(57)【要約】  単一分子核酸シークエンシングなどのような、生体分子検出及び／又は分析を実施することができるアクティブ・ソース・ピクセル集積デバイスが説明されている。集積デバイスのアクティブ・ピクセルは、サンプル・ウェルであって、分析されることとなるサンプルが、サンプル・ウェルの中へ拡散することが可能である、サンプル・ウェルと、励起エネルギーをサンプル・ウェルに提供するための励起供給源と、サンプルからのエミッションを検出するセンサーとを含む。センサーは、信号のセットを作り出す２つ以上のセグメントからなることが可能であり、信号のセットは、タグの間を見分けるために、及び、タグを特定するために分析され、タグは、サンプルに取り付けられており、又は、サンプルに関連付けられている。タグ差別化は、スペクトルのベース及び／又は時間的なベースであることが可能である。タグの特定が使用され、生体分子を検出し、分析し、及び／又はシークエンシングすることが可能である。【特許請求の範囲】
【請求項１】
核酸分子をシークエンシングする方法において、
基板の上の第１のピクセルに形成されているサンプル・ウェルに励起エネルギーを提供する工程と、
前記第１のピクセルに形成されているセンサーにおいて、前記サンプル・ウェルからの第１のエミッションを受け取る工程であって、前記第１のエミッションは、異なる複数のタイプの核酸サブユニットのうちの１つのタイプの核酸サブユニットに関連付けられる、前記サンプル・ウェルからの第１のエミッションを受け取る工程と、
受け取られた前記第１のエミッションを表す第１の信号及び第２の信号を、前記センサーによって生成する工程と、
前記第１の信号及び前記第２の信号を分析する工程と、
前記第１の信号及び前記第２の信号の前記分析に基づいて、前記核酸サブユニットのタイプを特定する工程と、
からなる、核酸分子をシークエンシングする方法。
【請求項２】
励起エネルギーを提供する前記工程が、前記第１のピクセルに形成された励起供給源を活性化させる工程からなる、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記励起供給源が、有機発光ダイオードからなる、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記励起供給源が、前記サンプル・ウェルに自己整合されるナノ・スケール励起供給源からなる、請求項２に記載の方法。
【請求項５】
前記ナノ・スケール励起供給源が、発光ダイオード、レーザ・ダイオード、又は、垂直方向キャビティーの面発光レーザからなる、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記ナノ・スケール励起供給源が、半導体ダイオードからなる、請求項４に記載の方法。
【請求項７】
前記サンプル・ウェルが、サブ・カットオフ・ナノアパーチャからなる、請求項１〜６のいずれか１項に記載の方法。
【請求項８】
前記第１のエミッションが、前記第１の信号及び前記第２の信号の両方のノン・ゼロ信号レベルを決定する、請求項１〜７のいずれか１項に記載の方法。
【請求項９】
前記センサーが、少なくとも２つの空間的に分離されたフォトディテクター・セグメントからなり、前記第１の信号及び前記第２の信号が、前記第１のエミッションの第１のスペクトル・バンドに関する空間的な分布パターンを表している、請求項１〜８のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１０】
前記第１のエミッションに関する前記センサーにおける電荷蓄積の間に、第１の時間において前記第１の信号を獲得し、第２の時間において前記第２の信号を獲得する工程をさらに含む、請求項１〜９のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１１】
分析する前記工程が、前記第１の信号及び前記第２の信号に関する信号レベルの比率を評価する工程からなる、請求項１〜１０のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１２】
前記励起供給源、サンプル・ウェル、及びセンサーが、前記基板の上に形成された複数のピクセルの第１のピクセルの中に位置付けされており、前記複数のピクセルのそれぞれが、それぞれの励起供給源、サンプル・ウェル、及びセンサーからなる、請求項１〜１１の
いずれか１項に記載の方法。
【請求項１３】
ターゲット核酸分子をシークエンシングする方法において、
集積デバイスを設ける工程であって、前記集積デバイスは、（ｉ）前記ターゲット核酸分子、重合酵素、及び、複数のタイプのヌクレオチド又はヌクレオチド類似体を有するサンプル・ウェル、ならびに、（ｉｉ）励起エネルギーを前記サンプル・ウェルに方向付けする少なくとも１つの励起供給源を含んでなる、集積デバイスを設ける工程と、
前記重合酵素の存在下で、前記ターゲット核酸分子のプライミング場所において、伸長反応を実施し、前記ヌクレオチド又はヌクレオチド類似体を、前記ターゲット核酸分子に相補的な成長する鎖の中へ順次組み込む工程であって、前記励起供給源からの励起エネルギーによる組み込み及び励起が起こると、前記ヌクレオチド又はヌクレオチド類似体は、前記サンプル・ウェルからのエミッションを生成する、前記ヌクレオチド又はヌクレオチド類似体を、前記ターゲット核酸分子に相補的な成長する鎖の中へ順次組み込む工程と、
前記サンプル・ウェルからの前記エミッションを受け取るようにセンサーで、前記エミッションを検出する工程と、
それぞれの検出されたエミッションに関する前記センサーから信号セットを受け取る工程であって、前記信号セットは、前記検出されたエミッションの空間的な分布又は時間的な分布の少なくとも一方を表しており、ヌクレオチド又はヌクレオチド類似体のタイプを区別する、それぞれの検出されたエミッションに関する前記センサーから信号セットを受け取る工程と、
前記受け取られる信号セットに基づいて、ヌクレオチド又はヌクレオチド類似体の前記タイプを特定し、それによって前記ターゲット核酸分子をシークエンシングする工程と、からなる、ターゲット核酸分子をシークエンシングする方法。
【請求項１４】
前記ヌクレオチド又はヌクレオチド類似体が、タグを含み、前記タグは、前記成長する鎖の中に組み込むと、前記エミッションを生成する、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記タグが、発光性タグである、請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
前記ヌクレオチド又はヌクレオチド類似体が、前記信号セットを検出することに続いて特定される、請求項１３〜１５のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１７】
前記複数のタイプのヌクレオチド又はヌクレオチド類似体が、４つの異なるタイプのヌクレオチド又はヌクレオチド類似体を含み、前記信号セットが、前記４つの異なるタイプのヌクレオチド又はヌクレオチド類似体に関連付けられており、互いから区別可能である、請求項１３〜１６のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１８】
前記空間的な分布パターンが、前記エミッションの波長に基づいて区別可能である、請求項１３〜１７のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１９】
前記プライミング場所が、前記ターゲット核酸分子に相補的なプライマーを含む、請求項１３〜１８のいずれか１項に記載の方法。
【請求項２０】
伸長反応を実施する前記工程が、前記プライマーを使用してプライマー伸長反応を実施する工程からなり、前記プライマーは、前記ターゲット核酸分子に対してハイブリダイズされ、前記成長する鎖を生み出す、請求項１９に記載の方法。
【請求項２１】
前記ターゲット核酸分子が、二本鎖である、請求項１３〜２０のいずれか１項に記載の方法。
【請求項２２】
前記プライミング場所が、前記ターゲット核酸分子の中のギャップ又はニックである、請求項２１に記載の方法。
【請求項２３】
前記重合酵素が、前記ウェルの中に固定化されている、請求項１３〜２２のいずれか１項に記載の方法。
【請求項２４】
前記重合酵素が、前記ウェルの底部部分において固定化されている、請求項２３に記載の方法。
【請求項２５】
前記重合酵素が、前記ウェルの表面に取り付けられるリンカーを使用して固定化されている、請求項２３に記載の方法。
【請求項２６】
前記重合酵素が、鎖置換活性を示す、請求項１３〜２５のいずれか１項に記載の方法。
【請求項２７】
前記サンプル・ウェルが、前記集積デバイスの中の複数のサンプル・ウェルの間にある、請求項１３〜２６のいずれか１項に記載の方法。
【請求項２８】
前記集積デバイスが、前記複数のサンプル・ウェルに動作可能にカップリングされる複数の励起供給源を含んでなる、請求項２７に記載の方法。
【請求項２９】
前記集積デバイスが、前記複数のサンプル・ウェルからのエミッションを受け取る複数のセンサーを含んでなる、請求項２８に記載の方法。
【請求項３０】
複数のサンプルを並行して分析するための集積デバイスにおいて、
基板の上に配置されている複数のピクセルであって、前記複数のピクセルの個々のピクセルは、
生物学的なサンプルを保持する励起領域を有するサンプル・ウェル、
前記サンプル・ウェルに隣接して、又は、前記サンプル・ウェルの中に位置付けされている第１の構造体であって、前記第１の構造体は、前記励起領域の中への少なくとも励起エネルギーのカップリングに影響を及す、第１の構造体、ならびに、
センサーを含むセンシング・システムであって、前記センサーは、前記サンプル・ウェルからの少なくとも２つの異なるエミッションの間を差別するように構成されており、前記２つの異なるエミッションは、スペクトルの差又は時間的な差のうちの少なくとも一方からなる、センシング・システム
からなる、複数のピクセルと、
前記励起エネルギーを前記サンプル・ウェルに提供するように配置されている、前記基板の上の少なくとも１つの励起供給源と、
前記センサーからの少なくとも１つの信号を受け取るように前記基板の上に配置されている回路と、
からなる、複数のサンプルを並行して分析するための集積デバイス。
【請求項３１】
前記第１の構造体が、前記第１の構造体において励起されるプラズモンを介して、前記励起領域の中への前記励起エネルギーのカップリングを改善する、３次元の、マイクロ・スケールの、又はナノ・スケールのプラズモニック構造体からなる、請求項３０に記載の集積デバイス。
【請求項３２】
前記第１の構造体が、少なくともいくらかの励起エネルギーを受け取り、かつ、前記励起領域の中のサンプルに励起エネルギーを非放射で伝達する、分子又は量子ドットからなる、請求項３０に記載の集積デバイス。
【請求項３３】
前記第１の構造体が、前記励起領域の中のサンプルにエネルギーを非放射で送達する少なくとも１つの半導体デバイスからなる、請求項３０に記載の集積デバイス。
【請求項３４】
前記第１の構造体が、前記励起領域の中の前記励起エネルギーの強度を増加させるマイクロ光学的な構造体又はナノ光学的な構造体からなる、請求項３０に記載の集積デバイス。
【請求項３５】
前記ピクセルが、第２の構造体をさらに含み、前記第２の構造体は、前記サンプル・ウェルに隣接して位置付けされており、前記サンプル・ウェルは、前記サンプル・ウェルから放出された放射線を、前記放出された放射線の波長に依存する複数の異なる空間的な分布の中へ方向付けするように、及び、複数の異なる方向のそれぞれの方向に前記放出された放射線を濃縮する、請求項３０に記載の集積デバイス。
【請求項３６】
前記センシング・システムが、前記励起領域の中のサンプルからエネルギーを非放射で受け取る少なくとも１つの分子又は量子ドットからなる、請求項３０に記載の集積デバイス。
【請求項３７】
前記センシング・システムが、前記励起領域の中のサンプルからエネルギーを非放射で受け取る少なくとも１つの半導体デバイスからなる、請求項３０に記載の集積デバイス。
【請求項３８】
前記複数のピクセルが、前記基板の上にＮｘＭのアレイで配置されており、ここで、Ｎは、前記アレイが第１の方向に延在するピクセルの数であり、Ｍは、前記アレイが第２の方向に延在するピクセルの数である、請求項３０に記載の集積デバイス。
【請求項３９】
Ｎ及びＭのそれぞれが、５０個のピクセルから１０００００個のピクセルの間の値を有している、請求項３８に記載の集積デバイス。
【請求項４０】
試料を保持する、前記複数のピクセルの周りに形成された壁付きチャンバーをさらに含む、請求項３０〜３９のいずれか１項に記載の集積デバイス。
【請求項４１】
前記壁付きチャンバーの外部の光が前記複数のピクセルを照射することを防止するために、前記壁付きチャンバーを閉じるように配置されているカバーをさらに含む、請求項３０〜４０のいずれか１項に記載の集積デバイス。
【請求項４２】
前記集積デバイス及びチャンバーが、機器の受け入れドックの接点との電気的な接続のために配置されている外部電気接点を有する単一のモジュールの中にパッケージ化されている、請求項３０〜４１のいずれか１項に記載の集積デバイス。
【請求項４３】
前記サンプル・ウェルが、少なくとも材料の第１の層の中に形成されたサブ・カットオフ・ナノアパーチャからなる、請求項３０に記載の集積デバイス。
【請求項４４】
前記第１の層に隣接する光学的に透明な材料の中へ前記サンプル・ウェルから延在するディボットをさらに含み、前記励起領域が、前記ディボットを含む、請求項３０又は４３に記載の集積デバイス。
【請求項４５】
前記光学的に透明な材料が、誘電体である、請求項４４に記載の集積デバイス。
【請求項４６】
前記第１の層が、導電層である、請求項４３又は４４に記載の集積デバイス。
【請求項４７】
前記導電層が、前記サンプル・ウェルに隣接する少なくとも１つの集積されたエレメントの電極を含む、請求項４６に記載の集積デバイス。
【請求項４８】
前記少なくとも１つの集積されたエレメントが、有機発光ダイオードである、請求項４７に記載の集積デバイス。
【請求項４９】
前記集積デバイス及びサンプル・ウェルが、懸濁流体の中のサンプルを受け取るように配置されている、請求項３０〜４８のいずれか１項に記載の集積デバイス。
【請求項５０】
前記サンプル・ウェルの壁部が、長手方向に湾曲している、請求項３０〜４９のいずれか１項に記載の集積デバイス。
【請求項５１】
前記サンプル・ウェルの壁部は、テーパが付けられている、請求項３０〜４９のいずれか１項に記載の集積デバイス。
【請求項５２】
前記テーパが付けられた壁部が、前記サンプル・ウェルの第１の端部において、前記試料に隣接して開口部を形成しており、前記サンプル・ウェルの第１の端部は、前記サンプル・ウェルの第２の端部における前記サンプル・ウェルのエントランス・アパーチャよりも断面が小さい、請求項５１に記載の集積デバイス。
【請求項５３】
前記サンプル・ウェルの中に形成されたプラズモニック構造体をさらに含み、前記プラズモニック構造体は、前記励起領域の中の前記励起エネルギーを増強する、請求項３０〜５２のいずれか１項に記載の集積デバイス。
【請求項５４】
前記サンプル・ウェルが、励起エネルギーが受け取られるエントランス・アパーチャからなる、請求項３０〜５２のいずれか１項に記載の集積デバイス。
【請求項５５】
前記エントランス・アパーチャの直径が、前記励起エネルギーの特性波長よりも小さい、請求項５４に記載の集積デバイス。
【請求項５６】
前記アパーチャの直径が、おおよそ３０ナノメートルからおおよそ２５０ナノメートルの間である、請求項５４に記載の集積デバイス。
【請求項５７】
前記アパーチャの直径が、おおよそ５００ナノメートルよりも小さい、請求項５４に記載の集積デバイス。
【請求項５８】
前記サンプル・ウェルから間隔を置いて配置された反射体をさらに含み、前記反射体、及び、前記サンプル・ウェルがその中に形成されている材料は、共鳴キャビティーを含み、前記共鳴キャビティーは、前記励起領域における前記励起エネルギーの強度を増加させる、請求項３０〜５７のいずれか１項に記載の集積デバイス。
【請求項５９】
前記励起領域の中に配置されている付着物質をさらに含み、前記付着物質は、前記励起領域の中にサンプルを保持する、請求項３０〜５８のいずれか１項に記載の集積デバイス。
【請求項６０】
前記付着物質は、おおよそ１ミリ秒からおおよそ１秒の間の時間の期間にわたり前記サンプルを保持する、請求項５９に記載の集積デバイス。
【請求項６１】
前記付着物質は、前記サンプル・ウェルの中の少なくとも１つの表面の上に形成されている生物学的な物質又は化学的な物質からなる、請求項５９に記載の集積デバイス。
【請求項６２】
前記付着物質が、分子、酵素、タンパク質、小分子、抗体、リガンド、又は抗原からなる、請求項５９に記載の集積デバイス。
【請求項６３】
前記サンプル・ウェルの中に配置されているインヒビターをさらに含み、前記インヒビターは、前記サンプル・ウェルの少なくとも１つの表面に対するサンプルの付着を阻止する、請求項５９に記載の集積デバイス。
【請求項６４】
前記サンプル・ウェルが、前記第１の構造体からおおよそ３０ｎｍの距離の中にサンプルを保持する、請求項３０〜６３のいずれか１項に記載の集積デバイス。
【請求項６５】
前記サンプル・ウェルの少なくとも一部分が、半導体接合に隣接して位置付けされている、請求項３０〜６４のいずれか１項に記載の集積デバイス。
【請求項６６】
前記サンプル・ウェルの少なくとも一部分が、半導体接合の１００ｎｍ以内に位置付けされている、請求項３０〜６４のいずれか１項に記載の集積デバイス。
【請求項６７】
前記第１の構造体が、前記励起エネルギーの特性周波数に関する共鳴構造体からなり、前記サンプル・ウェルが、前記共鳴構造体のカップリング領域に対応する位置に位置決めされている、請求項３０〜６６のいずれか１項に記載の集積デバイス。
【請求項６８】
前記共鳴構造体が、前記サンプル・ウェルと同じ層の中に位置付けされている、請求項６７に記載の集積デバイス。
【請求項６９】
前記共鳴構造体が、前記サンプル・ウェルとは異なる層の中に位置付けされている、請求項６７に記載の集積デバイス。
【請求項７０】
前記共鳴構造体が、Ｇｉｒｅ−Ｔｏｕｒｎｏｉｓ共振器である、請求項６７〜６９のいずれか１項に記載の集積デバイス。
【請求項７１】
前記共鳴構造体が、線形共振器又はリング共振器である、請求項６７〜６９のいずれか１項に記載の集積デバイス。
【請求項７２】
前記共鳴構造体が、分布Ｂｒａｇｇ反射体からなる、請求項６７〜６９のいずれか１項に記載の集積デバイス。
【請求項７３】
前記第１の構造体が、少なくとも１つのエネルギー伝達粒子からなり、前記少なくとも１つのエネルギー伝達粒子は、前記励起エネルギーを受け取るように、及び、変換されたエネルギーを前記サンプルに非放射で送達するように配置されている、請求項３０〜７２のいずれか１項に記載の集積デバイス。
【請求項７４】
前記励起エネルギーが、フェルスター共鳴エネルギー移動（ＦＲＥＴ）又はデクスター・エネルギー移動（ＤＥＴ）を介して、サンプルに送達される、請求項３０〜７３のいずれか１項に記載の集積デバイス。
【請求項７５】
前記プラズモニック構造体が、前記サンプル・ウェルの中に位置付けされており、前記励起領域の中の前記励起エネルギーを増強する、請求項３１に記載の集積デバイス。
【請求項７６】
前記プラズモニック構造体が、導電性材料から形成されたナノ粒子からなる、請求項３１又は７５に記載の集積デバイス。
【請求項７７】
前記プラズモニック構造体が、前記サンプル・ウェルに隣接して位置付けされており、前記励起領域の中の前記励起エネルギーを増強する、請求項３１に記載の集積デバイス。
【請求項７８】
前記プラズモニック構造体が、ナノ・アンテナからなる、請求項３１又は７７に記載の集積デバイス。
【請求項７９】
前記プラズモニック構造体が、共鳴構造体からなる、請求項３１又は７７に記載の集積デバイス。
【請求項８０】
前記プラズモニック構造体が、プラズモニック線形共振器又はリング共振器からなる、請求項３１又は７７に記載の集積デバイス。
【請求項８１】
前記プラズモニック構造体が、デバイスの少なくとも１つの電極の中に形成されており、前記少なくとも１つの電極は、前記サンプル・ウェルに隣接して位置付けされている、請求項３１，７７〜８０のいずれか１項に記載の集積デバイス。
【請求項８２】
前記プラズモニック構造体が、２つ以上の周波数において共鳴し、前記２つ以上の周波数は、前記励起エネルギーの特性周波数、又は、前記サンプル・ウェルからの前記エミッションの特性周波数のうちの少なくとも一方を含む、請求項３１，７７〜８１のいずれか１項に記載の集積デバイス。
【請求項８３】
前記第１の構造体が、リンカーを通して前記サンプルにコンジュゲートされた少なくとも１つのエネルギー伝達粒子からなり、前記エネルギー伝達粒子は、前記励起エネルギーの少なくとも一部分を前記サンプルに非放射で伝達するように選択される、請求項３２に記載の集積デバイス。
【請求項８４】
前記第１の構造体が、前記サンプル・ウェルの中に配置されている複数のエネルギー伝達粒子からなり、励起エネルギーが、前記エネルギー伝達粒子のうちの少なくとも１つから前記サンプルに非放射で伝達され得るようになっている、請求項３２に記載の集積デバイス。
【請求項８５】
前記少なくとも１つのエネルギー伝達粒子が、フェルスター共鳴エネルギー移動（ＦＲＥＴ）を介して、前記サンプルにエネルギーを伝達するように適合されている、請求項８３又は８４に記載の集積デバイス。
【請求項８６】
前記第１の構造体が、前記サンプル・ウェルに隣接して配置されている複数のエネルギー伝達粒子からなり、励起エネルギーが、前記エネルギー伝達粒子のうちの少なくとも１つから前記サンプルに非放射で伝達され得るようになっている、請求項８３〜８５のいずれか１項に記載の集積デバイス。
【請求項８７】
少なくとも１つのエネルギー伝達粒子が、量子ドットからなる、請求項８３〜８６のいずれか１項に記載の集積デバイス。
【請求項８８】
少なくとも１つのエネルギー伝達粒子が、前記励起エネルギーの第１の特性周波数を、前記エネルギー伝達粒子から前記サンプルに送達されるエネルギーに関する少なくとも１つのより高い特性周波数に変換する、請求項８３〜８７のいずれか１項に記載の集積デバイス。
【請求項８９】
前記第１の特性周波数に対応する波長が、約９００ｎｍから約１１００ｎｍの間にあり、前記より高い特性周波数に対応する少なくとも１つの波長が、約４８０ｎｍから約７００ｎｍの間にある、請求項８８に記載の集積デバイス。
【請求項９０】
少なくとも１つのエネルギー伝達粒子が、前記励起エネルギーの第１の特性周波数を、前記エネルギー伝達粒子から前記サンプルに送達されるエネルギーに関するより低い特性周波数に変換する、請求項８３〜８７のいずれか１項に記載の集積デバイス。
【請求項９１】
前記第１の特性周波数に対応する波長が、約５００ｎｍから約７００ｎｍの間にあり、前記より低い特性周波数に対応する波長が、約６２０ｎｍから約７２０ｎｍの間にある、請求項９０に記載の集積デバイス。
【請求項９２】
複数の前記エネルギー伝達粒子が、前記サンプル・ウェルがその中に形成されている層から分離されている層の中に配置されている、請求項８４〜９１のいずれか１項に記載の集積デバイス。
【請求項９３】
前記少なくとも１つの半導体デバイスが、前記サンプル・ウェルに隣接して形成された少なくとも１つの半導体層からなり、前記集積デバイスが、前記半導体層と前記サンプル・ウェルとの間に形成されているエネルギー伝達粒子の層をさらに含み、前記エネルギー伝達粒子の層は、前記少なくとも１つの半導体層から前記サンプル・ウェルの中のサンプルへエネルギーを伝達するように適合されている、請求項３３に記載の集積デバイス。
【請求項９４】
前記半導体層とエネルギー伝達粒子の層との間のエネルギー伝達、又は、前記エネルギー伝達粒子の層と前記サンプルとの間のエネルギー伝達が、非放射的である、請求項９３に記載の集積デバイス。
【請求項９５】
前記半導体デバイスが、前記サンプル・ウェルに隣接して形成された少なくとも１つの半導体層からなり、前記集積デバイスが、前記サンプル・ウェルの中のサンプルにコンジュゲートされた少なくとも１つのエネルギー伝達粒子をさらに含み、前記少なくとも１つのエネルギー伝達粒子は、前記少なくとも１つの半導体層から前記サンプルへエネルギーを伝達するように適合されている、請求項３３に記載の集積デバイス。
【請求項９６】
前記半導体層と前記少なくとも１つのエネルギー伝達粒子との間のエネルギー伝達、又は、前記少なくとも１つのエネルギー伝達粒子と前記サンプルとの間のエネルギー伝達が、非放射的である、請求項９５に記載の集積デバイス。
【請求項９７】
前記半導体層と前記少なくとも１つのエネルギー伝達粒子との間の前記エネルギー伝達、及び、前記少なくとも１つのエネルギー伝達粒子と前記サンプルとの間の前記エネルギー伝達が、非放射的である、請求項９３〜９６のいずれか１項に記載の集積デバイス。
【請求項９８】
前記半導体デバイスが、ｐ−ｎ接合を含む、請求項３３，９３〜９７のいずれか１項に記載の集積デバイス。
【請求項９９】
前記半導体デバイスが、有機半導体からなる、請求項３３，９３〜９８のいずれか１項に記載の集積デバイス。
【請求項１００】
前記半導体デバイスが、無機半導体からなる、請求項３３，９３〜９８のいずれか１項に記載の集積デバイス。
【請求項１０１】
前記少なくとも１つの半導体層から前記サンプルへ伝達される前記エネルギーの少なくともいくらかは、フェルスター共鳴エネルギー移動（ＦＲＥＴ）を介する、請求項３３，９３〜１００のいずれか１項に記載の集積デバイス。
【請求項１０２】
前記第１の構造体が、前記サンプル・ウェルの周りに形成された２次元の又は３次元のフ
ォトニック結晶からなる、請求項３４に記載の集積デバイス。
【請求項１０３】
前記フォトニック結晶が、前記サンプル・ウェルにおいて欠陥を含む、請求項１０２に記載の集積デバイス。
【請求項１０４】
前記フォトニック結晶が、第１の屈折率を有するマイクロ構造体の非周期的なアレイからなり、前記第１の屈折率は、前記周期的なアレイがその中に形成されている層の第２の屈折率とは異なっている、請求項１０２又は１０３に記載の集積デバイス。
【請求項１０５】
前記第１の構造体が、前記励起領域において前記励起エネルギーを集中させる回折光学素子からなる、請求項３４に記載の集積デバイス。
【請求項１０６】
前記第１の構造体が、前記サンプル・ウェルに隣接する薄い損失性膜からなる、請求項３４に記載の集積デバイス。
【請求項１０７】
前記薄い損失性膜と前記サンプル・ウェルとの間に配設されている誘電体層をさらに含む、請求項１０６に記載の集積デバイス。
【請求項１０８】
前記薄い損失性膜の屈折率が、前記励起エネルギーの波長における前記薄い損失性膜の吸光係数と同じ桁数の中にある、請求項１０６又は１０７に記載の集積デバイス。
【請求項１０９】
前記薄い損失性膜が、シリコンもしくはゲルマニウム、又は、それらの組み合わせから形成されている、請求項１０６又は１０７に記載の集積デバイス。
【請求項１１０】
前記薄い損失性膜の厚さが、おおよそ３ｎｍからおおよそ８０ｎｍの間である、請求項１０６〜１０９のいずれか１項に記載の集積デバイス。
【請求項１１１】
前記薄い損失性膜が、少なくとも２つの異なる材料の複数の層を含む、請求項１０６〜１１０のいずれか１項に記載の集積デバイス。
【請求項１１２】
前記薄い損失性膜が、有機材料からなる、請求項１０６〜１１１のいずれか１項に記載の集積デバイス。
【請求項１１３】
前記薄い損失性膜が、無機材料からなる、請求項１０６〜１１１のいずれか１項に記載の集積デバイス。
【請求項１１４】
前記第１の構造体が、マイクロキャビティーからなり、前記マイクロキャビティーは、前記サンプル・ウェルに隣接して位置付けされており、前記励起領域において前記励起エネルギーを集中させる、請求項３４に記載の集積デバイス。
【請求項１１５】
前記マイクロキャビティーが、前記励起エネルギーの波長を含む２つ以上の光学波長において共鳴する、請求項１１４に記載の集積デバイス。
【請求項１１６】
前記第１の構造体が、前記サンプル・ウェルに隣接して形成されたＧｉｒｅｓ−Ｔｏｕｒｎｅｏｉｓ共鳴構造体からなる、請求項３４に記載の集積デバイス。
【請求項１１７】
前記Ｇｉｒｅｓ−Ｔｏｕｒｎｅｏｉｓ共鳴構造体が、前記励起エネルギーの波長を含む２つ以上の光学波長において共鳴する、請求項１１６に記載の集積デバイス。
【請求項１１８】
前記Ｇｉｒｅｓ−Ｔｏｕｒｎｅｏｉｓ共鳴構造体の第１の反射体が、前記サンプル・ウェ
ルがその中に形成されている導電層からなる、請求項１１６に記載の集積デバイス。
【請求項１１９】
前記Ｇｉｒｅｓ−Ｔｏｕｒｎｅｏｉｓ共鳴構造体の第２の反射体が、前記導電層に隣接して形成されている多層スタックからなる、請求項１１６に記載の集積デバイス。
【請求項１２０】
前記センシング・システムが、前記センサーにおける励起エネルギーの量を抑制する波長差別フィルターからなる、請求項３０に記載の集積デバイス。
【請求項１２１】
前記波長差別フィルターが、多層スタックからなる、請求項１２０に記載の集積デバイス。
【請求項１２２】
前記波長差別フィルターが、周波数選択性表面からなる、請求項１２０に記載の集積デバイス。
【請求項１２３】
前記センシング・システムが、前記励起供給源からの少なくともいくらかの励起エネルギーをブロックする光シールドからなる、請求項３０に記載の集積デバイス。
【請求項１２４】
前記センシング・システムが、少なくとも１つの位相マスクからなる、請求項３０に記載の集積デバイス。
【請求項１２５】
前記第２の構造体が、プラズモニック構造体からなる、請求項３５に記載の集積デバイス。
【請求項１２６】
前記プラズモニック構造体が、前記サンプル・ウェルの光学的な近接場の中に形成されている、請求項１２５に記載の集積デバイス。
【請求項１２７】
前記プラズモニック構造体が、前記サンプル・ウェルがその中に形成されている同じ層の中に少なくとも部分的に形成されている、請求項１２５又は１２６に記載の集積デバイス。
【請求項１２８】
前記プラズモニック構造体が、複数の環状の突起部からなり、前記複数の環状の突起部は、層の中に形成されており、前記サンプル・ウェルに中心を合わせられている、請求項１２５〜１２７のいずれか１項に記載の集積デバイス。
【請求項１２９】
前記複数の環状の突起部のそれぞれの間の半径方向の距離が、おおよそ同じである、請求項１２８に記載の集積デバイス。
【請求項１３０】
前記複数の環状の突起部のそれぞれの間の半径方向の距離が、おおよそ２５ナノメートルからおおよそ６００ナノメートルの間である、請求項１２８又は１２９に記載の集積デバイス。
【請求項１３１】
前記プラズモニック構造体が、スパイラル・グレーチングからなる、請求項１２５〜１２７のいずれか１項に記載の集積デバイス。
【請求項１３２】
前記プラズモニック構造体が、ナノ・アンテナ・アレイからなる、請求項１２５〜１２７のいずれか１項に記載の集積デバイス。
【請求項１３３】
前記ナノ・アンテナ・アレイが、ターゲット体積の周りに分散された円形ホールのアレイからなり、前記ホールが、導電層の中に形成されている、請求項１３２に記載の集積デバイス。
【請求項１３４】
前記ホールがその中に形成されている前記導電層が、前記サンプル・ウェルがその中に形成されている同じ層である、請求項１３３に記載の集積デバイス。
【請求項１３５】
前記円形ホールが、複数の異なる直径のものである、請求項１３３又は１３４に記載の集積デバイス。
【請求項１３６】
前記ナノ・アンテナ・アレイが、前記サンプル・ウェルの周りに分散された円形ディスクのアレイからなり、前記ディスクが、導電性材料の中に形成されている、請求項１３２に記載の集積デバイス。
【請求項１３７】
前記円形ディスクが、複数の異なる直径のものである、請求項１３６に記載の集積デバイス。
【請求項１３８】
前記プラズモニック構造体が、金、銅、ロジウム、アルミニウム、チタン、クロム、ニッケル、パラジウム、プラチナ、及び銀からなる群から選択される１つ又は複数の金属から構成された少なくとも１つの層からなる、請求項１２５〜１３７のいずれか１項に記載の集積デバイス。
【請求項１３９】
前記第２の構造体が、前記サンプル・ウェルの前記光学的な遠視野の中に形成された光学的な構造体からなる、請求項３５に記載の集積デバイス。
【請求項１４０】
前記第２の構造体が、回折光学素子からなる、請求項３５又は１３９に記載の集積デバイス。
【請求項１４１】
前記回折光学素子が、円形のグレーチングである、請求項１４０に記載の集積デバイス。
【請求項１４２】
前記回折光学素子が、スパイラル・グレーチングである、請求項１４０に記載の集積デバイス。
【請求項１４３】
前記回折光学素子が、アパーチャ・アレイである、請求項１４０に記載の集積デバイス。
【請求項１４４】
前記第２の構造体が、ゾーン・プレートからなる、請求項３５〜１４０のいずれか１項に記載の集積デバイス。
【請求項１４５】
前記第２の構造体が、マイクロレンズをさらに含む、請求項３５〜１４０のいずれか１項に記載の集積デバイス。
【請求項１４６】
前記第２の構造体が、誘電体共鳴アンテナからなる、請求項３５〜１４０のいずれか１項に記載の集積デバイス。
【請求項１４７】
前記第２の構造体が、フレネル・レンズからなる、請求項３５〜１４０のいずれか１項に記載の集積デバイス。
【請求項１４８】
前記少なくとも１つの分子又は量子ドットが、前記サンプル・ウェルに隣接してデバイスの中に配置され、前記受け取られるエネルギーを電気信号に変換し、前記電気信号は、前記ＣＭＯＳ回路によって検出される、請求項３６に記載の集積デバイス。
【請求項１４９】
前記半導体デバイスが、前記サンプル・ウェルに隣接して位置付けされているｐ−ｎ接合を含んでなり、前記受け取られるエネルギーを電気信号に変換し、前記電気信号は、前記
ＣＭＯＳ回路によって検出される、請求項３７に記載の集積デバイス。
【請求項１５０】
前記センサーが、ブルズ・アイ・フォトディテクターからなり、前記ブルズ・アイ・フォトディテクターは、中央光検出器と、前記中央光検出器から間隔を置いて配置され、前記中央光検出器を取り囲む、少なくとも１つのリング形状の光検出器とを有している、請求項３０に記載の集積デバイス。
【請求項１５１】
前記中央光検出器が、第１のフォトダイオードからなり、前記少なくとも１つのリング形状の光検出器が、少なくとも第２のフォトダイオードからなる、請求項１５０に記載の集積デバイス。
【請求項１５２】
前記中央光検出器が、第１の量子ドット検出器からなり、前記少なくとも１つのリング形状の光検出器が、少なくとも第２の量子ドット検出器からなる、請求項１５０に記載の集積デバイス。
【請求項１５３】
前記センサーが、少なくとも２つの空間的に分離された検出器からなる、請求項３０に記載の集積デバイス。
【請求項１５４】
前記センサーが、少なくとも２つの環状のセクター検出器からなる、請求項３０に記載の集積デバイス。
【請求項１５５】
前記センサーが、少なくとも２つのストライプ検出器からなる、請求項３０に記載の集積デバイス。
【請求項１５６】
前記センサーが、クワドラント・パターンに配置されている少なくとも２つの検出器からなる、請求項３０に記載の集積デバイス。
【請求項１５７】
前記センサーが、少なくとも２つのスタックされた検出器からなる、請求項３０に記載の集積デバイス。
【請求項１５８】
読み出し回路をさらに含み、前記読み出し回路は、２つ以上の空間的に分離された検出器によって検出される前記サンプルからの４つの異なるエミッション・エネルギーの検出を判別する、請求項１５０〜１５７のいずれか１項に記載の集積デバイス。
【請求項１５９】
前記センサー及び読み出し回路が、ＣＭＯＳ回路エレメントからなる、請求項１５８に記載の集積デバイス。
【請求項１６０】
前記検出器の高感度表面が、前記試料に関する屈折率よりも高い第１の光学的な屈折率を有する材料から形成されている、請求項１５０〜１５７のいずれか１項に記載の集積デバイス。
【請求項１６１】
前記センサーが、少なくとも１つの検出器に隣接して形成された少なくとも１つの臨界結合された共振器をさらに含んでなり、臨界結合された共振器は、前記サンプル・ウェルからの第１のエミッションに関連付けられる第１の波長が入ることを許すように、及び、前記サンプル・ウェルからの第２のエミッションに関連付けられる第２の波長を実質的にブロックする、請求項１５０〜１５７のいずれか１項に記載の集積デバイス。
【請求項１６２】
前記少なくとも１つの臨界結合された共振器が、少なくとも１つの誘電体層から形成されている、請求項１６１に記載の集積デバイス。
【請求項１６３】
前記少なくとも１つの励起供給源が、おおよそ３５０ｎｍからおおよそ１０００ｎｍの間の特性波長を有する光学的な放射線の少なくとも１つの供給源からなり、少なくとも１つのサンプル・ウェルを励起する、請求項３０に記載の集積デバイス。
【請求項１６４】
前記少なくとも１つの励起供給源が、おおよそ１ミクロンからおおよそ５ミクロンの間の特性波長を有する光学的な放射線の少なくとも１つの供給源からなり、少なくとも１つのサンプル・ウェルを励起する、請求項３０に記載の集積デバイス。
【請求項１６５】
前記少なくとも１つの励起供給源が、
第１の特性波長を有する励起エネルギーの第１の供給源であって、少なくとも第１のサンプル・ウェルを励起する、第１の供給源と、
前記第１の特性波長とは異なる第２の特性波長を有する励起エネルギーの第２の供給源であって、少なくとも第２のサンプル・ウェルを励起する、第２の供給源と、
からなる、請求項３０に記載の集積デバイス。
【請求項１６６】
前記少なくとも１つの励起供給源が、前記複数のピクセルの第１のグループを同時に励起する単一の励起供給源である、請求項３０に記載の集積デバイス。
【請求項１６７】
前記少なくとも１つの励起供給源が、前記サンプル・ウェルと前記センサーとの間に位置付けされている、請求項３０，１６３〜１６６のいずれか１項に記載の集積デバイス。
【請求項１６８】
前記サンプル・ウェルが、前記少なくとも１つの励起供給源と前記センサーとの間に位置付けされている、請求項３０，１６３〜１６６のいずれか１項に記載の集積デバイス。
【請求項１６９】
前記少なくとも１つの励起供給源が、前記エネルギー伝達粒子を励起する前記サンプル・ウェルに整合させられたナノ・スケール半導体接合を含む、請求項８３に記載の集積デバイス。
【請求項１７０】
前記少なくとも１つの励起供給源が、有機発光ダイオード（ＯＬＥＤ）からなる、請求項３０，１６３〜１６８のいずれか１項に記載の集積デバイス。
【請求項１７１】
前記ＯＬＥＤの電極が、前記サンプル・ウェルがその中に形成されている導電層から形成されている、請求項１７０に記載の集積デバイス。
【請求項１７２】
前記サンプル・ウェルに隣接する前記電極の中にパターニングされている表面特徴をさらに含み、前記表面特徴は、前記ＯＬＥＤによって励起される表面波を増強するように、及び、励起エネルギーを前記励起領域に送達するように配置されている、請求項１７１に記載の集積デバイス。
【請求項１７３】
前記表面特徴が、表面プラズモン構造体からなる、請求項１７２に記載の集積デバイス。
【請求項１７４】
前記少なくとも１つの励起供給源が、コヒーレント光供給源からなる、請求項３０，１６３〜１６５，１６７，１６８のいずれか１項に記載の集積デバイス。
【請求項１７５】
前記少なくとも１つの励起供給源が、少なくとも１つのサンプル・ウェルに励起エネルギーを提供するようにそれぞれ配置されている複数のＯＬＥＤ、ＰｈＯＬＥＤ、ＱＬＥＤ、ＬＥＤ、レーザ・ダイオード、又はＶＣＳＥＬからなる、請求項３０，１６３〜１６５，１６７，１６８のいずれか１項に記載の集積デバイス。
【請求項１７６】
少なくとも１つのサンプル・ウェルが、前記少なくとも１つの励起供給源のうちの１つの
励起供給源の中に、又は、前記少なくとも１つの励起供給源のうちの１つの励起供給源に直接隣接して、形成されている、請求項１７５に記載の集積デバイス。
【請求項１７７】
前記少なくとも１つの励起供給源からの出力波長及び／又は強度を安定化させるための手段をさらに含む、請求項１７５に記載の集積デバイス。
【請求項１７８】
前記少なくとも１つの励起供給源が、１つ又は複数の量子ドットからなる、請求項３０，１６３〜１６８のいずれか１項に記載の集積デバイス。
【請求項１７９】
前記１つ又は複数の量子ドットが、電気的に刺激される、請求項１７８に記載の集積デバイス。
【請求項１８０】
前記１つ又は複数の量子ドットからの前記励起エネルギーが、非放射プロセスを介して前記サンプルにカップリングされている、請求項１７８又は１７９に記載の集積デバイス。
【請求項１８１】
前記少なくとも１つの励起供給源が、前記サンプル・ウェルに隣接して形成された半導体ｐ−ｎ接合又はｐ−ｉ−ｎ接合を含んでなる、請求項３０，１６３〜１６８のいずれか１項に記載の集積デバイス。
【請求項１８２】
前記ｐ−ｎ接合又はｐ−ｉ−ｎ接合が、励起されたドナー又はアクセプターのうちの少なくとも一方からのエネルギーを前記サンプルに非放射で伝達する、請求項１８１に記載の集積デバイス。
【請求項１８３】
前記ｐ−ｎ接合又はｐ−ｉ−ｎ接合が、前記サンプル・ウェルの中へ電荷キャリアを注入し、前記サンプルを励起させる、請求項１８１に記載の集積デバイス。
【請求項１８４】
前記回路が、前記集積デバイスの外部のコンピューティング・デバイスへデータを送信するための、及び、前記集積デバイスの外部のコンピューティング・デバイスからデータを受信するための、通信インターフェースを含む、請求項３０に記載の集積デバイス。
【請求項１８５】
前記通信インターフェースが、ＵＳＢインターフェース、Ｔｈｕｎｄｅｒｂｏｌｔインターフェース、又は高速デジタル・インターフェースのうちの少なくとも１つからなる、請求項１８４に記載の集積デバイス。
【請求項１８６】
前記コンピューティング・デバイスが、パーソナル・コンピュータ、ラップトップ・コンピュータ、タブレット・コンピュータ、パーソナル・デジタル・アシスタント、スマート・フォン、又はモバイル・デバイスからなる、請求項３０又は１８４に記載の集積デバイス。
【請求項１８７】
前記回路が、マルチ・チャネル・アナログ−デジタル・コンバータを含むＣＭＯＳ回路からなる、請求項３０，１８４〜１８５のいずれか１項に記載の集積デバイス。
【請求項１８８】
前記ＣＭＯＳ回路が、少なくとも１つのフィールド・プログラマブル・ゲート・アレイ（ＦＰＧＡ）、又は、少なくとも１つの特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）のうちの少なくとも１つを含んでなる、請求項３０，１８４〜１８７のいずれか１項に記載の集積デバイス。
【請求項１８９】
前記ＣＭＯＳ回路が、少なくとも１つのＣＭＯＳ回路エレメントに関して電気的な接続又はグランド平面を提供する金属層からなり、前記少なくとも１つの励起供給源のための電極は、それから形成されている、請求項３０，１８４〜１８７のいずれか１項に記載の集
積デバイス。
【請求項１９０】
少なくとも１つのサンプル・ウェルが、前記金属層の中に形成されている、請求項１８９に記載の集積デバイス。
【請求項１９１】
少なくとも１つのプロセッサーと、
請求項３０に記載の集積デバイスを受け入れるためのドックと、
大部分の外部光が前記ドックに進入することを遮断するカバーと、
前記集積デバイスの上の第２の複数の電気接点に接続する第１の複数の電気接点であって、電力が、前記第１の複数の電気接点の少なくともいくつかを通して、前記集積デバイスに提供され得、それぞれのセンサーからの前記少なくとも１つの信号が、前記第１の複数の電気接点の少なくともいくつかを通して受け取られ得る、第１の複数の電気接点と、からなる、ポータブル機器。
【請求項１９２】
前記第１の複数の電気接点が、ユーザ・リムーバブルのインターポーザの上に形成されている、請求項１９１に記載のポータブル機器。
【請求項１９３】
前記第１の複数の電気接点が、ユーザ交換可能なインターポーザの上の第３の複数の接点に接触する、請求項１９１に記載のポータブル機器。
【請求項１９４】
通信インターフェースをさらに含み、前記通信インターフェースは、ＵＳＢインターフェース、Ｔｈｕｎｄｅｒｂｏｌｔインターフェース、又は高速デジタル・インターフェースをさらに含む、請求項１９１〜１９３のいずれか１項に記載のポータブル機器。
【請求項１９５】
複数のサンプルを並行して分析する分析方法において、
基板の表面において、サンプルを含有する試料を受け入れる工程と、
前記基板の上の複数のピクセルの中に位置付けされている複数のサンプル・ウェルの中に、懸濁流体からのサンプルを保持する工程と、
少なくとも１つの励起供給源から前記サンプル・ウェルのうちの１つ又は複数に励起エネルギーを提供する工程と、
少なくとも前記複数のピクセルのうちの１つに関して、
前記サンプル・ウェルからエミッションを受け取るように配置されているセンサーにおいて、サンプル・ウェルからのエミッションを検出する工程と、
前記検出されたエミッションを表している、前記センサーからの信号セットを受け取る工程と、
前記信号セットの分析に基づいて、前記サンプル・ウェルの中に保持されているサンプルの特質を特定する工程と、
からなる、方法。
【請求項１９６】
前記信号セットが、前記エミッションから前記センサーによって作り出される２つのノン・ゼロ信号からなり、前記エミッションの空間的な分布又は時間的な分布のうちの少なくとも一方を表している、請求項１９５に記載の方法。
【請求項１９７】
前記センサーが、マルチ・セグメント・センサーからなる、請求項１９５又は１９６に記載の方法。
【請求項１９８】
前記信号セットを分析する工程をさらに含む、請求項１９５〜１９７のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１９９】
分析する前記工程が、
前記信号セットの中の信号の比率を評価する工程と、
前記評価された比率に基づいて、前記エミッションを発生させたエミッターのタイプを特定する工程と、
からなる、請求項１９５〜１９８のいずれか１項に記載の方法。
【請求項２００】
前記少なくとも１つの励起供給源が、少なくとも１つのナノ・スケール励起供給源からなり、前記少なくとも１つのナノ・スケール励起供給源は、それぞれのピクセルの中に形成され、前記１つ又は複数のサンプル・ウェルに整合させられている、請求項１９５〜１９９のいずれか１項に記載の方法。
【請求項２０１】
前記ナノ・スケール励起供給源が、発光ダイオード、垂直方向のレーザ・ダイオード、又は垂直共振器面発光レーザからなる、請求項２００に記載の方法。
【請求項２０２】
少なくとも１つのサンプル・ウェルの横断方向の寸法、及び、前記少なくとも１つのサンプル・ウェルに整合させられているナノ・スケール励起供給源の横断方向の寸法が、２００ｎｍ未満である、請求項２００又は２０１に記載の方法。
【請求項２０３】
サンプル・ウェル、及び、前記サンプル・ウェルに整合させられた光学的な構造体を製作するための方法において、
基板の上に配設されている第１のレジスト層の中に、前記サンプル・ウェルのためのパターン、及び、前記光学的な構造体のためのパターンを、同じパターニング工程で形成する工程と、
前記サンプル・ウェルの少なくとも前記パターンを第２のレジスト層によって被覆する工程と、
前記光学的な構造体のパターンを前記基板の中へエッチングする工程と、
前記第２のレジスト層によって被覆されていない前記第１のレジスト層の一部分を除去する工程と、
前記第２のレジスト層を除去する工程と、
前記基板の上に材料を堆積させる工程と、
前記第１のレジスト層の残りの部分を除去する工程と、
からなる、方法。
【請求項２０４】
前記サンプル・ウェルのためのパターンを形成する工程が、５００ｎｍ未満の直径を有する前記第１のレジスト層の中に円筒形状のピラーを形成する工程からなる、請求項２０３に記載の方法。
【請求項２０５】
前記光学的な構造体のためのパターンを形成する工程が、円形のグレーチングのパターンを形成する工程からなり、前記サンプル・ウェルのための前記パターンが、前記円形のグレーチングの前記パターンの中央に位置付けされている、請求項２０３又は２０４に記載の方法。
【請求項２０６】
前記基板の上に材料を堆積させる工程が、導電層を堆積させる工程からなる、請求項２０３〜２０５のいずれか１項に記載の方法。
【請求項２０７】
前記基板の上に材料を堆積させる工程が、導電層を含む複数の層を堆積させる工程からなる、請求項２０３〜２０５のいずれか１項に記載の方法。
【請求項２０８】
前記第１のレジスト層の前記残りの部分を除去する工程が、前記堆積された材料の中にサンプル・ウェルを画定する、請求項２０３〜２０７のいずれか１項に記載の方法。
【請求項２０９】
前記基板が、光学的に透明な材料からなる、請求項２０３〜２０８のいずれか１項に記載の方法。
【請求項２１０】
サンプル・ウェル、及び、前記サンプル・ウェルに整合させられた光学的な構造体を製作するための方法において、
基板の上に配設されている第１の層の中に、前記サンプル・ウェルのためのパターン、及び、前記光学的な構造体のためのパターンを、同じパターニング工程で形成する工程と、
前記サンプル・ウェル及び前記光学的な構造体の前記パターンを前記基板の中へエッチングする工程と、
前記サンプル・ウェルの少なくとも前記パターンをレジスト層によって被覆する工程と、
前記基板の上に材料を堆積させる工程であって、前記材料は、前記光学的な構造体の前記パターンの前記エッチングから前記基板の中へエッチングされたボイドを充填する、工程と、
前記レジスト層を除去する工程と、
からなる、方法。
【請求項２１１】
前記第１の層が、導電性材料からなる、請求項２１０に記載の方法。
【請求項２１２】
前記光学的な構造体が、円形のグレーチングからなる、請求項２１０又は２１１に記載の方法。
【請求項２１３】
前記基板が、光学的に透明である、請求項２１０〜２１２に記載の方法。
【請求項２１４】
前記レジスト層を除去する工程が、５００ｎｍ未満の横断方向の寸法を有し、かつ、前記基板の中へエッチングされた前記サンプル・ウェルの底部においてディボットを含む、サンプル・ウェルを残す、請求項２１０〜２１３に記載の方法。
【請求項２１５】
サンプル・ウェルに整合させられたナノ・スケール励起供給源を形成する方法であって、
基板の絶縁層の中へビアをエッチングする工程であって、前記基板は、半導体層、前記半導体層に隣接する絶縁層、及び、前記絶縁層に隣接する第１の導電層からなる、工程と、
前記ビアの壁部の上に犠牲コーティングを形成する工程と、
前記半導体層まで前記ビアをエッチングする工程と、
第１の導電タイプを有する半導体ピラーを前記半導体層から前記ビアの中にエピタキシャルに成長させる工程と、
からなる、方法。
【請求項２１６】
前記ピラーの一部分において、前記ピラーの壁部を露出させるために、前記犠牲コーティングを除去する工程と、
第２の導電タイプを有する半導体層を前記ピラーの前記一部分の上にエピタキシャルに成長させる工程と、
第２の導電層を前記半導体層の上にコンフォーマルに堆積させる工程であって、前記第２の導電層は、前記第１の導電層に電気的に接続する、工程と、
をさらに含む、請求項２１５に記載の方法。
【請求項２１７】
前記半導体ピラー及び半導体層が、発光ダイオード又はレーザ・ダイオードからなる、請求項２１６に記載の方法。
【請求項２１８】
前記半導体ピラー及び半導体層が、半導体ダイオードからなる、請求項２１６に記載の方法。
【請求項２１９】
前記第１の導電層に最も近い前記エピタキシャルに成長した半導体ピラーの端部が、前記第１の導電層の最も近い表面からある距離に存在している、請求項２１６に記載の方法。
【請求項２２０】
前記ビアの充填されていない領域が、サンプル・ウェルを形成する、請求項２１９に記載の方法。
【請求項２２１】
前記半導体ピラーの横断方向の寸法が、２００ｎｍ未満である、請求項２１５〜２２０のいずれか１項に記載の方法。
【請求項２２２】
前記絶縁層が、光学的に透明である、請求項２１５〜２２１のいずれか１項に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、生物学的な試料及び化学的な試料の分析、及び、生物学的なサンプル及び化学的なサンプルに関わる反応のためのデバイス及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
生物学的な試料及び化学的な試料の分析は、従来から、大きくて高価な実験機器を使用して行われており、機器を動作させ、結果を解読するように訓練された熟練した科学者を必要とする場合がある。試料は、医療目的のために、たとえば、病原菌又はウイルス、特定の化学物質、及び、抗原又は抗体など、試料の中の１つ又は複数の分析対象の存在を決定するために分析され得る。いくつかのケースでは、バイオアッセイは、蛍光タグを用いてサンプルにタグを付けることによって行われ、蛍光タグは、特定の波長の光を放出する。タグは、励起光供給源によって照射され、蛍光発光を引き起こすことが可能である。蛍光発光は、フォトディテクターによって検出され、信号は、サンプルについての特質を決定するために分析される。蛍光タグを使用するバイオアッセイは、従来から、サンプルを照射するように配置された高価なレーザ光供給源及びオプティクスを必要とする。アッセイは、サンプルからの蛍光発光を収集するように配置されている大型の高価な収集オプティクスと、信号を処理するための高価な電子的な機器類とをさらに必要とする可能性がある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
従来の分析機器は、典型的に高価であり、熟練したオペレータを必要とするので、分析されることとなる試料は、プロセッシングのためのオン・サイト又はオフ・サイトの設備に送られる必要がある場合がある。これにより、試料のルーチン分析にも関連付けられるかなりの遅れ及びコストがもたらされる可能性がある。たとえば、患者は、患者によって提供された試料についての臨床検査の結果を知るために、数日間待ち、医院への再診をスケジュールしなければならない可能性がある。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本明細書で説明されている技術は、モバイル・コンピューティング機器とインターフェース接続され得るアクティブ・ソース・ピクセル（ａｃｔｉｖｅ−ｓｏｕｒｃｅ−ｐｉｘｅｌ）、集積デバイスを使用して、試料を迅速に分析するための装置及び方法に関する。集積デバイスは、使い捨てのもしくはリサイクル可能なラボ・オン・チップ、又は、パッケージ化されたモジュールの形態であることが可能であり、それは、少量の試料を受け入れるように、及び、試料の中のサンプルの多数の分析を並行して実行するように構成されている。集積デバイスが使用され、いくつかの実施形態では、特定の化学的な又は生物学的な分析対象の存在を検出し、いくつかの実施形態では、化学的な又は生物学的な反応を評価し、いくつかの実施形態では、遺伝子配列を決定することが可能である。いくつかの実施形態によれば、集積デバイスは、単一分子遺伝子シークエンシングのために使用され得る。
【０００５】
いくつかの実施形態によれば、ユーザは、集積デバイスの上のチャンバーの中に試料を堆積させ、受け入れ機器の中へ集積デバイスを挿入する。受け入れ機器は、単独で、又は、コンピュータと通信して、集積デバイスと自動的にインターフェース接続し、集積デバイスからのデータを受け取り、受け取られたデータを処理し、分析の結果をユーザに提供する。理解され得るように、チップ、受け入れ機器、及び／又はコンピュータの上の集積
及びコンピューティング知能は、ユーザから必要とされる技能レベルを低減させる。
【０００６】
実施形態は、核酸分子をシークエンシングするための方法を含む。いくつかの実施形態によれば、核酸分子をシークエンシングする第１の方法は、基板の上の第１のピクセルに形成されているサンプル・ウェルに励起エネルギーを提供する工程と、第１のピクセルに形成されているセンサーにおいて、サンプル・ウェルからの第１のエミッションを受け取る工程であって、第１のエミッションは、異なるタイプの核酸サブユニットの中からの１つのタイプの核酸サブユニットに関連付けられる、工程と、からなることが可能である。方法は、受け取られた第１のエミッションを表す第１の信号及び第２の信号を、センサーによって作り出す工程と、第１の信号及び第２の信号を分析する工程と、第１の信号及び第２の信号の分析に基づいて、核酸サブユニットのタイプを特定する工程と、をさらに含むことが可能である。
【０００７】
第１の方法のいくつかの態様では、励起エネルギーを提供する工程が、第１のピクセルに形成された励起供給源を活性化させる工程からなることが可能である。いくつかの実施形態では、励起供給源が、有機発光ダイオードからなることが可能である。いくつかの実施形態では、励起供給源が、サンプル・ウェルに自己整合されるマイクロ・スケール又はナノ・スケール励起供給源からなることが可能である。いくつかの態様では、ナノ・スケール励起供給源が、発光ダイオード、レーザ・ダイオード、又は、垂直方向キャビティーの面発光レーザからなることが可能である。発光ダイオード、レーザ・ダイオード、又は、垂直方向キャビティーの面発光レーザは、マイクロ・スケール又はナノ・スケールの垂直方向に成長したレーザ・ダイオードであることが可能であり、それは、エピタキシャル成長によって形成され、サンプル・ウェルに対して整合させられる。励起供給源の横断方向の寸法は、いくつかの実施形態では５００ｎｍ未満であることが可能であり、いくつかの実施形態では、２００ｎｍ未満であることが可能である。いくつかの態様では、ナノ・スケール励起供給源は、半導体ダイオードからなることが可能である。いくつかの実施形態では、励起供給源、サンプル・ウェル、及びセンサーは、基板の上に形成された複数のピクセルの第１のピクセルの中に位置付けされており、複数のピクセルのそれぞれは、それぞれの励起供給源、サンプル・ウェル、及びセンサーからなる。
【０００８】
第１の方法のいくつかの実施形態によれば、サンプル・ウェルが、ゼロ・モード導波路又はサブ・カットオフ・ナノアパーチャからなる。いくつかの態様では、第１のエミッションが、第１の信号及び第２の信号の両方のノン・ゼロ信号レベルを決定する。いくつかの実施形態では、センサーが、少なくとも２つの空間的に分離されたフォトディテクター・セグメントからなり、第１の信号及び第２の信号が、第１のエミッションの第１のスペクトル・バンドに関する空間的な分布パターンを表している。
【０００９】
いくつかの態様によれば、第１の方法は、第１の時間において第１の信号を獲得し、第２の時間において第２の信号を獲得する工程をさらに含むことが可能である。第１の信号及び第２の信号は、第１のエミッションに関するセンサーにおいて、同じ電荷蓄積期間の間に獲得され得る。この電荷蓄積期間の間に、及び、第１の信号及び第２の信号を獲得する間に、センサーの１つ又は複数の電荷蓄積ノードにおける１つ又は複数の電圧は、リセットされなくてもよい。いくつかの実施形態では、分析する工程が、第１の信号及び第２の信号に関する信号レベルの比率を評価する工程からなる。
【００１０】
第１の方法の態様及び実施形態に関連付けられる先述の特徴及び行為は、任意の適切な組み合わせで、核酸分子をシークエンシングする方法の１つ又は複数の実施形態の中に含まれ得る。
【００１１】
いくつかの実施形態によれば、ターゲット核酸分子をシークエンシングするための第２
の方法は、集積デバイスを提供する工程であって、集積デバイスは、（ｉ）該ターゲット核酸分子、重合酵素、及び、複数のタイプのヌクレオチド又はヌクレオチド類似体を含有するサンプル・ウェル、ならびに、（ｉｉ）励起エネルギーを該サンプル・ウェルに方向付けする少なくとも１つの励起供給源を含む、工程と、該重合酵素の存在下で、該ターゲット核酸分子のプライミング場所において、伸長反応を実施し、該ヌクレオチド又はヌクレオチド類似体を、該ターゲット核酸分子に相補的な成長する鎖の中へ順次組み込む工程であって、該励起供給源からの励起エネルギーによる組み込み及び励起が起こると、該ヌクレオチド又はヌクレオチド類似体は、該サンプル・ウェルからのエミッションを作り出す、工程と、からなることが可能である。第２の方法は、該サンプル・ウェルからの該エミッションを受け取るように構成されているセンサーにおいて、該エミッションを検出する工程と、それぞれの検出されたエミッションに関するセンサーから信号セットを受け取る工程であって、信号セットは、該検出されたエミッションの空間的な及び／又は時間的な分布を表しており、ヌクレオチド又はヌクレオチド類似体のタイプを区別する、工程と、該受け取られる信号セットに基づいて、ヌクレオチド又はヌクレオチド類似体のタイプを特定し、それによって該ターゲット核酸分子をシークエンシングする工程と、をさらに含むことが可能である。
【００１２】
第２の方法のいくつかの態様では、前記ヌクレオチド又はヌクレオチド類似体が、タグを含み、タグは、前記成長する鎖の中に組み込むと、前記エミッションを作り出す。前記タグが、発光性タグであることが可能である。いくつかの実施形態では、前記ヌクレオチド又はヌクレオチド類似体が、前記信号セットを検出することに続いて特定される。いくつかの態様では、前記複数のタイプのヌクレオチド又はヌクレオチド類似体が、４つの異なるタイプのヌクレオチド又はヌクレオチド類似体を含むことが可能であり、前記信号セットが、該４つの異なるタイプのヌクレオチド又はヌクレオチド類似体に関連付けられており、互いから区別可能である。前記空間的な分布パターンが、前記エミッションの波長に基づいて区別可能であることが可能である。
【００１３】
第２の方法のいくつかの実施形態では、前記プライミング場所が、前記ターゲット核酸分子に相補的なプライマーを含む。いくつかの態様では、伸長反応を実施する工程が、前記プライマーを使用してプライマー伸長反応を実施する工程からなり、プライマーは、前記ターゲット核酸分子に対してハイブリダイズされ、前記成長する鎖を生み出す。いくつかの態様では、前記ターゲット核酸分子が、二本鎖である。いくつかの態様では、前記プライミング場所が、前記ターゲット核酸分子の中のギャップ又はニックである。いくつかの実施形態では、前記重合酵素が、前記ウェルの中に固定化されている。いくつかの実施形態では、前記重合酵素が、前記ウェルの底部部分において固定化されている。いくつかの実施形態では、前記重合酵素が、前記ウェルの表面に取り付けられるリンカーを使用して固定化されている。いくつかの実施形態では、前記重合酵素が、鎖置換活性を示す。
【００１４】
第２の方法のいくつかの実施形態によれば、前記サンプル・ウェルが、前記集積デバイスの中の複数のサンプル・ウェルの間にある。いくつかの態様では、前記集積デバイスが、前記複数のサンプル・ウェルに動作可能にカップリングされる複数の励起供給源を含む。いくつかの態様によれば、前記集積デバイスが、前記複数のサンプル・ウェルからのエミッションを受け取るように構成されている複数のセンサーを含む。
【００１５】
第２の方法の態様及び実施形態に関連付けられる先述の特徴及び行為は、任意の適切な組み合わせで、ターゲット核酸分子をシークエンシングする方法の１つ又は複数の実施形態の中に含まれ得る。
【００１６】
集積デバイスのさまざまな実施形態が考えられる。いくつかの実施形態によれば、複数のサンプルを並行して分析するための集積デバイスは、基板の上に配置されている複数の
ピクセルからなることが可能であり、複数のピクセルの個々のピクセルは、（ｉ）生物学的なサンプルを保持するように構成されている励起領域を有するサンプル・ウェル、（ｉｉ）サンプル・ウェルに隣接して、又は、サンプル・ウェルの中に位置付けされている第１の構造体であって、第１の構造体は、励起領域の中への少なくとも励起エネルギーのカップリングに影響を及ぼすように構成されている、第１の構造体、ならびに、（ｉｉｉ）センサーを含むセンシング・システムであって、センサーは、サンプル・ウェルからの少なくとも２つの異なるエミッションの間を差別するように構成されており、２つの異なるエミッションは、スペクトルの差及び／又は時間的な差からなる、センシング・システムからなる。第１の構造体は、センサーに対するサンプル・ウェルからのエミッションのカップリングに追加的に影響を及ぼすことが可能である。集積デバイスは、励起エネルギーをサンプル・ウェルに提供するように配置されている、基板の上の少なくとも１つの励起供給源と、センサーからの少なくとも１つの信号を受け取るように基板の上に配置されている回路と、をさらに含むことが可能である。
【００１７】
集積デバイスのいくつかの態様では、第１の構造体は、第１の構造体が、第１の構造体において励起されるプラズモンを介して、励起領域の中への励起エネルギーのカップリングを改善する、３次元の、マイクロ・スケールの、又はナノ・スケールのプラズモニック構造体からなる。いくつかの実施形態では、第１の構造体が、少なくともいくらかの励起エネルギーを受け取り、かつ、励起領域の中のサンプルに励起エネルギーを非放射で伝達する、分子又は量子ドットからなる。いくつかの実施形態では、第１の構造体が、励起領域の中のサンプルにエネルギーを非放射で送達するように構成されている少なくとも１つの半導体デバイスからなる。いくつかの実施形態では、第１の構造体が、励起領域の中の励起エネルギーの強度を増加させるマイクロ光学的な構造体又はナノ光学的な構造体からなる。
【００１８】
集積デバイスのいくつかの実施形態では、ピクセルが、第２の構造体をさらに含み、第２の構造体は、サンプル・ウェルに隣接して位置付けされており、サンプル・ウェルは、サンプル・ウェルから放出された放射線を、放出された放射線の波長に依存する複数の異なる空間的な分布の中へ方向付けするように、及び、複数の異なる方向のそれぞれの方向に放出された放射線を濃縮するように構成されている。いくつかの実施形態によれば、センシング・システムが、励起領域の中のサンプルからエネルギーを非放射で受け取るように構成されている少なくとも１つの分子又は量子ドットからなる。いくつかの実施形態によれば、センシング・システムが、励起領域の中のサンプルからエネルギーを非放射で受け取るように構成されている少なくとも１つの半導体デバイスからなる。
【００１９】
集積デバイスのいくつかの態様では、複数のピクセルが、基板の上にＮｘＭのアレイで配置されており、ここで、Ｎは、アレイが第１の方向に延在するピクセルの数であり、Ｍは、アレイが第２の方向に延在するピクセルの数である。いくつかの態様では、Ｎ及びＭのそれぞれが、５０個のピクセルから１０００００個のピクセルの間の値を有している。
【００２０】
いくつかの実施形態によれば、集積デバイスが、試料を保持するように構成されている、複数のピクセルの周りに形成された壁付きチャンバーをさらに含むことが可能である。いくつかの実施形態では、試料が、流体試料であることが可能である。集積デバイスが、壁付きチャンバーの外部の光が複数のピクセルを照射することを防止するために、壁付きチャンバーを閉じるように配置されているカバーをさらに含むことが可能である。いくつかの実施形態では、集積デバイス及びチャンバーが、機器の受け入れドックの接点との電気的な接続のために配置されている外部電気接点を有する単一のモジュールの中にパッケージ化されている。
【００２１】
集積デバイスのいくつかの態様によれば、サンプル・ウェルが、少なくとも材料の第１
の層の中のサブ・カットオフ・ナノアパーチャからなる。集積デバイスのいくつかの態様によれば、サンプル・ウェルが、材料の第１の層の中に形成されたサブ・カットオフ・ナノアパーチャからなる。いくつかの態様では、集積デバイスが、第１の層に隣接する光学的に透明な材料の中へサンプル・ウェルから延在するディボットをさらに含み、励起領域が、ディボットを含む。いくつかの態様では、光学的に透明な材料が、誘電体である。いくつかの態様では、第１の層が、導電層である。いくつかの実施形態では、導電層が、サンプル・ウェルに隣接する少なくとも１つの集積されたエレメントの電極を含む。いくつかの実施形態では、少なくとも１つの集積されたエレメントが、有機発光ダイオードである。
【００２２】
集積デバイスのいくつかの実施形態では、集積デバイス及びサンプル・ウェルが、懸濁流体の中のサンプルを受け取るように配置されている。いくつかの実施形態では、サンプル・ウェルの壁部が、長手方向に湾曲している。いくつかの実施形態では、サンプル・ウェルの壁部は、テーパが付けられている。いくつかの実施形態によれば、テーパが付けられた壁部が、サンプル・ウェルの第１の端部において、試料に隣接して開口部を形成しており、サンプル・ウェルの第１の端部は、サンプル・ウェルの第２の端部におけるサンプル・ウェルのエントランス・アパーチャよりも断面が小さい。
【００２３】
いくつかの態様によれば、集積デバイスが、サンプル・ウェルの中に形成されたプラズモニック構造体をさらに含み、プラズモニック構造体は、励起領域の中の励起エネルギーを増強する。いくつかの実施形態では、サンプル・ウェルが、励起エネルギーが受け取られるエントランス・アパーチャからなる。いくつかの実施形態では、エントランス・アパーチャの直径が、励起エネルギーの特性波長よりも小さい。いくつかの実施形態では、アパーチャの直径が、おおよそ３０ナノメートルからおおよそ２５０ナノメートルの間である。いくつかの実施形態では、アパーチャの直径が、おおよそ５００ナノメートルよりも小さい。
【００２４】
いくつかの実施形態によれば、集積デバイスが、サンプル・ウェルから間隔を置いて配置された反射体をさらに含み、反射体、及び、サンプル・ウェルがその中に形成されている材料は、共鳴キャビティー又は共振器を含み、共鳴キャビティー又は共振器は、励起領域における励起エネルギーの強度を増加させる。いくつかの態様では、反射体が、反射スタックであることが可能である。いくつかの実施形態では、サンプル・ウェルが、励起領域の中に配置されている付着物質（ａｄｈｅｒｅｎｔ）をさらに含む。付着物質は、励起領域の中にサンプルを保持するように構成され得る。付着物質は、少なくともサンプル・ウェル及び／又はディボットの底部表面の上に配設され得る。いくつかの実施形態では、付着物質が、ビオチンであることが可能である。いくつかの態様では、付着物質は、おおよそ１ミリ秒からおおよそ１秒の間の時間の期間にわたりサンプルを保持するように構成されている。いくつかの態様では、付着物質は、サンプル・ウェルの中の少なくとも１つの表面の上に形成されている生物学的な物質又は化学的な物質からなる。いくつかの実施形態では、付着物質が、分子、酵素、タンパク質、小分子、抗体、リガンド、又は抗原からなる。
【００２５】
集積デバイスのいくつかの実施形態によれば、サンプル・ウェルが、サンプル・ウェルの中に配置されているインヒビターをさらに含み、インヒビターは、サンプル・ウェルの少なくとも１つの表面に対するサンプルの付着を阻止するように構成されている。インヒビターが、サンプル・ウェル及び／又はディボットの壁部の上のコーティングからなることが可能である。いくつかの実施形態では、インヒビターが、サンプル・ウェルの壁部に対するサンプルの付着を阻止する不動態化層からなることが可能である。いくつかの実施形態では、サンプル・ウェルが、第１の構造体からおおよそ３０ｎｍの距離の中にサンプルを保持するように構成されている。たとえば、付着物質が、第１の構造体の３０ｎｍ以
内に、サンプル・ウェルの表面の上に位置付けされ得る。いくつかの実施形態によれば、サンプル・ウェルの少なくとも一部分が、半導体接合に隣接して位置付けされている。いくつかの態様では、サンプル・ウェルの少なくとも一部分が、半導体接合の１００ｎｍ以内に位置付けされている。
【００２６】
集積デバイスのいくつかの実施形態では、第１の構造体が、励起エネルギーの特性周波数に関する共鳴構造体からなり、サンプル・ウェルが、共鳴構造体のカップリング領域に対応する位置に位置決めされている。カップリング領域が、共鳴構造体の中の、又は、共鳴構造体に隣接する領域であることが可能であり、そこでは、励起エネルギーが、共鳴構造体の中の又は共鳴構造体に隣接する他の領域と比較して、増加された強度で、サンプル・ウェルの中へカップリングする。たとえば、カップリング領域は、共鳴構造体の中の増加された強度のノードにあることが可能である。いくつかの態様では、共鳴構造体が、サンプル・ウェルと同じ層の中に位置付けされている。いくつかの実施形態では、共鳴構造体が、サンプル・ウェルの周りに形成されたフォトニック結晶からなることが可能である。いくつかの実施形態では、共鳴構造体が、サンプル・ウェルとは異なる層の中に位置付けされている。いくつかの態様では、共鳴構造体が、Ｇｉｒｅ−Ｔｏｕｒｎｏｉｓ共振器である。いくつかの実施形態では、共鳴構造体が、線形共振器又はリング共振器である。いくつかの実施形態では、共鳴構造体が、分布Ｂｒａｇｇ反射体からなる。
【００２７】
集積デバイスのいくつかの実施形態によれば、第１の構造体が、少なくとも１つのエネルギー伝達粒子からなり、少なくとも１つのエネルギー伝達粒子は、励起エネルギーを受け取るように、及び、変換されたエネルギーをサンプルに非放射で送達するように配置されている。いくつかの実施形態では、励起エネルギーが、フェルスター共鳴エネルギー移動（ＦＲＥＴ）、ダブル電子エネルギー伝達、又はデクスター・エネルギー移動（ＤＥＴ）を介して、サンプルに送達される。
【００２８】
第１の構造体がプラズモニック構造体からなる、集積デバイスのいくつかの実施形態によれば、プラズモニック構造体が、サンプル・ウェルの中に位置付けされており、励起領域の中の励起エネルギーを増強する。いくつかの実施形態では、プラズモニック構造体が、導電性材料から形成されたナノ粒子からなる。いくつかの態様によれば、プラズモニック構造体が、サンプル・ウェルに隣接して位置付けされており、励起領域の中の励起エネルギーを増強する。いくつかの態様では、プラズモニック構造体が、ナノ・アンテナからなる。いくつかの実施形態では、プラズモニック構造体が、共鳴構造体からなる。いくつかの実施形態では、プラズモニック構造体が、プラズモニック線形共振器又はリング共振器からなる。いくつかの態様では、プラズモニック構造体が、デバイスの少なくとも１つの電極の中に形成されており、少なくとも１つの電極は、サンプル・ウェルに隣接して位置付けされている。いくつかの実施形態では、プラズモニック構造体が、２つ以上の周波数において共鳴するように構成されており、２つ以上の周波数は、励起エネルギーの特性周波数、及び／又は、サンプル・ウェルからのエミッションの特性周波数を含む。
【００２９】
集積デバイスのいくつかの態様によれば、第１の構造体が、リンカーを通してサンプルにコンジュゲートされた少なくとも１つのエネルギー伝達粒子からなり、エネルギー伝達粒子は、励起エネルギーの少なくとも一部分をサンプルに非放射で伝達するように選択される。いくつかの実施形態では、第１の構造体が、サンプル・ウェルの中に配置されている複数のエネルギー伝達粒子からなり、励起エネルギーが、エネルギー伝達粒子のうちの少なくとも１つからサンプルに非放射で伝達され得るようになっている。いくつかの態様では、少なくとも１つのエネルギー伝達粒子が、フェルスター共鳴エネルギー移動（ＦＲＥＴ）を介して、サンプルにエネルギーを伝達するように適合されている。いくつかの実施形態によれば、第１の構造体が、サンプル・ウェルに隣接して配置されている複数のエネルギー伝達粒子からなり、励起エネルギーが、エネルギー伝達粒子のうちの少なくとも
１つからサンプルに非放射で伝達され得るようになっている。いくつかの実施形態では、少なくとも１つのエネルギー伝達粒子が、量子ドットからなる。いくつかの態様では、少なくとも１つのエネルギー伝達粒子が、励起エネルギーの第１の特性周波数を、エネルギー伝達粒子からサンプルに送達されるエネルギーに関する少なくとも１つのより高い特性周波数に変換する。いくつかの態様によれば、第１の特性周波数に対応する波長が、約９００ｎｍから約１１００ｎｍの間にあり、より高い特性周波数に対応する少なくとも１つの波長が、約４８０ｎｍから約７００ｎｍの間にある。いくつかの態様では、少なくとも１つのエネルギー伝達粒子が、励起エネルギーの第１の特性周波数を、エネルギー伝達粒子からサンプルに送達されるエネルギーに関するより低い特性周波数に変換する。いくつかの態様によれば、第１の特性周波数に対応する波長が、約５００ｎｍから約７００ｎｍの間にあり、より低い特性周波数に対応する波長が、約６２０ｎｍから約７２０ｎｍの間にある。いくつかの実施形態では、複数のエネルギー伝達粒子が、サンプル・ウェルがその中に形成されている層から分離されている層の中に配置されている。
【００３０】
第１の構造体が半導体デバイスからなる、集積デバイスのいくつかの実施形態によれば、半導体デバイスが、サンプル・ウェルに隣接して形成された少なくとも１つの半導体層からなり、集積デバイスが、半導体層とサンプル・ウェルとの間に形成されているエネルギー伝達粒子の層をさらに含み、エネルギー伝達粒子の層は、少なくとも１つの半導体層からサンプル・ウェルの中のサンプルへエネルギーを伝達するように適合されている。粒子からサンプルへのエネルギー伝達は、放射プロセス（たとえば、アップ・コンバート又はダウン・コンバート）、又は、非放射プロセス（たとえば、ＦＲＥＴ又はＤＥＴ）によることが可能である。いくつかの実施形態では、半導体層とエネルギー伝達粒子の層との間のエネルギー伝達、又は、エネルギー伝達粒子の層とサンプルとの間のエネルギー伝達が、非放射的である。いくつかの態様では、半導体デバイスが、サンプル・ウェルに隣接して形成された少なくとも１つの半導体層からなり、集積デバイスが、サンプル・ウェルの中のサンプルにコンジュゲートされた少なくとも１つのエネルギー伝達粒子をさらに含み、少なくとも１つのエネルギー伝達粒子は、少なくとも１つの半導体層からサンプルへエネルギーを伝達するように適合されている。いくつかの実施形態によれば、半導体層と少なくとも１つのエネルギー伝達粒子との間のエネルギー伝達、又は、少なくとも１つのエネルギー伝達粒子とサンプルとの間のエネルギー伝達が、非放射的である。いくつかの態様では、半導体層と少なくとも１つのエネルギー伝達粒子との間のエネルギー伝達、及び、少なくとも１つのエネルギー伝達粒子とサンプルとの間のエネルギー伝達が、非放射的である。いくつかの実施形態では、半導体デバイスが、ｐ−ｎ接合を含む。いくつかの実施形態では、半導体デバイスが、有機半導体からなる。いくつかの実施形態では、半導体デバイスが、無機半導体からなる。いくつかの態様によれば、少なくとも１つの半導体層からサンプルへ伝達されるエネルギーの少なくともいくらかは、フェルスター共鳴エネルギー移動（ＦＲＥＴ）を介する。
【００３１】
集積デバイスのいくつかの実施形態によれば、第１の構造体が、サンプル・ウェルの周りに形成された２次元の又は３次元のフォトニック結晶からなる。いくつかの態様では、フォトニック結晶が、サンプル・ウェルにおいて欠陥を含む。いくつかの態様では、フォトニック結晶が、第１の屈折率を有するマイクロ構造体の非周期的なアレイからなり、第１の屈折率は、周期的なアレイがその中に形成されている層の第２の屈折率とは異なっている。いくつかの実施形態によれば、第１の構造体が、励起領域において励起エネルギーを集中させるように構成されている回折光学素子からなる。
【００３２】
集積デバイスのいくつかの実施形態では、第１の構造体が、サンプル・ウェルに隣接する薄い損失性膜からなる。いくつかの実施形態では、集積デバイスが、薄い損失性膜とサンプル・ウェルとの間に配設されている誘電体層をさらに含む。いくつかの態様では、薄い損失性膜の屈折率が、励起エネルギーの波長における薄い損失性膜の吸光係数と同じ桁
数の中にある。いくつかの態様では、薄い損失性膜が、シリコンもしくはゲルマニウム、又は、それらの組み合わせから形成されている。いくつかの態様では、薄い損失性膜の厚さが、おおよそ３ｎｍからおおよそ８０ｎｍの間である。いくつかの実施形態では、薄い損失性膜が、少なくとも２つの異なる材料の複数の層を含む。いくつかの実施形態では、薄い損失性膜が、有機材料からなる。いくつかの実施形態では、薄い損失性膜が、無機材料からなる。
【００３３】
集積デバイスのいくつかの実施形態によれば、第１の構造体が、マイクロキャビティーからなり、マイクロキャビティーは、サンプル・ウェルに隣接して位置付けされており、励起領域において励起エネルギーを集中させるように構成されている。いくつかの態様では、マイクロキャビティーが、励起エネルギーの波長を含む２つ以上の光学波長において共鳴するように構成されている。いくつかの態様では、第１の構造体が、サンプル・ウェルに隣接して形成されたＧｉｒｅｓ−Ｔｏｕｒｎｅｏｉｓ共鳴構造体からなる。いくつかの態様では、Ｇｉｒｅｓ−Ｔｏｕｒｎｅｏｉｓ共鳴構造体が、励起エネルギーの波長を含む２つ以上の光学波長において共鳴するように構成されている。いくつかの実施形態によれば、Ｇｉｒｅｓ−Ｔｏｕｒｎｅｏｉｓ共鳴構造体の第１の反射体が、サンプル・ウェルがその中に形成されている導電層からなる。いくつかの態様では、Ｇｉｒｅｓ−Ｔｏｕｒｎｅｏｉｓ共鳴構造体の第２の反射体が、導電層に隣接して形成されている多層スタックからなる。
【００３４】
集積デバイスのいくつかの実施形態によれば、センシング・システムが、センサーにおける励起エネルギーの量を抑制するように構成されている波長差別フィルターからなる。いくつかの態様では、波長差別フィルターが、多層スタックからなる。いくつかの実施形態では、波長差別フィルターが、周波数選択性表面からなる。周波数選択性表面は、周波数選択性表面を横断する光学的な放射線の振幅及び／又は位相に影響を及ぼす振幅及び／又は位相構造体を含む、ピクセルの中にパターニングされた層からなることが可能である。いくつかの実施形態によれば、センシング・システムが、励起供給源からの少なくともいくらかの励起エネルギーをブロックする光シールドからなる。いくつかの実施形態では、センシング・システムが、少なくとも１つの光学位相マスクからなる。位相マスクは、位相マスクを横断する光学的な放射線の位相に影響を及ぼす位相構造体を含む、ピクセルの中のパターニングされた層からなることが可能である。いくつかの実施形態では、位相マスクは、位相マスクを横断する光学的な放射線の振幅に目に見えて影響を及ぼさないことが可能である。
【００３５】
サンプル・ウェルから放出された放射線を複数の異なる空間的な分布の中へ方向付けするように構成されている、サンプル・ウェルに隣接して位置付けされている第２の構造体を含む、集積デバイスのいくつかの実施形態によれば、第２の構造体が、プラズモニック構造体からなる。いくつかの実施形態では、プラズモニック構造体が、サンプル・ウェルの光学的な近接場の中に形成されている。いくつかの実施形態では、プラズモニック構造体が、サンプル・ウェルがその中に形成されている同じ層の中に少なくとも部分的に形成されている。いくつかの態様によれば、プラズモニック構造体が、複数の環状の突起部からなり、複数の環状の突起部は、層の中に形成されており、サンプル・ウェルに中心を合わせられている。いくつかの実施形態では、複数の環状の突起部のそれぞれの間の半径方向の距離が、おおよそ同じである。いくつかの実施形態では、複数の環状の突起部のそれぞれの間の半径方向の距離が、おおよそ２５ナノメートルからおおよそ６００ナノメートルの間である。いくつかの実施形態では、プラズモニック構造体が、スパイラル・グレーチングからなる。いくつかの実施形態では、プラズモニック構造体が、ナノ・アンテナ・アレイからなる。いくつかの実施形態によれば、ナノ・アンテナ・アレイが、ターゲット体積の周りに分散された円形ホールのアレイからなり、ホールが、導電層の中に形成されている。いくつかの態様では、ホールがその中に形成されている導電層が、サンプル・ウ
ェルがその中に形成されている同じ層である。いくつかの態様によれば、円形ホールが、複数の異なる直径のものである。いくつかの実施形態では、ナノ・アンテナ・アレイが、サンプル・ウェルの周りに分散された円形ディスクのアレイからなり、ディスクが、導電性材料の中に形成されている。いくつかの態様によれば、円形ディスクが、複数の異なる直径のものである。いくつかの実施形態では、プラズモニック構造体が、金、銅、ロジウム、アルミニウム、チタン、クロム、ニッケル、パラジウム、プラチナ、及び銀からなる群から選択される１つ又は複数の金属から構成された少なくとも１つの層からなる。
【００３６】
サンプル・ウェルから放出された放射線を複数の異なる空間的な分布の中へ方向付けするように構成されている、サンプル・ウェルに隣接して位置付けされている第２の構造体を含む、集積デバイスのいくつかの実施形態によれば、第２の構造体が、サンプル・ウェルの光学的な遠視野の中に形成された光学的な構造体からなる。いくつかの実施形態では、第２の構造体が、回折光学素子からなる。いくつかの態様では、回折光学素子が、円形のグレーチングである。いくつかの態様では、回折光学素子が、スパイラル・グレーチングである。いくつかの態様では、回折光学素子が、アパーチャ・アレイである。いくつかの実施形態では、第２の構造体が、ゾーン・プレートからなる。いくつかの実施形態によれば、第２の構造体が、マイクロレンズをさらに含む。いくつかの実施形態では、第２の構造体が、誘電体共鳴アンテナからなる。いくつかの実施形態では、第２の構造体が、フレネル・レンズからなる。
【００３７】
センシング・システムが、サンプルからのエネルギーを非放射で受け取るように構成されている少なくとも１つの分子又は量子ドットからなる、集積デバイスのいくつかの実施形態によれば、少なくとも１つの分子又は量子ドットが、サンプル・ウェルに隣接してデバイスの中に配置され、受け取られるエネルギーを電気信号に変換し、電気信号は、ＣＭＯＳ回路によって検出される。いくつかの実施形態では、半導体デバイスが、サンプル・ウェルに隣接して位置付けされているｐ−ｎ接合を含み、受け取られるエネルギーを電気信号に変換するように構成されており、電気信号は、ＣＭＯＳ回路によって検出される。
【００３８】
集積デバイスのいくつかの態様では、センサーが、ブルズ・アイ・フォトディテクターからなり、ブルズ・アイ・フォトディテクターは、中央光検出器と、中央光検出器から間隔を置いて配置され、中央光検出器を取り囲む、少なくとも１つのリング形状の光検出器とを有している。いくつかの実施形態では、中央光検出器が、第１のフォトダイオードからなり、少なくとも１つのリング形状の光検出器が、少なくとも第２のフォトダイオードからなる。いくつかの実施形態では、中央光検出器が、第１の量子ドット検出器からなり、少なくとも１つのリング形状の光検出器が、少なくとも第２の量子ドット検出器からなる。いくつかの実施形態によれば、センサーが、少なくとも２つの空間的に分離された検出器からなる。いくつかの態様では、センサーが、少なくとも２つの環状のセクター検出器からなる。いくつかの態様では、センサーが、少なくとも２つのストライプ検出器からなる。いくつかの態様では、センサーが、クワドラント・パターンに配置されている少なくとも２つの検出器からなる。いくつかの実施形態では、センサーが、少なくとも２つのスタックされた検出器からなる。いくつかの実施形態によれば、集積デバイスが、読み出し回路をさらに含むことが可能であり、読み出し回路は、２つ以上の空間的に分離された検出器によって検出されるサンプルからの４つの異なるエミッション・エネルギーの検出を判別するように構成されている。いくつかの実施形態では、センサー及び読み出し回路が、ＣＭＯＳ回路エレメントからなる。いくつかの実施形態によれば、検出器の高感度表面が、試料に関する屈折率よりも高い第１の光学的な屈折率を有する材料から形成されている。いくつかの態様では、センサーが、少なくとも１つの検出器に隣接して形成された少なくとも１つの臨界結合された共振器をさらに含み、臨界結合された共振器は、サンプル・ウェルからの第１のエミッションに関連付けられる第１の波長が入ることを許すように、及び、サンプル・ウェルからの第２のエミッションに関連付けられる第２の波長を実
質的にブロックするように構成されている。臨界結合された共振器が、共鳴キャビティーを有することが可能であり、共鳴キャビティーは、サンプル・ウェルからのエミッションの特性波長の２分の１、又は、その整数倍である（臨界結合された共振器キャビティーの屈折率によって修正されるように）。いくつかの態様では、少なくとも１つの臨界結合された共振器が、少なくとも１つの誘電体層から形成されている。
【００３９】
集積デバイスのいくつかの実施形態では、少なくとも１つの励起供給源が、おおよそ３５０ｎｍからおおよそ１０００ｎｍの間の特性波長を有する光学的な放射線の少なくとも１つの供給源からなり、少なくとも１つのサンプル・ウェルを励起するように構成されている。いくつかの態様では、少なくとも１つの励起供給源が、おおよそ１ミクロンからおおよそ５ミクロンの間の特性波長を有する光学的な放射線の少なくとも１つの供給源からなり、少なくとも１つのサンプル・ウェルを励起するように構成されている。いくつかの実施形態では、少なくとも１つの励起供給源が、第１の特性波長を有する励起エネルギーの第１の供給源であって、少なくとも第１のサンプル・ウェルを励起するように構成されている、第１の供給源と、第１の特性波長とは異なる第２の特性波長を有する励起エネルギーの第２の供給源であって、少なくとも第２のサンプル・ウェルを励起するように構成されている、第２の供給源と、からなる。いくつかの実施形態によれば、少なくとも１つの励起供給源が、複数のピクセルの第１のグループを同時に励起するように構成されている単一の励起供給源である。いくつかの実施形態では、少なくとも１つの励起供給源が、サンプル・ウェルとセンサーとの間に位置付けされている。いくつかの実施形態では、サンプル・ウェルが、少なくとも１つの励起供給源とセンサーとの間に位置付けされている。
【００４０】
集積デバイスのいくつかの実施形態によれば、少なくとも１つの励起供給源が、エネルギー伝達粒子を励起するように構成されているサンプル・ウェルに整合させられたナノ・スケール半導体接合を含む。いくつかの実施形態では、ナノ・スケール半導体接合が、サンプル・ウェルに自己整合されている。いくつかの態様では、少なくとも１つの励起供給源が、有機発光ダイオード（ＯＬＥＤ）からなる。いくつかの実施形態では、ＯＬＥＤの電極が、サンプル・ウェルがその中に形成されている導電層から形成されている。いくつかの実施形態では、表面特徴が、サンプル・ウェルに隣接する電極の中にパターニングされており、表面特徴は、ＯＬＥＤによって励起される表面波を増強するように、及び、励起エネルギーを励起領域に送達するように配置されている。いくつかの態様では、表面特徴が、表面プラズモン構造体からなる。
【００４１】
集積デバイスのいくつかの実施形態によれば、少なくとも１つの励起供給源が、コヒーレント光供給源からなる。いくつかの実施形態では、少なくとも１つの励起供給源が、少なくとも１つのサンプル・ウェルに励起エネルギーを提供するようにそれぞれ配置されている複数のＯＬＥＤ、ＰｈＯＬＥＤ、ＱＬＥＤ、ＬＥＤ、レーザ・ダイオード、又はＶＣＳＥＬからなる。いくつかの態様では、少なくとも１つのサンプル・ウェルが、少なくとも１つの励起供給源のうちの１つの励起供給源の中に、又は、少なくとも１つの励起供給源のうちの１つの励起供給源に直接隣接して、形成されている。いくつかの態様では、集積デバイスが、少なくとも１つの励起供給源からの出力波長及び／又は強度を安定化させるための手段をさらに含む。いくつかの実施形態では、少なくとも１つの励起供給源が、１つ又は複数の量子ドットからなる。いくつかの態様では、１つ又は複数の量子ドットが、電気的に刺激される。いくつかの実施形態では、１つ又は複数の量子ドットからの励起エネルギーが、非放射プロセスを介してサンプルにカップリングされている。
【００４２】
集積デバイスのいくつかの実施形態では、少なくとも１つの励起供給源が、サンプル・ウェルに隣接して形成された半導体ｐ−ｎ接合又はｐ−ｉ−ｎ接合を含む。いくつかの態様では、ｐ−ｎ接合又はｐ−ｉ−ｎ接合が、励起されたドナー及び／又はアクセプターか
らのエネルギーをサンプルに非放射で伝達するように構成されている。いくつかの態様では、ｐ−ｎ接合又はｐ−ｉ−ｎ接合が、サンプル・ウェルの中へ電荷キャリアを注入し、サンプルを励起させるように構成されている。
【００４３】
集積デバイスのいくつかの実施形態によれば、回路が、集積デバイスの外部のコンピューティング・デバイスへデータを送信するための、及び、集積デバイスの外部のコンピューティング・デバイスからデータを受信するための、通信インターフェースを含む。いくつかの実施形態では、通信インターフェースが、ＵＳＢインターフェース、Ｔｈｕｎｄｅｒｂｏｌｔインターフェース、及び／又は高速デジタル・インターフェースからなる。いくつかの態様では、コンピューティング・デバイスが、パーソナル・コンピュータ、ラップトップ・コンピュータ、タブレット・コンピュータ、パーソナル・デジタル・アシスタント、スマート・フォン、又はモバイル・デバイスからなる。いくつかの実施形態によれば、回路が、マルチ・チャネル・アナログ−デジタル・コンバータを含むＣＭＯＳ回路からなる。いくつかの態様では、ＣＭＯＳ回路が、少なくとも１つのフィールド・プログラマブル・ゲート・アレイ（ＦＰＧＡ）、及び／又は、少なくとも１つの特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）を含む。いくつかの実施形態では、ＣＭＯＳ回路が、少なくとも１つのＣＭＯＳ回路エレメントに関して電気的な接続又はグランド平面を提供する金属層からなり、少なくとも１つの励起供給源のための電極は、それから形成されている。いくつかの実施形態では、少なくとも１つのサンプル・ウェルが、金属層の中に形成されている。
【００４４】
集積デバイスの態様及び実施形態に関連付けられる先述の特徴及び機能性は、任意の適切な組み合わせで、集積デバイスの１つ又は複数の実施形態の中に含まれ得る。いくつかの実施形態では、集積デバイスは、先述の特徴及び機能性の任意の適切な組み合わせを有する、複数のサンプル・ウェル、励起供給源、及びセンサーからなることが可能である。さらに、集積デバイスの上の複数のサンプル・ウェル、励起供給源、及びセンサーは、集積デバイスのいくつかの実施形態に関して実質的に同一であることが可能であるが、一方、他の実施形態では、サンプル・ウェル、励起供給源、及びセンサーは、集積デバイスにわたって異なることが可能である。たとえば、サンプル・ウェル、励起供給源、及びセンサーのグループが、集積デバイスの上に存在することが可能であり、それぞれのグループは、サンプル・ウェル、励起供給源、及び／又はセンサーに関連付けられる先述の特徴及び機能性の区別可能なサブセットを有している。
【００４５】
また、集積デバイスを受け入れるように、及び、集積デバイスと通信するように構成され得る機器も考えられる。いくつかの実施形態によれば、集積デバイスを受け入れるように、及び、集積デバイスと通信するように構成されているポータブル機器は、少なくとも１つのプロセッサーと、上記実施形態のいずれかに記載の集積デバイスを受け入れるように構成されているドックと、大部分の外部光がドックに進入することを遮断するように構成されているカバーと、集積デバイスの上の第２の複数の電気接点に接続するように構成されている第１の複数の電気接点であって、電力が、第１の複数の電気接点の少なくともいくつかを通して、集積デバイスに提供され得、それぞれのセンサーからの少なくとも１つの信号が、第１の複数の電気接点の少なくともいくつかを通して受け取られ得る、第１の複数の電気接点と、からなることが可能である。いくつかの実施形態では、第１の複数の電気接点が、ユーザ・リムーバブルのインターポーザの上に形成されている。いくつかの実施形態では、第１の複数の電気接点が、ユーザ交換可能なインターポーザの上の第３の複数の接点に接触するように構成されている。いくつかの実施形態によれば、ポータブル機器が、通信インターフェースをさらに含み、通信インターフェースは、ＵＳＢインターフェース、Ｔｈｕｎｄｅｒｂｏｌｔインターフェース、又は高速デジタル・インターフェースをさらに含む。
【００４６】
いくつかの実施形態によれば、複数のサンプルを並行して分析する第３の方法は、基板
の表面において、サンプルを含有する試料を受け入れる工程と、基板の上の複数のピクセルの中に位置付けされている複数のサンプル・ウェルの中に、懸濁流体からのサンプルを保持する工程と、少なくとも１つの励起供給源からサンプル・ウェルのうちの１つ又は複数に励起エネルギーを提供する工程と、からなることが可能である。第３の方法は、少なくとも複数のピクセルのうちの１つに関して、サンプル・ウェルからエミッションを受け取るように配置されているセンサーにおいて、サンプル・ウェルからのエミッションを検出する工程と、検出されたエミッションを表している、センサーからの信号セットを受け取る工程と、信号セットの分析に基づいて、サンプル・ウェルの中に保持されているサンプルの特質を特定する工程と、をさらに含むことが可能である。
【００４７】
第３の方法のいくつかの実施形態では、信号セットが、エミッションからセンサーによって作り出される２つのノン・ゼロ信号からなり、エミッションの空間的な分布及び／又は時間的な分布を表している。いくつかの態様では、センサーが、マルチ・セグメント・センサーからなる。いくつかの実施形態では、第３の方法が、信号セットを分析する工程をさらに含む。いくつかの実施形態では、分析する工程が、信号セットの中の信号の比率を評価する工程と、評価された比率に基づいて、エミッションを発生させたエミッターのタイプを特定する工程と、からなる。いくつかの実施形態によれば、少なくとも１つの励起供給源が、少なくとも１つのナノ・スケール励起供給源からなり、少なくとも１つのナノ・スケール励起供給源は、それぞれのピクセルの中に形成され、１つ又は複数のサンプル・ウェルに整合させられている。いくつかの態様では、ナノ・スケール励起供給源が、発光ダイオード、垂直方向のレーザ・ダイオード、又は垂直共振器面発光レーザからなる。いくつかの実施形態では、少なくとも１つのサンプル・ウェルの横断方向の寸法、及び、少なくとも１つのサンプル・ウェルに整合させられているナノ・スケール励起供給源の横断方向の寸法が、２００ｎｍ未満である。
【００４８】
第３の方法の態様及び実施形態に関連付けられる先述の特徴及び行為は、任意の適切な組み合わせで、複数のサンプルを並行して分析する方法の１つ又は複数の実施形態の中に含まれ得る。
【００４９】
また、集積デバイスの製作に関連付けられる方法も考えられる。いくつかの実施形態によれば、サンプル・ウェル、及び、サンプル・ウェルに整合させられた光学的な構造体を製作するための第１の方法は、基板の上に配設されている第１のレジスト層の中に、サンプル・ウェルのためのパターン、及び、光学的な構造体のためのパターンを、同じパターニング工程で形成する行為と、サンプル・ウェルの少なくともパターンを第２のレジスト層によって被覆する行為と、光学的な構造体のパターンを基板の中へエッチングする行為と、第２のレジスト層によって被覆されていない第１のレジスト層の一部分を除去する行為と、第２のレジスト層を除去する行為と、基板の上に材料を堆積させる行為と、第１のレジスト層の残りの部分を除去する行為と、からなることが可能である。
【００５０】
サンプル・ウェルを製作するための第１の方法のいくつかの実施形態では、サンプル・ウェルのためのパターンを形成する行為が、５００ｎｍ未満の直径を有する第１のレジスト層の中に円筒形状のピラーを形成する行為からなる。いくつかの実施形態では、光学的な構造体のためのパターンを形成する行為が、円形のグレーチングのパターンを形成する行為からなり、サンプル・ウェルのためのパターンが、円形のグレーチングのパターンの中央に位置付けされている。いくつかの態様によれば、基板の上に材料を堆積させる行為が、導電層を堆積させる行為からなる。いくつかの態様によれば、基板の上に材料を堆積させる行為が、導電層を含む複数の層を堆積させる行為からなる。いくつかの実施形態によれば、第１のレジスト層の残りの部分を除去する行為が、堆積された材料の中にサンプル・ウェルを画定する。いくつかの実施形態では、基板が、光学的に透明な材料からなる。
【００５１】
サンプル・ウェルを形成するための第１の方法の態様及び実施形態に関連付けられる先述の特徴及び行為は、任意の適切な組み合わせで、サンプル・ウェルを形成するための方法の１つ又は複数の実施形態の中に含まれ得る。
【００５２】
いくつかの実施形態によれば、サンプル・ウェルを製作するための第２の方法は、基板の上に配設されている第１のレジスト層の中に、サンプル・ウェルのためのパターン、及び、光学的な構造体のためのパターンを、同じパターニング工程で形成する工程と、サンプル・ウェル及び光学的な構造体のパターンを基板の中へエッチングする工程と、サンプル・ウェルの少なくともパターンをレジスト層によって被覆する工程と、基板の上に材料を堆積させる工程であって、材料は、光学的な構造体のパターンのエッチングから基板の中へエッチングされたボイドを充填する、工程と、レジスト層を除去する工程と、からなることが可能である。いくつかの実施形態では、第１の層が、導電性材料からなる。いくつかの態様では、光学的な構造体が、円形のグレーチングからなる。いくつかの実施形態では、基板が、光学的に透明である。いくつかの実施形態によれば、レジスト層を除去する工程が、５００ｎｍ未満の横断方向の寸法を有し、かつ、基板の中へエッチングされたサンプル・ウェルの底部においてディボットを含む、サンプル・ウェルを残す。
【００５３】
サンプル・ウェルを形成するための第２の方法の態様及び実施形態に関連付けられる先述の特徴及び行為は、任意の適切な組み合わせで、サンプル・ウェルを形成するための方法の１つ又は複数の実施形態の中に含まれ得る。
【００５４】
また、励起供給源を製作するための方法も考えられる。いくつかの実施形態によれば、サンプル・ウェルに整合させられたナノ・スケール励起供給源を形成する方法は、基板の絶縁層の中へビアをエッチングする工程であって、基板は、半導体層、半導体層に隣接する絶縁層、及び、絶縁層に隣接する第１の導電層からなる、工程と、ビアの壁部の上に犠牲コーティングを形成する工程と、半導体層までビアをエッチングする工程と、第１の導電タイプを有する半導体ピラーを半導体層からビアの中にエピタキシャルに成長させる工程と、からなることが可能である。いくつかの実施形態では、ピラーの一部分において、ピラーの壁部を露出させるために、犠牲コーティングを除去する工程と、第２の導電タイプを有する半導体層をピラーの一部分の上にエピタキシャルに成長させる工程と、第２の導電層を半導体層の上にコンフォーマルに堆積させる工程であって、第２の導電層は、第１の導電層に電気的に接続する、工程と、をさらに含むことが可能である。いくつかの態様では、半導体ピラー及び半導体層が、発光ダイオード又はレーザ・ダイオードからなる。いくつかの態様では、半導体ピラー及び半導体層が、半導体ダイオードからなる。いくつかの実施形態では、第１の導電層に最も近いエピタキシャルに成長した半導体ピラーの端部が、第１の導電層の最も近い表面からある距離に存在している。いくつかの実施形態では、ビアの充填されていない領域が、サンプル・ウェルを形成する。いくつかの実施形態によれば、半導体ピラーの横断方向の寸法が、２００ｎｍ未満である。いくつかの態様では、絶縁層が、光学的に透明である。
【００５５】
励起供給源を形成するための方法の態様及び実施形態に関連付けられる先述の特徴及び行為は、任意の適切な組み合わせで、励起供給源を形成するための方法の１つ又は複数の実施形態の中に含まれ得る。
【００５６】
先述の方法及びデバイスは単一のエレメント（たとえば、サンプル・ウェル、励起供給源、センサー、励起カップリング構造体、エミッション・カップリング構造体）を参照して説明されている可能性があるが、方法は、並行して実施され、（たとえば、マイクロ・ファブリケーション・プロセス及びナノ・ファブリケーション・プロセスを使用して）多数のデバイスを並行して製作することが可能である。さらに、デバイスは、集積デバイス
の上に多数配置され得る。
【００５７】
「ピクセル」という用語は、本開示において、集積デバイスの単位セルを表すために使用され得る。単位セルは、サンプル・ウェル及びセンサーを含むことが可能である。単位セルは、励起供給源をさらに含むことが可能である。単位セルは、サンプル・ウェルへの励起供給源からの励起エネルギーのカップリングを増強するように構成されている、少なくとも１つの励起カップリング光学的な構造体（それは、「第１の構造体」と称され得る）をさらに含むことが可能である。単位セルは、センサーへのサンプル・ウェルからのエミッションのカップリングを増強するように構成されている、少なくとも１つのエミッション・カップリング構造体をさらに含むことが可能である。単位セルは、集積された電子デバイス（たとえば、ＣＭＯＳデバイス）をさらに含むことが可能である。集積デバイスの上にアレイで配置されている複数のピクセルが存在することが可能である。
【００５８】
「光学的な」という用語は、本開示において、可視、近赤外線、及び短波長赤外線スペクトル・バンドを表すために使用され得る。
「タグ」という用語は、本開示において、分析されることになるサンプルに取り付けられているか、又は、サンプルと反応させられ得る反応物質に取り付けられている、タグ、プローブ、マーカ、又はレポータを表すために使用され得る。
【００５９】
「励起エネルギー」という語句は、本開示において、サンプル・ウェルの中のサンプル及び／又はタグに送達されるエネルギーの任意の形態（たとえば、放射又は非放射）を表すために使用され得る。放射励起エネルギーは、１つ又は複数の特性波長における光学的な放射線からなることが可能である。
【００６０】
「特性波長」という語句は、本開示において、放射線の限定されたバンド幅の中の中央の又は支配的な波長を表すために使用され得る。いくつかのケースでは、それは、放射線のバンド幅のピーク波長を表すことが可能である。フルオロフォアの特性波長の例は、５６３ｎｍ、５９５ｎｍ、６６２ｎｍ、及び６８７ｎｍである。
【００６１】
「特性エネルギー」という語句は、本開示において、特性波長に関連付けられるエネルギーを表すために使用され得る。
「エミッション」という用語は、本開示において、タグ及び／又はサンプルからのエミッションを表すために使用され得る。これは、放射エミッション（たとえば、光学的なエミッション）、又は、非放射エネルギー伝達（たとえば、デクスター・エネルギー移動もしくはフェルスター共鳴エネルギー移動）を含むことが可能である。エミッションは、サンプル・ウェルの中のサンプル及び／又はタグの励起から結果として生じる。
【００６２】
「サンプル・ウェルからのエミッション」又は「サンプルからのエミッション」という語句は、本開示において、サンプル・ウェルの中のタグ及び／又はサンプルからのエミッションを表すために使用され得る。また、「サンプル・ウェルからのエミッション」という語句は、本開示において、サンプル・ウェルの中のキャリブレーション粒子（たとえば、蛍光ポリスチレン・ビード、量子ドットなど）からのエミッションを表すために使用され得る。
【００６３】
「自己整合される」という用語は、本開示において、第１のリソグラフィック・パターニング工程（たとえば、フォトリソグラフィー、イオン−ビーム・リソグラフィー、ＥＵＶリソグラフィー）が、第１のエレメントのパターンをプリントし、第２のリソグラフィック・パターニング工程が、第１のリソグラフィック・パターニング工程に整合させられ、ａ第２のエレメントのパターンをプリントするという、２つの別々のリソグラフィック・パターニング工程を使用することなく、少なくとも２つの別個のエレメント（たとえば
、サンプル・ウェル及びエミッション・カップリング構造体、サンプル・ウェル及び励起供給源）が、互いに対して製作及び整合させられ得る、マイクロ製作プロセスを表すために使用され得る。自己整合されるプロセスは、単一のリソグラフィック・パターニング工程において、第１のエレメント及び第２のエレメントの両方のパターンを含むことからなることが可能であり、又は、第１のエレメントの製作された構造体の特徴を使用して、第２のエレメントを形成することからなることが可能である。
【００６４】
「センサー」という用語は、本開示において、サンプル・ウェルからのエミッションを感知し、感知されたエミッションを表す少なくとも１つの電気信号を作り出すように構成されている、１つ又は複数の集積回路デバイスを表すために使用され得る。
【００６５】
「ナノ・スケール」という用語は、本開示において、１５０ナノメートル（ｎｍ）以下であるが、おおよそ５００ｎｍよりは大きくないオーダの少なくとも１つの寸法又は最小特徴サイズを有する構造体を表すために使用され得る。
【００６６】
「マイクロ・スケール」という用語は、本開示において、おおよそ５００ｎｍからおおよそ１００ミクロンの間の少なくとも１つの寸法又は最小特徴サイズを有する構造体を表すために使用され得る。
【００６７】
「ナノアパーチャ」という用語は、本開示において、材料の少なくとも１つの層の中のナノ・スケール開口部又はアパーチャを表すために使用され得る。たとえば、開口部の直径又は幅は、おおよそ５００ｎｍ未満である。
【００６８】
「ナノホール」という用語は、本開示において、材料の少なくとも１つの層の中に形成されたナノ・スケール・ホールを表すために使用され得る。ナノホールは、ナノアパーチャよりも大きい長さ又は長手方向の寸法を有することが可能である。
【００６９】
「サブ・カットオフ・ナノアパーチャ」という用語は、本開示において、導波路構造体へ入射し得る放射線の選択された波長に関する伝播モードをサポートしない導波路構造体を表すために使用され得る。たとえば、選択された波長は、導波路構造体に関するカットオフ波長よりも長いことが可能であり、また、パワーは、導波路の中へ指数関数的に減衰する。
【００７０】
「増強される励起エネルギー」という語句は、本開示において、サンプル・ウェルの励起領域における励起エネルギーの強度を増加させるということを表すために使用され得る。強度は、たとえば、サンプル・ウェルへ入射する励起エネルギーを集中及び／又は共鳴させることによって、増加させられ得る。いくつかのケースでは、強度は、励起エネルギーがサンプル・ウェルの励起領域の中へさらに浸透することを可能にする反射防止コーティング又は損失性層によって、増加させられ得る。励起エネルギーの増強は、サンプル・ウェルの励起領域における励起エネルギーを増強する構造体を含まない実施形態に対する比較参照であることが可能である。
【００７１】
「約」、「おおよそ」、及び「実質的に」という用語は、本開示において、値を表すために使用され得、基準値プラス及びマイナス許容可能な変化を包含することが意図されている。変化の量は、いくつかの実施形態では、５％未満であることが可能であり、いくつかの実施形態では、１０％未満であることが可能であり、さらに、いくつかの実施形態では、２０％未満であることが可能である。たとえば、１つ又は複数の桁数を含む範囲など、大きい範囲の値にわたって、装置が適正に機能することができる実施形態では、変化の量は、２倍となる可能性がある。たとえば、２０から３５０の範囲にある値に関して装置が適正に機能する場合には、「おおよそ８０」は、４０から１６０の間の値を包含するこ
とが可能である。
【００７２】
「隣接して」という用語は、本開示において、互いに対して極めて接近して配置されている２つのエレメントを表すために使用され得る（たとえば、ピクセルの横断方向の又は垂直方向の寸法の約５分の１よりも小さい距離以内）。いくつかのケースでは、隣接するエレメントの間に、介在構造体又は層が存在することが可能である。いくつかのケースでは、隣接するエレメントは、介在構造体又はエレメントがない状態で、互いに対して直接隣接していることが可能である。
【００７３】
「検出する」という用語は、本開示において、サンプル・ウェルからのエミッションをセンサーにおいて受け取るということ、及び、エミッションを表し、又はエミッションに関連付けられる、少なくとも１つの電気信号を作り出すことを表すために使用され得る。また、「検出する」という用語は、本開示において、サンプル・ウェルからのエミッションに基づいて、サンプル・ウェルの中の特定のサンプル又はタグの存在を決定すること、又は、サンプル・ウェルの中の特定のサンプル又はタグの特質を特定することを表すために使用され得る。
【００７４】
本教示の先述の及び他の態様、実施形態、行為、機能性、特徴、及び、実施形態は、添付の図面に関連する以下の説明からより完全に理解され得る。
当業者は、本明細書で説明されている図は、単に図示目的のためのものであるということを理解することとなる。いくつかの場合には、本発明のさまざまな態様は、本発明の理解を促進させるために、誇張して又は拡大して示されている可能性があるということが理解されるべきである。図面において、同様の参照文字は、全体的に、さまざまな図を通して、同様の特徴、機能的に同様のエレメント、及び／又は、構造的に同様のエレメントを表している。図面は、必ずしも実寸ではなく、その代わりに、本教示の原理を図示する際に強調されている。図面は、決して、本教示の範囲を限定することを意図していない。
【図面の簡単な説明】
【００７５】
【図１−１】いくつかの実施形態による、エミッション波長スペクトルを示す図。
【図１−２Ａ】いくつかの実施形態による、吸収波長スペクトルを示す図。
【図１−２Ｂ】いくつかの実施形態による、エミッション波長スペクトルを示す図。
【図２−１】いくつかの実施形態による、生物学的な試料及び化学的な試料の迅速なモバイル分析のために使用され得るコンパクトな装置のブロック・ダイアグラム図。
【図２−２】いくつかの実施形態による、集積デバイスを示す図。
【図２−３】いくつかの実施形態による、コンピューティング・システムを示す図。
【図３−１】１つの実施形態による、集積デバイスのピクセル領域の中に形成されているサンプル・ウェルを示す図。
【図３−２】いくつかの実施形態による、サンプル・ウェルへ入射する励起エネルギーを示す図。
【図３−３】いくつかの実施形態による、ゼロ・モード導波路として形成されているサンプル・ウェルに沿う、励起エネルギーの減衰を図示する図。
【図３−４】いくつかの実施形態において、サンプル・ウェルに関連付けられる励起領域において、励起エネルギーを増加させる、ディボットを含むサンプル・ウェルを示す図。
【図３−５】１つの実施形態による、ディボットありとディボットなしのサンプル・ウェルに関する励起強度を比較する図。
【図３−６】いくつかの実施形態による、突出部において形成されたサンプル・ウェル及びディボットを示す図。
【図３−７Ａ】いくつかの実施形態による、テーパが付けられた側壁部を有するサンプル・ウェルを示す図。
【図３−７Ｂ】いくつかの実施形態による、湾曲している側壁部と、より小さい横断方向の寸法を備えるディボットとを有するサンプル・ウェルを示す図。
【図３−７Ｃ】表面プラズモニック構造体から形成されたサンプル・ウェルを示す図。
【図３−７Ｄ】表面プラズモニック構造体から形成されたサンプル・ウェルを示す図。
【図３−７Ｅ】いくつかの実施形態による、サンプル・ウェルの側壁部に沿って形成されている励起エネルギー増強構造体を含むサンプル・ウェルを示す図。
【図３−７Ｆ】いくつかの実施形態による、多層スタックの中に形成されたサンプル・ウェルを示す図。
【図３−８】いくつかの実施形態による、サンプル・ウェルの表面の上に形成された表面コーティングを図示する図。
【図３−９Ａ】いくつかの実施形態による、サンプル・ウェルを形成するリフト・オフ・プロセスに関連付けられる構造体を示す図。
【図３−９Ｂ】いくつかの実施形態による、サンプル・ウェルを形成するリフト・オフ・プロセスに関連付けられる構造体を示す図。
【図３−９Ｃ】いくつかの実施形態による、サンプル・ウェルを形成するリフト・オフ・プロセスに関連付けられる構造体を示す図。
【図３−９Ｄ】いくつかの実施形態による、サンプル・ウェルを形成するリフト・オフ・プロセスに関連付けられる構造体を示す図。
【図３−９Ｅ】いくつかの実施形態による、サンプル・ウェルを形成するリフト・オフ・プロセスに関連付けられる構造体を示す図。
【図３−９Ｆ】いくつかの実施形態による、サンプル・ウェルを形成する代替的なリフト・オフ・プロセスに関連付けられる構造体を示す図。
【図３−１０Ａ】いくつかの実施形態による、サンプル・ウェルを形成するダイレクト・エッチング・プロセスに関連付けられる構造体を示す図。
【図３−１０Ｂ】いくつかの実施形態による、サンプル・ウェルを形成するダイレクト・エッチング・プロセスに関連付けられる構造体を示す図。
【図３−１０Ｃ】いくつかの実施形態による、サンプル・ウェルを形成するダイレクト・エッチング・プロセスに関連付けられる構造体を示す図。
【図３−１０Ｄ】いくつかの実施形態による、サンプル・ウェルを形成するダイレクト・エッチング・プロセスに関連付けられる構造体を示す図。
【図３−１１】いくつかの実施形態による、リフト・オフ・プロセス又はダイレクト・エッチング・プロセスを使用して、複数の層の中に形成され得るサンプル・ウェルを示す図。
【図３−１２】いくつかの実施形態による、ディボットを形成するために使用され得るエッチング・プロセスに関連付けられる構造体を示す図。
【図３−１３Ａ】いくつかの実施形態による、ディボットを形成する代替的なプロセスに関連付けられる構造体を示す図。
【図３−１３Ｂ】いくつかの実施形態による、ディボットを形成する代替的なプロセスに関連付けられる構造体を示す図。
【図３−１３Ｃ】いくつかの実施形態による、ディボットを形成する代替的なプロセスに関連付けられる構造体を示す図。
【図３−１４Ａ】いくつかの実施形態による、付着物質及び不動態化層を堆積させるプロセスに関連付けられる構造体を示す図。
【図３−１４Ｂ】いくつかの実施形態による、付着物質及び不動態化層を堆積させるプロセスに関連付けられる構造体を示す図。
【図３−１４Ｃ】いくつかの実施形態による、付着物質及び不動態化層を堆積させるプロセスに関連付けられる構造体を示す図。
【図３−１４Ｄ】いくつかの実施形態による、付着物質及び不動態化層を堆積させるプロセスに関連付けられる構造体を示す図。
【図３−１５】いくつかの実施形態による、サンプル・ウェルの中の中央に付着物質を堆積させるプロセスに関連付けられる構造体を示す図。
【図４−１Ａ】いくつかの実施形態による、励起供給源のスペクトル励起バンドを示す図。
【図４−１Ｂ】いくつかの実施形態による、励起供給源のスペクトル励起バンドを示す図。
【図４−２Ａ】いくつかの実施形態による、集積デバイスの上に含まれ得る励起供給源のさまざまな配置を平面図で示す図。
【図４−２Ｂ】いくつかの実施形態による、集積デバイスの上に含まれ得る励起供給源のさまざまな配置を平面図で示す図。
【図４−２Ｃ】いくつかの実施形態による、集積デバイスの上に含まれ得る励起供給源のさまざまな配置を平面図で示す図。
【図４−２Ｄ】いくつかの実施形態による、集積デバイスの上に含まれ得る励起供給源のさまざまな配置を平面図で示す図。
【図４−２Ｅ】いくつかの実施形態による、ピクセル領域に隣接して位置付けされている励起供給源の配置を立面図で示す図。
【図４−３Ａ】いくつかの実施形態による、ピクセルの中に集積された有機発光ダイオード（ＯＬＥＤ）を示す図。
【図４−３Ｂ】いくつかの実施形態による、ピクセルの中に集積された発光ダイオード構造体のさらなる詳細を示す図。
【図４−３Ｃ】いくつかの実施形態による、ピクセルの中に集積された垂直共振器面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）を示す図。
【図４−３Ｄ】いくつかの実施形態による、ピクセルの中に集積された自己整合されるナノＬＥＤを示す図。
【図４−３Ｅ】いくつかの実施形態による、ピクセルの中に集積された自己整合されるナノＶＣＳＥＬを示す図。
【図４−４Ａ】いくつかの実施形態による、ナノＬＥＤ又はナノＶＣＳＥＬを製作するためのプロセス工程に関連付けられる構造体を示す図。
【図４−４Ｂ】いくつかの実施形態による、ナノＬＥＤ又はナノＶＣＳＥＬを製作するためのプロセス工程に関連付けられる構造体を示す図。
【図４−４Ｃ】いくつかの実施形態による、ナノＬＥＤ又はナノＶＣＳＥＬを製作するためのプロセス工程に関連付けられる構造体を示す図。
【図４−４Ｄ】いくつかの実施形態による、ナノＬＥＤ又はナノＶＣＳＥＬを製作するためのプロセス工程に関連付けられる構造体を示す図。
【図４−４Ｅ】いくつかの実施形態による、ナノＬＥＤ又はナノＶＣＳＥＬを製作するためのプロセス工程に関連付けられる構造体を示す図。
【図４−４Ｆ】いくつかの実施形態による、ナノＬＥＤ又はナノＶＣＳＥＬを製作するためのプロセス工程に関連付けられる構造体を示す図。
【図４−４Ｇ】いくつかの実施形態による、ナノＬＥＤを製作するための代替的なプロセス工程に関連付けられる構造体を示す図。
【図４−４Ｈ】いくつかの実施形態による、ナノＬＥＤを製作するための代替的なプロセス工程に関連付けられる構造体を示す図。
【図４−４Ｉ】いくつかの実施形態による、ナノＬＥＤを製作するための代替的なプロセス工程に関連付けられる構造体を示す図。
【図４−５Ａ】いくつかの実施形態による、ピクセルの中に集積され得る非放射励起供給源を示す図。
【図４−５Ｂ】いくつかの実施形態による、ピクセルの中に集積され得る非放射励起供給源を立面図で示す図。
【図４−５Ｃ】いくつかの実施形態による、非放射励起供給源のためのインターコネクトを平面図で示す図。
【図４−５Ｄ】いくつかの実施形態による、ピクセルの中に集積され得るナノ・ダイオード非放射励起供給源を示す図。
【図４−６Ａ】いくつかの実施形態による、自己整合される非放射励起供給源を製作するためのプロセス工程に関連付けられる構造体を示す図。
【図４−６Ｂ】いくつかの実施形態による、自己整合される非放射励起供給源を製作するためのプロセス工程に関連付けられる構造体を示す図。
【図４−６Ｃ】いくつかの実施形態による、自己整合される非放射励起供給源を製作するためのプロセス工程に関連付けられる構造体を示す図。
【図４−６Ｄ】いくつかの実施形態による、自己整合される非放射励起供給源を製作するためのプロセス工程に関連付けられる構造体を示す図。
【図４−６Ｅ】いくつかの実施形態による、自己整合される非放射励起供給源を製作するためのプロセス工程に関連付けられる構造体を示す図。
【図４−６Ｆ】いくつかの実施形態による、自己整合される非放射励起供給源を製作するためのプロセス工程に関連付けられる構造体を示す図。
【図４−６Ｇ】いくつかの実施形態による、自己整合される非放射励起供給源を製作するためのプロセス工程に関連付けられる構造体を示す図。
【図４−６Ｈ】いくつかの実施形態による、自己整合される非放射励起供給源を製作するためのプロセス工程に関連付けられる構造体を示す図。
【図４−６Ｉ】いくつかの実施形態による、自己整合される非放射励起供給源を製作するためのプロセス工程に関連付けられる構造体を示す図。
【図４−６Ｊ】いくつかの実施形態による、自己整合される非放射励起供給源を製作するためのプロセス工程に関連付けられる構造体を示す図。
【図４−６Ｋ】いくつかの実施形態による、自己整合される非放射励起供給源を製作するためのプロセス工程に関連付けられる構造体を示す図。
【図４−６Ｌ】いくつかの実施形態による、自己整合される非放射励起供給源を製作するためのプロセス工程に関連付けられる構造体を示す図。
【図４−６Ｍ】いくつかの実施形態による、自己整合される非放射励起供給源を製作するためのプロセス工程に関連付けられる構造体を示す図。
【図４−６Ｎ】いくつかの実施形態による、自己整合される非放射励起供給源を製作するためのプロセス工程に関連付けられる構造体を示す図。
【図４−６Ｏ】いくつかの実施形態による、自己整合される非放射励起供給源を製作するためのプロセス工程に関連付けられる構造体を示す図。
【図４−６Ｐ】いくつかの実施形態による、自己整合される非放射励起供給源を製作するためのプロセス工程に関連付けられる構造体を示す図。
【図４−６Ｑ】いくつかの実施形態による、自己整合される非放射励起供給源を製作するためのプロセス工程に関連付けられる構造体を示す図。
【図４−６Ｒ】いくつかの実施形態による、自己整合される非放射励起供給源を製作するためのプロセス工程に関連付けられる構造体を示す図。
【図４−６Ｓ】いくつかの実施形態による、自己整合される非放射励起供給源を製作するためのプロセス工程に関連付けられる構造体を示す図。
【図４−６Ｔ】いくつかの実施形態による、自己整合される非放射励起供給源を製作するためのプロセス工程に関連付けられる構造体を示す図。
【図４−６Ｕ】いくつかの実施形態による、自己整合される非放射励起供給源を製作するためのプロセス工程に関連付けられる構造体を示す図。
【図５−１Ａ】単に１つの実施形態による、表面プラズモン構造体を示す図。
【図５−１Ｂ】単に１つの実施形態による、表面プラズモン構造体を示す図。
【図５−１Ｃ】いくつかの実施形態による、サンプル・ウェルに隣接して形成されている表面プラズモン構造体を示す図。
【図５−１Ｄ】いくつかの実施形態による、サンプル・ウェルの中に形成されている表面プラズモン構造体を示す図。
【図５−１Ｅ】いくつかの実施形態による、サンプル・ウェルの中に形成されている表面プラズモン構造体を示す図。
【図５−２Ａ】いくつかの実施形態による、周期的な表面プラズモン構造体の例を示す図。
【図５−２Ｂ】いくつかの実施形態による、周期的な表面プラズモン構造体の例を示す図。
【図５−２Ｃ】いくつかの実施形態による、周期的な表面プラズモン構造体の例を示す図。
【図５−２Ｄ】いくつかの実施形態による、非周期的な表面プラズモン構造体に隣接して形成されているサンプル・ウェルにおける励起放射線の数値シミュレーションを示す図。
【図５−２Ｅ】いくつかの実施形態による、周期的な表面プラズモン構造体を示す図。
【図５−２Ｆ】いくつかの実施形態による、周期的な表面プラズモン構造体を示す図。
【図５−２Ｇ】いくつかの実施形態による、周期的な表面プラズモン構造体を示す図。
【図５−２Ｈ】いくつかの実施形態による、表面プラズモン構造体からなるナノ・アンテナを示す図。
【図５−２Ｉ】いくつかの実施形態による、表面プラズモン構造体からなるナノ・アンテナを示す図。
【図５−３Ａ】いくつかの実施形態による、表面プラズモン構造体を形成するためのプロセス工程に関連付けられる構造体を示す図。
【図５−３Ｂ】いくつかの実施形態による、表面プラズモン構造体を形成するためのプロセス工程に関連付けられる構造体を示す図。
【図５−３Ｃ】いくつかの実施形態による、表面プラズモン構造体を形成するためのプロセス工程に関連付けられる構造体を示す図。
【図５−３Ｄ】いくつかの実施形態による、表面プラズモン構造体を形成するためのプロセス工程に関連付けられる構造体を示す図。
【図５−３Ｅ】いくつかの実施形態による、表面プラズモン構造体を形成するためのプロセス工程に関連付けられる構造体を示す図。
【図５−４Ａ】いくつかの実施形態による、表面プラズモン構造体及び自己整合されるサンプル・ウェルを形成するためのプロセス工程に関連付けられる構造体を示す図。
【図５−４Ｂ】いくつかの実施形態による、表面プラズモン構造体及び自己整合されるサンプル・ウェルを形成するためのプロセス工程に関連付けられる構造体を示す図。
【図５−４Ｃ】いくつかの実施形態による、表面プラズモン構造体及び自己整合されるサンプル・ウェルを形成するためのプロセス工程に関連付けられる構造体を示す図。
【図５−４Ｄ】いくつかの実施形態による、表面プラズモン構造体及び自己整合されるサンプル・ウェルを形成するためのプロセス工程に関連付けられる構造体を示す図。
【図５−４Ｅ】いくつかの実施形態による、表面プラズモン構造体及び自己整合されるサンプル・ウェルを形成するためのプロセス工程に関連付けられる構造体を示す図。
【図５−４Ｆ】いくつかの実施形態による、表面プラズモン構造体及び自己整合されるサンプル・ウェルを形成するためのプロセス工程に関連付けられる構造体を示す図。
【図５−４Ｇ】いくつかの実施形態による、表面プラズモン構造体及び自己整合されるサンプル・ウェルを形成するためのプロセス工程に関連付けられる構造体を示す図。
【図５−５Ａ】いくつかの実施形態による、表面プラズモン構造体及び自己整合されるサンプル・ウェルを形成するためのプロセス工程に関連付けられる構造体を示す図。
【図５−５Ｂ】いくつかの実施形態による、表面プラズモン構造体及び自己整合されるサンプル・ウェルを形成するためのプロセス工程に関連付けられる構造体を示す図。
【図５−５Ｃ】いくつかの実施形態による、表面プラズモン構造体及び自己整合されるサンプル・ウェルを形成するためのプロセス工程に関連付けられる構造体を示す図。
【図５−５Ｄ】いくつかの実施形態による、表面プラズモン構造体及び自己整合されるサンプル・ウェルを形成するためのプロセス工程に関連付けられる構造体を示す図。
【図５−５Ｅ】いくつかの実施形態による、表面プラズモン構造体及び自己整合されるサンプル・ウェルを形成するためのプロセス工程に関連付けられる構造体を示す図。
【図５−６Ａ】いくつかの実施形態による、サンプル・ウェルに隣接して形成されている薄い損失性膜を示す図。
【図５−６Ｂ】いくつかの実施形態による、サンプル・ウェル及び薄い損失性膜の付近の励起放射線の数値シミュレーションからの結果を示す図。
【図５−６Ｃ】いくつかの実施形態による、サンプル・ウェル及び薄い損失性膜の付近の励起放射線の数値シミュレーションからの結果を示す図。
【図５−６Ｄ】いくつかの実施形態による、サンプル・ウェルから間隔を置いて配置されている薄い損失性膜を示す図。
【図５−６Ｅ】いくつかの実施形態による、サンプル・ウェルに隣接して形成された薄い損失性膜のスタックを示す図。
【図５−７Ａ】いくつかの実施形態による、サンプル・ウェルに隣接して共鳴キャビティーを形成するために使用され得る反射スタックを図示する図。
【図５−７Ｂ】いくつかの実施形態による、サンプル・ウェルにおいて励起放射線を集中させるために使用され得る誘電体構造体を示す図。
【図５−７Ｃ】いくつかの実施形態による、サンプル・ウェルに隣接してパターニングされ得るフォトニック・バンドギャップ構造体を示す図。
【図５−７Ｄ】いくつかの実施形態による、サンプル・ウェルに隣接してパターニングされ得るフォトニック・バンドギャップ構造体を示す図。
【図５−８Ａ】いくつかの実施形態による、誘電体構造体及び自己整合されるサンプル・ウェルを形成するためのプロセス工程に関連付けられる構造体を示す図。
【図５−８Ｂ】いくつかの実施形態による、誘電体構造体及び自己整合されるサンプル・ウェルを形成するためのプロセス工程に関連付けられる構造体を示す図。
【図５−８Ｃ】いくつかの実施形態による、誘電体構造体及び自己整合されるサンプル・ウェルを形成するためのプロセス工程に関連付けられる構造体を示す図。
【図５−８Ｄ】いくつかの実施形態による、誘電体構造体及び自己整合されるサンプル・ウェルを形成するためのプロセス工程に関連付けられる構造体を示す図。
【図５−８Ｅ】いくつかの実施形態による、誘電体構造体及び自己整合されるサンプル・ウェルを形成するためのプロセス工程に関連付けられる構造体を示す図。
【図５−８Ｆ】いくつかの実施形態による、誘電体構造体及び自己整合されるサンプル・ウェルを形成するためのプロセス工程に関連付けられる構造体を示す図。
【図５−８Ｇ】いくつかの実施形態による、誘電体構造体及び自己整合されるサンプル・ウェルを形成するためのプロセス工程に関連付けられる構造体を示す図。
【図５−９Ａ】いくつかの実施形態による、非放射プロセスを介して励起エネルギーをサンプルにカップリングするための構造体を示す図。
【図５−９Ｂ】いくつかの実施形態による、非放射プロセスを介して励起エネルギーをサンプルにカップリングするための構造体を示す図。
【図５−９Ｃ】いくつかの実施形態による、複数の非放射プロセスによって励起エネルギーをサンプルにカップリングするための構造体を示す図。
【図５−９Ｄ】いくつかの実施形態による、複数の非放射プロセスによって励起エネルギーをサンプルにカップリングするための構造体を示す図。
【図５−９Ｅ】いくつかの実施形態による、放射プロセス又は非放射プロセスを介して励起エネルギーをサンプルにカップリングするために、１つ又は複数のエネルギー変換粒子を組み込む構造体を示す図。
【図５−９Ｆ】いくつかの実施形態による、サンプルへの励起エネルギーのダウン・コンバートに関連付けられるスペクトルを示す図。
【図５−９Ｇ】いくつかの実施形態による、サンプルへの励起エネルギーのアップ・コンバートに関連付けられるスペクトルを示す図。
【図６−１Ａ】いくつかの実施形態による、同心円状のプラズモニック円形グレーチングを示す図。
【図６−１Ｂ】いくつかの実施形態による、スパイラル・プラズモニック・グレーチングを示す図。
【図６−２Ａ】いくつかの実施形態による、さまざまなエミッション波長に関して、同心円状のプラズモニック円形グレーチングからのエミッション空間的な分布パターンを示す図。
【図６−２Ｂ】いくつかの実施形態による、さまざまなエミッション波長に関して、同心円状のプラズモニック円形グレーチングからのエミッション空間的な分布パターンを示す図。
【図６−２Ｃ】いくつかの実施形態による、さまざまなエミッション波長に関して、同心円状のプラズモニック円形グレーチングからのエミッション空間的な分布パターンを示す図。
【図６−２Ｄ】いくつかの実施形態による、さまざまなエミッション波長に関して、同心円状のプラズモニック円形グレーチングからのエミッション空間的な分布パターンを示す図。
【図６−３Ａ】いくつかの実施形態による、プラズモニック・ナノ・アンテナを示す図。
【図６−３Ｂ】いくつかの実施形態による、プラズモニック・ナノ・アンテナを示す図。
【図６−３Ｃ】いくつかの実施形態による、プラズモニック・ナノ・アンテナを示す図。
【図６−３Ｄ】いくつかの実施形態による、プラズモニック・ナノ・アンテナを示す図。
【図６−４Ａ】いくつかの実施形態による、スパイラル・プラズモニック・ナノ・アンテナに関するパターンを示す図。
【図６−４Ｂ】いくつかの実施形態による、図６−４Ａのスパイラル・プラズモニック・ナノ・アンテナの付近の電磁界の数値シミュレーションからの結果を示す図。
【図６−４Ｃ】いくつかの実施形態による、スパイラル・プラズモニック・ナノ・アンテナのさまざまな構成を図示する図。
【図６−４Ｄ】いくつかの実施形態による、スパイラル・プラズモニック・ナノ・アンテナのさまざまな構成を図示する図。
【図６−４Ｅ】いくつかの実施形態による、スパイラル・プラズモニック・ナノ・アンテナのさまざまな構成を図示する図。
【図６−５Ａ】いくつかの実施形態による、プラズモニック・ナノ・アンテナによって取り囲まれたサンプル・ウェルから放出する異なる波長に関連付けられる空間的な分布パターンの数値シミュレーションからの結果を示す図。
【図６−５Ｂ】いくつかの実施形態による、プラズモニック・ナノ・アンテナによって取り囲まれたサンプル・ウェルから放出する異なる波長に関連付けられる空間的な分布パターンの数値シミュレーションからの結果を示す図。
【図６−５Ｃ】いくつかの実施形態による、プラズモニック・ナノ・アンテナによって取り囲まれたサンプル・ウェルから放出する異なる波長に関連付けられる空間的な分布パターンの数値シミュレーションからの結果を示す図。
【図６−５Ｄ】いくつかの実施形態による、プラズモニック・ナノ・アンテナによって取り囲まれたサンプル・ウェルから放出する異なる波長に関連付けられる空間的な分布パターンの数値シミュレーションからの結果を示す図。
【図６−６Ａ】いくつかの実施形態による、遠視野スペクトル・ソーティング・オプティクスを示す図。
【図６−６Ｂ】いくつかの実施形態による、遠視野スペクトル・ソーティング・オプティクスを示す図。
【図６−７Ａ】いくつかの実施形態による、遠視野スペクトル・フィルタリング・オプティクスを示す図。
【図６−７Ｂ】いくつかの実施形態による、遠視野スペクトル・フィルタリング・オプティクスを示す図。
【図７−１Ａ】いくつかの実施形態による、ピクセルの中のセンサー３−２６０を立面図で示す図。
【図７−１Ｂ】いくつかの実施形態による、２つの別々の及び同心円状のアクティブ領域を有するブルズ・アイ・センサーを示す図。
【図７−１Ｃ】いくつかの実施形態による、４つの別々のアクティブ領域を有するストライプ・センサーを示す図。
【図７−１Ｄ】いくつかの実施形態による、４つの別々のアクティブ領域を有するクワッド・センサーを示す図。
【図７−１Ｅ】いくつかの実施形態による、４つの別々のアクティブ領域を有する円弧形セグメント・センサーを示す図。
【図７−１Ｆ】いくつかの実施形態による、スタックされたセグメント・センサーを示す図。
【図７−２Ａ】いくつかの実施形態による、第１の波長で放出された放射線に関する、サンプル・ウェルからのエミッション分布を示す図。
【図７−２Ｂ】いくつかの実施形態による、図７−２Ａに示されているエミッション分布に対応する、ブルズ・アイ・センサーによって受け取られる放射線パターンを示す図。
【図７−２Ｃ】いくつかの実施形態による、第２の波長で放出された放射線に関する、サンプル・ウェルからのエミッション分布を示す図。
【図７−２Ｄ】いくつかの実施形態による、図７−２Ｃに示されているエミッション分布に対応する、ブルズ・アイ・センサーによって受け取られる放射線パターンを示す図。
【図７−２Ｅ】いくつかの実施形態による、サンプルからの第１のエミッション波長に関して、２つのアクティブ領域を有するブルズ・アイ・センサーに関する信号検出の数値シミュレーションからの結果を表す図。
【図７−２Ｆ】いくつかの実施形態による、サンプルからの第２のエミッション波長に関して、図７−２Ｅに関連付けられるブルズ・アイ・センサーに関する信号検出の数値シミュレーションからの結果を表す図。
【図７−２Ｇ】いくつかの実施形態による、サンプルからの第３のエミッション波長に関して、図７−２Ｅに関連付けられるブルズ・アイ・センサーに関する信号検出の数値シミュレーションからの結果を表す図。
【図７−２Ｈ】いくつかの実施形態による、サンプルからの第４のエミッション波長に関して、図７−２Ｅに関連付けられるブルズ・アイ・センサーに関する信号検出の数値シミュレーションからの結果を表す図。
【図７−２Ｉ】いくつかの実施形態による、サンプルからの第１のエミッション波長に関して、４つのアクティブ領域を有するブルズ・アイ・センサーに関する信号検出の数値シミュレーションからの結果を表す図。
【図７−２Ｊ】いくつかの実施形態による、サンプルからの第２のエミッション波長に関して、図７−２Ｉに関連付けられるブルズ・アイ・センサーに関する信号検出の数値シミュレーションからの結果を表す図。
【図７−３Ａ】いくつかの実施形態による、２つのアクティブ領域からなるセンサーからの信号を読み取るために使用され得る集積デバイスの上の回路を示す図。
【図７−３Ｂ】いくつかの実施形態による、信号蓄積及び読み出しに関して、センサー・セグメントに含まれ得る３トランジスター回路を示す図。
【図７−３Ｃ】いくつかの実施形態による、４つのアクティブ領域からなるセンサーからの信号を読み取るために使用され得る集積デバイスの上の回路を示す図。
【図７−４Ａ】いくつかの実施形態による、サンプル分析のために使用され得る２つの異なるエミッターに関する時間的なエミッション特性を示す図。
【図７−４Ｂ】いくつかの実施形態による、励起供給源及びサンプルからの発光の時間的な進展を示す図。
【図７−４Ｃ】いくつかの実施形態による、時間遅延サンプリングを示す図。
【図７−４Ｄ】いくつかの実施形態による、２つの異なるエミッターに関する時間的なエミッション特性を示す図。
【図７−４Ｅ】いくつかの実施形態による、センサーの電荷蓄積ノードにおける電圧ダイナミクスを示す図。
【図７−４Ｆ】いくつかの実施形態による、リセットなしのセンサー・セグメントのダブルのリードを示す図。
【図７−４Ｇ】いくつかの実施形態による、時間的に別個のエミッション特性を有する２つのエミッターに関連付けられる第１及び第２の読み取り信号レベルを図示する図。
【図７−４Ｈ】いくつかの実施形態による、時間的に別個のエミッション特性を有する２つのエミッターに関連付けられる第１及び第２の読み取り信号レベルを図示する図。
【図８−１】いくつかの実施形態による、生物学的な試料及び化学的な試料の迅速なモバイル分析のために使用され得るコンパクトな装置の動作の方法を示す図。
【図８−２】いくつかの実施形態による、キャリブレーション手順を示す図。
【図８−３】いくつかの実施形態による、データ分析手順を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００７６】
本発明の特徴及び利点は、図面と併用されたときに、以下に述べられている詳細な説明からより明らかになることとなる。
図面に関連して実施形態を説明するときに、方向参照（「上方」、「下方」、「上部」、「底部」、「左」、「右」、「水平方向」、「垂直方向」など）が使用され得る。そのような参照は、単に、通常の配向で図面を見ている読者に対する支援となることを目的としている。これらの指向性の参照は、具現化されているデバイスの、好適な又は単なる配向を説明することを意図していない。デバイスは、他の配向に具現化され得る。
【００７７】
Ｉ．  導入
本発明者は、バイオアッセイを実施するための従来の装置は、大きくて高価であり、先進的な実験技法を実施することを必要とするということを認識及び理解した。本発明者は、医療目的、法医学目的、研究目的、及び、さまざまな診断目的のために、生物学的な及び／又は化学的な試料を簡単かつ安価に分析することができるコンパクトなデバイスに対する必要性が存在しているということを認識及び理解した。そのようなデバイスの用途は、核酸分子、又は、複数のアミノ酸を有するポリペプチド（たとえば、タンパク質）などのような、生体分子をシークエンシングするためのものであることが可能である。単一分子又は粒子の検出及び定量化を実施するためのコンパクトな高速装置は、生物学的なサンプル及び／又は化学的なサンプルの複雑で定量的な測定を実施するコストを低減させ、生化学のさまざまな分野における研究及び開発の速度を急速に前進させることができた。そのうえ、容易に輸送可能なコスト効率の良いデバイスは、先進国世界においてバイオアッセイが行われる方式を変えることができただけでなく、発展途上地域の人々に、初めて、必須の診断検査への容易なアクセスを提供することができ、それは、健康及び福祉を劇的に改善することができた。たとえば、いくつかの実施形態では、バイオアッセイを実施するための装置は、血液、尿、及び／又は唾液などのような、生物学的なサンプルの診断検査を実施するために使用され、それは、個人によって家庭の中で、その分野の医者によって、又は、たとえば、田舎の医院など、発展途上国又は任意の他の場所における遠隔の診
療所において、使用され得る。そのような診断検査は、核酸分子又はタンパク質などのような、被験者の生物学的なサンプルの中の生体分子の検出を含むことが可能である。いくつかの例では、診断検査は、被験者の生物学的なサンプルの中の無細胞デオキシリボ核酸分子又は発現産物のシークエンシングなどのような、被験者の生物学的なサンプルの中の核酸分子をシークエンシングすることを含む。
【００７８】
コンパクトな機器は、試料又は生物学的なサンプルの中の生化学的な種（たとえば、核酸、タンパク質、抗原、抗体、ウイルス、小分子など）の存在を検出するために使用され得るが、機器は、動的生化学的プロセスを分析することなどのような、より複雑なタスクに関しても使用され得る。機器が使用され得る１つの関心の分野は、単一分子遺伝子シークエンシングである。いくつかの実施形態によれば、リアルタイムの単一分子核酸シークエンシングが、機器を用いて行われ、遺伝子又は遺伝子断片を解読することが可能である。これは、たとえば、臨床医が有害なウイルスの突然変異をリアルタイムで追跡することを可能にすることができる。
【００７９】
「核酸」という用語は、本明細書で使用されているように、全体的に、１つ又は複数の核酸サブユニットからなる分子を表している。核酸は、アデノシン（Ａ）、シトシン（Ｃ）、グアニン（Ｇ）、チミン（Ｔ）、及びウラシル（Ｕ）、又は、それらの変異体から選択される１つ又は複数のサブユニットを含むことが可能である。いくつかの例では、核酸は、デオキシリボ核酸（ＤＮＡ）もしくはリボ核酸（ＲＮＡ）、又は、それらの誘導体である。核酸は、一本鎖又は二本鎖であることが可能である。核酸は、円形であることが可能である。
【００８０】
「ヌクレオチド」という用語は、本明細書で使用されているように、全体的に、核酸サブユニットを表しており、それは、Ａ、Ｃ、Ｇ、Ｔ、又はＵ、又は、それらの変異体もしくは類似体を含むことが可能である。ヌクレオチドは、成長する核酸鎖の中に組み込まれ得る任意のサブユニットを含むことが可能である。そのようなサブユニットは、Ａ、Ｃ、Ｇ、Ｔ、もしくはＵであり、又は、１つ又は複数の相補的なＡ、Ｃ、Ｇ、Ｔ、もしくはＵに特有な、又は、プリン（すなわち、Ａ、もしくはＧ、又は、それらの変異体もしくは類似体）又はピリミジン（すなわち、Ｃ、Ｔ、もしくはＵ、又は、それらの変異体もしくは類似体）に相補的な、任意の他のサブユニットであることが可能である。サブユニットは、個々の核酸塩基又は塩基のグループ（たとえば、ＡＡ、ＴＡ、ＡＴ、ＧＣ、ＣＧ、ＣＴ、ＴＣ、ＧＴ、ＴＧ、ＡＣ、ＣＡ、又は、それらのウラシル対応物）が分解されることを可能にする。
【００８１】
ヌクレオチドは、一般的に、ヌクレオシド、及び、少なくとも１、２、３、４、５、６、７、８、９、１０、又は、それ以上のホスフェート（ＰＯ３）グループを含む。ヌクレオチドは、核酸塩基、五炭糖（リボース又はデオキシリボースのいずれか）、及び、１つ又は複数のホスフェート基を含むことが可能である。リボヌクレオチドは、糖がリボースであるヌクレオチドである。デオキシヌクレオチドは、糖がデオキシリボースであるヌクレオチドである。ヌクレオチドは、ヌクレオシド一リン酸又はヌクレオシド・ポリリン酸であることが可能である。ヌクレオチドは、たとえば、デオキシリボヌクレオシド三リン酸などのような、デオキシリボヌクレオシド・ポリリン酸であることが可能であり、それは、デオキシアデノシン三リン酸（ｄＡＴＰ）、デオキシシチジン三リン酸（ｄＣＴＰ）、デオキシグアノシン三リン酸（ｄＧＴＰ）、デオキシウリジン三リン酸（ｄＵＴＰ）、及びデオキシチミジン三リン酸（ｄＴＴＰ）、ｄＮＴＰから選択され得、それは、発光性タグ又はマーカ（たとえば、フルオロフォア）などのような、検出可能なタグを含む。
【００８２】
ヌクレオシド・ポリリン酸は、「ｎ」ホスフェート基を有することが可能であり、ここで、「ｎ」は、２、３、４、５、６、７、８、９、又は１０以上の数である。ヌクレオシ
ド・ポリリン酸の例は、ヌクレオシド二リン酸及びヌクレオシド三リン酸を含む。ヌクレオチドは、末端リン酸塩で標識されたヌクレオシド・ポリリン酸などのような、末端リン酸塩で標識されたヌクレオシドであることが可能である。そのような標識は、発光性（たとえば、蛍光又は化学発光性）標識、蛍光性標識、着色標識、発色性標識、質量タグ、静電的な標識、又は、電気化学的な標識であることが可能である。標識（又は、マーカ）は、リンカーを通して末端リン酸塩にカップリングされ得る。リンカーは、たとえば、少なくとも１つの又は複数のヒドロキシル基、スルフヒドリル基、アミノ基、又はハロアルキル基を含むことが可能であり、それは、自然の又は修飾されたヌクレオチドの末端リン酸塩において、たとえば、リン酸エステル、チオエステル、ホスホルアミデート、又はアルキルホスホネート連結を形成するのに適切である可能性がある。リンカーは、開裂可能であることが可能であり、たとえば、重合酵素の支援などによって、末端リン酸塩から標識を分離するようになっている。ヌクレオチド及びリンカーの例が、米国特許第７，０４１，８１２号に提供されており、それは、全体が本願明細書に援用されている。
【００８３】
「ポリメラーゼ」という用語は、本明細書で使用されているように、全体的に、重合反応に触媒作用を及ぼすことができる任意の酵素（又は、重合酵素）を表している。ポリメラーゼの例は、限定なしに、核酸ポリメラーゼ、転写酵素、又はリガーゼを含む。ポリメラーゼは、重合酵素であることが可能である。
【００８４】
「ゲノム」という用語は、一般的に、生物の遺伝的情報の全体を表している。ゲノムは、ＤＮＡ又はＲＮＡのいずれかにコードされ得る。ゲノムは、タンパク質をコードするコード領域、及び、非コード領域からなることが可能である。ゲノムは、生物の中に、すべての染色体の配列を一緒に含むことが可能である。たとえば、ヒト・ゲノムは、合計で４６染色体を有している。これらのすべての配列が、一緒にヒト・ゲノムを構成する。
【００８５】
本開示は、核酸分子などのような、生体分子又はそれらのサブユニットを検出するためのデバイス、システム、及び方法を提供する。そのような検出は、シークエンシングを含むことが可能である。生体分子は、被験者から得られる生物学的なサンプルから抽出され得る。生物学的なサンプルは、息、唾液、尿又は血液（たとえば、全血又は血漿）などのような、被験者の体液又は組織から抽出され得る。被験者は、病気（たとえば、癌）などのような、健康条件を有するということが疑われる可能性がある。いくつかの例では、１つ又は複数の核酸分子が、被験者の体液又は組織から抽出され得る。１つ又は複数の核酸が、被験者の組織の一部などのような、被験者から得られる１つ又は複数の細胞、又は、全血などのような、被験者の無細胞体液から得られる１つ又は複数の細胞から抽出され得る。
【００８６】
生物学的なサンプルが、検出（たとえば、シークエンシング）の準備として処理され得る。そのようなプロセッシングは、生物学的なサンプルからの生体分子（たとえば、核酸分子）の隔離及び／又は精製、ならびに、生体分子のより多くのコピーの発生を含むことが可能である。いくつかの例では、１つ又は複数の核酸分子が、被験者の体液又は組織から隔離及び精製され、ポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）などのような核酸増幅を通して増幅される。次いで、１つ又は複数の核酸分子又はそのサブユニットが、シークエンシングなどを通して特定され得る。
【００８７】
シークエンシングは、鋳型に相補的又は類似した別の生体分子を合成することによって、たとえば、鋳型核酸分子に相補的な核酸分子を合成すること、及び、時間によってヌクレオチドの組み込みを特定すること（すなわち、合成によるシークエンシング）などによって、鋳型生体分子（たとえば、核酸分子）の個々のサブユニットを決定することを含むことが可能である。代替例として、シークエンシングは、生体分子の個々のサブユニットの直接的な特定を含むことが可能である。
【００８８】
シークエンシングの間に、生体分子の個々のサブユニットを示す信号が、メモリーの中に収集され、リアルタイムで又はより後の時点で処理され、生体分子の配列を決定することが可能である。そのようなプロセッシングは、信号と参照信号の比較を含むことが可能であり、それは、個々のサブユニットの特定を可能にし、それは、いくつかのケースではリードを生み出す。リードは、十分な長さの配列（たとえば、少なくとも約３０塩基対（ｂｐ））であることが可能であり、それは、より大きい配列又は領域を特定するために使用され得、たとえば、それは、染色体又はゲノム領域又は遺伝子の上の場所に整合させられ得る。
【００８９】
配列リードは、被験者のゲノムのより長い領域を再構築するために使用され得る（アライメント）。リードは、染色体領域、染色体全部、又はゲノム全部を再構築するために使用され得る。配列リード、又は、そのようなリードから発生するより大きい配列が、たとえば、変異体又は多型を特定するなど、被験者のゲノムを分析するために使用され得る。変異体の例は、それに限定されないが、タンデムＳＮＰを含む一塩基多型（ＳＮＰ）、小規模多塩基欠失又は挿入（インデル又は欠失挿入多型又はＤＩＰとも称される）、多塩基多型（ＭＮＰ）、縦列型反復配列（ＳＴＲ）、微小欠失を含む欠失、微小挿入を含む挿入、重複を含む構造的変異、反転、転座、増殖、複雑なマルチ・サイト変異対、コピー数変異（ＣＮＶ）を含む。ゲノム配列は、多様性の組み合わせからなることが可能である。たとえば、ゲノム配列は、１つ又は複数のＳＮＰ及び１つ又は複数のＣＮＶの組み合わせを包含することが可能である。
【００９０】
生体分子の個々のサブユニットは、マーカを使用して特定され得る。いくつかの例では、発光性マーカは、本明細書の他の場所で説明されているように、生体分子の個々のサブユニットを特定するために使用され得る。
【００９１】
核酸（たとえば、ＤＮＡ）シークエンシングは、ターゲット核酸分子の中のヌクレオチドの順序及び位置の決定を可能にする。核酸シークエンシング技術は、核酸配列を決定するために使用される方法において変化し、また、シークエンシング・プロセスの中のレート、リード長、及びエラーの発生において変化することが可能である。たとえば、いくつかの核酸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、合成によるシークエンシングでは、ヌクレオチドが、ターゲット核酸分子に相補的な核酸の新しく合成された鎖の中へ組み込まれるときに、ヌクレオチドのアイデンティティーが決定される。
【００９２】
シークエンシングの間に、重合酵素は、ターゲット核酸分子のプライミング場所にカップリングする（たとえば、取り付ける）ことが可能である。プライミング場所は、ターゲット核酸分子に相補的なプライマーであることが可能である。代替例として、プライミング場所は、ターゲット核酸分子の二本鎖セグメントの中に提供されるギャップ又はニックである。ギャップ又はニックは、長さが０から少なくとも１、２、３、４、５、６、７、８、９、１０、２０、３０、又は４０個のヌクレオチドであることが可能である。ニックは、二本鎖配列の１つの鎖の中に切断を提供することが可能であり、それは、たとえば、鎖置換ポリメラーゼ酵素などのような重合酵素のためのプライミング場所を提供することが可能である。
【００９３】
いくつかのケースでは、シークエンシング・プライマーは、ターゲット核酸分子にアニーリングされ得、ターゲット核酸分子は、サンプル・ウェルなどのような固体支持体に固定化されていても又は固定化されていなくてもよい。いくつかの実施形態では、シークエンシング・プライマーは、固体支持体に固定化され得、また、ターゲット核酸分子のハイブリダイゼーションも、ターゲット核酸分子を固体支持体に固定化させている。ヌクレオ
チドをプライマーに追加又は組み込むことができる酵素（たとえば、ポリメラーゼ）の作用を介して、ヌクレオチドが、５’−３’鋳型バウンド方式でプライマーに追加され得る。プライマーへのヌクレオチドのそのような組み込み（たとえば、ポリメラーゼの作用を介する）は、一般的に、プライマー伸長反応と称され得る。それぞれのヌクレオチドは、検出可能なタグに関連付けられ得、検出可能なタグは、検出及び使用され、プライマーの中へ組み込まれるそれぞれのヌクレオチド、及び、したがって、新しく合成された核酸分子の配列を決定することが可能である。新しく合成された核酸分子の配列相補性を介して、ターゲット核酸分子の配列も決定され得る。いくつかのケースでは、ターゲット核酸分子へのシークエンシング・プライマーのアニーリング、及び、シークエンシング・プライマーへのヌクレオチドの組み込みは、同様の反応条件（たとえば、同じ又は同様の反応温度）において、又は、異なる反応条件（たとえば、異なる反応温度）において、起こることが可能である。そのうえ、合成方法によるいくつかのシークエンシングは、ターゲット核酸分子の集団（たとえば、ターゲット核酸のコピー）の存在、及び／又は、ターゲット核酸の増幅の工程を含み、ターゲット核酸の集団を実現することが可能である。
【００９４】
本開示のデバイス及びシステムは、少なくとも約５０％、６０％、７０％、７５％、８０％、８５％、９０％、９５％、９６％、９７％、９８％、９９％、９９．９％、９９．９９％、９９．９９９％、又は９９．９９９９％の精度、及び／又は、約１０塩基対（ｂｐ）、５０ｂｐ、１００ｂｐ、２００ｂｐ、３００ｂｐ、４００ｂｐ、５００ｂｐ、１０００ｂｐ、１０，０００ｂｐ、２０，０００ｂｐ、３０，０００ｂｐ、４０，０００ｂｐ、５０，０００ｂｐ、又は１００，０００ｂｐ以上のリード長などのような、高い精度及び長いリード長によって、単一の核酸分子をシークエンシングすることができる。いくつかの実施形態では、単一分子シークエンシングにおいて使用されるターゲット核酸分子は、一本鎖のターゲット核酸（たとえば、デオキシリボ核酸（ＤＮＡ）、ＤＮＡ誘導体、リボ核酸（ＲＮＡ）、ＲＮＡ誘導体）鋳型であり、それは、サンプル・ウェルに添加又は固定化されており、サンプル・ウェルは、サンプル・ウェルの底部などのような固体支持体に固定化され又は取り付けられている、シークエンシング反応（たとえば、ＤＮＡポリメラーゼ、シークエンシング・プライマーなどのようなポリメラーゼ）の少なくとも１つの追加的なコンポーネントを含有する。ターゲット核酸分子又はポリメラーゼは、たとえば、サンプル・ウェルの底部に、直接的に又はリンカーを通して、サンプル壁部に取り付けられ得る。また、サンプル・ウェルは、プライマー伸長反応を介する核酸合成に必要とされる任意の他の試薬を含有することが可能であり、それは、たとえば適切なバッファー、補因子、酵素（たとえば、ポリメラーゼ）、ならびに、たとえば、デオキシアデノシン三リン酸（ｄＡＴＰ）、デオキシシチジン三リン酸（ｄＣＴＰ）、デオキシグアノシン三リン酸（ｄＧＴＰ）、デオキシウリジン三リン酸（ｄＵＴＰ）、及びデオキシチミジン三リン酸（ｄＴＴＰ）、ｄＮＴＰを含む、デオキシリボヌクレオシド三リン酸などのような、デオキシリボヌクレオシド・ポリリン酸などであり、それは、フルオロフォアなどのような発光性タグを含む。ｄＮＴＰのそれぞれのクラス（たとえばアデニンを含有するｄＮＴＰ（たとえば、ｄＡＴＰ）、シトシンを含有するｄＮＴＰ（たとえば、ｄＣＴＰ）、グアニンを含有するｄＮＴＰ（たとえば、ｄＧＴＰ）、ウラシルを含有するｄＮＴＰ（たとえば、ｄＵＴＰ）、及び、チミンを含有するｄＮＴＰ（たとえば、ｄＴＴＰ））は、別個の発光性タグにコンジュゲートされており、タグから放出される光の検出が、新しく合成された核酸の中へ組み込まれたｄＮＴＰのアイデンティティーを示すようになっている。発光性タグから放出される光は、本明細書の他の場所で説明されている検出のためのそのようなデバイス及び方法を含む、任意の適切なデバイス及び／又は方法を介して検出され得、その適当な発光性タグに起因することが可能である（及び、したがって、ｄＮＴＰに関連付けられる）。発光性タグは、任意の位置においてｄＮＴＰにコンジュゲートされ得、発光性タグの存在が、新しく合成された核酸鎖の中へのｄＮＴＰの組み込み、又は、ポリメラーゼの活動を阻止しないようになっている。いくつかの実施形態では、発光性タグは、ｄＮＴＰの末端ホスフェート（ガンマ・ホスフェート）にコンジュゲートされている。
【００９５】
一本鎖のターゲット核酸鋳型は、シークエンシング・プライマー、ｄＮＴＰ、ポリメラーゼ、及び、核酸合成に必要な他の試薬に接触させ得る。いくつかの実施形態では、すべての適当なｄＮＴＰは、一本鎖のターゲット核酸鋳型と同時に接触させ得（たとえば、すべてのｄＮＴＰが同時に存在する）、ｄＮＴＰの組み込みが、連続的に起こり得るようになっている。他の実施形態では、ｄＮＴＰは、一本鎖のターゲット核酸鋳型に順次接触させ得、その場合には、一本鎖のターゲット核酸鋳型が、それぞれの適当なｄＮＴＰに別々に接触し、一本鎖のターゲット核酸鋳型が異なるｄＮＴＰと接触する合間に洗浄工程を伴う。一本鎖のターゲット核酸鋳型がそれぞれのｄＮＴＰと別々に接触するそのようなサイクルは、洗浄が後に続き、識別されることとなる一本鎖のターゲット核酸鋳型のそれぞれの連続的なベース位置に関して繰り返され得る。
【００９６】
シークエンシング・プライマーは、一本鎖のターゲット核酸鋳型に対してアニーリングし、ポリメラーゼは、一本鎖のターゲット核酸鋳型を介して、ｄＮＴＰ（又は、他のデオキシリボヌクレオシド・ポリリン酸）をプライマーに連続して組み込む。それぞれの組み込まれたｄＮＴＰに関連付けられる固有の発光性タグは、プライマーへのｄＮＴＰの組み込みの間又は後に、適当な励起光によって励起され得、そのエミッションは、本明細書の他の場所で説明されている検出のためのデバイス及び方法を含む、任意の適切なデバイス及び／又は方法を使用して、その後に検出され得る。光の特定のエミッションの検出は、組み込まれた特定のｄＮＴＰに起因することが可能である。次いで、検出された発光性タグの収集から得られる配列が使用され、配列相補性を介して、一本鎖のターゲット核酸鋳型の配列を決定することが可能である。
【００９７】
本開示はｄＮＴＰを参照しているが、本明細書で提供されるデバイス、システム、及び方法は、リボヌクレオチド及びデオキシヌクレオチド（たとえば、少なくとも４、５、６、７、８、９、又は１０のホスフェート基を備えるデオキシリボヌクレオシド・ポリリン酸）などのような、さまざまなタイプのヌクレオチドとともに使用され得る。そのようなリボヌクレオチド及びデオキシヌクレオチドは、さまざまなタイプのタグ（又は、マーカ）及びリンカーを含むことが可能である。
【００９８】
ヌクレオシドの組み込みのときに放出される信号は、メモリーの中に保存され、より後の時点で処理され、ターゲット核酸鋳型の配列を決定することが可能である。これは、信号を参照信号と比較し、組み込まれるヌクレオシドのアイデンティティーを時間の関数として決定することを含むことが可能である。代替的に又は加えて、ヌクレオシドの組み込みのときに放出される信号は、リアルタイムで（すなわち、ヌクレオシド組み込みのときに）収集及び処理され、ターゲット核酸鋳型の配列をリアルタイムで決定することが可能である。
【００９９】
複数の一本鎖のターゲット核酸鋳型の核酸シークエンシングは、本明細書の他の場所で説明されているデバイスのケースと同様に、複数のサンプル・ウェルが利用可能である場合に完了され得る。それぞれのサンプル・ウェルは、一本鎖のターゲット核酸鋳型を提供され得、シークエンシング反応が、それぞれのサンプル・ウェルの中で完了され得る。サンプル・ウェルのそれぞれは、プライマー伸長反応の間の核酸合成に必要な適当な試薬（たとえば、ｄＮＴＰ、シークエンシング・プライマー、ポリメラーゼ、補因子、適当なバッファーなど）に接触させ得、シークエンシング反応が、それぞれのサンプル・ウェルの中で進行することが可能である。いくつかの実施形態では、複数のサンプル・ウェルは、すべての適当なｄＮＴＰに同時に接触させる。他の実施形態では、複数のサンプル・ウェルは、それぞれの適当なｄＮＴＰに別々に接触し、それぞれが異なるｄＮＴＰとの接触の合間に洗浄される。組み込まれたｄＮＴＰは、それぞれのサンプル・ウェルの中で検出され得、配列が、上記に説明されているように、それぞれのサンプル・ウェルの中の一本鎖
のターゲット核酸に関して決定され得る。
【０１００】
単一分子核酸シークエンシングに関する実施形態は、ターゲット核酸分子に相補的な核酸を合成することができる任意のポリメラーゼを使用することが可能である。ポリメラーゼの例は、ＤＮＡポリメラーゼ、ＲＮＡポリメラーゼ、耐熱性ポリメラーゼ、ワイルド・タイプ・ポリメラーゼ、変性ポリメラーゼ、大腸菌ＤＮＡポリメラーゼＩ、Ｔ７ＤＮＡポリメラーゼ、バクテリオファージＴ４  ＤＮＡポリメラーゼφ２９（プサイ２９）ＤＮＡポリメラーゼ、Ｔａｑポリメラーゼ、Ｔｔｈポリメラーゼ、Ｔｌｉポリメラーゼ、Ｐｆｕポリメラーゼ、Ｐｗｏポリメラーゼ、ＶＥＮＴポリメラーゼ、ＤＥＥＰＶＥＮＴポリメラーゼ、ＥＸ−Ｔａｑポリメラーゼ、ＬＡ−Ｔａｑポリメラーゼ、Ｓｓｏポリメラーゼ、Ｐｏｃポリメラーゼ、Ｐａｂポリメラーゼ、Ｍｔｈポリメラーゼ、ＥＳ４ポリメラーゼ、Ｔｒｕポリメラーゼ、Ｔａｃポリメラーゼ、Ｔｎｅポリメラーゼ、Ｔｍａポリメラーゼ、Ｔｃａポリメラーゼ、Ｔｉｈポリメラーゼ、Ｔｆｉポリメラーゼ、プラチナＴａｑポリメラーゼ、Ｔｂｒポリメラーゼ、Ｔｆｌポリメラーゼ、Ｔｔｈポリメラーゼ、Ｐｆｕｔｕｂｏポリメラーゼ、Ｐｙｒｏｂｅｓｔポリメラーゼ、Ｐｗｏポリメラーゼ、ＫＯＤポリメラーゼ、Ｂｓｔポリメラーゼ、Ｓａｃポリメラーゼ、３’から５’のエキソヌクレアーゼ活性を備えるＫｌｅｎｏｗフラグメント・ポリメラーゼ、及び変異体、改変生成物、及びそれらの誘導体を含む。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。いくつかの実施形態では、ポリメラーゼは、高い進行性を備えるポリメラーゼである。ポリメラーゼ進行性は、一般的に、核酸鋳型を解放することなく核酸鋳型の中へｄＮＴＰを連続して組み込む、ポリメラーゼの能力を参照している。ターゲット核酸の核酸塩基と相補的なｄＮＴＰとの間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のアルファ・ホスフェート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の中へｄＮＴＰを組み込む。ｄＮＴＰにコンジュゲートされた発光性タグがフルオロフォアである例では、その存在が、励起によって信号で伝えられ、エミッションのパルスが、組み込みの工程の間又は後に検出される。ｄＮＴＰの末端（ガンマ）ホスフェートにコンジュゲートされた検出標識に関して、新しく合成された鎖の中へのｄＮＴＰの組み込みは、ベータ・ホスフェート及びガンマ・ホスフェートの解放を結果として生じさせ、検出標識は、サンプル・ウェルの中に自由に拡散することができ、フルオロフォアから検出されるエミッションの減少を結果として生じさせる。
【０１０１】
単一分子ＲＮＡシークエンシングに関する実施形態は、ＲＮＡ鋳型から相補的なＤＮＡ（ｃＤＮＡ）を合成することができる任意の逆転写酵素を使用することが可能である。そのような実施形態では、ｃＤＮＡが、ＲＮＡ鋳型にアニーリングされる逆転写プライマーへのｄＮＴＰの組み込みを介して、ＲＮＡ鋳型から合成され得るという点において、逆転写酵素は、ポリメラーゼと同様の様式で機能することが可能である。次いで、ｃＤＮＡは、シークエンシング反応に関与することが可能であり、その配列は、上記に説明されているように決定される。次いで、決定されたｃＤＮＡの配列は、配列相補性を介して使用され、元のＲＮＡ鋳型の配列を決定することが可能である。逆転写酵素の例は、モロニー・マウス白血病ウイルス逆転写酵素（Ｍ−ＭＬＶ）、ニワトリ骨髄芽球症ウイルス（ＡＭＶ）逆転写酵素、ヒト免疫不全ウイルス逆転写酵素（ＨＩＶ−１）、及びテロメラーゼ逆転写酵素を含む。
【０１０２】
単一分子検出及び／又は核酸シークエンシングを実施するための簡単でより複雑でない装置に対する必要性を認識したので、本開示は、光学的な（たとえば、発光性）タグなどのようなタグのセットを使用して、単一分子を検出し、異なる分子に標識するための技法を提供する。そのような単一分子は、タグを有するヌクレオチド又はアミノ酸であることが可能である。タグは、単一分子に結合される間に、単一分子からの解放の際に、又は、単一分子に結合されかつ単一分子からの解放の際に、検出され得る。いくつかの例では、
タグは、発光性タグである。選択されたセットの中のそれぞれの発光性タグは、それぞれの分子に関連付けられている。たとえば、４つのタグのセットが、ＤＮＡの中に存在する核酸塩基を「標識」するために使用され得、セットのそれぞれのタグは、異なる核酸塩基に関連付けられており、たとえば、第１のタグは、アデニン（Ａ）に関連付けられており、第２のタグは、シトシン（Ｃ）に関連付けられており、第３のタグは、グアニン（Ｇ）に関連付けられており、第４のタグは、チミン（Ｔ）に関連付けられている。そのうえ、タグのセットの中の発光性タグのそれぞれは、異なる特性を有しており、それは、セットの第１のタグをセットの中の他のタグから区別するために使用され得る。このように、それぞれのタグは、これらの区別する性質のうちの１つ又は複数を使用して、固有に特定可能である。例として、及び、限定としてではなく、１つのタグを別のタグから区別するために使用され得るタグの性質は、励起に応答してタグによって放出される光のエミッション・エネルギー及び／もしくは波長、ならびに／又は、特定のタグを励起する励起光のエネルギー及び／もしくは波長を含むことが可能である。
【０１０３】
実施形態は、タグ特性の任意の適切な組み合わせを使用し、タグのセットの中の第１のタグを同じセットの中の他のタグから区別することが可能である。たとえば、いくつかの実施形態は、タグからのエミッション光の波長だけを使用し、タグを特定することが可能である。そのような実施形態では、タグの選択されたセットの中のそれぞれのタグが、そのセットの中の他のタグとは異なるピーク・エミッション波長を有しており、発光性タグは、すべて、単一の励起供給源からの光によって励起される。図１−１は、実施形態による４つの発光性タグからのエミッション・スペクトルを図示しており、４つのタグが、異なるエミッション波長においてそれらのそれぞれの強度ピークを示しており、それは、本明細書で、タグの「ピーク・エミッション波長」と称される。第１の発光性タグからの第１のエミッション・スペクトル１−１０１は、λ１においてピーク・エミッション波長を有しており、第２の発光性タグからの第２のエミッション・スペクトル１−１０２は、λ２においてピーク・エミッション波長を有しており、第３の発光性タグからの第３のエミッション・スペクトル１−１０３は、λ３においてピーク・エミッション波長を有しており、第４の発光性タグからの第４のエミッション・スペクトル１−１０４は、λ４においてピーク・エミッション波長を有している。この実施形態では、４つの発光性タグのエミッション・ピークは、関係式λ１＜λ２＜λ３＜λ４を満たす任意の適切な値を有することが可能である。４つのエミッション・スペクトルは、重なり合ってもよいし、又は、重なり合わなくてもよい。しかし、２つ以上のタグのエミッション・スペクトルが重なり合う場合には、１つのタグが、それぞれのピーク波長において、任意の他のタグよりも実質的に多い光を放出するように、発光性タグ・セットを選択することが望ましい。この実施形態では、４つのタグのそれぞれが励起供給源からの光を最大限に吸収する励起波長は、実質的に同じであるが、そうである必要はない。上記のタグ・セットを使用して、４つの異なる分子が、タグ・セットからのそれぞれのタグによって標識化され得、タグは、単一の励起供給源を使用して励起され得、タグは、光学的なシステム及びセンサーを使用してタグのエミッション波長を検出することによって、互いから区別され得る。図１−１は、４つの異なるタグを図示しているが、任意の適切な数のタグが使用され得るということが認識されるべきである。
【０１０４】
他の実施形態は、タグからのエミッション光の波長、及び、タグが励起光を吸収する波長の両方を使用し、タグを特定することが可能である。そのような実施形態では、選択されたタグのセットの中のそれぞれのタグは、そのセットの中の他のタグとは、エミッション波長及び励起波長の異なる組み合わせを有している。したがって、選択されたタグ・セットの中のいくつかのタグは、同じエミッション波長を有することが可能であるが、異なる波長の光によって励起され得る。逆に、選択されたタグ・セットの中のいくつかのタグは、同じ励起波長を有することが可能であるが、異なる波長において光を放出することが可能である。図１−２Ａは、実施形態による４つの発光性タグからのエミッション・スペ
クトルを図示しており、タグのうちの２つが、第１のピーク・エミッション波長を有しており、他の２つのタグが、第２のピーク・エミッション波長を有している。第１の発光性タグからの第１のエミッション・スペクトル１−１０５は、λ１においてピーク・エミッション波長を有しており、第２の発光性タグからの第２のエミッション・スペクトル１−１０６も、λ１においてピーク・エミッション波長を有しており、第３の発光性タグからの第３のエミッション・スペクトル１−１０７は、λ２においてピーク・エミッション波長を有しており、第４の発光性タグからの第４のエミッション・スペクトル１−１０８も、λ２においてピーク・エミッション波長を有している。この実施形態では、４つの発光性タグのエミッション・ピークが、関係式λ１＜λ２を満たす任意の適切な値を有することが可能である。図１−２Ｂは、４つの発光性タグからの吸収スペクトルを図示しており、タグのうちの２つが、第１のピーク吸収波長を有しており、他の２つのタグが、第２のピーク吸収波長を有している。第１の発光性タグに関する第１の吸収スペクトル１−１０９は、λ３においてピーク吸収波長を有しており、第２の発光性タグに関する第２の吸収スペクトル１−１１０は、λ４においてピーク吸収波長を有しており、第３の発光性タグに関する第３の吸収スペクトル１−１１１は、λ３においてピーク吸収波長を有しており、第４の発光性タグに関する第４の吸収スペクトル１−１１２は、λ４においてピーク吸収波長を有している。図１−２Ａにおいてエミッション・ピーク波長を共有するタグは、図１−２Ｂでは吸収ピーク波長を共有していないということに留意されたい。そのようなタグ・セットを使用することは、４つの色素に関して２つのエミッション波長しか存在しないときでも、４つのタグの間を区別することを可能にする。これは、異なる波長で放出する２つの励起供給源、又は、複数の波長で放出することができる単一の励起供給源を使用することによって可能となる。励起光の波長が、それぞれの検出されるエミッション・イベントに関して知られている場合には、どのタグが存在していたかということが決定され得る。励起供給源は、第１の励起波長と第２の励起波長を繰り返すことが可能であり、それは、インターリービングと称される。代替的に、第１の励起波長の２つ以上のパルスが使用され、その後に、第２の励起波長の２つ以上のパルスが続くことが可能である。
【０１０５】
図には図示されていないが、他の実施形態は、吸収周波数だけに基づいて、発光性タグのアイデンティティーを決定することが可能である。励起光が、タグ・セットの中のタグの吸収スペクトルにマッチする特定の波長にチューニングされ得る場合に、そのような実施形態が可能である。そのような実施形態では、それぞれのタグから放出される光を方向付け及び検出するために使用される光学的なシステム及びセンサーは、放出される光の波長を検出することができる必要はない。これは、いくつかの実施形態では、有利である可能性がある。その理由は、そのような実施形態では、エミッション波長を検出することは要求されないので、それが、光学的なシステム及びセンサーの複雑さを低減させるからである。
【０１０６】
上記に議論されているように、本発明者は、タグのさまざまな特性を使用して異なる発光性タグを互いから区別することができることの必要性を認識及び理解した。タグのアイデンティティーを決定するために使用される特性のタイプは、この分析を行うために使用される物理的なデバイスに影響を与える。本出願は、これらの異なる実験を行うための装置、デバイス、機器、及び方法のいくつかの実施形態を開示している。
【０１０７】
手短に言えば、本発明者は、多数のピクセル（たとえば、数百、数千、数百万、又は、それ以上）を備えるピクセル化されたデバイスは、並行して複数の個々の分子又は粒子の検出を可能にするということを認識及び理解した。分子は、例として、及び、限定としてではなく、タンパク質及び／又はＤＮＡであることが可能である。そのうえ、毎秒百を超えるフレームでデータを獲得することができる高速デバイスは、分析されているサンプルの中に時間をかけて起こる動的なプロセス又は変化の検出及び分析を可能にする。
【０１０８】
本明細書で説明されているコンパクトな装置は、以前には生物学的なサンプルの定量的な分析を行うことができなかった世界の領域に、自動化された生物学的分析を持っていくために使用され得る。たとえば、使い捨ての又はリサイクル可能な集積アッセイ・チップ（本明細書で「集積デバイス」とも称される）の上に血液サンプルを設置することによって、分析のための小さいポータブル機器の中へ集積デバイスを設置することによって、及び、ユーザによる即座の再検討のために機器に接続するコンピュータによって結果を処理することによって、幼児のための血液テストが行われ得る。また、データは、分析されるためにデータ・ネットワークを通じて遠隔の場所に送信され、及び／又は、その後の臨床分析のためにアーカイブされ得る。代替的に、機器は、集積デバイスから得られるデータを分析することができる１つ又は複数のプロセッサーを含むことが可能であり、また、外部コンピュータの必要なしに、再検討のための結果を提供することが可能である。
【０１０９】
ＩＩ．  装置の概観
試料を分析するための装置２−１００の図式的概観が、図２−１に図示されている。いくつかの実施形態によれば、装置２−１００は、集積アッセイ・チップ（本明細書で「集積デバイス」とも称される）２−１１０及びベース機器２−１２０を含み、集積デバイスは、ベース機器２−１２０の中へ挿入され得る。ベース機器２−１２０は、コンピュータ・インターフェース２−１２４、少なくとも１つの電子的なプロセッサー２−１２３、及び、ユーザ・インターフェース２−１２５を含むことが可能である。集積デバイスは、機器インターフェース２−１３０、少なくとも１つのサンプル・ウェル２−１１１、少なくとも１つの励起供給源２−１２１、及び、少なくとも１つのセンサー２−１２２を含むことが可能であるが、好適な実施形態では、集積デバイス２−１１０の上に配設された複数のサンプル・ウェル、励起供給源、及びセンサーが存在することとなる。いくつかの実施形態によれば、機器２−１２０は、集積デバイス２−１１０とインターフェース接続するための任意の適切なソケットを含む。たとえば、機器２−１２０は、集積デバイス２−１１０を受け入れるために機械的な位置合わせ及びマルチ・ピンの電気的な接続を含む、ソケット（図示せず）を含むことが可能である。
【０１１０】
いくつかの実施形態では、コンピュータ・インターフェース２−１２４は、コンピューティング・デバイス２−１３０と接続するために使用される。任意の適切なコンピュータ・インターフェース２−１２４及びコンピューティング・デバイス２−１３０が使用され得る。たとえば、コンピュータ・インターフェース２−１２４は、ＵＳＢインターフェース又はＦｉｒｅｗｉｒｅ（登録商標）インターフェースであることが可能である。コンピューティング・デバイス２−１３０は、ラップトップ・コンピュータ又はデスクトップ・コンピュータなどのような、任意の汎用コンピュータであることが可能である。コンピュータ・インターフェース２−１２４は、機器２−１２０とコンピューティング・デバイス２−１３０との間の情報の通信を促進させる。機器２−１２０を制御及び／又は設定するための入力情報は、機器のコンピュータ・インターフェース２−１２４に接続されているコンピューティング・デバイス２−１３０を通して提供され得る。追加的に、機器からの出力情報は、コンピュータ・インターフェース２−１２４を通してコンピューティング・デバイス２−１３０によって受け取られ得る。そのような出力情報は、機器２−１２０の性能についてのフィードバック、及び、センサー２−１２２からの信号に関する情報を含むことが可能であり、それは、いくつかの実施形態では、生の及び／又は処理されたデータを含むことが可能である。
【０１１１】
また、機器２−１２０は、センサー２−１２２から受け取られるデータを分析するための少なくとも１つのプロセッシング・デバイス２−１２３を含むことが可能である。いくつかの実施形態では、プロセッシング・デバイス２−１２３は、特別に適合されたプロセッサー（たとえば、１つ又は複数のマイクロプロセッサーもしくはマイクロコントローラ・コアなどのような中央処理装置（ＣＰＵ）、フィールド・プログラマブル・ゲート・ア
レイ（ＦＰＧＡ）、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、カスタム集積回路、デジタル信号プロセッサー（ＤＳＰ）、又は、それらの組み合わせ）を含むことが可能である。示されている（示されていない）メモリーは、機器管理機能、信号収集及び処理機能を実行するようにプロセッサー２−１２３を特別に適合させる機械可読命令を保存することが可能であり、また、励起供給源の動作などのようなさまざまな目的のために集積デバイスに制御信号を発することが可能である。いくつかの実施形態では、センサー２−１２２からのデータを処理することは、プロセッシング・デバイス２−１２３及び外部コンピューティング・デバイス２−１３０の両方によって行われ得る。他の実施形態では、コンピューティング・デバイス２−１３０は省略され得、また、センサー２−１２２からのデータを処理することは、プロセッシング・デバイス２−１２３だけによって行われ得る。
【０１１２】
いくつかの実施形態では、機器２−１２０は、機器のインタラクティブな動作のためのユーザ・インターフェース２−１２５を含む。ユーザ・インターフェース２−１２５は、機器の機能を制御するために使用されるコマンド及び／又はセッティングなどのような情報を、ユーザが機器の中へ入力することを可能にするように構成され得る。いくつかの実施形態では、ユーザ・インターフェース２−１２５は、ボタン、スイッチ、ダイアル、タッチ・スクリーン、タッチ・パッド、ディスプレイ、及び、ボイス・コマンドを受け取るためのマイクロホンのうちの１つ又はそれらの組み合わせを含むことが可能である。追加的に、ユーザ・インターフェース２−１２５は、適正なアライメント、及び／又は、集積デバイスの上のセンサーからの読み出し信号によって得られる情報などのような、機器及び／又は集積デバイスの性能についてのフィードバックをユーザが受け取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、ユーザ・インターフェース２−１２５は、可聴フィードバックを提供するためにスピーカを使用して、ならびに／又は、視覚的フィードバックを提供するためにインジケーター光及び／もしくは表示スクリーンを使用して、フィードバックを提供することが可能である。
【０１１３】
いくつかの実施形態では、集積デバイス２−１１０は、複数のピクセルを含み、それぞれのピクセルは、それ自身の個々のサンプル・ウェル２−１１１及びそれ自身の関連のセンサー２−１２２に関連付けられている。複数のピクセルが、アレイで配置され得、任意の適切な数のピクセルが存在し得る。たとえば、集積デバイスは、いくつかの実施形態によれば、１００個から１，０００個の間のピクセル、いくつかの実施形態によれば、１，０００個から１０，０００個の間のピクセル、いくつかの実施形態によれば、１０，０００個から１００，０００個の間のピクセル、いくつかの実施形態によれば、１００，０００個から１，０００，０００個の間のピクセル、及び、さらに、いくつかの実施形態によれば、１，０００，０００個から１０，０００，０００個の間のピクセルを含むことが可能である。いくつかの実施形態では、集積デバイスの上に、より少ない、又は、より多いピクセルが存在することが可能である。集積デバイス２−１１０及び機器２−１２０は、大型のピクセル・アレイ（たとえば、１０００個よりも多いピクセル）に関連付けられたデータをハンドリングするためのマルチ・チャネル高速通信リンクを含むことが可能である。
【０１１４】
集積デバイスは、図２−２に示されているように出現することが可能である。電子的な構造体、光学的な構造体、及び関連の構造体は、すべて、単一の基板２−２００の上へ組み込まれ得る。集積デバイスは、アクティブ・ソース・ピクセル２−２０５のアレイ及び集積電子回路を含むことが可能である。集積電子回路は、ピクセル・アレイのセンサーにカップリングされているドライブ及び読み出し回路２−２１５、ならびに、信号処理回路を含むことが可能である。信号処理回路は、アナログ−デジタル・コンバータ２−２１７及び１つ又は複数のフィールド・プログラマブル・ゲート・アレイ、ならびに／又はデジタル信号プロセッサー２−２１９を含むことが可能である。いくつかの実施形態は、より多くの回路コンポーネントを有することが可能であり、いくつかの実施形態は、基板の上
に集積された、より少ない回路コンポーネントを有することが可能である。集積デバイス２−１１０のコンポーネントは、図２−２では単一のレベルに示されているが、コンポーネントは、基板２−２００の上の複数のレベルに製作され得る。
【０１１５】
いくつかの実施形態によれば、集積デバイスの上の複数のピクセル２−２０５の周りに形成された壁付きチャンバーが存在することが可能である。壁付きチャンバーは、複数のピクセルの上に流体試料を保持するように構成され得る。いくつかの実施形態では、カバーが存在することが可能であり、カバーは、壁付きチャンバーの上方を閉じ、壁付きチャンバーの外部の光が複数のピクセルを照射することを遮断することが可能である。いくつかの実施形態によれば、複数のピクセル２−２０５の周りに走るリッジが存在することが可能であり、又は、複数のピクセルが、窪みの中に形成され得る。壁付きチャンバー、リッジ、又は窪みは、複数のピクセルの上に流体試料を保持するように構成され得る。集積デバイスは、機器２−１２０の受け入れドックの中へ挿入され得、カバーが、受け入れドックの上で閉じられ、受け入れドックの外部の光が複数のピクセルを照射することを遮断することが可能である。いくつかの実施形態では、集積デバイス２−１１０及びチャンバーは、単一のモジュールの中にパッケージ化されている。モジュールは、外部電気接点を有することが可能であり、外部電気接点は、機器２−１２０の受け入れドックのピンに電気的に接触するように配置されている。
【０１１６】
いくつかの実施形態では、集積デバイス２−１１０の上に位置付けされた光学エレメント（図示せず）が存在することが可能であり、それは、１つ又は複数の励起供給源２−１２１からサンプル・ウェル２−１１１へ励起エネルギーをガイド及びカップリングするために配置されている。そのような供給源・トゥー・ウェル・エレメントは、プラズモニック構造体、及び、サンプル・ウェルに隣接して位置付けされている他の微細加工された構造体を含むことが可能である。追加的に、いくつかの実施形態では、集積デバイスの上に位置付けされた光学エレメントが存在することが可能であり、それは、サンプル・ウェル２−１１１から対応するセンサー２−１２２へエミッション・エネルギーをガイドするために構成されている。そのようなウェル・トゥー・サンプル・エレメントは、サンプル・ウェルに隣接して位置付けされているプラズモニック構造体及び他の微細加工された構造体を含むことが可能である。いくつかの実施形態では、単一のコンポーネントは、励起エネルギーをサンプル・ウェルにカップリングする役割、及び、サンプル・ウェルから対応するセンサーへエミッション・エネルギーを送達する役割の両方の役割を果たすことが可能である。
【０１１７】
いくつかの実施形態では、集積デバイス２−１１０は、サンプル・ウェルにおいてサンプルを励起するために使用される２つ以上のタイプの励起供給源を含むことが可能である。たとえば、サンプルを励起するために複数の励起エネルギー又は波長を作り出すように構成された複数の励起供給源が存在することが可能である。いくつかの実施形態では、単一の励起供給源が、サンプル・ウェルの中のサンプルを励起するために使用される複数の波長を放出するように構成され得る。いくつかの実施形態では、集積デバイス２−１１０のピクセルにおいて、それぞれのセンサーが、サンプルからの異なるエミッション・エネルギー特性を検出するように構成された複数のサブ・センサーを含むことが可能である。
【０１１８】
動作時には、サンプル・ウェル２−１１１の中のサンプルの平行分析が、励起供給源２−１２１を使用してウェルの中のサンプルを励起することによって、及び、センサー２−１２２によってサンプル・エミッションからの信号を検出することによって、実施される。サンプルからのエミッション・エネルギーは、対応するセンサー２−１２２によって検出され、少なくとも１つの電気信号に変換され得る。結果として生じる１つ又は複数の信号は、いくつかの実施形態では、集積デバイス２−１１０の上で処理され、又は、プロセッシング・デバイス２−１２３及び／又はコンピューティング・デバイス２−１３０によ
って処理するための機器２−１２０へ送信され得る。サンプル・ウェルからの信号は、他のピクセルに関連付けられている信号から独立して受け取られて処理され得る。
【０１１９】
励起供給源２−１２１が励起エネルギーをサンプル・ウェルに送達するときには、ウェルの中の少なくとも１つのサンプルが、発光することが可能であり、結果として生じるエミッションが、センサーによって検出され得る。本明細書で使用されているように、「サンプルは発光することが可能である」、又は、「サンプルは放射線を放出することが可能である」、又は、「サンプルからのエミッション」の語句は、発光性タグ、マーカ、又はレポータ、サンプル自身、又は、サンプルに関連付けられている反応生成物が放出された放射線を作り出すことが可能であるということを意味している。
【０１２０】
いくつかの実施形態では、サンプルは、１つ又は複数のタグによって標識化され得、タグに関連付けられているエミッションは、機器によって識別可能である。たとえば、集積デバイスのコンポーネントは、サンプル・ウェルからのエミッションに影響を及ぼし、エミッション波長に依存する空間的なエミッション分布パターンを作り出すことが可能である。サンプル・ウェルのための対応するセンサーは、さらに詳細に下記に説明されているように、サンプル・ウェルからの空間的な分布パターンを検出し、異なるエミッション波長を見分ける信号を作り出すように構成され得る。
【０１２１】
さまざまなタグ、マーカ、又はレポータが、集積デバイス及び機器とともに使用され得る。発光性マーカ（本明細書で「マーカ」とも称される）は、外因性のマーカ又は内因性のマーカであることが可能である。外因性のマーカは、発光性ラベリングのためのレポータ及び／又はタグとして使用される外部発光性マーカであることが可能である。外因性のマーカの例は、それに限定されないが、蛍光分子、フルオロフォア、蛍光色素、蛍光染色液、有機色素、蛍光タンパク質、蛍光共鳴エネルギー移動（ＦＲＥＴ）に参加する種、酵素、及び／又は量子ドットを含むことが可能である。他の外因性のマーカも、当技術分野で知られている。そのような外因性のマーカは、具体的には特定のターゲット又はコンポーネントに結合するプローブ又は官能基（たとえば、分子、イオン、及び／又はリガンド）にコンジュゲートされ得る。外因性のタグ又はレポータをプローブに取り付けることは、外因性のタグ又はレポータの存在の検出を通して、ターゲットの特定を可能にする。プローブの例は、タンパク質、核酸（たとえば、ＤＮＡ、ＲＮＡ）分子、脂質、及び抗体プローブを含むことが可能である。外因性のマーカ及び官能基の組み合わせは、検出のために使用される任意の適切なプローブ、タグ、及び／又はラベルを形成することが可能であり、それは、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）、酵素ラベル、蛍光プローブ、蛍光タグ、及び／又は酵素レポータを含む。
【０１２２】
［００１６９］本開示は発光性マーカを参照しているが、他のタイプのマーカが、本明細書で提供されるデバイス、システム、及び方法とともに使用され得る。そのようなマーカは、質量タグ、静電的なタグ、又は電気化学的なラベルであることが可能である。
【０１２３】
外因性のマーカはサンプルに追加され得るが、内因性のマーカは、すでに、サンプルの一部であることが可能である。内因性のマーカは、励起エネルギーの存在下で発光又は「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むことが可能である。内因性のフルオロフォアの自己蛍光は、外因性のフルオロフォアの導入を必要とすることなく、ラベル・フリーの及び非侵襲的なラベリングを提供することが可能である。そのような内因性のフルオロフォアの例は、例として、及び、限定としてではなく、ヘモグロビン、酸素ヘモグロビン、脂質、コラーゲン及びエラスチン・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及びＦＭＮ）、リポフスチン、ケラチン、ならびに／又はポルフィリンを含むことが可能である。
【０１２４】
図２−３は、コンピューティング・デバイス２−３１０のコンポーネントを示している。示されているコンポーネントのうちのいくつか又はすべてが、試料を分析するための装置２−１００の実施形態の中に存在することが可能である。分散コンピューティング環境において、いくつかのコンポーネントは、サーバの上に位置付けされ得、いくつかのコンポーネントは、クライアント・デバイスの上に位置付けされ得る。いくつかの実施形態では、ベース機器２−１２０と通信するコンピューティング・デバイス２−１３０は、図２−３に示されているコンピューティング・システム２−３００のいくつかの又はすべてのコンポーネントからなることが可能である。いくつかの実施形態では、ベース機器２−１２０は、コンピューティング・デバイス２−３１０のコンポーネントのうちのいくつか又はすべてを含むことが可能である。
【０１２５】
コンピューティング・デバイス２−３１０のコンポーネントは、それに限定されないが、処理ユニット２−３２０、メモリー２−３３０、及びバス２−３２１を含むことが可能であり、バス２−３２１は、メモリーを含むさまざまなコンポーネントを処理ユニット２−３２０にカップリングする。バス２−３２１は、さまざまなバス・アーキテクチャーのいずれかを使用するメモリー・バス又はメモリー・コントローラ、ペリフェラル・バス、及びローカル・バスを含む、いくつかのタイプのバス構造のいずれかであることが可能である。例として、及び、限定としてではなく、そのようなアーキテクチャーは、業界標準アーキテクチャー（ＩＳＡ）バス、マイクロ・チャネル・アーキテクチャー（ＭＣＡ）バス、拡張ＩＳＡ（ＥＩＳＡ）バス、ビデオ・エレクトロニクス・スタンダーズ・アソシエーション（ＶＥＳＡ）ローカル・バス、及び、メザニン・バスとしても知られるペリフェラル・コンポーネント・インターコネクト（ＰＣＩ）バスを含む。
【０１２６】
コンピュータ２−３１０は、１つ又は複数のタイプの機械可読媒体を含むことが可能である。機械可読媒体は、コンピュータ２−３１０によってアクセスされ得る任意の利用可能な媒体であり、それは、揮発性の及び不揮発性の製造されたストレージ媒体、リムーバブルの及びノンリムーバブルの製造されたストレージ媒体の両方を含む。例として、及び、限定としてではなく、機械可読媒体は、コンピュータ可読命令、データ構造、プログラム・モジュール、又は他のデータなどのような、情報からなることが可能である。機械可読媒体は、それに限定されないが、ＲＡＭ、ＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭ、フラッシュ・メモリー、もしくは、他のメモリー・デバイス技術、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、他の磁気ストレージ・デバイス、又は、所望の情報を保存するために使用され得、コンピュータ２−３１０によってアクセスされ得る、任意の他の製造されたデータ・ストレージ・デバイスを含む。
【０１２７】
メモリー２−３３０は、リード・オンリー・メモリー（ＲＯＭ）２−３３１及びランダム・アクセス・メモリー（ＲＡＭ）２−３３２などのような、揮発性の及び／又は不揮発性のメモリーの形態のコンピュータ・ストレージ媒体を含むことが可能である。基本入力／出力システム２−３３３（ＢＩＯＳ）は、たとえば起動の間などにコンピュータ２−３１０の中のエレメント同士の間で情報を伝達することを助ける基本ルーチンを含有しており、基本入力／出力システム２−３３３（ＢＩＯＳ）は、ＲＯＭ２−３３１の中に保存され得る。ＲＡＭ２−３３２は、データ及び／又はプログラム・モジュールを含有することが可能であり、データ及び／又はプログラム・モジュールは、処理ユニット２−３２０に即座にアクセス可能であり、及び／又は、処理ユニット２−３２０によって現在動作されている。例として、及び、限定としてではなく、図２−３は、オペレーティング・システム２−３３４、アプリケーション・プログラム２−３３５、他のプログラム・モジュール２−３３６、及びプログラム・データ２−３３７を図示している。
【０１２８】
また、コンピュータ２−３１０は、他のリムーバブルの／ノン・リムーバブルの揮発性の／不揮発性の機械可読媒体を含むことが可能である。単なる例として、図２−３は、ノン・リムーバブルの不揮発性の磁気媒体に読み書きをするハード・ディスク・ドライブ２−３４１、リムーバブルの不揮発性の磁気ディスク２−３５２に読み書きをする磁気ディスク・ドライブ２−３５１、及び、ＣＤ  ＲＯＭ又は他の光学的な媒体などのような、リムーバブルの不揮発性の光ディスク２−３５６に読み書きをする光ディスク・ドライブ２−３５５を図示している。例示的な動作環境において使用され得る他のリムーバブルの／ノン・リムーバブルの揮発性の／不揮発性の機械可読媒体は、それに限定されないが、磁気テープ・カセット、フラッシュ・メモリー・カード、デジタル多用途ディスク、デジタル・ビデオ・テープ、ソリッド・ステートＲＡＭ、及びソリッド・ステートＲＯＭなどを含む。ハード・ディスク・ドライブ２−３４１は、インターフェース２−３４０などのようなノン・リムーバブル・メモリー・インターフェースを通して、システム・バス２−３２１に接続され得、また、磁気ディスク・ドライブ２−３５１及び光ディスク・ドライブ２−３５５は、インターフェース２−３５０などのようなリムーバブル・メモリー・インターフェースによって、システム・バス２−３２１に接続され得る。
【０１２９】
上記に議論されており、図２−３に図示されている、ドライブ及びそれらの関連の機械可読媒体は、機械可読命令、データ構造、プログラム・モジュール、及び、コンピュータ２−３１０に関する他のデータのストレージを提供する。図２−３では、たとえば、ハード・ディスク・ドライブ２−３４１は、オペレーティング・システム２−３４４、アプリケーション・プログラム２−３４５、他のプログラム・モジュール２−３４６、及びプログラム・データ２−３４７を保存しているものとして図示されている。これらのコンポーネントは、オペレーティング・システム２−３３４、アプリケーション・プログラム２−３３５、他のプログラム・モジュール２−３３６、及びプログラム・データ２−３３７と同じであるか、又は、それらとは異なるかのいずれかであることが可能である。オペレーティング・システム２−３４４、アプリケーション・プログラム２−３４５、他のプログラム・モジュール２−３４６、及びプログラム・データ２−３４７は、ここでは異なる数字を与えられており、最低でも、それらが異なるコピーであるということを図示している。
【０１３０】
ユーザは、キーボード２−３６２、及び、マウス、トラックボール、又はタッチ・パッドと一般に称されるポインティングデバイス２−３６１などのような、入力デバイスを通して、コンピュータ２−３１０の中へ、コマンド及び情報を入力することが可能である。他の入力デバイス（図示せず）は、マイクロホン、ジョイスティック、ゲーム・パッド、サテライト・ディッシュ、又はスキャナーなどを含むことが可能である。これらの入力デバイス及び他の入力デバイスは、システム・バスにカップリングされているユーザ入力インターフェース２−３６０を通して、処理ユニット２−３２０に接続され得るが、それは、パラレル・ポート、ゲーム・ポート、又はユニバーサル・シリアル・バス（ＵＳＢ）などのような、他のインターフェース及びバス構造によって接続され得る。また、モニター２−３９１又は他のタイプのディスプレイ・デバイスが、ビデオ・インターフェース２−３９０などのようなインターフェースを介して、システム・バス２−３２１に接続され得る。また、モニターに加えて、コンピューティング・デバイス２−３１０は、スピーカ２−３９７及びプリンター２−３９６などのような、他のペリフェラル出力デバイスを含むことが可能であり、それは、出力ペリフェラル・インターフェース２−３９５を通して接続され得る。
【０１３１】
コンピュータ２−３１０は、遠隔のコンピュータ２−３８０などのような１つ又は複数の遠隔のデバイスへの論理的接続を使用して、ネットワーク化された環境において動作させられ得る。遠隔のコンピュータ２−３８０は、パーソナル・コンピュータ、サーバ、ルータ、ネットワークＰＣ、ピア・デバイス、又は、他の共通のネットワーク・ノードであ
ることが可能であり、また、メモリー・ストレージ・デバイス２−３８１だけが図２−３に図示されているが、遠隔のコンピュータ２−３８０は、コンピュータ２−３１０に関して上記に説明されているエレメントのうちの多く又はすべてを含むことが可能である。図２−３に示されている論理的接続は、ローカル・エリア・ネットワーク（ＬＡＮ）２−３７１及びワイド・エリア・ネットワーク（ＷＡＮ）２−３７３を含むが、他のネットワークを含むことも可能である。そのようなネットワーキング環境は、オフィス、企業規模のコンピュータ・ネットワーク、イントラネット、及びインターネットにおいて普通である可能性がある。ネットワーク接続は、ワイヤード、光ファイバー・ベース、又はワイヤレスであることが可能である。
【０１３２】
ＬＡＮネットワーキング環境において使用されるときには、コンピュータ２−３１０は、ネットワーク・インターフェース又はアダプター２−３７０を通して、ＬＡＮ２−３７１に接続され得る。ＷＡＮネットワーキング環境において使用されるときには、コンピュータ２−３１０は、モデム２−３７２、又は、インターネットなどのようなＷＡＮ２−３７３を通した通信を確立するための他の手段を含むことが可能である。モデム２−３７２は、内部又は外部にあることが可能であり、モデム２−３７２は、ユーザ入力インターフェース２−３６０、又は他の適当なメカニズムを介して、システム・バス２−３２１に接続され得る。ネットワーク化された環境では、コンピュータ２−３１０に関して示されているプログラム・モジュール又はその一部分は、遠隔のメモリー・ストレージ・デバイスの中に保存され得る。例として、及び、限定としてではなく、図２−３は、メモリー・デバイス２−３８１の上にあるものとして、遠隔のアプリケーション・プログラム２−３８５を図示している。示されているネットワーク接続は、例示的なものであり、コンピュータ同士の間で通信リンクを確立する他の手段も使用され得るということが認識されることとなる。
【０１３３】
ＩＩＩ．  アクティブ・ソース・ピクセル及びサンプル・ウェル
ＩＩＩ．Ａ．  アクティブ・ソース・ピクセル
ここで図３−１を参照すると、さまざまな実施形態において、集積デバイスは、複数のアクティブ・ソース・ピクセル３−１００を含むことが可能である。アクティブ・ソース・ピクセル（本明細書では「ピクセル」とも称される）は、ピクセルに位置付けされている励起供給源からなることが可能である。複数のピクセルが、規則的なアレイ（たとえば、１次元のアレイ又は２次元のアレイ）で基板３−１０５の上に配置され得る。ピクセル３−１００は、１つの実施形態によれば、ピクセル同士の間に少なくとも１つの周期的なスペーシングを有するように配置され得る。たとえば、第１の方向（横列方向）に沿うピクセルは、第１の周期的なスペーシングを有することが可能であり、第２の方向（縦列方向）に沿うピクセルは、第２の周期的なスペーシングを有することが可能である。しかし、いくつかの実施形態は、ピクセル同士の間に規則的な周期的なスペーシングを有していなくてもよく、又は、ピクセルの他の配置を有することが可能であり、それは、２つよりも多い周期的なスペーシングを含むことが可能である。１００個から１００万個の間のピクセルが、集積デバイス２−１１０の上に存在することが可能であるが、いくつかの実施形態では、より多くのピクセルが、集積デバイスの上に存在することも可能である。
【０１３４】
図３−１に示されているように、及び、集積デバイス２−１１０の１つの実施形態によれば、アクティブ・ピクセルは、サンプル・ウェル３−２１０を含むことが可能であり、試料からの少なくとも１つのサンプル３−１０１が、観察のためにサンプル・ウェル３−２１０の中に保持され得る。ピクセルは、サンプル・ウェルの中のサンプルを励起するためにエネルギーを提供する少なくとも１つの励起供給源３−２４０と、サンプルからのエミッションを検出するセンサー３−２６０とをさらに含むことが可能である。いくつかの実施形態によれば、ピクセル３−１００は、追加的な構造体を含むことが可能である。たとえば、ピクセル３−１００は、励起カップリング構造体３−２２０を含むことが可能で
あり、励起カップリング構造体３−２２０は、サンプル・ウェルの中のサンプルへの励起エネルギーのカップリングに影響を及ぼす。また、ピクセルは、エミッション・カップリング構造体３−２５０を含むことが可能であり、エミッション・カップリング構造体３−２５０は、ウェルの中のサンプルからセンサー３−２６０へのエミッション・エネルギーのカップリングに影響を及ぼす。
【０１３５】
いくつかの実施形態では、ピクセル３−１００は、センサー３−２６０からの信号を処理するために使用される少なくとも１つの集積された相補型金属酸化膜半導体（ＣＭＯＳ）デバイス（たとえば、少なくとも１つの集積された増幅器、少なくとも１つのゲーティング・トランジスターなど。それは、図面に示されていない）を含むことが可能である。集積されたＣＭＯＳ回路は、センサー３−２６０の近くの１つ又は複数のレベルに位置付けされ得る。また、グランド平面及び／又はインターコネクトは、集積デバイスのピクセルの中に位置付けされ得る。
【０１３６】
ピクセルの中のコンポーネントの配置は、図３−１に示されているものに限定されない。いくつかの実施形態では、第１の構造体３−２２０、励起供給源３−２４０、第２の構造体３−２５０、及びセンサー３−２６０は、上部から底部へ、図面に示されているものとは異なる順序で配置され得る。
【０１３７】
ＩＩＩ．Ｂ  サンプル・ウェル実施形態
いくつかの実施形態によれば、サンプル・ウェル３−２１０は、集積デバイスの１つ又は複数のピクセルにおいて形成され得る。サンプル・ウェルは、基板３−１０５の表面に形成された小さい体積又は領域からなることが可能であり、小さい体積又は領域は、図３−１及び図３−２に示されているように、サンプル３−１０１が、基板の表面の上に堆積された試料から、サンプル・ウェルの中へ、及び、サンプル・ウェルの外へ拡散し得るように、配置されている。サンプル・ウェル３−２１０は、基板表面に対して垂直の方向に延在する長さ又は深さを有することが可能であり、それは、サンプル・ウェルの長手方向と称される場合がある。さまざまな実施形態では、サンプル・ウェル３−２１０は、励起供給源３−２４０からの励起エネルギーを受け取るように配置され得る。サンプル・ウェルの中へ拡散するサンプル３−１０１は、一時的に又は永久的に、アドヘレント３−２１１によってサンプル・ウェルの励起領域３−２１５の中に保持され得る。励起領域において、サンプルは、励起エネルギー（たとえば、励起放射線３−２４７）によって励起され得、その後に放射線を放出することが可能であり、放射線は、観察及び評価され、サンプルを特徴付けることが可能である。
【０１３８】
動作のさらなる詳細では、分析されることとなる少なくとも１つのサンプル３−１０１が、たとえば、サンプルの流体懸濁を含有する試料（図示せず）から、サンプル・ウェル３−２１０の中へ導入され得る。基板の上の励起供給源３−２４０からのエネルギーは、サンプル又は少なくとも１つのタグ（生物学的なマーカ、レポータ、又はプローブとも称される）を励起することが可能であり、少なくとも１つのタグは、サンプルに取り付けられており、又は、そうでなければ、それがサンプル・ウェルの中の励起領域３−２１５の中にある間に、サンプルに関連付けられている。いくつかの実施形態によれば、タグは、発光性分子（たとえば、発光性タグ又はプローブ）又は量子ドットであることが可能である。いくつかの実施形態では、サンプルを分析するために使用される２つ以上のタグが存在することが可能である（たとえば、ジェイ．エイド（Ｊ．Ｅｉｄ）らによる「単一のポリメラーゼ分子からのリアルタイムＤＮＡシークエンシング（Ｒｅａｌ−Ｔｉｍｅ  ＤＮＡ  Ｓｅｑｕｅｎｃｉｎｇ  ｆｒｏｍ  Ｓｉｎｇｌｅ  Ｐｏｌｙｍｅｒａｓｅ  Ｍｏｌｅｃｕｌｅｓ）」、Ｓｃｉｅｎｃｅ  ３２３、ｐ．１３３（２００９）（それは本願明細書に援用される）に説明されているような、単一分子遺伝子シークエンシングのために使用される別個のタグ）。励起の間に及び／又は励起の後に、サンプル又はタグは、エミッシ
ョン・エネルギーを放出することが可能である。複数のタグが使用されるときには、それらは、異なる特性エネルギーで放出し、及び／又は、異なる時間特性によって放出することが可能である。サンプル・ウェルからのエミッションは、センサー３−２６０へ放射し、又は、そうでなければ、センサー３−２６０へ進むことが可能であり、センサー３−２６０において、それらは検出され、電気信号へと変換され、電気信号は、サンプルを特徴付けるために使用され得る。
【０１３９】
いくつかの実施形態によれば、サンプル・ウェル３−２１０は、図３−２に示されているように、部分的に囲まれた構造体であることが可能である。いくつかの実施形態では、サンプル・ウェル３−２１０は、材料３−２３０の少なくとも１つの層の中に形成されたサブミクロン・サイズのホール又は開口部（少なくとも１つの横断方向の寸法Ｄｓｗによって特徴付けられる）からなる。いくつかのケースでは、ホールは、「ナノホール」と称され得る。いくつかの実施形態によれば、サンプル・ウェルの横断方向の寸法は、おおよそ２０ナノメートルからおおよそ１ミクロンの間であることが可能であるが、いくつかの実施形態では、より大きいサイズ及びより小さいサイズが使用され得る。サンプル・ウェル３−２１０の体積は、いくつかの実施形態では、約１０−２１リットルから約１０−１５リットルの間であることが可能である。サンプル・ウェルは、導波路として形成され得、導波路は、伝播モードをサポートすることが可能であり、又は、伝播モードをサポートすることが可能ではない。いくつかの実施形態では、サンプル・ウェルは、直径（又は、最大の横断方向の寸法）Ｄｓｗを備える円筒形状の形状（又は、同様の形状）を有するゼロ・モード導波路（ＺＭＷ）として形成され得る。ＺＭＷは、ナノ・スケール・ホールとして単一の金属層の中に形成され得、それは、ホールを通して伝播光学モードをサポートしない。
【０１４０】
サンプル・ウェル３−２１０は小さい体積を有しているので、サンプルが、自然環境において見出されるものと同様の濃度で、検査される試料の中に濃縮され得るとしても、それぞれのピクセルにおける単一のサンプル・イベント（たとえば、単一分子イベント）の検出が可能である可能性がある。たとえば、サンプルのマイクロモル濃度は、集積デバイスに接触して設置されている試料の中に存在することが可能であるが、ピクセル・レベルにおいて、単に約１つだけのサンプル（又は、単一分子イベント）が、任意の所与の時間においてサンプル・ウェルの中にあることが可能である。統計的に、いくつかのサンプル・ウェルは、サンプルを含有しない可能性があり、いくつかは、２つ以上のサンプルを含有する可能性がある。しかし、かなりの数のサンプル・ウェルが、単一のサンプルを含有する可能性があり（たとえば、いくつかの実施形態では、少なくとも３０％）、多数のピクセルに関して、単一分子分析が並行して実施され得るようになっている。単一分子又は単一のサンプル・イベントが、それぞれのピクセルにおいて分析され得るので、集積デバイスは、そうでなければアンサンブル平均の中に気付かれずに終わる可能性のある珍しいイベントを検出することを可能にする。
【０１４１】
サンプル・ウェルの横断方向の寸法Ｄｓｗは、いくつかの実施形態では、約５００ナノメートル（ｎｍ）から約１ミクロンの間であることが可能であり、いくつかの実施形態では、約２５０ｎｍから約５００ｎｍの間であることが可能であり、いくつかの実施形態では、約１００ｎｍから約２５０ｎｍの間であることが可能であり、さらに、いくつかの実施形態では、約２０ｎｍから約１００ｎｍの間であることが可能である。いくつかの実施形態によれば、サンプル・ウェルの横断方向の寸法は、おおよそ８０ｎｍからおおよそ１８０ｎｍの間、又は、励起波長又はエミッション波長のおおよそ４分の１から８分の１の間であることが可能である。いくつかの実施形態では、サンプル・ウェル３−２１０の深さ又は高さは、約５０ｎｍから約５００ｎｍの間であることが可能である。いくつかの実施形態では、サンプル・ウェル３−２１０の深さ又は高さは、約８０ｎｍから約２５０ｎｍの間であることが可能である。
【０１４２】
サブ波長の横断方向の寸法を有するサンプル・ウェル３−２１０は、少なくとも２つの方式で、集積デバイス２−１１０のピクセル３−１００の動作を改善することが可能である。たとえば、試料の反対側からサンプル・ウェルへ入射する励起エネルギーは、パワーの指数関数的減衰を伴って励起領域３−２１５の中へカップリングすることが可能であり、伝播モードとしてサンプル・ウェルを通って試料へは伝播しない。結果として、励起エネルギーは、それが関心のサンプルを励起する励起領域の中で増加され、また、それが背景雑音に寄与し得る他のサンプルを励起し得る試料の中で低減される。また、ウェルのベース（たとえば、センサー３−２６０のより近く）において保持されているサンプルからのエミッションは、好ましくは、センサーに向けて方向付けされる。その理由は、サンプル・ウェルを通って上に伝播するエミッションが、高度に抑制されるからである。これらの効果の両方が、ピクセルにおける信号対雑音比を改善することが可能である。本発明者は、ピクセルにおける信号対雑音レベルをさらに引き上げるように改善され得るサンプル・ウェルのいくつかの態様を認識した。これらの態様は、ウェル形状及び構造に関し、また、サンプル・ウェル、及び、サンプル・ウェルから放出された放射線と励起エネルギーをカップリングすることを支援する、隣接する光学的な及びプラズモニック構造体（下記に説明されている）に関する。
【０１４３】
いくつかの実施形態によれば、サンプル・ウェル３−２１０は、サブ・カットオフ・ナノアパーチャ（ＳＣＮ）として形成され得る。たとえば、サンプル・ウェル３−２１０は、導電層の中の円筒形状のホール又はボアからなることが可能である。サンプル・ウェルの断面は、丸形である必要はなく、いくつかの実施形態では、楕円形、正方形、長方形、又は多角形であることが可能である。励起エネルギー３−２４７（たとえば、光学的な放射線）は、エントランス・アパーチャ３−２１２を通ってサンプル・ウェルに進入することが可能であり、エントランス・アパーチャ３−２１２は、図３−２に示されているように、ウェルの第１の端部において、サンプル・ウェルの壁部３−２１４によって画定され得る。ＳＣＮとして形成されるときには、励起エネルギーは、ＳＣＮの長さに沿って（たとえば、試料の方向に）指数関数的に減衰することが可能である。いくつかの実施形態では、導波路は、サンプルから放出された放射線に関するＳＣＮからなることが可能であるが、励起エネルギーに関するＳＣＮでなくてもよい。たとえば、サンプル・ウェルによって形成されるアパーチャ及び導波路は、励起エネルギーに関する伝播モードをサポートするのに十分に大きいことが可能である。その理由は、それが、放出される放射線よりも短い波長を有することが可能であるからである。より長い波長において、エミッションは、導波路の中の伝播モードに関するカットオフ波長を超えることが可能である。いくつかの実施形態によれば、サンプル・ウェル３−２１０は、励起エネルギーに関するＳＣＮからなることが可能であり、励起エネルギーの最大強度が、サンプル・ウェル３−２１０へのエントランスにおいて、サンプル・ウェルの励起領域３−２１５に局所化されるようになっている（たとえば、図面に示されているように、層３−２３５と層３−２３０との間の界面の近くに局所化される）。そのような励起エネルギーの局所化は、サンプルからのエミッション・エネルギーの局所化を改善することが可能であり、また、観察されるエミッションを、単一のサンプル（たとえば、単一分子）から放出されたものに限定することが可能である。
【０１４４】
ＳＣＮからなるサンプル・ウェルのエントランスの近くの励起局所化の例が、図３−３に示されている。数値シミュレーションが、ＳＣＮとして形成されたサンプル・ウェル３−２１０の中及び近くの励起放射線の強度を決定するために実施された。結果は、励起放射線の強度が、サンプル・ウェルのエントランス・アパーチャにおいて、入射エネルギーの約７０％であり、サンプル・ウェルの中の約１００ｎｍ以内で、入射強度の約２０％まで降下するということを示している。このシミュレーションに関して、励起エネルギーの特性波長は、６３３ｎｍであり、サンプル・ウェル３−２１０の直径は、１４０ｎｍであ
った。サンプル・ウェル３−２１０は、ゴールド・メタルの層の中に形成されていた。グラフの中のそれぞれの水平方向の区分は、５０ｎｍである。グラフによって示されているように、サンプル・ウェルの中に受け取られる励起エネルギーの半分より多くが、サンプル・ウェルのエントランス・アパーチャ３−２１２の中の約５０ｎｍに局所化される。
【０１４５】
サンプル・ウェルにおいて局所化される励起エネルギーの強度を改善するために、他のサンプル・ウェル構造体が、本発明者によって開発及び検討された。図３−４は、サンプル・ウェル３−２１０の励起端部においてキャビティー又はディボット３−２１６を含む、サンプル・ウェルの実施形態を示している。図３−３のシミュレーション結果の中に見ることができるように、より高い励起強度の領域が、サンプル・ウェルのエントランス・アパーチャ３−２１２の直前に存在している。いくつかの実施形態によれば、サンプル・ウェルを拡張するためにディボット３−２１６を追加することは、たとえば図３−４に示されているように、サンプルがより高い励起強度の領域の中へ移動することを可能にする。いくつかの実施形態では、ディボットの形状及び構造は、（たとえば、層３−２３５とサンプル・ウェルの中の流体との間の屈折率の差に起因して）局所的な励起場を変更し、ディボットの中の励起エネルギーの強度をさらに増加させることが可能である。
【０１４６】
ディボットは、任意の適切な形状を有することが可能である。ディボットは、たとえば、丸形、楕円形、正方形、長方形、多角形など、サンプル・ウェルの横断方向の形状に実質的に均等な横断方向の形状を有することが可能である。いくつかの実施形態では、ディボットの側壁部は、サンプル・ウェルの壁部と同様に、実質的に真っ直ぐで垂直方向であることが可能である。いくつかの実施形態では、ディボットの側壁部は、図面に示されているように、傾斜及び／又は湾曲していることが可能である。ディボットの横断方向の寸法は、いくつかの実施形態では、サンプル・ウェルの横断方向の寸法とおおよそ同じサイズであることが可能であり、いくつかの実施形態では、サンプル・ウェルの横断方向の寸法よりも小さいことが可能であり、又は、いくつかの実施形態では、サンプル・ウェルの横断方向の寸法よりも大きいことが可能である。ディボット３−２１６は、サンプル・ウェルを越えて、おおよそ１０ｎｍからおおよそ２００ｎｍの間に延在することが可能である。いくつかの実施形態では、ディボットは、サンプル・ウェルを越えて、おおよそ５０ｎｍからおおよそ１５０ｎｍの間に延在することが可能である。ディボットを形成することによって、励起領域３−２１５は、図３−４に示されているように、層３−２３０によって取り囲まれているサンプル・ウェルの領域の外側に延在することが可能である。
【０１４７】
図３−５は、ディボットを含有するサンプル・ウェルに関する励起領域の励起エネルギーの改善を示している（左のシミュレーション・イメージに示されている）。比較のために、励起場が、ディボットなしのサンプル・ウェルに関してもシミュレートされ、それは、右側に示されている。場の大きさは、これらのプロットの中のカラー・レンダリングから変換されており、ディボットのベースにおける暗い領域は、サンプル・ウェルの中の光領域よりも高い強度を表している。サンプル・ウェルの上方の暗い領域は、最低の強度を表している。見ることができるように、ディボットは、サンプル３−１０１がより高い励起強度の領域へ移動することを可能にし、また、ディボットは、サンプル・ウェルの励起端部において、最高強度の領域の局所化を増加させる。高い強度の領域は、ディボットなしのサンプル・ウェルに関して、より多く分散されるということに留意されたい。いくつかの実施形態では、ディボット３−２１６は、励起領域において、２倍以上の励起エネルギーの増加を提供する。いくつかの実施形態では、２倍以上の増加は、ディボットの形状及び長さに応じて得られ得る。これらのシミュレーションでは、サンプル・ウェルは、１００ｍの厚さの層３−２３０からなり、５０ｎｍの深さのディボット３−２１６を備え、６３５ｎｍ波長における励起エネルギーを備えている。
【０１４８】
図３−６は、サンプル・ウェル３−２１０の別の実施形態を示しており、そこでは、サ
ンプル・ウェル及びディボットが、基板の表面における突出部３−６１５を使用して形成されている。結果として生じるサンプル・ウェルに関する構造体は、図３−１に示されているサンプル・ウェルと比較して、サンプルにおける励起エネルギーを２倍以上増加させることが可能であり、サンプル・ウェルからセンサー３−２６０へのエミッションを濃縮することが可能である。いくつかの実施形態によれば、突出部３−６１５は、材料の第１の層３−６１０の中でパターニングされている。突出部は、いくつかの実施形態では、円形台座として形成され得、材料の第２の層３−６２０が、第１の層及び突出部の上方に堆積され得る。突出部において、第２の層は、示されているように、球形の部分３−６２５を近似する突出部の上方の形状を形成することが可能である。いくつかの実施形態では、導電層３−２３０（たとえば、反射金属）が、第２の層３−６２０の上方に堆積され、突出部の上方の導電層の中にサンプル・ウェル３−２１０を形成するようにパターニングされ得る。次いで、ディボット３−２１６が、第２の層の中へエッチングされ得る。ディボットは、導電層３−２３０の下方に、約５０ｎｍから約１５０ｎｍの間に延在することが可能である。いくつかの実施形態によれば、第１の層３−６１０及び第２の層３−６２０は、光学的に透明であることが可能であり、同じ材料から形成されてもよいし、又は形成されなくてもよい。いくつかの実施形態では、第１の層３−６１０は、酸化物（たとえば、ＳｉＯ２）又は窒化物（たとえば、Ｓｉ３Ｎ４）から形成され得、第２の層３−６２０は、酸化物又は窒化物から形成され得る。
【０１４９】
いくつかの実施形態によれば、突出部３−６２５の上方の導電層３−２３０は、おおよそ球形の反射体３−６３０として形状決めされている。球形の部分の形状は、突出部高さｈ、突出部の直径又は横断方向の寸法ｗ、及び、第２の層３−６２０の厚さｔの選択によって制御され得る。励起領域の場所及びサンプルの位置は、ディボット深さｄの選択によって、球形の反射体の光学的な焦点に対して調節され得る。球形の反射体３−６３０は、励起領域３−２１５に励起エネルギーを集中させることが可能であり、また、サンプルから放出された放射線を収集し、センサー３−２６０に向けて放射線を反射及び集中させることが可能であるということが理解され得る。
【０１５０】
上述のように、サンプル・ウェルは、任意の適切な形状で形成され得、円筒形状だけに限定されない。いくつかの実施形態では、サンプル・ウェルは、円錐、４面体、５面体などであることが可能である。図３−７Ａ〜図３−７Ｆは、いくつかの実施形態において使用され得るいくつかの例示的なサンプル・ウェル形状及び構造を図示している。サンプル・ウェル３−２１０は、いくつかの実施形態によれば、励起エネルギーに関する出口アパーチャ３−２１８よりも大きいエントランス・アパーチャ３−２１２を有するように形成され得る。サンプル・ウェルの側壁部は、テーパが付けられ、又は、湾曲していることが可能である。サンプル・ウェルをこのように形成することは、より多くの励起エネルギーが励起領域に入ることを許すことが可能であり、試料に向けて進む励起エネルギーをさらに目に見えて減衰させることが可能である。追加的に、サンプルによって放射されるエミッションは、より大きいアパーチャを備えるサンプル・ウェルの端部に向けて、その方向への好ましいエネルギー伝達に起因して、優先的に放射することが可能である。
【０１５１】
いくつかの実施形態では、ディボット３−２１６は、図３−７Ｂに示されているように、サンプル・ウェルのベースよりも小さい横断方向の寸法を有することが可能である。より小さいディボットは、ディボットをエッチングする前に、サンプル・ウェルの側壁部を犠牲層によってコーティングし、その後に、犠牲層を除去することによって形成され得る。より小さいディボットは、サンプル・ウェルの導電性壁部からより等距離にある領域の中にサンプルを保持するように形成され得る。サンプル・ウェルの壁部から等距離にサンプルを保持することは、放射しているサンプルへの、サンプル・ウェル壁部の望ましくない効果、たとえば、エミッションの消光、及び／又は、放射線寿命時間の変更を低減させることが可能である。
【０１５２】
図３−７Ｃ及び図３−７Ｄは、サンプル・ウェルの別の実施形態を示している。この実施形態によれば、サンプル・ウェル３−２１０は、励起エネルギー増強構造体３−７１１と、励起エネルギー増強構造体に隣接して形成されたアドヘレント３−２１１とからなることが可能である。エネルギー増強構造体３−７１１は、いくつかの実施形態によれば、光学的に透明な層３−２３５の上の導電性材料の中に形成された表面プラズモン又はナノ・アンテナ構造体からなることが可能である。図３−７Ｃは、サンプル・ウェル３−２１０及び直ぐ近くの構造体の立面図を示しており、図３−７Ｄは、平面図を示している。励起エネルギー増強構造体３−７１１は、小さい局所化された領域の中に励起エネルギーを増強するように、形状決め及び配置され得る。たとえば、構造体は、サンプル・ウェルにおいて、鋭角を有する先の尖った導体を含むことが可能であり、それは、励起領域３−２１５の中の励起エネルギーの強度を増加させる。示されている例では、励起エネルギー増強構造体３−７１１は、ちょうネクタイの形態になっている。領域の中へ拡散するサンプル３−１０１は、アドヘレント３−２１１によって、一時的に又は永久的に保持され、また、サンプル・ウェル３−２１０に隣接して位置付けされている励起供給源３−２４０から送達され得る励起エネルギーによって励起され得る。いくつかの実施形態によれば、励起エネルギーは、エネルギー増強構造体３−７１１の中の表面プラズモン波を駆動することが可能である。結果として生じる表面プラズモン波は、構造体３−７１１の鋭く尖った先において高い電界を作り出すことが可能であり、これらの高い電界は、励起領域３−２１５の中に保持されているサンプルを励起することが可能である。いくつかの実施形態では、図３−７Ｃに示されているサンプル・ウェル３−２１０は、ディボット３−２１６を含むことが可能である。
【０１５３】
サンプル・ウェルの別の実施形態が、図３−７Ｅに示されており、サンプル・ウェル３−２１０の内部壁部に沿って形成された励起エネルギー増強構造体３−７２０を示している。励起エネルギー増強構造体３−７２０は、金属又は導体からなることが可能であり、角度付き（又は、シャドウ）の指向性堆積を使用して形成され得、そこでは、サンプル・ウェルがその上に形成される基板が、堆積の間に回転させられる。堆積の間に、サンプル・ウェル３−２１０のベースは、ウェルの上側壁部によって覆い隠されており、堆積される材料がベースに蓄積しないようになっている。結果として生じる構造体３−７２０は、構造体の底部において鋭角３−７２２を形成することが可能であり、導体のこの鋭角は、サンプル・ウェルの中の励起エネルギーを増強することが可能である。
【０１５４】
図３−７Ｅに示されている実施形態では、サンプル・ウェルがその中に形成されている材料３−２３２は、導体である必要はなく、任意の適切な誘電体であることが可能である。いくつかの実施形態によれば、サンプル・ウェル３−２１０及び励起エネルギー増強構造体３−７２０は、誘電体層３−２３５の中へエッチングされた有底のホールに形成され得、別々の層３−２３２が堆積させられる必要はない。
【０１５５】
いくつかの実施形態では、シャドウ・エバポレーションが、その後に、図３−７Ｅに示されている構造体の上に行われ、サンプル・ウェルのベースにおいて、金属製の又は導電性のエネルギー増強構造体、たとえば、点線によって示されているように、台形の構造体又は先の尖った円錐を堆積させることが可能である。エネルギー増強構造体は、表面プラズモンを介して、ウェルの中に励起エネルギーを増強することが可能である。シャドウ・エバポレーションの後に、平坦化プロセス（たとえば、化学的で機械的なポリッシング工程又はプラズマ・エッチング・プロセス）が行われ、サンプル・ウェルの上部において、エネルギー増強構造体をウェルの中に残しながら、堆積された材料を除去し、又はエッチ・バックする（ｅｔｃｈ  ｂａｃｋ）ことが可能である。
【０１５６】
いくつかの実施形態では、サンプル・ウェル３−２１０は、単一の金属層よりも多くか
ら形成され得る。図３−７Ｆは、多層構造体の中に形成されたサンプル・ウェルを図示しており、異なる材料が、異なる層に関して使用され得る。いくつかの実施形態によれば、サンプル・ウェル３−２１０は、第１の層３−２３２（それは、半導体材料又は導電性材料であることが可能である）、第２の層３−２３４（それは、絶縁体又は誘電体であることが可能である）、及び第３の層３−２３０（それは、導体又は半導体であることが可能である）の中に形成され得る。いくつかの実施形態では、縮退的にドープされた半導体又はグラフェンが、サンプル・ウェルの層に関して使用され得る。いくつかの実施形態では、サンプル・ウェルは、２つの層の中に使用され得、他の実施形態では、サンプル・ウェルは、４つ以上の層の中に形成され得る。いくつかの実施形態では、サンプル・ウェルを形成するために使用される多層材料は、サンプル・ウェルのベースにおいて表面プラズモン発生を増加させ、又は、ウェルの上部において、表面プラズモン放射線を抑制するように選択され得る。いくつかの実施形態では、サンプル・ウェルを形成するために使用される多層材料は、サンプル・ウェル及び多層構造体を越えてバルク試料の中へ伝播する励起放射線を抑制するように選択され得る。
【０１５７】
いくつかの実施形態では、サンプル・ウェルを形成するために使用される多層材料は、サンプル・ウェルへ入射する励起放射線によって発生させられ得る界面エキシトンを増加又は抑制するように選択され得る。たとえば、バイエキシトン及びトリエキシトンなどのような、マルチ・エキシトンが、サンプル・ウェルに隣接する２つの異なる半導体層の間の界面において発生させられ得る。サンプル・ウェルは、金属層及び第１の半導体層の両方の中に形成され得、第１の半導体層と第２の半導体層との間の界面が、サンプル・ウェルの励起領域３−２１５にあるようになっている。界面エキシトンは、単一の半導体層の体積の中のエキシトンよりも長い寿命時間を有することが可能であり、エキシトンがＦＲＥＴ又はＤＥＴを介してサンプル又はタグを励起することとなる可能性を増加させる。いくつかの実施形態では、マルチ・エキシトンが励起され得る少なくとも１つの量子ドットが、（たとえば、リンキング分子によって）サンプル・ウェルの底部に取り付けられ得る。また、量子ドットにおいて励起されるエキシトンは、単一の半導体層の体積の中のエキシトンよりも長い寿命時間を有することが可能である。界面エキシトン、又は、量子ドットにおいて発生させられるエキシトンは、いくつかの実施形態によれば、ＦＲＥＴ又はＤＥＴのレートを増加させることが可能である。
【０１５８】
さまざまな材料が、先述の実施形態において説明されているサンプル・ウェルを形成するために使用され得る。いくつかの実施形態によれば、サンプル・ウェル３−２１０は、材料３−２３０の少なくとも１つの層から形成され得、材料３−２３０は、導電性材料、半導体、及び絶縁体のうちのいずれか１つ又はそれらの組み合わせからなることが可能である。いくつかの実施形態では、サンプル・ウェル３−２１０は、高度に導電性の金属製の層、たとえば、金、銀、アルミニウム、銅からなる。いくつかの実施形態では、層３−２３０は、金、銀、アルミニウム、銅、チタン、窒化チタン、パラジウム、プラチナ、及びクロムのうちのいずれか１つ又はそれらの組み合わせを含む多層スタックからなることが可能である。いくつかの実施形態では、他の金属は、追加的に又は代替的に使用され得る。いくつかの実施形態によれば、サンプル・ウェルは、ＡｌＣｕ又はＡｌＳｉなどのような、合金からなることが可能である。
【０１５９】
いくつかの実施形態では、異なる金属又は合金の複数の層が、サンプル・ウェルを形成するために使用され得る。いくつかの実施形態では、サンプル・ウェル３−２１０がその中に形成される材料は、金属及び非金属の交互層、たとえば、金属及び１つ又は複数の酸化物の交互層からなることが可能である。いくつかの実施形態では、非金属は、ポリビニルホスホン酸又はポリエチレングリコール（ＰＥＧ）−チオールなどのような、ポリマーを含むことが可能である。
【０１６０】
サンプル・ウェルがその中に形成される層３−２３０は、いくつかの実施形態によれば、少なくとも１つの光学的に透明な層３−２３５の上に、又は、少なくとも１つの光学的に透明な層３−２３５に隣接して堆積され得、（光学的な形態の）励起エネルギー及び（光学的な形態の）エミッション・エネルギーが、ほとんど減衰なしに、サンプル・ウェル３−２１０へ、及び、サンプル・ウェル３−２１０から進むことが可能であるようになっている。たとえば、励起供給源３−２４０からの励起エネルギーは、少なくとも１つの光学的に透明な層３−２３５を通過し、励起領域３−２１５に至ることが可能であり、サンプルからのエミッションは、１つ又は複数の同じ層を通過し、センサー３−２６０に至ることが可能である。
【０１６１】
いくつかの実施形態では、サンプル・ウェル３−２１０の少なくとも１つの表面が、図３−８に示されているように、サンプル・ウェルの中のサンプルの作用に影響を及ぼす材料の１つ又は複数の層３−２１１、３−２８０によってコーティングされ得る。たとえば、薄い誘電体層３−２８０（たとえば、アルミナ、窒化チタン、又はシリカ）が、サンプル・ウェルの側壁部の上に、不動態化コーティングとして堆積され得る。そのようなコーティングは、励起領域３−２１５の外側のサンプルのサンプル付着を低減させるように、又は、サンプルとサンプル・ウェル３−２１０がその中に形成されている材料３−２３０との間の相互作用を低減させるように実施され得る。サンプル・ウェルの中の不動態化コーティングの厚さは、いくつかの実施形態によれば、約５ｎｍから約５０ｎｍの間であることが可能である。
【０１６２】
いくつかの実施形態では、コーティング層３−２８０のための材料は、その材料に関する化学剤の親和性に基づいて選択され得、層３−２８０は、化学的な又は生物学的な物質によって処置され、層へのサンプル種の付着をさらに阻止し得るようになっている。たとえば、コーティング層３−２８０は、アルミナからなることが可能であり、それは、いくつかの実施形態によれば、ポリホスホネート不動態化層によって不動態化され得る。追加的な又は代替的なコーティング剤及び不動態化剤が、いくつかの実施形態では使用され得る。
【０１６３】
いくつかの実施形態によれば、少なくともサンプル・ウェル３−２１０の底部表面及び／又はディボット３−２１６は、化学的な又は生物学的なアドヘレント３−２１１（たとえば、ビオチン）によって処置され、サンプルの保持を推進させることが可能である。サンプルは、たとえば、少なくとも約０．５ミリ秒から約５０ミリ秒の間の時間の期間にわたって、永久的に又は一時的に保持され得る。別の実施形態では、アドヘレントは、より長い期間にわたるサンプル３−１０１の一時的な保持を推進することが可能である。任意の適切なアドヘレントは、さまざまな実施形態において使用され得、ビオチンに限定されない。
【０１６４】
いくつかの実施形態によれば、サンプル・ウェルに隣接する材料３−２３５の層は、その層の材料に関するアドヘレントの親和性に基づいて選択され得る。いくつかの実施形態では、サンプル・ウェルの側壁部の不動態化は、側壁部の上のアドヘレントのコーティングを阻止することが可能であり、アドヘレント３−２１１がサンプル・ウェルのベースに優先的に堆積するようになっている。いくつかの実施形態では、アドヘレント・コーティングは、サンプル・ウェルの側壁部の一部分の上に延在することが可能である。いくつかの実施形態では、アドヘレントは、異方性の物理的な堆積プロセス（たとえば、エバポレーション、スパッタリング）によって堆積され得、アドヘレントがサンプル・ウェルのベース又はディボットに蓄積するように、及び、サンプル・ウェルの側壁部の上に目に見えて形成しないようになっている。
【０１６５】
ＩＩＩ．Ｃ  サンプル・ウェル製作
さまざまな製作技法が、集積デバイスのためのサンプル・ウェル３−２１０を製作するために用いられ得る。いくつかの例示的なプロセスが、下記に説明されているが、しかし、本発明は、これらの例だけに限定されない。
【０１６６】
サンプル・ウェル３−２１０は、任意の適切なマイクロ・ファブリケーション又はナノ・ファブリケーション・プロセスによって形成され得、それは、それに限定されないが、フォトリソグラフィー、深紫外線フォトリソグラフィー、液浸フォトリソグラフィー、近接場光学コンタクト・フォトリソグラフィー、ＥＵＶリソグラフィー、Ｘ線リソグラフィー、ナノ・インプリント・リソグラフィー、インターフェロメトリック・リソグラフィー、工程・アンド・フラッシュ・リソグラフィー、ダイレクト・ライト・電子ビーム・リソグラフィー、イオン・ビーム・リソグラフィー、イオン・ビーム・ミリング、リフト・オフ・プロセッシング、反応性イオン・エッチングなどに関連付けられているプロセッシング工程を含むことが可能である。いくつかの実施形態によれば、サンプル・ウェル３−２１０は、フォトリソグラフィー及びリフト・オフ・プロセッシングを使用して形成され得る。サンプル・ウェルのリフト・オフ・プロセッシングに関連付けられている例示的な製作工程が、図３−９に示されている。ピクセルにおいて、単一のサンプル・ウェル又は構造体だけの製作が典型的に図面に示されているが、多数のサンプル・ウェル又は構造体が、（たとえば、それぞれのピクセルにおいて）並行して基板の上に製作され得るということが理解されることとなる。
【０１６７】
いくつかの実施形態によれば、基板の上の層３−２３５（たとえば、酸化物層）は、図３−９Ａに示されているように、反射防止（ＡＲＣ）層３−９１０及びフォトレジスト３−９２０によって被覆され得る。フォトレジストは、フォトリソグラフィー及びレジストの現像を使用して、露出及びパターニングされ得る。レジストは、（レジスト・タイプに応じて）露出された部分又は露出されていない部分を除去するように現像され、ピラー３−９２２を残すことが可能であり、ピラー３−９２２は、図３−９Ｂに示されているように、サンプル・ウェルに関する所望の直径におおよそ等しい直径を有している。ピラーの高さは、サンプル・ウェルの所望の深さよりも大きいことが可能である。
【０１６８】
ピラー３−９２２のパターンは、たとえば図３−９Ｃに示されているように、異方性の反応性イオン・エッチング（ＲＩＥ）を介してＡＲＣ層３−９１０に伝達され得る。次いで、領域は、サンプル・ウェルを形成するために望まれる少なくとも１つの材料３−２３０、たとえば、導体又は金属によってコーティングされ得る。堆積された１つ又は複数の材料の一部分は、図３−９Ｄに示されているように、ピラー３−９２２の上方にキャップ３−２３２を形成している。次いで、レジスト及びＡＲＣは、選択的な除去プロセスを使用して（たとえば、少なくともレジストを溶解させ、キャップを解放又は「リフト・オフ」する、撹拌ありの又はなしの化学浴を使用して）、基板から剥がされ得る。ＡＲＣが残っている場合には、それは、選択的エッチを使用して基板から剥がされ、図３−９Ｅに示されているように、サンプル・ウェル３−２１０を残すことが可能である。いくつかの実施形態によれば、サンプル・ウェルの側壁部３−２１４は、少なくとも１つの材料３−２３０の堆積の性質に起因して、傾斜していることが可能である。
【０１６９】
本明細書で使用されているように、「選択的エッチ」は、除去されることが意図されない他の材料をエッチャントがエッチングするよりも高いレート（たとえば、少なくとも２倍のレート）で除去又はエッチングされることが望まれる１つの材料を、エッチャントが選択的にエッチングする、エッチング・プロセスを意味している。
【０１７０】
レジスト及びＡＲＣは、典型的にポリマー・ベースのものであるので、それらは、軟質の材料であると考えられ、それは、高いアスペクト比（たとえば、高さ−対−幅に関して約２：１よりも大きいアスペクト比）を有するサンプル・ウェルを形成するのに適切でな
いことがある。より高いアスペクト比を有するサンプル・ウェルのために、硬質の材料が、リフト・オフ・プロセスの中に含まれ得る。たとえば、ＡＲＣ及びフォトレジストを堆積させる前に、硬質の層（たとえば、無機材料）が堆積され得る。いくつかの実施形態では、チタン又は窒化ケイ素の層が堆積され得る。硬質の材料の層は、サンプル・ウェルがその中に形成される１つ又は複数の材料３−２３０の上方に優先的なエッチングを示すべきである。フォトレジストがパターニングされた後で、ピラーのパターンが、ＡＲＣの中へ伝達され得、下層にある硬質の材料３−９３０が、図３−９Ｆに示されているような構造体を生み出す。次いで、フォトレジスト及びＡＲＣが剥がされ得、材料３−２３０が堆積され、リフト・オフ工程が行われ、サンプル・ウェルを形成する。
【０１７１】
いくつかの実施形態によれば、リフト・オフ・プロセスは、図３−７Ｃ及び図３−７Ｄに示されているように、エネルギー増強構造体３−７１１からなるサンプル・ウェルを形成するために使用され得る。
【０１７２】
サンプル・ウェルを形成するための代替的なプロセスが、図３−１０に示されている。このプロセスでは、サンプル・ウェルは、少なくとも１つの材料３−２３０の中へ直接的にエッチングされ得る。たとえば、サンプル・ウェルがその中に形成されることとなる少なくとも１つの材料３−２３０が、基板の上に堆積され得る。層は、図３−１０Ａに図示されているように、ＡＲＣ層３−９１０及びフォトレジスト３−９２０によって被覆され得る。フォトレジストは、図３−１０Ｂに示されているように、サンプル・ウェルの所望の直径におおよそ等しい直径を有するホールを形成するようにパターニングされ得る。ホールのパターンは、たとえば図３−１０Ｃに示されているように、異方性の反応性イオン・エッチを使用して、層３−２３０を通してＡＲＣに伝達され得る。レジスト及びＡＲＣは、剥がされ、図３−１０Ｄに示されているようなサンプル・ウェルを生み出すことが可能である。いくつかの実施形態によれば、エッチングによって材料３−２３０の層の中へ形成されるサンプル・ウェルの側壁部は、リフト・オフ・プロセスから結果として生じる側壁部よりも垂直になっていることが可能である。
【０１７３】
いくつかの実施形態では、フォトレジスト及びＡＲＣは、材料３−２３０の上にハード・マスク（たとえば、窒化ケイ素又は酸化物層。図示せず）をパターニングするために使用され得る。次いで、パターニングされたホールは、ハード・マスクに伝達され得、ハード・マスクは、次いで、材料３−２３０の層の中へパターンを伝達するために使用される。ハード・マスクは、材料３−２３０の層の中へのより大きいエッチング深さを可能にすることができ、より高いアスペクト比のサンプル・ウェルを形成するようになっている。
【０１７４】
サンプル・ウェルがその中に形成される材料３−２３０のスタックを形成するために、異なる材料の複数の層が使用されるときに、上記に説明されているリフト・オフ・プロセス及びダイレクト・エッチング製作技法が、サンプル・ウェルを形成するために使用され得るということが認識されることとなる。例示的なスタックが、図３−１１に示されている。いくつかの実施形態によれば、サンプル・ウェルの励起領域への励起エネルギーのカップリングを改善するために、又は、バルク試料の中への励起エネルギーの伝送又は再放射を低減させるために、材料のスタックがサンプル・ウェルを形成するために使用され得る。たとえば、吸収層３−９４２が、第１の層３−９４０の上に堆積させられ得る。第１の層は、金属又は金属合金からなることが可能であり、吸収層は、表面プラズモンを阻止する材料、たとえば、アモルファス・シリコン、ＴａＮ、ＴｉＮ、又はＣｒからなることが可能である。また、いくつかの実施形態では、表面層３−９４４は、サンプル・ウェルを取り囲む表面を不動態化させる（たとえば、分子の付着を阻止する）ために堆積され得る。
【０１７５】
サンプル・ウェルに隣接するディボット３−２１６の形成は、任意の適切な様式で行わ
れ得る。いくつかの実施形態では、ディボットは、サンプル・ウェルに隣接して、エッチングによって、さらに、隣接する層３−２３５、及び／又は任意の１つ又は複数の介在層の中へ形成され得る。たとえば、材料３−２３０の層の中にサンプル・ウェルを形成した後に、その層３−２３０は、図３−１２に示されているように、ディボットをパターニングするためのエッチ・マスクとして使用され得る。たとえば、基板は、選択的な異方性の反応性イオン・エッチを受けることが可能であり、ディボット３−２１６が、隣接する層３−２３５の中へエッチングされ得るようになっている。たとえば、材料３−２３０が金属製であり、隣接する層３−２３５が酸化ケイ素である実施形態では、ＣＨＦ３又はＣＦ４からなるフィード・ガスを有する反応性イオン・プラズマ・エッチが使用され、サンプル・ウェルの下方の露出された酸化ケイ素を優先的に除去し、ディボット３−２１６を形成することが可能である。本明細書で使用されているように、「酸化ケイ素」は、一般的に、ＳｉＯｘを表しており、たとえば、二酸化ケイ素を含むことが可能である。
【０１７６】
いくつかの実施形態では、エッチの間のプラズマの中の条件（たとえば、基板に対するバイアス及び圧力）は、ディボットのエッチ・プロファイルを決定するように制御され得る。たとえば、低い圧力（たとえば、約１００ｍＴｏｒｒ未満）及び高いＤＣバイアス（たとえば、約２０Ｖより大きい）において、エッチングは、高度に異方性であり、図面に示されているように、実質的に真っ直ぐで垂直になっているディボットの側壁部を形成することが可能である。より高い圧力及びより低いバイアスにおいて、エッチングは、より等方性であり、テーパが付けられ及び／又は湾曲しているディボットの側壁部を生み出すことが可能である。いくつかの実施形態では、ウェット・エッチが、ディボットを形成するために使用され得、それは、実質的に等方性であり、サンプル・ウェルの側壁部まで、又は、サンプル・ウェルの側壁部を越えて、材料３−２３０の下に横方向に延在し得るおおよそ球形のディボットを形成することが可能である。
【０１７７】
図３−１３Ａから図３−１３Ｃは、サンプル・ウェル３−２１０よりも小さい横断方向の寸法を有するディボット３−２１６（たとえば、図３−７Ｂに示されているもののようなディボット）を形成するために使用され得るプロセス工程を示している。いくつかの実施形態では、サンプル・ウェルを形成した後に、コンフォーマルな犠牲層３−９６０が、サンプル・ウェルを含む領域の上に堆積され得る。いくつかの実施形態によれば、犠牲層３−９６０は、たとえば、化学蒸着（ＣＶＤ）、プラズマ強化ＣＶＤ、又は原子層堆積（ＡＬＤ）など、蒸着プロセスによって堆積させられ得る。次いで、犠牲層は、犠牲層３−９６０に対して選択的な第１の異方性エッチを使用してエッチ・バックされ、水平方向の表面から層を除去し、図３−１３Ｂに示されているように、サンプル・ウェルの壁部の上に側壁部コーティング３−９６２を残すことが可能である。エッチ・バックは、選択的であり、いくつかの実施形態では、材料３−２３０及び隣接する層３−２３５の上で止まることが可能であり、又は、いくつかの実施形態では、タイミングを選んで行われる非選択的なエッチであることが可能である。
【０１７８】
隣接する層３−２３５に対して選択的な第２の異方性エッチが、図３−１３Ｃに示されているように、隣接する層の中へディボット３−２１６をエッチングするために実行され得る。次いで、犠牲側壁部コーティング３−９６２が、随意的に、選択的なウェット・エッチ又はドライ・エッチによって除去され得る。側壁部コーティングの除去は、ディボット３−２１６よりも大きい横断方向の寸法を有するようにサンプル・ウェルを開口する。
【０１７９】
いくつかの実施形態によれば、犠牲層３−９６０は、隣接する層３−２３５と同じ材料からなることが可能である。そのような実施形態では、第２のエッチは、ディボットが隣接する層３−２３５の中へエッチングされるときに、側壁部コーティング３−９６２のうちの少なくともいくつかを除去することが可能である。側壁部コーティングのこのエッチ・バックは、いくつかの実施形態では、テーパが付けられているディボットの側壁部を形
成することが可能である。
【０１８０】
いくつかの実施形態では、犠牲層３−９６０は、サンプル・ウェルの側壁部を不動態化する（たとえば、サンプル・ウェルの側壁部におけるサンプルの付着を低減させる）ために使用される材料から形成され得、又は、その材料の層を含むことが可能である。次いで、層３−９６０のうちの少なくともいくつかは、ディボットの形成の後に、サンプル・ウェルの壁部の上に残され得る。
【０１８１】
いくつかの実施形態によれば、側壁部コーティング３−９６２の形成は、ディボットの形成の後に起こる。そのような実施形態では、層３−９６０が、ディボットの側壁部をコーティングしている。そのようなプロセスは、ディボットの側壁部を不動態化するために、及び、ディボットの中心にサンプルを局所化するために使用され得る。
【０１８２】
サンプル・ウェル３−２１０のベース、及び、不動態化層３−２８０に、アドヘレント３−２１１を堆積させることに関連付けられるプロセス工程が、図３−１４に示されている。いくつかの実施形態によれば、サンプル・ウェルは、サンプル・ウェルの壁部の上に第１の不動態化層３−２８０を含むことが可能である。第１の不動態化層は、たとえば、図３−１３Ｂ又は図３−８に関連して上記に説明されているように形成され得る。いくつかの実施形態では、第１の不動態化層３−２８０は、任意の適切な堆積プロセス及びエッチ・バックによって形成され得る。いくつかの実施形態では、第１の不動態化層は、サンプル・ウェルがその中に形成される材料３−２３０を酸化させることによって形成され得る。たとえば、サンプル・ウェルは、アルミニウムから形成され得、アルミニウムは酸化させられ、サンプル・ウェルの側壁部の上にアルミナのコーティングを生成させることが可能である。
【０１８３】
アドヘレント３−９８０又はアドヘレント前駆体（たとえば、アドヘレントに優先的に結合する材料）は、図３−１４Ａに示されているように、異方性の物理的な堆積プロセス、たとえば、蒸着を使用して、基板の上に堆積され得る。アドヘレント又はアドヘレント前駆体は、図３−１４Ｂに示されているように、サンプル・ウェルのベースにアドヘレント層３−２１１を形成することが可能であり、サンプル・ウェルがその中に形成される材料３−２３０の上側表面をコーティングすることが可能である。図３−１４Ｃに示されている、その後の角度付きの指向性堆積（シャドウ堆積又はシャドウ・エバポレーション・プロセスと称される場合もある）が、アドヘレント層３−２１１を被覆することなく、材料３−２３０の上側表面の上に第２の不動態化層３−２８０を堆積させるために使用され得る。シャドウ堆積プロセスの間に、基板が、基板に対して垂直の軸線の周りに回転させられ得、第２の不動態化層３−２８０が、サンプル・ウェルの上側リムの周りにより均一に堆積するようになっている。結果として生じる構造体が、いくつかの実施形態によれば、図３−１４Ｄに示されている。第２の不動態化層を堆積させることの代替として、平坦化エッチ（たとえば、ＣＭＰ工程）が、材料３−２３０の上側表面からアドヘレントを除去するために使用され得る。
【０１８４】
いくつかの実施形態によれば、アドヘレント層３−２１１は、図３−１５に示されているように、テーパが付けられているサンプル・ウェルのベースにおいて、中央に堆積させられ得る。たとえば、アドヘレント又はアドヘレント前駆体は、図３−１４Ａに示されているように、上記に説明されているように形成された、テーパが付けられているサンプル・ウェルの中に、一方向に堆積させられ得る。サンプル・ウェルの壁部は、アドヘレント層３−２１１の堆積の前又は後の酸化プロセスによって不動態化され得る。材料３−２３０の表面の上に残っているアドヘレント又は前駆体は、図３−１４Ｄに関連して説明されているように不動態化され得る。いくつかの実施形態では、材料３−２３０の上側表面の上のアドヘレントは、化学的で機械的なポリッシング工程によって除去され得る。サンプ
ル・ウェルのベースにおいて、アドヘレント層又はアドヘレント層前駆体を中央に形成することによって、サンプルからのエミッションに対する有害な効果（たとえば、サンプル壁部からのサンプル放射線の抑制又は消光、サンプル・ウェルの周りに形成されたエネルギー・カップリング構造体に対してサンプルが中央に位置付けされていないことに起因する、サンプルからの好ましくない放射線分布、サンプルに関する発光寿命時間に対する悪影響）が低減され得る。
【０１８５】
いくつかの実施形態では、サンプル・ウェル及びディボットを形成するために使用されるリフト・オフ・パターニング、エッチング、及び堆積プロセスは、集積デバイスの上に集積されたＣＭＯＳ回路を形成するために使用されるＣＭＯＳプロセスと互換性があることが可能である。したがって、集積デバイスは、従来のＣＭＯＳ設備及び製作技法を使用して製作され得るが、いくつかの実施形態では、特注の又は専門の製作設備も使用され得る。
【０１８６】
上記に説明されているプロセス工程の変形例が、サンプル・ウェルの代替的な実施形態を形成するために使用され得る。たとえば、図３−７Ａ又は図３−７Ｂに示されているものなどのような、テーパが付けられているサンプル・ウェルが、図３−１４Ｃに示されている角度付きの堆積プロセスを使用して形成され得る。図３−７Ｂのサンプル・ウェルに関して、堆積の角度は、堆積プロセスの間に変化させられ得る。そのような実施形態に関して、実質的に真っ直ぐで垂直になっている側壁部を有するサンプル・ウェルが最初に形成され、次いで、追加的な材料３−２３０が、角度付きの堆積によって堆積され、サンプル・ウェルの側壁部にテーパを付けることが可能である。
【０１８７】
いくつかの実施形態では、サンプル・ウェル３−２１０は、励起供給源が形成された後に、ピクセルに形成され得る。たとえば、ピクセルに関する励起供給源は、ピクセルの中又は外側において、集積デバイスの上の別の領域及び／又は別のレベルにおいて形成され得る。励起供給源のタイプは、サンプル・ウェル３−２１０を製作するために使用される工程に、プロセッシング制約を加えることが可能である。たとえば、励起供給源が有機発光ダイオード（ＯＬＥＤ）からなる場合には、サンプル・ウェル３−２１０を製作するために使用されるプロセッシング工程は、約１００℃よりも高い温度を超えなくてもよい。さらに、プロセッシング工程は、過酷な化学的環境又は酸化環境にＯＬＥＤを曝さなくてもよい。
【０１８８】
サンプル・ウェルの先述の実施形態の任意の１つ又は複数が、集積デバイスの実施形態の中に含まれ得る。
ＩＶ．  励起供給源
再び図３−１を参照すると、サンプル・ウェル３−２１０の中のサンプル３−１０１を励起するために集積デバイスの上で使用され得る異なるタイプの励起供給源３−２４０が存在している。いくつかの実施形態によれば、励起供給源は、放射プロセスを介してサンプルを励起することが可能である。たとえば、励起供給源は、可視放射線（たとえば、約３５０ｎｍから約７５０ｎｍの間の波長を有する放射線）、近赤外線の放射線（たとえば、約０．７５ミクロンから約１．４ミクロンの間の波長を有する放射線）、及び／又は、短波長赤外線の放射線（たとえば、約１．４ミクロンから約３ミクロンの間の波長を有する放射線）を、少なくとも１つのサンプル・ウェルの少なくとも１つの励起領域３−２１５に提供することが可能である。いくつかの実施形態によれば、励起供給源は、非放射プロセスを介してサンプルを励起するエネルギーを提供することが可能である。たとえば、エネルギーは、フェルスター共鳴エネルギー移動（ＦＲＥＴ）又はデクスター・エネルギー移動（ＤＥＴ）を介して、サンプルに伝達され得る。
【０１８９】
また、エネルギー伝達経路の組み合わせも考えられる。たとえば、放射励起供給源は、
サンプル・ウェルの励起領域に直接隣接している媒介体（たとえば、分子、量子ドット、又は、選択された分子及び／もしくは量子ドットからなる材料の層）を励起するために、エネルギーを提供することが可能である。媒介体は、非放射プロセスを介して（たとえば、ＦＲＥＴ又はＤＥＴを介して）、そのエネルギーをサンプルに伝達することが可能である。
【０１９０】
いくつかの実施形態では、励起供給源は、励起エネルギーの２つ以上の供給源を提供することが可能である。たとえば、放射励起供給源は、２つ以上の別個のスペクトル特性を有する励起エネルギーを送達することが可能である。例として、マルチカラーＬＥＤは、２つ以上の波長に集中したエネルギーを放出することが可能であり、これらのエネルギーは、サンプル・ウェルの励起領域に送達され得る。
【０１９１】
ＩＶ．Ａ．  放射励起供給源
概観では、及び、いくつかの実施形態によれば、集積デバイスは、少なくとも１つの放射励起供給源を含むことが可能であり、少なくとも１つの放射励起供給源は、少なくとも１つのサンプル・ウェルの少なくとも１つの励起領域に、又は、励起エネルギーを変換し、もしくは、１つ又は複数の励起領域の中の少なくとも１つのサンプルに励起エネルギーをカップリングする、少なくとも１つの媒介体に、励起エネルギーを提供するように、デバイスの上に配置されている。図３−２に示されているように、励起供給源３−２４０からの放射線３−２４７は、たとえば、サンプル・ウェル３−２１０の周りの領域に衝突することが可能である。いくつかの実施形態では、サンプル・ウェルの励起領域３−２１５の中に入射励起エネルギーを集中させるのを支援する励起カップリング構造体（図示せず）が存在することが可能である。
【０１９２】
放射励起供給源は、特性波長をそれぞれ有する１つ又は複数の別個のスペクトル・バンドによって特徴付けられ得る。単なる教育目的のためだけに、励起供給源からのスペクトル・エミッションの例が、図４−１Ａのスペクトル・グラフに示されている。励起エネルギーは、スペクトル励起バンド４−１１０の中に実質的に含有され得る。スペクトル励起バンドのピーク波長４−１２０は、励起エネルギーを特徴付けるために使用され得る。また、励起エネルギーは、スペクトル分布、たとえば、図面に示されているような半値全幅（ＦＷＨＭ）値によって、特徴付けられ得る。図４−１Ａに示されているようにエネルギーを作り出す励起供給源は、おおよそ５４０ｎｍ放射線の波長においてエネルギーを送達するものとして、及び、おおよそ５５ｎｍのＦＷＨＭバンド幅を有するものとして、特徴付けられ得る。
【０１９３】
図４−１Ｂは、２つの励起エネルギーバンドを１つ又は複数のサンプル・ウェルに提供することができる１つの励起供給源（又は、複数の励起供給源）のスペクトル特性を示している。いくつかの実施形態によれば、図面に図示されているように、第１の励起バンド４−１１２は、おおよそ５３２ｎｍにあり、第２の励起バンド４−１１４は、おおよそ６３８ｎｍにある。いくつかの実施形態では、第１の励起バンドは、おおよそ６３８ｎｍにあることが可能であり、第２の励起バンドは、おおよそ６５０ｎｍにあることが可能である。いくつかの実施形態では、第１の励起バンドは、おおよそ６８０ｎｍにあることが可能であり、第２の励起バンドは、おおよそ６９０ｎｍにあることが可能である。いくつかの実施形態によれば、励起バンドのピークは、これらの値の±５ｎｍの中にあることが可能である。他の励起バンドが、いくつかの実施形態では使用され得る。
【０１９４】
いくつかのケースでは、放射励起供給源は、図４−１Ａに示されているように、幅広い励起バンドを作り出すことが可能である。幅広い励起バンド４−１１０は、いくつかの実施形態によれば、おおよそ２０ｎｍよりも大きいバンド幅を有することが可能である。幅広い励起バンドは、たとえば、発光ダイオード（ＬＥＤ）によって作り出され得る。いく
つかの実施形態では、放射励起供給源は、図４−１Ｂに示されているように、幅の狭い励起バンドを作り出すことが可能である。幅の狭い励起バンドは、たとえば、レーザ・ダイオードによって作り出され得、又は、ＬＥＤからの出力をスペクトル的にフィルタリングすることによって作り出され得る。
【０１９５】
いくつかの実施形態では、少なくとも１つの励起供給源３−２４０が、図４−２Ａに示されているように、集積デバイスの基板１−１００の上のそれぞれのアクティブ・ピクセル３−１００において形成され得る。サンプル・ウェル及びその励起領域は小さいので（たとえば、１００ｎｍのオーダの横断方向の寸法を有する）、励起供給源３−２４０は、いくつかの実施形態によれば、図４−２Ａに示されているように、サンプル・ウェル３−２１０の付近だけに形成され得る。たとえば、励起供給源は、サンプル・ウェルの横断方向の寸法の約２０倍よりも小さい横断方向の寸法を有することが可能である（たとえば、約１００ｎｍの直径を有するサンプル・ウェルに対して、直径が約２ミクロン未満である）。図４−２Ａは、４つのピクセルだけを示しているが、より多くのピクセルが基板１−１００の上に存在することが可能である。
【０１９６】
いくつかの態様では、それぞれの励起供給源は、個別に制御され得る。これは、それぞれの供給源の横列と縦列のアドレッシングのために、基板１−１００の上に、インターコネクト及びドライブ回路（図４−２Ａには示されていない）を必要とする可能性がある。インターコネクトは、ピクセルの下方に、及び／又は、ピクセル３−１００同士の間のギャップ４−２３０の中に、走ることが可能である。いくつかの実施形態によれば、集積されたワイヤリング及び回路は励起供給源の横列又は縦列を別々に制御及び駆動するように配置され得る。たとえば、横列の中のすべての励起供給源３−２４０は、共通の制御信号によって一緒に駆動され得る。いくつかの実施形態では、集積されたワイヤリング及び回路は、共通の制御信号によって、基板の上の励起供給源のグループを制御及び駆動するように配置され得る。いくつかの実施形態では、集積されたワイヤリング及び回路は、共通の制御信号によって、すべての励起供給源を制御及び駆動するように配置され得る。より多い数の励起供給源を一緒に駆動することによって、より少ないインターコネクト及びドライブ・エレクトロニクスが、励起供給源のために必要とされる。
【０１９７】
図４−２Ｂは、励起供給源４−２４２が集積デバイスの基板１−１００の上のストリップの中に配置されている、実施形態を示している。ストリップの中に配置されているときには、励起供給源は、導波特質を示すことが可能であり、励起供給源からの光は、ストリップに沿ってサンプル・ウェル３−２１０へ横方向にガイドされ得る。ストリップ励起供給源４−２４２は、いくつかの実施形態では、個別に駆動され得、又は、一緒に駆動され得る。いくつかの実施形態では、ストリップは、サンプル・ウェルにおいて交差するグリッド・パターンで配置され得る。
【０１９８】
いくつかの実施形態では、集積デバイスの上に形成された、ピクセルよりも少ない励起供給源が存在することが可能であり、励起供給源からの光が、導波路などのような励起カップリング構造体を介して、２つ以上のサンプル・ウェルに送達され得る。いくつかのケースでは、単一の励起供給源は、すべてのアクティブ・ピクセルを横切って延在し、単一のドライブ信号によって制御され、サンプル・ウェルのすべての中の励起領域を同時に照射することが可能である。
【０１９９】
いくつかの実施形態によれば、励起供給源４−２４４は、図４−２Ｃに示されているように、チェッカー盤のパターンで配置され得る。そのような実施形態では、励起供給源４−２４４は、ピクセル３−１００が存在しない領域に位置付けされ得る。ピクセルから離れた領域に励起供給源を位置付けることは、集積デバイスを製造することに関する製作制約を軽減することが可能である。たとえば、励起供給源の製作は、センサー及びサンプル
・ウェルの製作の後に実施され得る。励起供給源からのエネルギーは、たとえば、ストリップ又はスラブ型導波路（図示せず）を介して、ピクセルに提供され得る。励起供給源４−２４４は、いくつかの実施形態によれば個別に、いくつかの実施形態によればグループで、又は、いくつかの実施形態ではすべて一緒に、駆動させられ得る。励起供給源を個別に駆動することは、励起供給源のグループを駆動するために必要とされ得るものよりも大きい数の制御回路及びインターコネクトを必要とする可能性がある。
【０２００】
いくつかの実施形態では、励起供給源４−２４６は、図４−２Ｄに示されているように、ピクセル３−１００のグループの周りに形成され得る。励起供給源４−２４６からの放射線は、いくつかの実施形態によれば、スラブ型導波路又はストリップ導波路を介して、ピクセル３−１００に送達され得る。いくつかの実施形態では、励起供給源４−２４６の周囲に反射壁部が存在することが可能であり、ピクセルに向けて内向きに放射線を反射する。いくつかの実施形態では、基板１−１００の上の集積デバイスの周囲の周りに位置付けされている集積回路４−２１０（たとえば、ドライブ電子デバイス、増幅器、トランジスター、及び／又は、読み出し回路）が存在することが可能である。
【０２０１】
ピクセルが存在しない領域に励起供給源を設置することによって、集積デバイスの製作が簡単化され得る。たとえば、励起供給源４−２４４に関する製作プロセスは、ピクセル３−１００に関する製作プロセスとは実質的に独立していることが可能である。たとえば、図４−２Ｃ及び図４−２Ｄに示されている励起供給源は、ピクセル及び／又は集積回路４−２１０の製作の後に製作され得る。励起供給源が、集積デバイスのピクセル構造体及び／又は集積回路を製作するために必要とされ得る高いプロセス温度に敏感であり、又は、その高いプロセス温度によって劣化させられ得る、有機材料又は他の材料からなるときに、これは望ましい可能性がある。
【０２０２】
図４−２Ｅは、ピクセルのグループに隣接する基板１−１００の領域の中に励起供給源４−２４６がパターニングされている、実施形態を示している。図面は、励起供給源４−２４６及びサンプル・ウェル３−２１０の両方の立面図を示しており、サンプル・ウェル３−２１０は、励起供給源から１００ミクロン以上に位置付けされ得る。サンプル・ウェルは、集積デバイスの上のピクセルのグループの中の任意のピクセルの中に位置付けされ得る。励起供給源４−２４６は、いくつかの実施形態では、端面発光型発光ダイオード（ＬＥＤ）からなることが可能であり、又は、いくつかの実施形態では、レーザ・ダイオードからなることが可能であり、かつ、ダイオード・スタック４−２５０からなることが可能である。ダイオード・スタックに対する電気的な接続は、カソード・パッド４−２８１及びアノード・パッド４−２８２を含むことが可能である。カソード及びアノードは、金属製及び反射型であることが可能であり、また、放射線を横方向に反射及び／又は散乱させるために、散乱構造体を含むことが可能である。
【０２０３】
いくつかの実施形態によれば、ダイオード４−２４６からの光は、ピクセルのグループの中のサンプル・ウェルへ放射線をガイドするスラブ型導波路の中へカップリングすることが可能である。スラブ型導波路は、第１の誘電体層３−２３５、コア層４−２７０、及び、第２の誘電体層３−２４５からなることが可能である。コア層４−２７０の屈折率は、第１及び第２の誘電体層の屈折率よりも大きいことが可能である。たとえば、コア層は、窒化ケイ素層からなることが可能であり、第１及び第２の誘電体層は、酸化ケイ素層からなることが可能である。励起供給源４−２４６からの光は、コア誘電体層４−２７０に実質的に閉じ込められ、サンプル・ウェル３−２１０へガイドされ得る。いくつかの実施形態では、サンプル・ウェルのディボットは、コア層４−２７０を途中まで通って、又は、コア層４−２７０を完全に通って、延在することが可能である。いくつかの実施形態では、コア層は、サンプル・ウェルにおけるディボットのエッチングの間のエッチ・ストップとしての役割を果たすことが可能である。
【０２０４】
図４−２Ｅに示されている実施形態は、図４−２Ｄに示されているような分散型の励起供給源４−２４６に関連して説明されているが、他の実施形態では、別個の励起供給源が、ピクセルのグループの周囲に位置付けされており、スラブ型導波路よりもむしろストリップ導波路を介して、少なくともいくつかのピクセル（たとえば、１つ又は複数の横列又は縦列の中のピクセル）に送達され得る。
【０２０５】
さまざまなタイプの放射励起供給源が、図４−３Ａから図４−３Ｅに示されている。いくつかの実施形態によれば、励起供給源は、有機発光ダイオード（ＯＬＥＤ）からなることが可能である。ＯＬＥＤは、図４−３Ａに示されているように、有機発光層４−３４２及び有機導電層４−３４４からなることが可能である。それぞれの有機層は、有機分子からなることが可能であり、及び／又は、有機ポリマーから形成され得る。発光層の中の有機分子は、所望の波長で、又は、所望の波長の組み合わせで、放出するように選択され得る。ＯＬＥＤへの電気的接触は、カソード及びアノード４−３４６を通して作られ得る。アノードは、任意の適切な導電性材料から形成され得、また、有機層の堆積の前に形成され得る。アノード４−３４６は、サンプル・ウェルに隣接して開口部４−３４７を含むことが可能であり、サンプルからのエミッションが、いくつかの実施形態によれば、基板を通り、サンプルの下方に位置付けされているセンサーに至ることが可能であるようになっている。いくつかの実施形態では、カソードは、導電性材料３−２３０からなり、又は、サンプル・ウェル３−２１０がその中に形成される導電層からなることが可能である。いくつかの実施形態では、ディボット３−２１６は、ＯＬＥＤの発光層４−３４２の中へ形成され得、ＯＬＥＤからの光が、サンプル・ウェルの励起領域の中へより効率的に送達され得るようになっている。
【０２０６】
いくつかの実施形態では、ＯＬＥＤは、図４−３Ａに示されているよりもサンプル・ウェルから遠くに、垂直方向に間隔を置いて配置され得る。たとえば、ＯＬＥＤは、絶縁層又は透明な層３−２３５の下方に形成され得る。そのような実施形態では、ＯＬＥＤのカソードは、インジウムスズ酸化物（ＩＴＯ）などのような、透明な導体からなることが可能であり、ＯＬＥＤからの光が、サンプル・ウェルへ通過することができるようになっている。いくつかの実施形態によれば、ＯＬＥＤは、サンプル・ウェルの下方に５００ｎｍから１０ミクロンの間の間隔を置いて配置され得る。
【０２０７】
集積デバイスのためにＯＬＥＤを使用する１つの利点は、現代のＯＬＥＤが高い光強度出力の能力があるということである。別の利点は、ＯＬＥＤの低いコストである。ＯＬＥＤ寿命時間に関連付けられる事柄は、集積デバイスにとって問題ではない。その理由は、集積デバイスは、１回又は数回使用され得、その性能を劣化させるのに十分なＯＬＥＤの使用が存在する前に配設され得るからである。
【０２０８】
また、ソリッド・ステートのＬＥＤ又は半導体ＬＥＤは、いくつかの実施形態によれば、サンプル・ウェルを照射するために使用され得る。図４−３Ｂは、集積された半導体発光ダイオードを示しており、集積された半導体発光ダイオードは、いくつかの実施形態では、サンプル・ウェルに隣接して製作され得る。半導体ＬＥＤは、図面に示されているように、複数の層からなることが可能である。層は、いくつかの実施形態では、電子輸送層４−３５２、ホール・ブロッキング層４−３５４、発光層４−３５６、ホール輸送層４−３５７、及び電子ブロッキング層４−３５９を含むことが可能である。層のスタックは、図４−３Ａに関連して説明されているように、アノード及びカソードによって電気的に接触され得る。図４−３Ｂに示されているＬＥＤ構造体は、それに限定されないが、ＯＬＥＤ、ＰｈＯＬＥＤ、及び量子ドットＬＥＤ（ＱＬＥＤ）を含む、他のタイプのＬＥＤに関して使用され得る。
【０２０９】
いくつかの実施形態によれば、半導体レーザ・ダイオードが、基板１−１００の上に集積され得る。図４−３Ｃは、いくつかの実施形態において使用され得る垂直共振器面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）を示している。ＶＣＳＥＬは、ＶＣＳＥＬキャビティーの反対側端部に形成された反射スタック４−３６４、４−３６２からなることが可能である。複数の量子ウェル４−３６５が、ＶＣＳＥＬのキャビティーの中に形成され得る。いくつかの実施形態では、反射材料３−２３０が、ＶＣＳＥＬキャビティーの一方の端部において、カソード又はアノードを形成することが可能であり、サンプル・ウェル３−２１０が、カソード又はアノードの中に形成され得る。いくつかの実施形態によれば、ディボット３−２１６は、図面に示されているように、ＶＣＳＥＬのキャビティーの中へ延在することが可能である。
【０２１０】
ディボットがＶＣＳＥＬ共振器の中へ延在しているので、サンプルは、キャビティーの外側に位置付けされているとした場合のものよりも目に見えて高い強度に露出され得る。たとえば、ＶＣＳＥＬキャビティーの反射スタックが９０％よりも大きい場合には、キャビティーの中の強度は、キャビティーの外側の強度よりもおおよそ１０倍から１００倍高いことが可能である。いくつかの実施形態では、ＶＣＳＥＬキャビティーの少なくとも１つの反射体は、２色性であることが可能であり、それが、励起エネルギーに関して高度に反射的であり（たとえば、約９０％よりも大きい）、高いパーセンテージのサンプルからのエミッションを送信するようになっている（たとえば、約６０％よりも多い）。
【０２１１】
図４−３Ｂ及び図４−３Ｃでは、励起供給源は、サンプル・ウェルの横断方向の寸法よりも目に見えて大きい領域を横切って延在している。したがって、サンプルからのエミッションは、励起供給源を通過し、サンプル・ウェルの下方に位置付けされているセンサーに到達しなければならない。サンプルからのエミッションのうちのいくらかは、そのような実施形態では、励起供給源の中に吸収され得る。
【０２１２】
図４−３Ｄ及び図４−３Ｅは、サンプル・ウェルの横断方向の寸法におおよそ等しい横断方向の寸法を有するナノ・スケール励起供給源を示している。たとえば、ナノ・スケール励起供給源の横断方向の寸法は、いくつかの実施形態によれば、５０ｎｍから５００ｎｍの間であることが可能であるが、他の実施形態では、それよりも大きいことが可能である。これらのナノ・スケール励起供給源は、いくつかの実施形態によれば、製作の間に、サンプル・ウェルに自己整合され得る。いくつかの実施形態では、マイクロ・スケール励起供給源が、ナノ・スケール励起供給源と同様に、サンプル・ウェルに隣接して形成され得るが、マイクロ・スケール横断方向の寸法を有している。
【０２１３】
図４−３Ｄは、サンプル・ウェルの下方に形成されているナノＬＥＤを示している。ナノＬＥＤは、第１のタイプの導電型を有するピラー４−３７４と、ｐ−ｎ接合を形成するために第２のタイプの導電型を有するキャップ４−３７６とからなることが可能である。ピラー４−３７４は、半導体層４−３８０からのエピタキシャル成長によって形成され得る。ピラーの成長の間、反射スタック４−３７５は、いくつかの実施形態によれば、ピラー及び／又はドーパント濃度の交互材料によって形成され得る。ピラー４−３７４への電気的接触は、半導体層４−３８０を通して作られ得る。ナノＬＥＤは、さらに導電性表面コーティング４−３７２からなることが可能であり、それは、サンプル・ウェルがその中に形成されている導電性材料３−２３０を介して、キャップ４−３７６に電気的に接続するために使用されている。いくつかの実施形態では、図面に示されているものよりも多い層がナノＬＥＤの中に存在することが可能である。たとえば、ナノＬＥＤは、電子輸送層、電子ブロッキング層、ホール輸送層、及び／又はホール・ブロッキング層を含むことが可能である。不動態化層４−３７８（たとえば、酸化物）は、いくつかの実施形態によれば、サンプル・ウェルの周り及び中の領域の上に堆積され得る。
【０２１４】
いくつかの実施形態では、導電層４−３７２の中の不動態化層４−３７８は、サンプル・ウェルの中のサンプルによって放出される放射線に対して透明であることが可能である。たとえば、不動態化層４−３７８は、アルミナ又は酸化物からなることが可能である。また、導電性コーティング４−３７２も、サンプルによって放出される放射線に対して透明であることが可能であり、いくつかの実施形態によれば、インジウムスズ酸化物（ＩＴＯ）からなることが可能である。いくつかの実施形態では、導電性コーティング４−３７２は、グラフェン、インジウムがドープされた亜鉛酸化物、アルミニウムがドープされた亜鉛酸化物、又は、ガリウムがドープされた亜鉛酸化物からなることが可能である。不動態化層及び導電性コーティングが透明であるので、サンプルからの光は、図４−３Ｂ及び図４−３Ｃに示されているデバイスの中で起こり得るように、シリコン又は半導体を通過することなく半導体基板４−３８０へ進むことが可能である。いくつかの実施形態では、１つ又は複数のセンサー（図示せず）が、基板４−３８０の中に形成され、サンプルからのエミッションを検出することが可能である。
【０２１５】
いくつかの実施形態によれば、ナノＬＥＤ４−３７１又はナノ・スケール励起供給源は、垂直方向の導波路からなることが可能である。たとえば、ナノＬＥＤの屈折率は、取り囲む層３−２３５の屈折率よりも目に見えて大きいことが可能である。したがって、ナノＬＥＤ４−３７１からのエミッションは、垂直方向にガイドされ、サンプル・ウェル３−２１０の励起領域において濃縮され得る。そのように、ナノＬＥＤは、たとえば、図４−３Ｂに示されているダイオードなどのような、より大きいデバイスよりも効率的に励起領域を照射することが可能である。
【０２１６】
いくつかの実施形態では、第２のタイプのナノＬＥＤの導電型を有するキャップ４−３７６は、エッチ・バックされ、ピラーを露出されることが可能である。次いで、反射コーティングが、反射スタック４−３７５の反対側の上側表面の上に形成され、ナノ・スケールの垂直方向の端面発光型レーザ・ダイオード（ナノＶＥＥＬＤ）を形成することが可能である。
【０２１７】
ナノＬＥＤの高さは、エピタキシャル成長によって慎重に制御され得る。したがって、ナノＬＥＤの発光端面とサンプル・ウェルがその中に形成されている材料３−２３０の下側表面との間の距離が、慎重に制御され得る。追加的に、不動態化材料又は誘電体の指向性の物理的な堆積（たとえば、図３−９Ｄに関連して説明されているようなものなど）が、サンプル・ウェルの励起領域とナノＬＥＤの発光端面との間の距離を慎重に制御するために使用され得る。これらの距離の慎重な制御は、サンプル・ウェルに隣接して形成されたカップリング構造体と組み合わせて、励起領域の中への励起エネルギーのカップリング、及び、サンプルから１つ又は複数のセンサーへのエミッションのカップリングを改善することが可能である。
【０２１８】
図４−３Ｅは、いくつかの実施形態によれば、サンプル・ウェルの下方に形成される自己整合されたナノＶＣＳＥＬを示している。ナノＶＣＳＥＬは、ナノＬＥＤ（さらに詳細に下記に説明されている）を形成するために使用されるものと同様の技法を使用して形成され得る。いくつかの実施形態によれば、ナノＶＣＳＥＬは、第１の反射スタック４−３７７、複数の量子ウェル構造体４−３３０又は量子ドット、及び、ピラーのエピタキシャル成長の間に形成される第２の反射スタック４−３７３からなることが可能である。ナノＶＣＳＥＬの一方の端部への電気的な接続は、ナノＬＥＤに関連して説明されているように、導電性コーティング４−３７２によって作製され得る。
【０２１９】
それらの小さいサイズに起因して、ナノＬＥＤ４−３７１及びナノＶＣＳＥＬは、低い接合静電容量を有することとなる。したがって、それらは、高い速度で変調され得る。いくつかの実施形態では、ナノＬＥＤ、ナノＶＥＥＬＤ、又はナノＶＣＳＥＬは、おおよそ
１マイクロ秒未満のターン・オン及びターン・オフを有することが可能である。ナノＬＥＤ、ナノＶＥＥＬＤ、又はナノＶＣＳＥＬは、いくつかの実施形態ではおおよそ１００ナノ秒未満の、いくつかの実施形態ではおおよそ１０ナノ秒未満の、いくつかの実施形態ではおおよそ１ナノ秒未満の、及び、さらに、いくつかの実施形態では、おおよそ１００ピコ秒未満のターン・オン及びターン・オフを有することが可能である。
【０２２０】
追加的に、強い励起エネルギーは、サンプル・ウェルの励起領域においてのみ必要とされるので、ナノＬＥＤ、ナノＶＥＥＬＤ、又はナノＶＣＳＥＬは、より少ない全出力電力によって、より効率的にサンプルを励起させることが可能である。これは、いくつかの実施形態では、有益である可能性がある。その理由は、高い電力消散が、受け入れ難いほど高い温度まで試料を加熱し、サンプルを損傷させる可能性があるからである。さらに、ナノＬＥＤ、ナノＶＥＥＬＤ、又はナノＶＣＳＥＬからのエミッションは主に励起領域だけに送達されるので、サンプル・ウェル３−２１０の励起領域３−２１５よりも実質的に大きい領域の上に放射線を放出する、より大きい励起供給源と比較して、より少ない全体励起エネルギーが必要とされる。より少ない全体励起エネルギーが必要とされるので、いくつかの実施形態によれば、励起供給源からのより少ない背景放射線に起因して、サンプルからのエミッションに関する信号対雑音比は増加することが可能である。
【０２２１】
さまざまな技法が、図４−３Ａから図４−３Ｄに説明されている励起供給源を製作するために使用され得る。いくつかの実施形態によれば、従来の技法が、集積デバイスの上に、少なくとも１つのＯＬＥＤ、ＰｈＯＬＥＤ、又はＱＬＥＤを形成するために使用され得る。たとえば、複数の層堆積が、ＬＥＤが形成されている領域において実施され得るが、一方、他の領域はマスクを外され、それらの領域において基板の上への堆積を防止することが可能である。ＯＬＥＤ、ＰｈＯＬＥＤ、又はＱＬＥＤデバイスは、上昇した温度に敏感である可能性があるので、そのようなデバイスの形成の後のプロセッシング温度は、温度限界の下方に維持される必要がある可能性があり、温度限界の上方では、ＯＬＥＤ、ＰｈＯＬＥＤ、又はＱＬＥＤデバイスに対する損傷が起こる可能性がある。たとえば、ＯＬＥＤは、おおよそ１００℃を上回る温度への露出によって損傷又は劣化させられ得る。したがって、集積デバイスの上へのＯＬＥＤの形成の後に、プロセッシング温度は、その後の製作工程の間に、おおよそ１００℃に制限され得る。
【０２２２】
集積デバイスの上への無機半導体ＬＥＤ、レーザ・ダイオード、又はＶＣＳＥＬの形成は、いくつかの実施形態によれば、従来の技法を使用して（たとえば、イオン注入及び拡散、ならびに／又は、複数のエピタキシャル堆積を使用して）実施され得る。他の実施形態では、無機半導体ＬＥＤ、レーザ・ダイオード、ＶＣＳＥＬ、及び／又はサンプル・ウェルは、別々の半導体・オン・インシュレータ（ＳＯＩ）基板の上に形成され得、半導体・オン・インシュレータ（ＳＯＩ）基板は、その後に、集積デバイスの基板１−１００に整合及びボンディングされる。たとえば、レーザ・ダイオード又はＶＣＳＥＬに関するエピタキシャル層は、ＳＯＩ基板の上に形成され得、それは、次いで、たとえば、図４−３Ｂに示されている誘電体層３−２３５にボンディングされ得る。ボンディングの後に、形成されたＶＣＳＥＬを有するシリコン層は、ＳＯＩ基板から解放され得、いくつかの実施形態によれば、さらにエッチ・バックされ得る。次いで、サンプル・ウェル３−２１０が、それぞれのピクセルにおいて形成され得る。
【０２２３】
ＩＶ．Ｂ．  放射励起供給源の製作
図４−４Ａから図４−４Ｉは、いくつかの実施形態によれば、サンプル・ウェルに自己整合されるナノＬＥＤ、ナノＶＥＥＬＤ、又はナノＶＣＳＥＬを形成するために使用され得るプロセス工程に関連付けられる構造体を示している。示されているプロセス工程は、デバイスを製作するために使用され得る方法のいくつかの実施形態だけを図示している。ナノＬＥＤ、ナノＶＥＥＬＤ、又はナノＶＣＳＥＬデバイスは、いくつかの実施形態では
、他の又は追加的なプロセス工程を使用して製作され得る。たとえば、いくつかのプロセスは、サンプル・ウェルに対するこれらのデバイスのフォトリソグラフィック・アライメントを必要とする可能性がある。いくつかの実施形態では、マイクロ・スケール励起供給源が、ナノ・スケール励起供給源の製作に関して説明されている１つ又は複数の工程を使用して製作され得る。
【０２２４】
いくつかの実施形態によれば、ホール又はビア４−４１０が、図４−４Ａに示されているように、半導体層４−３８０、絶縁層３−２３５、及び上部層３−２３０からなる基板の中に形成され得る。ホールは、図３−１０Ａから図３−１０Ｄに関連して説明されているように、上部層３−２３０の上のレジストの中にホールをパターニングすることによって形成され得る。第１の選択的な異方性エッチが、上部層を通してホール・パターンをエッチングするために使用され得、第２の選択的な異方性エッチが、絶縁層３−２３５の中へホール・パターンをエッチングするために使用され得る。
【０２２５】
上部層は、サンプル・ウェルがその中に形成されている材料又は材料のスタックからなることが可能であり、ホール４−４１０は、サンプル・ウェルの場所を画定することが可能である。いくつかの実施形態では、半導体層４−３８０は、シリコンからなることが可能であるが、他の半導体材料も使用され得る。いくつかのケースでは、半導体層４−３８０は、ＳＯＩ基板の薄い又は極薄の（たとえば、おおよそ５０ｎｍ未満の厚さ）の半導体層からなることが可能であり、サンプル・ウェルからのエミッションが、約３０％未満の損失で層を通過することができるようになっている。絶縁層３−２３５は、酸化物（たとえば、ＳｉＯ２）、又は、励起供給源からの放射線及びサンプルからのエミッションを送信する任意の適切な材料からなることが可能である。上部層３−２３０は、いくつかの実施形態によれば、導電性金属、材料のスタック（たとえば、半導体、金属、及び絶縁体）、又は、サンプル・ウェル３−２１０の製作に関連して本明細書で説明されている材料の任意の適切な組み合わせからなることが可能である。
【０２２６】
次いで、犠牲コーティング４−４２０が、図４−４Ｂに示されているように、ホール４−４１０をライニングするように堆積され得る。犠牲コーティング４−４２０は、最初に、均一な層（図示せず）として、領域の上に堆積され得る。たとえば、犠牲コーティングは、化学蒸着（ＣＶＤ）プロセス又は原子層堆積（ＡＬＤ）プロセスなどのような、コンフォーマルな堆積プロセスを使用して堆積され得る。堆積の後に、犠牲コーティングは、エッチ・バックされ、（図面の中に見られるような）水平方向の平面的な表面の上の犠牲材料を除去することが可能である。そのような堆積及びエッチ・バック・プロセスが、図３−１３Ａ及び図３−１３Ｂに関連して説明されている。任意の適切な材料が、犠牲コーティング４−４２０に関して使用され得る。さまざまな実施形態では、犠牲コーティング４−４２０に関して使用される材料は、上部層３−２３０、絶縁層３−２３５、及び、半導体層４−３８０からエピタキシャルに成長させられることとなる半導体材料の上のエッチ選択性を示すこととなる。いくつかの実施形態では、犠牲コーティング４−４２０は、たとえば、窒化ケイ素から形成され得る。犠牲コーティング４−４２０の形成の後に、第２のホール４−４１２が、半導体層４−３８０までエッチングされ、半導体層の表面を露出させることが可能である。結果として生じる構造体は、いくつかの実施形態によれば、図４−４Ｃに示されているように出現することが可能である。
【０２２７】
次いで、半導体ピラー４−３７４は、図４−４Ｄに示されているように、半導体層４−３８０から成長させられ得る。いくつかの実施形態によれば、ピラーは、分子有機化学蒸着（ＭＯＣＶＤ）などのような、エピタキシャル成長プロセスを介して成長させられ得る。いくつかの実施形態によれば、ピラーは、半導体層までエッチングされたホールの中に形成され得、絶縁層３−２３５及び犠牲コーティング４−４２０の壁部によって画定されている。ホールは、ピラーの成長のための型を提供することが可能である。サンプル・ウ
ェル３−２１０が、その後にホールの上側部分に形成されることとなるので、ピラー４−３７４は、その後に形成されるサンプル・ウェル３−２１０に自己整合されて成長する。
【０２２８】
いくつかの実施形態では、ピラーの成長の間に、反射スタック４−３７５が、ピラーのベースに形成されてもよいし、又は形成されなくてもよい。反射スタックは、いくつかの実施形態によれば、ナノＬＥＤからのエミッションに対して高い反射性を示すことが可能であり、また、ナノＬＥＤからのエミッションのおおよそ２分の１をサンプル・ウェルに向けて反射させるために使用され得る。いくつかの実施形態では、反射スタック４−３７５は、サンプル・ウェルの中のサンプルからのエミッションに対して低い反射性（たとえば、約３０％未満）を示すことが可能である。
【０２２９】
ピラー４−３７４は、任意の選択された導電タイプによって形成され得る。たとえば、ドナー種又はアクセプター種が、ピラーのエピタキシャル成長の間に追加され、ピラーの導電タイプを画定することが可能である。いくつかの実施形態では、ピラーは、ｐタイプであることが可能であり、他の実施形態では、ピラーは、ｎタイプであることが可能である。
【０２３０】
ピラー４−３７４の形成の後に、犠牲コーティング４−４２０は、選択的エッチング・プロセスによって除去され得る。エッチング・プロセスは、ウェット・エッチ又はドライ・エッチであることが可能であり、それは、犠牲コーティングを優先的に除去するが、絶縁層３−２３５、上部層３−２３０、又は半導体ピラー４−３７４を目に見えては除去しない。犠牲コーティング４−４２０の除去は、半導体ピラーの上側部分をホールの中に露出されたままにする。
【０２３１】
次いで、第２のエピタキシャル成長が、図４−４Ｅに示されているように、ピラーの上に半導体キャップ４−３７６を形成するために実行され得る。半導体キャップ４−３７６の導電タイプは、ピラー４−３７４の導電タイプの反対にされ、ｐ−ｎ接合を形成することが可能である。いくつかの実施形態では、半導体キャップ４−３７６は、それが露出されたピラーから成長するときに、ホール４−４１０の中間領域を充填することが可能である。いくつかの実施形態では、半導体キャップは、ホールの下側領域を完全には充填しなくてもよく、それと絶縁層３−２３５の側壁部との間にオープン・スペースを残すことが可能である。
【０２３２】
次いで、導電性表面層４−３７２が、図４−４Ｅに示されているように、領域の上に堆積させられ得る。導電性表面層は、いくつかの実施形態では、ＩＴＯの層からなることが可能であり、上部層３−２３０から半導体キャップ４−３７６への電気的な接続（たとえば、ナノＬＥＤのｐ又はｎ領域への電気的な接続）を提供することが可能である。導電性表面層４−３７２は、いくつかの実施形態によれば、たとえば、原子層堆積又は化学蒸着など、任意の適切なコンフォーマルな堆積プロセスによって堆積させられ得る。
【０２３３】
いくつかの実施形態では、次いで、不動態化層４−３７８が、図４−４Ｆに示されているように、領域の上にコンフォーマル可能に堆積させられ得る。不動態化層は、いくつかの実施形態によれば、アルミナ又は酸化ケイ素などのような、絶縁層であることが可能である。アドヘレント（図示せず）が、たとえば、図３−１４又は図３−１５に関連して説明されているように、サンプル・ウェルのベースに堆積させられ得る。図４−４Ｆに見ることができるように、結果として生じるサンプル・ウェル３−２１０及びナノＬＥＤが自己整合される。
【０２３４】
ナノＬＥＤを製作する代替的な実施形態に関するプロセス工程に関連付けられる構造体が、図４−４Ｇから図４−４Ｉに示されている。たとえば、図４−４Ｂに示されている構
造体を得た後に、選択的な異方性エッチング工程が、コーティング層４−３７２の水平方向の平面的な表面、ならびに、半導体キャップ４−３７６及び半導体ピラー４−３７４の一部分を選択的に除去するように実行され得る。結果として生じる構造体は、図４−４Ｇに示されているように出現することが可能である。
【０２３５】
いくつかの実施形態では、次いで、スペーシング層４−４４０が、領域の上に堆積させられ得る。スペーシング層は、たとえば、酸化ケイ素などの透明な材料からなることが可能である。スペーシング層は、たとえば、電子ビーム・エバポレーションなど、物理的な堆積プロセスによって堆積させられ得る。スペーシング層は、サンプル・ウェルの底部において、プラグ４−４４２を形成することが可能である。プラグは、サンプルの場所をナノＬＥＤの端部から間隔をあけて慎重に配置するために使用され得る。堆積された層の厚さは、数ナノメートル以内にまで非常に正確に制御され得るので、ナノＬＥＤの端部とサンプルの場所との間のスペーシングが、極めて正確に制御され得る。次いで、不動態化層４−３７８が、図４−４Ｉに示されているように、領域の上に堆積させられ得、アドヘレントがその後に堆積される。
【０２３６】
自己整合されたナノＬＥＤを形成するために使用されるいくつかのプロセス工程は、自己整合されたナノＶＥＥＬＤ又は自己整合されたナノＶＣＳＥＬを製作するためにも使用され得る。ナノＶＣＳＥＬの製作は、図４−４Ｂ及び図４−４Ｃに示されている工程を必要とする可能性がある。その代わりに、ホール４−４１０は、半導体層４−３８０までエッチングされ得、また、反射スタック４−３７５を含む、ＶＣＳＥＬピラーの第１の部分（たとえば、ｐ−タイプ部分）が、エピタキシャル成長によってホールの中に形成され得る。その後に、ピラーのｎ−タイプ部分が形成され得、ｎ−タイプ部分への電気的接触が、たとえば、図４−４Ｅに示されているような工程を使用して作製され得る。
【０２３７】
いくつかの実施形態によれば、ナノＬＥＤ、ナノＶＥＥＬＤ、又はナノＶＣＳＥＬを形成するための絶縁層３−２３５の厚さは、おおよそ１００ｎｍからおおよそ２ミクロンの間であることが可能である。いくつかの実施形態では、１つ又は複数のセンサー３−２６０（図面には示されていない）は、サンプル・ウェル３−２１０からのエミッションを検出するように、半導体層４−３８０の中にパターニングされ得る。１つ又は複数のセンサーは、ナノ・スケール励起供給源の近くにパターニングされ得、励起供給源、サンプル・ウェル、及びセンサーが、最大横断方向の寸法に関して約２０ミクロン未満、及び、高さに関して約２ミクロン未満を測定する体積の中に含有されるようになっている。いくつかの実施形態では、体積は、最大横断方向の寸法に関して、約５ミクロン未満であることが可能である。
【０２３８】
より大きい光子束が必要とされる場合には、ナノＬＥＤ、ナノＶＥＥＬＤ、又はナノＶＣＳＥＬは、ナノ・スケール励起供給源の形成の後に、図３−１３Ａ及び図３−１３Ｂに示されているものと同様のプロセス工程を使用して、サンプル・ウェルの横断方向の寸法よりも大きい横断方向の寸法を有するように製作され得る。
【０２３９】
ＩＶ．Ｃ．  非放射励起供給源
サンプル・ウェルの励起領域の中のサンプル３−１０１は、いくつかの実施形態によれば、非放射プロセスを介して励起され得る。非放射プロセスは、フェルスター共鳴エネルギー移動（ＦＲＥＴ）又はデクスター・エネルギー移動（ＤＥＴ）を含むことが可能であり、フェルスター共鳴エネルギー移動（ＦＲＥＴ）は、約１０ｎｍまでの距離にわたって起こることが可能であり、デクスター・エネルギー移動（ＤＥＴ）は、約１ｎｍまでの距離にわたって起こることが可能である。したがって、集積デバイスの中に含まれ得る非放射励起供給源が、また、本発明者によって考えられた。放射励起供給源と同様に、１つ又は複数の別々に制御可能な非放射励起供給源が、集積デバイスの上に存在していることが
可能である。たとえば、いくつかの実施形態では、単一の非放射供給源は、ピクセルのグループ、又は、集積デバイスの全体的なピクセル・アレイによって、共有され得る。いくつかの実施形態では、非放射励起供給源は、それぞれのピクセルにおいて製作され得る。
【０２４０】
図４−５Ａは、集積デバイスのピクセルにおいて形成され得る非放射励起供給源の単に１つの実施形態を示している。いくつかの実施形態によれば、半導体層４−５１０は、絶縁基板４−５３０の上に形成され得る。半導体層は、有機半導体又は無機半導体からなることが可能である。いくつかの実施形態では、半導体層は、ＳＯＩ基板の薄い又は極薄の半導体層であることが可能である。半導体層は、いくつかの実施形態によれば、おおよそ１０ｎｍからおおよそ１００ｎｍの間の厚さを有することが可能である。第１の電極４−５２０は、半導体層の上に配設され得る。電極４−５２０は、半導体層４−５１０の表面に沿って走っており、たとえば、サンプル・ウェル３−２１０同士の間のスペースに沿って延在しており、第１の電気的な接続を半導体層に提供することが可能である。第２の絶縁層４−５４０が、半導体層及び第１の電極４−５２０に隣接して形成され得る。導電層４−５４２は、第２の絶縁層４−５４０に隣接して形成され得る。サンプル・ウェル３−２１０は、いくつかの実施形態によれば、第２の絶縁層の中に、及び、導電層４−５４２の中に形成され得、導電性コーティング４−５４４は、図面に示されているように、サンプル・ウェルの壁部の上に形成され得る。導電性コーティング４−５４４は、第２の電気的接触を半導体層に提供することが可能である。
【０２４１】
動作時には、電気的なバイアスが、第１の電極４−５２０と導電層４−５４２との間に印加され得る。電流が、サンプル・ウェルの近くの半導体層４−５１０を通って流れ、半導体層５−５１０の中にエキシトン４−５０８を発生させることが可能である。エキシトンは、いくつかの実施形態によれば、衝突励起によって発生させられ得、サンプル・ウェル３−２１０において、半導体層４−５１０の表面に拡散することが可能である。サンプル・ウェルにおいて表面の近くにあるときには、エキシトンは、ＦＲＥＴ又はＤＥＴを介して、サンプル・ウェルの中のサンプルにエネルギーを送達することが可能である。
【０２４２】
非放射励起供給源の代替的な実施形態が、図４−５Ｂに示されている。いくつかの実施形態によれば、非放射励起供給源は、サンプル・ウェル３−２１０のベースに隣接して形成されるラテラル・ダイオード４−５１２からなることが可能である。いくつかの実施形態では、ダイオードは、ｐ−ｎ接合を含むことが可能であり、又は、本来的な領域もしくはドープされていない領域４−５１３からなり、ｐ−ｉ−ｎ接合を形成することが可能である。図４−５Ｂに示されているような非放射励起供給源は、ダイオードのｐ及びｎ領域との電気的接触を作るために、カソード及びアノード電極４−５２０を含むことが可能である。いくつかの実施形態では、ダイオードの接合領域に形成された薄い不動態化層（たとえば、１０ｎｍ未満）及び／又はアドヘレント層４−５５０が存在することが可能である。
【０２４３】
図４−５Ｂに示されている非放射励起供給源の１つの実施形態の平面図が、いくつかの実施形態によれば、図４−５Ｃに示されている。平面図は、第１の絶縁層４−５３０と第２の絶縁層４−５４０との間の界面において取られている。平面図は、ダイオードのｐ及びｎ領域ならびに電極がどのように集積デバイスの上に配置され得るかということの単に１つの実施形態を示している。いくつかの実施形態では、高濃度にドープされた半導体４−５１５、４−５１７の領域が、電極の近くに形成され得、それぞれのサンプル・ウェルの近くの領域まで延在することが可能である。任意の適切なパターンが、集積デバイスの中のダイオードのｐ及びｎ領域を配置させるために使用され得る。たとえば、図４−５Ｃに示されているような互いにかみ合わせられたパターンを使用する代わりに、ダイオードのサーペンタイン・パターンが代わりに使用され得る。
【０２４４】
図４−５Ｄは、サンプル・ウェル３−２１０における垂直方向の成長によって形成され得る非放射励起供給源の代替的な実施形態を示している。いくつかの実施形態では、供給源は、サンプル・ウェル３−２１０に自己整合されているダイオード４−５１４からなる。ダイオードは、図面に示されているように、第２のタイプの導電型を有する半導体円筒形状のシェルによって取り囲まれている、第１のタイプの導電型を有する半導体から形成された円筒形状のピラーを有するナノ・スケールｐ−ｎ又はｐ−ｉ−ｎダイオードからなることが可能である。ナノ・ダイオードの形状は、任意の適切な形状であることが可能であり、円筒形状である必要はない。たとえば、サンプル・ウェルが、正方形、長方形、又は多角形の断面を有するように形成されている場合には、ナノ・ダイオードは、同様の形状をとることが可能である。
【０２４５】
ダイオードの第１の領域（たとえば、ｎ領域）との接続は、半導体層４−３８０を通して作製され得る。いくつかの実施形態では、高濃度にドープされたウェル４−５８２が、ナノ・ダイオードのベースにおいて半導体層の上に形成され、ダイオードとの電気的な接続を改善することが可能である。ダイオードの第２の領域との接続は、サンプル・ウェルがその中に形成されている導電層３−２３０、及び、導電性コーティング４−３７２を通して作製され得る。いくつかの実施形態では、導電性コーティング４−３７２は、ＩＴＯからなることが可能である。
【０２４６】
動作時には、ナノ・ダイオードの中の電流が、エキシトンを発生させることが可能であり、エキシトンは、ダイオードの表面へ拡散し、そこで、大部分が再結合する。いくつかのケースでは、エキシトンは、再結合すると、サンプル・ウェル３−２１０の中のサンプルにエネルギーを非放射で伝達することが可能である。したがって、サンプル・ウェルの中のサンプル励起は、励起供給源からの放射エミッションなしに起こることが可能である。非放射励起の利益は、励起供給源が、信号検出の間のセンサーにおける放射線騒音にまったく寄与しないことが可能であるということである。第２の利益は、サンプル励起が励起供給源から約１０ｎｍの中に局所化されるということである。これは、サンプルからセンサーへのエネルギーをカップリングするために有益である可能性があり、また、励起供給源から約１０ｎｍ以上にある試料の中の他のサンプルからの騒音放射線を低減又は排除することが可能である。
【０２４７】
さまざまな製作技法が、図４−５Ａから図４−５Ｄに示されている非放射供給源を製作するために使用され得る。図４−５Ａに示されているデバイスの製作は、従来のパターニング及びエッチング・プロセス工程を用いることが可能であり、また、本明細書で説明されているようなサンプル・ウェルを形成することに関連付けられるプロセス工程を含むことが可能である。いくつかの実施形態では、図４−５Ａに示されているようなナノ・ダイオードは、図４−４Ｇに関連して説明されているように、ナノＬＥＤを形成するために使用される製作工程を用いて形成され得る。
【０２４８】
ＩＶ．Ｄ．  非放射励起供給源の製作
図４−６Ａから図４−６Ｕは、たとえば、図４−５Ｂに示されているように、サンプル・ウェルに自己整合されているラテラル接合の非放射励起供給源を形成するために使用され得るプロセス工程に関連付けられる構造体を示している。本来的な領域、又はｐ−ｎ接合は、サンプル・ウェルのベースに自己整合され得る。
【０２４９】
いくつかの実施形態によれば、プロセスは、半導体基板４−５３５、絶縁層４−５３０、及び、本来的な半導体層又はドープされていない半導体層４−５１３からなる、図４−６Ａに示されているようなシリコン・オン・インシュレータ基板を得ることから始めることが可能である。いくつかの実施形態では、サンプルからのエミッションを検出するように使用される１つ又は複数のセンサー、及び、集積デバイスの中で使用され得る関連の集
積回路などのような、集積回路が、半導体基板４−５３５の中に形成され得る。絶縁層４−５３０は、いくつかの実施形態によれば、約５０ｎｍから約５００ｎｍの間の厚さを有することが可能であるが、他の厚さも、他の実施形態において使用され得る。半導体層４−５１３は、絶縁層の上に配設され得、おおよそ１０ｎｍからおおよそ１００ｎｍの間の厚さを有することが可能である。
【０２５０】
バーからなるマスク４−６１０は、図４−６Ｂに示されているように、半導体層４−５１３の上にパターニングされ得る。バーは、半導体層の表面に沿って走ることが可能であり、グレーチングのような外観を有することが可能である。マスクは、いくつかの実施形態では、ハード・マスクであり、たとえば、酸化ケイ素から形成されたマスクであることが可能であるが、他の材料も使用され得る。他の実施形態では、たとえば、ポリマーから形成されたソフト・マスクが使用され得る。マスクは、半導体層４−５１３の上のエッチ選択性を示すことが可能である。マスクの厚さは、おおよそ５０ｎｍからおおよそ２５０ｎｍの間であることが可能である。マスクのバー同士の間のスペーシングは、集積デバイスのピクセル同士の間の分離距離のオーダであることが可能である。また、バーの幅も、集積デバイスのピクセル同士の間の分離距離のオーダであることが可能である。バーは、集積デバイスのアクティブ・ピクセル領域を横切って延在することが可能である。いくつかの実施形態では、マスク４−６１０は、基板に整合させられ得、バーの縁部が、半導体基板４−５３５の上に形成されたセンサーの上で、おおよそ中心を合わせられるようになっている。
【０２５１】
いくつかの実施形態では、層４−６２０が、図４−６Ｃに示されているように、マスク４−６１０の上にコンフォーマル可能に堆積させられ得る。層は、いくつかの実施形態によれば、窒化ケイ素などのような硬質の材料からなることが可能である。層４−６２０は、いくつかの実施形態によれば、半導体層４−５１３の上で、及び、マスク４−６１０の上で、エッチ選択性を示すことが可能である。層４−６２０の厚さは、いくつかの実施形態では、サンプル・ウェル３−２１０の所望のサイズにおおよそ等しいことが可能である。たとえば、層４−６２０の厚さは、おおよそ８０ｎｍからおおよそ２５０ｎｍの間であることが可能であるが、いくつかの実施形態では、他の厚さも使用され得る。
【０２５２】
次いで、層４−６２０は、選択的な異方性エッチ・プロセスを使用してエッチ・バックされ、図４−６Ｄに示されているような構造体を生み出すことが可能である。層４−６２０のエッチは、層の水平方向の部分を除去し、マスク・バー４−６１０に隣接する垂直方向の側壁部４−６２２を残す。次いで、基板の領域は、図面に示されているように、イオン注入を受けることが可能である。たとえば、ドナー・イオン又はアクセプター・イオンは、層が露出されている半導体層４−５１３の中へ注入され得る。イオンは、垂直方向の側壁部４−６２２及びマスク４−６１０によって、半導体層に進入することを阻止され得る。いくつかの実施形態では、イオン注入は、ドナーからなることが可能であり、図４−６Ｅに示されているように、ｎ−タイプ半導体領域４−６３２を作り出すことが可能である。垂直方向の側壁部及びマスクの下の領域は、半導体４−６３０の本来的な領域のままであることが可能である。
【０２５３】
次いで、薄い層４−６２４は、図４−６Ｆに示されているように、領域の上にコンフォーマル可能に堆積させられ得る。いくつかの実施形態によれば、薄い層は、層４−６２０と同じ材料から形成され得る。いくつかの実施形態によれば、薄い層は、窒化ケイ素であることが可能であるが、他の実施形態では、他の材料も使用され得る。層４−６２４の厚さは、いくつかの実施形態によれば、おおよそ５ｎｍからおおよそ２０ｎｍの間であることが可能である。
【０２５４】
次いで、平坦化材料４−６４０が、図４−６Ｇに示されているように、領域の上に堆積
させられ得る。いくつかの実施形態によれば、平坦化材料４−６４０は、マスク４−６１０、垂直方向の側壁部４−６２２、及び薄い層４−６２４の上でのエッチ選択性を示す。いくつかの実施形態では、平坦化材料は、半導体層４−６３０の本来的な領域の上でのエッチ選択性をさらに示すことが可能である。いくつかの実施形態によれば、平坦化材料４−６４０は、アモルファス・シリコンからなることが可能であるが、他の実施形態では、他の材料も使用され得る。
【０２５５】
次いで、材料４−６４０及び基板の表面が、図４−６Ｈに示されているように、平坦化され得る。たとえば、化学的で機械的なポリッシング（ＣＭＰ）工程が、領域を平坦化するために使用され得る。ＣＭＰ工程は、材料４−６４０を選択的にエッチングするが、層４−６２４をエッチングしないことが可能であり、いくつかの実施形態では、層４−６２４の上で本質的に停止することが可能である。次いで、非選択的な平坦化エッチが、基板をエッチ・バックするために使用され、図４−６Ｉに示されているように、マスク・バー４−６１０を露出させることが可能である。
【０２５６】
次いで、マスク・バー４−６１０が、選択的エッチング・プロセスによって除去され得る。選択的エッチング・プロセスは、ドライ・エッチ又はウェット・エッチであることが可能である。結果として生じる構造体は、図４−６Ｊに示されているように出現することが可能である。次いで、基板は、図面に示されているように、第２のイオン注入を受けることが可能である。たとえば、アクセプター・イオンが、本来的な半導体層４−５１２の露出された領域の中へ注入され、これらの領域をｐ−タイプ半導体領域４−６３４に変換することが可能である。次いで、平坦化材料４−６４０が、選択的なドライ・エッチ又はウェット・エッチによって除去され得る。
【０２５７】
いくつかの実施形態では、追加的な平坦化ポリマー又は酸化物層（図示せず）が、ｐ−タイプ領域４−６３４を保護するために基板の上に形成され、また、平坦化材料４−６４０を除去する前に、平坦化材料４−６４０を露出させるために平坦化され得る。平坦化材料４−６４０の除去の後に、追加的な平坦化材料が、選択的にエッチングされ、垂直方向の側壁部４−６２２の一部分及び薄い層４−６２４の残りの部分を残すことが可能である。
【０２５８】
垂直方向の側壁部４−６２２及び薄い層４−６２４が露出されるときには、それらは、異方性の選択的エッチによってエッチ・バックされ、ｎ−タイプ領域４−６３２を覆う薄い層４−６２４の水平方向の部分を除去することが可能である。結果として生じる構造体は、図４−６Ｋに示されているように出現することが可能であり、残りの垂直方向のバー４−６２６を示しており、残りの垂直方向のバー４−６２６は、垂直方向の側壁部４−６２２の残りの部分及び薄い層４−６２４の残りの部分からなる。ドープされていない本来的な半導体層の領域４−６３０が、垂直方向のバー４−６２６の下にあるままである。いくつかの実施形態では、熱拡散プロセス、たとえば、スパイク・アニールが、ドライブ垂直方向のバーの下のドーパントを駆動するために使用され、ｐ−ｉ−ｎ接合の空間的な範囲を低減させることが可能であり、又は、ｐ−ｉ−ｎ接合の代わりにｐ−ｎ接合が好適である。
【０２５９】
レジスト４−６５０（たとえば、フォトレジスト）が、いくつかの実施形態によれば、図４−６Ｌに示されているように、領域の上に堆積させられ得る。レジストは、垂直方向のバー４−６２６に整合させられるマスクを使用してパターニングされ得、ラテラル・ダイオード構造体のｎ−タイプ領域及びｐ−タイプ領域の上のレジストの一部分が露出され、現像されて離れるようになっている。次いで、電極４−５２０が、いくつかの実施形態によれば、リフト・オフ・プロセスを使用して形成され得る。たとえば、電極材料は、露出されたダイオードのｎ−タイプ領域及びｐ−タイプ領域の上に堆積させられ得る。残り
のレジストは、基板から剥がされ、レジスト４−６５０の上部の上に電極材料の一部分をリフト・オフし、ラテラルｐ−ｉ−ｎ領域の上に垂直方向のバー及び電極を残すことが可能である。
【０２６０】
次いで、平坦化材料４−６６０が、図４−６Ｍに示されているように、領域の上に堆積させられ得、材料及び領域が、平坦化され得る。平坦化材料４−６６０は、いくつかの実施形態では酸化物であり、又は、いくつかの実施形態ではポリマーであることが可能である。いくつかの実施形態では、ＣＭＰ工程が使用され、領域を平坦化し、垂直方向のバー４−６２６を露出させることが可能である。図４−６Ｎは、いくつかの実施形態によれば、平坦化の後の領域の平面図を示している。点線は、図４−６Ｍに示されている立面図に対応する断面の場所を示している。
【０２６１】
次いで、追加的なマスキング・バー４−６７０が、図４−６Ｏの平面図に示されているように、アクティブ・ピクセル領域の上部にパターニングされ得る。バーは、任意の適切なリソグラフィー・プロセスを使用してパターニングされ得、また、垂直方向のバー４−６２６の幅におおよそ等しい幅を有することが可能である。マスキング・バー４−６７０は、垂直方向のバー４−６２６に対して横断方向に配向され得、マスキング・バーは、集積デバイスのピクセル同士の間の距離におおよそ等しい距離だけ間隔を離して配置され得る。さまざまな実施形態では、マスキング・バーは、垂直方向のバー４−６２６の下方の半導体基板４−５３５の中に位置付けされ得るセンサーの中心に整合させられている。いくつかの実施形態によれば、マスキング・バー４−６７０は、垂直方向のバー４−６２６の上でのエッチ選択性を示す。たとえば、マスク・バーは、ポリマー又は酸化物から形成され得、垂直方向のバーは、窒化ケイ素からなることが可能である。
【０２６２】
図４−６Ｐに示されているように、選択的な異方性エッチが、垂直方向のバー４−６２６の一部分をエッチングして離し、下層にある半導体層の本来的な領域４−６３０を露出させることが可能である。マスキング・バー４−６７０に起因して、垂直方向のバー４−６２６の一部分は、マスク・バーの下にあるままである。
【０２６３】
次いで、マスキング・バー４−６７０が、領域から除去され得、平坦化層４−６８０（たとえば、酸化物層）が、領域の上に堆積させられ得る。ＣＭＰ工程が使用され、ピクセル領域を平坦化し、平面図で図４−６Ｑに示されているように、及び、立面図で図４−６Ｒに示されているように、構造体を生み出すことが可能である。垂直方向のバーの残りの部分は、いくつかの実施形態によれば、垂直方向のピラー４−６２８を形成している。いくつかの実施形態では、垂直方向のピラー４−６２８の横断方向の寸法は、おおよそ８０ｎｍからおおよそ２５０ｎｍの間である。垂直方向のピラーは、おおよそ正方形又は長方形の断面形状を有することが可能である。次いで、ピラー４−６２８は、選択的にエッチングされ、基板から除去され、図４−６Ｓに示されているように、下層にあるダイオード接合に実質的に自己整合されているサンプル・ウェルを作り出すことが可能である。
【０２６４】
図４−６Ｑに示されているように、ピラー４−６２８同士の間のスペーシングは、第１の方向（ページの上で見たときに垂直方向）におおよそ均等であることが可能である。ピラー同士の間のスペーシングは、第２の方向（ページの上で見たときに水平方向）に均等でなくてもよい。いくつかの実施形態では、マスク・バー４−６１０の幅及びスペーシング、層４−６２２の厚さ、及び、層４−６２４の厚さは、おおよそ均等なスペーシングをサンプル・ウェル同士の間に第２の方向に作り出すように選択され得る。
【０２６５】
いくつかの実施形態では、（図４−６Ｒに示されているように）平坦化層４−６８０に関して堆積されている単一の材料の代わりに、たとえば、絶縁体、半導体、及び金属の組み合わせなど、材料のスタックが堆積させられ得る。次いで、スタックは、サンプル・ウ
ェルのための層状構造体を作り出すように平坦化され得る。
【０２６６】
図４−６Ｓでは、ダイオードのｐ−タイプ領域及びｎ−タイプ領域は、平面的である。いくつかの実施形態では、及び、図４−６Ｌに戻って参照すると、露出されたｐ−タイプ領域及びｎ−タイプ領域は、レジスト４−６５０をパターニングした後に、及び、図４−６Ｔに示されているように、電極を堆積する前に、エッチングされ得る。例として、ウェット異方性エッチは、半導体の結晶面に沿って選択的にエッチングするために使用され得る。エッチは、いくつかの実施形態によれば、図面に示されているような残りのレジスト４−６５０をアンダーカットする、タイミングを選んで行われるエッチであることが可能である。次いで、電極材料が、図４−６Ｕに示されているように堆積させられ得る。
【０２６７】
いくつかの実施形態では、電極材料４−５２０は、たとえばＩＴＯなど、透明な導体であることが可能であり、サンプルからのエミッションが、電極材料を通過することができるようになっている。いくつかの実施形態では、薄い半導体層４−５１２が使用され、半導体層を通過するサンプルからのエミッションの吸収が、約３０％未満であるようになっている。たとえば、ダイオードが形成されている半導体層の厚さは、おおよそ５０ｎｍ未満であることが可能である。
【０２６８】
励起供給源の先述の実施形態の任意の１つ又は複数は、集積デバイスの実施形態の中に含まれ得る。
Ｖ．  励起カップリング
励起供給源からサンプル・ウェルへのエネルギーのカップリングは、サンプル・ウェルの中に、及び／又は、サンプル・ウェルに隣接して、励起カップリング構造体を形成することによって改善され、又は、影響を及ぼされ得る。励起カップリング構造体は、いくつかの実施形態では、サンプル・ウェルの周りに製作されるマイクロ・スケール構造体もしくはナノ・スケール構造体からなることが可能であり、又は、いくつかの実施形態では、サンプル・ウェルにおいて形成される構造体もしくは粒子からなることが可能である。励起カップリング構造体は、いくつかの実施形態では、サンプルの放射励起に影響を及ぼすことが可能であり、いくつかの実施形態では、サンプルの非放射励起に影響を及ぼすことが可能である。さまざまな実施形態では、放射励起カップリング構造体は、サンプル・ウェルの励起領域の中の励起エネルギーの強度を増加させることが可能である。非放射励起カップリング構造体は、励起供給源（それは、放射又は非放射であることが可能である）からサンプルへの非放射エネルギー伝達経路を改善及び／又は変更することが可能である。
【０２６９】
Ｖ．Ａ．  放射プラズモニック励起カップリング構造体
複数の異なるタイプの放射励起カップリング構造体が存在しており、それは、励起供給源からサンプル・ウェルの中の励起領域への励起エネルギーのカップリングに影響を及ぼすために使用され得る。いくつかの放射カップリング構造体は、導体（たとえば、金属層を含む）から形成され得、また、励起エネルギーに局所的に影響を及ぼす（たとえば、電磁界を局所的に変更する）表面プラズモン振動をサポートする。いくつかのケースでは、表面プラズモン構造体が、サンプル・ウェルの励起領域の中の励起エネルギーを２倍以上増強することが可能である。いくつかの放射カップリング構造体は、励起場の位相及び／又は振幅を変更し、サンプル・ウェルの中の励起エネルギーを増強することが可能である。放射励起カップリング構造体のさまざまな実施形態が、この章において説明されている。
【０２７０】
図５−１Ａは、サンプル・ウェルの中への励起エネルギーのカップリングを増強するために使用され得る表面プラズモン構造体５−１２０の単に１つの例を示している。図面は、表面プラズモン構造体５−１２０の周りの領域の平面図を示しており、構造体の周りの
電界強度の数値シミュレーションの結果を表している。図面は、サンプル・ウェル（図示せず）に極めて接近して位置付けされている鋭い頂点を有する、３つの三角形の特徴からなる表面プラズモン構造体を示している。いくつかの実施形態によれば、表面プラズモン構造体は、金属又は導体（たとえば、以下の金属又は金属合金：Ａｌ、Ａｕ、Ａｇ、Ｔｉ、ＴｉＮのうちのいずれか１つ又はそれらの組み合わせのパターニングされた薄い膜）からなることが可能である。膜の厚さは、いくつかの実施形態では、おおよそ１０ｎｍからおおよそ１００ｎｍの間であることが可能であるが、他の実施形態では、他の厚さも使用され得る。いくつかの実施形態では、表面プラズモン構造体は、サンプル・ウェルに極めて接近して位置付けされている鋭い特徴５−１１０を含むことが可能である（たとえば、約１００ｎｍ以内）。
【０２７１】
図５−１Ｂは、点線において取られた、図５−１Ａの表面プラズモン構造体の断面立面図を示している。シミュレーションは、表面プラズモン構造体の三角形の頂点に隣接する励起エネルギーの局所化された高強度領域３−５０５を示している。このシミュレーションに関して、表面プラズモン構造体５−１２０は、導波路５−１３０の上方の誘電体層５−１３５（たとえば、二酸化ケイ素）の上に位置付けされていた。表面プラズモン構造体は、導波路のエバネセント場からのエネルギーをタップし、サンプル・ウェルにおける強度を増強する。
【０２７２】
いくつかの実施形態では、表面プラズモン構造体による励起エネルギーの増強は、サンプル・ウェル３−２１５が必要とされない程度にまで局所化され得る。たとえば、高強度領域３−５０５が、おおよそ１００ｎｍの直径を有するように形成され、領域の外側の強度の約８０％よりも大きいピーク強度値を備える場合には、深いサンプル・ウェルは必要とされない可能性がある。高強度領域３−５０５の中のサンプルだけが、検出の目的のために、かなりのエミッションに寄与することが可能である。
【０２７３】
入射電磁界が表面プラズモン構造体と相互作用するときには、表面波電流が構造体の中に発生させられる。構造体の形状は、これらの表面プラズモンの強度及び分布に影響を及ぼすことが可能である。これらの局所化された電流は、たとえば、図５−１Ｂの高強度領域３−５０５によって示されているように、表面プラズモン構造体の直ぐ付近の入射電磁界と相互作用し、それをかなり変更し、それを増大させることが可能である。いくつかの実施形態では、表面プラズモン構造体の近くで放射線を放出するエミッター（たとえば、蛍光性タグ）は、構造体によって変更されるそのエミッションを有することが可能であり、エミッターからの遠視野放射線パターンを変更するようになっている。
【０２７４】
表面プラズモン構造体５−１２２の別の実施形態が、図５−１Ｃの平面図に示されている。図示されているちょうネクタイ構造体は、サンプル・ウェル３−２１０に隣接して位置付けされている２つの三角形の金属製の構造体からなることが可能である。構造体は、たとえば、サンプル・ウェルの下方に、及び／又は、サンプル・ウェルの励起領域に隣接して、パターニングされ得る。いくつかの実施形態では、サンプル・ウェルと表面プラズモン構造体の鋭い特徴５−１２５との間にギャップ５−１２７が存在することが可能である。ギャップ５−１２７は、いくつかの実施形態によれば、おおよそ１０ｎｍからおおよそ２００ｎｍの間であることが可能である。いくつかの実施形態では、ギャップ５−１２７は、おおよそ１０ｎｍからおおよそ１００ｎｍの間であることが可能である。鋭い特徴５−１２５は、図面に示されているように、表面プラズモン構造体の縁部の中のポイント又は鋭い曲げからなることが可能である。鋭い特徴は、任意の適切な形状を有することが可能である。いくつかの実施形態では、鋭い特徴５−１２５の曲げ半径は、入射励起エネルギーに関連付けられるおおよそ５つの波長よりも小さいことが可能である。いくつかの実施形態では、鋭い特徴５−１２５の曲げ半径は、入射励起エネルギーに関連付けられるおおよそ２つの波長よりも小さいことが可能である。いくつかの実施形態では、鋭い特徴
５−１２５の曲げ半径は、入射励起エネルギーによって励起される表面プラズモン波に関連付けられるおおよそ５つの波長よりも小さいことが可能である。いくつかの実施形態では、鋭い特徴５−１２５の曲げ半径は、入射励起エネルギーによって励起される表面プラズモン波に関連付けられるおおよそ２つの波長よりも小さいことが可能である。
【０２７５】
いくつかの実施形態によれば、表面プラズモン構造体５−１２２は、図５−１Ｄの立面図に図示されているように、サンプル・ウェル３−２１０の中にパターニングされ得る。いくつかの実施形態では、サンプル・ウェルの中の表面プラズモン構造体は、図面に示されているように、サンプル・ウェルの側壁部の上にパターニングされている１つ又は複数のフィンガー（たとえば、金属製のフィンガー）からなることが可能である。図５−１Ｅは、サンプル・ウェルの中の側壁部の上に形成された表面プラズモン構造体５−１２２を示すサンプル・ウェル３−２１０の平面図を示している。いくつかの実施形態では、これらの表面プラズモン構造体５−１２２の下側端部が、鋭い特徴又は曲げを形成し、そこで、電磁界が増強されることとなる。表面プラズモン構造体５−１２２は、サンプル・ウェルのベースまで延在してもよいし、又は延在しなくてもよい。
【０２７６】
いくつかの実施形態では、表面プラズモン構造体５−１２２は、励起エネルギー及び／又はサンプル・ウェルから放出される放射線の分極に影響を及ぼすように配置され得る。たとえば、図５−１Ｅに示されているようなパターンは、線形のもしくは楕円形の励起分極の好適な配向、及び／又は、サンプル・ウェルの中のエミッターからの線形のもしくは楕円形の分極の好適な配向に影響を及ぼすために使用され得る。
【０２７７】
表面プラズモン構造体は、図５−１Ａから図５−１Ｅに示されているもの以外の形状でパターニングされ得る。たとえば、表面プラズモン構造体は、いくつかの実施形態によれば、図５−２Ａに示されているように、規則的な又は周期的な構造体としてパターニングされ得る。たとえば、表面プラズモン構造体は、サンプル・ウェル３−２１０がその中に形成されている材料３−２３０の下側表面の上の突出する特徴５−２１０のアレイとしてパターニングされ得る。周期的な表面プラズモン構造体は、たとえば、グレーチング、グリッド、格子、円形のグレーチング、スパイラル・グレーチング、楕円形のグレーチング、又は、任意の他の適切な構造体など、規則的なアレイで形成され得る。いくつかの実施形態では、表面プラズモン構造体の突出部５−２１０同士の間に実質的に均一なスペーシングが存在することが可能である。いくつかの実施形態では、スペーシングは、おおよそ４０ｎｍからおおよそ２５０ｎｍの間の任意の値を有することが可能である。いくつかの実施形態によれば、突出部は、おおよそ２０ｎｍからおおよそ１００ｎｍの間の高さｈを有することが可能である。いくつかの実施形態では、スペーシングｓは、不均一であること場合があり、又は、チャープされる場合がある（ｃｈｉｒｐｅｄ）（より大きい半径方向の距離において減少する値を有する）。いくつかの実施形態では、表面プラズモン構造体の突出部５−２１０は、フレネル・ゾーン・プレートとしてパターニングされ得る。いくつかの実施形態によれば、５−２１０の表面プラズモン構造体は、透明な層及び／又は誘電体層３−２３５に隣接して形成され得る。
【０２７８】
いくつかの実施形態では、表面プラズモン構造体５−２１２は、図５−２Ｂに示されているように、サンプル・ウェルがその中に形成されている材料３−２３０から間隔を置いて配置され得る。たとえば、表面プラズモン構造体５−２１２と材料３−２３０との間に介在誘電体層５−２４７が存在することが可能である。いくつかの実施形態によれば、表面プラズモン構造体５−２１２は、図面に示されているように、サンプル・ウェルのディボット３−２１６に隣接して位置付けされ得る。たとえば、表面プラズモン構造体５−２１２は、図５−２Ｂに示されているように、ディボット３−２１６の側壁部に隣接して位置付けされ得る。
【０２７９】
図５−２Ｃは、同心円状の円形のグレーチングとして形成されている表面プラズモン構造体５−２１４を図示している。構造体５−２１４は、いくつかの実施形態によれば、同心円状の導電性リング５−２１５からなることが可能である。リングは、規則的なスペーシングｓによって分離され得、図５−２Ａに関連して説明されているように、高さｈを有することが可能である。いくつかの実施形態によれば、随意的なディボットを備えるサンプル・ウェル３−２１０が、リングの中央に位置付けされ得る。円形のグレーチングは、サンプル・ウェルのベースに隣接してパターニングされ得る。
【０２８０】
表面プラズモン構造体の周期性は、いくつかの実施形態によれば、共鳴構造体を形成するように選択され得る。たとえば、表面プラズモン構造体のスペーシングｓは、励起エネルギーによって構造体の中に発生させられる表面プラズモン波のおおよそ２分の１の波長となるように選択され得る。共鳴構造体として形成されているときには、表面プラズモン構造体は、周期的な表面プラズモン構造体の方向に沿って、励起エネルギーを蓄積及び共鳴させることが可能である。そのような共鳴挙動は、図５−２Ｄに示されているように、サンプル・ウェルの中の、又は、サンプル・ウェルに隣接する、電磁エネルギーを増大させることが可能である。
【０２８１】
図５−２Ｄは、サンプル・ウェルのベースにおいて、及び、周期的な表面プラズモン構造体の周りで、数値的にシミュレートされた電磁界結果を表している。表面プラズモン構造体５−２１６は、サンプル・ウェルがその中に形成されている材料３−２３０に隣接して位置付けされており、また、サンプル・ウェル３−２１０のベースに隣接している。表面プラズモン構造体は、サンプル・ウェルから離れた領域及びシミュレートされた領域の外側の領域において、規則的なスペーシング・インターバルで繰り返すグレーチング又は円形のグレーチングの形態であることが可能である。たとえば、３回から５０回の間で繰り返された表面プラズモン構造体５−２１６のグレーチング突出部が存在することが可能である。高い強度の領域５−２４０が、サンプル・ウェル３−２１０のベースにおいて見られ得る。この領域の中の強度は、表面プラズモン構造体の直ぐ下方の取り囲む領域の上で２倍以上に増強され得る。
【０２８２】
図５−２Ｅは、共鳴表面プラズモン構造体５−２１８の代替的な実施形態を立面図で示している。いくつかの実施形態によれば、表面プラズモン構造体は、周期的なグレーチング又はグリッド・パターンとして形成され得、また、複数の層５−２４７の中にパターニングされ得る。サンプル・ウェル３−２１０は、いくつかの実施形態によれば、複数の層５−２４７を通して、及び、共鳴表面プラズモン構造体５−２１８の中に、パターニングされ得る。いくつかの実施形態では、共鳴表面プラズモン構造体は、図５−２Ｆの平面図に示されているように、別個の導電性エレメント５−２２２からなることが可能である。いくつかの実施形態では、共鳴表面プラズモン構造体は、図５−２Ｇに示されているように、連続的な格子パターン５−２５０からなることが可能である。誘電体充填材５−２５２が、導電性材料５−２５０のボイドの中に位置付けされ得、サンプル・ウェル３−２１０が、ボイドとともに位置付けされ得る。
【０２８３】
サンプル・ウェルの中へのカップリングを増強するために、又は、サンプル・ウェルの中のサンプルからのエミッションに影響を及ぼすために使用され得る、さまざまな異なる表面プラズモン構造体が存在している。図５−２Ｈは、表面プラズモン構造体のさらに代替的な実施形態を平面図で示している。構造体の立面図が、図５−２Ｉに示されている。いくつかの実施形態によれば、表面プラズモン構造体は、サンプル・ウェル３−２１０の周りに分散されたディスクのアレイからなることが可能である。いくつかの実施形態では、導電性ディスク５−２６０を使用する代わりに、表面プラズモン構造体は、導電層からなることが可能であり、分散されたホールのパターンが、導電層を通して形成される。そのような構造体は、「ナノ・アンテナ」と称され得る。
【０２８４】
Ｖ．Ｂ．  プラズモニック励起カップリング構造体の製作
さまざまな異なるプロセスが、サンプル・ウェルに隣接して表面プラズモン構造体をパターニングするために使用され得る。図５−３Ａから図５−５Ｅは、いくつかの実施形態によれば、サンプル・ウェルに隣接して表面プラズモン構造体を形成するために使用され得るプロセス工程に関連付けられる構造体を示している。ここで図５−３Ａを参照すると、表面プラズモン構造体を形成するためのプロセスは、マスキング層５−３３０の上の反射防止コーティング（ＡＲＣ）５−３２０の上にレジスト層５−３１０を形成することからなることが可能である。層は、いくつかの実施形態によれば、透明な誘電体層３−２３５の上に配設され得る。レジスト層５−３１０は、リソグラフィーによってパターニングされ得るフォトレジスト又は電子−ビーム・レジストもしくはイオン−ビーム・レジストからなることが可能である。マスキング層５−３３０は、いくつかの実施形態によれば、無機材料（たとえば、シリコンもしくはシリカ窒化物、又は、任意の他の適切な材料）から形成されたハード・マスクからなることが可能である。
【０２８５】
いくつかの実施形態では、フォトリソグラフィック・プロセスは、図５−３Ｂに示されているように、レジスト５−３１０をパターニングするために使用され得る。選択されるパターンは、所望の表面プラズモン構造体を形成するために使用されることとなる突出部又はホールのレイアウトからなることが可能である。レジスト５−３１０の現像の後に、ＡＲＣの領域は、露出されることとなり、パターンが、ＡＲＣ層５−３２０の中へ、及び、次いで、マスキング層５−３３０の中へ、エッチングされ得る。レジスト及びＡＲＣは、基板から剥がされ得、結果として生じる構造体が、図５−３Ｃに示されているように出現することが可能である。次いで、マスキング層５−３３０は、エッチ・マスクとして使用され得、パターンが、図５−３Ｄに示されているように、選択的な異方性エッチを介して、下層にある誘電体層３−２３５の中へ伝達され得るようになっている。
【０２８６】
次いで、導電性材料３−２３０、又は、導体からなる材料の層が、図５−３Ｅに図示されているように、領域の上に堆積させられ得る。任意の適切な導電性材料が、それが材料３−２３０とは別々の層として堆積されるかどうかにかかわりなく、表面プラズモン構造体を形成するために使用され得る。たとえば、いくつかのケースでは、第１の導電性材料は、表面プラズモン構造体がその中に形成されている材料３−２３０のベース層として堆積させられ得る。表面プラズモン構造体を形成するために使用され得る材料の例は、それに限定されないが、Ａｕ、Ａｌ、Ｔｉ、ＴｉＮ、Ａｇ、Ｃｕ、及び、合金、又は、それらの組み合わせ層を含む。
【０２８７】
材料３−２３０、又は、材料の層は、それに限定されないが、物理的な堆積プロセス又は化学蒸着プロセスを含む、任意の適切な堆積プロセスによって堆積させられ得る。いくつかの実施形態では、材料３−２３０は、おおよそ８０ｎｍからおおよそ３００ｎｍの間の厚さを有することが可能である。いくつかの実施形態では、材料３−２３０は、（たとえば、ＣＭＰプロセスを使用して）平坦化され得るが、平坦化は必要ではない。サンプル・ウェルは、サンプル・ウェルを製作することに関連して本明細書で説明されている任意の適切なプロセスを使用して、材料３−２３０の中に形成され得る。
【０２８８】
本発明者は、図５−３Ａから図５−３Ｅに示されている工程にしたがって表面プラズモン構造体を形成することは、表面プラズモン構造体に対するサンプル・ウェルの正確なアライメントを必要とする可能性があるということを認識した。たとえば、図５−２Ｃに示されているように、同心円状のグレーチングからなる表面プラズモン構造体は、表面プラズモン構造体５−２１４の中心に対するサンプル・ウェル３−２１０の正確なアライメントを必要とする可能性がある。そのような正確なアライメントに関連付けられる製作の困難性を回避するために、本発明者は、図５−４Ａから図５−５Ｅに示されている自己アラ
イメント・プロセスを開発した。
【０２８９】
ここで図５−４Ａを参照すると、表面プラズモン構造体と、表面プラズモン構造体に自己整合されるサンプル・ウェルとを形成するためのプロセスは、透明な誘電体層３−２３５の上にマスキング層５−４１０を形成することからなることが可能である。マスキング層は、いくつかの実施形態によれば、シリコン又はシリカ窒化物などのような、無機材料から形成されたハード・マスクからなることが可能である。マスキング層５−４１０の厚さは、サンプル・ウェル３−２１０の所望の高さにおおよそ等しいことが可能である。たとえば、マスキング層の厚さは、いくつかの実施形態によれば、おおよそ５０ｎｍからおおよそ２００ｎｍの間であることが可能であるが、他の実施形態では、他の厚さも使用され得る。
【０２９０】
マスキング層５−４１０は、誘電体層３−２３５の中にパターニングされることとなる表面プラズモン構造体の所望のパターンを有するボイド５−４３０を生成させるためにパターニングされ得る。マスキング層５−４１０のパターニングは、任意の適切なリソグラフィー・プロセス（たとえば、フォトリソグラフィー、電子−ビーム・リソグラフィー、イオン−ビーム・リソグラフィー、ＥＵＶリソグラフィー、Ｘ線リソグラフィー）によって行われ得る。結果として生じる構造体は、図５−４Ｂに示されているように出現することが可能である。構造体は、中央ピラー５−４２０を含むことが可能であり、中央ピラー５−４２０は、その後に、自己整合されたサンプル・ウェルを形成するために使用されることとなる。
【０２９１】
次いで、レジスト５−４４０（たとえば、フォトレジスト）は、図５−４Ｃに示されているように、パターニングされたマスキング層５−４１０の上にパターニングされ得る。レジスト５−４４０をパターニングするためのアライメント（たとえば、基板に対するマスクのアライメント）は、高度に正確である必要はなく、単に、中央ピラー５−４２０を被覆するために、及び、表面プラズモン構造体を形成するために使用されることとなるボイド５−４３０を被覆しないために、レジスト５−４４０を必要とする。
【０２９２】
次いで、選択的な異方性エッチが、いくつかの実施形態によれば、図５−４Ｄに示されているように、誘電体層３−２３５をエッチングするために、及び、誘電体の中へ表面プラズモン構造体のパターンを伝達するために、使用され得る。次いで、選択的な等方性エッチが、マスキング層５−４１０の露出された部分を除去するために使用され得る。等方性エッチは、たとえば、ウェット・エッチであることが可能であるが、いくつかの実施形態では、等方性ドライ・エッチも使用され得る。レジスト５−４４０が中央ピラー５−４２０を覆うので、中央ピラーは、図５−４Ｅに示されているように、エッチングされることとならず、基板の上にあるままになることとなる。次いで、レジスト５−４４０が、図５−４Ｆに示されているように、基板から剥がされ、ピラー５−４２０を露出させることが可能である。
【０２９３】
次いで、いくつかの実施形態によれば、金属導電性材料３−２３０、又は、導電性材料を含む材料のスタックが、図５−４Ｇに図示されているように、領域の上に堆積させられ得る。次いで、中央ピラー５−４２０、及び、ピラーの上に堆積された材料のキャップが、ピラーの選択的なウェット・エッチによって除去され、キャップをリフト・オフすることが可能である。中央ピラーの除去は、下層にある表面プラズモン構造体５−４５０に自己整合されているサンプル・ウェルを残す。
【０２９４】
代替的なプロセスが、表面プラズモン構造体に自己整合されるサンプル・ウェルを形成するために使用され得、それは、図５−５Ａから図５−５Ｅに示されている。いくつかの実施形態によれば、１つ又は複数の導電層５−５１０、５−５２０は、図５−５Ａに示さ
れているように、任意の適切なリソグラフィー・プロセスを使用して、透明な誘電体層３−２３５の上にパターニングされ得る。いくつかの実施形態では、第１の層５−５１０は、アルミニウムからなることが可能であり、第２の層５−５２０は、窒化チタンからなることが可能であるが、さまざまな実施形態では、他の材料の組み合わせも使用され得る。１つ又は複数の層の合計厚さは、いくつかの実施形態によれば、サンプル・ウェルの所望の高さにおおよそ均等であることが可能である。パターニングは、サンプル・ウェル３−２１０と、１つ又は複数の金属層の中のサンプル・ウェルに隣接するボイド５−５２５とを形成することが可能である。ボイドは、所望の表面プラズモン構造体のパターンの中に配置され得る。
【０２９５】
いくつかの実施形態では、誘電体層３−２３５は、図５−５Ｂに示されているように、表面プラズモン構造体及びサンプル・ウェル３−２１０のパターンを誘電体層の中へ伝達するようにエッチングされ得る。誘電体の中へのエッチ深さは、いくつかの実施形態によれば、おおよそ２０ｎｍからおおよそ１５０ｎｍの間であることが可能である。レジスト５−４４０は、図５−５Ｃに示されているように、サンプル・ウェルを被覆するようにパターニングされ得る。レジストをパターニングするためのアライメントは、高度に正確である必要はなく、表面プラズモン構造体を形成するために使用されることとなる誘電体層３−２３５のエッチングされた隣接する領域を被覆することなく、サンプル・ウェルを被覆することだけを必要とする。
【０２９６】
図５−５Ｄに図示されているように、導電性材料５−５１２、又は、導体を含む材料の層が、任意の適切な堆積プロセスを使用して、領域の上に堆積させられ得る。材料５−５１２は、誘電体層のエッチングされた領域を充填することが可能であり、また、１つ又は複数の層５−５１０、５−５２０の上に延在することが可能である。次いで、レジスト５−４４０、及び、レジストを被覆する材料が、リフト・オフ・プロセスにしたがって除去され得る。図５−５Ｅに示されている、結果として生じる構造体は、取り囲む表面プラズモン構造体に自己整合されているサンプル・ウェルを残す。サンプル・ウェルは、ディボット３−２１６を含む。
【０２９７】
いくつかの実施形態では、図５−５Ａから図５−５Ｅに示されているプロセスは、ディボット３−２１６を有さないサンプル・ウェルを形成するために使用され得る。たとえば、レジスト５−４４０は、誘電体層３−２３５がエッチングされる前に、サンプル・ウェル３−２１０の上にパターニングされ得る。次いで、誘電体層３−２３５が、エッチングされ得、それは、表面プラズモン構造体のパターンを誘電体層に伝達することとなるが、ディボットは形成しない。次いで、プロセスは、図５−５Ｄ及び図５−５Ｅに図示されているように進行し、ディボットを有さない自己整合されたサンプル・ウェルを生成させることが可能である。
【０２９８】
Ｖ．Ｃ．  振幅／位相励起カップリング構造体
表面プラズモン構造体に加えて、又は、表面プラズモン構造体の代替として、他の構造体が、サンプル・ウェル３−２１０の付近にパターニングされ、サンプル・ウェルの中の励起エネルギーを増加させることが可能である。たとえば、いくつかの構造体は、入射励起場の位相及び／又は振幅を変更することが可能であり、サンプル・ウェルの中の励起エネルギーの強度を増加させるようになっている。図５−６Ａは、薄い損失性膜５−６１０を示しており、薄い損失性膜５−６１０は、入射励起放射線の位相及び振幅を変更するために、ならびに、サンプル・ウェルの中の電磁放射線の強度を増加させるために使用され得る。
【０２９９】
いくつかの実施形態によれば、薄い損失性膜は、励起放射線の強め合いの干渉を生成させ、サンプル・ウェルの励起領域の中の場の増強を結果として生じさせることが可能であ
る。図５−６Ｂは、サンプル・ウェルへ入射する励起放射線の数値シミュレーションを示しており、そこでは、薄い損失性膜５−６１０がサンプル・ウェルに直接隣接して形成されている。シミュレーションに関して、サンプル・ウェルは、おおよそ８０ｎｍの直径を有しており、また、おおよそ２００ｎｍの厚さの金の金属製の層の中に形成されている。サンプル・ウェルは、ＳＣＮからなり、サンプル・ウェルを通る励起放射線の伝播を抑制する。薄い損失性膜５−６１０は、おおよそ１０ｎｍの厚さであり、ゲルマニウムから形成されており、二酸化ケイ素からなる下層にある透明な誘電体を覆っている。薄い損失性膜は、サンプル・ウェルのエントランス・アパーチャを横切って延在している。シミュレーションは、励起放射線の強度がサンプル・ウェルのエントランス・アパーチャにおいて最高値であるということを示している。この明るい領域５−６２０の中の励起放射線の強度は、サンプル・ウェルの左及び右に対する強度の値の２倍より大きい。
【０３００】
薄い損失性膜は、任意の適切な材料から作製され得る。たとえば、薄い損失性膜は、屈折率ｎがその材料に関する吸光係数ｋとおおよそ同じ桁数となっている、材料から作製され得る。いくつかの実施形態では、薄い損失性膜は、屈折率ｎがその材料の吸光係数ｋの値から約２桁の差の中にある、材料から作製され得る。可視波長におけるそのような材料の非限定的な例は、ゲルマニウム及びシリコンである。
【０３０１】
薄い損失性膜は、任意の適切な厚さであることが可能であり、それは、１つ又は複数の励起供給源に関連付けられる、１つ又は複数の特性波長に依存することが可能である。いくつかの実施形態では、薄い損失性膜は、おおよそ１ｎｍからおおよそ４５ｎｍの間の厚さであることが可能である。他の実施形態では、薄い損失性膜は、おおよそ１５ｎｍからおおよそ４５ｎｍの間の厚さであることが可能である。さらなる他の実施形態では、薄い損失性膜は、おおよそ１ｎｍからおおよそ２０ｎｍの間の厚さであることが可能である。
【０３０２】
サンプル・ウェルがその中に形成されている材料３−２３０からの反射率に対する薄い損失性膜の影響、薄い損失性膜の中の励起エネルギー損失、及び、材料３−２３０の中の励起エネルギー損失が、図５−６Ｃのグラフに示されている。グラフの中にプロットされている１つの曲線は、反射率曲線５−６３４を表しており、また、薄い損失性膜の厚さが０ｎｍから１００ｎｍへ変化するにつれて、材料３−２３０及び薄い損失性膜５−６１０からの反射率がどのように変化するかということを示している。反射率は、シミュレートされた実施形態によれば、約２５ｎｍにおいて最小値に到達している。反射率最小は、励起エネルギーの特性波長、ならびに、薄い損失性膜及び材料３−２３０に関して使用される材料に応じて、異なる厚さで起こることとなる。いくつかの実施形態では、薄い損失性膜の厚さは、反射率がおおよそその最小値となるように選択される。
【０３０３】
いくつかの実施形態では、薄い損失性膜５−６１０は、図５−６Ｄに示されているように、サンプル・ウェル３−２１０及び材料３−２３０から間隔を置いて配置され得る。たとえば、薄い誘電体層５−６２０（たとえば、酸化ケイ素ＳｉＯｘ）が、薄い損失性膜の上に形成され得、また、サンプル・ウェル３−２１０は、誘電体層５−６２０に隣接して形成され得る。誘電体層５−６２０の厚さは、いくつかの実施形態によれば、おおよそ１０ｎｍからおおよそ１５０ｎｍの間であることが可能であるが、いくつかの実施形態では、他の厚さも使用され得る。
【０３０４】
単一の層として示されているが、薄い損失性膜は、２つ以上の材料の複数の層からなることが可能である。いくつかの実施形態では、薄い損失性膜５−６１０及び誘電体層５−６２０の交互層からなる多層スタックが、図５−６Ｅに示されているように、サンプル・ウェル３−２１０に隣接して形成され得る。層のスタックの中の薄い損失性膜５−６１０の厚さは、おおよそ５ｎｍからおおよそ１００ｎｍの間であることが可能であり、スタックの中の誘電体層５−６２０の厚さは、いくつかの実施形態によれば、おおよそ５ｎｍか
らおおよそ１００ｎｍの間であることが可能である。いくつかの実施形態では、多層スタックは、おおよそ２ｎｍからおおよそ８ｎｍの間の厚さを有する二酸化ケイ素の層、おおよそ５ｎｍからおおよそ２０ｎｍの間の厚さを有するシリコンの層、及び、おおよそ２ｎｍからおおよそ１２ｎｍの間の厚さを有するゲルマニウムの層からなることが可能であるが、他の実施形態では、他の厚さも使用され得る。いくつかの実施形態では、多層スタックは、二酸化ケイ素の層（おおよそ４．２ｎｍの厚さ）、シリコンの層（おおよそ１４．４ｎｍの厚さ）、及び、ゲルマニウムの層（おおよそ６．５ｎｍの厚さ）からなることが可能であるが、他の実施形態では、他の厚さも使用され得る。
【０３０５】
薄い損失性膜は、入射放射線に対して少なくともいくらかの損失を示す任意の適切な材料から製作され得る。いくつかの実施形態では、薄い損失性膜は、たとえばシリコン及びゲルマニウムなど、半導体材料からなることが可能であるが、他の材料も使用され得る（たとえば、ＳｉＧｅ、Ｇａ、Ｎ、Ｃ、ＧａＮ、ＩｎＰ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａｐなど）。いくつかの実施形態では、薄い損失性膜は、無機材料又は金属からなることが可能である。いくつかの実施形態では、薄い損失性膜は、合金又は化合物半導体からなることが可能である。たとえば、薄い損失性膜は、Ｓｉ（５７．４重量％）、Ｇｅ（２５．８重量％）、及びＳｉＯ２（１６．８重量％）を含む合金からなることが可能であるが、他の実施形態では、他の比率及び組成も使用され得る。
【０３０６】
いくつかの実施形態によれば、薄い損失性膜は、たとえば、物理的な堆積プロセス、化学蒸着プロセス、スピン・オン・プロセス、又は、それらの組み合わせなど、任意の適切なブランケット堆積プロセスを使用して、基板の上に形成され得る。いくつかの実施形態では、薄い損失性膜は、堆積の後に処置され、たとえば、焼かれ、アニーリングされ、及び／又は、イオン注入を受けることが可能である。
【０３０７】
他の位相／振幅を変更する構造体が、追加的に又は代替的に使用され、サンプル・ウェルの中の励起エネルギーを増強することが可能である。いくつかの実施形態によれば、及び、図５−７Ａに示されているように、反射スタック５−７０５は、サンプル・ウェル３−２１０から間隔を置いて配置され得る。いくつかの実施形態では、反射スタックは、交互の屈折率を有する材料の誘電体スタックからなることが可能である。たとえば、第１の誘電体層５−７１０は、第１の屈折率を有することが可能であり、第２の誘電体層５−７２０は、第１の屈折率とは異なる第２の屈折率を有することが可能である。反射スタック５−７０５は、いくつかの実施形態では、励起放射線に関して高い反射性を示すことが可能であり、また、サンプル・ウェルの中のエミッターからの放射エミッションに関して低い反射性を示すことが可能である。たとえば、反射スタック５−７０５は、励起放射線に関しておおよそ８０％よりも大きい反射性を示すことが可能であり、また、サンプルからのエミッションに関しておおよそ４０％よりも低い反射性を示すことが可能であるが、いくつかの実施形態では、他の反射性の値も使用され得る。励起エネルギーを送信する誘電体層５−７３０が、反射スタックとサンプル・ウェルとの間に位置付けされ得る。
【０３０８】
いくつかの実施形態によれば、図５−７Ａに示されている反射スタック５−７０５は、サンプル・ウェル３−２１０がその中に形成されている材料３−２３０とともに、共振器又は共鳴キャビティーを形成することが可能である。たとえば、反射スタックは、誘電材料５−７３０の中の励起放射線の波長の２分の１又はその整数倍におおよそ等しい距離だけ、材料３−２３０から間隔を置いて配置され得る。共振器を形成することによって、励起エネルギーは、反射スタックを通過し、共鳴し、材料３−２３０と反射スタック５−７０５との間のスペースの中で増大することが可能である。これは、サンプル・ウェル３−２１０の中の励起強度を増加させることが可能である。たとえば、強度は、いくつかの実施形態では２倍以上、いくつかの実施形態では５倍以上、さらに、いくつかの実施形態では１０倍以上、共鳴構造体の中で増加することが可能である。
【０３０９】
サンプル・ウェルにおいて形成される共鳴キャビティーは、いくつかの実施形態によれば、Ｇｉｒｅｓ−Ｔｏｕｒｎｏｉｓ共振器からなることが可能である。いくつかの実施形態では、共鳴構造体は、線形の共鳴キャビティー又はリング共振器からなることが可能である。いくつかの実施形態では、共鳴構造体は、サンプル・ウェルに隣接して形成される分布Ｂｒａｇｇ反射体からなることが可能である。分布Ｂｒａｇｇ反射体は、異なる屈折率を有する材料の交互層からなることが可能である。いくつかの実施形態では、共鳴キャビティーは、マイクロキャビティーからなることが可能である。マイクロキャビティーは、マイクロ・スケール寸法を有することが可能である。いくつかの態様では、マイクロキャビティーは、（共鳴キャビティーの屈折率ｎによって修正されるように）励起供給源の特性波長の２分の１又はその整数倍におおよそ等しいサイズを有することが可能である。たとえば、マイクロキャビティーの寸法は、Μλ／２ｎであることが可能であり、ここで、Ｍは整数である。
【０３１０】
追加的な構造体が、図５−７Ｂ及び図５−７Ｃに示されているように、サンプル・ウェルの付近に追加され得る。いくつかの実施形態によれば、誘電体層５−７３０の第２の屈折率よりも高い第１の屈折率を有する誘電体プラグ５−７４０が、図５−７Ｂに示されているように、サンプル・ウェル３−２１０に隣接して形成され得る。プラグは、サンプル・ウェルの直径におおよそ等しい直径を有するシリンダーの形状をしていることが可能であるが、他の形状及びサイズも使用され得る。そのより高い屈折率に起因して、誘電体プラグ５−７４０は、励起放射線を濃縮し、サンプル・ウェルに向けて励起放射線をガイドすることが可能である。
【０３１１】
プラグ５−７４０などのような誘電体構造体は、いくつかの実施形態によれば、反射スタック５−７０５の有無にかかわらず使用され得る。そのような誘電体構造体は、誘電体共鳴アンテナと称され得る。誘電体共鳴アンテナは、たとえば、円筒形状の、長方形、正方形、多角形、台形、又はピラミッド形など、任意の適切な形状を有することが可能である。
【０３１２】
図５−７Ｃ及び図５−７Ｄは、いくつかの実施形態によれば、サンプル・ウェル３−２１０の付近に形成され得るフォトニック・バンドギャップ（ＰＢＧ）構造体を示している。フォトニック・バンドギャップ構造体は、光学コントラスト構造体５−７５０の規則的なアレイ又は格子からなることが可能である。光学コントラスト構造体は、いくつかの実施形態によれば、取り囲む誘電材料の屈折率とは異なる屈折率を有する誘電材料からなることが可能である。いくつかの実施形態では、光学コントラスト構造体５−７５０は、取り囲む媒体とは異なる損失値を有することが可能である。いくつかの実施形態では、サンプル・ウェル３−２１０は、図５−７Ｄに示されているような格子の中の欠陥に位置付けされ得る。さまざまな実施形態によれば、フォトニック格子の中の欠陥は、欠陥の領域の中に光子を閉じ込めることが可能であり、それは、サンプル・ウェルにおける励起エネルギーの強度を増強させることが可能である。フォトニック・バンドギャップ構造体に起因する閉じ込めは、基板の表面の横断方向に実質的に２次元になっていることが可能である。反射スタック５−７０５と組み合わせられるときには、閉じ込めは、サンプル・ウェルにおいて３次元になっていることが可能である。いくつかの実施形態では、フォトニック・バンドギャップ構造体は、反射スタックなしで使用され得る。
【０３１３】
図５−６Ａから図５−７Ｄに示されている励起カップリング構造体を製作するためのさまざまな方法が考えられてきた。薄い平面的な膜（たとえば、交互の屈折率の誘電体膜）を必要とする構造体は、いくつかの実施形態によれば、平面的な堆積プロセスによって形成され得る。平面的な堆積プロセスは、物理的な堆積（たとえば、電子ビーム・エバポレーション又はスパッタリング）又は化学蒸着プロセスからなることが可能である。図５−
７Ｂに示されている誘電体共鳴アンテナ５−７４０、又は、図５−７Ｃに示されている光学コントラスト構造体５−７５０などのような、３次元の形状に形成された別個の埋め込まれている誘電体を必要とする構造体は、基板の中へパターンをエッチングするためにリソグラフィック・パターニング及びエッチング・プロセスを使用して、ならびに、たとえば、その後の誘電体層の堆積、及び、基板の平坦化を使用して、形成され得る。また、考えられるのは、サンプル・ウェル３−２１０の付近に誘電体共鳴アンテナ及びフォトニック・バンドギャップ構造体を形成するための自己アライメント・プロセッシング技法である。
【０３１４】
Ｖ．Ｄ．  振幅／位相励起カップリング構造体の製作
図５−８Ａから図５−８Ｇは、図５−７Ｃに図示されているようなフォトニック・バンドギャップ構造体及び自己整合されたサンプル・ウェルを形成するために使用され得る、単に１つの自己アライメント・プロセスに関するプロセス工程に関連付けられる構造体を示している。いくつかの実施形態によれば、反射スタック５−７０５が、最初に、図５−８Ａに図示されているように、誘電体層３−２３５の上の基板の上に形成され得る。次いで、第２の誘電体層５−７３０が、反射スタックの上に堆積させられ得る。誘電体層５−７３０の厚さは、材料の中の励起放射線の波長の約２分の１又はその整数倍におおよそ等しいことが可能である。次いで、図５−４Ａから図５−４Ｅに関連して説明されているプロセス工程が、誘電体層５−７３０の上のピラー５−４２０、及び、フォトニック・バンドギャップ構造体に関してエッチングされた特徴５−８１０のパターンを形成するために実施され得る。エッチングされた特徴は、誘電体層５−７３０の中へ、及び、随意的に、反射スタック５−７０５の中へ、延在することが可能である。結果として生じる構造体は、図５−８Ａに示されているように出現することが可能である。
【０３１５】
ピラー５−４２０を被覆するレジスト５−４４０が、基板から剥がされ得、また、コンフォーマルな堆積が、図５−８Ｂに示されているように行われ、エッチングされた特徴を充填材料５−８２０によって充填することが可能である。充填材料５−８２０は、いくつかの実施形態によれば、ピラー５−４２０を形成するために使用されるのと同じ材料であることが可能である。たとえば、充填材料５−８２０及びピラー５−４２０は、窒化ケイ素から形成され得、誘電体層５−７３０は、たとえばＳｉＯ２など、酸化物からなることが可能である。
【０３１６】
次いで、異方性エッチが、充填材料５−８２０をエッチ・バックするために実施され得る。充填材料は、いくつかの実施形態によれば、エッチ・バックされ、誘電体層５−７３０の表面を露出させ、図５−８Ｃに示されているような構造体を結果として生じさせることが可能である。エッチは、ピラー５−８３０を残すことが可能であり、ピラー５−８３０は、オリジナルのピラー５−４２０と、充填材料５−８２０から残る側壁部５−８２２とからなる。
【０３１７】
次いで、レジスト５−４４０が、図５−８Ｄに示されているように、基板の上にパターニングされ得る。たとえば、レジストが、基板の上にコーティングされ得、ホールが、レジストの中にパターニングされ得、レジストが、ピラー５−８３０の周りのレジストの中の領域を切り開くために現像され得る。ピラーに対するホールのアライメントは、高度に正確である必要はなく、誘電体層５−７３０の中に埋め込まれている下層にあるフォトニック・バンドギャップ構造体を露出させることなく、ピラー５−８３０を露出させることだけを必要とする。
【０３１８】
ピラー５−８３０が露出された後に、等方性エッチが、ピラーの横断方向の寸法を低減させるために使用され得る。いくつかの実施形態によれば、結果として生じるピラー形状は、図５−８Ｅに示されているように出現することが可能である。次いで、レジスト５−
４４０は、基板から剥がされ得、材料３−２３０、又は、材料の層が、領域の上に堆積させられ得る。いくつかの実施形態では、材料３−２３０は、ＣＭＰプロセスを使用してエッチ・バックされ、図５−８Ｆに示されているように領域を平坦化することが可能である。その後に、選択的なドライ・ウェット・エッチが、図５−８Ｇに図示されているように、残りのピラー構造体を除去するために使用され、サンプル・ウェル３−２１０を残すことが可能である。図面によって示されているように、サンプル・ウェル３−２１０は、誘電体層５−７３０の中にパターニングされているフォトニック・バンドギャップ構造体に自己整合されている。
【０３１９】
代替的なプロセスとして、充填材料５−８２０は、ピラー５−４２０を形成するために使用される材料とは異なる材料からなることが可能である。このプロセスでは、図５−８Ｄ及び図５−８Ｅに関連付けられる工程は、省略される可能性がある。図５−８Ｆに示されているように、材料３−２３０の堆積及び平坦化の後に、選択的エッチが行われ、ピラー５−４２０を除去することが可能である。これは、サンプル・ウェル３−２１０をライニングする充填材料５−８２０の側壁部を残すことが可能である。
【０３２０】
Ｖ．Ｅ．  非放射励起カップリング構造体及び製作
また、サンプル・ウェルの中のサンプルとの励起エネルギーの非放射カップリングに関する構造体が、本発明者によって考えられた。非放射カップリング構造体の単に１つの実施形態が、図５−９Ａに示されている。いくつかの実施形態によれば、非放射カップリング構造体は、サンプル・ウェル３−２１０に直接隣接して形成される半導体層５−９１０からなることが可能である。半導体層５−９１０は、いくつかの実施形態では、有機半導体であることが可能であり、又は、いくつかの実施形態では、無機半導体であることが可能である。いくつかの実施形態では、ディボット３−２１６は、半導体層の中に形成されてもよいし、又は形成されなくてもよい。半導体層５−９１０は、いくつかの実施形態によれば、おおよそ５ｎｍからおおよそ１００ｎｍの間の厚さを有することが可能であるが、いくつかの実施形態では、他の厚さも使用され得る。いくつかの実施形態によれば、励起供給源からの励起放射線又は光子５−９３０が、半導体層５−９１０に衝突し、エキシトン５−９２０を作り出すことが可能である。エキシトンは、サンプル・ウェルの表面まで拡散することが可能であり、そこで、それらは、非放射で再結合し、サンプル・ウェルの壁部に隣接するサンプルにエネルギーを伝達することが可能である。
【０３２１】
図５−９Ｂは、別の実施形態を示しており、その別の実施形態では、半導体層５−９１２が使用され、励起エネルギーからのエネルギーをサンプルに非放射で伝達することが可能である。いくつかの実施形態では、半導体層５−９１２は、図面に示されているように、サンプル・ウェルの底部に、又は、サンプル・ウェル３−２１０のディボットの中に形成され得る。半導体層５−９１２は、いくつかの実施形態によれば、サンプル・ウェルのベースにおいてアドヘレントを堆積させるためのプロセス工程に関連して本明細書で説明されているような指向性堆積プロセスを使用することによって、サンプル・ウェルの中に形成され得る。半導体層５−９１２は、いくつかの実施形態によれば、おおよそ５ｎｍからおおよそ１００ｎｍの間の厚さを有することが可能であるが、他の実施形態では、他の厚さも使用され得る。入射放射線が、半導体層の中にエキシトンを発生させることが可能であり、それは、次いで、サンプル・ウェル３−２１０の底部表面へ拡散することが可能である。次いで、エキシトンは、サンプル・ウェルの中のサンプルにエネルギーを非放射で伝達することが可能である。
【０３２２】
また、励起エネルギーをサンプルに伝達するための複数の非放射経路が、本発明者によって考えられた。いくつかの実施形態によれば、及び、図５−９Ｃに示されているように、エネルギー伝達粒子５−９４０が、サンプル・ウェルの中に堆積させられ得る。エネルギー伝達粒子は、いくつかの実施形態では、量子ドットからなることが可能であり、又は
、いくつかの実施形態では、分子からなることが可能である。いくつかの実施形態では、エネルギー伝達粒子５−９４０は、リンキング分子を通して、サンプル・ウェルの表面に官能基化され得る。薄い半導体層５−９１０が、サンプル・ウェルに隣接して、又は、サンプル・ウェルの中に形成され得、エキシトンは、図面に示されているように、半導体層へ入射する励起放射線から半導体層の中に発生させられ得る。エキシトンは、サンプル・ウェルの表面へ拡散し、エネルギー伝達粒子５−９４０にエネルギーを非放射で伝達することが可能である。次いで、エネルギー伝達粒子５−９４０は、サンプル・ウェルの中のサンプル３−１０１にエネルギーを非放射で伝達することが可能である。
【０３２３】
いくつかの実施形態によれば、サンプル・ウェルの中に２つ以上のエネルギー伝達粒子５−９４０が存在することが可能である。たとえば、エネルギー伝達粒子５−９４２の層が、図５−９Ｃに示されているサンプル・ウェルなどのような、サンプル・ウェルの中に堆積させられ得る。
【０３２４】
図５−９Ｄは、電気的に励起される半導体層４−５１０に隣接するサンプル・ウェルのベースに堆積されたエネルギー伝達粒子５−９４２の層を図示している。半導体層４−５１０の中に発生させられるエキシトンは、エネルギー伝達粒子５−９４２にエネルギーを非放射で伝達することが可能であり、そして、エネルギー伝達粒子５−９４２は、ウェルの中のサンプル３−１０１にエネルギーを非放射で伝達することが可能である。図５−９Ｄに示されている構造体は、図４−５Ａに関連して本明細書で説明されている。
【０３２５】
いくつかの実施形態では、エネルギー伝達粒子５−９４２、又は、単一のエネルギー伝達粒子５−９４０は、図５−９Ｅに示されているように、サンプル・ウェルのベースに堆積させられ得る。１つ又は複数のエネルギー伝達粒子は、ウェルの中のサンプル３−１０１に励起エネルギーを放射で又は非放射で伝達することが可能である。たとえば、エネルギー伝達粒子は、入射放射線を吸収し、エネルギー伝達粒子の励起状態を形成し、次いで、サンプル３−１０１にエネルギーを放射で又は非放射で伝達することが可能である。
【０３２６】
いくつかの実施形態では、エネルギー伝達粒子は、入射励起エネルギーを吸収し、次いで、吸収された励起エネルギーの波長とは異なる波長で、放射エネルギーを再放出することが可能である。次いで、再放出されたエネルギーは、サンプル・ウェルの中のサンプルを励起するために使用され得る。図５−９Ｆは、ダウン・コンバートするエネルギー伝達粒子に関連付けられるスペクトル・グラフを表している。いくつかの実施形態によれば、ダウン・コンバートするエネルギー伝達粒子は、量子ドットからなり、量子ドットは、短波長放射線（より高いエネルギー）を吸収し、１つ又は複数のより長い波長放射線（より低いエネルギー）を放出することが可能である。例示的な吸収曲線５−９５２が、６ｎｍから７ｎｍの間の半径を有する量子ドットに関して、点線としてグラフの中に示されている。量子ドットは、曲線５−９５４によって図示されている放射線の第１のバンド、曲線５−９５６によって図示されている放射線の第２のバンド、及び、曲線５−９５８によって図示されている放射線の第３のバンドを放出することが可能である。
【０３２７】
いくつかの実施形態では、エネルギー伝達粒子は、励起供給源からのエネルギーをアップ・コンバートすることが可能である。図５−９Ｇは、エネルギー伝達粒子からのアップ・コンバートに関連付けられるスペクトルを示している。いくつかの実施形態によれば、量子ドットは、おおよそ９８０ｎｍにおいて放射線によって励起され、次いで、グラフの中に図示されているような３つのスペクトル・バンドのうちの１つの中へ再放出することが可能である。第１のバンドは、おおよそ４８３ｎｍに中心を合わせられ得、第２のバンドは、おおよそ５３８ｎｍに中心を合わせられ得、第３のバンドは、おおよそ６４２ｎｍに中心を合わせられ得る。量子ドットから再放出される光子は、量子ドットを励起するために使用される放射線の光子よりも高エネルギーである。したがって、励起供給源からの
エネルギーは、アップ・コンバートされる。放出されるスペクトル・バンドのうちの１つ又は複数は、サンプル・ウェルの中の１つ又は複数のサンプルを励起するために使用され得る。
【０３２８】
励起カップリング構造体の先述の実施形態のうちの任意の１つ又は複数が、集積デバイスの実施形態の中に含まれ得る。
ＶＩ．  エミッション・カップリング
１つ又は複数のエミッション・カップリング・コンポーネントが、サンプル・ウェルとピクセルの中の対応するセンサーとの間に形成され、センサーによるサンプル・ウェルからのエミッション・エネルギーの収集を改善することが可能である。エミッション・カップリング・コンポーネントは、たとえば、サンプルを分析する目的のために、タグの検出を改善するために、背景信号に対するエミッション・エネルギー信号の信号対雑音比を改善することが可能である。いくつかの実施形態によれば、エミッション・カップリング・コンポーネントは、異なる特性波長のエミッション・エネルギーを空間的に方向付けるように、及び／又は、空間的に分離するように、構造化され得る。
【０３２９】
いくつかの実施形態では、エミッション・カップリング・コンポーネントは、サンプル・ウェルからの励起エネルギーを、ピクセルの中の１つ又は複数のセンサー・セグメントへ方向付けすることが可能である。いくつかの実施形態では、サンプル・ウェルに対するエミッション・カップリング構造体の場所は、サンプル・ウェルからのエミッション・エネルギーを特定の方式で１つ又は複数のセンサー・セグメントに向けて方向付けするように選択される。たとえば、エミッション・カップリング構造体は、エミッション・エネルギーを、放射線分布パターンの中へ方向付けするように構成され得、放射線分布パターンは、タグによって放出される特性波長に依存する形状を有している。センサーは、異なる空間的な分布パターンを判別するように、及び、異なるパターンの間を見分けるために分析され得る信号を作り出すように構成され得る。したがって、それぞれが異なるスペクトル・バンドの中で放出する複数の異なるタグは、それらのそれぞれの放射線パターンによって区別可能であり得、それらのそれぞれの放射線パターンは、エミッションが、サンプル・ウェルに隣接して形成されるエミッション・カップリング構造体にカップリングするときに、及び、エミッション・カップリング構造体によって影響を及ぼされるときに形成する。フィルターなどのような他のコンポーネントが、ピクセルの中に含まれ得、また、背景放射線（たとえば、サンプルからのエミッションに関連付けられない励起エネルギー及び他のエネルギー）を低減させることが可能である。
【０３３０】
ＶＩ．Ａ．  表面光学
エミッション・カップリング・コンポーネント又は構造体は、ピクセルの中に形成され得、サンプル・ウェルの近くに（たとえば、いくつかの実施形態では、サンプル・ウェルから約５ミクロン以内に）位置付けされ得る。これらのエミッション・カップリング・コンポーネントは、「表面光学」と称され得、表面プラズモンをサポートすることが可能である。さまざまな実施形態では、エミッション・カップリング・コンポーネントは、サンプル・ウェルの中のサンプルからのエミッションにカップリングするように、及び、そのエミッションに影響を及ぼし又は変更するように構成され得る。いくつかの実施形態では、表面光学的な構造体が、集積デバイスのピクセルの中の２つの層の間の界面において形成され得る。たとえば、いくつかのエミッション・カップリング・コンポーネントは、サンプル・ウェルのエントランス・アパーチャ端部において、サンプル・ウェルがその中に形成されている層と隣接する層との間の界面において形成され得る。いくつかの場合には、サンプル・ウェルに隣接する層は、誘電体層であるが、他の材料（たとえば、損失性膜、半導体、透明な導体）が、隣接する層に関して使用され得る。
【０３３１】
表面エネルギー・カップリング・エレメントは、表面光学的な構造体であることが可能
であり、表面光学的な構造体は、サンプル・ウェルからの放射エミッションによって励起され、サンプル・ウェルからの放射エミッションと相互作用する。表面光学的な構造体は、異なる特性波長のエミッション・エネルギーに関して、異なる空間的な放射線パターンを形成するように構成され得る。
【０３３２】
グレーチング周期、特徴サイズ、又は、サンプル・ウェルからの距離などのような、表面光学的な構造体の特性寸法は、エミッション・エネルギー運動量ベクトルの平行な成分を、表面プラズモンに関する表面波運動量ベクトルの中へ最大限にカップリングするために選択され得る。たとえば、エミッション・エネルギー運動量ベクトルの平行な成分は、いくつかの実施形態によれば、表面プラズモン構造体によって支持される表面波運動量ベクトルにマッチさせられ得る。いくつかの実施形態では、サンプル・ウェルから表面光学的な構造体の縁部又は特性特徴への距離ｄは、たとえば、表面に対して垂直であるか、又は表面に対して垂直方向から角度θだけ傾けられているなど、選択された方向に、サンプル・ウェルからのエミッション・エネルギーを方向付けするように選択され得る。たとえば、距離ｄは、表面に対して垂直にエミッションを方向付けするために、表面プラズモン波長の整数であることが可能である。いくつかの実施形態では、距離ｄは、表面に対して垂直方向から角度θにエミッションを方向付けするために、分数の表面プラズモン波長又はその波長モジュロとなるように選択され得る。
【０３３３】
動作時には、エミッション・カップリング・コンポーネント及びサンプル・ウェルは、サンプル・ウェルから、サンプル・ウェルを含有するピクセルの中の１つ又は複数のセンサー・セグメントに向けて放射されるエミッション・エネルギーの量を増加させるように構成され得る。エミッション・カップリング・コンポーネントがなければ、励起されるサンプルは、サンプル・ウェルがその中に形成されている層の存在に主に起因して、ハーフ・シェル又はＬａｍｂｅｒｔｉａｎ分布で放射線を放出することが可能である。サンプル・ウェルがエミッション・エネルギーの伝播を可能にする場合には、いくらかのエミッションが、バルク試料の中へ入ることが可能である。たとえば、サンプル・ウェルがＺＭＷからなる場合には、エミッションは、センサーの方向におおよそＬａｍｂｅｒｔｉａｎであることが可能である。サンプル・ウェルにおけるエミッション・カップリング・コンポーネントの追加は、分布とは著しく異なり得る高度に異方性のエミッション分布を生成させることが可能であり、分布パターンは、エミッション波長に依存する可能性がある。
【０３３４】
いくつかの実施形態によれば、エミッション・カップリング構造体は、サンプル・ウェルからの放射エミッション・エネルギーを、第１の方向に及び／又は第１の特性空間的なパターンで、第１の特性波長でカップリングすることが可能である。カップリングされたエネルギーは、たとえば、狭くなった異方性放射線パターンで、第１の方向に方向付けされ得る。いくつかの実施形態では、エミッション・カップリング構造体は、同じサンプル・ウェルからの放射エミッション・エネルギーを、第１の方向及び／又は第１の特性空間的なパターンとは異なる、第２の方向及び／又は第２の特性空間的なパターンで、第２の特性波長でさらにカップリングすることが可能である。また、第２のエミッションは、狭くなった異方性放射線パターンで方向付けされ得る。いくつかの実施形態では、第１の特性波長を備える放射線が、表面光学的な構造体が形成されている表面に対して垂直の狭くなったローブの中に方向付けされており、第２の特性波長の放射線は、表面に対して垂直方向からある角度で、環状のローブの中に方向付けされている。他の空間的な分布パターンは、同じエミッション・カップリング構造体に関して、他の特性波長で作り出され得る。
【０３３５】
エミッション・カップリング構造体の非限定的な例は、図６−１Ａに示されているように、同心円状のグレーチングである。いくつかの実施形態によれば、同心円状のグレーチング構造体は、集積デバイスのピクセルの中に形成され、ピクセルの中の１つ又は複数の
センサー・セグメントに向けてエミッション・エネルギーを方向付けするように構成され得る。同心円状のグレーチングは、サンプル・ウェルの周りに形成されたブルズ・アイ・パターンで配置されている環状のリング又は突出部からなることが可能である。同心円状のグレーチング構造体は、サンプル・ウェルからのエミッションとカップリングし、サンプル・ウェルから外へのエミッション・エネルギーの伝播、及び、ピクセルの中の１つ又は複数のセンサー・セグメントにおけるエミッション・エネルギーの濃度を改善することが可能である。
【０３３６】
同心円状の円形のグレーチング６−１０２エミッション・カップリング構造体の例が、図６−１Ａに示されている。円形のグレーチングは、任意の適切な数のリングからなることが可能であり、図６−１Ａに示されているリングの数は、非限定的な例である。円形のグレーチングは、導電性膜の表面から突出するリングからなることが可能である。たとえば、円形のグレーチングは、サンプル・ウェル層とサンプル・ウェル層の下に形成された誘電体層のインターフェースに形成され得る。サンプル・ウェル層は、導電性材料であることが可能であり、同心円状のグレーチングは、導電性材料と誘電体との間の界面においてグレーチング構造体をパターニングすることによって形成され得る。円形のグレーチングのリングは、規則的な周期的なスペーシングとなっていることが可能であり、又は、リング同士の間に非規則的な又は非周期的なスペーシングを有することが可能である。サンプル・ウェルは、円形のグレーチングの中心に位置付けされ、又は、円形のグレーチングの中心の近くに位置付けされ得る。いくつかの実施形態では、サンプル・ウェルは、円形のグレーチングの中心から外れて位置付けされ得、また、グレーチングの中心から特定の距離に位置決めされ得る。
【０３３７】
いくつかの実施形態では、グレーチング・タイプ・エミッション・カップリング・コンポーネントは、スパイラル・グレーチングからなることが可能である。スパイラル・グレーチング６−２０２の例が、図６−１Ｂに示されている。スパイラル・グレーチング６−２０２は、いくつかの実施形態では、導電性膜の中のスパイラル・アパーチャからなることが可能であり、又は、いくつかの実施形態によれば、導電層の上に形成されたスパイラル突出部からなることが可能である。スパイラル・グレーチングの任意の適切な寸法が、スパイラル・グレーチングを形成するために使用され得る。
【０３３８】
サンプル・ウェルに隣接して形成されている、図６−１Ａ又は図６−１Ｂに示されているものなどのようなグレーチング構造体が、サンプル・ウェルを起源とするエミッションに関して、異なる空間的な分布パターンを作り出すことが可能である。グレーチングの影響に起因して形成し得る、可能性のある空間的な分布パターンの例が、図６−２Ａから図６−２Ｄに示されている。たとえば、集積デバイスの層６−３０６は、サンプル・ウェルの下に位置決めされている同心円状のグレーチング構造体６−３０２を備えるサンプル・ウェルを含有することが可能である。第１の特性波長を有するエミッション・エネルギーが、サンプル・ウェルの中のサンプルによって放出されるときには、エミッション・エネルギーは、同心円状のグレーチングとカップリングし、図６−２Ａに図示されている第１の空間的な分布パターン６−３０４を形成する。追加的に、第２の特性波長を有するエミッション・エネルギーが、サンプル・ウェルの中のサンプルによって放出されるときには、図６−２Ｂに示されている分布パターン６−４０４などのような、第２の分布パターンが形成することが可能である。同様に、図６−２Ｃは、第３の特性波長を有するエミッション・エネルギーに関する第３の空間的な分布パターン６−５０４を図示しており、図６−２Ｄは、第４の特性波長を有する第４の空間的な分布パターン６−６０４を図示している。異なる空間的な分布パターンが、ピクセルの中の空間的に分離されているセンサー・セグメントによって検出され、第１、第２、第３、及び第４の特性波長の間を見分けることが可能である。
【０３３９】
表面光学又は表面プラズモン構造体の別の例は、ナノ・アンテナ構造体であり、その例が、図６−３Ａに示されている。ナノ・アンテナ構造体は、異なる特性波長のエミッション・エネルギーを空間的に方向付けるように、及び／又は、空間的に分離するように、構造化され得る。いくつかの実施形態では、サンプル・ウェルに対するナノ・アンテナ構造体の場所が、サンプル・ウェルからのエミッション・エネルギーを特定の方式で１つ又は複数のセンサー・セグメントに向けて方向付けするように選択される。ナノ・アンテナは、ナノ・スケール双極子アンテナ構造体からなることが可能であり、ナノ・スケール双極子アンテナ構造体は、エミッション・エネルギーによって励起されるときに、指向性の放射線パターンを作り出すように構造化されている。ナノ・アンテナは、サンプル・ウェルの周りに分散され得る。指向性の放射線パターンが、アンテナの電磁界の総和から結果として生じ得る。いくつかの実施形態では、指向性の放射線パターンが、電磁界がサンプルから直接的に放出される状態で、アンテナの電磁界の総和から結果として生じ得る。いくつかの実施形態では、サンプルから直接的に放出される電磁界は、ナノ・アンテナ構造体に関連付けられる表面プラズモン波によって媒介され得る。
【０３４０】
ナノ・アンテナ構造体を形成する個々のナノ・アンテナの寸法は、全体的なナノ・アンテナ構造体の組み合わせられた能力が１つ又は複数のエミッション・エネルギーの特定の分布パターンを作り出すように選択され得る。たとえば、個々のナノ・アンテナの直径は、ナノ・アンテナ構造体の中で変化することが可能である。しかし、いくつかの場合には、直径は、ナノ・アンテナのセットの中で同じであることが可能である。他の実施形態では、数個の選択された直径が、全体的なナノ・アンテナ構造体の全体を通して使用され得る。いくつかのナノ・アンテナは、半径Ｒの円形の上に分散され得、いくつかは、円形から半径方向にシフトされ得る。いくつかのナノ・アンテナは、半径Ｒの円形の周りに等しく間隔を置いて配置され得（たとえば、均等な極角インクレメントに中心を合わせられている）、いくつかは、円形の周りの等しいスペーシングからシフトされ得る。いくつかの実施形態では、ナノ・アンテナは、サンプル・ウェルの周りにスパイラル構成で配置され得る。追加的に又は代替的に、サンプル・ウェルの周りのマトリックス・アレイ、十字形分布、及び星形分布などのような、ナノ・アンテナの他の構成が可能である。個々のナノ・アンテナは、正方形、長方形、十字形、三角形、ちょうネクタイ、環状のリング、五角形、六角形、多角形などのような、円形以外の形状であることが可能である。いくつかの実施形態では、アパーチャ又はディスクの周囲は、たとえば、（Ν／２）λなど、おおよそ分数波長の整数の倍数であることが可能である。
【０３４１】
ナノ・アンテナ・アレイは、サンプルからのエミッション・エネルギーを濃縮された放射線ローブの中へ方向付けすることが可能であり、放射線ローブは、エミッション・エネルギーの特性波長に依存する空間的なパターンを有している。サンプルがエネルギーを放出するときには、サンプル・ウェルからサンプル・ウェルの周りに分散されたナノ・アンテナへ伝播する表面プラズモンを励起することが可能である。次いで、表面プラズモンは、ナノ・アンテナにおける放射線モード又は双極子エミッターを励起することが可能であり、それは、サンプル・ウェル層の表面に対して垂直な放射線を放出する。ナノ・アンテナにおいて励起されるモード又は双極子の位相は、サンプル・ウェルからのナノ・アンテナの距離に依存することとなる。サンプル・ウェルと個々のナノ・アンテナとの間の距離を選択することは、ナノ・アンテナから放出される放射線の位相を制御する。ナノ・アンテナにおいて励起される空間的な放射線モードは、ナノ・アンテナの幾何学形状及び／又はサイズに依存することとなる。個々のナノ・アンテナのサイズ及び／又は幾何学形状を選択することは、ナノ・アンテナから放出される空間的な放射線モードを制御する。アレイの中のすべてのナノ・アンテナ、及び、いくつかの場合にはサンプル・ウェルからの寄与が、放射線パターンを形成する１つ又は複数の全体的な放射線ローブを決定することが可能である。理解され得るように、位相及び個々のナノ・アンテナから放出される空間的な放射線モードは、波長に依存することが可能であり、放射線パターンを形成する１つ又
は複数の全体的な放射線ローブが、波長に依存することとなるようになっている。電磁界の数値シミュレーションが用いられ、異なる特性波長のエミッション・エネルギーに関する全体的な放射線ローブ・パターンを決定することが可能である。
【０３４２】
ナノ・アンテナは、導電性膜の中のホール又はアパーチャのアレイからなることが可能である。たとえば、ナノ・アンテナ構造体は、導電性サンプル・ウェル層と下層にある誘電体層との間の界面において形成され得る。ホールは、中心点を取り囲む同心円状の円形の中に分散されたホールのセットからなることが可能である。いくつかの実施形態では、サンプル・ウェルは、アレイの中心点に位置付けされているが、他の実施形態では、サンプル・ウェルは中心から外れていてもよい。それぞれの円形に分散されたホールのセットは、円形分布の周りに最小から最大へ配置されている異なる直径の収集からなることが可能である。ホール直径は、セット同士の間で異なることが可能であり（たとえば、１つのセットの中の最小ホールは、別のセットの中の最小ホールよりも大きいことが可能である）、最小ホールの場所は、円形のそれぞれのセットに関して、異なる極角で配向され得る。いくつかの実施形態では、円形に分散されたホールの１つから７つのセットが、ナノ・アンテナの中に存在することが可能である。他の実施形態では、７つよりも多いセットが存在することが可能である。いくつかの実施形態では、ホールは、円形でなくてもよく、任意の適切な形状であることが可能である。たとえば、ホールは、楕円、三角形、矩形などであることが可能である。他の実施形態では、ホールの分布は、円形でなくてもよく、スパイラル形状を生成させることが可能である。
【０３４３】
図６−３Ａ及び６−３Ｂは、導電層の中のホール又はアパーチャからなる例示的なナノ・アンテナ構造体を図示している。図６−３Ａは、ホール６−１２２によって取り囲まれたサンプル・ウェル６−１０８を備える集積デバイスの表面の上部平面図を示している。ナノ・アンテナ・ホールは、おおよそ半径Ｒの円形の周りに分散されている。この非限定的な例では、ホール直径は、ホールの円形の周囲の周りでインクレメンタルに増加することによって変化している。図６−３Ｂは、線Ｂ−Ｂに沿って、図６−３Ａに示されているナノ・アンテナの概略立面図を示している。サンプル・ウェル層６−１１６は、導体からなることが可能であり、また、ナノ・アンテナ構造体の一部であるサンプル・ウェル６−１０８及びアパーチャ６−１２２を含むことが可能である。隣接する層６−１１８は、誘電材料及び／又は光学的に透明な材料であることが可能である。
【０３４４】
いくつかの実施形態では、ナノ・アンテナ構造体は、複数のディスクからなることが可能である。ナノ・アンテナ構造体のディスクは、導電性材料の表面から突出する導電性ディスクとして形成され得る。導電性材料は、いくつかの実施形態によれば、光学的に透明な材料に隣接していることが可能である。いくつかの実施形態では、ナノ・アンテナは、サンプル・ウェルの周りに分散され得る。いくつかの場合には、ナノ・アンテナは、サンプル・ウェルの周りに分散され得、それらの中心は、おおよそ半径Ｒの円形にある。ナノ・アンテナ・アレイは、サンプル・ウェルの周りで、おおよそ追加的な異なる半径の円形の上に分散されたナノ・アンテナの複数のセットからなることが可能である。
【０３４５】
図６−３Ｃ及び図６−３Ｄは、導電層から突出するディスクからなるナノ・アンテナ構造体の例示的な実施形態を図示している。図６−３Ｃは、ディスク６−２２４によって取り囲まれているサンプル・ウェル６−２０８を備える集積デバイスの表面の上部平面概略図を示している。ナノ・アンテナディスクは、おおよそ半径Ｒの円形の周りに分散されている。この非限定的な例では、２つの直径が、ディスクに関して使用され、ディスクは、ナノ・アンテナの円形の周囲の周りで、これらの２つの直径の間で交互になる。図６−３Ｄは、線Ｄ−Ｄに沿って、図６−３Ｃに示されているナノ・アンテナの概略立面図を示している。サンプル・ウェル層６−２１６は、導体からなることが可能であり、また、ナノ・アンテナ構造体の一部であるサンプル・ウェル６−２０８及びディスク６−２２４を含
むことが可能である。ディスク６−２２４は、特定の距離だけサンプル・ウェル層６−２１６から突出している。いくつかの実施形態では、ディスクがサンプル・ウェル層から延在する距離は、ナノ・アンテナ構造体の中で変化することが可能である。隣接する層６−２１８は、誘電材料及び／又は光学的に透明な材料からなることが可能である。サンプル・ウェル層６−２１６及び突出するディスクは、導電性材料であることが可能である。
【０３４６】
ナノ・アンテナ構造体を形成するホール及び／又はディスクは、任意の適切なパターン又は分布であることが可能であり、サンプル・ウェルからのエミッション・エネルギーが、ナノ・アンテナ構造体のナノ・アンテナのうちの１つ又は複数とカップリングするようになっている。ナノ・アンテナ構造体の別の例が、図６−４Ａに図示されており、それは、スパイラル・パターンを表しており、ナノ・アンテナが、スパイラル・パターンで形成され得る。サンプル・ウェルは、ナノ・アンテナ構造体６−３１２に対して、位置６−３０８において、サンプル・ウェル層の中に位置付けされ得る。エミッション・エネルギーがサンプル・ウェルから放出されるときに、表面プラズモンが、ナノ・アンテナ構造体の領域の中に形成され得る。図６−４Ｂは、いくつかの実施形態による、ナノ・アンテナ構造体の付近における表面プラズモンの数値シミュレーションからの結果を図示している。また、結果は、ナノ・アンテナのアパーチャによる電磁界強度を示している。ピクセルの中にナノ・アンテナ構造体を形成するナノ・アンテナの他の例示的なパターン及び分布が、図６−４Ｃから図６−４Ｅに示されている。
【０３４７】
ナノ・アンテナ構造体は、異なる特性波長におけるエミッションを区別するために使用され得る。ナノ・アンテナ・アパーチャ構造体は、放射線ローブを作り出すことが可能であり、放射線ローブは、異なる特性波長のエミッション・エネルギーに関して、サンプル・ウェルから異なる方向に延在している。放射線ローブは、エミッション・エネルギーの特性波長に応じて異なる空間的な分布パターンを形成している。サンプル・ウェルの下に位置決めされているナノ・アンテナ構造体を有する結果として形成する、可能性のある空間的な分布パターンの例が、図６−５Ａから図６−５Ｄに示されている。たとえば、ピクセルの中の層６−９０６は、サンプル・ウェルを含有することが可能であり、ナノアパーチャ構造体６−９０２が、サンプル・ウェルに隣接して位置決めされている。第１の特性波長を有するエミッション・エネルギーが、サンプル・ウェルの中のサンプルによって放出されるときには、エミッション・エネルギーは、ナノ・アンテナ構造体の中のナノ・アンテナとカップリングし、それは、図６−５Ａに図示されている第１の空間的な分布パターン６−９０４の中へエミッション・エネルギーを方向付けする。追加的に、第２の特性波長を有するエミッション・エネルギーが、サンプル・ウェルの中のサンプルによって放出されるときには、図６−５Ｂに示されている分布パターン６−１００４などのような、第２の分布パターンが形成することが可能である。同様に、図６−５Ｃは、第３の特性波長を有するエミッション・エネルギーに関する第３の空間的な分布パターン６−１１０４を図示しており、図６−５Ｄは、第４の特性波長を有する第４の空間的な分布パターン６−１２０４を図示している。異なる空間的な分布パターンは、ピクセルの中の空間的に分離されているセンサーによって検出され、第１、第２、第３、及び第４の特性波長の間を見分けることが可能である。
【０３４８】
ＶＩ．Ｂ．  遠視野光学
サンプル・ウェルの中のサンプルから放出されるエミッション・エネルギーは、さまざまな方式で、ピクセルのセンサーに送信され得、そのいくつかの例が、詳細に下記に説明されている。いくつかの実施形態は、光学コンポーネント及び／又はプラズモニック・コンポーネントを使用し、特定の波長の光がセンサーの１つ又は複数のセグメントへ方向付けされる可能性を増加させることが可能である。センサーは、異なる波長のエミッション・エネルギーを同時に検出するための複数のセグメントを含むことが可能である。
【０３４９】
図６−６Ａは、いくつかの実施形態による集積デバイスの単一のピクセルの概略ダイアグラムであり、そこでは、いくつかの実施形態によれば、少なくとも１つのソーティング・エレメントが使用され、特定の波長のエミッション・エネルギーをそれぞれのセンサー・セグメントに方向付けする。導電性材料６−６０３の中に形成されているサンプル・ウェル６−６０１が、サンプルを受け入れており、エミッション・エネルギー６−６０４を放出することが可能である。明確化のために、サンプル・ウェルにおける任意の光学コンポーネント及びプラズモニック・コンポーネントの詳細は示されていない。エミッション・エネルギー６−６０４は、それがソーティング・エレメント６−６０７に到達するまで、誘電材料６−６０５を通って進む。ソーティング・エレメント６−６０７は、エミッション・エネルギー６−６０４の波長を空間的な自由度にカップリングし、それによって、その構成波長コンポーネントへとエミッション・エネルギーを分離し、それは、ソーティングされたエミッション・エネルギーと称される。図６−６Ｂは、エミッション・エネルギー６−６０４が、誘電材料６−６０９を通って４つのソーティングされたエミッション・エネルギー経路へとスプリットされており、４つの経路のそれぞれが、ピクセルのサブ・センサー６−６１１から６−６１４に関連付けられているということを概略的に図示している。このように、それぞれのセンサー・セグメントが、スペクトルの異なる部分に関連付けられ、集積デバイスのそれぞれのピクセルに関してスペクトロメーターを形成することが可能である。
【０３５０】
任意の適切なソーティング・エレメント６−６０７が、エミッション・エネルギーの異なる波長を分離するために使用され得る。実施形態は、光学エレメント又はプラズモニック・エレメントを使用することが可能である。光学的なソーティング・エレメントの例は、それに限定されないが、ホログラフィック・グレーチング、位相マスク・グレーチング、振幅マスク・グレーチング、周波数選択性表面、回折光学素子、及び、オフセットされたフレネル・レンズを含む。プラズモニック・ソーティング・エレメントの例は、それに限定されないが、フェーズド・ナノ・アンテナ・アレイ及びプラズモニック準結晶を含む。
【０３５１】
図６−６Ｂは、いくつかの実施形態による集積デバイスの単一のピクセルの概略ダイアグラムであり、そこでは、少なくとも１つのフィルタリング・エレメントが使用され、特定の波長のエミッション・エネルギーそれぞれのサブ・センサーに方向付けし、他の波長のエミッション・エネルギーがサブ・センサーに到達することを防止する。図６−６Ｂのコンポーネントが図６−６Ａのコンポーネントと同様である場合には、同じ参照番号が使用されている。導電性材料６−６０３の中に形成されているサンプル・ウェル６−６０１が、サンプルを受け入れており、エミッション・エネルギー６−６０４を放出することが可能である。明確化のために、サンプル・ウェルにおける任意の光学コンポーネント及びプラズモニック・コンポーネントの詳細は示されていない。エミッション・エネルギー６−６０４は、それがフィルタリング・エレメント６−６２１から６−６２４のうちの１つに到達するまで、誘電材料６−６０５を通って進む。フィルタリング・エレメント６−６２１から６−６２４は、センサー６−６１１から６−６１４の特定のセグメントにそれぞれ関連付けられ得、また、フィルタリング・エレメント６−６２１から６−６２４は、エミッション・エネルギーを吸収することによって（図６−６Ｂには図示されていない）、及び／又は、エミッション・エネルギーを反射することによって、それぞれの波長のエミッション・エネルギーを送信するように、及び、他の波長のエミッション・エネルギーを拒絶するように、それぞれ構成されている。それぞれのフィルタリング・エレメントを通過した後に、フィルタリングされたエミッション・エネルギーは、誘電材料６−６０９を通って進み、ピクセルの対応するサブ・センサー６−６１１から６−６１４に衝突する。このように、それぞれのサブ・センサーは、スペクトルの異なる部分に関連付けられ、集積デバイスのそれぞれのピクセルに関するスペクトロメーターを形成している。
【０３５２】
任意の適切なフィルタリング・エレメントが、エミッション・エネルギーの異なる波長を分離するために使用され得る。実施形態は、光学的なフィルタリング・エレメント又はプラズモニック・フィルタリング・エレメントを使用することが可能である。光学的なソーティング・エレメントの例は、それに限定されないが、反射性多層誘電体フィルター又は吸収性フィルターを含む。プラズモニック・ソーティング・エレメントの例は、それに限定されないが、特定の波長にエネルギーを送信するように構造化された周波数選択性表面、及び、フォトニック・バンド−ギャップ結晶を含む。
【０３５３】
代替的に、又は、上述のソーティング・エレメント及びフィルタリング・エレメントに加えて、追加的なフィルタリング・エレメントが、それぞれのサブ・センサー６−６１から６−６１４に隣接して設置され得る。追加的なフィルタリング・エレメントは、薄い損失性膜を含むことが可能であり、薄い損失性膜は、特定の波長に関するセンサー又はセンサー・セグメントにおいて、特定の波長のエミッション・エネルギーに関して、強め合いの干渉を生成させるように構成されている。薄い損失性膜は、単一の膜又は多層膜であることが可能である。薄い損失性膜は、任意の適切な材料から作製され得る。たとえば、薄い損失性膜は、屈折率ｎが吸光係数ｋとおおよそ同じ桁数となっている、材料から作製され得る。他の実施形態では、薄い損失性膜は、屈折率ｎがその材料の吸光係数ｋの値から約２桁の差の中にある、材料から作製され得る。可視波長におけるそのような材料の非限定的な例は、ゲルマニウム及びシリコンである。
【０３５４】
薄い損失性膜は、任意の適切な厚さであることが可能である。いくつかの実施形態では、薄い損失性膜は、１〜４５ｎｍの厚さであることが可能である。他の実施形態では、薄い損失性膜は、１５〜４５ｎｍの厚さであることが可能である。さらなる他の実施形態では、薄い損失性膜は、１〜２０ｎｍの厚さであることが可能である。図６−７Ａは、薄い損失性膜６−７１１から６−７１４が、それぞれのサブ・センサー６−６１から６−６１４に関連付けられる波長によって少なくとも部分的に決定された異なる厚さをそれぞれ有している、実施形態を図示している。膜の厚さは、薄い損失性膜を選択的に通過しサブ・センサーに至ることとなる別個の波長を少なくとも部分的に決定する。図６−７Ａに図示されているように、薄い損失性膜６−７１１は、厚さｄ１を有しており、薄い損失性膜６−７１２は、厚さｄ２を有しており、薄い損失性膜６−７１３は、厚さｄ３を有しており、薄い損失性膜６−７１４は、厚さｄ４を有している。それぞれの次に続く薄い損失性膜の厚さは、その前の薄い損失性膜よりも小さくなっており、ｄ１＞ｄ２＞ｄ３＞ｄ４となるようになっている。
【０３５５】
追加的に又は代替的に、薄い損失性膜は、異なる特質を備える異なる材料から形成され得、異なる波長のエミッション・エネルギーが、それぞれのサブ・センサーにおいて強め合って干渉するようになっている。たとえば、屈折率ｎ及び／又は吸光係数ｋは、特定の波長のエミッション・エネルギーの伝送を最適化するように選択され得る。図６−７Ｂは、同じ厚さを備える薄い損失性膜６−７２１から６−７２４を図示しているが、それぞれの薄い損失性膜は、異なる材料から形成されている。いくつかの実施形態では、所望の波長のエミッション・エネルギーが強め合って干渉し、膜を通して送信されるように、薄い損失性膜の材料及び薄い損失性膜の厚さの両方が選択され得る。
【０３５６】
エミッション・カップリング・エレメントの先述の実施形態のうちの任意の１つ又は複数が、集積デバイスの実施形態の中に含まれ得る。
ＶＩＩ．  センサー
センサー、センサー動作、及び信号処理方法のさまざまな実施形態が、本発明者によって考えられた。いくつかの実施形態によれば、ピクセルにおけるセンサー３−２６０は、サンプル・ウェルの中の１つ又は複数のタグからのエミッション・エネルギーを受け取ることができ、かつ、受け取られたエミッションを表す１つ又は複数の（たとえば、少なく
とも２、３、又は４）電気信号を作り出すことができる、任意の適切なセンサーからなることが可能である。いくつかの実施形態では、センサーは、少なくとも１つの、２つの、３つの、又は４つのフォトディテクターからなることが可能である。それぞれのフォトディテクターは、半導体基板の中に形成されたｐ−ｎ接合を含むことが可能である。図７−１Ａは、集積デバイスのピクセル３−１００の中に製作され得るセンサーの単に１つの実施形態を示している。
【０３５７】
いくつかの実施形態によれば、センサー３−２６０は、集積デバイスのそれぞれのアクティブ・ピクセル３−１００において形成され得る。センサーは、サンプル・ウェル３−２１０の辺りに中心を合わせられ、おおよそ１ミクロンからおおよそ２０ミクロンの間の距離だけサンプル・ウェルから間隔を置いて配置され得る。サンプル・ウェルとセンサーとの間に、１つ又は複数の透明な層７−１１０が存在することが可能であり、サンプル・ウェルからのエミッションが、ほとんど減衰なしにセンサーまで進むことができるようになっている。センサー３−２６０は、いくつかの実施形態によれば、ピクセルのベースにおいて、半導体基板７−１２０の中に形成され得、サンプル・ウェルの、励起供給源（図示せず）と同じ側に位置付けされ得る。
【０３５８】
センサーは、１つ又は複数の半導体接合フォトディテクター・セグメントからなることが可能である。それぞれの半導体接合は、第１の導電タイプのウェルからなることが可能である。たとえば、それぞれの半導体接合は、図面に示されているように、ｐ−タイプの基板の中に形成されたｎ−タイプのウェルからなることが可能である。いくつかの実施形態によれば、センサー３−２６０は、図７−１Ｂの平面図に示されているように、ブルズ・アイ検出器７−１６２として配置され得る。第１のフォトディテクター７−１２４は、センサーの中央に位置付けされ得、第２の環状のフォトディテクター７−１２２は、中央フォトディテクターを取り囲むことが可能である。ウェルへの電気的接触が、第１の又はその後のメタライゼーション・レベルにおいて形成される導電性トレース７−１３４を通して、及び、導電性ビア７−１３２を通して、作製され得る。ビアの接触領域において、高度にドープされた半導体材料７−１２６の領域が存在することが可能である。いくつかの実施形態では、フィールド酸化物７−１１５が、フォトディテクター同士の間の表面に形成され得、及び／又は、それぞれのフォトディテクターの一部分を被覆することが可能である。いくつかの実施形態では、センサー３−２６０に隣接してピクセルの中に形成された追加的な半導体デバイス７−１２５（たとえば、トランジスター、増幅器など）が存在することが可能である。ピクセルの中に追加的なメタライゼーション・レベル７−１３８、７−１３６が存在することが可能である。
【０３５９】
いくつかの実施形態では、メタライゼーション・レベル７−１３６は、ピクセルの大部分を横切って延在することが可能であり、また、サンプル・ウェル３−２１０の下方に開口部を有することが可能であり、サンプル・ウェルからのエミッションがセンサーに到達することができるようになっている。いくつかのケースでは、メタライゼーション・レベル７−１３６は、基準電位又はグランド平面としての役割を果たすことが可能であり、追加的に、光学的なブロックとしての役割を果たし、少なくともいくらかの背景放射線（たとえば、励起供給源又は周囲環境からの放射線）がセンサー３−２６０に到達することを防止することが可能である。
【０３６０】
図７−１Ａ及び図７−１Ｂに示されているように、センサー３−２６０は、空間的に及び電気的に互いから分離されている複数のフォトディテクター・セグメント７−１２２、７−１２４へとさらに分割され得る。いくつかの実施形態では、センサー３−２６０のセグメントは、反対にドープされた半導体材料の領域からなることが可能である。たとえば、第１のセンサー・セグメントに関する第１の電荷蓄積ウェル７−１２４が、基板の第１の領域をドーピングすることによって形成され、第１のウェルの中に第１の導電タイプ（
たとえば、ｎ−タイプ）を有することが可能である。基板は、ｐ−タイプであることが可能である。第２のセンサー・セグメントに関する第２の電荷蓄積ウェル７−１２２が、基板の第２の領域をドーピングすることによって形成され、第２のウェルの中に第１の導電タイプを有することが可能である。第１及び第２のウェルは、基板のｐ−タイプ領域によって分離され得る。
【０３６１】
センサー３−２６０の複数のセグメントが、ブルズ・アイ・レイアウト以外の任意の適切な方式で配置され得、センサーの中に３つ以上のセグメントが存在することが可能である。たとえば、いくつかの実施形態では、複数のフォトディテクター・セグメント７−１４２が、横方向に互いから分離され、図７−１Ｃに示されているように、ストライプ・センサー７−１６４を形成することが可能である。いくつかの実施形態では、クワドラント・センサー７−１６６が、図７−１Ｄに示されているように、セグメント７−１４４をクワッド・パターンで配置することによって形成され得る。いくつかの実施形態では、円弧形セグメント７−１４６が、図７−１Ｅに示されているように、ブルズ・アイ・パターンと組み合わせて形成され、円弧形にセグメント化されたセンサー７−１６８を形成することが可能である。別のセンサー構成は、パイ・ピース・セクションからなることが可能であり、パイ・ピース・セクションは、円形の別々のセクションで配置されている個々のセンサーを含むことが可能である。いくつかのケースでは、センサー・セグメントは、サンプル・ウェル３−２１０の周りに対称的に配置され、又は、サンプル・ウェルの周りに非対称的に配置され得る。センサー・セグメントの配置は、先述の配置だけに限定されず、センサー・セグメントの任意の適切な分布が使用され得る。
【０３６２】
本発明者は、クワドラント・センサー７−１６６、パイ・セクター・センサー、又は、同様のセクター・センサーが、より好適に、他のセンサー構成よりも小さいピクセル・サイズまで縮小することが可能であるということが見出された。クワドラント及びセクター検出器は、より少ない、検出される複数の波長に関するピクセル面積及びアクティブ・センサー面積しか消費しないことが可能である。クワドラント及びセクター検出器は、ナノ・アンテナ・アレイ又は表面プラズモン構造体と組み合わせて使用され、検出器によって識別可能な別個の空間的な分布パターンを作り出すことが可能である。センサーは、さまざまな幾何学的構成で配置され得る。いくつかの例では、センサーは、正方形の構成又は六角形の構成で配置されている。
【０３６３】
本開示のセンサーは、独立して（又は、個別に）アドレス可能であり得る。個別にアドレス可能なセンサーは、対応するサンプル・ウェルからのエミッションを検出することができ、他のセンサーから独立した出力信号を提供することができる。個別にアドレス可能なセンサーは、個別に読み取り可能であり得る。
【０３６４】
いくつかの実施形態では、スタックされたセンサー７−１６９が、図７−１Ｆに示されているように、複数の分離されているセンサー・セグメント７−１４８を垂直方向のスタックに製作することによって形成され得る。たとえば、セグメントは、上下に位置付けされ得、スタックされたセグメント同士の間に、絶縁層が存在してもよいし、又は存在しなくてもよい。それぞれの垂直方向の層が、特定のエネルギーのエミッション・エネルギーを吸収するように、及び、異なるエネルギーでエミッションを通過させるように構成され得る。たとえば、第１の検出器は、より短い波長の放射線（たとえば、サンプルからの約５００ｎｍ以下の青色波長の放射線）を吸収及び検出することが可能である。第１の検出器は、サンプルからの緑色及び赤色の波長エミッションを通過させることが可能である。第２の検出器は、（たとえば、約５００ｎｍから約６００ｎｍの間の）緑色波長の放射線を吸収及び検出し、赤色エミッションを通過させることが可能である。第３の検出器は、赤色エミッションを吸収及び検出することが可能である。いくつかの実施形態では、反射膜７−１４９が、スタックの中に組み込まれ、選択された波長帯域の光を反射させ、セグ
メントを通して戻すことが可能である。たとえば、膜は、第２のセグメントによって吸収されなかった緑色波長の放射線を反射させることが可能であり、第２のセグメントを通して戻し、その検出効率を増加させることが可能である。
【０３６５】
垂直方向にスタックされたセンサー・セグメントを備えるいくつかの実施形態では、エミッション・カップリング・コンポーネントが、サンプル・ウェルに含まれずに、エミッション波長に依存するサンプル・エミッションの別個の空間的な分布パターンを作り出すことが可能である。スペクトル的に異なるエミッションの判別は、いくつかの実施形態によれば、そのスタックされたセグメントからの信号の比率を分析することによって、垂直方向に−スタックされたセンサー７−１６９を用いて実現され得る。
【０３６６】
いくつかの実施形態では、センサー３−２６０のセグメントは、シリコンから形成されているが、任意の適切な半導体（たとえば、Ｇｅ、ＧａＡｓ、ＳｉＧｅ、ＩｎＰなど）も使用され得る。いくつかの実施形態では、センサー・セグメントは、有機の光導電性膜からなることが可能である。他の実施形態では、量子ドット・フォトディテクターが、センサー・セグメントに関して使用され得る。量子ドット・フォトディテクターは、量子ドットのサイズに基づいて、異なるエミッション・エネルギーに応答することが可能である。いくつかの実施形態では、さまざまなサイズの複数の量子ドットが、サンプル・ウェルから受け取られる異なるエミッション・エネルギー又は波長同士の間を差別するために使用され得る。たとえば、第１のセグメントは、第１のサイズを有する量子ドットから形成され得、第２のセグメントは、第２のサイズを有する量子ドットから形成され得る。さまざまな実施形態では、センサー２−２６０は、従来のＣＭＯＳプロセスを使用して形成され得る。
【０３６７】
上記に説明されているように、エミッション・カップリング・コンポーネントは、いくつかの実施形態では、サンプル・ウェルに隣接して製作され得る。エミッション・カップリング・コンポーネントは、サンプル・ウェル３−２１０の中のサンプルからのエミッションを変更し、エミッション波長に依存するサンプル・エミッションの別個の空間的な分布パターンを作り出すことが可能である。図７−２Ａは、第１の空間的な分布パターン７−２５０の例を示しており、それは、第１の波長において第１のサンプルから作り出され得る。第１の空間的な分布パターン７−２５０は、たとえば、ブルズ・アイ・センサー７−１６２の中央セグメントに向けて方向付けされている顕著な中央ローブを有することが可能である。単なる１つの例として、そのようなパターン７−２５０は、円形のグレーチング７−２２０エミッション・カップリング構造体によって取り囲まれたサンプル・ウェルから作り出され得、そこでは、サンプルが約６６３ｎｍの波長で放出する。センサーへ入射する投射されたパターン７−２５２は、図７−２Ｂに図示されているように出現することが可能である。
【０３６８】
図７−２Ｃは、空間的な分布パターン７−２６０を示しており、それは、いくつかの実施形態によれば、同じサンプル・ウェルから第２の波長で放出する第２のサンプルから作り出され得る。第２の空間的な分布パターン７−２６０は、放射線の２つのローブからなり、第１の空間的な分布パターン７−２５０とは異なることが可能である。第２の空間的な分布パターン７−２６０の投射されたパターン７−２６２は、いくつかの実施形態によれば、図７−２Ｄに示されているように出現することが可能である。単なる１つの例として、第２の空間的な分布パターン７−２６０は、円形のグレーチング７−２２０エミッション・カップリング構造体によって取り囲まれた同じサンプル・ウェルから作り出され得、そこでは、サンプルが約６８７ｎｍの波長で放出する。
【０３６９】
センサー３−２６０のセグメントは、いくつかの実施形態によれば、特定のエミッション・エネルギーを検出するように配置され得る。たとえば、サンプル・ウェルに隣接する
エミッション・カップリング構造体及びセンサーのセグメントは、特定のエミッション・エネルギー同士の間の信号差別化を増加させるように、組み合わせて構造化され得る。エミッション・エネルギーは、集積デバイスとともに使用されることとなる選択されたタグに対応することが可能である。例として、ブルズ・アイ・センサー７−１６２は、サンプルから投射されたパターン７−２６０、７−２６２により良好にマッチするように、そのセグメントをサイズ決め及び／又は位置付けさせることが可能であり、より高い強度の領域が、センサーのアクティブ・セグメントの中に、より中央に収まるようになっている。代替的に又は追加的に、エミッション・カップリング構造体は、投射されたパターン７−２６０、７−２６２を変更するように構造化され得、強い領域が、センサーのセグメントの中に、より中央に収まるようになっている。
【０３７０】
センサー３−２６０は、２つのセグメントからなることが可能であるが、いくつかの実施形態では、サンプルからの３つ以上のスペクトル的に別個のエミッション・バンドを判別することが可能である。たとえば、それぞれのエミッション・バンドは、センサー・セグメントの上に別個の投射されたパターンを作り出し、センサー・セグメントからの信号の別個の組み合わせを生み出すことが可能である。信号の組み合わせは、エミッション・バンドを判別及び識別するために分析され得る。図７−２Ｅから図７−２Ｈは、４つの異なるエミッターからの４つの別個のエミッション・パターンに露出される２セグメントのセンサー３−２６０からの信号セットの数値シミュレーションからの結果を表している。エミッション・パターンは、サンプル・ウェルに隣接して形成された円形のグレーチングを有するサンプル・ウェルから、４つの波長（５６５ｎｍ、５９５ｎｍ、６６３ｎｍ、６８７ｎｍ）で作り出されるものとしてシミュレートされた。見ることができるように、２つのセンサー・セグメントからの信号（又は、信号セット）のそれぞれの組み合わせは別個であり、４つの波長においてエミッター同士の間を差別するために使用され得る。シミュレーションに関して、ブルズ・アイ・センサー７−１６２の外側の検出器セグメントはより大きい面積を有していたので、その検出器に関して、より多くの信号が集積された。追加的に、検出器同士の間の領域に衝突した光がキャリアを発生させ、キャリアは、いずれかの検出器セグメントに向けてドリフトし、両方のセグメントからの信号に寄与することが可能である。
【０３７１】
いくつかの実施形態では、ピクセル当たりＮ個のフォトディテクター・セグメントが存在することが可能であり、ここで、Ｎは、任意の整数値であることが可能である。いくつかの実施形態では、Ｎは、１以上であり、かつ、１０以下であることが可能である。他の実施形態では、Ｎは、２以上であり、かつ、５以下であることが可能である。Ｎ個の検出器によって検出され得る判別可能なサンプル・エミッション（たとえば、異なる発光性タグからの別個のエミッション波長）の数Ｍは、Ｎ以上であることが可能である。Ｍ個のサンプル・エミッションの判別は、いくつかの実施形態によれば、それぞれのセンサー・セグメントからの信号の比率を評価することによって実現され得る。いくつかの実施形態では、受け取られる信号の比率、合計、及び／又は振幅が、サンプル・ウェルからのエミッションの特性波長を決定するために、測定及び分析され得る。
【０３７２】
いくつかの実施形態では、２つ以上のエミッターが、サンプル・ウェル３−２１０の中で、所与の時間ウィンドウの中で、異なる特性波長を放出することが可能である。センサー３−２６０は、異なる波長において、複数のエミッションからの信号を同時に検出し、データ・プロセッシングのために合計された信号を提供することが可能である。いくつかの実施形態では、マルチ波長エミッションは、センサー・セグメントからの信号値の別のセットとして区別可能であり得る（たとえば、図７−２Ｅから図７−２Ｈに示されているものとは異なる信号値）。信号値は、マルチ波長エミッションが起こったということを判別するために、及び、エミッションに関連付けられるエミッターの特定の組み合わせを特定するために、分析され得る。
【０３７３】
また、本発明者は、少なくとも２つ、３つ、又は４つの同心円状のセグメントを有するブルズ・アイ・センサーを考えて分析した。セグメントからの信号セットが、図７−２Ｇ及び図７−２Ｈにそれぞれ関連付けられる同じエミッション条件に関して、図７−２Ｉ及び図７−２Ｊにプロットされている。また、４セグメントのブルズ・アイ・センサーは、サンプル・ウェルの中の特定のエミッターを特定するために分析され得る識別可能な信号を示している。
【０３７４】
波長フィルタリングがそれぞれのセンサー・セグメントにおいて使用されるとき、又は、スペクトルの分離が高いときには、センサーのそれぞれのセグメントは、選択されたエミッション・バンドだけを実質的に検出することが可能である。たとえば、第１の波長は、第１のセグメントによって検出され得、第２の波長は、第２のセグメントによって検出され得、第３の波長は、第３のセグメントによって検出され得る。
【０３７５】
再び図７−１Ａを参照すると、ピクセル２−２０５の中に追加的な電子回路７−１２５が存在することが可能であり、それは、センサー３−２６０のそれぞれのセグメントからの信号を収集及び読み出すために使用され得る。図７−３Ａ及び図７−３Ｄは、いくつかの実施形態によれば、マルチ・セグメント・センサーと組み合わせて使用され得る回路を示している。例として、信号収集回路７−３１０は、それぞれのセンサー・セグメントに関する３つのトランジスターからなることが可能である。３つのトランジスターの配置が、いくつかの実施形態によれば、図７−３Ｂに示されている。それぞれのセグメントに関連付けられている電荷蓄積ノード７−３１１において、信号レベルは、電荷蓄積期間の前に、リセット・トランジスターＲＳＴによってリセットされ得、（電荷蓄積ノードにおける電荷の量によって決定される）セグメントに関する信号レベルは、電荷蓄積期間の間及び／又は終わりに、リード・トランジスターＲＤによって読み出され得る。信号は、上記に説明されているように、Ｎ個の空間的に分離されている検出器によって検出されるサンプルからのＭ個の異なるエミッション波長の検出を判別するために、分析のためのプロセッサー（図示せず）に提供され得る。
【０３７６】
ピクセル回路は、いくつかの実施形態によれば、増幅及び相関したダブル・サンプリング回路７−３２０をさらに含むことが可能である。増幅及びダブル・サンプリング回路は、センサー・セグメントからの信号を増幅させるように構成されているトランジスターと、たとえば、エミッション放射線がセンサーの上に存在しないときに（たとえば、サンプル・ウェルにおける励起エネルギーの印加の前に）、電荷蓄積ノードにおける電圧レベルをリセットするように、及び、ノードにおける背景信号又は「リセット」信号を読み出すように、及び、その後のエミッション信号を読み取るように構成されているトランジスターとからなることが可能である。
【０３７７】
いくつかの実施形態によれば、相関したダブル・サンプリングは、検出されるエミッション信号レベルから背景又はリセット信号レベルを差し引くことによって、背景雑音を低減させるために用いられる。センサーのそれぞれのセグメントに関連付けられる収集されたエミッション信号及び背景信号は、縦列ライン７−３３０の上に読み出され得る。いくつかの実施形態では、エミッション信号レベル及び背景信号は、共通の縦列ラインの上に時分割多重化される。それぞれのセンサー・セグメントに関して別々の縦列ラインが存在することが可能である。縦列ラインからの信号は、増幅回路７−３４０（それは、アクティブ・ピクセル・アレイの外側に位置付けされ得る）によってバッファリング及び／又は増幅され、さらなるプロセッシング及び分析のために提供され得る。いくつかの実施形態では、ダブル・サンプリングされた信号の引き算が、たとえば、システム・プロセッサーによって、チップ外で計算される。他の実施形態では、引き算は、チップの上で、又は、ベース機器の回路の中で行われ得る。
【０３７８】
相関したダブル・サンプリングのいくつかの実施形態は、サンプルに対して横列を選択することによって動作させられ得、横列に関連付けられるセンサーは、サンプリング期間にわたって集積された信号電荷を有し、信号レベルを含有する。信号レベルは、縦列ラインの上に同時に読み出され得る。集積された信号レベルをサンプリングした後に、選択された横列の中のすべてのピクセルがリセットされ、即座にサンプリングされ得る。このリセット・レベルは、次に集積される信号に相関させられ得、それは、リセットが解放された後に蓄積を開始し、同じ横列が再び選択されるときに、フレーム時間を後で集積することを終了する。いくつかの実施形態では、フレームのリセット値は、チップ外で保存され得、信号が集積を終了し、サンプリングされたときには、保存された相関したリセット値が差し引かれ得るようになっている。
【０３７９】
いくつかの実施形態では、３つ以上のセグメントを備えるセンサー３−２６０は、追加的な回路を必要とする可能性がある。図７−３Ｃは、クワッド・センサーに関連付けられる信号収集７−３１２、増幅７−３２０、及びダブル・サンプリング回路を示している。いくつかの実施形態によれば、２つ以上のセグメントからの信号が、図面に示されているように、ピクセルにおいて、共通の信号チャネルの上に時分割多重化され得る。時分割多重化された信号は、騒音消去のために、それぞれのセグメントに関してサンプリングされた背景信号を含むことが可能である。追加的に、２つ以上のセグメントからの信号は、共通の縦列ラインの上に時分割多重化され得る。
【０３８０】
いくつかの実施形態によれば、時間的な信号取得技法が、１つ又は複数の励起供給源からの背景信号レベルを低減させるために、及び／又は、サンプルに関連付けられる異なるエミッターからの異なるエミッションを判別するために、使用され得る。図７−４Ａは、いくつかの実施形態によれば、サンプルにタグを付けるために使用され得る２つの異なるエミッターからの蛍光エミッション及び減衰を示している。２つのエミッションは、目に見えて異なる時間減衰特性を有している。第１のエミッターからの第１の時間減衰曲線７−４１０は、ローダミンなどのような共通の蛍光分子に対応することが可能である。第２の時間減衰曲線７−４２０は、量子ドット又はリン光性エミッターなどのような、第２のエミッターの特性であることが可能である。両方のエミッターは、エミッターの初期励起の後のしばらくの間延在するエミッション減衰テールを示す。いくつかの実施形態では、エミッション減衰テールの間に適用される信号収集技法は、いくつかの実施形態では、励起供給源からの背景信号を低減させるために、及び、いくつかの実施形態では、エミッター同士の間を区別するために、タイミングを選んで行われ得る。
【０３８１】
いくつかの実施形態によれば、時間遅延サンプリングが、エミッション減衰テールの間に用いられ、励起供給源からの放射線に起因する背景信号を低減させることが可能である。図７−４Ｂ及び図７−４Ｃは、いくつかの実施形態による、時間遅延サンプリングを図示している。図７−４Ｂは、励起供給源からの励起放射線の励起パルス７−４４０、及び、サンプル・ウェルの中で励起されるサンプルから得られ得るその後のエミッション・パルス７−４５０の時間的な進展を示している。励起パルス７−４４０は、図７−４Ｃに示されているように、短い時間の期間にわたりドライブ信号７−４４２によって、励起供給源を駆動する結果として生じることが可能である。たとえば、ドライブ信号は、第１の時間ｔ１において開始し、第２の時間ｔ２において終了することが可能である。ドライブ信号の持続期間（ｔ２−ｔ１）は、いくつかの実施形態によれば、約１ピコ秒から約５０ナノ秒の間であることが可能であるが、いくつかの実施形態では、より短い持続期間も使用され得る。
【０３８２】
励起供給源のためのドライブ信号の終端に続く時間ｔ３において、ピクセルにおけるセンサー３−２６０（又は、センサー・セグメント）は、時間ｔ３から時間ｔ４に延在する
第２の時間インターバルの間に、電荷蓄積ノード７−３１１（図７−３Ｂを参照）において電荷を蓄積するようにゲートでコントロールされ得る。第２の時間インターバルは、いくつかの実施形態によれば、約１ナノ秒から約５０マイクロ秒の間であることが可能であるが、いくつかの実施形態では、他の持続期間も使用され得る。図７−４Ｂを参照して見ることができるように、電荷蓄積ノードは、放出するサンプルに起因して、次いで、励起供給源に起因して、より多くの信号電荷を収集することとなる。したがって、改善された信号対雑音比が得られ得る。
【０３８３】
再び図７−４Ａを参照すると、エミッターの異なる時間的なエミッション特性に起因して、センサーにおける対応する信号は、異なる時間においてピークとなることが可能である。いくつかの実施形態では、エミッション減衰テールの間に適用される信号−取得技法は、異なるエミッターを判別するために使用され得る。いくつかの実施形態では、時間的な検出技法は、（たとえば、図７−２に関連して上記に説明されているように）空間的な及びスペクトルの技法と組み合わせて使用され、異なるエミッターを判別することが可能である。
【０３８４】
図７−４Ｄから図７−４Ｈは、センサー又はセンサー・セグメントにおけるダブル・サンプリングがどのように使用され、異なる時間的なエミッション特性を有する２つのエミッターの間を区別することができるかということを図示している。図７−４Ｄは、第１のエミッター及び第２のエミッターにそれぞれ関連付けられるエミッション曲線７−４７０、７−４７５を示している。例として、第１のエミッターは、ローダミンなどのような共通のフルオロフォアであることが可能であり、第２のエミッターは、量子ドット又はリン光性エミッターであることが可能である。
【０３８５】
図７−４Ｅは、図７−４Ｄの２つの異なるエミッション特性に応答して起こり得る、電荷蓄積ノード７−３１１における動的な電圧レベルを表している。例では、蛍光エミッターに対応する第１の電圧曲線７−４７２は、より短いエミッション・スパンに起因して、より急速に変化し、第１の時間ｔ１において、その最大（又は、ノードの極性に応じて、最小）に到達することが可能である。第２の電圧曲線７−４７７は、第２のエミッターのより長いエミッション特性に起因して、よりゆっくりと変化し、第２の時間ｔ２において、その最大（又は、最小）に到達することが可能である。
【０３８６】
いくつかの実施形態では、電荷蓄積ノードのサンプリングは、図７−４Ｆに示されているように、サンプル励起の後の２つの時間ｔ３、ｔ４において行われ得る。たとえば、第１の読み取り信号７−４８１は、第１の時間ｔ３において、電荷蓄積ノードからの第１の電圧値を読み出すために適用され得る。その後に、第２の読み取り信号７−４８２は、第１の読み取りから第２の読み取りの間に電荷蓄積ノードをリセットすることなく、第２の時間ｔ４において、電荷蓄積ノードからの第２の電圧値を読み出すために適用され得る。時間ｔ３及びｔ４における第１の読み取り及び第２の読み取りは、サンプル・ウェルからのエミッションの間に、センサーのための同じ電荷蓄積期間の間に起こることが可能である。次いで、２つのサンプリングされる信号値の分析が使用され、２つのエミッターのうちのどちらが検出された信号レベルを提供したかということを特定することが可能である。
【０３８７】
図７−４Ｇは、図７−４Ｄに示されているようなエミッション曲線７−４７０を有する第１のエミッターに関して得られ得る、第１の読み取り及び第２の読み取りからの第１の信号セットの例を示している。図７−４Ｈは、図７−４Ｄに示されているようなエミッション曲線７−４７５を有する第２のエミッターに関して得られ得る、第１の読み取り及び第２の読み取りからの第２の信号セットの例を示している。たとえば、第１のエミッターに関して図７−４Ｆに示されているサンプリング・シークエンスは、曲線７−４７２をサ
ンプリングし、２つの読み取り時間においておおよそ同じ値を得ることとなる。第２のエミッターのケースでは、図７−４Ｆに示されているサンプリング・シークエンスは、２つの読み取り時間において、曲線７−４７７の２つの異なる値をサンプリングする。結果として生じる２つの読み取り時間からの信号の対は、２つのエミッターの間を区別しており、それぞれのエミッターを特定するために分析され得る。また、いくつかの実施形態によれば、背景引き算に関するダブル・サンプリングが、第１及び第２の読み取り信号から背景信号を差し引くために実行され得る。
【０３８８】
動作時には、集積デバイスのセンサー２−２６０は、分析されることとなる試料からのデータ収集の前に、波長キャリブレーション手順を受けることが可能である。波長キャリブレーション手順は、集積デバイスとともに使用され得るフルオロフォア波長に対応する可能性があるか、又は対応しない可能性がある特性波長を有する異なる公知のエネルギーをセンサーに受けさせることを含むことが可能である。異なるエネルギーが、シークエンスにおいて印加され得、キャリブレーション信号が、それぞれのエネルギーに関してセンサーから記録され得るようになっている。次いで、キャリブレーション信号は、参照信号として保存され得、参照信号は、実際のデータ収集を処理するために、及び、どの１つ又は複数のエミッション波長がセンサーによって検出されるかということを決定するために使用され得る。
【０３８９】
いくつかの実施形態によれば、センサーは、サンプル・ウェル３−２１０に隣接して形成された半導体接合を含むことが可能である。半導体接合は、たとえば、図４−５Ｂ又は図４−５Ｄに示されているようなものであることが可能である。いくつかの実施形態では、半導体接合は、多層構造体として形成され得、サンプル・ウェルは、たとえば、図３−７Ｆに示されているように、多層構造体の中に形成され得る。いくつかの実施形態では、励起されたサンプルは、サンプル・ウェルに隣接して形成されている半導体接合に、ＦＲＥＴ又はＤＥＴを介して、エミッション・エネルギーを非放射で伝達し、半導体接合においてエキシトンを生成させることが可能である。半導体接合は、ｐ−ｎ接合又はｐ−ｉ−ｎ接合からなることが可能であり、ｐ−ｎ接合又はｐ−ｉ−ｎ接合は、受け取られたエネルギーを電気信号に変換し、電気信号は、サンプル・ウェルに関連付けられるＣＭＯＳ回路によって検出される。いくつかの実施形態では、量子ドット又は分子が、リンカーを介して半導体接合に取り付けられ得、励起されたサンプルから半導体接合への非放射エネルギー伝達に参加することが可能である。
【０３９０】
センサーの先述の実施形態の任意の１つ又は複数が、集積デバイスの実施形態の中に含まれ得る。
ＶＩＩＩ．  機器動作
機器２−１２０は、ソフトウェア及び／又はハードウェアを使用して制御され得る。たとえば、機器は、ＡＳＩＣ、ＦＰＧＡ及び／又は、ソフトウェアを実行する汎用プロセッサーなどのような、プロセッシング・デバイス１−１２３を使用して制御され得る。
【０３９１】
図８−１は、いくつかの実施形態による、機器２−１２０の動作のフローチャートを図示している。ユーザが分析するために試料を獲得した後に、ユーザは、行為８−１０１において、新しい分析を始める。これは、ユーザ・インターフェース２−１２５を介して機器２−１２０に指示を提供することによって、たとえば、ボタンを押すことなどによって行われ得る。行為８−１０３において、機器２−１２０は、以前に行われた分析からの集積デバイス２−１１０が機器２−１２０の中に依然として挿入されているかどうかということをチェックする。古い集積デバイスが存在しているということが決定される場合には、行為８−１０５において、励起供給源への電力が切られ得、ユーザは、行為８−１０７において、ユーザ・インターフェース２−１２５のインジケーターを使用して以前の集積デバイスを取り出すように促され、機器２−１２０は、行為８−１０９において、古い集
積デバイスが取り出されることを待つ。
【０３９２】
以前の集積デバイスがユーザによって取り出されるときには、又は、機器２−１２０が、行為８−１０３において、以前の集積デバイスがすでに除去されたということを決定した場合には、ユーザは、行為８−１１１において、新しい分析のための新しい集積デバイス２−１１０を挿入するように促される。次いで、機器２−１２０は、行為８−１１３において、新しい集積デバイス２−１１０が挿入されることを待つ。ユーザが新しい集積デバイスを挿入するときには、ユーザは、行為８−１１５において、分析されることとなる試料を、集積デバイス２−１１０の露出された上部表面の上に置くように、ユーザ・インターフェース２−１２５のインジケーターによって促され、また、機器２−１２０の上に蓋を閉じるように促される。次いで、機器２−１２０は、行為８−１１７において、蓋が閉じられることを待つ。蓋がユーザによって閉じられるときには、行為８−１１９において、励起供給源は、集積デバイス２−１１０のサンプル・ウェルの中に存在する試料のサンプル部分を励起させるための励起エネルギーを作り出すように駆動され得る。行為８−１２１において、サンプルからのエミッション・エネルギーは、センサー２−１２２によって検出され、センサー２−１２２からのデータは、分析のためにプロセッシング・デバイス２−１２３に流される。いくつかの実施形態では、データは、外部コンピューティング・デバイス２−１３０に流され得る。行為２−１２３において、機器２−１２０は、データ収集が完了したかどうかということをチェックする。データ収集は、特定の時間の長さの後に完了され得、励起供給源からの励起パルスの特定の数、又は、１つの特定のターゲットが特定された。データ収集が完了したときに、データ分析は、８−１２５において終了される。
【０３９３】
図８−２は、いくつかの実施形態による例示的な自己キャリブレーション・ルーチンを図示している。キャリブレーション・ルーチンは、試料の分析の前の任意の適切な時間に実行され得る。たとえば、それは、エンド・ユーザへの出荷の前に、それぞれの機器に関する製造業者によって一度行われ得る。代替的に、エンド・ユーザは、任意の適切な時間にキャリブレーションを実施することが可能である。上記に議論されているように、機器２−１２０は、異なるサンプルから放出された異なる波長を有するエミッション・エネルギーの間を区別することが可能である。機器２−１２０及び／又はコンピューティング・デバイス２−１３０は、たとえば、分析されている試料の分子にタグを付けるために使用される発光性タグに関連付けられる光のそれぞれの特定の色に関連付けられるキャリブレーションによってキャリブレートされ得る。このように、特定の色に関連付けられる正確な出力信号が決定され得る。
【０３９４】
デバイスをキャリブレートするために、単一の発光性タグに関連付けられたキャリブレーション試料が、１つずつ機器２−１２０に提供される。ユーザが、集積デバイス２−１１０の上に単一の波長のエミッション・エネルギーを放出する発光性タグからなる試料を置き、機器２−１２０の中へ集積デバイス２−１１０を挿入するときに、自己キャリブレーションが、行為８−２０１において開始する。ユーザ・インターフェース２−１２５を使用して、ユーザは、自己キャリブレーションを開始するように機器２−１２０に指示する。それに応答して、行為８−２０３において、機器２−１２０は、励起エネルギーによってアッセイ・チョップ２−１１０を照射することによって、及び、キャリブレーション試料からの単一の波長エミッション・エネルギーを測定することによって、キャリブレーション分析を走らせる。次いで、機器２−１２０は、行為８−２０５において、センサー・アレイのそれぞれのピクセルに関するセンサー２−１２２のサブ・センサーのアレイの上で測定される検出パターンをセーブすることが可能である。それぞれの発光性タグに関する検出パターンは、発光性タグに関連付けられる検出シグネチャーと考えられ得る。このように、シグネチャーは、その後の分析ランにおいて分析される未知のサンプルから受け取られるデータを分析するために使用されるトレーニング・データ・セットとして使用
され得る。
【０３９５】
次いで、上記のキャリブレーション・ルーチンは、単一の発光性タグに関連付けられるすべてのキャリブレーション試料に関して実行され得る。このように、ピクセルのアレイのそれぞれのセンサー２−１２２は、キャリブレーション・データに関連付けられており、キャリブレーション・データは、キャリブレーション・ルーチンの完了の後に、行為８−２０７において実施されるその後の分析の間に、サンプル・ウェルの中に存在する発光性タグを決定するために使用され得る。
【０３９６】
図８−３は、いくつかの実施形態にしたがって、キャリブレーション・データがデータを分析するためにどのように獲得及び使用され得るかということをさらに図示している。行為８−３０１において、キャリブレーション・データが、センサーから得られる。これは、上述の自己キャリブレーション・ルーチンを使用して行われ得る。行為８−３０３において、変換行列が、キャリブレーション・データに基づいて発生させられる。変換行列は、センサー・データをサンプルのエミッション波長にマッピングし、また、ｍｘｎ行列であり、ここで、ｍは、異なるエミッション波長を備える発光性タグの数であり、ｎは、ピクセル当たりのエミッション・エネルギーを検出するために使用されるサブ・センサーの数である。したがって、変換行列のそれぞれの列は、センサーに関するキャリブレーション値を表している。たとえば、ピクセル当たりに４つのサブ・センサー、及び、５つの異なる発光性タグが存在する場合には、変換行列は、４ｘ５行列（すなわち、４つの行及び５つの列）であり、それぞれの列は、異なる発光性タグに関連付けられており、列の中の値は、自己キャリブレーション・ルーチンの間にサブ・センサーから得られる測定値に対応している。いくつかの実施形態では、それぞれのピクセルは、それ自身の変換行列を有することが可能である。他の実施形態では、ピクセルのうちの少なくともいくつかからのキャリブレーション・データは、平均され得、次いで、すべてのピクセルが、平均されたデータに基づいて同じ変換行列を使用することが可能である。
【０３９７】
行為８−３０５において、バイオアッセイに関連付けられる分析データが、センサーから得られる。これは、上記に説明されている方式のいずれかで行われ得る。行為８−３０７において、エミッション・エネルギーの波長、及び／又は、発光性タグのアイデンティティーが、変換行列及び分析データを使用して決定され得る。これは、任意の適切な方式で行われ得る。いくつかの実施形態では、分析データは、変換行列の擬似逆行列を乗じ、ｍｘ１ベクトルを結果として生じさせる。次いで、最大値を備えるベクトル成分に関連付けられる発光性タグが、サンプル・ウェルの中に存在している発光性タグとして特定され得る。実施形態は、この技法に限定されない。いくつかの実施形態では、小さい値を備える行列の逆行列がとられるときに生じ得る、可能性のある病理を防止するために、最小二乗法方法又は最尤技法などのような、制限付きの最適化ルーチンが、サンプル・ウェルの中に存在する発光性タグを決定するために行われ得る。
【０３９８】
センサーからのデータを分析するためにキャリブレーション・データを使用する先述の方法は、任意の適切なプロセッサーによって実施され得る。たとえば、機器２−１２０のプロセッシング・デバイス２−１２３が、分析を実施することが可能であり、又は、コンピューティング・デバイス２−１３０が、分析を実施することが可能である。
【０３９９】
図８−２は、いくつかの実施形態によれば、集積されたバイオ分析デバイス２１２のピクセルの上述の相関したダブル・サンプリングのベース機器制御を図示している。データ収集の新しいフレームの開始時に、横列シフト・レジスターがリセットされる。以前のフレームからのピクセル・リセット値が、縦列レジスターをインクレメントすることによって読み取られる。同時に、電流フレーム・ピクセル・サンプル・レベルが、集積デバイスの上の読み取りエレメントの中に保存される。測定されることとなる縦列の所望の数が到
達されると、縦列レジスターがリセットされる。次いで、電流フレームからのピクセル・サンプル・レベルが、縦列レジスターをインクレメントすることによって、及び、一度に８個のピクセルでサンプル値をバッファーに出力することによって読み取られ、いくつかの実施形態では、サンプル・レベルの第１のフレームが廃棄され得る。バッファーは、メモリーの中に、集積デバイスの外に位置付けされ得、又は、いくつかの実施形態では、それは、集積デバイスの上に局所的に保存され得る。測定されることとなる縦列の数が満たされると、横列レジスターがインクレメントされる。このプロセスは、フレームが完了されるまで繰り返される。データのフレームを終了すると、プロセスが、フレーム・サンプル・レベルが以前のフレーム・リセット・レベルから差し引かれるという変化とともに、再び開始される。
【０４００】
ＩＸ．  結論
したがって、集積されたバイオ分析デバイスのいくつかの実施形態のいくつかの態様が説明されてきたが、さまざまな代替例、修正例、及び改善例が、当業者に容易に思いつくこととなるということが理解されるべきである。そのような代替例、修正例、及び改善例は、この開示の一部であるということが意図されており、また、本発明の精神及び範囲の中にあることが意図されている。本教示は、さまざまな実施形態及び例に関連して説明されてきたが、本教示はそのような実施形態又は例に限定されるべきであるということは意図されていない。それとは対照的に、本教示は、当業者によって理解されることとなるように、さまざまな代替例、修正例、及び均等物を包含する。
【０４０１】
たとえば、実施形態は、上記に説明されている、励起供給源、エネルギー・カップリング・コンポーネント、ターゲット体積、及びエネルギー収集コンポーネントの任意の構成を含むように修正され得る。そのうえ、集積デバイスは、非生物学的なサンプルを定量的に分析するために使用され得る。追加的に、導波路、反射体、及びキャビティーなどのような、本明細書で説明されているさまざまな光学エレメントは、それらのフォトニック結晶均等物と交換され得る。任意の金属材料が、高度に縮退的にドープされた半導体と交換され得る。グラフェンが、金属及び／又は半導体の代わりに使用され得る。リン光が、発光の代わりに使用され得る。そして、任意の単一の機能層が、複数の機能層と交換され得る。
【０４０２】
さまざまな本発明実施形態が説明及び図示されてきたが、当業者は、機能を実施するために、ならびに／又は、結果及び／もしくは説明されている利点のうちの１つ又は複数を得るために、さまざまな他の手段及び／又は構造体を容易に想像することとなり、そのような変形例及び／又は修正例のそれぞれは、説明されている本発明実施形態の範囲内にあるとみなされる。より一般的に、当業者は、説明されているすべてのパラメーター、寸法、材料、及び／又は構成が、例であるということを意味しているということ、ならびに、実際のパラメーター、寸法、材料、及び／又は構成が、本発明教示が使用される１つ又は複数の特定の用途に依存することとなるということを、容易に理解することとなる。当業者は、説明されている特定の本発明実施形態に対する多くの均等物を認識することとなり、ルーチン実験に過ぎないものを使用して、それを解明することが可能である。したがって、先述の実施形態は単なる例として提示されているということ、及び、添付の特許請求の範囲及びその均等物の範囲内で、本発明実施形態は、具体的に説明及び特許請求されているもの以外にも実践され得るということが理解されるべきである。本開示の本発明実施形態は、説明されているそれぞれの個々の特徴、システム、システム・アップグレード、及び／又は方法に関するものであることが可能である。加えて、２つ以上のそのような特徴、システム、及び／又は方法の任意の組み合わせは、そのような特徴、システム、システム・アップグレード、及び／又は方法が相互に矛盾しない場合には、本開示の本発明範囲の中に含まれる。
【０４０３】
さらに、本発明のいくつかの利点が示されている化膿性があるが、本発明のすべての実施形態が、記載されているすべての利点を含むこととなるわけではないということが認識されるべきである。いくつかの実施形態は、有利であるとして説明されている任意の特徴を実施しなくてもよい。したがって、先述の説明及び図面は、単なる例としてのものである。
【０４０４】
それに限定されないが、特許、特許出願、記事、本、条約、及びウェブ・ページを含む、本出願に引用されているすべての文言及び同様の材料は、そのような文言及び同様の材料のフォーマットにかかわらず、それらの全体が本願明細書に援用されている。それに限定されないが、定義された用語、用語使用法、又は、説明されている技法などを含む、組み込まれた文言及び同様の材料のうちの１つ又は複数が、本出願とは異なるか又は本出願に矛盾する場合には、本出願が支配する。
【０４０５】
使用されている章の見出しは、単なる組織上の目的のためのものであり、いかなる方式にも、説明されている主題を限定するものとして解釈されるべきではない。
「プログラム」又は「ソフトウェア」という用語は、上記に議論されているような本技術のさまざまな態様を実施するために、コンピュータ又は他のプロセッサーをプログラムするために使用され得る、コンピュータ・コード又はコンピュータ実行可能な命令のセットを表すために、本開示において使用され得る。追加的に、この実施形態の１つの態様によれば、実行されるときに、本技術の方法を実施する１つ又は複数のコンピュータ・プログラムは、単一のコンピュータ又はプロセッサーの上にある必要はなく、本技術のさまざまな態様を実施するために、複数の異なるコンピュータ又はプロセッサーの間にモジュラー方式で分散され得るということが認識されるべきである。
【０４０６】
「に関連付けられる」という用語は、データ構造に関連して使用されるときには、いくつかの実施形態では、データ構造の組み合わせを説明するために使用され得る。たとえば、第２のデータに関連付けられている第１のデータは、第２のデータを含有するデータ記録に第１のデータを追加するということを意味することが可能であり、又は、その逆も同様である。「に関連付けられ」は、いくつかの実施形態では、第１のデータと第２のデータとの間にリレーショナル・データ構造を確立するということを意味することが可能である。たとえば、第１及び第２のデータが異なるデータ・ストアの中に保存され得る場合でも、第１のデータは、表の中に入力され、又は、第１のデータを第２のデータに相互参照もしくはリンクさせる識別子によって増強され得る。
【０４０７】
「送信する」という用語は、データ構造に関連して使用されるときには、データを取り込むこと、伝送に適切なフォーマットでデータを準備すること、データに関する少なくとも１つの目的地を特定すること、及び、データ−伝送デバイスにデータを提供することのうちの１つ又は複数の行為を説明するために使用され得る。
【０４０８】
ユーザ・インタラクティブなディスプレイが説明されている場合には、アクティブ・テキスト又はボタンは、ユーザによって選択又はクリックされるときに、それらの外観を変更することが可能である。たとえば、アクティブ・テキスト又はボタンは、選択されたときに、色を変化させることが可能であり、又は、任意の適切な様式で強調され得、テキスト又はボタンが選択されたことを示すようになっている。
【０４０９】
また、説明されている技術は、方法として具現化され得、そのうちの少なくとも１つの例が提供されている。方法の一部として行われる行為は、任意の適切な方式で順序付けられることが可能である。したがって、図示されているものとは異なる順序で行為が行われる実施形態が構築され得、それは、例示目的の実施形態では連続的な行為として示されているとしても、いくつかの行為を同時に実施することを含むことが可能である。
【０４１０】
すべての定義は、定義及び使用されているように、辞書の定義、本願明細書に援用されている文献の中の定義、及び／又は、定義された用語の通常の意味を支配するように理解されるべきである。
【０４１１】
不定冠詞「１つの（ａ）」及び「１つの（ａｎ）」は、明細書及び特許請求の範囲の中で使用されているように、それに反することが明確に示されていなければ、「少なくとも１つの」を意味するように理解されるべきである。
【０４１２】
「及び／又は」という語句は、明細書及び特許請求の範囲の中で使用されているように、そのように等位結合されたエレメント、すなわち、いくつかのケースでは結合的に存在し、他のケースでは選言的に存在するエレメントの「いずれか又は両方」を意味するように理解されるべきである。「及び／又は」によって列挙された複数のエレメントは、同じ方式で、すなわち、そのように等位結合されたエレメントのうちの「１つ又は複数」として、解釈されるべきである。「及び／又は」の節によって具体的に特定されているエレメント以外の他のエレメントが、具体的に特定されているそのようなエレメントに関連するか関連しないかにかかわらず、随意的に存在することが可能である。したがって、非限定的な例として、「Ａ及び／又はＢ」についての表現は、「からなる（ｃｏｍｐｒｉｎｇ）」などのようなオープン・エンドの言語とともに使用されるときには、１つの実施形態では、Ａだけを表す（随意的に、Ｂ以外のエレメントを含む）ことが可能であり、別の実施形態では、Ｂだけを表す（随意的に、Ａ以外のエレメントを含む）ことが可能であり、さらなる別の実施形態では、Ａ及びＢの両方を表す（随意的に、他のエレメントを含む）ことなどが可能である。
【０４１３】
明細書及び特許請求の範囲の中で使用されているように、「又は」は、上記に定義されているような「及び／又は」と同じ意味を有するように理解されるべきである。たとえば、リストの中のアイテムを分離するときには、「又は」又は「及び／又は」は、包含的なものであるとして、すなわち、エレメントの数又はリストのうちの少なくとも１つ（２つ以上も含む）と随意的に、追加的な列挙されていないアイテムとを含むものとして、解釈されるべきである。「のうちの１つだけ（ｏｎｌｙ  ｏｎｅ  ｏｆ）」もしくは「のうちの正確に１つ（ｅｘａｃｔｌｙ  ｏｎｅ  ｏｆ）」、又は、特許請求の範囲の中で使用されるときには、「のみからなる（ｃｏｎｓｉｓｔｉｎｇ  ｏｆ）」などのような、それに反することが明確に示されている用語だけは、エレメントの数又はリストのうちの正確に１つのエレメントを含むということを表すこととなる。一般に、使用されているような「又は」という用語は、「いずれか」、「のうちの１つ（ｏｎｅ  ｏｆ）」、「のうちの１つだけ」、又は「のうちの正確に１つ」などのような、排他性の用語が前に置かれるときには、排他的な代替（すなわち、「一方又は他方であるが、両方ではない」）を示すようにのみ解釈されるべきである。「本質的に〜からなる（Ｃｏｎｓｉｓｔｉｎｇ  ｅｓｓｅｎｔｉａｌｌｙ  ｏｆ）」は、特許請求の範囲の中で使用されるときには、特許法の分野において使用されるようなその通常の意味を有するべきである。
【０４１４】
明細書及び特許請求の範囲の中で使用されているように、「少なくとも１つの」という語句は、１つ又は複数のエレメントのリストを参照して、エレメントのリストの中のエレメントのうちの任意の１つ又は複数から選択される少なくとも１つのエレメントを意味するが、必ずしも、エレメントのリストの中に具体的に列挙されたそれぞれの及びすべてのエレメントのうちの少なくとも１つを含むのではなく、エレメントのリストの中のエレメントの任意の組み合わせを除外するのではないということが理解されるべきである。また、この定義は、「少なくとも１つの」という語句が参照しているエレメントのリストの中に具体的に特定されているエレメント以外のエレメントが、具体的に特定されているそれらのエレメントに関連するか関連しないかにかかわらず、随意的に存在し得るということ
を許容する。したがって、非限定的な例として、「Ａ及びＢのうちの少なくとも１つ」（又は、均等的に、「Ａ又はＢのうちの少なくとも１つ」、もしくは、均等的に、「Ａ及び／又はＢのうちの少なくとも１つ」）は、１つの実施形態では、随意的に、Ｂが存在しない状態で、少なくとも１つの、２つ以上のＡを含む（及び、随意的に、Ｂ以外のエレメントを含む）ことを表すことが可能であり、別の実施形態では、Ａが存在しない状態で、少なくとも１つ（随意的に、２つ以上を含む）のＢを含む（及び、随意的に、Ａ以外のエレメントを含む）ことを表すことが可能であり、さらなる別の実施形態では、少なくとも１つ（随意的に２つ以上を含む）のＡ、及び、少なくとも１つ（随意的に２つ以上を含む）のＢ（及び、随意的に、他のエレメントを含む）を表すことなどが可能である。
【０４１５】
特許請求の範囲では、及び、上記の明細書では、「からなる（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」、「含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」、「担持する（ｃａｒｒｙｉｎｇ）」、「有する（ｈａｖｉｎｇ）」、「含有する（ｃｏｎｔａｉｎｉｎｇ）」、「含む（ｉｎｖｏｌｖｉｎｇ）」、「保持する（ｈｏｌｄｉｎｇ）」、及び「から構成される（ｃｏｍｐｏｓｅｄ  ｏｆ）」などのような、すべての移行句は、オープン・エンドである、すなわち、それを含むが、それに限定されないということを意味するように理解されるべきである。「のみからなる（ｃｏｎｓｉｓｔｉｎｇ  ｏｆ）」及び「本質的に……からなる（Ｃｏｎｓｉｓｔｉｎｇ  ｅｓｓｅｎｔｉａｌｌｙ  ｏｆ）」という移行句だけは、それぞれ、クローズの又はセミ・クローズの移行句であるべきである。
【０４１６】
特許請求の範囲は、その効果が述べられていなければ、説明されている順序又はエレメントに限定されるとして読まれるべきではない。形態及び詳細のさまざまな変化が、添付の特許請求の範囲の精神及び範囲から逸脱することなく、当業者によってなされ得るということが理解されるべきである。以下の特許請求の範囲及びその均等物の精神及び範囲に入るすべての実施形態が特許請求されている。
【図２−２】
2016537999.tif 000002
【図３−１】
2016537999.tif 000003
【図３−２】
2016537999.tif 000004
【図３−４】
2016537999.tif 000005
【図３−６】
2016537999.tif 000006
【図３−７Ａ】
2016537999.tif 000007
【図３−７Ｂ】
2016537999.tif 000008
【図３−７Ｃ】
2016537999.tif 000009
【図３−７Ｄ】
2016537999.tif 000010
【図３−７Ｅ】
2016537999.tif 000011
【図３−７Ｆ】
2016537999.tif 000012
【図３−８】
2016537999.tif 000013
【図３−９Ａ】
2016537999.tif 000014
【図３−９Ｂ】
2016537999.tif 000015
【図３−９Ｃ】
2016537999.tif 000016
【図３−９Ｄ】
2016537999.tif 000017
【図３−９Ｅ】
2016537999.tif 000018
【図３−９Ｆ】
2016537999.tif 000019
【図３−１０Ａ】
2016537999.tif 000020
【図３−１０Ｂ】
2016537999.tif 000021
【図３−１０Ｃ】
2016537999.tif 000022
【図３−１０Ｄ】
2016537999.tif 000023
【図３−１１】
2016537999.tif 000024
【図３−１２】
2016537999.tif 000025
【図３−１３Ａ】
2016537999.tif 000026
【図３−１３Ｂ】
2016537999.tif 000027
【図３−１３Ｃ】
2016537999.tif 000028
【図３−１４Ａ】
2016537999.tif 000029
【図３−１４Ｂ】
2016537999.tif 000030
【図３−１４Ｃ】
2016537999.tif 000031
【図３−１４Ｄ】
2016537999.tif 000032
【図３−１５】
2016537999.tif 000033
【図４−２Ａ】
2016537999.tif 000034
【図４−２Ｂ】
2016537999.tif 000035
【図４−２Ｃ】
2016537999.tif 000036
【図４−２Ｄ】
2016537999.tif 000037
【図４−２Ｅ】
2016537999.tif 000038
【図４−３Ａ】
2016537999.tif 000039
【図４−３Ｂ】
2016537999.tif 000040
【図４−３Ｃ】
2016537999.tif 000041
【図４−３Ｄ】
2016537999.tif 000042
【図４−３Ｅ】
2016537999.tif 000043
【図４−４Ａ】
2016537999.tif 000044
【図４−４Ｂ】
2016537999.tif 000045
【図４−４Ｃ】
2016537999.tif 000046
【図４−４Ｄ】
2016537999.tif 000047
【図４−４Ｅ】
2016537999.tif 000048
【図４−４Ｆ】
2016537999.tif 000049
【図４−４Ｇ】
2016537999.tif 000050
【図４−４Ｈ】
2016537999.tif 000051
【図４−４Ｉ】
2016537999.tif 000052
【図４−５Ａ】
2016537999.tif 000053
【図４−５Ｂ】
2016537999.tif 000054
【図４−５Ｃ】
2016537999.tif 000055
【図４−５Ｄ】
2016537999.tif 000056
【図４−６Ａ】
2016537999.tif 000057
【図４−６Ｂ】
2016537999.tif 000058
【図４−６Ｃ】
2016537999.tif 000059
【図４−６Ｄ】
2016537999.tif 000060
【図４−６Ｅ】
2016537999.tif 000061
【図４−６Ｆ】
2016537999.tif 000062
【図４−６Ｇ】
2016537999.tif 000063
【図４−６Ｈ】
2016537999.tif 000064
【図４−６Ｉ】
2016537999.tif 000065
【図４−６Ｊ】
2016537999.tif 000066
【図４−６Ｋ】
2016537999.tif 000067
【図４−６Ｌ】
2016537999.tif 000068
【図４−６Ｍ】
2016537999.tif 000069
【図４−６Ｎ】
2016537999.tif 000070
【図４−６Ｏ】
2016537999.tif 000071
【図４−６Ｐ】
2016537999.tif 000072
【図４−６Ｑ】
2016537999.tif 000073
【図４−６Ｒ】
2016537999.tif 000074
【図４−６Ｓ】
2016537999.tif 000075
【図４−６Ｔ】
2016537999.tif 000076
【図４−６Ｕ】
2016537999.tif 000077
【図５−１Ａ】
2016537999.tif 000078
【図５−１Ｂ】
2016537999.tif 000079
【図５−１Ｃ】
2016537999.tif 000080
【図５−１Ｄ】
2016537999.tif 000081
【図５−１Ｅ】
2016537999.tif 000082
【図５−２Ａ】
2016537999.tif 000083
【図５−２Ｂ】
2016537999.tif 000084
【図５−２Ｃ】
2016537999.tif 000085
【図５−２Ｅ】
2016537999.tif 000086
【図５−２Ｆ】
2016537999.tif 000087
【図５−２Ｇ】
2016537999.tif 000088
【図５−２Ｈ】
2016537999.tif 000089
【図５−２Ｉ】
2016537999.tif 000090
【図５−３Ａ】
2016537999.tif 000091
【図５−３Ｂ】
2016537999.tif 000092
【図５−３Ｃ】
2016537999.tif 000093
【図５−３Ｄ】
2016537999.tif 000094
【図５−３Ｅ】
2016537999.tif 000095
【図５−４Ａ】
2016537999.tif 000096
【図５−４Ｂ】
2016537999.tif 000097
【図５−４Ｃ】
2016537999.tif 000098
【図５−４Ｄ】
2016537999.tif 000099
【図５−４Ｅ】
2016537999.tif 000100
【図５−４Ｆ】
2016537999.tif 000101
【図５−４Ｇ】
2016537999.tif 000102
【図５−５Ａ】
2016537999.tif 000103
【図５−５Ｂ】
2016537999.tif 000104
【図５−５Ｃ】
2016537999.tif 000105
【図５−５Ｄ】
2016537999.tif 000106
【図５−５Ｅ】
2016537999.tif 000107
【図５−６Ａ】
2016537999.tif 000108
【図５−６Ｄ】
2016537999.tif 000109
【図５−６Ｅ】
2016537999.tif 000110
【図５−７Ａ】
2016537999.tif 000111
【図５−７Ｂ】
2016537999.tif 000112
【図５−７Ｃ】
2016537999.tif 000113
【図５−７Ｄ】
2016537999.tif 000114
【図５−８Ａ】
2016537999.tif 000115
【図５−８Ｂ】
2016537999.tif 000116
【図５−８Ｃ】
2016537999.tif 000117
【図５−８Ｄ】
2016537999.tif 000118
【図５−８Ｅ】
2016537999.tif 000119
【図５−８Ｆ】
2016537999.tif 000120
【図５−８Ｇ】
2016537999.tif 000121
【図５−９Ａ】
2016537999.tif 000122
【図５−９Ｂ】
2016537999.tif 000123
【図５−９Ｃ】
2016537999.tif 000124
【図５−９Ｄ】
2016537999.tif 000125
【図５−９Ｅ】
2016537999.tif 000126
【図６−１Ａ】
2016537999.tif 000127
【図６−１Ｂ】
2016537999.tif 000128
【図６−２Ａ】
2016537999.tif 000129
【図６−２Ｂ】
2016537999.tif 000130
【図６−２Ｃ】
2016537999.tif 000131
【図６−２Ｄ】
2016537999.tif 000132
【図６−３Ａ】
2016537999.tif 000133
【図６−３Ｂ】
2016537999.tif 000134
【図６−３Ｃ】
2016537999.tif 000135
【図６−３Ｄ】
2016537999.tif 000136
【図６−４Ａ】
2016537999.tif 000137
【図６−４Ｂ】
2016537999.tif 000138
【図６−４Ｃ】
2016537999.tif 000139
【図６−４Ｄ】
2016537999.tif 000140
【図６−４Ｅ】
2016537999.tif 000141
【図６−５Ａ】
2016537999.tif 000142
【図６−５Ｂ】
2016537999.tif 000143
【図６−５Ｃ】
2016537999.tif 000144
【図６−５Ｄ】
2016537999.tif 000145
【図６−６Ａ】
2016537999.tif 000146
【図６−６Ｂ】
2016537999.tif 000147
【図６−７Ａ】
2016537999.tif 000148
【図６−７Ｂ】
2016537999.tif 000149
【図７−１Ａ】
2016537999.tif 000150
【図７−１Ｂ】
2016537999.tif 000151
【図７−１Ｃ】
2016537999.tif 000152
【図７−１Ｄ】
2016537999.tif 000153
【図７−１Ｅ】
2016537999.tif 000154
【図７−１Ｆ】
2016537999.tif 000155
【図７−２Ａ】
2016537999.tif 000156
【図７−２Ｂ】
2016537999.tif 000157
【図７−２Ｃ】
2016537999.tif 000158
【図７−２Ｄ】
2016537999.tif 000159
【図７−３Ａ】
2016537999.tif 000160
【図７−３Ｂ】
2016537999.tif 000161
【図７−３Ｃ】
2016537999.tif 000162
【図１−１】
2016537999.tif 000163
【図１−２Ａ】
2016537999.tif 000164
【図１−２Ｂ】
2016537999.tif 000165
【図２−１】
2016537999.tif 000166
【図２−３】
2016537999.tif 000167
【図３−３】
2016537999.tif 000168
【図３−５】
2016537999.tif 000169
【図４−１Ａ】
2016537999.tif 000170
【図４−１Ｂ】
2016537999.tif 000171
【図５−２Ｄ】
2016537999.tif 000172
【図５−６Ｂ】
2016537999.tif 000173
【図５−６Ｃ】
2016537999.tif 000174
【図５−９Ｆ】
2016537999.tif 000175
【図５−９Ｇ】
2016537999.tif 000176
【図７−２Ｅ】
2016537999.tif 000177
【図７−２Ｆ】
2016537999.tif 000178
【図７−２Ｇ】
2016537999.tif 000179
【図７−２Ｈ】
2016537999.tif 000180
【図７−２Ｉ】
2016537999.tif 000181
【図７−２Ｊ】
2016537999.tif 000182
【図７−４Ａ】
2016537999.tif 000183
【図７−４Ｂ】
2016537999.tif 000184
【図７−４Ｃ】
2016537999.tif 000185
【図７−４Ｄ】
2016537999.tif 000186
【図７−４Ｅ】
2016537999.tif 000187
【図７−４Ｆ】
2016537999.tif 000188
【図７−４Ｇ】
2016537999.tif 000189
【図７−４Ｈ】
2016537999.tif 000190
【図８−１Ａ】
2016537999.tif 000191
【図８−２】
2016537999.tif 000192
【図８−３】
2016537999.tif 000193
【国際調査報告】
2016537999.tif 000194
2016537999.tif 000195
2016537999.tif 000196
2016537999.tif 000197
2016537999.tif 000198