（たとえば結合）されてもよく、または対応するヌクレオチドに対して、ヌクレオチドおよび発光分子に結合されたリンカー分子を介して間接的に付着されてもよい。
【００１７】
いくつかの実施形態では、「ピクセル」と称されるいくつかの光検出構造および関連付けられた電子部品を有する集積光検出器は、並列で複数のサンプル（たとえば、数百、数千、または数百万以上）の測定および分析を可能にすることができ、それにより、複雑な測定を行うコストを低減し、発見率を急速に高めることができる。いくつかの実施形態では、光検出器の各ピクセルは、単一分子または複数の分子であり得るサンプルからの光を検出することができる。いくつかの実施形態では、そのような集積光検出器は、核酸（たとえば、ＤＮＡ、ＲＮＡ）シークエンシングなどの動的なリアルタイム用途に使用されることが可能である。
【００１８】
輝度寿命を使用する分子の検出／定量化
本出願の態様による集積光検出器を有する集積回路は、様々な検出およびイメージング用途に適切な機能を用いて設計され得る。以下でさらに詳細に説明されるように、そのような集積光検出器は、１つまたは複数の時間間隔または「時間ビン」内で光を検出する能力を有することができる。光の到着の時間に関する情報を収集するために、入射光子に応答して電荷キャリアが生成され、到着の時間に基づいてそれぞれの時間ビン内へ分離され得る。
【００１９】
本出願のいくつかの態様による集積光検出器は、フルオロフォアなどの発光分子を含む光放出源を区別するために使用されてよい。発光分子は、それらが放出する光の波長、それらが放出する光の時間的特性（たとえば、それらの放出減衰期間）、および励起エネルギーに対するそれらの応答について異なる。したがって、発光分子は、これらの属性の検出に基づいて、他の発光分子から識別または弁別されてよい。そのような識別または弁別の技法は、単独または任意の適切な組合せで使用されてよい。
【００２０】
いくつかの実施形態では、本出願に説明されるような集積光検出器は、蛍光寿命などの輝度寿命を測定または弁別することができる。蛍光寿命測定は、１つまたは複数の蛍光性分子を励起し、放出された発光の時間変化を測定することに基づく。蛍光性分子が励起状態に到達した後に蛍光性分子が光子を放出する確率は、経時的に指数関数的に減少する。確率が減少する率は、蛍光性分子の特性を示すものであってもよく、また異なる蛍光性分子に対して異なっていてもよい。蛍光性分子によって放出される光の時間的特性を検出することにより、蛍光性分子の識別、および／または蛍光性分子の互いに対する弁別を可能にすることができる。発光分子は、本明細書では発光性マーカまたは単に「マーカ」とも呼ばれる。
【００２１】
励起された状態に到達した後、マーカは、所与の時間に、ある確率で光子を放出することができる。励起されたマーカから光子が放出される確率は、マーカの励起後に経時的に減少し得る。経時的な光子が放出される確率の減少は、指数関数的な減衰関数ｐ（ｔ）＝ｅ−ｔ／τによって表されてよく、ここで、ｐ（ｔ）は時間ｔにおける光子放出の確率であり、τはマーカの時間的パラメータである。時間的パラメータτは、マーカが光子を放出する確率がある値であるときの励起後の時間を示す。時間的パラメータτは、その吸収および発光スペクトル属性とは異なり得るマーカの属性である。そのような時間的パラメータτは、輝度寿命、蛍光寿命、または単純にマーカの「寿命」と呼ばれる。
【００２２】
図１Ａは、異なる寿命を有する２つのマーカについて時間の関数として光子の放出される確率をプロットしている。確率曲線Ｂによって表されるマーカは、確率曲線Ａによって表されるマーカの放出の確率よりも速く減衰する放出の確率を有する。確率曲線Ｂによって表されるマーカは、確率曲線Ａによって表されるマーカよりも短い時間パラメータτまたは寿命を有する。いくつかの実施形態では、マーカは０．１〜２０ｎｓの範囲の蛍光寿命を有してよい。しかしながら、本明細書に説明される技法は、使用されるマーカの寿命に関して限定されない。
【００２３】
マーカの寿命は、２つ以上のマーカを区別するために使用されてよく、かつ／またはマーカを識別するために使用されてもよい。いくつかの実施形態では、異なる寿命を有する複数のマーカが励起源によって励起される蛍光寿命測定が行われてよい。一例として、それぞれ０．５、１、２、および３ナノ秒の寿命を有する４つのマーカが、選択された波長（たとえば６３５ｎｍ）を有する光を放出する光源によって励起されてよい。マーカは、マーカによって放出された光の寿命の測定に基づいて、互いに識別または区別されてよい。
【００２４】
蛍光寿命測定では、絶対強度値とは対照的に、経時的にどのように強度が変化するかを比較することによって相対強度測定を使用することができる。結果として、蛍光寿命測定は、絶対強度測定の難点のいくつかを回避することができる。絶対強度測定は、存在するフルオロフォアの濃度に応じて異なることがあり、フルオロフォア濃度を変えるために較正工程が必要とされ得る。対照的に、蛍光寿命測定は、フルオロフォア濃度に影響されないことが可能である。
【００２５】
発光マーカは外因性または内因性であり得る。外因性マーカは、発光性標識化のためのレポータおよび／またはタグとして使用される外部発光性マーカであってよい。外因性マーカの例は、蛍光性分子、フルオロフォア、蛍光色素、蛍光染色剤、有機色素、蛍光タンパク質、酵素、および／または量子ドットを含み得る。そのような外因性マーカは、特定の標的または成分に特異的に結合するプローブまたは官能基（たとえば、分子、イオン、および／またはリガンド）にコンジュゲートされ得る。外因性のタグまたはレポータをプローブに付着することは、外因性のタグまたはレポータの存在の検出を通して標的の識別を可能にする。プローブの例は、タンパク質、ＤＮＡ分子またはＲＮＡ分子などの核酸、脂質、および抗体プローブを含み得る。外因性のマーカと官能基の組合せは、検出のために使用される任意の適切なプローブ、タグ、および／または標識を形成してよく、それらには、分子プローブ、標識プローブ、ハイブリダイゼーション・プローブ、抗体プローブ、タンパク質プローブ（たとえば、ビオチン結合プローブ）、酵素標識、蛍光性プローブ、蛍光性タグ、および／または酵素レポータが含まれる。
【００２６】
外因性マーカはサンプルまたは領域に対して追加され得るが、内因性マーカはすでにサンプルまたは領域の一部であり得る。内因性マーカは、励起エネルギーの存在下で発光または「自己蛍光」することができる、存在する任意の発光性マーカを含み得る。内因性フルオロフォアの自己蛍光は、外因性フルオロフォアの導入を必要とすることなく、無標識で非侵襲的な標識化を提供することができる。そのような内因性フルオロフォアの例は、限定ではなく例として、ヘモグロビン、酸素ヘモグロビン、脂質、コラーゲンおよびエラスチン・クロスリンク、還元型ニコチンアミド・アデニン・ジヌクレオチド（ＮＡＤＨ）、酸化フラビン（ＦＡＤおよびＦＭＮ）、リポフスチン、ケラチン、ならびに／またはポルフィリン（ｐｒｏｐｈｙｒｉｎ）を含み得る。
【００２７】
寿命測定によってマーカを区別することによって、マーカが発光スペクトルの測定によって区別されるときよりも少ない波長の励起光が使用されることを可能にすることができる。いくつかの実施形態では、より少ない波長の励起光および／または発光性の光を使用するとき、センサ、フィルタ、および／または回折オプティクスが減少されるまたは除去されることが可能である。いくつかの実施形態では、異なる寿命を有するマーカを用いて標識化が行われてよく、マーカは、同じ励起波長またはスペクトルを有する光によって励起されてよい。いくつかの実施形態では、単一の波長またはスペクトルの光を放出する励起光源が使用されてよく、それによりコストを低減することができる。しかしながら、本明細書に説明されている技法は、これに関して限定されず、任意の数の励起光波長またはスペクトルが使用されてよい。いくつかの実施形態では、受け取られた光に関するスペクトル情報および時間情報の両方を決定するために、集積光検出器が使用されてよい。いくつかの実施形態では、存在する分子の種類の定量的分析は、マーカから放出された発光の時間的パラメータ、スペクトル・パラメータ、または時間的パラメータとスペクトル・パラメータとの組合せを決定することによって行われてよい。
【００２８】
入射光子の到着時間を検出する集積光検出器により、追加の光学フィルタリング（たとえば光学スペクトル・フィルタリング）要件を低減し得る。以下に説明されるように、本出願による集積光検出器は、光生成されたキャリアを特定の時間に除去するためのドレインを含むことができる。光生成されたキャリアをこのように除去することによって、励起光パルスに応答して生成された望ましくない電荷キャリアが、光学フィルタリングを必要とせずに廃棄されて、励起パルスからの光の受光を防止することができる。そのような光検出器により、全体的な設計統合の複雑性、光学的および／またはフィルタリング構成要素、および／またはコストを低減することができる。
【００２９】
いくつかの実施形態では、時間の関数として輝度強度値を検出するために、集積光検出器の１つまたは複数の時間ビンにおいて収集された電荷キャリアを集約することによって、放出された発光の時間プロファイルを測定することによって、蛍光寿命が決定され得る。いくつかの実施形態では、マーカが励起状態になるよう励起され次いで光子が放出される時間が測定される、複数回の測定を行うことによって、マーカの寿命が決定され得る。測定ごとに、励起源が、マーカに向けられた励起光のパルスを生成することができ、励起パルスとマーカからのその後の光子イベントとの間の時間が決定され得る。加えてまたは代わりに、励起パルスが繰り返し周期的に発生する場合、光子放出イベントが発生した時とその後の励起パルスとの間の時間が測定されることが可能であり、測定された時間が、励起パルス間の時間間隔（すなわち、励起パルス波形の周期）から差し引かれて、光子吸収イベントの時間を決定することができる。
【００３０】
複数の励起パルスを用いてそのような実験を繰り返すことによって、励起後のある時間間隔内に光子がマーカから放出される場合の数が決定されることが可能であり、それは、励起後のそのような時間間隔内に光子が放出される確率を示す。収集される光子放出イベントの数は、マーカに対して放出される励起パルスの数に基づくことができる。測定期間にわたる光子放出イベントの数は、５０〜１０，０００，０００またはそれより多い範囲になり得るが、いくつかの実施形態では、本明細書に説明されている技法はこれに関して限定されない。励起後のある時間間隔内に光子がマーカから放出される場合の数は、一連の離散時間間隔または時間ビン内で発生する光子放出イベントの数を表すヒストグラムに投入されることがある。時間ビンの数および／または各ビンの時間間隔は、特定の寿命および／または特定のマーカを識別するように設定および／または調整されてよい。時間ビンの数および／または各ビンの時間間隔は、放出された光子を検出するために使用されるセンサに応じて異なり得る。時間ビンの数は、１、２、３、４、５、６、７、または８以上、たとえば１６，３２，６４、または１６、３２、または６４以上であってよい。曲線当てはめアルゴリズムが、記録されたヒストグラムに曲線をフィットさせるために使用されてよく、その結果、所与の時間におけるマーカの励起後に光子が放出される確率を表す関数が得られる。ｐ（ｔ）＝ｅ−ｔ／τのような指数関数的減衰関数が、ヒストグラムデータにほぼフィットするように使用されてよい。そのような曲線当てはめから、時間的パラメータまたは寿命が決定され得る。決定された寿命は、存在するマーカのタイプを識別するために、マーカの既知の寿命と比較され得る。
【００３１】
寿命は、２つの時間間隔における強度値から計算され得る。図１Ｂは、例示的な励起パルス（点線）および例示的な蛍光発光（実線）の例示的な強度プロファイルを経時的に示す。図１Ｂに示される例では、光検出器は、少なくとも２つの時間ビンにわたって強度を測定する。時間ｔ１と時間ｔ２の間で発光エネルギーを放出する光子は、光検出器によって、強度Ｉ１として測定され、時間ｔ３と時間ｔ４の間で放出される発光エネルギーはｌ２として測定される。任意の適切な数の強度値が得られてよいが、図１Ｂでは２つのみが示されている。次いで、そのような強度測定は、寿命を計算するために使用され得る。一度に１つのフルオロフォアが存在する場合、時間ビニングされた発光シグナルは単一の指数関数的減衰にフィットし得る。いくつかの実施形態では、フルオロフォアの寿命を正確に識別するために、２つの時間ビンしか必要とされなくてよい。２つ以上のフルオロフォアが存在する場合、発光信号を二重または三重指数関数のような複数の指数関数的減衰にフィットさせることによって、組み合わせた発光信号から個々の寿命が識別され得る。いくつかの実施形態では、そのような発光信号から複数の蛍光寿命を正確に識別するために、２つ以上の時間ビンが必要とされることがある。しかしながら、複数のフルオロフォアを用いるいくつかの例では、単一の指数関数的減衰を発光信号にフィットさせることによって、平均蛍光寿命が決定され得る。
【００３２】
いくつかの例では、光子放出イベントの確率、ひいてはマーカの寿命は、マーカの環境および／または条件に基づいて変化し得る。たとえば、励起光の波長よりも小さい直径を有するボリュームに閉じ込められたマーカの寿命は、マーカがそのボリュームにないときよりも小さくなり得る。マーカが標識化に使用されるときと同様の条件で、既知のマーカを用いた寿命測定が行われ得る。既知のマーカを用いたそのような測定から決定された寿命が、マーカを特定するときに使用され得る。
【００３３】
輝度寿命測定を使用するシークエンシング
集積光検出器上の個々のピクセルは、分子または分子上の特定の位置のような１つまたは複数の標的を標識する蛍光タグおよび／またはレポータを識別するために使用される、蛍光寿命測定が可能であり得る。対象の任意の１つまたは複数の分子は、フルオロフォアによって標識されてよく、タンパク質、アミノ酸、酵素、脂質、ヌクレオチド、ＤＮＡ、およびＲＮＡが含まれる。放出された光のスペクトルの検出または他の標識技法と組み合わせると、蛍光寿命は、使用され得る蛍光タグおよび／またはレポータの総数を増加させることができる。寿命に基づく識別は、複雑な混合物における分子相互作用の特性に関する情報を提供するために、単一分子分析法に使用されてよく、この場合、そのような情報は、アンサンブル平均化において失われ、タンパク質間相互作用、酵素活性、分子動力学、および／または膜上の拡散を含み得る。加えて、異なる蛍光寿命を有するフルオロフォアは、標識成分の存在に基づく様々なアッセイ方法において標的成分にタグ付けするために使用され得る。いくつかの実施形態では、フルオロフォアの特定の寿命を検出することに基づいて、マイクロ流体システムを使用することなどによって、成分が分離され得る。
【００３４】
蛍光寿命の測定は、他の分析方法と組み合わせて使用されてもよい。たとえば、蛍光寿命は、１つまたは複数の分子に配置されたドナーおよびアクセプター・フルオロフォアの状態および／または環境を弁別するために、蛍光共鳴エネルギー移動（ＦＲＥＴ）技法と組み合わせて使用されてもよい。そのような測定は、供与体と受容体の間の距離を決定するために使用され得る。いくつかの例では、供与体から受容体へのエネルギー移動は、供与体の寿命を減少させることがある。別の例では、蛍光寿命測定は、ＤＮＡシークエンシング技法と組み合わせて使用されてよく、ここでは、異なる寿命を有する４つのフルオロフォアが、ヌクレオチドの未知の配列を有するＤＮＡ分子における４つの異なるヌクレオチド（Ａ、Ｔ、Ｇ、Ｃ）を標識するために使用され得る。フルオロフォアの発光スペクトルの代わりに蛍光寿命が、ヌクレオチドの配列を識別するために使用されてもよい。いくつかの技法で発光スペクトルの代わりに蛍光寿命を使用することにより、絶対強度測定のためアーチファクトが減少されるので、精度および測定分解能を増大することができる。加えて、寿命測定では、必要とされる励起エネルギー波長がより少なく、かつ／または検出される必要がある発光エネルギー波長がより少ないため、システムの複雑性および／または費用を低減することができる。
【００３５】
本明細書に説明されている方法は、ＤＮＡシークエンシングまたはＲＮＡシークエンシングのような核酸のシークエンシングに使用されることが可能である。ＤＮＡシークエンシングは、標的核酸分子におけるヌクレオチドの順序および位置の決定を可能にする。ＤＮＡシークエンシングに使用される技術は、核酸配列を決定するために使用される方法において、また、シークエンシング・プロセス中のレート、リード長、およびエラーの発生において大きく異なり得る。いくつかのＤＮＡシークエンシング方法は、合成によるシークエンシングに基づいており、このシークエンシングでは、標的核酸分子に相補的な核酸の新しく合成された鎖にヌクレオチドが組み込まれるときに、ヌクレオチドのアイデンティティが決定される。合成方法による多くのシークエンシングは、標的核酸分子の集団の存在（たとえば、標的核酸のコピー）、または標的核酸の集団を実現するための標的核酸の増幅の工程を必要とする。単一の核酸分子の配列を決定するための改善された方法が所望されている。
【００３６】
高精度かつ長いリード長で単一の核酸分子をシークエンシングすることに関して近年進歩している。単一分子シークエンシング技術、たとえば、パシフィック・バイオサイエンス（Ｐａｃｉｆｉｃ  Ｂｉｏｓｃｉｅｎｃｅｓ）によって開発されたＳＭＲＴ技術で使用される標的核酸は、サンプル・ウェルの底などの固体支持体に固定または添加されたシークエンシング反応の少なくとも１つの成分（たとえばＤＮＡポリメラーゼ）を含むサンプル・ウェルに添加される一本鎖ＤＮＡ鋳型である。サンプル・ウェルはまた、フルオロフォアなどの検出標識にコンジュゲートされたアデニン、シトシン、グアニン、およびチミンｄＮＴＰを含む「ｄＮＴＰ」とも呼ばれるデオキシリボヌクレオシド三リン酸を含む。好ましくは、ｄＮＴＰの各クラス（たとえば、アデニンｄＮＴＰ、シトシンｄＮＴＰ、グアニンｄＮＴＰおよびチミンｄＮＴＰ）は、信号の検出が新たに合成された核酸に組み込まれたｄＮＴＰのアイデンティティを示すように、異なる検出標識にコンジュゲートされる。検出標識は、検出標識の存在が、新たに合成された核酸鎖へのｄＮＴＰの組み込みまたはポリメラーゼの活性を阻害しないように、任意の位置でｄＮＴＰにコンジュゲートされ得る。いくつかの実施形態では、いくつかの実施形態では、検出標識は、ｄＮＴＰの末端リン酸塩（γリン酸塩）にコンジュゲートされる。
【００３７】
標的核酸に相補的な核酸を合成することができる単一分子ＤＮＡシークエンシングのために、任意のポリメラーゼが使用され得る。ポリメラーゼの例は、大腸菌（Ｅ．ｃｏｌｉ）ＤＮＡポリメラーゼＩ、Ｔ７  ＤＮＡポリメラーゼ、バクテリオファージＴ４  ＤＮＡポリメラーゼψ２９（プサイ２９）ＤＮＡポリメラーゼ、およびその変異体を含む。いくつかの実施形態では、ポリメラーゼは、単一のサブユニット・ポリメラーゼである。標的核酸の核酸塩基と相補的なｄＮＴＰとの塩基対合のときに、ポリメラーゼは、新しく合成された鎖の３’ヒドロキシル端部とｄＮＴＰのαリン酸塩との間にリン酸ジエステル結合を形成することによって、新しく合成された核酸鎖にｄＮＴＰを組み込む。ｄＮＴＰにコンジュゲートされた検出タグがフルオロフォアである例では、その存在が励起によって信号伝達され、組み込みの工程中に放出パルスが検出される。ｄＮＴＰの末端（γ）リン酸塩にコンジュゲートされた検出標識に関して、新たに合成された鎖へのｄＮＴＰの組み込みの結果、βおよびγリン酸塩の解放をもたらし、サンプル・ウェル中に自由に拡散する検出標識が、フルオロフォアから検出される放出の減少をもたらす。
【００３８】
本明細書に説明されている技法は、分子もしくは他のサンプルの検出もしくは定量化、または配列決定を行うことに関して限定されない。いくつかの実施形態では、集積光検出器は、領域、物体、またはシーンに関する空間情報と、領域、物体、またはシーンを使用する入射光子の到着に関する時間的情報とを得るためにイメージングを行うことができる。いくつかの実施形態では、集積光検出器は、蛍光寿命イメージングのような、領域、物体、またはサンプルの発光寿命イメージングを行うことができる。
他の用途
本明細書に説明されている集積光検出器は、上述されたように、複数の生物学的および／または化学的サンプルの分析に適用され得るが、集積光検出器は、たとえば、イメージング用途などの他の用途に適用されてもよい。いくつかの実施形態では、集積光検出器は、領域、物体、またはシーンのイメージングを行うピクセル・アレイを含むことができ、領域、物体、またはシーンの異なる領域から個々のピクセルで受け取られる光の時間的特性を検出することができる。たとえば、いくつかの実施形態では、集積光検出器は、組織から受け取られた光の時間的特性に基づいて組織のイメージングを行うことができ、これにより、医師が処置（たとえば手術）を行って組織の異常または病変領域（たとえば、癌または前癌部）を識別することを可能にすることができる。いくつかの実施形態では、集積光検出器は、外科用イメージング・ツールのような医療デバイスに組み込まれ得る。いくつかの実施形態では、光励起パルスに応答して組織によって放出された光に関する時間領域情報が、組織のイメージングおよび／またはキャラクタリゼーションを行うために取得され得る。たとえば、蛍光寿命イメージングを使用して、組織または他の物体のイメージングおよび／またはキャラクタリゼーションが行われてよい。
【００３９】
上述されたように、集積光検出器は、生物学的および／もしくは化学的サンプルのイメージングもしくは分析、または組織のイメージングを行うことなどによって、科学的または診断的コンテキストで適用され得るが、そのような集積光検出器は、他の任意の適切なコンテキストで使用されてもよい。たとえば、いくつかの実施形態では、そのような集積光検出器は、個々のピクセルで検出された光の時間的特性を使用してシーンのイメージングを行うことができる。シーンのイメージングを行う用途の例は、光検出器に光が到達するのにかかる時間の量が分析されて、光検出器まで光が移動された距離を決定する、レンジ・イメージングまたは飛行時間型イメージングである。そのような技法は、シーンの３次元イメージングを行うために使用され得る。たとえば、集積光検出器に対して既知の位置から放射された光パルス、および光検出器によって検出された反射光によって、シーンが照射され得る。アレイのそれぞれのピクセルで光が集積光検出器に到達するのにかかる時間の量が測定されて、シーンのそれぞれの部分から光検出器のそれぞれのピクセルに対して移動されて到達する光の距離が決定される。いくつかの実施形態では、集積光検出器は、たとえば、カメラ、携帯電話、またはタブレットコンピュータなどの家庭用電子デバイスに組み込まれてよく、取得された範囲情報に基づいて、そのようなデバイスが画像またはビデオを捕獲し処理することを可能にする。
【００４０】
いくつかの実施形態では、本出願に説明されている集積光検出器は、低い光強度を測定するために使用されてよい。そのような光検出器は、たとえば、単一光子計数技法を現在使用し得る用途など、高感度の光検出器を必要とする用途に適することがある。しかしながら、本明細書に説明されている技法はこれに関して限定されず、本出願に説明されている集積光検出器は、任意の適切な光強度を測定してよい。
【００４１】
他の発光寿命用途
寿命を使用するイメージングおよびキャラクタリゼーション
前述されたように、本明細書に説明されている技法は、外因性フルオロフォアを使用する標識化、検出、および定量化に限定されない。いくつかの実施形態では、領域、物体、またはサンプルは、集積光検出器の使用を通して、蛍光寿命イメージング技法を用いてイメージングおよび／またはキャラクタリゼーションが行われてよい。そのような技法では、領域、物体、またはサンプル自体の蛍光特性が、イメージングおよび／またはキャラクタリゼーションのために使用されてよい。外因性マーカまたは内因性マーカのいずれかが、寿命イメージングおよび／またはキャラクタリゼーションによって検出され得る。特定の標的成分の存在および／または位置を検出するために、プローブに付着された外因性マーカが領域、物体、またはサンプルに提供され得る。外因性マーカは、標識プローブのための標的を含む領域、物体、またはサンプルの部分を検出するために、標識プローブの一部としてのタグおよび／またはレポータの役割をすることができる。内因性マーカの自己蛍光は、内因性マーカの導入を必要とせずにイメージングに容易に利用され得る空間分解能のための無標識で非侵襲的なコントラストを提供することができる。たとえば、生物学的組織からの自己蛍光信号は、組織の生化学的および構造的組成に依存し、それを示すことができる。
【００４２】
蛍光寿命測定は、フルオロフォアの周囲の条件の定量的尺度を提供することができる。条件の定量的尺度が検出またはコントラストに追加されてもよい。フルオロフォアの蛍光寿命は、ｐＨまたは温度などのフルオロフォアの周囲環境に応じて異なることがあり、蛍光寿命の値の変化は、フルオロフォアの周囲の環境の変化を示し得る。一例として、蛍光寿命イメージングは、生物学的組織（たとえば、組織切片または外科的切除）などにおけるサンプルの局所環境内の変化をマッピングすることができる。内因性フルオロフォアの自己蛍光の蛍光寿命測定が、組織における物理的および代謝的変化を検出するために使用され得る。例として、サンプルからの自己蛍光を測定し、測定された自己蛍光から寿命を決定することによって、組織構造、形態、酸素化、ｐＨ、血管分布、細胞構造、および／または細胞代謝状態の変化が検出され得る。そのような方法は、スクリーニング、画像誘導生検もしくは手術、および／または内視鏡検査などの臨床用途に使用され得る。いくつかの実施形態では、本出願の集積光検出器は、たとえば蛍光寿命イメージングを行うために、手術器具などの臨床ツールに組み込まれてもよい。測定された自己蛍光に基づいて蛍光寿命を決定することは、臨床医が迅速に組織をスクリーニングし、裸眼には見えない小さな癌および／または前癌病変を検出することを可能にする無標識イメージング方法としての臨床的価値を提供する。蛍光寿命イメージングは、健常組織よりも長い蛍光寿命を有する発光を放出する腫瘍または癌細胞などの悪性細胞または組織の検出および線引きのために使用され得る。たとえば、蛍光寿命イメージングは、手術中に露出される消化管、膀胱、皮膚、または組織表面などの光学的にアクセス可能な組織における癌を検出するために使用され得る。
【００４３】
いくつかの実施形態では、蛍光寿命は、異なるタイプまたは状態のサンプル間のコントラストを提供するために顕微鏡技術で使用され得る。蛍光寿命イメージング顕微鏡法（ＦＬＩＭ）が、サンプルを光パルスで励起し、寿命を決定するために減衰するときに蛍光信号を検出し、得られた画像において減衰時間をマッピングすることによって実施され得る。そのような顕微鏡画像では、画像におけるピクセル値は、視野を収集する光検出器における各ピクセルについて決定された蛍光寿命に基づいてよい。
【００４４】
時間的情報を使用するシーンまたは物体のイメージング
上述されたように、本出願に説明されているような集積光検出器は、科学的および臨床的コンテキストで使用されてよく、そのようなコンテキストで、放出された光のタイミングが、領域、物体またはサンプルの検出、定量化、および／またはイメージングを行うために使用され得る。しかしながら、本明細書に説明されている技法は、科学的および臨床的用途に限定されず、入射光子の到着の時間に関する時間的情報が利用され得る任意のイメージング用途において集積光検出器が使用されてよい。用途の一例は飛行時間型イメージングである。
【００４５】
飛行時間型用途
いくつかの実施形態では、飛行時間測定を含む散乱光または反射光の時間プロファイルを測定することに基づいて、イメージング技法において集積光検出器が使用され得る。そのような飛行時間型測定では、光パルスが領域またはサンプル内に放出され、散乱光が集積光検出器によって検出され得る。散乱光または反射光は、領域またはサンプルの特性を示し得る別個の時間プロファイルを有することができる。サンプルによる後方散乱光は、サンプルにおけるそれらの飛行時間によって検出および解像され得る。そのような時間プロファイルは、時間点広がり関数（ＴＰＳＦ）であってよい。時間プロファイルは、光パルスが放出された後の複数の時間ビンにわたる積分強度を測定することによって取得され得る。光パルスの繰り返しおよび散乱光の蓄積が、すべての以前のＴＰＳＦが後続の光パルスを生成する前に完全に消滅されることを確実にするために、特定の速度で実行されてよい。時間分解拡散光学イメージング方法は、サンプルにおいてさらなる深さでイメージングを行うために、光パルスが赤外光であり得る分光拡散光トモグラフィを含むことができる。そのような時間分解拡散光学イメージング方法は、生体内または人間の頭などの生体の一部において腫瘍を検出するために使用され得る。
【００４６】
加えてまたは代わりに、飛行時間型測定は、放出された光パルスと物体から反射された光の検出との間の光の速度および時間に基づいて、距離または距離範囲を測定するために使用され得る。そのような飛行時間型技法は、カメラ、自動車内の近接検出センサ、ヒューマン−マシン・インターフェース、ロボット工学、およびそのような技法によって収集された３次元情報を使用できる他の用途を含む、様々な用途で使用されてよい。
光生成電荷キャリアを時間ビニングするための集積光検出器
いくつかの実施形態は、入射光子に応答して電荷キャリアを生成する光検出器を有する集積回路に関し、集積回路は、基準時間（たとえばトリガ・イベント）に対する電荷キャリアが入射光子の到着によって生成されるタイミングを弁別することができる。いくつかの実施形態では、電荷キャリア分離構造は、異なる時間に生成された電荷キャリアを分離し、異なる期間内に生成された電荷キャリアを集約する１つまたは複数の（「ビン」と称される）電荷キャリア貯蔵領域内へ電荷キャリアを方向付けする。各ビンは、選択された時間間隔内に生成された電荷キャリアを貯蔵する。各ビンに貯蔵された電荷を読み出すことにより、各時間間隔内に到着された光子の数に関する情報を提供することができる。そのような集積回路は、本明細書に説明されているような任意の様々な用途で使用され得る。
【００４７】
光検出領域および電荷キャリア分離構造を有する集積回路の例が説明される。いくつかの実施形態では、集積回路は、ピクセルのアレイを含むことができ、各ピクセルは、以下に論じられるように、１つまたは複数の光検出領域および１つまたは複数の電荷キャリア分離構造を含むことができる。
【００４８】
ピクセルの構造および動作の概要
図２Ａは、いくつかの実施形態によるピクセル１００の図を示す。ピクセル１００は、（光検出領域とも呼ばれる）光子吸収／キャリア発生領域１０２と、キャリア移動／捕獲領域１０６と、本明細書で「電荷キャリア貯蔵ビン」または単に「ビン」とも呼ばれる１つまたは複数の電荷キャリア貯蔵領域を有するキャリア貯蔵領域１０８と、電荷キャリア貯蔵ビンから信号を読み出すための読出回路構成１１０とを含む。
【００４９】
光子吸収／キャリア発生領域１０２は、入射光子を光生成電荷キャリアに変換できる半導体材料（たとえばシリコン）の領域であってよい。光子吸収／キャリア発生領域１０２は、光に曝されてよく、入射光子を受け取ることができる。光子吸収／キャリア発生領域１０２によって光子が吸収されるとき、光子は電子／正孔対などの光生成電荷キャリアを生成することができる。光生成電荷キャリアは、本明細書では単に「電荷キャリア」と呼ばれることがある。
【００５０】
電場が光子吸収／キャリア発生領域１０２内に確立され得る。いくつかの実施形態では、電場は、キャリア移動／捕獲領域１０６内の変化する電場と区別されるように「静的」であり得る。光子吸収／キャリア発生領域１０２内の電場は、横方向成分、縦方向成分、または横方向成分と縦方向成分の両方を含むことができる。電場の横方向成分は、矢印で示されるように図２Ａの下方向であってよく、これは、光生成電荷キャリアをキャリア移動／捕獲領域１０６に向けて駆動する光生成電荷キャリアに対する力を誘起する。電場は、様々な方法で形成され得る。
【００５１】
いくつかの実施形態では、光子吸収／キャリア発生領域１０２上に１つまたは複数の電極が形成され得る。電極は、光子吸収／キャリア発生領域１０２に電場を確立するように印加された電圧を有することができる。そのような電極は、「フォトゲート（ｐｈｏｔｏｇａｔｅ）」と称されることがある。いくつかの実施形態では、光子吸収／キャリア発生領域１０２は、電荷キャリアが完全に空乏化されたシリコンの領域であり得る。
【００５２】
いくつかの実施形態では、光子吸収／キャリア発生領域１０２における電場は、ＰＮ接合などのジャンクションによって確立されてよい。光子吸収／キャリア発生領域１０２の半導体材料は、光生成電荷キャリアをキャリア誘導／捕獲領域１０６に向けて駆動する光生成電荷キャリアに対する力を誘起する電場を生成する配向および／または形状を有するＰＮ接合を形成するようにドーピングされ得る。ジャンクションを使用して電場を生成することにより、光子吸収／キャリア発生領域１０２に入射光子の一部が到達するのを妨げ得る光子吸収／キャリア発生領域１０２の上に位置する電極の使用に関して量子効率を改善することができる。ジャンクションを使用することで、フォトゲートの使用に関して暗電流を低減することができる。暗電流は、キャリアを生成し得る半導体基板の表面における欠陥によって発生され得ると理解されている。いくつかの実施形態では、ＰＮ接合ダイオードのＰ端子は、その電圧を設定する端子に対して連結されてよい。そのようなダイオードは、「ピン止め（ｐｉｎｎｅｄ）」フォトダイオードと呼ばれることがある。ピン止めフォトダイオードは、その電圧を設定しキャリアを引き付ける端子により、表面でキャリア再結合を促進することができ、それにより暗電流を低減することができる。捕獲されることが望ましい光生成電荷キャリアは、表面における再結合領域の下を通過してよい。いくつかの実施形態では、横方向電場は、半導体材料内の勾配ドーピング濃度を使用して確立され得る。
【００５３】
いくつかの実施形態では、電場を生成するためにジャンクションを有する吸収／キャリア発生領域１０２は、以下の特性の１つまたは複数を有することができる：
１）時間変動場から離れてテーパが付けられる空乏ｎ型領域、
２）電場を横方向にｎ型領域へ遷移させるためのギャップを有するｎ型領域を取り囲むｐ型インプラント、および／または、
３）ｎ型領域を埋設し寄生電子の再結合領域として機能する、ｐ型表面インプラント。
【００５４】
いくつかの実施形態では、ジャンクションと少なくとも１つの電極との組合せによって、電場が光子吸収／キャリア発生領域１０２に確立され得る。たとえば、ジャンクションと単一の電極、または２つ以上の電極が使用されてよい。いくつかの実施形態では、ジャンクションから比較的遠くに配置され得るキャリア移動／捕獲領域１０６の近くに電位勾配を確立するために、１つまたは複数の電極がキャリア移動／捕獲領域１０６の近くに配置され得る。
【００５５】
図２Ａに示されるように、時間ｔ１で、光子が捕獲されて電荷キャリア１０１Ａ（たとえば電子）が生成され得る。いくつかの実施形態では、光子吸収／キャリア発生領域１０２、および（図２Ａに示す矢印で示されるように）図２Ａの下方向に電荷キャリア１０１Ａを移動させるキャリア移動／捕獲領域１０６に沿って、電位勾配が確立され得る。電位勾配に応答して、電荷キャリア１０１Ａは、時間ｔ１のその位置から、時間ｔ２の第２の位置、時間ｔ３の第３の位置、時間ｔ４の第４の位置、および時間ｔ５の第５の位置へ動くことができる。そのように、電荷キャリア１０１Ａは、電位勾配に応答してキャリア移動／捕獲領域１０６内に移動する。
【００５６】
キャリア移動／捕獲領域１０６は半導体領域であり得る。いくつかの実施形態では、キャリア移動／捕獲領域１０６は、光子吸収／キャリア発生領域１０２と同じ材料（たとえばシリコン）の半導体領域であってもよいが、例外として、キャリア移動／捕獲領域１０６は、（たとえば、金属層のような上に位置する不透明材料によって）入射光から遮蔽され得る。
【００５７】
いくつかの実施形態では、さらに以下に論じられるように、電位勾配が、光子吸収／キャリア発生領域１０２およびキャリア移動／捕獲領域１０６内に、これらの領域の上に配置された電極によって確立され得る。図３Ｂを参照して電極の配置の一例が論じられる。しかしながら、本明細書に説明されている技法は、電位勾配を生成するために使用される電極の特定の位置に関して限定されない。また、本明細書に説明されている技法は、電極を使用して電位勾配を確立することに限定されない。いくつかの実施形態では、空間的に勾配したドーピング・プロファイルおよび／またはＰＮ接合を使用して、電位勾配が確立され得る。電荷キャリアを光子吸収／キャリア発生領域１０２およびキャリア移動／捕獲領域１０６に沿って移動させる電位勾配を確立するために、任意の適切な技法が使用され得る。
【００５８】
電荷キャリア分離構造は、異なる時間に生成された電荷キャリアを分離することを可能にするようにピクセル内に形成され得る。いくつかの実施形態では、電荷キャリア分離構造の少なくとも一部は、キャリア移動／捕獲領域１０６上に形成されてよい。以下に説明されるように、電荷キャリア分離構造は、キャリア移動／捕獲領域１０６上に形成された１つまたは複数の電極を含むことができ、その電圧は、制御回路構成によって、キャリア移動／捕獲領域１０６における電位を変更するように制御され得る。
【００５９】
キャリア移動／捕獲領域１０６における電位は、電荷キャリアを捕獲することを可能にするように変更され得る。電位勾配は、キャリア移動／捕獲領域１０６の上に位置する１つまたは複数の電極の電圧を変更することによって変更されて、キャリアを所定の空間領域内に閉じ込めることが可能な電位障壁を生成することができる。たとえば、図２Ａのキャリア移動／捕獲領域１０６内の破線の上に位置する電極の電圧が、図２Ａのキャリア移動／捕獲領域１０６内の破線に沿った電位障壁を上昇させるために時間ｔ５で変更され、それにより電荷キャリア１０１Ａを捕獲することができる。図２Ａに示されるように、時間ｔ５で捕獲されたキャリアは、キャリア貯蔵領域１０８のビン「ｂｉｎ０」に対して移送され得る。電荷キャリア貯蔵ビンに対するキャリアの移送は、キャリア移動／捕獲領域１０６および／またはキャリア貯蔵領域１０８における電位を変更することによって（たとえば、これらの領域の上に位置する電極の電圧を変更することによって）行われ、それによりキャリアを電荷キャリア貯蔵ビン内へ移動させることができる。
【００６０】
キャリア移動／捕獲領域１０６の所定の空間領域内のある時点の電位を変更することにより、特定の時間間隔内に起きた光子吸収によって発生されたキャリアをトラップすることを可能にすることができる。異なる時間および／または位置で光生成電荷キャリアをトラップすることにより、光子吸収によって電荷キャリアが発生された時間が弁別され得る。この意味で、トリガ・イベントの発生後のある時点および／または空間において電荷キャリアをトラップすることによって、電荷キャリアが「時間ビニング」され得る。特定のビン内への電荷キャリアの時間ビニングは、光生成電荷キャリアが入射光子の吸収によって発生された時間に関する情報を提供し、したがって同様に、トリガ・イベントに対して光生成電荷キャリアを生成した入射光子の到着を「時間ビニング」する。
【００６１】
図２Ｂは、異なる時点および空間で電荷キャリアを捕獲することを示す。図２Ｂに示されるように、キャリア移動／捕獲領域１０６内の破線の上に位置する電極の電圧が、図２Ｂのキャリア移動／捕獲領域１０６内の破線に沿った電位障壁を上昇させるために時間ｔ９で変更され、それによりキャリア１０１Ｂを捕獲することができる。図２Ｂに示されるように、時間ｔ９で捕獲されたキャリアは、キャリア貯蔵領域１０８のビン「ｂｉｎ１」に移送され得る。電荷キャリア１０１Ｂは時間ｔ９でトラップされるので、それは、時間ｔ５に捕獲されたキャリア１０１Ａの光子吸収イベント（すなわちｔ１）とは異なる時間（すなわち時間ｔ６）で起きた光子吸収イベントを表す。
【００６２】
複数の測定を行い、電荷キャリアが捕獲された時間に基づいてキャリア貯蔵領域１０８の電荷キャリア貯蔵ビンに電荷キャリアを集約することにより、光子が光子吸収／キャリア発生領域１０２に捕獲された時間に関する情報を提供することができる。そのような情報は、上述されたように様々な用途で有用であり得る。
【００６３】
ピクセル構造および動作の詳細な例
図３Ａは、いくつかの実施形態によるピクセル１００Ａの電荷キャリア閉じ込め領域１０３を示す。図３Ａに示されるように、ピクセル１００Ａは、（光検出領域とも呼ばれる）光子吸収／キャリア発生領域１０２Ａと、キャリア移動／捕獲エリア１０６Ａと、ドレイン１０４と、キャリア貯蔵領域１０８Ａの複数の電荷キャリア貯蔵ビンｂｉｎ０、ｂｉｎ１、ｂｉｎ２、およびｂｉｎ３と、読出領域１１０Ａとを含むことができる。
【００６４】
電荷キャリア閉じ込め領域１０３は、電荷キャリア分離構造によって生成された電位勾配に応答して光生成電荷キャリアが動く領域である。電荷キャリアは、電荷キャリア閉じ込め領域１０３内の光子吸収／キャリア発生領域１０２Ａにおいて発生され得る。
【００６５】
電荷キャリア閉じ込め領域１０３は、半導体材料（たとえばシリコン）のような任意の適切な材料で形成されてよい。しかしながら、本明細書に説明されている技法はこれに関して限定されず、任意の適切な材料が電荷キャリア閉じ込め領域１０３を形成し得る。いくつかの実施形態では、電荷キャリア閉じ込め領域１０３は、電荷キャリア閉じ込め領域１０３内に電荷キャリアを閉じ込めるために絶縁体（たとえば酸化シリコン）によって囲まれてよい。
【００６６】
光子吸収／キャリア発生領域１０２Ａにおける電荷キャリア閉じ込め領域１０３の部分は、任意の適切な形状を有してよい。図３Ａに示されるように、いくつかの実施形態では、光子吸収／キャリア発生領域１０２Ａにおける電荷キャリア閉じ込め領域１０３の部分は、その幅がキャリア移動／捕獲エリア１０６Ａに近くで徐々に減少するようにテーパが付けられた形状を有することができる。そのような形状は、電荷処理の効率を改善することができ、これは特に、わずかの光子しか到着しないと予想される場合に有用であり得る。いくつかの実施形態では、光子吸収／キャリア発生領域１０２Ａにおける電荷キャリア閉じ込め領域１０３の部分は、テーパがより小さくてもよく、またはテーパが付けられなくてもよく、それによりダイナミック・レンジを増大することができる。しかしながら、本明細書に説明されている技法は、光子吸収／キャリア発生領域１０２Ａにおける電荷キャリア閉じ込め領域１０３の形状に関して限定されない。
【００６７】
図３Ａに示されるように、キャリア移動／捕獲エリア１０６Ａ内の電荷キャリア閉じ込め領域１０３の第１の部分は、光子吸収／キャリア生成エリア１０２Ａからドレイン１０４まで延びていてよい。電荷キャリア閉じ込め領域１０３の延長部は、それぞれの電荷貯蔵ビンまで延びて、図３Ｂに関して説明したような電荷キャリア分離構造によって電荷キャリア貯蔵ビン内へ電荷キャリアが方向付けされることを可能にする。いくつかの実施形態では、存在する電荷キャリア閉じ込め領域１０３の延長部の数は、電荷キャリア貯蔵ビンの数と同じであってよく、各延長部は、それぞれの電荷キャリア貯蔵ビンに延びている。
【００６８】
読出領域１１０Ａは、電荷貯蔵ビンから読み出すための浮遊拡散ノードｆｄを含むことができる。浮遊拡散ノードｆｄは、たとえば、ｐ型材料（たとえばｐ型基板）内へのｎ型ドーパントの拡散によって形成され得る。しかしながら、本明細書に説明されている技法は、特定のドーパント型またはドーピング技法に関して限定されない。
【００６９】
図３Ｂは、複数の電極Ｖｂ０〜Ｖｂｎ、ｂ０〜ｂｍ、ｓｔ１、ｓｔ２、およびｔｘ０〜ｔｘ３が図３Ａの電荷キャリア閉じ込め領域１０３の上に位置する、図３Ａのピクセル１００Ａを示す。図３Ｂに示される電極は、光生成キャリアを時間ビニングできる電荷キャリア分離構造の少なくとも部分を形成する。
【００７０】
図３Ｂに示される電極は、電荷キャリア閉じ込め領域１０３内に電位を確立する。いくつかの実施形態では、電極Ｖｂ０〜Ｖｂｎ、ｂ０〜ｂｍは、電荷キャリアたとえば電子が図３Ｂの下方向へドレイン１０４に向かって移動するように、領域１０２Ａおよび１０６Ａ内に電位勾配を確立するために印加された電圧を有することができる。電極Ｖｂ０〜Ｖｂｎは、光子吸収／キャリア発生領域１０２Ａの電荷閉じ込め領域１０３内に電位勾配を確立することができる。いくつかの実施形態では、それぞれの電極Ｖｂ０〜Ｖｂｎは一定の電圧であってよい。電極ｂ０〜ｂｍは、キャリア移動／捕獲エリア１０６Ａの電荷閉じ込め領域１０３内に電位勾配を確立することができる。いくつかの実施形態では、電極ｂ０〜ｂｍは、それらの電圧を異なるレベルに設定して、電荷キャリアをトラップすること、および／または電荷キャリアを１つまたは複数の電荷貯蔵ビンに移送することを可能にすることができる。
【００７１】
電極ｓｔ０およびｓｔ１は、電荷キャリア貯蔵領域１０８Ａの電荷貯蔵ビンにキャリアを移送するために変化する電圧を有することができる。移送ゲートｔｘ０、ｔｘ１、ｔｘ２およびｔｘ３は、電荷貯蔵ビンから浮遊拡散ノードｆｄに対する電荷の移送を可能にする。また、リセット・トランジスタｒｔ、増幅トランジスタｓｆ、および選択トランジスタｒｓを含む、読出回路構成１１０が示されている。
【００７２】
いくつかの実施形態では、浮遊拡散ノードｆｄおよび各移送ゲートｔｘ０〜ｔｘ３の電位は、キャリア移動／捕獲エリア１０６Ａ内ではなく浮遊拡散部内への電荷キャリアのオーバーフローを可能にし得る。電荷キャリアがキャリア貯蔵領域１０８内のビンに移送されるとき、浮遊拡散ノードｆｄおよび移送ゲートｔｘ０〜ｔｘ３の電位は、ビン内の任意のオーバーフロー電荷キャリアが浮遊拡散部に流れるのを可能にするために充分に高いことが可能である。そのような「障壁オーバーフロー保護（ｂａｒｒｉｅｒ  ｏｖｅｒｆｌｏｗ  ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ）」技法は、キャリア移動／捕獲エリア１０６Ａおよび／またはピクセルの他のエリア内へオーバーフローして拡散するキャリアを低減することができる。いくつかの実施形態では、障壁オーバーフロー保護技法は、励起パルスによって発生された任意のオーバーフロー電荷キャリアを除去するために使用され得る。オーバーフロー電荷キャリアが浮遊拡散部に対して流れることを可能にすることにより、これらの電荷キャリアは１つまたは複数の時間ビンで捕獲されず、それにより、読出中の時間ビン信号に対する励起パルスの影響が低減される。
【００７３】
いくつかの実施形態では、電極Ｖｂ０〜Ｖｂｎおよびｂ０〜ｂｍが光子吸収／キャリア発生領域１０２および／またはキャリア移動／捕獲領域１０６上に配設されており、電極Ｖｂ０〜Ｖｂｎ、ｂ０〜ｂｍは、図３Ｂの上から下へ進む位置に対して増加する電圧に設定されてよく、それにより、電荷キャリアを図３の下方向へドレイン１０４に向かって移動させる電位勾配を確立する。いくつかの実施形態では、電位勾配は、電荷キャリアが電位勾配に沿ってキャリア移動／捕獲領域１０６内へ移動することを可能にし得る、光子吸収／キャリア発生領域１０２および／またはキャリア移動／捕獲領域１０６において単調に変化することができる。いくつかの実施形態では、電位勾配は線Ａ−Ａ’に沿った位置に対して線形に変化することができる。線形電位勾配は、図３Ｂの垂直寸法にわたって線形に変化する電圧に電極を設定することによって確立され得る。しかしながら、本明細書に説明されている技法は線形電位勾配に限定されず、任意の適切な電位勾配が使用され得る。いくつかの実施形態では、キャリア移動／捕獲領域１０６における電場は充分に高く、したがって、光子が到達し得る時間と比較して通過時間が短いように、電荷キャリアがキャリア移動／捕獲領域１０６内で充分に速く動くことが可能である。たとえば、蛍光寿命測定のコンテキストでは、測定される発光マーカの寿命と比較して電荷キャリアの通過時間が短くされ得る。通過時間は、キャリア移動／捕獲領域１０６内に充分に勾配した電場を生成することによって減少され得る。
【００７４】
図３Ｃは、光子吸収／キャリア発生領域１０２がＰＮ接合を含む実施形態を示す。図３Ｃは、比較的低い電位にあり得る外部電極３０２を示し、それにより表面電位を比較的低い電位で「ピン止め」する。電極３０４が含まれることにより、キャリア移動／捕獲エリア１０６（キャリア移動／捕獲エリア１０６の下部は図示されていない）に向かってキャリアを駆動する静電場の電位勾配を生成するのを助けることができる。図３Ｃは、拡散、ポリシリコン、コンタクト、および金属１の領域を示している。
【００７５】
図３Ｄは、ドーピング特性を追加した図３Ｃの場合のようなピクセルの上面図を示す。図３Ｄはまた、ＰＮ接合および電極３０４によって確立された電位勾配に沿ってキャリアを領域１０６まで掃引する電場を示す。図３Ｄは、拡散、ポリシリコン、コンタクト、金属１、Ｎインプラント、Ｐインプラント、およびＰエピの領域を示している。
【００７６】
図３Ｅは、キャリア移動／捕獲エリア１０６を含む図３Ｃの場合のようなピクセルの上面図を示す。
図３Ｆは、図３Ｅの場合のようなピクセルのアレイを示す。図３Ｆは、拡散、ポリシリコン、コンタクト、および金属１の領域を示している。
【００７７】
図３Ｇは、図３Ｆのピクセル・アレイを示すと共に、拡散、ポリシリコン、コンタクト、金属１、Ｎインプラント、Ｐインプラント、およびＰエピの領域を示している。
図４は、図３Ｂのピクセル１００Ａの回路図を示す。電荷キャリア閉じ込めエリア１０３が太い黒線で示されている。また、電極、電荷キャリア貯蔵領域１０８、および読出回路構成１１０も示されている。この実施形態では、キャリア貯蔵領域１０８の電荷貯蔵ビンｂｉｎ０、ｂｉｎ１、ｂｉｎ２、およびｂｉｎ３は、電極ｓｔ１の下のキャリア閉じ込め領域１０３内にある。上述されたように、いくつかの実施形態では、電極に代えてまたは加えて領域１０２に静電場を生成するためにジャンクションが使用され得る。
【００７８】
光は、光源１２０から光子吸収／キャリア発生領域１０２で受け取られる。光源１２０は、限定ではなく例として（たとえば、核酸に連結された）発光性サンプルまたはイメージングの行われる領域もしくはシーンを含む、任意のタイプの光源であり得る。遮光体１２１は、光がキャリア移動／捕獲エリア１０６に到達するのを防止する。遮光体１２１は、限定ではなく例として集積回路の金属層のような、任意の適切な材料で形成され得る。
【００７９】
図５Ａは、図３Ｂの線Ａ−Ａ’に沿った光子吸収／キャリア発生エリア１０２およびキャリア移動／捕獲エリア１０６における電荷キャリア閉じ込めエリア１０３において確立され得る電位勾配を示す。図５Ａに示されるように、電荷キャリア（たとえば電子）は、光子吸収／キャリア発生領域１０２内の光子の吸収によって発生され得る。電極Ｖｂ０〜Ｖｂｎおよびｂ０〜ｂｍが図５Ａの右側へ増加する電圧に設定されて、図５Ａの右側（図３Ｂの下方向）へ電子が流れるようにする電位勾配を確立する。加えてまたは代わりに、場を確立するまたは確立するのを助けるためにＰＮ接合が存在してもよい。そのような実施形態では、キャリアが表面の下を流れることができ、図５Ａ（および関連図）はキャリアが流れる領域における電位を示す。最初に、図６Ａ、図６Ｂ、および図６Ｃに示されるように、キャリアは、キャリア移動／捕獲エリア１０６を通ってドレイン１０４内へ流れることが可能にされ得る。図６Ａは、キャリア１０１の光生成されたときの位置を示す。図６Ｂは、その直後に、確立された電位勾配に応じてキャリア１０１が下方向に移動したときのキャリア１０１の位置を示す。図６Ｃは、キャリア１０１がドレイン１０４に到達したときのキャリア１０１の位置を示す。
【００８０】
図５Ｂは、ある期間の後に、電極ｂ０の電圧を減少させることにより電子に対する電位障壁５０１が時間ｔ１で上昇され得ることを示す。電位障壁５０１は、図６Ｄ、図６Ｅ、および図６Ｆに示されるように、電子が図５Ｂの右側へ移動するのを止めることができる。図６Ｄは、キャリア１０１（たとえば電子）が光生成されたときのキャリア１０１の位置を示す。図６Ｅは、その直後に電位勾配に応答してキャリア１０１が下方向に移動したときのキャリア１０１の位置を示す。図６Ｆは、時間ｔ１の後にキャリア１０１が電位障壁５０１に到達したときのキャリア１０１の位置を示す。
【００８１】
図５Ｃは、別の期間の後に、電極ｂ２の電圧を減少させることにより電子に対する別の電位障壁５０２が時間ｔ２で上昇され得ることを示す。時間ｔ１と時間ｔ２の間で電極ｂ０と電極ｂ２の間に電子が到着する場合、図５Ｃおよび図６Ｇに示されるように、電子は電位障壁５０１と電位障壁５０２の間で捕獲される。
【００８２】
図５Ｄは、別の期間の後に、電極ｂ４の電圧を減少させることにより電子に対する別の電位障壁５０３が時間ｔ３で上昇され得ることを示す。時間ｔ２と時間ｔ３の間で電極ｂ２と電極ｂ４の間に電子が到達する場合、電子は電位障壁５０２と電位障壁５０３の間の位置にトラップされる。図５Ｄおよび図６Ｈの例では、電子が時間ｔ１と時間ｔ２の間に到達したので、電位障壁５０１と電位障壁５０２の間で捕獲されたままである。
【００８３】
図５Ｅは、別の期間の後に、電極ｂ６の電圧を減少させることにより電子に対する別の電位障壁５０４が時間ｔ４で上昇され得ることを示す。時間ｔ３と時間ｔ４の間で電極ｂ４と電極ｂ６の間に電子が到達する場合、電子は電位障壁５０３と電位障壁５０４の間の位置にトラップされる。図５Ｅおよび図６Ｉの例では、電子が時間ｔ１と時間ｔ２の間に到達したので、電位障壁５０１と電位障壁５０２の間で捕獲されたままである。
【００８４】
図５Ｆは、別の期間の後に、電極ｂｍの電圧を減少させることにより電子に対する別の電位障壁５０５が時間ｔ５で上昇され得ることを示す。時間ｔ４と時間ｔ５の間で電極ｂ６と電極ｂｍの間に電子が到達する場合、電子は電位障壁５０４と電位障壁５０５の間の位置にトラップされる。図５Ｆおよび図６Ｊの例では、電子が時間ｔ１と時間ｔ２の間に到達したので、電位障壁５０１と電位障壁５０２の間で捕獲されたままである。
【００８５】
図６Ｋは、電極ｂ０〜ｂ８、ｓｔ０およびｓｔ１の電圧を経時的に示す電圧タイミング図を示す。電位障壁５０１〜５０５を上昇させるシーケンス中にキャリア移動／捕獲エリア１０６を通って動く電荷キャリアは、それがキャリア移動／捕獲エリア１０６に到着する時間に依存するキャリア移動／捕獲エリア１０６内の位置に捕獲され、その時間は、光子吸収／キャリア発生エリア１０２において電荷キャリアが光子吸収によって発生された時間に依存する。電位障壁５０１〜５０５が上昇されるタイミングが、電荷貯蔵ビンｂｉｎ０〜ｂｉｎ３のタイミングを設定する。図６Ｋに示されるように、時間ｔ１と時間ｔ２の間に到着するキャリアはｂｉｎ０の時間間隔内にトラップされ、時間ｔ２と時間ｔ３の間に到着するキャリアはｂｉｎ１の時間間隔内にトラップされ、時間ｔ３と時間ｔ４の間に到着するキャリアはｂｉｎ２の時間間隔内にトラップされ、時間ｔ４と時間ｔ５の間に到着するキャリアはｂｉｎ３の時間間隔内にトラップされる。
【００８６】
図５Ａ〜図５Ｆに示されたシーケンスの後、捕獲された電荷キャリアは、電荷キャリアがキャリア移動／捕獲エリア１０６内に捕獲される位置に基づいて、適切な電荷キャリア貯蔵ビンに移送され得る。この実施形態では、電子が電極ｂ１下に捕獲された場合、それはｂｉｎ０に対して移送される。電子が電極ｂ３下に捕獲された場合、それはｂｉｎ１に対して移送される。電子が電極ｂ５下に捕獲された場合、それはｂｉｎ２に対して移送される。電子が電極ｂ７下に捕獲された場合、それはｂｉｎ３に対して移送される。いくつかの実施形態では、キャリア移動／捕獲エリア１０６内で任意の捕獲されたキャリアをそれらの対応するビンに移送することは、並列に（たとえば同時に）行われてよい。しかしながら、本明細書に説明されている技法は、捕獲されたキャリアを電荷貯蔵ビンに並列に移送することに関して限定されない。
【００８７】
図６Ｋに示されるように、図５Ａ〜図５Ｆに示されたシーケンスの後、電極ｓｔ０およびｓｔ１の電圧は、捕獲された電荷キャリアを対応する電荷キャリア貯蔵ビンに移送するように変更され得る。捕獲された電荷キャリアを移送するための例示的なシーケンスが、図６Ｋおよび図７Ａ〜図７Ｇに関連して論じられる。
【００８８】
図７Ａは、図３Ｂの線Ｂ−Ｂ’に沿った電荷キャリア閉じ込めエリアの断面の電位のプロットを示す。図７Ａは、電位障壁５０３と電位障壁５０４の間に電子が捕獲される例における時間ｔ５（図６Ｋ）の電位を示す。電位障壁５０３と電位障壁５０４の間に捕獲された電子を示す平面図が図７Ｅに示されている。
【００８９】
図７Ｂは、時間ｔ５の後に、電極ｂ１、ｂ３、ｂ５、およびｂ７の電圧が随意的に減少され（図６Ｋに示されていない）、ポテンシャル井戸内の電子の位置を上昇させて電子の移送を促進することを示す。
【００９０】
図７Ｃは、時間ｔ６（図６Ｋ）で電極ｓｔ０およびｓｔ１の電圧が上昇され得ることを示す。このように電極の電圧を変更することにより、キャリア移動／捕獲エリア１０６に捕獲された電荷キャリアを電極ｓｔ１下の対応する電荷貯蔵ビンに移送する電位勾配を提供することができる。電極ｓｔ１の電圧が上昇されてキャリア１０１が移送されていることを示す平面図が図７Ｆに示されている。
【００９１】
図７Ｄは、時間ｔ７で電極ｓｔ０の電圧が降下され、それにより（もしあれば）捕獲されたキャリアを対応するビン（この例ではｂｉｎ２）に閉じ込め得ることを示す。電極ｂ６の電圧が時間ｔ８で上昇されて、キャリア移動／捕獲エリア１０６内に電位勾配を再確立することができる。電極ｓｔ１の電圧が低下されてキャリア１０１がｂｉｎ２に捕獲されていることを示す平面図が図７Ｇに示されている。
【００９２】
図７Ｈは、いくつかの実施形態による電荷キャリア分離構造の電極の特性を示す。図７Ｈは、各電極について、勾配段階中の電圧、ビニング段階中の電圧、移送段階中の電圧、読出段階中の電圧、高、および電圧変化のタイプを指定する。しかしながら、これは単に例であり、本明細書に説明されている技法は、図７Ｈに示される実装の詳細に関して限定されない。
【００９３】
測定の例示的なシーケンス
光子吸収／キャリア発生および光生成電荷キャリアの時間ビニングのプロセスを繰り返すことにより、以下に論じられるように、光子が光検出器に到着する時間に関する統計情報を収集することを可能にすることができる。
【００９４】
いくつかの実施形態では、「測定」は、光子を受け取ること、特定の時間および／または位置で電荷キャリアを捕獲すること、ならびに特定の期間またはビンに対応する電荷貯蔵ノードに対して捕獲されたキャリアを移送することを含むことができる。光子が光検出器に到着する時間に関する統計情報を収集するために、測定が複数回繰り返されてよい。
【００９５】
図８Ａは、いくつかの実施形態による、複数の測定７２０を行う工程を含む方法７００のフローチャートを示す。そのような方法は、本明細書に説明されているような集積デバイスによって少なくとも部分的に実施され得る。
【００９６】
工程７０２では、測定７２０がトリガ・イベントによって開始され得る。トリガ・イベントは、光子の到着を時間ビニングするための時間基準の役割をするイベントであり得る。トリガ・イベントは、たとえば、光パルスまたは電気パルスであってよく、特異的イベントまたは反復する周期的イベントであってよい。蛍光寿命測定のコンテキストでは、トリガ・イベントは、フルオロフォアを励起するための光励起パルスの発生であり得る。飛行時間型イメージングのコンテキストでは、トリガ・イベントは、集積光検出器を備えるイメージング・デバイスによって放出された（たとえば、フラッシュからの）光のパルスであり得る。トリガ・イベントは、光子またはキャリアの到着のタイミングを取るための基準として使用される任意のイベントであり得る。
【００９７】
光励起パルスの発生はかなりの数の光子を生成することができ、その一部はピクセル１００に到達し、光子吸収／キャリア発生エリア１０２において電荷キャリアを生成することができる。光励起パルスからの光生成キャリアは、測定されることが望ましくないため、捕獲されることなくドレイン１０４に対して電位を流すことが可能にされ得る。光励起パルスによって生成された光生成キャリアが捕獲されずにドレイン１０４に対して流れることを可能にすると、不要な信号の量が減少させることができ、さもなければ、さらなる設計の複雑性および／またはコストを追加し得るシャッタまたはフィルタのような複雑な光学構成要素によって、不要な信号が到着するのを防止する必要があり得る。キャリア移動／捕獲エリア１０６内の１つまたは複数の電位障壁の上昇のタイミングは、任意の不要な光信号によって引き起こされた光生成キャリアがドレイン１０４に対して流れるようにタイミングを取られてよい。さらに、この技法は、単一の時間ビンのみを有する実施形態を含めて、任意の数の時間ビンと共に使用されてよい。たとえば、ピクセルは、単一の時間ビンおよびドレインを含むことができ、キャリア移動／捕獲エリア１０６内に所望の光信号を捕獲しながら、電位障壁のタイミングが、励起パルスに関連付けられた信号を減少させる。
【００９８】
次いで、測定７２０が工程７０４で開始することができ、この工程では、領域１０２において検出されることが望ましい光子が吸収され、電荷キャリアが発生され得る。蛍光寿命測定または飛行時間型イメージングのコンテキストでは、工程７０４は、光励起パルスが完了された後に開始し得る。
【００９９】
工程７０６では、キャリア移動／捕獲エリア１０６を通って動く電荷キャリアが、トリガ・イベント７０２に対して選択された時間で所定の位置に捕獲され得る。いくつかの実施形態では、上述されたように、キャリアが光子吸収によって発生された時間に依存する位置でキャリアをトラップするように１つまたは複数の電位障壁を上昇させることによって、キャリア移動／捕獲エリア１０６の１つまたは複数の領域内に電荷キャリアが捕獲され得る。
【０１００】
工程７０８では、捕獲された電荷キャリアが、存在する場合、それらが捕獲された位置から対応する電荷貯蔵ビンに移送され、それにより、電荷キャリアを「時間ビニング」することができる。
【０１０１】
工程７０８の後、測定７２０は、トリガ・イベント７０２後に光子が到着する傾向がある期間に関する統計情報を得るために、ｎ−１回繰り返されてよい。測定７２０が繰り返されるとき、時間ビニングされた電荷キャリアが対応する電荷貯蔵ビンに集約され得る。測定値７２０を繰り返すことにより、統計的に有意な結果を提供するために充分な数の電荷キャリアを電荷キャリア貯蔵ビンに集約することを可能にすることができる。たとえば、蛍光寿命測定のコンテキストでは、フルオロフォアから受け取られた光子に応答する光子吸収イベントが比較的まれに発生することが予想され得る。たとえば、そのようなイベントは、約１，０００回の測定において１回発生することが予想される。したがって、結果が統計的に有意であるように充分な数の電荷キャリアを電荷キャリア貯蔵ビンに集約するために、多数の測定７２０が行われる必要があり得る。いくつかの実施形態では、蛍光寿命測定のために行われ得るフルオロフォアの測定の数ｎは、充分な数（すなわち、いくつかの実施形態では数十または数百以上）の電荷キャリアを捕獲して各ビンにビニングすることを可能にするために５００，０００以上または１，０００，０００以上であり得る。
【０１０２】
割り当てられた数ｎの測定が行われると、方法７００は、時間ビンを読み出す工程７１０に進むことができる。時間ビンを読み取ることは、以下に論じられるように、電荷貯蔵ビンのそれぞれに集約された電荷の量を対応する電圧に変換することを含むことができる。
【０１０３】
図８Ｂは、時間ｔ０および時間ビンｂｉｎ０〜ｂｉｎ３で生成される励起パルスを示す図である。この例では、光子を測定するための時間ビンは、信号光子を測定する前に励起光を終了させるｔ０後の期間の後のｔ１まで開始しないことに留意されたい。
【０１０４】
図８Ｃは、蛍光寿命測定のセットについての各時間ビン内の光子／電荷キャリアの数のプロットを示し、ここでは、マーカまたはダイの蛍光発光の確率が経時的に指数関数的に減少している。励起、電荷捕獲、およびそれぞれのビン内への移送のシーケンスを何回も繰り返し、各ビンに移送された電荷キャリアの量を読み取ることによって、フルオロフォアの寿命の決定または近似を可能にする、異なるビンに登録された光子の数のヒストグラムが作成され得る。
【０１０５】
方法７００は、光子が捕獲されることが望まれる任意の適切な期間にわたって実施され得る。蛍光寿命測定のコンテキストでは、方法７００を実施するのに適した期間は、たとえば、１０ミリ秒とすることができる。いくつかの実施形態では、工程７０２から７０８はＭＨｚ範囲の周波数で繰り返されてよい。いくつかの実施形態では、時間ビンは、ピコ秒またはナノ秒のスケールで分解能を有することができる。
【０１０６】
異なるトリガ・イベントに応答する検出の時間的多重化
いくつかの実施形態では、測定は、複数の異なるタイプのトリガ・イベントを使用して実施され得る。トリガ・イベントは、異なる期間において異なるタイプのトリガ・イベントに応答してピクセルが光を受け取るように時間多重化され得る。たとえば、輝度寿命測定のコンテキストでは、トリガ・イベントは、異なる発光分子（たとえばフルオロフォア）を励起できる異なる波長λ１およびλ２の励起光パルス（たとえばレーザ・パルス）であり得る。いくつかの実施形態では、フルオロフォアは、励起光の異なる波長λ１およびλ２に対するそれらの応答に基づいて、互いに識別および／または弁別され得る。異なる時間に波長λ１およびλ２の光励起パルスによってサンプルを励起し、応答してサンプルによって放出された輝度を分析することにより、波長λ１の励起光に応答する第１の期間または波長λ２の励起光に応答する第２の期間に発光が検出されたかどうかに基づいて、発光分子の検出および／または識別を可能にすることができる。そのような時間多重化に加えてまたは代えて、発光分子は、それらの輝度寿命の測定に基づいて識別および／または弁別され得る。
【０１０７】
いくつかの実施形態では、核酸は、核酸のヌクレオチドに付着された１つまたは複数のフルオロフォアによって放出された光を検出することに基づいてシークエンシングされ得る。いくつかの実施形態では、そのようなシークエンシングは、輝度寿命の測定に基づいて、またはそのような技法の組合せに基づいて、異なる波長の励起光の時間多重化によって行われてよい。
【０１０８】
たとえば、いくつかの実施形態では、４つの異なるフルオロフォアが、核酸のそれぞれのヌクレオチド（たとえば、Ａ、Ｃ、Ｇ、およびＴ）に対して連結され得る。４つの蛍光体は、以下の図に示されるように、励起波長と輝度寿命の組合せに基づいて互いに区別可能であり得る。
【０１０９】
【表１】
2020162127.tif 000003
いくつかの実施形態では、集積光検出器は、異なる波長の光励起パルスに応答してサンプルによって生成された光子の検出を時間多重化することができる。たとえば、第１の期間に、波長λ１の励起光に応答してサンプルによって生成される光が検出され得る。続いて、第２の時間に、波長λ２の励起光に応答してサンプルによって生成された光が検出され得る。そうするために、複数の時間ビンを有するピクセルは、第１の期間における光子の到着を検出するために第１のサブセットの時間ビン、および第２の期間における光子の到着を検出するための第２のサブセットの時間ビンを使用することができる。第１の期間または第２の期間中に光がピクセルに到着するかどうかを調べることにより、波長λ１の光または波長λ２の光に応答してフルオロフォアが蛍光を発するかどうかが決定され得る。
【０１１０】
いくつかの実施形態では、光励起パルスに応答する光子の到着時間に関する情報が、蛍光寿命を決定および／または弁別するために使用され、それによりフルオロフォアを識別することができる。いくつかの実施形態では、第１の波長の第１の励起パルスが放出されることがあり、そしてピクセルの時間ビンの第１のサブセットが、第１の時間間隔における入射光子の到着を時間ビニングするために使用され得る。次いで、第２の波長の第２の励起パルスが放出されることがあり、ピクセルの時間ビンの第２のサブセットが、第２の時間間隔における入射光子の到着を時間ビニングするために使用され得る。したがって、第１の時間間隔および／または第２の時間間隔において光子が受け取られた場合、光子を生成したフルオロフォアの寿命に関する情報が取得され得る。蛍光寿命に関する情報を測定すると共に光励起パルスの時間多重化のプロセスを繰り返すことにより、フルオロフォアの識別を可能にするのに充分な情報を提供することができる。したがって、フルオロフォアが付着されているヌクレオチドが識別され得る。シークエンシング反応が進行するにつれて、経時的に追加的なヌクレオチドがポリメラーゼに組み込まれ得る。蛍光寿命の測定を用いて光励起パルスの時間多重化のプロセスを実施し繰り返すことにより、そのようなフルオロフォアの識別を可能にするのに充分な情報を提供することができる。したがって、核酸におけるヌクレオチドの配列が決定され得る。
【０１１１】
図８Ｄは、いくつかの実施形態による集積光検出器を動作させる方法であって、複数の異なるトリガ・イベントに応答して集積光検出器で光が受け取られる方法を示す。図８Ｅは、図８Ｄの方法を実施しているときの電荷キャリア分離構造の電極の電圧を示す。
【０１１２】
工程８０２では、測定８２０がトリガ・イベントＡによって開始され得る。トリガ・イベントＡは、光子の到着を時間ビニングするための時間基準の役割をするイベントであり得る。トリガ・イベントは、たとえば、光パルスまたは電気パルスであってよく、特異的イベントまたは反復する周期的イベントであってよい。蛍光寿命測定のコンテキストでは、トリガ・イベントＡは、第１のタイプのフルオロフォアを励起するための第１の波長の光励起パルスの発生であり得る。
【０１１３】
光励起パルスの発生はかなりの数の光子を生成することができ、その一部はピクセル１００に到達し、光子吸収／キャリア発生エリア１０２において電荷キャリアを生成することができる。光励起パルスからの光生成キャリアは、測定されることが望ましくないため、上述されたように、捕獲されることなくドレイン１０４に対して電位を流すことが可能にされ得る。キャリア移動／捕獲エリア１０６内の１つまたは複数の電位障壁の上昇は、任意の不要な光信号によって引き起こされた光生成キャリアがドレイン１０４に対して流れるようにタイミングを取られてよい。
【０１１４】
次いで、測定８２０は工程８０４に進むことができ、この工程では、領域１０２において検出されることが望ましい光子が吸収され、電荷キャリアが発生され得る。蛍光寿命測定のコンテキストでは、工程８０４は、光励起パルスが完了された後に開始することができる。
【０１１５】
工程８０６では、キャリア移動／捕獲エリア１０６を通って動く電荷キャリアが、トリガ・イベント８０２に対して選択された時間で所定の位置に捕獲され得る。いくつかの実施形態では、上述されたように、キャリアが光子吸収によって発生された時間に依存する位置でキャリアをトラップするように１つまたは複数の電位障壁を上昇させることによって、キャリア移動／捕獲エリア１０６の１つまたは複数の領域内に電荷キャリアが捕獲され得る。いくつかの実施形態では、工程８０６は、電位障壁５０１、５０３、および５０３を連続的に上昇させ、それにより、時間ビンｂｉｎ０および／またはｂｉｎ１に対応する電荷を（存在する場合）捕獲することを含むことができる。
【０１１６】
工程８０８では、捕獲された電荷キャリアが、存在する場合、それらが捕獲された位置から対応する電荷貯蔵ビンに移送され、それにより、電荷キャリアを「時間ビニング」することができる。たとえば、時間ビンｂｉｎ０および／またはｂｉｎ１に対応して捕獲された任意の電荷は、たとえば図７Ａ〜図７Ｄに示された技法を使用して、工程８０８でビンｂｉｎ０および／またはｂｉｎ１に対して移送され得る。
【０１１７】
工程８１０では、第２の測定８２１がトリガ・イベントＢによって開始され得る。トリガ・イベントＢは、光子の到着を時間ビニングするための時間基準の役割をするイベントであり得る。トリガ・イベントは、たとえば、光パルスまたは電気パルスであってよく、特異的イベントまたは反復する周期的イベントであってよい。蛍光寿命測定のコンテキストでは、トリガ・イベントＢは、第２のタイプのフルオロフォアを励起するための第２の波長の光励起パルスの発生であり得る。
【０１１８】
光励起パルスの発生はかなりの数の光子を生成することができ、その一部はピクセル１００に到達し、光子吸収／キャリア発生エリア１０２において電荷キャリアを生成することができる。光励起パルスからの光生成キャリアは、測定されることが望ましくないため、上述されたように、捕獲されることなくドレイン１０４に対して電位を流すことが可能にされ得る。キャリア移動／捕獲エリア１０６内の１つまたは複数の電位障壁の上昇は、任意の不要な光信号によって引き起こされた光生成キャリアがドレイン１０４に対して流れるようにタイミングを取られてよい。
【０１１９】
次いで、測定８２１は工程８１２に進むことができ、この工程では、領域１０２において検出されることが望ましい光子が吸収され、電荷キャリアが発生され得る。蛍光寿命測定のコンテキストでは、工程８１２は、第２の光励起パルスが完了された後に開始することができる。
【０１２０】
工程８１４では、キャリア移動／捕獲エリア１０６を通って動く電荷キャリアが、トリガ・イベント８１０に対して選択された時間で所定の位置に捕獲され得る。いくつかの実施形態では、上述されたように、キャリアが光子吸収によって発生された時間に依存する位置でキャリアをトラップするように１つまたは複数の電位障壁を上昇させることによって、キャリア移動／捕獲エリア１０６の１つまたは複数の領域内に電荷キャリアが捕獲され得る。いくつかの実施形態では、工程８１４は、電位障壁５０３、５０４、および５０５を連続的に上昇させ、それにより、時間ビンｂｉｎ２および／またはｂｉｎ３に対応する電荷を（存在する場合）捕獲することを含むことができる。
【０１２１】
工程８１６では、捕獲された電荷キャリアが、存在する場合、それらが捕獲された位置から対応する電荷貯蔵ビンに移送され、それにより、電荷キャリアを「時間ビニング」することができる。たとえば、時間ビンｂｉｎ２および／またはｂｉｎ３に対応して捕獲された任意の電荷は、たとえば図７Ａ〜図７Ｄに示された技法を使用して、工程８１６でビンｂｉｎ２および／またはｂｉｎ３に対して移送され得る。
【０１２２】
ピクセルが４つの時間ビンを有し、２つのビンが、それぞれの光励起パルスのそれぞれに応答して生成された光の到着時間を測定するために割り当てられる例が説明されているが、本明細書に説明されている技法はこれに関して限定されない。たとえば、ピクセルは、異なる励起パルスに応答して光を測定する任意の適切な方法で割り当てられ得るビンをより多くまたは少なく有してもよい。さらに、本明細書に説明されている技法は、２つの異なる波長の光励起パルスに限定されず、任意の数の波長の光励起パルスが使用されてもよく、したがって多重化されてもよい。
【０１２３】
工程８１６の後、測定８２０および８２１は、トリガ・イベント後に光子が到着する傾向がある期間に関する統計情報を得るために、ｎ−１回繰り返されてよい。測定が繰り返されるとき、時間ビニングされた電荷キャリアが対応する電荷貯蔵ビンに集約され得る。
【０１２４】
割り当てられた数ｎの測定が行われると、方法８００は、時間ビンを読み出す工程７１０に進むことができる。時間ビンを読み取ることは、以下に論じられるように、電荷貯蔵ビンのそれぞれに集約された電荷の量を対応する電圧に変換することを含むことができる。
【０１２５】
例示的な読出回路構成およびシーケンス
図２Ａおよび図２Ｂに示されるように、ピクセル１００は、電荷キャリア貯蔵領域１０８の電荷貯蔵ビンに貯蔵された電荷を読み出すことを可能にする読出回路構成１１０を含むことができる。ピクセル１００は、読出回路構成１１０が読出増幅器を含むようなアクティブ・ピクセル、または読出回路構成１１０が読出増幅器を含まないパッシブ・ピクセルであり得る。任意の適切なタイプのアクティブ・ピクセルまたはパッシブ・ピクセル読出回路構成が使用されてよい。
【０１２６】
読出回路構成１１０が読出増幅器を含む場合、任意の適切なタイプの増幅器が使用されてよい。適切な増幅器の例は、共通ソース構成に基づく増幅器、およびソースフォロワ構成に基づく増幅器を含む。しかしながら、本明細書に説明されている技法はいかなる特定の増幅器構成にも限定されない。
【０１２７】
読出回路構成１１０が読出増幅器を含む場合、読出増幅器は、電荷貯蔵ビン（たとえば、ｂｉｎ０、ｂｉｎ１、ｂｉｎ２またはｂｉｎ３）に蓄積された電荷を入力として取り込むことができ、電荷貯蔵ビン内の電荷を表す電圧を出力として生成することができる。
【０１２８】
ソースフォロワ構成に基づく読出回路構成１１０の一例が図４に示されている。図４に示された読出回路構成１１０の例は、４つのトランジスタ：ｒｔ、ｓｆ、ｒｓ、および移送ゲートｔｘ０〜ｔｘ３の１つを有する「４Ｔ」構成である。３つのトランジスタｒｔ、ｓｆ、およびｒｓは各電荷貯蔵ビン間で共有されるので、すべての４つのビンに関する図４に示された例示的な回路構成は「１．７５Ｔ」構成、すなわち（４移送ゲート＋３トランジスタ）／４ビンである。しかしながら、本明細書に説明されている技法は、１．７５Ｔ構成を有する読出回路構成１１０を使用することに限定されず、他の任意の適切なタイプの読出構成が使用されてもよい。
【０１２９】
さらに、ノイズ・リダクション技法を含む任意の適切な読出技法が使用されてもよい。いくつかの実施形態では、読出回路構成１１０は、相関二重サンプリングを使用して電荷キャリア貯蔵ビンを読み出すことができる。相関二重サンプリングは、未定の量のノイズを含むリセット電圧レベルのノードの第１のサンプルが取り出され、同じ未定のノイズを含むノードの信号レベルの第２のサンプルが取り出され得る、技法である。ノイズは、サンプリングされた信号レベルからサンプリングされたリセット・レベルを引くことによって差し引くことができる。
【０１３０】
読出回路構成１１０は、電荷貯蔵ビンの読出を順次または並列に行ってよい。図９Ａには、相関二重サンプリングを使用して図４に示された読出回路構成１１０を用いてビンｂｉｎ０〜ｂｉｎ３を順次読み出すためのタイミング図の例が示されている。図９Ａに示されるように、最初にリセット・トランジスタｒｔがオンにされて、浮遊拡散ノードｆｄがリセット電圧ｃｔに設定され得る。浮遊拡散ノードの電圧がリセットされる期間中に、移送ゲートｔｘ０〜ｔｘ３がオフにされて、それぞれのビンに貯蔵された電荷キャリアが保持される。浮遊拡散ノードｆｄがリセットされた後、トランジスタｒｔをオフにしトランジスタｒｓをオンにして出力電圧ｃｂを生成することによって、リセット電圧がサンプリングされ得る。出力電圧ｃｂによって表されるリセット電圧は、（たとえばコンデンサ上の）アナログ形式または（たとえばＡ／Ｄ変換および記憶による）デジタル形式で記憶され得る。次いで、移送ゲートｔｘ０がオンにされて、電荷がｂｉｎ０から浮遊拡散部ｆｄに対して流れることを可能にすることができる。信号電圧は、トランジスタｒｓをオンにして、ｂｉｎ０に貯蔵された電荷に基づいて出力電圧ｃｂを生成することによって、サンプリングされ得る。出力電圧ｃｂによって表される信号電圧は、（たとえばコンデンサ上の）アナログ形式または（たとえばＡ／Ｄ変換および記憶による）デジタル形式で記憶され得る。
【０１３１】
次いで、トランジスタｒｔがオンにされて、浮遊拡散部ｆｄをリセット電圧ｃｔに設定することができる。浮遊拡散ノードｆｄの電圧がリセットされる期間中に、移送ゲートｔｘ０〜ｔｘ３がオフにされて、それぞれのビンに貯蔵された電荷キャリアが保持される。浮遊拡散ノードｆｄがリセットされた後、トランジスタｒｔをオフにしトランジスタｒｓをオンにして出力電圧ｃｂを生成することによって、リセット電圧がサンプリングされ得る。やはり、出力電圧ｃｂによって表されるリセット電圧は、（たとえばコンデンサ上の）アナログ形式または（たとえばＡ／Ｄ変換および記憶による）デジタル形式で記憶され得る。次いで、移送ゲートｔｘ１がオンにされて、電荷がｂｉｎ１から浮遊拡散部に対して流れることを可能にすることができる。信号電圧は、トランジスタｒｓをオンにして、ｂｉｎ１に貯蔵された電荷に基づいて出力電圧ｃｂを生成することによって、サンプリングされ得る。やはり、出力電圧ｃｂによって表される信号電圧は、（たとえばコンデンサ上の）アナログ形式または（たとえばＡ／Ｄ変換および記憶による）デジタル形式で記憶され得る。
【０１３２】
次いで、ｂｉｎ２およびｂｉｎ３について、リセットを行い、リセット電圧をサンプリングし、電荷をビンから浮遊拡散ノードｆｄに対して移送し、信号をサンプリングすることによって同じプロセスが行われ得る。したがって、図９Ａに示される読出シーケンスでは、４つのビンに関するリセット値および信号値を表す８つのサンプルが取得され得る。各ビンの記憶されたリセット値が、記憶された信号値から差し引かれることで、各ビンに貯蔵された電荷を示す結果を得ることができ、したがって相関二重サンプリング・プロセスが完了する。
【０１３３】
任意選択で、上述されたように、ビンのサンプリングされたリセット電圧レベルが第１のコンデンサに記憶されてよく、そのビンのサンプリングされた信号は第２のコンデンサに記憶されてよい。任意選択で、リセット・レベルおよび信号レベルをコンデンサ上にサンプリングする前に、それらを同じ電圧に設定することによってコンデンサがクリアされ得る。
【０１３４】
図９Ｂは、いくつかの実施形態による、各信号値のリセット値を測定することを必要としない相関二重サンプリングを行うための読出シーケンスを示す。図９Ｂの例では、ピクセルのすべてのビンについて単一のリセット値が測定される。第１のビンについて信号を得るために、上述されたように、リセット値が測定信号値から差し引かれてよい。この時点で浮遊拡散部をリセットする代わりに、電荷が第２のビンから浮遊拡散部に対して移送されてよく、それにより第１および第２のビンについて電荷を集約できる。第２のビンに関する信号は、第１のビンおよび第２のビンに関する集約された信号から第１のビンに関する信号を差し引くことによって取得され得る。第１のビンに関する信号と第１のビンおよび第２のビンに関する集約された信号との両方が同じリセット・ノイズを含むので、結果としてリセット・ノイズが差し引かれる。プロセスは、残りのビンについて続行することができ、前のビンに関する集約された信号が、次のビンに関する集約された信号から差し引かれる。このようにしてビンの貯蔵電荷を集約することにより、各ビンが個別に読み出される場合よりも大きな信号を読み取ることができ、また、各ビンが個別に読み出される場合よりもサンプリングされた信号がノイズ・フロア上で高いので、ノイズを低減することができる。４つの時間ビンを有する例では、５つのサンプル、すなわち、１つのリセット値、および電荷貯蔵ビンに貯蔵された累積電荷を表す４つのサンプルが取得され得る。このプロセスは、図９Ｂを参照してより詳細に説明される。
【０１３５】
図９Ｂに示されるように、最初にリセット・トランジスタｒｔがオンにされて、浮遊拡散ノードｆｄがリセット電圧ｃｔに設定され得る。浮遊拡散ノードの電圧がリセットされる期間中に、移送ゲートｔｘ０〜ｔｘ３がオフにされて、それぞれのビンに貯蔵された電荷キャリアが保持される。浮遊拡散ノードｆｄがリセットされた後、トランジスタｒｔをオフにしトランジスタｒｓをオンにして出力電圧ｃｂを生成することによって、リセット電圧がサンプリングされ得る。出力電圧ｃｂによって表されるリセット電圧は、（たとえばコンデンサ上の）アナログ形式または（たとえばＡ／Ｄ変換および記憶による）デジタル形式で記憶され得る。次いで、移送ゲートｔｘ０がオンにされて、電荷がｂｉｎ０から浮遊拡散部に対して流れることを可能にすることができる。ｂｉｎ０についての信号電圧は、トランジスタｒｓをオンにして、ｂｉｎ０に貯蔵された電荷に基づいて出力電圧ｃｂを生成することによって、サンプリングされ得る。
【０１３６】
次いで、移送ゲートｔｘ１がオンにされて、ｂｉｎ１からの電荷を浮遊拡散部に対して流すことを可能にすることができる。ｂｉｎ１＋ｂｉｎ０についての信号電圧は、トランジスタｒｓをオンにして、ｂｉｎ１に貯蔵された電荷およびｂｉｎ０に貯蔵された電荷に基づいて出力電圧ｃｂを生成することによって、サンプリングされ得る。ｂｉｎ０についての出力信号電圧は、ｂｉｎ０＋ｂｉｎ１についての出力信号電圧から差し引かれて、ｂｉｎ１に貯蔵された電荷を示す信号を生成することができる。
【０１３７】
次いで、ｂｉｎ２およびｂｉｎ３について、ｂｉｎ  ｎ＋１についての測定信号レベルからｂｉｎ  ｎについての測定信号レベルを差し引くことによって、同様のプロセスが行われ得る。したがって、そのような技法を使用して、取得される必要があり得るサンプルの数が減少され得る。
【０１３８】
以下の式は、単一の測定されたリセット値のみを使用して、各ビンについて（相関二重サンプリングを使用して）「補正された（ｃｏｒｒｅｃｔｅｄ）」信号をどのように計算するかを示す。
【０１３９】
補正された信号ｂｉｎ０＝測定された信号ｂｉｎ０−リセット・レベル
補正された信号ｂｉｎ１＝測定された信号（ｂｉｎ０＋ｂｉｎ１）−測定された信号ｂｉｎ０
補正された信号ｂｉｎ２＝測定された信号（ｂｉｎ０＋ｂｉｎ１＋ｂｉｎ２）−測定された信号（ｂｉｎ０＋ｂｉｎ１）
補正された信号ｂｉｎ３＝測定された信号（ｂｉｎ０＋ｂｉｎ１＋ｂｉｎ２＋ｂｉｎ３）−測定された信号（ｂｉｎ０＋ｂｉｎ１＋ｂｉｎ２）
いくつかの実施形態では、ピクセルからの読出のオーバーサンプリングが行われてよい。オーバーサンプリングは、同じ信号をピクセルから複数回読み取ることを含む。ピクセルから信号が読み取られるたびに、ノイズにより、読み取られる信号にわずかな変動があり得る。信号の読出のオーバーサンプリングとサンプルの平均化により、測定におけるノイズ（たとえばホワイト・ノイズ）を低減することができる。いくつかの実施形態では、ピクセルからの単一の公称信号値（たとえば、単一のリセット・レベルまたは信号レベル）を読み取るために、複数のサンプル（たとえば、４〜８個のサンプル）が取られてよい。いくつかの実施形態では、信号のサンプルのそれぞれが、読出信号の変化を通して読み出され、デジタル値（たとえばデジタル・ワード）に変換され得る。次いで、サンプルの平均が計算され、その平均がピクセルからの測定された信号として使用され得る。たとえば、８倍でオーバーサンプリングが使用される場合、各リセットおよび信号値について、８つのサンプルが取られてよく、４つの時間ビンおよび４つのリセット・レベルを測定する場合は合計６４個のサンプル、または１つのリセット・レベルおよび４つの集約された信号レベルを測定する場合は合計４０個のサンプルが取られてよい。
【０１４０】
ピクセル・アレイ読出回路構成
並列読出、順次読出、および並列読出と順次読出の組合せの読出
上述されたように、ピクセル・アレイは、行および列に配置された複数のピクセルを含むことができる。いくつかの実施形態では、行ごとに読出が行われてよい。いくつかの実施形態では、ピクセル・アレイの行が選択されてよく、読出プロセスがピクセルの選択された行に対して行われてよい。ピクセルの列に対する読出回路構成は、列内のピクセルに共通であって、異なる行が選択されたときに列内のそれぞれのピクセルについて読出が読出回路によって行われるようにされてもよい。選択された行の読出は、並列（「列並列（ｃｏｌｕｍｎ  ｐａｒａｌｌｅｌ）」と称される）、順次、または並列と順次の組合せ（「半列並列（ｓｅｍｉ−ｃｏｌｕｍｎ  ｐａｒａｌｌｅｌ）」と称される）で行われてもよい。
【０１４１】
平行な列内の選択された行のピクセルの読出を行うために、図１０Ａに示されるように、選択された行内の各列のピクセルが同時に読み出され得るように、各列について個別の読出回路構成が提供され得る。図１０Ａは、複数の列Ｃ１からＣｎおよび複数の行を有するピクセルのアレイであって、選択された行Ｒｉが例として示されているアレイを示す。図１０Ａの実施形態では、ピクセルの各列が、関連付けられた読出回路９０５を有する。ピクセルの各列が関連付けられた読出回路９０５を有するので、行Ｒｉ内の各ピクセルからの信号が同時に読み出され得る。
【０１４２】
選択された行のピクセルの読出を順次行うために、個別の読出回路構成が列ごとに提供される必要はない。たとえば、いくつかの実施形態では、共通の読出回路が提供され、選択された行の各ピクセルが順次読み出されてよい。図１０Ｂは、複数の列に対して共通の読出回路９０５が提供され得る実施形態を示す。共通読出回路は、適切な制御回路構成の制御下でスイッチ・ネットワーク９０６によって列に対して選択的に連結され得る。たとえば、いくつかの実施形態では、スイッチ・ネットワーク９０６は、読出回路９０５に対してピクセルの個々の列を順次連結することができる。
【０１４３】
ピクセルの読出を半列並列に行うために、図１０Ｃに示されるように、列の数よりも少ない複数の読出回路９０５が提供されてよい。そのような半列並列アーキテクチャでは、各読出回路９０５は列のサブセットによって共有され得る。各読出回路９０５は、アレイにおける列のサブセットを順次読み出すことができる。図１０Ｃに示されるように、読出回路９０５Ａは、そのそれぞれの列に対してスイッチ・ネットワーク９０６Ａによって選択的に連結され得る。読出回路９０５Ｂは、そのそれぞれの列に対してスイッチ・ネットワーク９０６Ｂによって選択的に連結され得る。
【０１４４】
いくつかの実施形態では、読出回路９０５は、ピクセルからの信号を増幅するための１つまたは複数の増幅器と、増幅された信号をデジタル値に変換するためのアナログ−デジタル・コンバータとを含むことができる。様々な実施形態による読出回路９０５の構成の例が以下に説明される。
【０１４５】
サンプル・ホールド回路
いくつかの実施形態では、列に対する読出回路は、１つまたは複数のサンプル・ホールド回路を含むことができる。図１０Ｄは、サンプル・ホールド回路構成９０７と増幅回路構成９０１とアナログ−デジタル（Ａ／Ｄ）コンバータ９０２とを含む、列読出回路構成９０５Ｃを示す回路図を示す。サンプル・ホールド回路９０７は、ピクセル（たとえばノードｃｂ）からの出力電圧を容量素子（たとえばコンデンサ）上にサンプリングし、コンデンサ上の電圧をそれが増幅器によって読み出されている間に保持することができる。上述されたように、ピクセルからの出力電圧は、１つまたは複数の時間間隔中に捕獲された電荷キャリアの数を表すことができる。
【０１４６】
サンプル・ホールド回路は、「サンプル」段階および「ホールド」段階と称される複数の段階で動作することができる。「サンプル」段階では、ピクセルからの電圧値が容量素子上にサンプリングされ得る。このように読み出された電圧は容量素子に記憶される。「サンプル」段階に続いて「ホールド」段階でコンデンサの電圧が読み取られる。「ホールド」段階中に、コンデンサの電圧は容量素子から読み出され、１つまたは複数の増幅器によって処理され、次いでアナログ／デジタル（Ａ／Ｄ）コンバータによってデジタル形式に変換され得る。図１０Ｄに示されるように、サンプル段階（φ１）中に、スイッチｓｉがオンにされ（導通状態に設定され）、スイッチｓ２がオフにされ（非導通状態に設定され）、それにより、ピクセルの読出端子ｃｂからの電圧を、容量素子、たとえばコンデンサＣ１上にサンプリングする。ホールド段階（φ２）がサンプル段階の後に続く。ホールド段階中、スイッチｓｉがオフにされ、スイッチｓ２がオンにされ、それにより、コンデンサＣ１を増幅器回路構成９０１に対して連結する。スイッチＳ１をオフにすることによって、増幅器回路構成９０１が高い入力インピーダンスを有し得るので、電圧が読み取られている間にコンデンサの電圧が実質的に一定に保持され得る。増幅器回路構成９０１からの増幅された信号は、増幅された電圧をデジタル値に変換するためにＡ／Ｄコンバータ９０２に対して提供され得る。
【０１４７】
いくつかの実施形態では、使用される回路（たとえば、増幅器、アナログ−デジタル・コンバータ）の数を減少させるまたは最小限にすることによって、電力消費および／またはコストが低減され得る。いくつかの実施形態では、読出チェーン内の回路の数を減少させるまたは最小限にするために、読出チェーンの１つまたは複数の回路がピクセル・アレイの複数の列によって共有されてよい。
【０１４８】
読出回路構成要素の多重化
いくつかの実施形態では、読出回路構成の１つまたは複数の構成要素が、ピクセル・アレイの２つ以上の列によって共有され得る。たとえば、図１０Ｅに示されるように、増幅回路構成９０１、Ａ／Ｄコンバータ９０２、または両方のすべてまたは一部が、ピクセル・アレイの２つ以上の列によって共有され得る。図１０Ｅは、増幅回路構成９０１とＡ／Ｄコンバータ９０２の両方がピクセル・アレイの２つの列によって共有される、読出回路構成９０５Ｄの実施形態を示す。図１０Ｅの実施形態では、各列線がそれぞれのピクセル・ノードｃｂ１およびｃｂ２に対して連結される。各列線はそれぞれのサンプル・ホールド回路９０７Ａ、９０７Ｂに対して連結される。増幅回路構成９０１およびＡ／Ｄコンバータ９０２は、両方の列によって共有され得る。増幅器回路構成９０１に対する入力は、サンプル・ホールド回路９０７Ａおよび９０７Ｂ間で多重化され、それらの出力は異なる時間に（たとえば順次）増幅器回路構成９０１に接続される。増幅回路構成９０１および／またはＡ／Ｄコンバータ９０２のような共有読出回路構成要素を使用することにより、読出回路構成における構成要素の数を減少でき、それにより、読出回路構成のコストおよび／または電力消費を低減することができる。
【０１４９】
いくつかの実施形態では、増幅器回路構成９０１を共有する列についてのサンプル段階およびホールド段階は交互にされ、列がサンプリング段階にあって増幅器回路構成９０１に対して連結されていないとき、他の列がホールド段階にあり、そのサンプル・ホールド回路が増幅器回路構成９０１に対して連結されて、以前にサンプリングされた電圧を増幅するようになる。図１０Ｆの実施形態では、サンプル段階と読み取り段階が２つの列間で交互にされ、上の列は、段階１中にサンプル段階にあり、段階２中にホールド段階にあり、下の列は、段階２中にダンプル段階にあり、段階１中にホールド段階にある。段階１（φ１）中に、スイッチｓ１をオンにすることによってノードｃｂ１からの信号がコンデンサＣ１上にサンプリングされ、スイッチｓ２はオフにされ、スイッチｓ３はオフにされ、コンデンサＣ２は、オンにされるスイッチｓ４を介して増幅器９０１に対して連結される。段階２（φ２）中に、スイッチｓ３をオンにすることによってノードｃｂ２からの信号がコンデンサＣ２上にサンプリングされ、スイッチｓ４はオフにされ、スイッチｓ１はオフにされ、コンデンサＣ１は、オンにされるスイッチｓ２を介して増幅器９０１に対して連結される。増幅器回路構成９０１を複数の列によって共有することにより、それが列のサンプリング段階中にアイドル状態である必要がないので、増幅器回路構成９０１のダウンタイムを減少させることができる。
【０１５０】
いくつかの実施形態では、ピクセル・アレイの３つ以上の列が読出回路構成９０１および／またはＡ／Ｄコンバータ９０２を共有することができる。図１０Ｆは、ピクセル・アレイのｎ列が読出回路構成９０１および／またはＡ／Ｄコンバータ９０２を共有する実施形態を示す。コンデンサＣ１〜Ｃｎは、それらの電圧値を読み出すために読出回路構成９０１に対して順次連結され得る。コンデンサＣ１〜Ｃｎは、任意の適切な順序で読出回路構成９０１に連結され得る。各列に対するそれぞれのサンプル・ホールド回路のサンプリング段階は、サンプル・ホールド回路が増幅回路構成９０１によって読み出されていない期間中に発生するようにタイミングを取られてよい。いくつかの実施形態では、上述されたように、サンプリング段階は、増幅器回路構成９０１がアイドル状態に留まる時間の量を制限するために、増幅回路構成９０１が異なる行を読み出す時間間隔中に発生するようにタイミングを取られてよい。たとえば、上述されたように、ノードｃｂ１からの電圧は、段階１中にコンデンサＣ１上にサンプリングされ得る。段階２中に、コンデンサＣ１の電圧が増幅器回路構成９０１によって読み出され、ノードｃｂ２からの電圧がコンデンサＣ２上にサンプリングされ得る。段階３中に、コンデンサＣ２の電圧が増幅器回路構成９０１によって読み出され、ノードｃｂ３からの電圧がコンデンサＣ３上にサンプリングされ得る。次いで、プロセスは、再び段階１から開始することができ、これは、最後の列（行ｎ）が増幅回路構成９０１によって読み出されている間、または最後の列が増幅回路構成９０１によって読み出された後に開始する。任意の適切な数の列、たとえば、２、４、８、１６、３２、６４、１２８など、または（２のべき乗である必要が無い）他の任意の適切な数の列が、増幅回路構成９０１を共有してよい。
【０１５１】
図１０Ｇは、増幅回路構成９０１を含む読出回路構成の図を示す。図１０Ｇの実施形態では、増幅回路構成９０１は、複数の増幅器９１０および９１１を含む。同じ利得を達成するために単一の増幅器を使用するのでなく複数の増幅器９１０および９１１が使用されると、より少ない電力損失で所望の信号利得が達成され得るので、複数のカスケード接続された増幅器９１０および９１１を使用することによって電力消費を低減することができる。
【０１５２】
図１０Ｈは、それぞれの列のための第１段の増幅器９１０Ａおよび９１０Ｂと２つの列によって共有される第２段の増幅器９１１とを有する増幅回路構成９０１を含む読出回路構成の図を示す。マルチプレクサ９１２は、第１段の増幅器９１０Ａおよび９１０Ｂを第２段の増幅器９１１に対して異なる時間に連結する。いくつかの実施形態では、増幅器９１０Ａ、９１０Ｂおよび９１１は差分増幅器とすることができる。
【０１５３】
図１０Ｉは、第１段の増幅器９１０Ａおよび９１０Ｂ、第２段の増幅器９１１、ならびに第３段の増幅器９１２を含む、読出回路構成の図を示す。上述されたように、所望の利得値を達成するために追加の増幅段を使用すると、所望の利得値を達成するためにより少数の増幅段を使用するのに比べて、電力消費を低減することができる。いくつかの実施形態では、増幅器９１０Ａ、９１０Ｂ、９１１、および９１２は差分増幅器とすることができる。
【０１５４】
いくつかの実施形態では、利得が複数の段階で信号チェーンで適用され得る。いくつかの実施形態では、第１段の増幅器（たとえば９１０Ａ、９１０Ｂ）は２またはそれより大きい利得を有することができ、第２段の増幅器（たとえば９１１）は１〜８またはそれより大きい利得を有することができ、第３段の増幅器（たとえば９１２）は１〜２またはそれより大きい利得を有することができ、３つの段の利得全体は２〜３２またはそれより大きくなる。
【０１５５】
いくつかの実施形態では、増幅器はデジタル・プログラマブル利得を有することができる。１つまたは複数の段の利得は、受け取られる光の特性に応じて変更され得る。たとえば、ピクセルにおいて異なる応答を生成する光励起パルス（たとえばレーザ・パルス）の複数の波長が使用される場合、読出チェーンにおける１つまたは複数の増幅器の利得は、光のどの波長が現在検出されているかに応じて変更され得る。ある波長の結果として、生成される電荷キャリアの数がより少ない場合、低減された信号レベルに対応するように利得が増加され得る。別の波長の結果として、生成される電荷キャリアの数がより多い場合、利得が減少され得る。いくつかの実施形態では、異なる波長に対する読出チェーンの利得が互いに対して正規化されて、異なる波長に対して同じ出力レベルを生成するようにされ得る。
【０１５６】
読出回路構成設計の考慮事項
いくつかの実施形態では、各時間ビンについて捕獲された電荷キャリアの数は比較的小さく、たとえば電荷キャリアが数百程度であり得るので、各ピクセルから検出される信号は比較的小さくなり得る。したがって、いくつかの実施形態では、ピクセルからアナログ−デジタル・コンバータへ続く（かつそれを含む）信号チェーンは、低ノイズ読出回路構成を含むことができる。読出チェーンにおけるノイズを制限する技法および回路については以下で論じられる。
【０１５７】
いくつかの実施形態では、信号の差動処理は、読出チェーンにおけるノイズを低減するまたは最小限にすることができる。信号の差動処理は、読出チェーンに注入され得る同相ノイズを除去することができる。読出回路構成は、差動サンプル・ホールド回路、差動増幅器、および／または差動Ａ／Ｄコンバータなど、１つまたは複数の差動構成要素を含むことができる。いくつかの実施形態では、差動信号処理が読出チェーンにおいて可能な限り早く（たとえば、ピクセル出力に可能な限り近く）使用されることで、同相ノイズを読出チェーンに注入することを回避することができる。いくつかの実施形態では、ピクセル出力からデジタル・ワードへの読出チェーン全体が差動回路構成要素によって実行され得る。しかしながら、本明細書に説明されている技法はこれに関して限定されず、いくつかの実施形態では、１つまたは複数のシングルエンド読出回路構成要素が使用され得る。
【０１５８】
図１０Ｊは、差動サンプル・ホールド回路９０８および差分増幅器９０９を含む２つの列によって共有される読出回路構成を示す。差動サンプル・ホールド回路９０８は、ピクセル・アレイの第１の列のコンデンサＣｉｎ１、およびピクセル・アレイの第２の列のコンデンサＣｉｎ２を含む。差分増幅器９０９は、ピクセル・アレイの第１の列のコンデンサＣｆ１、およびピクセル・アレイの第２の列のコンデンサＣｆ２を含む。
【０１５９】
図１０Ｋは、第１の列がサンプル段階にあり第２の列がホールド段階であるときの差動サンプル・ホールド回路９０８および差分増幅器９０９を示し、コンデンサＣｉｎ２が差動増幅器９０９の入力に連結されている。図１０Ｌは、第２の列がサンプル段階にあり第１の列がホールド段階であるときの差動サンプル・ホールド回路９０８および差分増幅器９０９の図を示し、コンデンサＣｉｎ１が差動増幅器９０９の入力に連結されている。
【０１６０】
図１０Ｍは、差動サンプル・ホールド回路９０８および差動増幅器９０９を含む３つ以上の列によって共有される読出回路構成を示す。図１０Ｍは、差分増幅器９０１が３つ以上の列によって共有されている点で図１０Ｆに類似しており、差動サンプル・ホールド回路９０８および差分増幅器９０９を使用している。
【０１６１】
暗電流サンプリング
当業者には理解されるように、「暗電流」は、光検出器によって光が検出されていないときに光検出器で生成される電流である。暗電流の影響を補正する光検出器の設計により、光検出の品質を改善することができる。
【０１６２】
本明細書に説明されている集積デバイスのいくつかの実施形態では、暗電流をサンプリングするために１つまたは複数の電荷貯蔵ビンが使用され得る。たとえば、電荷貯蔵ビンは、光検出器によって光が受け取られないまたは非常に低いレベルの光が受け取られる期間に到着するキャリアを集約することにより、暗電流をサンプリングすることができる。蛍光寿命測定に関係するようないくつかの実施形態では、タイミングが光放出確率が無視できる値に低下するとそれが生じるようになっている場合、最後のビン（たとえばｂｉｎ３）が暗電流をサンプリングするために使用され得る。暗電流をサンプリングすることによって、他のビン内のサンプルから暗電流を差し引くことを可能にし、それにより暗電流の影響を補正することができる。
【０１６３】
時間ビンの数およびタイミング
任意の適切な数の時間ビンが使用されてよい。図３Ａおよび図３Ｂには、４つの時間ビンを有するピクセルの例が示されている。図８Ｃは、８個のビンが使用されたプロットを示す。しかしながら、任意の適切な数の時間ビンを有するピクセルが、所望の時間分解能および他の因子に基づいて生成されてもよい。ビンの数の増加は、各ピクセルによって占められるエリアを増大させる可能性があり、ピクセルの全体数を減らすことによって、またはより小さい特徴サイズを有する作製プロセスを使用することによって達成され得る。少数のビンを使用することにより、チップに取り付けられるピクセルの数の増加を可能にすることができる。いくつかの実施形態では、特定の期間内に到着する光子の数を決定するために、単一のビンが使用され得る。ビンの数は、キャリア移動／捕獲領域１０６から延びるチップ上に作製された電荷キャリア閉じ込め領域の延長部の数を増加または減少させることによって、少なくとも部分的に増加または減少され得る。ピクセルに含まれるのが望ましいビンの数に基づいて、電極ｂ０〜ｂｍ−１、移送電極などの数が増加または減少され得る。
【０１６４】
時間ビンのタイミングは、任意の適切な方法で選択されてよい。いくつかの実施形態では、タイミングは、図６Ｋに示されるように、時間ビンの開始時間および終了時間を設定することによって選択され得る。たとえば、ｂｉｎ０のタイミングは、ｔ１とｔ２が発生する時間を選択することによって設定されてよく、残りのビンのタイミングも同様に設定されてよい。
【０１６５】
いくつかの実施形態では、時間ビンのタイミングは、各測定期間においてタイミングが同じになるように固定され得る。タイミングは、グローバル・タイミング信号に基づいて設定され得る。たとえば、タイミング信号は、測定期間の開始を確立することができ、時間ビンは、タイミング信号から経過した所定の量の時間に基づいて開始および終了するように制御され得る。蛍光寿命測定コンテキストでは、時間ビンのタイミングは、検出されると予想される蛍光寿命の可能な範囲に基づいて、励起パルスのタイミングに関して設定され得る。飛行時間型イメージングのコンテキストでは、時間ビンのタイミングは、イメージングの行われるシーンの予想される距離範囲に基づいて設定され得る。しかしながら、いくつかの実施形態では、時間ビンのタイミングは、可変またはプログラム可能であり得る。
【０１６６】
いくつかの実施形態では、時間ビンのタイミングは、測定７２０の測定期間を開始するトリガ・イベント７０２のタイミングに基づいて設定され得る。蛍光寿命測定のコンテキストでは、時間ビンのタイミングは、フルオロフォアを励起する励起パルスのタイミングを検出することに応答して設定され得る。たとえば、光励起パルスがピクセル１００に到達すると、キャリアのサージが光子吸収／キャリア発生領域１０２からドレイン１０４に対して移動し得る。励起パルスに応答するドレイン１０４における光生成キャリアの蓄積が、ドレイン１０４の電圧の変化を引き起こし得る。したがって、いくつかの実施形態では、励起パルスは、ドレイン１０４の電圧を検出することによって検出され得る。たとえば、コンパレータは、ドレイン１０４の電圧を閾値と比較することができ、ドレイン１０４の電圧が閾値を超えたときにパルスを生成することができる。パルスのタイミングはトリガ・イベント７０２のタイミングを示すことができ、このタイミングに基づいて時間ビンのタイミング（たとえば、ｔ１、ｔ２など）が設定され得る。しかしながら、本明細書に説明されている技法はこれに関して限定されず、任意の適切な技法が測定７２０の開始を検出するために使用されてよい。
【０１６７】
いくつかの実施形態では、集積デバイスは、時間ビンのタイミングを変更可能なようにプログラム可能であり得る。いくつかの実施形態では、時間ビンのタイミングは、実行される測定の特定のセットについてプログラムされ得る。たとえば、集積デバイスが、第１の範囲内の寿命を有する第１のセットのマーカを使用する第１のタイプの試験のために使用される場合、時間ビンは、その範囲内のマーカの寿命を弁別するために適切な値にプログラムされ得る。しかしながら、異なる寿命を有する異なるマーカを使用する別のタイプのテストのために集積デバイスが使用される場合、時間ビンは、第２のタイプの試験で使用されるマーカに適した異なる時間間隔に対応するように時間ビンをプログラミングすることによって変更され得る。
【０１６８】
いくつかの実施形態では、時間ビンのタイミングは、測定のセットの結果に基づいて測定間で適応的に制御され得る。たとえば、図１１に示されるように、第１のセットの測定（測定セットＡ）は、比較的長い時間間隔にわたる第１のセットの時間ビンを使用して行われてよい。各ビンに到着した光子の量は、得られた時間情報を改善または最適化するために時間ビンに対して選択されたタイミングが変更されるべきかどうかを決定するために分析され得る。いくつかの実施形態では、より狭い対象となる時間間隔を決定するために、各ビンに到着する光子の量が分析され得る。たとえば、図１１の測定セットＡに示されるように時間ビンを有する測定のセットを行った後に、ｂｉｎ２に対応する期間にかなりの数の光子が到着したが、他のビンに対応する期間に光子が到達しなかったことが決定され得る。次いで、測定セットＡのｂｉｎ２に対応するより狭い期間に焦点を合わせた第２のセットの測定（測定セットＢ）に対して、第２のセットの時間ビンが選択され得る。図１１に示されるように、測定セットＢは、測定セットＡのｂｉｎ２に対応する期間内に４つの時間ビンを有する。測定セットＢに従って時間ビンを用いて測定を行うことにより、光子の到着のタイミングに関するさらなる詳細が獲得され得る。たとえば、図１１に示されるように、入射光子の到着のタイミングに関するより高い時間分解能が、選択された時間間隔内に獲得され得る。そのような適応性の時間ビン決定プロセスは、そうでなければ多数のビン（たとえば１６個のビン）を必要とし得るレベルの時間分解能を比較的少数のビン（たとえば４個のビン）を使用して獲得することを可能にすることができる。
【０１６９】
いくつかの実施形態では、時間ビンのタイミングは、アレイのすべてのピクセルで同じであってよい。いくつかの実施形態では、異なるピクセルが異なる時間ビン内にキャリアを捕獲するように、タイミングは、異なるピクセルにおいて異なってよい。たとえば、第１のセットのピクセルは、第１のセットの時間ビンにおいてキャリアを捕獲することができ、第２のセットのピクセルは、第１のセットの時間ビンと少なくとも部分的に異なる第２のセットの時間ビンにおいてキャリアを捕獲することができる。たとえば、ピクセルのある行は、それらの時間ビンについて時間タイミングを有することができ、ピクセルの別の行は、それらの時間ビンについて異なるタイミングを有することができる。いくつかの実施形態では、ピクセルの行の第１のセット（たとえば、４つの行）は、それらの時間ビンについて同じ時間タイミングを有することができ、ピクセルの行の別のセット（たとえば、別の４つの行）は、それらの時間ビンについて別のタイミングを有することができる。ピクセルは、個別におよび／またはグループとして設定および／またはプログラムされてよい。
【０１７０】
サブピクセルを有するピクセル
波長の弁別
いくつかの実施形態では、ピクセル・アレイのピクセルは、異なるタイプの測定をそれぞれ行うことが可能な複数のサブピクセルを含むことができる。任意の数のサブピクセルがピクセルに含まれ得る。
【０１７１】
図１２は、４つのサブピクセル１００Ａを含むピクセル１１００の例を示す。いくつかの実施形態では、ピクセル１１００内の各サブピクセル１００Ａは、異なる波長の光を受け取るように構成され得る。たとえば、異なる波長の光子がサブピクセル１００Ａへ透過されることを可能にするフィルタが、サブピクセル１００Ａ上に形成されてよい。たとえば、第１の波長は第１のサブピクセル１００Ａへ透過され、第２の波長は第２のサブピクセル１００Ａへ透過され、第３の波長は第３のサブピクセル１００Ａへ透過され、第４の波長は第４のサブピクセル１００Ａへ透過され得る。異なる波長の光を受け取るように構成されたサブピクセルを有するピクセル１１００は、入射光の時間的弁別とスペクトル弁別の両方を可能にすることができる。蛍光寿命測定のコンテキストでは、時間的弁別とスペクトル弁別の両方の能力を提供することにより、異なる寿命を有するマーカ、異なるスペクトル特性を有するマーカ、または異なる寿命と異なるスペクトル特性の両方を有するマーカを弁別することを可能にすることができる。
【０１７２】
時間的弁別
いくつかの実施形態では、異なるサブピクセル１００Ａは、異なる時間間隔の時間ビンをサンプリングするように制御され得る。たとえば、第１のサブピクセル１００Ａは第１のセットの時間ビンをサンプリングするように構成され、第２のサブピクセルは第２のセットの時間ビンをサンプリングするように構成されてよい。異なるサブピクセル１００Ａにおける同様の構造が、電荷キャリア分離構造のタイミングを異なるサブピクセルにおいて異なるように制御することによって、異なる時間間隔の時間ビンをサンプリングすることができる。
【０１７３】
ピクセル・アレイ／チップ・アーキテクチャ
図１３は、いくつかの実施形態によるチップ・アーキテクチャの図を示す。図１３に示されるように、集積回路またはチップ１３００は、複数のピクセル１００を含むピクセル・アレイ１３０２と、タイミング回路１３０６を含む制御回路１３０４と、電圧／電流バイアス発生回路１３０５と、インターフェース１３０８とを含むことができる。
【０１７４】
ピクセル・アレイ１３０２は、たとえば矩形パターンなど任意の適切なパターンで配置されたピクセル・アレイ１０１を含む。ピクセル・アレイ１３０２は、任意の適切な数のピクセルを有することができる。いくつかの実施形態では、ピクセル・アレイは、それぞれが４つのサブピクセル１０１Ａを含む４０９６個のピクセル１０１の６４×６４アレイを有することができる。しかしながら、本明細書に説明されている技法は、ピクセル・アレイ１３０２に含まれるピクセルおよびサブピクセルの数または配列に関して限定されない。ピクセル・アレイは、ピクセル・アレイ１３０２の行または列を読み出すための行導体および／または列導体を有することができる。ピクセルは、並列、直列、またはこれらの組合せで読み出され得る。たとえば、いくつかの実施形態では、ピクセルの行が並列に読み出されてよく、ピクセル・アレイの各行は順次読み出されてよい。しかしながら、本明細書に説明されている技法はこれに関して限定されず、ピクセルは任意の適切な方法で読み出されてよい。
【０１７５】
ピクセル・アレイ１３０２は制御回路１３０４によって制御され得る。制御回路１３０４は、ピクセル・アレイ１３０２の動作を含むチップ１３００上の動作を制御するための任意の適切なタイプの制御回路であり得る。いくつかの実施形態では、制御回路１３０４は、ピクセル・アレイ１３０２の動作およびチップ１３００上の他の任意の動作を制御するようにプログラムされたマイクロプロセッサを含むことができる。制御回路は、そのような動作をマイクロプロセッサに行わせるためのコンピュータ可読命令（たとえばコード）を記憶するコンピュータ可読媒体（たとえばメモリ）を含むことができる。たとえば、制御回路１３０４は、各ピクセルにおける電荷キャリア分離構造の電極に印加される電圧を生成するのを制御することができる。制御回路１３０４は、上述されたように、キャリアを捕獲し、キャリアを移送し、またピクセルおよびアレイの読出を行うように、１つまたは複数の電極の電圧を変化させることができる。制御回路は、記憶されたタイミング方式に基づいて電荷キャリア分離構造の動作のタイミングを設定することができる。記憶されたタイミング方式は、上述されたように、固定式、プログラム可能、および／または適応性であり得る。
【０１７６】
制御回路１３０４は、ピクセルの電荷キャリア分離構造の動作またはチップの他の動作のタイミングを取るためのタイミング回路１３０６を含むことができる。いくつかの実施形態では、タイミング回路１３０６は、電荷キャリアを精密に時間ビニングするために、電荷キャリア分離構造における電圧変化のタイミングを正確に制御するための信号の生成を可能にすることができる。いくつかの実施形態では、タイミング回路１３０６は、電荷キャリア分離構造に対して提供される信号のタイミングを正確に設定するための外部基準クロックおよび／または遅延ロック・ループ（ＤＬＬ）を含むことができる。いくつかの実施形態では、２つのシングルエンド遅延線が使用されてよく、それぞれ段の半数は位相が１８０度ずれて配列される。しかしながら、任意の適切な技法が、チップ上の信号のタイミングを制御するために使用されてよい。
【０１７７】
チップ１３００は、チップ１３００からの信号を送る、チップ１３００で信号を受け取る、またはその両方のためのインターフェース１３０８を含むことができる。インターフェース１３０８は、ピクセル・アレイ１３０２によって検知された信号を読み出すのを可能にすることができる。チップ１３００からの読出は、アナログ・インターフェースおよび／またはデジタル・インターフェースを使用して行われてよい。チップ１３００からの読出がデジタル・インターフェースを使用して行われる場合、チップ１３００は、ピクセル・アレイ１３０２から読み出された信号をデジタル信号に変換するための１つまたは複数のアナログ−デジタル・コンバータを有することができる。いくつかの実施形態では、読出回路は、プログラマブル利得増幅器を含むことができる。１つまたは複数の制御信号が、インターフェース１３０８を介して外部ソースからチップ１３００に対して提供され得る。たとえば、そのような制御信号は、行われる測定のタイプを制御することができ、これは、時間ビンのタイミングを設定することを含んでよい。
【０１７８】
ピクセル・アレイ１３０２から読み出された信号の分析は、オンチップまたはオフチップの回路構成によって行われてよい。たとえば、蛍光寿命測定のコンテキストでは、光子到着のタイミングの分析は、フルオロフォアの蛍光寿命を近似することを含むことができる。任意の適切なタイプの分析が行われてよい。ピクセル・アレイ１３０２から読み出された信号の分析がオンチップで行われる場合、チップ１３００は、分析を行うための任意の適切な処理回路構成を有してよい。たとえば、チップ１３００は、制御回路１３０４の一部またはそれとは別個の、分析を行うためのマイクロプロセッサを有することができる。分析がオンチップで行われる場合、いくつかの実施形態では、分析の結果は、インターフェース１３０８を介して外部デバイスに送られてよく、または別様にオフチップに提供されてもよい。いくつかの実施形態では、分析のすべてまたは一部がオフチップで行われてよい。分析がオフチップで行われる場合、ピクセル・アレイ１３０２から読み出された信号および／またはチップ１３００によって行われた任意の分析の結果は、インターフェース１３０８を介して外部デバイスに提供され得る。
【０１７９】
いくつかの実施形態では、チップ１３００は、以下のうちの１つまたは複数を含むことができる。
１）オンチップのデジタル制御されるピクセル・バイアス発生器（ＤＡＣ）
２）シングルエンドのピクセル出力電圧信号を差動信号に変換し利得を信号に適用する、オンチップのデジタル・プログラマブル利得増幅器
３）出力レートで電力損失をスケーリングすることを可能にする、デジタル制御される増幅バイアス発生器（ａｍｐｌｉｆｉｅｒ  ｂｉａｓ  ｇｅｎｅｒａｔｏｒｓ）。
【０１８０】
図１４Ａは、いくつかの実施形態による、クワッド・ピクセルの６４×６４アレイを有するチップ１３００の例である、チップ１３００Ａの実施形態の図を示す。図１４Ａの実施形態では、ピクセル出力信号の半分がチップの上側を介して提供され、ピクセル出力信号の残りの半分はチップの下側を介して提供される。電荷キャリア分離構造の電極の電圧を設定するためのバイアス回路が含まれる。
【０１８１】
図１４Ｂは、いくつかの実施形態による、各アレイがクワッド・ピクセルの２５６×６４オクタル・ピクセル・アレイを有する２×２アレイを含むチップ１３００の例である、チップ１３００Ｂの実施形態の図を示す。バンドギャップおよびバイアス回路が含まれる。ピクセル・アレイの電極の高電圧および低電圧を設定するために、Ｖｈｉｇｈ  ＤＡＣおよびＶｌｏｗ  ＤＡＣを含むデジタル−アナログ変換（ＤＡＣ）が含まれる。図１４Ｂはまた、光モニタリング・センサ１３２０を示す。各光モニタリング・センサは、フォトダイオードなどの光検出器を含むことができる。いくつかの実施形態では、各光モニタリング・センサは、チップ１３００Ｂを光源に位置合わせするための光検出器（たとえばフォトダイオード）のクワッド・アレイを含むことができる。チップ１３００Ｂが分子の検出のために構成された実施形態では、光モニタリング・センサは、分子が配置された１つまたは複数の位置から光を受け取る導波路とチップ１３００Ｂとの位置合わせを可能にすることができる。また、ダイオード読出回路およびダイオード選択レジスタが図１４Ｂに示されている。
【０１８２】
アレイ・サイズ、寸法、ビンの数、および特徴サイズの例は、単に例示として上述され図示されており、任意の適切なアレイ・サイズ、寸法、ビンの数、および特徴サイズが使用されてよい。
【０１８３】
例示的な集積回路の実現および集積光検出器の形成方法
いくつかの実施形態では、チップ１３００は、標準的なＣＭＯＳ（相補型金属酸化膜半導体）プロセスを使用してシリコン基板に形成され得る。しかしながら、本明細書に説明されている技法はこれに関して限定されず、任意の適切な基板または製造プロセスが使用されてよい。
【０１８４】
図１５〜図２２は、いくつかの実施形態によるチップ１３００を形成するプロセスを示す。
図１５Ａは、半導体基板に形成され得る電荷閉じ込め領域１０３の斜視図を示す。図１５Ｂは、図１５Ａに対応する平面図を示す。いくつかの実施形態では、電荷閉じ込め領域１０３は、バルク半導体基板１５００内に形成され得る。しかしながら、本明細書に説明されている技法はバルク半導体基板の使用に限定されず、任意の適切なタイプの半導体基板が使用されてよい。いくつかの実施形態では、基板１５００および電荷閉じ込め領域１０３は、単結晶シリコンで形成され得る。しかしながら、本明細書に説明されている技法はこれに関して限定されず、任意の適切なタイプの半導体材料が使用されてよい。いくつかの実施形態では、シリコン基板の使用により、費用対効果の高い業界標準のＣＭＯＳプロセスの使用を可能にすることができる。しかしながら、任意の適切な製造プロセスが使用されてよい。いくつかの実施形態では、ｐ型ドーピング型を有するバルク・シリコン基板が使用されてよい。しかしながら、ｎ型ドーピングまたはｐ型ドーピングを含む任意の適切なドーピング型が使用されてよい。
【０１８５】
図１５Ａに示されるように、電荷閉じ込め領域１０３は基板１５００の隆起部分であり得る。電荷閉じ込め領域１０３は、図１５Ａおよび図１５Ｂに示されるパターンで基板１５００の領域をエッチング除去するし、それによって基板上に延びる隆起した電荷閉じ込め領域１０３を残すことによって形成され得る。次いで、電荷閉じ込め領域１０３の上および側部に絶縁層が形成され得る。たとえば、いくつかの実施形態では、酸化シリコンの絶縁層が、熱成長によって電荷閉じ込め領域１０３上に形成され得る。しかしながら、任意の適切な技法が絶縁層を形成するために使用されてよく、絶縁層は任意の適切な絶縁材料を含むことができる。
【０１８６】
図１６に示されるように、パターニングされたポリシリコン層１６０１を形成することによって、図３Ｂに示されたような電極が絶縁層上に形成され得る。電極は、異なる電極が異なる電圧になることが可能なように互いに離間され得る。電極は、任意の適切な導電性材料で形成されてよい。いくつかの実施形態では、電極は、ドーピングされたポリシリコンで形成され得る。しかしながら、本明細書に説明されている技法は、ポリシリコンの電極を形成することに限定されず、任意の適切な導電性材料（たとえば金属）が電極を形成するために使用されてよい。パターニングされたポリシリコン層１６０１の上に位置する絶縁層（図示せず）を介してポリシリコン層１６０１と接触するように、導電性ビア１７０１が、パターニングされたポリシリコン層１６０１上に形成され得る。導電性ビア１７０１は任意の適切な導体で形成されてよい。
【０１８７】
いくつかの実施形態では、（たとえば、ポリシリコン層１６０１の）１つまたは複数の電極は、ｐ型ドーパントとｎ型ドーパントの両方を有する分割ドーピングされた電極であってよい。分割ドーピングされた電極は、図１７に示されるように、キャリアを捕獲するポテンシャル井戸の形成を可能にすることができる。図１７は、Ｐ＋領域およびｎ＋領域を有する分割ドーピングされた電極２３０２を示す。ｎ＋領域およびｐ＋領域は、下の半導体において異なる電位レベルを生成する。図１７に示されるように、分割ドーピングされた電極２３０２のｎ＋領域は、電荷キャリア（たとえば電子）を閉じ込めることが可能なｎ＋領域の下にポテンシャル井戸を生成することができる。図１７は、分割ドーピングされた電極２３０２の電圧を高く保持することにより、電荷キャリア（たとえば電子）をポテンシャル井戸２３０４に閉じ込めることが可能な破線で示されるような電位勾配を生成できることを示す。分割ドーピングされた電極２３０２の電圧を低下させることにより、分割ドーピングされた電極２３０２の下の電位を上昇させて、たとえば、ポテンシャル井戸２３０４内にトラップされた電荷を電荷貯蔵ビンに移送することを可能にすることができる。
【０１８８】
ドーパントが半導体材料内に形成されて、読出回路構成１１０のトランジスタを形成することを可能にすることができる。いくつかの実施形態では、電荷閉じ込め領域１０３のドーピングが電荷閉じ込め領域１０３に望ましくないポテンシャル井戸を形成することがあるため、読出回路構成１１０のトランジスタの形成中に電荷閉じ込め領域１０３のドーピングを防止するために、電荷閉じ込め領域１０３上にマスクが配置され得る。
【０１８９】
図１８は、ビア１７０１に連結するためのパターニングされたポリシリコン層１６０１上の金属層１８０１（たとえば金属１）の形成を示す。図１９は、ポリシリコン層１６０１および電荷閉じ込め領域１０３上に重ねられた金属層１８０１を示す。
【０１９０】
図２０は、金属層１８０１に接触するビア１９０１の形成を示す。導電性ビア１９０１は、金属層１８０１の上に位置する絶縁層（図示せず）を介して金属層１８０１と接触するように金属層１８０１上に形成され得る。図２０はまた、金属層１８０１およびビア１９０１上への第２の金属層２００１（たとえば金属２）の形成を示す。
【０１９１】
図２１は、第２の金属層２００１、ならびに、金属層２００１の上に位置する絶縁層（図示せず）を介して金属層２００１と接触するように金属層２００１上にビア２１０１を形成することを示す。
【０１９２】
図２２は、ビア２１０１と接触するように金属層２００１およびビア２１０１上に第３の金属層２２０１（たとえば金属３）を形成することを示す。
上記のプロセスは例示として説明されているが、ここに説明されている技法はいかなる特定の製造プロセスにも限定されない。さらに、本明細書に説明されている技法は、図示されている特定の配置に関して限定されない。
【０１９３】
電荷キャリア分離構造の駆動回路構成
基板の上に位置する電荷キャリア分離構造の電極は、大きな寄生容量を有することがある。電極の電圧を変更するために、寄生容量を充電または放電する必要がある。寄生容量を充電または放電するために電流を提供され得る速度が、電極の電圧が変更され得る速度を制限する。上述されたように、いくつかの実施形態では、電荷キャリアが捕獲され、ナノ秒またはピコ秒の分解能で時間ビン内に移送され得る。本発明者らは、電極ｂ０〜ｂｍ−１の電圧がより迅速に変化して、正確な時点に電位障壁を上昇させる場合、電荷キャリアが捕獲され得るタイミングがより高い精度を有することを認識し理解している。しかしながら、電圧源と電極ｂ０〜ｂｍ−１との間の接続の寄生インダクタンスおよび等価直列抵抗（ＥＳＲ）により、電極ｂ０〜ｂｍ−１の電圧の変化率が制限される。
【０１９４】
さらに、電極の寄生容量の充電および放電はかなりの電力を消費することがある。電極を充電および放電することによって損失する電力は、Ｐｄｉｓｓ＝（１／２）・ｆ・Ｃ・Ｖ２であり、式中、Ｃは電極と基板の間のキャパシタンスであり、Ｖは電極と基板の間の電圧差であり、ｆは電圧が切り替えられる周波数である。
【０１９５】
図２３は、いくつかの実施形態による、電荷キャリア分離構造の電極２３０１を駆動するための駆動回路２３００の例を示す。電極２３０１は、図２３においてコンデンサとして示される。上述されたように、電極２３０１は、選択された時間に比較的低い電圧Ｖｌｏｗおよび比較的高い電圧Ｖｈｉｇｈへ駆動され得る。駆動回路２３００は、高電圧Ｖｈｉｇｈを生成するＶｄａｃＨ発生器２３０２と、低電圧Ｖｌｏｗを生成するＶｄａｃＬ発生器２３０４とを含む。いくつかの実施形態では、電極が設計された方法で電荷キャリアに影響し、それにより電力損失を低減するまたは最小限にするために、ＶｌｏｗとＶｈｉｇｈの間の差ができる限り小さくされ得る。いくつかの実施形態では、ＶｄａｃＨ発生器２３０２および／またはＶｄａｃＬ発生器２３０４は、所望の電圧Ｖｌｏｗおよび／またはＶｈｉｇｈを生成できるプログラム可能な電圧発生器であってよく、ＶｌｏｗおよびＶｈｉｇｈの変更を可能にすることができる。
【０１９６】
駆動回路２３００はまた、電極２３０１の電圧遷移のタイミングを取るためのタイミング信号を生成できるＢｃｌｋ発生器２３０６を含む。Ｂｃｌｋ発生器２３０６はプログラム可能であり、入力デジタル・ワードに基づいてタイミング信号のエッジが発生する時間をデジタルで選択することを可能にすることができる。いくつかの実施形態では、Ｂｃｌｋ発生器２３０６は、上述されたように遅延ロック・ループ（ＤＬＬ）を使用して実装され得る。Ｂｃｌｋ発生器２３０６からのタイミング信号は、電極２３０１を駆動するＢｃｌｋ駆動部２３１２の入力に対して提供される。
【０１９７】
駆動回路２３００はまた、ＶｄａｃＨ増幅器２３０８およびＶｄａｃＬ増幅器２３１０を含む。ＶｄａｃＨ増幅器２３０８は、ＶｄａｃＨ発生器から信号を受け取り、フィードバックを使用してトランジスタ２３１４を制御して、電圧ＶｄａｃＨをＢｃｌｋ駆動部２３１２の高電力供給端子に対して提供する。ＶｄａｃＨ増幅器２３０８はまた、電圧ＶｄａｃＨへコンデンサ１３１２Ａを充電する。ＶｄａｃＬ増幅器２３１０は、ＶｄａｃＬ発生器から信号を受け取り、フィードバックを使用してトランジスタ２３１６を制御して、電圧ＶｄａｃＬをＢｃｌｋ駆動部２３１２の低電力供給端子に対して提供する。ＶｄａｃＬ増幅器２３１０はまた、電圧ＶｄａｃＬへコンデンサ１３１２Ｂを充電する。
【０１９８】
上述されたように、電極２３０１はかなりのキャパシタンスを有することがある。電極２３０１を高速で充電するのに充分な電流を供給するために、遷移中にＢｃｌｋドライバ２３１２の低電力供給端子またはＢｃｌｋドライバ２３１２の高電力供給端子に対して電流を供給するためのデカップリング・コンデンサ１３１２Ａおよび１３１２Ｂが提供され得る。
【０１９９】
デカップリング・コンデンサは、電極とデカップリング・コンデンサの間の寄生インダクタンスおよび等価直列抵抗（ＥＳＲ）を制限するために、電極に近接して配置され得る。電極の電圧が新しい電圧に変更されると、電極は新しい電圧でデカップリング・コンデンサに対して連結され、寄生インダクタンスおよび／または等価直列抵抗（ＥＳＲ）が低い電流路を介して電極に対して電流が供給され、したがって電極の電圧が迅速に変更され得る。いくつかの実施形態では、デカップリング・コンデンサは、デカップリング・コンデンサと電極の間の寄生インダクタンスが３ｎＨ未満、２ｎＨ未満、または１ｎＨ未満となるように、電極に充分に近く配置され得る。いくつかの実施形態では、デカップリング・コンデンサと電極の間の電流路の等価直列抵抗（ＥＳＲ）は、７０オーム未満、３５オーム未満、または５オーム未満である。しかしながら、これらの値は単に例として提供されており、本明細書に説明されている技法は、インダクタンスまたは抵抗の特定の値に限定されない。
【０２００】
いくつかの実施形態では、電極ｂ０〜ｂｍ−１は、１つまたは複数のデカップリング・コンデンサに対して接続可能であり得る。いくつかの実施形態では、各電極ｂ０〜ｂｍ−１は、それ自体のデカップリング・コンデンサを有することができる。たとえば、いくつかの実施形態では、電極は、電極の高電圧源と低電圧源の間に結合された単一のデカップリング・コンデンサ、または高電圧源および低電圧源にそれぞれ結合された２つのデカップリング・コンデンサを有してよい。しかしながら、本明細書に説明されている技法はこれに関して限定されない。電荷キャリア分離構造の電極のいずれかまたはすべてがデカップリング・コンデンサに接続されてよい。
【０２０１】
デカップリング・コンデンサは任意の適切なキャパシタンス値を有することができる。いくつかの実施形態では、デカップリング・コンデンサのキャパシタンス値は、それが接続される電極のキャパシタンスの１０から１００倍である。いくつかの実施形態では、デカップリング・コンデンサのキャパシタンスは、少なくとも１５０ｐＦ、少なくとも３００ｐＦ、または少なくとも３ｎＦ、またはそれ以上であり得る。しかしながら、これらの値は単に例として提供されており、本明細書に説明されている技法は特定のキャパシタンスの値に限定されない。
【０２０２】
デカップリング・コンデンサはオンチップまたはオフチップであってよい。図２４は、チップ１３００がプリント回路板１３１０に付けられた実施形態を示し、これは「チップオンボード」または「ダイボード」実装と称されることがある。ワイヤ・ボンドは、チップ１３００をプリント回路板１３１０上の１つまたは複数のデカップリング・コンデンサ１３１２に連結し、それにより、チップ１３００の電極とデカップリング・コンデンサ１３１２との間の低い寄生インダクタンスおよび／または等価直列抵抗（ＥＳＲ）を有する電流路を提供する。いくつかの実施形態では、オフチップ・デカップリング・コンデンサが、チップ１３００の１ｃｍ以内もしくは５ｍｍ以内またはそれ未満に配置され得る。しかしながら本明細書に説明されている技法はこれに関して限定されない。上述されたように、デカップリング・コンデンサはチップ１３００上に形成され得る。
【０２０３】
上述されたように、電荷キャリア分離構造の電極の充電および放電は、かなりの電力を損失させることがある。いくつかの実施形態では、チップ１３００のピクセルの１つまたは複数の行およびそれらの対応する電極が無効にされることが可能であり、それによりチップ１３００の電力消費を制限することができる。チップ１３００はこれに関してプログラム可能であり、どの行を有効または無効にするかを選択することを可能にすることができる。有効または無効にされた行は、経時的に変更され得る。
【０２０４】
図２５は、チップの中央領域における３２行を有効にし、チップの縁端部の４８行を無効にすることを示す。チップの１つまたは複数の行を無効にすることにより、チップのすべての行が必要なわけではない状況または用途における電力消費を低減することを可能にすることができる。
追加の態様
いくつかの実施形態では、本明細書に説明されている技法は１つまたは複数のコンピューティング・デバイスを使用して実行され得る。実施形態は、任意の特定のタイプのコンピューティング・デバイスで動作することに限定されない。
【０２０５】
図２６は、ピクセル・アレイを制御するため、またはピクセルからのデータの分析を行うための制御回路を実装するために使用され得る、例示的コンピューティング・デバイス１０００のブロック図である。コンピューティング・デバイス１０００は、１つまたは複数のプロセッサ１００１、および１つまたは複数の有形の非一時的なコンピュータ可読記憶媒体（たとえばメモリ１００３）を含むことができる。メモリ１００３は、実行されたときに上記の機能性のいずれかを実装するコンピュータ・プログラム命令を有形の非一時的なコンピュータ記録可能媒体に記憶することができる。プロセッサ１００１は、メモリ１００３に結合されてよく、そのようなコンピュータ・プログラム命令を実行して機能性を実現および実施させることができる。
【０２０６】
コンピューティング・デバイス１０００はまた、コンピューティング・デバイスが（たとえば、ネットワークを介して）他のコンピューティング・デバイスと通信できるネットワーク入力／出力（Ｉ  ／  Ｏ）インターフェース１００５を含むことができ、また、１つまたは複数のユーザＩ／Ｏインターフェース１００７を含むことができ、これを介して、コンピューティング・デバイスは、ユーザに対して出力を提供し、かつユーザから入力を受け取ることができる。ユーザＩ／Ｏインターフェースは、キーボード、マウス、マイクロフォン、ディスプレイ・デバイス（たとえば、モニタまたはタッチ・スクリーン）、スピーカ、カメラ、および／または様々な他のタイプのＩ／Ｏデバイスなどのデバイスを含むことができる。
【０２０７】
上述の実施形態は、多数の方法のいずれかで実装され得る。たとえば、実施形態は、ハードウェア、ソフトウェア、またはこれらの組合せを使用して実装されて得る。ソフトウェアで実装されるとき、ソフトウェア・コードは、単一のコンピューティング・デバイスに提供されるか、または複数のコンピューティング・デバイス間に分散されるかにかかわらず、任意の適切なプロセッサ（たとえばマイクロプロセッサ）またはプロセッサの集合において実行され得る。上述された機能を実施する任意の構成要素または構成要素の集合は、上述された機能を制御する１つまたは複数のコントローラとして総称的に考慮され得ることを理解されたい。１つまたは複数のコントローラは、専用ハードウェアを用いる、または上記に列挙された機能を実施するためにマイクロコードまたはソフトウェアを使用してプログラムされた汎用ハードウェア（たとえば、１つまたは複数のプロセッサ）を用いるなど、多くの方法で実装され得る。
【０２０８】
これに関して、本明細書に説明されている実施形態の１つの実装は、１つまたは複数のプロセッサで実行されたとき、１または複数の実施形態の上述された機能を実施するコンピュータ・プログラム（複数の実行可能命令）でエンコードされた少なくとも１つのコンピュータ可読記憶媒体（たとえば、ＲＡＭ、ＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭ、フラッシュ・メモリもしくは他のメモリ技術、ＣＤ−ＲＯＭ、デジタル多用途ディスク（ＤＶＤ）もしくは他の光ディスク・ストレージ、磁気カセット、磁気テープ、磁気ディスク・ストレージ、もしくは他の磁気記憶デバイス、または他の有形の非一時的コンピュータ可読記憶媒体）を含むことを理解されたい。コンピュータ可読媒体は、本明細書に論じられた技法の態様を実装するために、媒体上に記憶されたプログラムが任意のコンピューティング・デバイス上にロードされ得るように可搬であってよい。加えて、実行されると上述された機能のいずれかを実施するコンピュータ・プログラムへの参照は、ホスト・コンピュータ上で動作するアプリケーション・プログラムに限定されないことを理解されたい。むしろ、コンピュータ・プログラムおよびソフトウェアという用語は、本明細書では一般的に、本明細書で論じられた技法の態様を実装するために１つまたは複数のプロセッサをプログラムするのに利用され得る任意のタイプのコンピュータ・コード（たとえば、アプリケーション・ソフトウェア、ファームウェア、マイクロコード、または他の任意の形態のコンピュータ命令）を参照するために使用される。
【０２０９】
本発明の様々な態様は、単独で、組み合わせて、または上記に説明された実施形態において特に議論されていない様々な構成で使用されてよく、したがって、その用途において、上記の説明に記載されまたは図面に示されている構成要素の詳細および構成に限定されない。たとえば、一実施形態において説明された態様が、他の実施形態において説明された態様と任意の様式で組み合わされてよい。
【０２１０】
また、発明は方法として具現化されることが可能であり、その例が提供されている。方法の一部として行われる動作は、任意の適切なやり方で順序付けられ得る。したがって、図示されているのと異なる順序で動作が行われる実施形態が構築されてもよく、それは、例示的実施形態で連続的な動作として示されたとしても、いくつかの動作を同時に実施することを含み得る。
【０２１１】
特許請求の範囲において請求項要素を修飾するための「第１の」、「第２の」、「第３の」などの序数用語の使用は、それ自体では、別の請求項要素に対する１つの請求項要素のいかなる優先度、順位、もしくは順序も含意しておらず、または方法の動作が実施される時間的な順序も含意しておらず、それらは、単に、特定の名前を有する１つの請求項要素を（序数用語の使用がなければ）同じ名前を有する別の要素から区別するための標識として使用されて、請求項要素を区別する。
【０２１２】
また、本明細書で使用されている表現および用語は、説明のためのものであり、限定とみなされるべきではない。本明細書における「含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」、「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」、または「有する（ｈａｖｉｎｇ）」、「含有する（ｃｏｎｔａｉｎｉｎｇ）」、「含む（ｉｎｖｏｌｖｉｎｇ）」およびそれらの変形の使用は、その後に列挙される要素およびその均等物、ならびに追加的な要素を包含することを意図している。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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【図３Ｄ】
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【図３Ｅ】
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【図３Ｆ】
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【図３Ｇ】
2020162127.tif 000014
【図４】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図５Ｃ】
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【図５Ｄ】
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【図５Ｅ】
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【図５Ｆ】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図６Ｃ】
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【図６Ｄ】
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【図６Ｅ】
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【図６Ｆ】
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【図６Ｇ】
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【図６Ｈ】
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【図６Ｉ】
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【図６Ｊ】
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【図６Ｋ】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図７Ｃ】
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【図７Ｄ】
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【図７Ｅ】
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【図７Ｆ】
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【図７Ｇ】
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【図７Ｈ】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図８Ｃ】
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【図８Ｄ】
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【図８Ｅ】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１０Ｃ】
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【図１０Ｄ】
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【図１０Ｅ】
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【図１０Ｆ】
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【図１０Ｇ】
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【図１０Ｈ】
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【図１０Ｉ】
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【図１０Ｊ】
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【図１０Ｋ】
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【図１０Ｌ】
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【図１０Ｍ】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４Ａ】
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【図１４Ｂ】
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【図１５Ａ】
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【図１５Ｂ】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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