(57)【要約】  集積回路は、入射光子を受け取るように構成された光検出領域を備える。光検出領域は、入射光子に応答して複数の電荷キャリアを生成するように構成されている。集積回路は、少なくとも１つの電荷キャリア貯蔵領域を備える。集積回路はまた、電荷キャリアが生成された時間に基づいて、複数の電荷キャリアのうちの電荷キャリアを少なくとも１つの電荷キャリア貯蔵領域内へ直接方向付けするべく、選択的に方向付けするように構成された電荷キャリア分離構造を備える。
2020504507.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入射光子を受け取るように構成された光検出領域であって、前記入射光子に応答して複数の電荷キャリアを生成するように構成された光検出領域と、
少なくとも１つの電荷キャリア貯蔵領域と、
前記複数の電荷キャリアのうちの電荷キャリアを、前記電荷キャリアが生成された時間に基づいて、前記少なくとも１つの電荷キャリア貯蔵領域内へ直接方向付けするべく、選択的に方向付けするように構成された電荷キャリア分離構造と
を備える集積回路。
【請求項２】
直接ビニングピクセルを備える集積回路であって、前記直接ビニングピクセルは、
入射光子を受け取るように構成された光検出領域であって、前記入射光子に応答して複数の電荷キャリアを生成するように構成された光検出領域と、
少なくとも１つの電荷キャリア貯蔵領域と、
前記複数の電荷キャリアのうちの電荷キャリアを、前記電荷キャリアが生成された時間に基づいて、前記少なくとも１つの電荷キャリア貯蔵領域内へ選択的に方向付けするように構成された電荷キャリア分離構造と
を備える、集積回路。
【請求項３】
複数のピクセルを備える集積回路であって、前記複数のピクセルのうちの第１のピクセルは、
入射光子を受け取るように構成された光検出領域であって、前記入射光子に応答して複数の電荷キャリアを生成するように構成された光検出領域と、
複数の電荷キャリア貯蔵領域と、
前記複数の電荷キャリアのうちの電荷キャリアを、前記電荷キャリアが生成された時間に基づいて、前記複数の電荷キャリア貯蔵領域のそれぞれの電荷キャリア貯蔵領域内へ直接方向付けするべく、選択的に方向付けするように、また複数の測定期間に生成された電荷キャリアを前記複数の電荷キャリア貯蔵領域に集約するように構成された電荷キャリア分離構造と
を備える直接ビニングピクセルである集積回路。
【請求項４】
（Ａ）光検出領域において入射光子を受け取る工程と、
（Ｂ）前記入射光子に応答して生成された複数の電荷キャリアのうちの電荷キャリアを、前記電荷キャリアが生成された時間に基づいて、前記光検出領域から直接少なくとも１つの電荷キャリア貯蔵領域内へ選択的に方向付けする工程と
を備える光検出方法。
【請求項５】
前記電荷キャリア分離構造は、前記光検出領域と前記少なくとも１つの電荷キャリア貯蔵領域のうちの第１の電荷キャリア貯蔵領域との間の境界に少なくとも１つの電極を備える、請求項１〜３のいずれか一項に記載の集積回路。
【請求項６】
前記電荷キャリア分離構造は、前記光検出領域と前記第１の電荷キャリア貯蔵領域との間の前記境界に単一の電極を備える、請求項５に記載の集積回路。
【請求項７】
電荷キャリア捕獲領域が前記直接ビニングピクセルに存在しないか、電荷キャリア捕獲領域が前記光検出領域と電荷キャリア貯蔵領域との間に存在しないか、またはその両方である、請求項１〜６のいずれか一項に記載の集積回路または光検出方法。
【請求項８】
前記光検出領域と前記少なくとも１つの電荷キャリア貯蔵領域との間において前記キャリアを捕獲することなく、電荷キャリアが前記少なくとも１つの電荷キャリア貯蔵領域に対し移送される、請求項１〜７のいずれか一項に記載の集積回路または光検出方法。
【請求項９】
電荷キャリア除去領域が、除去期間中に前記光検出領域において生成された電荷キャリアを廃棄する、請求項１〜８のいずれか一項に記載の集積回路または光検出方法。
【請求項１０】
廃棄された前記電荷キャリアは、キャリアが前記光検出領域から電荷キャリア貯蔵領域に向かって方向付けされる方向とは異なる方向において前記光検出領域から取り除かれる、請求項９に記載の集積回路または光検出方法。
【請求項１１】
電荷キャリア除去領域が、前記光検出領域と前記電荷キャリア除去領域との間の境界における電極の電圧を変化させることによって、除去期間中に前記光検出領域において生成された電荷キャリアを廃棄する、請求項９に記載の集積回路または光検出方法。
【請求項１２】
単一光子が、前記少なくとも１つの電荷キャリア貯蔵領域に対し移送され、前記少なくとも１つの電荷キャリア貯蔵領域に集約される、請求項１〜１１のいずれか一項に記載の集積回路または光検出方法。
【請求項１３】
半導体基板の表面の下において１マイクロメートルよりも深い位置にある電荷キャリアは除去される、請求項１〜１２のいずれか一項に記載の集積回路または光検出方法。
【請求項１４】
前記半導体基板の表面の下において１マイクロメートルよりも深い位置にある電荷キャリアは、前記光検出領域のフォトダイオードの下のインプラントによって少なくとも部分的に除去される、請求項１３に記載の集積回路または光検出方法。
【請求項１５】
前記インプラントは深部遮蔽体または深部ドレインを提供する、請求項１４に記載の集積回路または光検出方法。
【請求項１６】
前記インプラントはＮ型またはＰ＋型である、請求項１５に記載の集積回路または光検出方法。
【請求項１７】
前記半導体基板の表面の下において１マイクロメートルよりも深い位置にある電荷キャリアは、前記半導体基板の前記表面の下のドリフトの場によって除去される、請求項１３または１４に記載の集積回路または光検出方法。
【請求項１８】
前記光検出領域は、２マイクロメートル未満の深さであるエピタキシャル領域に形成されている、請求項１〜３のいずれか一項に記載の集積回路。
【請求項１９】
前記光検出領域は、フォトダイオードを含むエピタキシャル領域である、請求項１〜１８のいずれか一項に記載の集積回路または光検出方法。
【請求項２０】
前記フォトダイオードにおける電荷キャリアは除去期間中に除去領域に対して移送され、次いで第１の電荷キャリア貯蔵領域に対する第１の電位障壁が低下され、次いで第２の電荷キャリア貯蔵領域に対する第２の電位障壁が低下される、請求項１〜１９のいずれか一項に記載の集積回路または光検出方法。
【請求項２１】
前記第１の電位障壁は第１の電極によって制御され、前記第２の電位障壁は第２の電極によって制御される、請求項２０に記載の集積回路または光検出方法。
【請求項２２】
前記少なくとも１つの電荷キャリア貯蔵領域は、複数の電荷キャリア貯蔵領域を含む、請求項１〜２１のいずれか一項に記載の集積回路または光検出方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、直接ビニングピクセルを備える集積光検出器に関する。
【背景技術】
【０００２】
光検出器は、様々な用途において光を検出するために使用されている。入射光の強度を示す電気信号を生成する集積光検出器が開発されている。イメージング用途の集積光検出器は、シーン全体から受け取られた光の強度を検出するためのピクセルのアレイを含む。集積光検出器の例は、電荷結合素子（ＣＣＤ）および相補型金属酸化膜半導体（ＣＭＯＳ）画像センサを含む。
【図面の簡単な説明】
【０００３】
【図１Ａ】異なる寿命を有する２つのマーカについて時間の関数として光子の放出される確率をプロットする図。
【図１Ｂ】例示的な励起パルス（点線）および例示的な蛍光放出（実線）の例示的な強度プロファイルを経時的に示す図。
【図２Ａ】集積光検出器のピクセルの図。
【図２Ｂ】図２Ａと異なる時点および空間で電荷キャリアを捕獲することを示す図。
【図３】直接ビニングピクセルの例を示す図。
【図４】直接ビニングピクセルを動作させる方法のフローチャート。
【図５Ａ】図４の方法の様々なステージにおける直接ビニングを示す図。
【図５Ｂ】図４の方法の様々なステージにおける直接ビニングを示す図。
【図５Ｃ】図４の方法の様々なステージにおける直接ビニングを示す図。
【図５Ｄ】図４の方法の様々なステージにおける直接ビニングを示す図。
【図５Ｅ】図４の方法の様々なステージにおける直接ビニングを示す図。
【図５Ｆ】図４の方法の様々なステージにおける直接ビニングを示す図。
【図６】直接ビニングピクセルの断面図。
【図７】ｐ＋領域およびｎ＋領域を有する分割ドーピングされた電極（ｓｐｌｉｔ−ｄｏｐｅｄ  ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ）を示す図。
【図８】直接ビニングピクセルの一例の平面図。
【図９】直接ビニングピクセルの別の例の平面図。
【図１０】除去期間中の直接ビニングピクセルにおける電位を示す図。
【図１１】除去領域およびビンに対する電位障壁が上昇した期間中の直接ビニングピクセルにおける電位を示す図。
【図１２】電荷がビンに対して移送され得る期間における直接ビニングピクセルにおける電位を示す図。
【図１３】移送ゲートによって生成される電位障壁を低下させることによる、ビンに貯蔵されている電荷の浮遊拡散部ＦＤに対する移送を示す図。
【図１４】浮遊拡散部ＦＤのリセットを示す図。
【図１５】波長の関数として吸収深さのプロットを示す図。
【図１６】フォトダイオードの一例についてのドーピング・プロファイルと電位とを示す図。
【図１７】深部生成キャリアが表面に到達するのを防止し得る深部ドーピング領域を示す図。
【図１８】示すキャリアが深部ｎ井戸領域へと引き込まれる、１０ｎｓ間の電子運動のシミュレーションを示す図。
【図１９】高電位にてバイアスがかけられているＮ型埋設層（深部ドレイン）を示す図。
【図２０】基板と接触するＰ＋型埋設層（深部遮蔽体）を示す図。
【図２１】集積回路が作製される材料の例を示す図。
【図２２】いくつかの実施形態による、直接ビニングピクセルのためのドーピング・プロファイルの例を示す図。
【図２３】図２２に示されるドーピング・プロファイルを有する直接ビニングピクセルを形成するための例示的な処理シーケンスを示す図。
【図２４】図２２の線ｙ＝０に沿ったヒ素、ホウ素、リンおよび窒素についての例示的なドーピング・プロファイルのプロットを示す図。
【図２５】すべての電極の電圧を０Ｖに設定することによってすべての障壁が閉じられるときの、図２３のピクセルにおける電位のプロットを示す図。
【図２６】電極２１３の電圧が３Ｖに設定されるときの、図２３のピクセルにおける電位のプロットを示す図。
【図２７】電極の電圧が変化したときの基板内の電位の曲線を示す図。
【図２８】光検出器を形成する例示的なプロセスと、４つの異なるピクセル設計ｄ０〜ｄ３を示し、第１レベルを示す図。
【図２９】光検出器を形成する例示的なプロセスと、４つの異なるピクセル設計ｄ０〜ｄ３を示し、第２レベルを示す図。
【図３０】光検出器を形成する例示的なプロセスと、４つの異なるピクセル設計ｄ０〜ｄ３を示し、第３レベルを示す図。
【図３１】光検出器を形成する例示的なプロセスと、４つの異なるピクセル設計ｄ０〜ｄ３を示し、第４レベルを示す図。
【図３２】光検出器を形成する例示的なプロセスと、４つの異なるピクセル設計ｄ０〜ｄ３を示し、第５レベルを示す図。
【図３３】チップ・アーキテクチャの図。
【図３４】例示的コンピューティング・デバイスのブロック図。
【発明を実施するための形態】
【０００４】
いくつかの実施形態は、入射光子を受け取るように構成された光検出領域であって、入射光子に応答して複数の電荷キャリアを生成するように構成された光検出領域と、少なくとも１つの電荷キャリア貯蔵領域と、複数の電荷キャリアのうちの電荷キャリアを、電荷キャリアが生成された時間に基づいて、少なくとも１つの電荷キャリア貯蔵領域内へ直接方向付けするべく、選択的に方向付けするように構成された電荷キャリア分離構造とを備える集積回路に関する。
【０００５】
いくつかの実施形態は、入射光子を受け取るように構成された光検出領域であって、入射光子に応答して複数の電荷キャリアを生成するように構成された光検出領域と、少なくとも１つの電荷キャリア貯蔵領域と、複数の電荷キャリアのうちの電荷キャリアを、電荷キャリアが生成された時間に基づいて、少なくとも１つの電荷キャリア貯蔵領域内へ選択的に方向付けするように構成された電荷キャリア分離構造とを備える直接ビニングピクセルを備える集積回路に関する。
【０００６】
いくつかの実施形態は、複数のピクセルを備える集積回路であって、複数のピクセルのうちの第１のピクセルは、入射光子を受け取るように構成された光検出領域であって、入射光子に応答して複数の電荷キャリアを生成するように構成された光検出領域と、複数の電荷キャリア貯蔵領域と、複数の電荷キャリアのうちの電荷キャリアを、電荷キャリアが生成された時間に基づいて、複数の電荷キャリア貯蔵領域のそれぞれの電荷キャリア貯蔵領域内へ直接方向付けするべく、選択的に方向付けするように、また複数の測定期間に生成された電荷キャリアを複数の電荷キャリア貯蔵領域において集約するように構成された電荷キャリア分離構造とを備える直接ビニングピクセルである、集積回路に関する。
【０００７】
いくつかの実施形態は、光検出方法に関し、光検出方法は、（Ａ）光検出領域において入射光子を受け取る工程と、（Ｂ）入射光子に応答して生成された複数の電荷キャリアのうちの電荷キャリアを、電荷キャリアが生成された時間に基づいて、光検出領域から直接少なくとも１つの電荷キャリア貯蔵領域内へ選択的に方向付けする工程とを備える。
【０００８】
電荷キャリア分離構造は、光検出領域と少なくとも１つの電荷キャリア貯蔵領域のうちの第１の電荷キャリア貯蔵領域との間の境界に少なくとも１つの電極を備えてよい。
電荷キャリア分離構造は、光検出領域と第１の電荷キャリア貯蔵領域との間の境界に単一の電極を備えてよい。
【０００９】
いくつかの実施形態では、電荷キャリア捕獲領域が直接ビニングピクセルに存在しないか、電荷キャリア捕獲領域が光検出領域と電荷キャリア貯蔵領域との間に存在しないか、またはその両方である。
【００１０】
光検出領域と少なくとも１つの電荷キャリア貯蔵領域との間においてキャリアを捕獲することなく、電荷キャリアが少なくとも１つの電荷キャリア貯蔵領域に対し移送されてよい。
【００１１】
電荷キャリア除去領域は、除去期間中に光検出領域において生成された電荷キャリアを廃棄してよい。
廃棄された電荷キャリアは、キャリアが光検出領域から電荷キャリア貯蔵領域に向かって方向付けされる方向とは異なる方向において光検出領域から取り除かれてよい。
【００１２】
電荷キャリア除去領域は、光検出領域と電荷キャリア除去領域との間の境界における電極の電圧を変化させることによって、除去期間中に光検出領域において生成された電荷キャリアを廃棄してよい。
【００１３】
単一光子が、少なくとも１つの電荷キャリア貯蔵領域に対し移送され、少なくとも１つの電荷キャリア貯蔵領域に集約されてよい。
半導体基板の表面の下において１マイクロメートルよりも深い位置にある電荷キャリアは除去されてよい。
【００１４】
半導体基板の表面の下において１マイクロメートルよりも深い位置にある電荷キャリアは、光検出領域のフォトダイオードの下のインプラントによって少なくとも部分的に除去されてよい。
【００１５】
インプラントは深部遮蔽体または深部ドレインを提供してよい。
インプラントはＮ型またはＰ＋型であってよい。
半導体基板の表面の下において１マイクロメートルよりも深い位置にある電荷キャリアは、半導体基板の表面の下のドリフトの場によって除去されてよい。
【００１６】
光検出領域は、２マイクロメートル未満の深さであるエピタキシャル領域に形成されてよい。
光検出領域は、フォトダイオードを含むエピタキシャル領域であってよい。
【００１７】
フォトダイオードにおける電荷キャリアは除去期間中に除去領域に対して移送されてよく、次いで第１の電荷キャリア貯蔵領域に対する第１の電位障壁が低下されてよく、次いで第２の電荷キャリア貯蔵領域に対する第２の電位障壁が低下されてよい。
【００１８】
第１の電位障壁は第１の電極によって制御されてよく、第２の電位障壁は第２の電極によって制御されてよい。
少なくとも１つの電荷キャリア貯蔵領域は、複数の電荷キャリア貯蔵領域を含んでよい。
【００１９】
上記の概要は例示のために提供され、限定することは意図されていない。
図面では、様々な図に示される同一またはほぼ同一の各構成要素は、同様の参照符号によって表される。明確にするため、すべての構成要素がすべての図で標識付けされるわけではない。図面は必ずしも原寸に比例して描かれるのではなく、本明細書で説明される技法およびデバイスの様々な態様を例示することに重点が置かれる。
【００２０】
本明細書では、入射光子の到着のタイミングを正確に測定または「時間ビニング」することができる集積光検出器が説明される。いくつかの実施形態では、集積光検出器は、ナノ秒またはピコ秒の分解能で光子の到着を測定することができる。そのような光検出器は、核酸のシークエンシング（たとえばＤＮＡシークエンシング）に適用され得る分子検出／定量化を含む様々な用途において用途を見出すことができる。そのような光検出器は、ヌクレオチドを標識するために使用される発光分子からの入射光子の到着の時間領域解析を容易にし、それにより、輝度寿命に基づくヌクレオチドの識別およびシークエンシングを可能にすることができる。集積光検出器の用途の他の例は、以下でさらに論じられるように蛍光寿命イメージングおよび飛行時間型イメージングを含む。
分子検出／定量化のための時間領域測定の考察
生物学的サンプルの検出および定量化が、生物学的アッセイ（「バイオアッセイ」）を使用して行われ得る。バイオアッセイは従来、大型で高価な実験機器を必要とし、機器を操作しバイオアッセイを行うために訓練された研究科学者を要する。バイオアッセイは従来、まとめて行われ、大量の特定のタイプのサンプルが検出および定量化のために必要となっている。いくつかのバイオアッセイは、特定の波長の光を放出する発光性マーカを用いてサンプルにタグ付けすることによって行われる。サンプルは光源によって照射されて発光を生じ、発光性の光が光検出器によって検出され、マーカにより放出される光の量が定量化される。発光性タグおよび／またはレポータを使用するバイオアッセイは従来、サンプルを照射するための高価なレーザ光源、ならびに照射されたサンプルから光を収集するための複雑な発光性検出オプティクスおよび電子部品を必要とする。
【００２１】
いくつかの実施形態では、本明細書に説明されるような集積光検出器は、励起に応答して生物学的および／または化学的サンプルの輝度特性を検出することができる。より具体的には、そのような集積光検出器は、サンプルから受け取られた光の時間的特性を検出することができる。そのような集積光検出器は、励起に応答して発光分子によって放出される光の輝度寿命、たとえば蛍光寿命を検出および／または弁別することを可能にすることができる。いくつかの実施形態では、輝度寿命の検出および／または弁別に基づいて、サンプルの識別および／または定量的測定が行われ得る。たとえば、いくつかの実施形態では、核酸（たとえば、ＤＮＡ、ＲＮＡ）のシークエンシングは、それぞれのヌクレオチドに付着された発光分子の輝度寿命を検出および／または弁別することによって行われ得る。各発光分子は、対応するヌクレオチドに対して直接的に付着（たとえば結合）されてもよく、または対応するヌクレオチドに対して、ヌクレオチドおよび発光分子に結合されたリンカー分子を介して間接的に付着されてもよい。
【００２２】
いくつかの実施形態では、「ピクセル」と称されるいくつかの光検出構造および関連付けられた電子部品を有する集積光検出器は、並列で複数のサンプル（たとえば、数百、数千、または数百万以上）の測定および分析を可能にすることができ、それにより、複雑な測定を行うコストを低減し、発見率を急速に高めることができる。いくつかの実施形態では、光検出器の各ピクセルは、単一分子または複数の分子であり得るサンプルからの光を検出することができる。いくつかの実施形態では、そのような集積光検出器は、核酸（たとえば、ＤＮＡ、ＲＮＡ）シークエンシングなどの動的なリアルタイム用途に使用されることが可能である。
【００２３】
輝度寿命を使用する分子の検出／定量化
本出願の態様による集積光検出器を有する集積回路は、様々な検出およびイメージング用途に適切な機能を用いて設計され得る。以下でさらに詳細に説明されるように、そのような集積光検出器は、１つまたは複数の時間間隔または「時間ビン」内で光を検出する能力を有することができる。光の到着の時間に関する情報を収集するために、入射光子に応答して電荷キャリアが生成され、到着の時間に基づいてそれぞれの時間ビン内へ分離され得る。
【００２４】
本出願のいくつかの態様による集積光検出器は、フルオロフォアなどの発光分子を含む光放出源を区別するために使用されてよい。発光分子は、それらが放出する光の波長、それらが放出する光の時間的特性（たとえば、それらの放出減衰期間）、および励起エネルギーに対するそれらの応答について異なる。したがって、発光分子は、これらの属性の検出に基づいて、他の発光分子から識別または弁別されてよい。そのような識別または弁別の技法は、単独または任意の適切な組合せで使用されてよい。
【００２５】
いくつかの実施形態では、本出願に説明されるような集積光検出器は、蛍光寿命などの輝度寿命を測定または弁別することができる。蛍光寿命測定は、１つまたは複数の蛍光性分子を励起し、放出された発光の時間変化を測定することに基づく。蛍光性分子が励起状態に到達した後に蛍光性分子が光子を放出する確率は、経時的に指数関数的に減少する。確率が減少する率は、蛍光性分子の特性を示すものであってもよく、また異なる蛍光性分子に対して異なっていてもよい。蛍光性分子によって放出される光の時間的特性を検出することにより、蛍光性分子の識別、および／または蛍光性分子の互いに対する弁別を可能にすることができる。発光分子は、本明細書では発光性マーカまたは単に「マーカ」とも呼ばれる。
【００２６】
励起された状態に到達した後、マーカは、所与の時間に、ある確率で光子を放出することができる。励起されたマーカから光子が放出される確率は、マーカの励起後に経時的に減少し得る。経時的な光子が放出される確率の減少は、指数関数的な減衰関数ｐ（ｔ）＝ｅ−ｔ／τによって表されてよく、ここで、ｐ（ｔ）は時間ｔにおける光子放出の確率であり、τはマーカの時間的パラメータである。時間的パラメータτは、マーカが光子を放出する確率がある値であるときの励起後の時間を示す。時間的パラメータτは、その吸収および発光スペクトル属性とは異なり得るマーカの属性である。そのような時間的パラメータτは、輝度寿命、蛍光寿命、または単純にマーカの「寿命」と呼ばれる。
【００２７】
図１Ａは、異なる寿命を有する２つのマーカについて時間の関数として光子の放出される確率をプロットしている。確率曲線Ｂによって表されるマーカは、確率曲線Ａによって表されるマーカの放出の確率よりも速く減衰する放出の確率を有する。確率曲線Ｂによって表されるマーカは、確率曲線Ａによって表されるマーカよりも短い時間パラメータτまたは寿命を有する。いくつかの実施形態では、マーカは０．１〜２０ｎｓの範囲の蛍光寿命を有してよい。しかしながら、本明細書に説明される技法は、使用されるマーカの寿命に関して限定されない。
【００２８】
マーカの寿命は、２つ以上のマーカを区別するために使用されてよく、かつ／またはマーカを識別するために使用されてもよい。いくつかの実施形態では、異なる寿命を有する複数のマーカが励起源によって励起される蛍光寿命測定が行われてよい。一例として、それぞれ０．５、１、２、および３ナノ秒の寿命を有する４つのマーカが、選択された波長（たとえば６３５ｎｍ）を有する光を放出する光源によって励起されてよい。マーカは、マーカによって放出された光の寿命の測定に基づいて、互いに識別または区別されてよい。
【００２９】
蛍光寿命測定では、絶対強度値とは対照的に、経時的にどのように強度が変化するかを比較することによって相対強度測定を使用することができる。結果として、蛍光寿命測定は、絶対強度測定の難点のいくつかを回避することができる。絶対強度測定は、存在するフルオロフォアの濃度に応じて異なることがあり、フルオロフォア濃度を変えるために較正工程が必要とされ得る。対照的に、蛍光寿命測定は、フルオロフォア濃度に影響されないことが可能である。
【００３０】
発光マーカは外因性または内因性であり得る。外因性マーカは、発光性標識化のためのレポータおよび／またはタグとして使用される外部発光性マーカであってよい。外因性マーカの例は、蛍光性分子、フルオロフォア、蛍光色素、蛍光染色剤、有機色素、蛍光タンパク質、酵素、および／または量子ドットを含み得る。そのような外因性マーカは、特定の標的または成分に特異的に結合するプローブまたは官能基（たとえば、分子、イオン、および／またはリガンド）にコンジュゲートされ得る。外因性のタグまたはレポータをプローブに付着することは、外因性のタグまたはレポータの存在の検出を通して標的の識別を可能にする。プローブの例は、タンパク質、ＤＮＡ分子またはＲＮＡ分子などの核酸、脂質、および抗体プローブを含み得る。外因性のマーカと官能基の組合せは、検出のために使用される任意の適切なプローブ、タグ、および／または標識を形成してよく、それらには、分子プローブ、標識プローブ、ハイブリダイゼーション・プローブ、抗体プローブ、タンパク質プローブ（たとえば、ビオチン結合プローブ）、酵素標識、蛍光性プローブ、蛍光性タグ、および／または酵素レポータが含まれる。
【００３１】
外因性マーカはサンプルまたは領域に対して追加され得るが、内因性マーカはすでにサンプルまたは領域の一部であり得る。内因性マーカは、励起エネルギーの存在下で発光または「自己蛍光」することができる、存在する任意の発光性マーカを含み得る。内因性フルオロフォアの自己蛍光は、外因性フルオロフォアの導入を必要とすることなく、無標識で非侵襲的な標識化を提供することができる。そのような内因性フルオロフォアの例は、限定ではなく例として、ヘモグロビン、酸素ヘモグロビン、脂質、コラーゲンおよびエラスチン・クロスリンク、還元型ニコチンアミド・アデニン・ジヌクレオチド（ＮＡＤＨ）、酸化フラビン（ＦＡＤおよびＦＭＮ）、リポフスチン、ケラチン、ならびに／またはポルフィリン（ｐｒｏｐｈｙｒｉｎ）を含み得る。
【００３２】
寿命測定によってマーカを区別することによって、マーカが発光スペクトルの測定によって区別されるときよりも少ない波長の励起光が使用されることを可能にすることができる。いくつかの実施形態では、より少ない波長の励起光および／または発光性の光を使用するとき、センサ、フィルタ、および／または回折オプティクスが減少されるまたは除去されることが可能である。いくつかの実施形態では、異なる寿命を有するマーカを用いて標識化が行われてよく、マーカは、同じ励起波長またはスペクトルを有する光によって励起されてよい。いくつかの実施形態では、単一の波長またはスペクトルの光を放出する励起光源が使用されてよく、それによりコストを低減することができる。しかしながら、本明細書に説明されている技法は、これに関して限定されず、任意の数の励起光波長またはスペクトルが使用されてよい。いくつかの実施形態では、受け取られた光に関するスペクトル情報および時間情報の両方を決定するために、集積光検出器が使用されてよい。いくつかの実施形態では、存在する分子の種類の定量的分析は、マーカから放出された発光の時間的パラメータ、スペクトル・パラメータ、または時間的パラメータとスペクトル・パラメータとの組合せを決定することによって行われてよい。
【００３３】
入射光子の到着時間を検出する集積光検出器により、追加の光学フィルタリング（たとえば光学スペクトル・フィルタリング）要件を低減し得る。以下に説明されるように、本出願による集積光検出器は、光生成されたキャリアを特定の時間に除去するためのドレインを含むことができる。光生成されたキャリアをこのように除去することによって、励起光パルスに応答して生成された望ましくない電荷キャリアが、光学フィルタリングを必要とせずに廃棄されて、励起パルスからの光の受光を防止することができる。そのような光検出器により、全体的な設計統合の複雑性、光学的および／またはフィルタリング構成要素、および／またはコストを低減することができる。
【００３４】
いくつかの実施形態では、時間の関数として輝度強度値を検出するために、集積光検出器の１つまたは複数の時間ビンにおいて収集された電荷キャリアを集約することによって、放出された発光の時間プロファイルを測定することによって、蛍光寿命が決定され得る。いくつかの実施形態では、マーカが励起状態になるよう励起され次いで光子が放出される時間が測定される、複数回の測定を行うことによって、マーカの寿命が決定され得る。測定ごとに、励起源が、マーカに向けられた励起光のパルスを生成することができ、励起パルスとマーカからのその後の光子イベントとの間の時間が決定され得る。これに加えてまたはこれに代えて、励起パルスが繰り返し周期的に発生する場合、光子放出イベントが発生した時とその後の励起パルスとの間の時間が測定されることが可能であり、測定された時間が、励起パルス間の時間間隔（すなわち、励起パルス波形の周期）から差し引かれて、光子吸収イベントの時間を決定することができる。
【００３５】
複数の励起パルスを用いてそのような実験を繰り返すことによって、励起後のある時間間隔内に光子がマーカから放出される場合の数が決定されることが可能であり、それは、励起後のそのような時間間隔内に光子が放出される確率を示す。収集される光子放出イベントの数は、マーカに対して放出される励起パルスの数に基づくことができる。測定期間にわたる光子放出イベントの数は、５０〜１０，０００，０００またはそれより多い範囲になり得るが、いくつかの実施形態では、本明細書に説明されている技法はこれに関して限定されない。励起後のある時間間隔内に光子がマーカから放出される場合の数は、一連の離散時間間隔または時間ビン内で発生する光子放出イベントの数を表すヒストグラムに投入されることがある。時間ビンの数および／または各ビンの時間間隔は、特定の寿命および／または特定のマーカを識別するように設定および／または調整されてよい。時間ビンの数および／または各ビンの時間間隔は、放出された光子を検出するために使用されるセンサに応じて異なり得る。時間ビンの数は、１、２、３、４、５、６、７、または８以上、たとえば１６，３２，６４、または１６、３２、または６４以上であってよい。曲線当てはめアルゴリズムが、記録されたヒストグラムに曲線をフィットさせるために使用されてよく、その結果、所与の時間におけるマーカの励起後に光子が放出される確率を表す関数が得られる。ｐ（ｔ）＝ｅ−ｔ／τのような指数関数的減衰関数が、ヒストグラムデータにほぼフィットするように使用されてよい。そのような曲線当てはめから、時間的パラメータまたは寿命が決定され得る。決定された寿命は、存在するマーカのタイプを識別するために、マーカの既知の寿命と比較され得る。
【００３６】
寿命は、２つの時間間隔における強度値から計算され得る。図１Ｂは、例示的な励起パルス（点線）および例示的な蛍光発光（実線）の例示的な強度プロファイルを経時的に示す。図１Ｂに示される例では、光検出器は、少なくとも２つの時間ビンにわたって強度を測定する。時間ｔ１と時間ｔ２の間で発光エネルギーを放出する光子は、光検出器によって、強度Ｉ１として測定され、時間ｔ３と時間ｔ４の間で放出される発光エネルギーはｌ２として測定される。任意の適切な数の強度値が得られてよいが、図１Ｂでは２つのみが示されている。次いで、そのような強度測定は、寿命を計算するために使用され得る。一度に１つのフルオロフォアが存在する場合、時間ビニングされた発光シグナルは単一の指数関数的減衰にフィットし得る。いくつかの実施形態では、フルオロフォアの寿命を正確に識別するために、２つの時間ビンしか必要とされなくてよい。２つ以上のフルオロフォアが存在する場合、発光信号を二重または三重指数関数のような複数の指数関数的減衰にフィットさせることによって、組み合わせた発光信号から個々の寿命が識別され得る。いくつかの実施形態では、そのような発光信号から複数の蛍光寿命を正確に識別するために、２つ以上の時間ビンが必要とされることがある。しかしながら、複数のフルオロフォアを用いるいくつかの例では、単一の指数関数的減衰を発光信号にフィットさせることによって、平均蛍光寿命が決定され得る。
【００３７】
いくつかの例では、光子放出イベントの確率、ひいてはマーカの寿命は、マーカの環境および／または条件に基づいて変化し得る。たとえば、励起光の波長よりも小さい直径を有するボリュームに閉じ込められたマーカの寿命は、マーカがそのボリュームにないときよりも小さくなり得る。マーカが標識化に使用されるときと同様の条件で、既知のマーカを用いた寿命測定が行われ得る。既知のマーカを用いたそのような測定から決定された寿命が、マーカを特定するときに使用され得る。
【００３８】
輝度寿命測定を使用するシークエンシング
集積光検出器の個々のピクセルは、分子または分子上の特定の位置のような１つまたは複数の標的を標識する蛍光タグおよび／またはレポータを識別するために使用される、蛍光寿命測定が可能であり得る。対象の任意の１つまたは複数の分子は、フルオロフォアによって標識されてよく、タンパク質、アミノ酸、酵素、脂質、ヌクレオチド、ＤＮＡ、およびＲＮＡが含まれる。放出された光のスペクトルの検出または他の標識技法と組み合わせると、蛍光寿命は、使用され得る蛍光タグおよび／またはレポータの総数を増加させることができる。寿命に基づく識別は、複雑な混合物における分子相互作用の特性に関する情報を提供するために、単一分子分析法に使用されてよく、この場合、そのような情報は、アンサンブル平均化において失われ、タンパク質間相互作用、酵素活性、分子動力学、および／または膜上の拡散を含み得る。加えて、異なる蛍光寿命を有するフルオロフォアは、標識成分の存在に基づく様々なアッセイ方法において標的成分にタグ付けするために使用され得る。いくつかの実施形態では、フルオロフォアの特定の寿命を検出することに基づいて、マイクロ流体システムを使用することなどによって、成分が分離され得る。
【００３９】
蛍光寿命の測定は、他の分析方法と組み合わせて使用されてもよい。たとえば、蛍光寿命は、１つまたは複数の分子に配置されたドナーおよびアクセプター・フルオロフォアの状態および／または環境を弁別するために、蛍光共鳴エネルギー移動（ＦＲＥＴ）技法と組み合わせて使用されてもよい。そのような測定は、供与体と受容体の間の距離を決定するために使用され得る。いくつかの例では、供与体から受容体へのエネルギー移動は、供与体の寿命を減少させることがある。別の例では、蛍光寿命測定は、ＤＮＡシークエンシング技法と組み合わせて使用されてよく、ここでは、異なる寿命を有する４つのフルオロフォアが、ヌクレオチドの未知の配列を有するＤＮＡ分子における４つの異なるヌクレオチド（Ａ、Ｔ、Ｇ、Ｃ）を標識するために使用され得る。フルオロフォアの発光スペクトルの代わりに蛍光寿命が、ヌクレオチドの配列を識別するために使用されてもよい。いくつかの技法で発光スペクトルの代わりに蛍光寿命を使用することにより、絶対強度測定のためアーチファクトが減少されるので、精度および測定分解能を増大することができる。加えて、寿命測定では、必要とされる励起エネルギー波長がより少なく、かつ／または検出される必要がある発光エネルギー波長がより少ないため、システムの複雑性および／または費用を低減することができる。
【００４０】
本明細書に説明されている方法は、ＤＮＡシークエンシングまたはＲＮＡシークエンシングのような核酸のシークエンシングに使用されることが可能である。ＤＮＡシークエンシングは、標的核酸分子におけるヌクレオチドの順序および位置の決定を可能にする。ＤＮＡシークエンシングに使用される技術は、核酸配列を決定するために使用される方法において、また、シークエンシング・プロセス中のレート、リード長、およびエラーの発生において大きく異なり得る。いくつかのＤＮＡシークエンシング方法は、合成によるシークエンシングに基づいており、このシークエンシングでは、標的核酸分子に相補的な核酸の新しく合成された鎖にヌクレオチドが組み込まれるときに、ヌクレオチドのアイデンティティが決定される。合成方法による多くのシークエンシングは、標的核酸分子の集団の存在（たとえば、標的核酸のコピー）、または標的核酸の集団を実現するための標的核酸の増幅の工程を必要とする。単一の核酸分子の配列を決定するための改善された方法が所望されている。
【００４１】
高精度かつ長いリード長で単一の核酸分子をシークエンシングすることに関して近年進歩している。単一分子シークエンシング技術、たとえば、パシフィック・バイオサイエンス（Ｐａｃｉｆｉｃ  Ｂｉｏｓｃｉｅｎｃｅｓ）によって開発されたＳＭＲＴ技術で使用される標的核酸は、サンプル・ウェルの底などの固体支持体に固定または添加されたシークエンシング反応の少なくとも１つの成分（たとえばＤＮＡポリメラーゼ）を含むサンプル・ウェルに添加される一本鎖ＤＮＡ鋳型である。サンプル・ウェルはまた、フルオロフォアなどの検出標識にコンジュゲートされたアデニン、シトシン、グアニン、およびチミンｄＮＴＰを含む「ｄＮＴＰ」とも呼ばれるデオキシリボヌクレオシド三リン酸を含む。好ましくは、ｄＮＴＰの各クラス（たとえば、アデニンｄＮＴＰ、シトシンｄＮＴＰ、グアニンｄＮＴＰおよびチミンｄＮＴＰ）は、信号の検出が新たに合成された核酸に組み込まれたｄＮＴＰのアイデンティティを示すように、異なる検出標識にコンジュゲートされる。検出標識は、検出標識の存在が、新たに合成された核酸鎖へのｄＮＴＰの組み込みまたはポリメラーゼの活性を阻害しないように、任意の位置でｄＮＴＰにコンジュゲートされ得る。いくつかの実施形態では、いくつかの実施形態では、検出標識は、ｄＮＴＰの末端リン酸塩（γリン酸塩）にコンジュゲートされる。
【００４２】
標的核酸に相補的な核酸を合成することができる単一分子ＤＮＡシークエンシングのために、任意のポリメラーゼが使用され得る。ポリメラーゼの例は、大腸菌（Ｅ．ｃｏｌｉ）ＤＮＡポリメラーゼＩ、Ｔ７  ＤＮＡポリメラーゼ、バクテリオファージＴ４  ＤＮＡポリメラーゼψ２９（プサイ２９）ＤＮＡポリメラーゼ、およびその変異体を含む。いくつかの実施形態では、ポリメラーゼは、単一のサブユニット・ポリメラーゼである。標的核酸の核酸塩基と相補的なｄＮＴＰとの塩基対合のときに、ポリメラーゼは、新しく合成された鎖の３’ヒドロキシル端部とｄＮＴＰのαリン酸塩との間にリン酸ジエステル結合を形成することによって、新しく合成された核酸鎖にｄＮＴＰを組み込む。ｄＮＴＰにコンジュゲートされた検出タグがフルオロフォアである例では、その存在が励起によって信号伝達され、組み込みの工程中に放出パルスが検出される。ｄＮＴＰの末端（γ）リン酸塩にコンジュゲートされた検出標識に関して、新たに合成された鎖へのｄＮＴＰの組み込みの結果、βおよびγリン酸塩の解放をもたらし、サンプル・ウェル中に自由に拡散する検出標識が、フルオロフォアから検出される放出の減少をもたらす。
【００４３】
本明細書に説明されている技法は、分子もしくは他のサンプルの検出もしくは定量化、または配列決定を行うことに関して限定されない。いくつかの実施形態では、集積光検出器は、領域、物体、またはシーンに関する空間情報と、領域、物体、またはシーンを使用する入射光子の到着に関する時間的情報とを得るためにイメージングを行うことができる。いくつかの実施形態では、集積光検出器は、蛍光寿命イメージングのような、領域、物体、またはサンプルの発光寿命イメージングを行うことができる。
他の用途
本明細書に説明されている集積光検出器は、上述されたように、複数の生物学的および／または化学的サンプルの分析に適用され得るが、集積光検出器は、たとえば、イメージング用途などの他の用途に適用されてもよい。いくつかの実施形態では、集積光検出器は、領域、物体、またはシーンのイメージングを行うピクセル・アレイを含むことができ、領域、物体、またはシーンの異なる領域から個々のピクセルで受け取られる光の時間的特性を検出することができる。たとえば、いくつかの実施形態では、集積光検出器は、組織から受け取られた光の時間的特性に基づいて組織のイメージングを行うことができ、これにより、医師が処置（たとえば手術）を行って組織の異常または病変領域（たとえば、癌または前癌部）を識別することを可能にすることができる。いくつかの実施形態では、集積光検出器は、外科用イメージング・ツールのような医療デバイスに組み込まれ得る。いくつかの実施形態では、光励起パルスに応答して組織によって放出された光に関する時間領域情報が、組織のイメージングおよび／またはキャラクタリゼーションを行うために取得され得る。たとえば、蛍光寿命イメージングを使用して、組織または他の物体のイメージングおよび／またはキャラクタリゼーションが行われてよい。
【００４４】
上述されたように、集積光検出器は、生物学的および／もしくは化学的サンプルのイメージングもしくは分析、または組織のイメージングを行うことなどによって、科学的または診断的コンテキストで適用され得るが、そのような集積光検出器は、他の任意の適切なコンテキストで使用されてもよい。たとえば、いくつかの実施形態では、そのような集積光検出器は、個々のピクセルで検出された光の時間的特性を使用してシーンのイメージングを行うことができる。シーンのイメージングを行う用途の例は、光検出器に光が到達するのにかかる時間の量が分析されて、光検出器まで光が移動された距離を決定する、レンジ・イメージングまたは飛行時間型イメージングである。そのような技法は、シーンの３次元イメージングを行うために使用され得る。たとえば、集積光検出器に対して既知の位置から放射された光パルス、および光検出器によって検出された反射光によって、シーンが照射され得る。アレイのそれぞれのピクセルで光が集積光検出器に到達するのにかかる時間の量が測定されて、シーンのそれぞれの部分から光検出器のそれぞれのピクセルに対して移動されて到達する光の距離が決定される。いくつかの実施形態では、集積光検出器は、たとえば、カメラ、携帯電話、またはタブレットコンピュータなどの家庭用電子デバイスに組み込まれてよく、取得された範囲情報に基づいて、そのようなデバイスが画像またはビデオを捕獲し処理することを可能にする。
【００４５】
いくつかの実施形態では、本出願に説明されている集積光検出器は、低い光強度を測定するために使用されてよい。そのような光検出器は、たとえば、単一光子計数技法を現在使用し得る用途など、高感度の光検出器を必要とする用途に適することがある。しかしながら、本明細書に説明されている技法はこれに関して限定されず、本出願に説明されている集積光検出器は、任意の適切な光強度を測定してよい。
【００４６】
他の発光寿命用途
寿命を使用するイメージングおよびキャラクタリゼーション
前述されたように、本明細書に説明されている技法は、外因性フルオロフォアを使用する標識化、検出、および定量化に限定されない。いくつかの実施形態では、領域、物体、またはサンプルは、集積光検出器の使用を通して、蛍光寿命イメージング技法を用いてイメージングおよび／またはキャラクタリゼーションが行われてよい。そのような技法では、領域、物体、またはサンプル自体の蛍光特性が、イメージングおよび／またはキャラクタリゼーションのために使用されてよい。外因性マーカまたは内因性マーカのいずれかが、寿命イメージングおよび／またはキャラクタリゼーションによって検出され得る。特定の標的成分の存在および／または位置を検出するために、プローブに付着された外因性マーカが領域、物体、またはサンプルに提供され得る。外因性マーカは、標識プローブのための標的を含む領域、物体、またはサンプルの部分を検出するために、標識プローブの一部としてのタグおよび／またはレポータの役割をすることができる。内因性マーカの自己蛍光は、内因性マーカの導入を必要とせずにイメージングに容易に利用され得る空間分解能のための無標識で非侵襲的なコントラストを提供することができる。たとえば、生物学的組織からの自己蛍光信号は、組織の生化学的および構造的組成に依存し、それを示すことができる。
【００４７】
蛍光寿命測定は、フルオロフォアの周囲の条件の定量的尺度を提供することができる。条件の定量的尺度が検出またはコントラストに追加されてもよい。フルオロフォアの蛍光寿命は、ｐＨまたは温度などのフルオロフォアの周囲環境に応じて異なることがあり、蛍光寿命の値の変化は、フルオロフォアの周囲の環境の変化を示し得る。一例として、蛍光寿命イメージングは、生物学的組織（たとえば、組織切片または外科的切除）などにおけるサンプルの局所環境内の変化をマッピングすることができる。内因性フルオロフォアの自己蛍光の蛍光寿命測定が、組織における物理的および代謝的変化を検出するために使用され得る。例として、サンプルからの自己蛍光を測定し、測定された自己蛍光から寿命を決定することによって、組織構造、形態、酸素化、ｐＨ、血管分布、細胞構造、および／または細胞代謝状態の変化が検出され得る。そのような方法は、スクリーニング、画像誘導生検もしくは手術、および／または内視鏡検査などの臨床用途に使用され得る。いくつかの実施形態では、本出願の集積光検出器は、たとえば蛍光寿命イメージングを行うために、手術器具などの臨床ツールに組み込まれてもよい。測定された自己蛍光に基づいて蛍光寿命を決定することは、臨床医が迅速に組織をスクリーニングし、裸眼には見えない小さな癌および／または前癌病変を検出することを可能にする無標識イメージング方法としての臨床的価値を提供する。蛍光寿命イメージングは、健常組織よりも長い蛍光寿命を有する発光を放出する腫瘍または癌細胞などの悪性細胞または組織の検出および線引きのために使用され得る。たとえば、蛍光寿命イメージングは、手術中に露出される消化管、膀胱、皮膚、または組織表面などの光学的にアクセス可能な組織における癌を検出するために使用され得る。
【００４８】
いくつかの実施形態では、蛍光寿命は、異なるタイプまたは状態のサンプル間のコントラストを提供するために顕微鏡技術で使用され得る。蛍光寿命イメージング顕微鏡法（ＦＬＩＭ）が、サンプルを光パルスで励起し、寿命を決定するために減衰するときに蛍光信号を検出し、得られた画像において減衰時間をマッピングすることによって実施され得る。そのような顕微鏡画像では、画像におけるピクセル値は、視野を収集する光検出器における各ピクセルについて決定された蛍光寿命に基づいてよい。
【００４９】
時間的情報を使用するシーンまたは物体のイメージング
上述されたように、本出願に説明されているような集積光検出器は、科学的および臨床的コンテキストで使用されてよく、そのようなコンテキストで、放出された光のタイミングが、領域、物体またはサンプルの検出、定量化、および／またはイメージングを行うために使用され得る。しかしながら、本明細書に説明されている技法は、科学的および臨床的用途に限定されず、入射光子の到着の時間に関する時間的情報が利用され得る任意のイメージング用途において集積光検出器が使用されてよい。用途の一例は飛行時間型イメージングである。
【００５０】
飛行時間型用途
いくつかの実施形態では、飛行時間測定を含む散乱光または反射光の時間プロファイルを測定することに基づいて、イメージング技法において集積光検出器が使用され得る。そのような飛行時間型測定では、光パルスが領域またはサンプル内に放出され、散乱光が集積光検出器によって検出され得る。散乱光または反射光は、領域またはサンプルの特性を示し得る別個の時間プロファイルを有することができる。サンプルによる後方散乱光は、サンプルにおけるそれらの飛行時間によって検出および解像され得る。そのような時間プロファイルは、時間点広がり関数（ＴＰＳＦ）であってよい。時間プロファイルは、光パルスが放出された後の複数の時間ビンにわたる積分強度を測定することによって取得され得る。光パルスの繰り返しおよび散乱光の蓄積が、すべての以前のＴＰＳＦが後続の光パルスを生成する前に完全に消滅されることを確実にするために、特定の速度で実行されてよい。時間分解拡散光学イメージング方法は、サンプルにおいてさらなる深さでイメージングを行うために、光パルスが赤外光であり得る分光拡散光トモグラフィを含むことができる。そのような時間分解拡散光学イメージング方法は、生体内または人間の頭などの生体の一部において腫瘍を検出するために使用され得る。
【００５１】
これに加えてまたはこれに代えて、飛行時間型測定は、放出された光パルスと物体から反射された光の検出との間の光の速度および時間に基づいて、距離または距離範囲を測定するために使用され得る。そのような飛行時間型技法は、カメラ、自動車内の近接検出センサ、ヒューマン−マシン・インターフェース、ロボット工学、およびそのような技法によって収集された３次元情報を使用できる他の用途を含む、様々な用途で使用されてよい。
光生成電荷キャリアを時間ビニングするための集積光検出器
いくつかの実施形態は、入射光子に応答して電荷キャリアを生成する光検出器を有する集積回路に関し、集積回路は、基準時間（たとえばトリガ・イベント）に対する電荷キャリアが入射光子の到着によって生成されるタイミングを弁別することができる。いくつかの実施形態では、電荷キャリア分離構造は、異なる時間に生成された電荷キャリアを分離し、異なる期間内に生成された電荷キャリアを集約する１つまたは複数の（「ビン」と称される）電荷キャリア貯蔵領域内へ電荷キャリアを方向付けする。各ビンは、選択された時間間隔内に生成された電荷キャリアを貯蔵する。各ビンに貯蔵された電荷を読み出すことにより、各時間間隔内に到着された光子の数に関する情報を提供することができる。そのような集積回路は、本明細書に説明されているような任意の様々な用途で使用され得る。
【００５２】
光検出領域および電荷キャリア分離構造を有する集積回路の例が説明される。いくつかの実施形態では、集積回路は、ピクセルのアレイを含むことができ、各ピクセルは、以下に論じられるように、１つまたは複数の光検出領域および１つまたは複数の電荷キャリア分離構造を含むことができる。
【００５３】
ピクセルの構造および動作の概要
図２Ａは、いくつかの実施形態によるピクセル１００の図を示す。ピクセル１００は、（光検出領域とも呼ばれる）光子吸収／キャリア発生領域１０２と、キャリア移動／捕獲領域１０６と、本明細書で「電荷キャリア貯蔵ビン」または単に「ビン」とも呼ばれる１つまたは複数の電荷キャリア貯蔵領域を有するキャリア貯蔵領域１０８と、電荷キャリア貯蔵ビンから信号を読み出すための読出回路構成１１０とを含む。
【００５４】
光子吸収／キャリア発生領域１０２は、入射光子を光生成電荷キャリアに変換できる半導体材料（たとえばシリコン）の領域であってよい。光子吸収／キャリア発生領域１０２は、光に曝されてよく、入射光子を受け取ることができる。光子吸収／キャリア発生領域１０２によって光子が吸収されるとき、光子は電子／正孔対などの光生成電荷キャリアを生成することができる。光生成電荷キャリアは、本明細書では単に「電荷キャリア」と呼ばれることがある。
【００５５】
電場が光子吸収／キャリア発生領域１０２内に確立され得る。いくつかの実施形態では、電場は、キャリア移動／捕獲領域１０６内の変化する電場と区別されるように「静的」であり得る。光子吸収／キャリア発生領域１０２内の電場は、横方向成分、縦方向成分、または横方向成分と縦方向成分の両方を含むことができる。電場の横方向成分は、矢印で示されるように図２Ａの下方向であってよく、これは、光生成電荷キャリアをキャリア移動／捕獲領域１０６に向けて駆動する光生成電荷キャリアに対する力を誘起する。電場は、様々な方法で形成され得る。
【００５６】
いくつかの実施形態では、光子吸収／キャリア発生領域１０２上に１つまたは複数の電極が形成され得る。電極は、光子吸収／キャリア発生領域１０２に電場を確立するように印加された電圧を有することができる。そのような電極は、「フォトゲート（ｐｈｏｔｏｇａｔｅ）」と称されることがある。いくつかの実施形態では、光子吸収／キャリア発生領域１０２は、電荷キャリアが完全に空乏化されたシリコンの領域であり得る。
【００５７】
いくつかの実施形態では、光子吸収／キャリア発生領域１０２における電場は、ＰＮ接合などのジャンクションによって確立されてよい。光子吸収／キャリア発生領域１０２の半導体材料は、光生成電荷キャリアをキャリア誘導／捕獲領域１０６に向けて駆動する光生成電荷キャリアに対する力を誘起する電場を生成する配向および／または形状を有するＰＮ接合を形成するようにドーピングされ得る。ジャンクションを使用して電場を生成することにより、光子吸収／キャリア発生領域１０２に入射光子の一部が到達するのを妨げ得る光子吸収／キャリア発生領域１０２の上に位置する電極の使用に関して量子効率を改善することができる。ジャンクションを使用することで、フォトゲートの使用に関して暗電流を低減することができる。暗電流は、キャリアを生成し得る半導体基板の表面における欠陥によって発生され得ると理解されている。いくつかの実施形態では、ＰＮ接合ダイオードのＰ端子は、その電圧を設定する端子に対して連結されてよい。そのようなダイオードは、「ピン止め（ｐｉｎｎｅｄ）」フォトダイオードと呼ばれることがある。ピン止めフォトダイオードは、その電圧を設定しキャリアを引き付ける端子により、表面でキャリア再結合を促進することができ、それにより暗電流を低減することができる。捕獲されることが望ましい光生成電荷キャリアは、表面における再結合領域の下を通過してよい。いくつかの実施形態では、横方向電場は、半導体材料内の勾配ドーピング濃度を使用して確立され得る。
【００５８】
いくつかの実施形態では、電場を生成するためにジャンクションを有する吸収／キャリア発生領域１０２は、以下の特性の１つまたは複数を有することができる：
１）時間変動場から離れてテーパが付けられる空乏ｎ型領域、
２）電場を横方向にｎ型領域へ遷移させるためのギャップを有するｎ型領域を取り囲むｐ型インプラント、および／または、
３）ｎ型領域を埋設し寄生電子の再結合領域として機能する、ｐ型表面インプラント。
【００５９】
いくつかの実施形態では、ジャンクションと少なくとも１つの電極との組合せによって、電場が光子吸収／キャリア発生領域１０２に確立され得る。たとえば、ジャンクションと単一の電極、または２つ以上の電極が使用されてよい。いくつかの実施形態では、ジャンクションから比較的遠くに配置され得るキャリア移動／捕獲領域１０６の近くに電位勾配を確立するために、１つまたは複数の電極がキャリア移動／捕獲領域１０６の近くに配置され得る。
【００６０】
図２Ａに示されるように、時間ｔ１で、光子が捕獲されて電荷キャリア１０１Ａ（たとえば電子）が生成され得る。いくつかの実施形態では、光子吸収／キャリア発生領域１０２、および（図２Ａに示す矢印で示されるように）図２Ａの下方向に電荷キャリア１０１Ａを移動させるキャリア移動／捕獲領域１０６に沿って、電位勾配が確立され得る。電位勾配に応答して、電荷キャリア１０１Ａは、時間ｔ１のその位置から、時間ｔ２の第２の位置、時間ｔ３の第３の位置、時間ｔ４の第４の位置、および時間ｔ５の第５の位置へ動くことができる。そのように、電荷キャリア１０１Ａは、電位勾配に応答してキャリア移動／捕獲領域１０６内に移動する。
【００６１】
キャリア移動／捕獲領域１０６は半導体領域であり得る。いくつかの実施形態では、キャリア移動／捕獲領域１０６は、光子吸収／キャリア発生領域１０２と同じ材料（たとえばシリコン）の半導体領域であってもよいが、例外として、キャリア移動／捕獲領域１０６は、（たとえば、金属層のような上に位置する不透明材料によって）入射光から遮蔽され得る。
【００６２】
いくつかの実施形態では、さらに以下に論じられるように、電位勾配が、光子吸収／キャリア発生領域１０２およびキャリア移動／捕獲領域１０６内に、これらの領域の上に配置された電極によって確立され得る。しかしながら、本明細書に説明されている技法は、電位勾配を生成するために使用される電極の特定の位置に関して限定されない。また、本明細書に説明されている技法は、電極を使用して電位勾配を確立することに限定されない。いくつかの実施形態では、空間的に勾配したドーピング・プロファイルおよび／またはＰＮ接合を使用して、電位勾配が確立され得る。電荷キャリアを光子吸収／キャリア発生領域１０２およびキャリア移動／捕獲領域１０６に沿って移動させる電位勾配を確立するために、任意の適切な技法が使用され得る。
【００６３】
電荷キャリア分離構造は、異なる時間に生成された電荷キャリアを分離することを可能にするようにピクセル内に形成され得る。いくつかの実施形態では、電荷キャリア分離構造の少なくとも一部は、キャリア移動／捕獲領域１０６上に形成されてよい。電荷キャリア分離構造は、キャリア移動／捕獲領域１０６上に形成された１つまたは複数の電極を含むことができ、その電圧は、制御回路構成によって、キャリア移動／捕獲領域１０６における電位を変更するように制御され得る。
【００６４】
キャリア移動／捕獲領域１０６における電位は、電荷キャリアを捕獲することを可能にするように変更され得る。電位勾配は、キャリア移動／捕獲領域１０６の上に位置する１つまたは複数の電極の電圧を変更することによって変更されて、キャリアを所定の空間領域内に閉じ込めることが可能な電位障壁を生成することができる。たとえば、図２Ａのキャリア移動／捕獲領域１０６内の破線の上に位置する電極の電圧が、図２Ａのキャリア移動／捕獲領域１０６内の破線に沿った電位障壁を上昇させるために時間ｔ５で変更され、それにより電荷キャリア１０１Ａを捕獲することができる。図２Ａに示されるように、時間ｔ５で捕獲されたキャリアは、キャリア貯蔵領域１０８のビン「ビン０」に対して移送され得る。電荷キャリア貯蔵ビンに対するキャリアの移送は、キャリア移動／捕獲領域１０６および／またはキャリア貯蔵領域１０８における電位を変更することによって（たとえば、これらの領域の上に位置する電極の電圧を変更することによって）行われ、それによりキャリアを電荷キャリア貯蔵ビン内へ移動させることができる。
【００６５】
キャリア移動／捕獲領域１０６の所定の空間領域内のある時点の電位を変更することにより、特定の時間間隔内に起きた光子吸収によって発生されたキャリアをトラップすることを可能にすることができる。異なる時間および／または位置で光生成電荷キャリアをトラップすることにより、光子吸収によって電荷キャリアが発生された時間が弁別され得る。この意味で、トリガ・イベントの発生後のある時点および／または空間において電荷キャリアをトラップすることによって、電荷キャリアが「時間ビニング」され得る。特定のビン内への電荷キャリアの時間ビニングは、光生成電荷キャリアが入射光子の吸収によって発生された時間に関する情報を提供し、したがって同様に、トリガ・イベントに対して光生成電荷キャリアを生成した入射光子の到着を「時間ビニング」する。
【００６６】
図２Ｂは、異なる時点および空間で電荷キャリアを捕獲することを示す。図２Ｂに示されるように、キャリア移動／捕獲領域１０６内の破線の上に位置する電極の電圧が、図２Ｂのキャリア移動／捕獲領域１０６内の破線に沿った電位障壁を上昇させるために時間ｔ９で変更され、それによりキャリア１０１Ｂを捕獲することができる。図２Ｂに示されるように、時間ｔ９で捕獲されたキャリアは、キャリア貯蔵領域１０８のビン「ビン１」に移送され得る。電荷キャリア１０１Ｂは時間ｔ９でトラップされるので、それは、時間ｔ５に捕獲されたキャリア１０１Ａの光子吸収イベント（すなわちｔ１）とは異なる時間（すなわち時間ｔ６）に起きた光子吸収イベントを表す。
【００６７】
直接ビニングピクセル
図３は、光子吸収／キャリア発生領域１０２において発生する電荷キャリアが電荷キャリア貯蔵領域１０８における電荷貯蔵ビンに対し直接移送され得る、ピクセル２００の一例を示す。そのようなピクセルは、「直接ビニングピクセル」と称される。図３に示されるように、ピクセル２００はキャリア移動／捕獲領域１０６を含まない。キャリアをキャリア移動／捕獲領域１０６に捕獲するのではなく、電荷キャリアは光子吸収／キャリア発生領域１０２から電荷キャリア貯蔵領域１０８のビンへと直接移送され得る。電荷キャリアが移送されるビンは、電荷キャリアを生成する光子吸収／キャリア発生領域１０２における光子の到着の時間に基づく。直接ビニングピクセルのエリアは、キャリア移動／捕獲領域１０６の省略のため少なくとも部分的に減少されてよい。有利には、いくつかの実施形態では、直接ビニングピクセルは半導体チップのより小さいエリアを占めてよく、その半導体チップは、数千、もしくは数百万のピクセル、またはそれを超えるピクセルなど、多くのピクセルをチップ上に形成することができる。多数のピクセルをチップ上に提供することによって、多数の測定を並列に行うこと、または高い空間分解能にてイメージングを行うことが可能となり得る。これに加えてまたはこれに代えて、直接ビニングピクセルは、電力消費を低減してよい。ピクセルの各電極を充電および放電することは電力を消費し得るので、ピクセル２００はより少ない電極の存在のため電力消費を低減することができ、すなわち、キャリア移動／捕獲領域１０６において電荷キャリアを捕獲するための電極を省略することが可能である。
【００６８】
図３は電荷キャリア貯蔵領域１０８に２つのビン、すなわち、ビン０およびビン１を有するピクセル２００の一例を示す。上述されたように、ビン０はトリガ・イベントの後の一期間に受け取られる電荷キャリアを集約してよく、またビン１はトリガ・イベントに対して後の期間に受け取られる電荷キャリアを集約してよい。しかしながら、電荷貯蔵領域１０８は、１つのビン、３つのビン、４つのビン、またはそれを超えるビンなどの任意の数のビンを有してよい。
【００６９】
光子吸収／キャリア発生領域１０２は、たとえばシリコンなどの、任意の適切な半導体から形成され得る半導体領域を含んでよい。いくつかの実施形態では、光子吸収／キャリア発生領域１０２は、ピン止めフォトダイオードなどのフォトダイオードを含んでよい。フォトダイオードは完全に空乏化されていてよい。いくつかの実施形態では、フォトダイオードは基本的に常に電子が空乏化されたままであってよい。いくつかの実施形態では、フォトダイオードは、単一光子を収集するように構成される。そのような実施形態では、単一光電子はフォトダイオードにおいて発生し閉じ込められてよい。ＣＭＯＳ処理によって形成される場合、フォトダイオードはＣＭＯＳ処理によって生成されるデバイス内において得られる電位によって完全に空乏化されてよい。電極２０３，２０５および２０６は、図８においてより詳細に示すように、ダイオードの周囲を少なくとも部分的に囲むダイオードに結合されてよい。しかしながら、図８に示されるこの実施形態は、電極２０３，２０５および２０６に適した配置の単なる一例であることに留意されたい。電極２０３および２０５は、閉じ込められたキャリアの急速な電荷移送を可能とし得る。ビンに対する電荷キャリアの移送を論じる前に、望ましくないキャリアの除去領域１０５への移送による望ましくないキャリアの除去が説明される。
【００７０】
図３を再び参照すると、直接ビニングピクセル２００は、光子吸収／キャリア発生領域１０２において除去期間中に生成された電荷キャリアを排出または廃棄するための除去領域１０５を含んでよい。除去期間は励起光パルスなどのトリガ・イベント中に発生するようにタイミングを取られてよい。励起光パルスが光子吸収／キャリア発生領域１０２においていくつかの望ましくない電荷キャリアを生成し得るので、除去期間中にそのような電荷キャリアを除去領域１０５へと排出するようにピクセル２００に電位勾配が確立されてよい。一例として、除去領域１０５は、電子が供給電圧へと排出される高い電位拡散エリアを含んでよい。除去領域１０５は、電荷が領域１０２を除去領域１０５に直接結合する電極２０６を含んでよい。いくつかの実施形態では、電極２０６は半導体領域の上に位置してよい。電極２０６の電圧は、光子吸収／キャリア発生領域１０２に所望の電位勾配を確立するように変化してよい。除去期間中に、電極２０６の電圧は、キャリアを光子吸収／キャリア発生領域１０２から電極２０６へと引き込むレベルに、および供給電圧の外に設定されてよい。たとえば、電極２０６の電圧は、電子が光子吸収／キャリア発生領域１０２から離れて除去領域１０５へと引き込まれるように、電子を引き付ける正の電圧に設定されてよい。除去期間中に、電極２０３および２０５は、望ましくない電荷キャリアがビンに到達するのを防止するように、電位障壁２０２および２０４を形成する電位に設定されてよい。除去領域１０５によってキャリアを領域１０２からドレインへと横方向に移送させることができるので、除去領域１０５は「横方向除去領域」として考慮されてよい。いくつかの実施形態では、その除去は貯蔵ビンに対して光検出領域とは反対の方向にある。
【００７１】
除去期間の後、光子吸収／キャリア発生領域１０２において生成される光生成電荷キャリアは時間ビニングされてよい。個々の電荷キャリアは、その到着の時間に基づいてビンへ方向付けされてよい。そうするために、光子吸収／キャリア発生領域１０２と電荷キャリア貯蔵領域１０８との間の電位は、光生成電荷キャリアをそれぞれの時間ビンへと方向付ける電位勾配を確立するようにそれぞれの期間において変化してよい。たとえば、第１の期間中に電極２０３によって形成される電位障壁２０２は低下されてよく、この期間中に発生したキャリアがビン０に対して移送されるように、電位勾配は光子吸収／キャリア発生領域１０２からビン０へと確立されてよい。次いで、第２の期間中に、電極２０５によって形成される電位障壁２０４は低下されてよく、この後者の期間中に発生したキャリアがビン１に対して移送されるように、電位勾配は光子吸収／キャリア発生領域１０２からビン１へと確立されてよい。
【００７２】
図４は、いくつかの実施形態による、複数の測定２８２０を行う工程を含む、ピクセル２００を動作させる方法２８００のフローチャートを示す。いくつかの実施形態では、「測定」は、光子を受け取ること、および特定の期間またはビンに対応する電荷貯蔵ノードに対して捕獲されたキャリアを移送することを含むことができる。光子が光検出器に到着する時間に関する統計情報を収集するために、測定が複数回繰り返されてよい。そのような方法は、本明細書に説明されているような集積デバイスによって少なくとも部分的に実施され得る。
【００７３】
工程２８０２はトリガ・イベント中に発生するようにタイミングを取られ得る。トリガ・イベントは、光子の到着を時間ビニングするための時間基準の役割をするイベントであり得る。トリガ・イベントは、たとえば、光パルスまたは電気パルスであってよく、特異的イベントまたは反復する周期的イベントであってよい。蛍光寿命検出のコンテキストでは、トリガ・イベントは、フルオロフォアを励起するための光励起パルスの発生であり得る。飛行時間型イメージングのコンテキストでは、トリガ・イベントは、集積光検出器を備えるイメージング・デバイスによって放出された（たとえば、フラッシュからの）光のパルスであり得る。トリガ・イベントは、光子またはキャリアの到着のタイミングを取るための基準として使用される任意のイベントであり得る。
【００７４】
光励起パルスの発生はかなりの数の光子を生成することができ、その一部はピクセル２００に到達し、光子吸収／キャリア発生エリア１０２において電荷キャリアを生成することができる。光励起パルスからの光生成キャリアは、測定されることが望ましくないため、その光生成キャリアをドレインへ方向付けすることによって除去され得る。これは、不要な信号の量が減少させることができ、さもなければ、さらなる設計の複雑性および／またはコストを追加し得るシャッタまたはフィルタのような複雑な光学構成要素によって、不要な信号が到着するのを防止する必要があり得る。
【００７５】
工程２８０２は除去期間に対応する。工程２８０２中のピクセル２００の動作は、図５Ａに示される。工程２８０２では、ピクセル２００は、領域１０２において生成される電荷キャリアを除去領域１０５に対して移送することによって、その電荷キャリアを除去するように動作する。たとえば、工程２８０２は、領域１０２において生成された電荷キャリアを除去領域１０５へと駆動する電位勾配を生成するように、電極２０６を制御する工程を含んでよい。図５Ａの上方向にキャリアを方向づけすることによって、キャリアは除去される。
【００７６】
工程２８０４では、光子吸収およびキャリア発生は、領域１０２において行われてよい。上述されたように、いくつかの用途では、トリガ・イベントに応答して光子を受け取ることとキャリアを発生させることとの確率は、低くてよい（たとえば、約１００００回に１回）。したがって、工程２８０４は、トリガ・イベントに応答して光子が受け取られないことが多いので、各トリガ・イベントについて行われなくてよい。しかしながら、いくつかの実施形態では、受け取られる光子の量はより高くてよい。
【００７７】
工程２８０４中、光生成電荷キャリアが除去されるのを防止するように、電位障壁が光検出領域１０２と除去領域１０５との間に存在する。工程２８０４中、ビン０に対する電位障壁２０２は、図５Ｂに示されるように低下されてよく、または図５Ｃに示されるように上昇されてよい。ビン０に対する電位障壁２０２が低下される場合、電荷キャリアは直接ビン０へと通過してよい（工程２８０６）。ビン０に対する電位障壁２０２が上昇される場合、電荷キャリアは工程２８０６まで領域１０２に閉じ込められてよい。
【００７８】
工程２８０６では、キャリアは（存在する場合）ビン０に対して移送される。ビン０に対する電位障壁２０２は、低下されるか低下されたままである。光生成電荷キャリアが工程２８０２の後の期間に生成されると、電位障壁２０２の低下によって電荷キャリアがビン０に対して移送される。電位障壁２０２は、領域１０２とビン０との間の境界における電極２０３の電圧を制御することによって上昇または低下され得る（図３，図５Ｂ）。そのような電極は、半導体領域における電位を制御する半導体領域上に位置してよい。いくつかの実施形態では、ビン０に対する電荷キャリアの移送を可能とするか防止する電位障壁２０２を制御するように、単一の電極２０３のみが領域１０２とビン０との間の境界に配置されてよい。しかしながら、いくつかの実施形態では、電位障壁２０２は２つ以上の電極によって生成されてよい。図２Ａの電荷キャリア捕獲領域１０６とは異なり、電位障壁２０２を生成する電極２０６は、ビンの外側の位置に電荷キャリアをトラップすることができない。むしろ、電極２０６は、電荷キャリアがビン０に入ることを可能とするか防止するように、電位障壁２０２を制御してよい。また、領域１０２とビンとの間にいくつかの電位障壁を生成する電荷キャリア捕獲領域１０６とは異なり、電位障壁２０２は領域１０２とビン０との間の単一の電位障壁であってよい。この段落において説明されるものと同一または同様の特性が、ビン１、電位障壁２０４、および電位障壁２０４を生成する電極２０５に存在してよい。
【００７９】
いくつかの実施形態では、除去期間後、電荷を一方向に、すなわち領域１０２から時間ビンに向かう方向に流れさせるだけの電位勾配が形成されてよい。電荷は、図５Ａ〜図５Ｄの下方向におけるビンのうちの１つに流れる。発生したキャリアを電荷貯蔵領域１０８に向かって図の下方向に半導体領域を通って移動させるように、適切な電位勾配が半導体領域に確立されてよい。そのような電位勾配は、勾配ドーピング濃度、選択された電位における１または複数の電極、またはその両方を使用するなど、任意の適切な方法で確立されてよい。したがって、工程２８０２の後に領域１０２において生成される光生成電荷キャリアはビン０に対して移送され、したがってビン０において光生成電荷キャリアの到着を時間ビニングする。
【００８０】
工程２８０６の後、図５Ｃに示されるように、ビン０に対する電位障壁２０２は上昇される。任意選択で、ビン０に対する電位障壁２０２とビン１に対する電位障壁２０４との両方が、ある期間に上昇されてよい。障壁２０２と障壁２０４との両方が上昇される場合、工程２８０６の後に生成される電荷キャリアは、工程２８０８まで領域１０２に閉じ込められ得る。
【００８１】
工程２８０８では、図５Ｄに示されるように、電荷キャリア（存在する場合）はビン１に対して移送される。ビン１に対する電位障壁２０４は低下される。光生成電荷キャリアが工程２８０６の後の期間に生成される場合、電位障壁２０４の低下によって、電荷キャリアがビン１に対して移送される。電位障壁２０４は、領域１０２とビン１との間の境界における電極２０５の電圧を制御することによって、上昇または低下されてよい。そのような電極は、半導体領域上に位置してよい。したがって、工程２８０６の後に領域１０２において生成された光生成電荷キャリアはビン１に対して移送され、したがってビン１において光生成電荷キャリアの到着を時間ビニングする。工程２８０８の後、電位障壁２０２は上昇されてよい。
【００８２】
工程２８０８の後、測定２８２０は、トリガ・イベント後に光子が到着する傾向がある期間に関する情報（たとえば統計情報）を得るために、ｎ−１回繰り返されてよい。測定２８２０が繰り返されるとき、時間ビニングされた電荷キャリアが対応する電荷貯蔵ビンに集約され得る。測定２８２０を繰り返すことにより、統計的に有意な結果を提供するために充分な数の電荷キャリアを電荷キャリア貯蔵ビンに集約することを可能にすることができる。たとえば、蛍光寿命測定のコンテキストでは、フルオロフォアから受け取られた光子に応答する光子吸収イベントが比較的まれに発生することが予想され得る。たとえば、そのようなイベントは、約１，００００回の測定において１回発生することが予想される。したがって、結果が統計的に有意であるか充分な信号対雑音比を有するかその両方であるように、充分な数の電荷キャリアを電荷キャリア貯蔵ビンに集約するために、多数の測定２８２０が行われる必要があり得る。いくつかの実施形態では、蛍光寿命測定のために行われ得るフルオロフォアの測定の数ｎは、充分な数（すなわち、いくつかの実施形態では数十または数百以上）の電荷キャリアを捕獲して各ビンにビニングすることを可能にするために、５０，０００以上、１００，０００以上、２００，０００以上、３００，０００以上、４００，０００以上、５００，０００以上、１００万以上、２００万以上、５００万以上であり得る。測定は、５０ＭＨｚと１００ＭＨｚとの間、２５ＭＨｚと２００ＭＨｚとの間、１０ＭＨｚと５００ＭＨｚとの間、または１ＭＨｚと５００ＭＨｚとの間などのＭＨｚ範囲（すべての範囲は端点を含む）の周波数で、または別の周波数で繰り返されてよい。いくつかの実施形態では、測定がｎ−１回繰り返された後、約１００個のキャリア（たとえば、電子）が時間ビンに蓄積されてよい。しかしながら、当然のようにこれは受け取られた光子の数に依存する。いくつかの実施形態では、時間ビンに蓄積されるキャリアの数は、５０と１，０００との間など、１０と１０，０００との間、または任意の他の適切な数であってよい。方法２８００は、光子が捕獲されることが所望される任意の適切な期間にわたって行われてよい。蛍光寿命測定のコンテキストでは、方法２８００を行う適切な期間は、たとえば、１０ミリ秒であり得る。いくつかの実施形態では、測定２８２０は、ＭＨｚ範囲である周波数で繰り返されてよい。いくつかの実施形態では、時間ビンは、ピコ秒またはナノ秒のスケールで分解能を有することができる。
【００８３】
割り当てられた数ｎの測定が行われると、方法は、時間ビンを読み出す工程２８１０に進む。工程２８１０では、電荷はビンから、浮遊拡散部を含み得る読出ノード１１１に対して移送される。電荷は、個々のビンから読出ノード１１１に対して順次移送されてよい。各ビンについて、電荷は読出ノード１１１に対して移送され、次いで、図６に一例が示される読出回路１１０を用いて電圧に変換されてよい。電荷を各ビンから移送するために、電極２１３および／または２１４（図３）の電圧はビンと読出ノード１１１との間の電位障壁を低下させるように変化してよい。読出シーケンスの一例は、読出ノード１１１の電圧をリセットし、次いで、ビン０と読出ノード１１１との間の電位障壁２１２を低下させるように電極２１３の電圧を変化させることによって、電荷をビン０から読出ノード１１１に対して移送することである。電荷をビン０から読出ノード１１１へと流れさせる電位勾配が確立されてよい。これは図５Ｅに示される。読出ノード１１１に対して移送される電荷は、次いで電圧に変換され、読み出されてよい。次いで、読出ノード１１１の電圧はリセットされてよい。次いで、ビン１と読出ノード１１１との間の電位障壁２１４を低下させるように電極２１５の電圧を変化させることによって、電荷がビン１から読出ノード１１１に対して移送される。電荷をビン１から読出ノード１１１へと流れさせる電位勾配が確立されてよい。これは図５Ｆに示される。
【００８４】
図６は、図３における線Ａ−Ａ’に沿ったピクセル２００の一例の断面図を示す。示されるように、電極２０６，２０３および２１３は半導体基板上に、または半導体基板の上方に形成されている。光は、光源１２０から光子吸収／キャリア発生エリア１０２で受け取られる。光源１２０は、限定ではなく例として（たとえば、核酸に連結された）発光性サンプルまたはイメージングアプリケーションにおいてイメージングが行われる領域もしくはシーンを含む、任意のタイプの光源であり得る。光源１２０は、不要な励起レーザ光を含み得る。遮光体１２１は、たとえば、迷励起光（ｓｔｒａｙ  ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ  ｌｉｇｈｔ）または他の迷光によって電荷が貯蔵ビンまたは読出ノードに直接発生するのを防止するように、光が基板の別の部分に到達するのを防止する。遮光体１２１は、限定ではなく例として集積回路の金属層のような、任意の適切な材料で形成され得る。図６は、除去中の電荷移送の反対方向（左方への）とビンへの移送（右方）とを示す。
【００８５】
例示的な読出回路構成およびシーケンス
図６に示されるように、ピクセル２００は、電荷キャリア貯蔵領域１０８の電荷貯蔵ビンに貯蔵された電荷を読み出すことを可能にする読出回路構成１１０を含むことができる。ピクセル２００は、読出回路構成１１０が読出増幅器を含むようなアクティブ・ピクセル、または読出回路構成１１０が読出増幅器を含まないパッシブ・ピクセルであり得る。任意の適切なタイプのアクティブ・ピクセルまたはパッシブ・ピクセル読出回路構成が使用されてよい。読出回路構成１１０が読出増幅器を含む場合、読出増幅器は、電荷貯蔵ビン（たとえば、ビン０，ビン１）に蓄積された電荷を入力として取り込むことができ、電荷貯蔵ビン内の電荷を表す電圧を出力として生成することができる。
【００８６】
読出回路構成１１０が読出増幅器を含む場合、任意の適切なタイプの増幅器が使用されてよい。適切な増幅器の例は、共通ソース構成に基づく増幅器、およびソースフォロワ構成に基づく増幅器を含む。ソースフォロワ構成に基づく読出回路構成１１０の一例が図６に示されている。図６に示されるように、読出領域１１０は、ソースフォロワバッファトランジスタｓｆ、リセット・トランジスタｒｔ、および行選択トランジスタｒｓを備えてよい。しかしながら、本明細書に説明されている技法はいかなる特定の増幅器構成にも限定されない。いくつかの実施形態では、１または複数の移送電極２１３，２１５は読出回路構成１１０の一部であり得る。
【００８７】
ノイズ・リダクション技法を含む任意の適切な読出技法が使用されてもよい。いくつかの実施形態では、読出回路構成１１０は、相関二重サンプリングを使用して電荷キャリア貯蔵ビンを読み出すことができる。相関二重サンプリングは、未定の量のノイズを含むリセット電圧レベルのノードの第１のサンプルが取り出され、同じ未定のノイズを含むノードの信号レベルの第２のサンプルが取り出され得る、技法である。ノイズは、サンプリングされた信号レベルからサンプリングされたリセット・レベルを引くことによって差し引くことができる。
【００８８】
時間ビンを読み取ることは、上述したように、電荷貯蔵ビンのそれぞれに集約された電荷の量を対応する電圧に変換することを含んでよい。時間ビンからの読出は、５０Ｈｚ〜１００Ｈｚ，１０Ｈｚ〜５００Ｈｚ、または別のレートなどの、任意の適切なレートで行われてよい。いくつかの実施形態では、ピクセルの電荷キャリア貯蔵ビンからの読出は、同一のピクセルの１または複数の電荷キャリア貯蔵ビンにおける電荷キャリアの収集と同時に行われてよい。  移送電極２１３および２１５は、各ビンに別個に結合されている電荷であってよい。共通の読出ノード１１１は、すべての移送電極に結合されている電荷であってよい。図６に示されるように、読出ノード１１１はリセット・トランジスタｒｔのソースに接続されてよい。リセット・トランジスタｒｔおよび行選択トランジスタｒｓのドレインは、高電圧源に接続されてよい。リセット・トランジスタｒｔおよび行選択トランジスタｒｓのゲートは、行駆動回路によって制御されてよい。いくつかの実施形態では、トランジスタｓｆのソースは、行選択トランジスタｒｓのドレインに接続されてよい。トランジスタｓｆのゲートは、読出ノード１１１に接続されてよい。いくつかの実施形態では、ソースフォロワのソースは、列線読出部に接続されてよい。
【００８９】
時間ビンの数およびタイミング
任意の適切な数の時間ビンが使用されてよい。図３には、２つのビンを有するピクセルの例が示されている。しかしながら、任意の適切な数のビンを有するピクセルが、所望の時間分解能および他の因子に基づいて生成されてもよい。ビンの数の増加は、各ピクセルによって占められるエリアを増大させる可能性があり、ピクセルの全体数を減らすことによって、またはより小さい特徴サイズを有する作製プロセスを使用することによって達成され得る。少数のビンを使用することにより、チップに取り付けられるピクセルの数の増加を可能にすることができる。いくつかの実施形態では、特定の期間内に到着する光子の数を決定するために、単一のビンが使用され得る。
【００９０】
時間ビンのタイミングは、任意の適切な方法で選択されてよい。いくつかの実施形態では、時間ビンのタイミングは、各測定期間においてタイミングが同じになるように固定され得る。タイミングは、グローバル・タイミング信号に基づいて設定され得る。たとえば、タイミング信号は、測定期間の開始を確立することができ、時間ビンは、タイミング信号から経過した所定の量の時間に基づいて開始および終了するように制御され得る。蛍光寿命測定コンテキストでは、時間ビンのタイミングは、検出されると予想される蛍光寿命の可能な範囲に基づいて、励起パルスのタイミングに関して設定され得る。飛行時間型イメージングのコンテキストでは、時間ビンのタイミングは、イメージングの行われるシーンの予想される距離範囲に基づいて設定され得る。しかしながら、いくつかの実施形態では、時間ビンのタイミングは、可変またはプログラム可能であり得る。
【００９１】
いくつかの実施形態では、時間ビンのタイミングは、測定２８２０の測定期間を開始するトリガ・イベントのタイミングに基づいて設定され得る。蛍光寿命測定のコンテキストでは、時間ビンのタイミングは、フルオロフォアを励起する励起パルスのタイミングを検出することに応答して設定され得る。たとえば、光励起パルスがピクセル２００に到達すると、キャリアのサージが光子吸収／キャリア発生領域１０２からドレインに対して移動し得る。励起パルスに応答するドレインにおける光生成キャリアの蓄積が、ドレインの電圧の変化を引き起こし得る。したがって、いくつかの実施形態では、励起パルスは、ドレインの電圧を検出することによって検出され得る。たとえば、コンパレータは、ドレインの電圧を閾値と比較することができ、ドレインの電圧が閾値を超えたときにパルスを生成することができる。パルスのタイミングはトリガ・イベントのタイミングを示すことができ、このタイミングに基づいて時間ビンのタイミングが設定され得る。しかしながら、本明細書に説明されている技法はこれに関して限定されず、任意の適切な技法が測定の開始を検出するために使用されてよい。
【００９２】
いくつかの実施形態では、集積デバイスは、時間ビンのタイミングを変更可能なようにプログラム可能であり得る。いくつかの実施形態では、時間ビンのタイミングは、実行される測定の特定のセットについてプログラムされ得る。たとえば、集積デバイスが、第１の範囲内の寿命を有する第１のセットのマーカを使用する第１のタイプの試験のために使用される場合、時間ビンは、その範囲内のマーカの寿命を弁別するために適切な値にプログラムされ得る。しかしながら、異なる寿命を有する異なるマーカを使用する別のタイプのテストのために集積デバイスが使用される場合、時間ビンは、第２のタイプの試験で使用されるマーカに適した異なる時間間隔に対応するように時間ビンをプログラミングすることによって変更され得る。いくつかの実施形態では、時間ビンのタイミングは、測定のセットの結果に基づいて測定間で適応的に制御されてよい。
【００９３】
例示的な貯蔵ビン
電荷貯蔵ビンを半導体領域内のポテンシャル井戸（ウェル）として実装するいくつかの手法がある。いくつかの実施形態では、ポテンシャル井戸は、部分的に電極２０３または２０５内にあってよい。電荷を井戸の中および井戸の外に移動するための２つのタイプの移送がある。蓄積の移送は電荷を井戸へと移動させる。読出部の移送は電荷を井戸の外に移動させる。
【００９４】
以下はポテンシャル井戸の可能な特性である。すなわち、
・井戸は、少なくとも１００個の電子の蓄積された電荷を３０℃にて１０ｍｓ間に貯蔵するのに充分な深さであってよい。
・電極２０３または２０５は、領域１０２を井戸に対して電荷結合する。
・井戸は、少なくとも部分的に電極２０３または２０５内にあってよい。
・蓄積の移送中、井戸は領域１０２の完全な空乏電圧よりも高い電位にあってよい。
・井戸の完全な空乏電圧は、読出の移送中の浮遊拡散部リセット・レベルよりも低い電位にあってよい。
・井戸の電位は、蓄積の移送と読出の移送との両方の要求に適うように、動的に変調されてよい。
【００９５】
ビン０またはビン１などのビンについてのポテンシャル井戸を作り出すために、いくつかの技法が存在する。一例として、電極２０３，２０５，２１３および２１５のうちの１または複数が相補的ドーピング（分割ドーピング）されてよい。図７は、ｐ＋領域およびｎ＋領域を有する分割ドーピングされた電極２３０２を示す。図７に示されるように、分割ドーピングされた電極２３０２のｎ＋領域は、電荷キャリア（たとえば電子）を閉じ込めることが可能なポテンシャル井戸をｎ＋領域の下に生成してよい。図７は、分割ドーピングされた電極２３０２の電圧を高く保持することにより、電荷キャリア（たとえば電子）をポテンシャル井戸２３０４に閉じ込めることが可能な破線で示されるような電位勾配を生成できることを示す。分割ドーピングされた電極２３０２の電圧を低下させることにより、分割ドーピングされた電極２３０２の下の電位を上昇させて、たとえば、ポテンシャル井戸２３０４内にトラップされた電荷を電荷貯蔵ビンに移送することを可能にすることができる。
【００９６】
電極２３０２には、領域１０２の側にＰ＋およびビン側にＮ＋にドーピングされてよい。仕事関数の差は、たとえば１ボルトなどの電圧勾配を生成し得る。第２の選択肢は、電極によって変調される井戸の位置に埋設されたチャネルのｎ型インプラントを置くことである。電極が高い電位にあるとき、井戸の電位は収集領域を超えて上昇する。第３の選択肢は、領域１０２のダイオードと同一であるレプリカのダイオードを生成することである。そのダイオードは、領域１０２のダイオードと同様に、同一のインプラントを有する埋設ダイオードであってよい。そのダイオードは、障壁２０２または２０４と移送電極２１３との間に形成されてよい。空乏電圧は、読出移送ゲートにわたって延びているｎ型インプラントにより調整されてよい。障壁２０２または２０４を形成する電極は、Ｎ＋にドーピングされてよく、一方で読出移送電極はＰ＋にドーピングされてよい。いくつかの実施形態では、ビンについてのポテンシャル井戸を形成するように上記の技法の組合せが用いられてよい。
【００９７】
図８は、いくつかの実施形態による直接ビニングピクセル２００の一例の平面図を示す。示されるように、領域１０２は円形を有するが、しかしながら本明細書に説明されている技法はこれに関して限定されない。
【００９８】
図９は、いくつかの実施形態による直接ビニングピクセル２００の別の例の平面図を示す。図９は、下のポリシリコン電極の上に位置するとともにそのポリシリコン電極に電気的に接続されている金属端子を示す。金属領域ｃｄは除去領域１０５に接続されており、金属領域ｂ０は電極２０６に接続されており、金属領域ｂ１は電極２０３に接続されており、金属領域ｂ２は電極２０５に接続されている。金属領域ｔ１は、ビン０に対する移送ゲートとして機能するポリシリコン電極と接続し、読出用のビン０に貯蔵されている電荷を外に移送することができる。同様に、金属領域ｔ２は、ビン１に対する移送ゲートとして機能する別のポリシリコン電極と接続し、読出用のビン１に貯蔵されている電荷を外に移送することができる。
【００９９】
ポケット・インプラントが、“ＴＧ”層により示される電極２０３および２０５の下部に位置する。拡散部とポケット・インプラントとの共通部分には、Ｎ＝０のラベルが付される。側壁インプラントのため、黒いマーキングはポケット電位が生じるところである。この例では、ポケットは電極間に延びている。しかしながら、本明細書に説明されている技法およびデバイスはこれに関して限定されない。
【０１００】
ビンの位置は、電極の下、電極によって覆われない領域、または電極の下と電極によって覆われない領域との両方であってよい。たとえば、ビン０は、電極２０３の下、電極２０３とｔ１に接続されているポリシリコン移送電極との間であって電極２０３の下でない領域、または電極２０３の下と電極２０３の下でない領域との両方にあってよい。
【０１０１】
図１０〜図１４は、ピクセル２００の実施形態についての、半導体材料におけるドーピング濃度と方法２８００の様々な工程におけるピクセル２００の電位勾配とを示す。
図１０は、工程２８０２の除去期間中の電位を示し、また図５Ａに対応する。左下のプロットは、図８のｙ次元に沿った電位を示す。光子吸収／キャリア発生領域１０２は、ｙ＝０に中心が置かれる。左下および左上のプロットに見られるように、ｙ＝０に関して左方への除去領域の電極が高くなるとき、電位はｙ＝０の左方の除去領域に向かって降下する。したがって、キャリアは光子吸収／キャリア発生領域１０２から除去領域１０５に対して移送される。右下のプロットは、ドーピング濃度を示す。
【０１０２】
図１１は、除去領域およびビンに対する電位障壁が上昇されている（図５Ｃのように）期間中の電位を示す。この状態では、領域１０２において生成される任意の電荷キャリアが、ｙ＝０のまわりに生成されるボウル形ポテンシャル井戸のため、領域１０２に閉じ込められる。
【０１０３】
図１２は、電荷がビンに対して移送され得る工程２８０６および２８０８中の電位を示し、図５Ｂおよび図５Ｄに対応する。ｙ次元の電位は、電荷がビン０およびビン１に対して移送される場合について同様である。これに関して、図１２は、キャリアを一方のビン対他方のビンに向かって駆動する図８の横方向の次元に沿った勾配を示さない。図１２に示されるように、電位は、ビンに向かって領域１０２の右方へと落下し、対応するビンの中に存在する任意のキャリアを駆動する。
【０１０４】
図１３および図１４は、読出段階中のポテンシャルを示す。図１３は、移送ゲートによって生成される電位障壁を低下させることによる、ビンに貯蔵されている電荷の浮遊拡散部ＦＤへの移送を示す。図１４は、浮遊拡散部ＦＤのリセットを示す。
縦方向除去
本発明者らは、半導体基板内の深くにおける電荷キャリアの光生成から問題が生じることを認識し理解している。基板内の深くにかなりの電位勾配がない場合があるので、この領域において生成されたキャリアは遅い移動であってよく、予測可能な経路を取らなくてよい。いくつかの場合では、深部で生成されたキャリアは、最終的に表面に移動してよく、領域１０２に閉じ込められてよい。そのようなキャリアは電流測定期間中に到着した光子に対応しないので、そのキャリアを領域１０２に収集することは望ましくなく、したがって、除去される必要があるノイズである。本発明者らは、直接ビニングピクセルまたは別のタイプのピクセルに用いられ得る、深部生成キャリアを除去する構造および技法を開発した。そのような構造および技法を論じる前に、深部生成キャリアの発生および移動が論じられる。
【０１０５】
図１５に示されるように、吸収深さは、光が吸収される前に長波長ほど半導体の中深くに入り込むように、波長の関数である。吸収深さは、吸収係数の逆数、すなわち１／ａによって与えられる。吸収深さは、光が表面強度の約３６％に低下する材料の中への距離、１／ｅ、すなわち１タウ（τ）であるように、強度は基板の中へと指数関数的に減衰する。短波長の光（青色）は、表面から短距離内において吸収されるように、より大きい吸収係数を有し、一方で長波長の光（赤色）はより低い割合にて吸収される。
【０１０６】
エピウェーハは、高添加のハンドルを有する、３〜５マイクロメートルの厚さの低添加（たとえば２ｘ１０１５ｃｍ−３）エピタキシ領域を含む。アクティブエリアには電位勾配がないので、電場は最小である。キャリアは３つの原因
１）熱
２）ドリフト
３）拡散
から移動を受ける。
【０１０７】
電場またはドーピング勾配がないと、キャリアは半導体の振動原子と確率過程において衝突する。キャリアはドーパントおよび他のキャリアと静電的に相互作用する。３００°Ｋにおける自由衝突間の時間は、１ｅ−７ｃｍ／ｓの熱運動速度で約１ｅ−１３ｓである。特有の平均自由行程は約１０ｎｍである。
【０１０８】
図１６は、領域１０２のフォトダイオードについてのドーピング・プロファイルおよび電位を示す。完全に空乏化された低添加（１ｘ１０１６ｃｍ−３）埋設ｎ型領域は、キャリアを電位が最も高い領域へと引き込む電場を生成する。空乏領域の下で発生したキャリアは、閉じ込められる前に電場へと拡散する。拡散過程は遅く、キャリアが発生した後にキャリアを井戸に到着させる。
【０１０９】
埋設ダイオード領域の深さは、インプラントが（エネルギー＜４００ｋｅＶ）に実装されているステージにて、ＣＭＯＳ処理によって制限されてよい。アクティブ領域および電場の拡張部は、１．５μｍ未満の深さであってよく、約２０％の光電子が平坦な電場を有する領域に入ることとなる。１０ｎｓのサイクルでは、１００万個の光子をシミュレートした後、約４０個に１個の光子が半サイクル、すなわち５ｎｓ後に、基板に依然として立ち遅れている。最初の１００ｐｓ内では、約１０個に１個の光子が依然として立ち遅れている。これは、１００ｐｓの除去レイテンシを用いた１０対１の最良の場合の除去比を示す。
【０１１０】
深部で生成されたキャリアを排出すること、および／またはそれらのキャリアが表面付近のフォトダイオード領域に到達するのを少なくとも防止することが所望される。発明者らは、そうするための構造および技法を開発した。いくつかの実施形態では、「深部生成キャリア」は、表面の下において１マイクロメートルを越えて生成されたキャリアを呼ぶ。しかしながら、キャリアが問題となる深さが様々な材料および処理技術について変化し得るので、本発明はこれに関して限定されない。
【０１１１】
１つの技法は、深部生成キャリアがフォトダイオードに入るのを妨げるドレインまたは障壁をフォトダイオードの下に形成する。図１７は、深部生成キャリアが表面に到達するのを防止することができる深部ドーピングされた領域を示す。深部ドーピングされた領域は、９００ｋｅＶのエネルギー、または任意の他の適切なエネルギーを用いた深部インプラントであってよい。いくつかの実施形態では、深部インプラントは、表面を基板の底部と同一の電位とするように、不連続（たとえば図２０におけるものなど）であってよい。図１８は、１０ｎｓ間の電子運動のシミュレーションを示し、示すキャリアは深部ｎ井戸領域へと引き込まれる。
【０１１２】
深部ドーピングされた領域がｎ型である場合、深部生成キャリアをドレインに収集および移送するように、除去領域に、したがって電源電圧に接続されてよい。深部ドーピング領域がｐ型である場合、深部ドーピングキャリアを妨げ、そのキャリアがフォトダイオードに到達するのを防止する障壁が形成されてよい。
【０１１３】
３〜５μｍの厚さ、または任意の他の適切な厚さのエピタキシ基板を用いるとき、深部キャリアは除去されてよい。表面から１μｍ以内の光生成キャリアは、空乏化されたダイオードＮ領域へと収集されてよい。
【０１１４】
２つの別々の技法が深部キャリアを扱うように実装されてよい。
１）１つの技法は、埋設ドレインである。図１９は、Ｎ型の埋設層（深部ドレイン）が高い電位（たとえば３ボルト）でバイアスがかけられている一例を示す。深部の光電子は、Ｎ型の埋設層へと引き込まれ、コンタクトにて排出される。
【０１１５】
２）別の技法は、埋設遮蔽体である。図２０は、基板と接触するＰ＋型の埋設層（深部遮蔽体）を示す。深部の光電子は、Ｐ＋型の埋設層から反発され、Ｎ型ピックアップへと拡散し、コンタクトにて排出される。Ｐ＋型の埋設層は、不連続であり、ダイオード構造を低電位の底面から基板の電位へとバイアスがかけられたままにする。ダイオードとインターフェースする電極の速い動的スイッチングでは、これはダイオードの空乏電圧が高周波数においてさえも固定されたままであるので、利点となり得る。
【０１１６】
埋設ダイオードの左側および右側のＮおよびＰ領域は、標準Ｎウェル（ＮＷ）およびＰウェル（ＰＷ）処理を用いて実装されてよい。Ｎウェルに対するＮ＋タップは、標準ソース・ドレイン高添加インプラントであってよい。深部のＮ領域は、１０００ｋｅＶを超える高エネルギーのリンインプラントであってよい。深部のＰ＋領域は、５００ｋｅＶを超える高エネルギーのホウ素インプラントであってよい。
【０１１７】
深部生成キャリアを排出するための別の技法は、深部生成キャリアを表面から引き込むドリフトの場を基板に生成することである。ドリフトの場は基板に縦方向電位勾配を生成することによって生成されてよい。
【０１１８】
深部生成キャリアを回避する別の技法は、半導体領域（たとえばエピタキシャル領域）を、３マイクロメートルよりも薄く、２マイクロメートルよりも薄くまたは１マイクロメートルよりも薄くなど、非常に薄く作製することである。
【０１１９】
追加の実施形態
図２１は、集積回路が作製され得る材料の例を示す。ピクセルは半導体領域に形成されてよく、いくつかの実施形態では半導体領域はシリコンであってよい。酸化シリコン領域などの絶縁領域は、集積回路のエリアを互いに絶縁してよい。電極（たとえば電極２０６，２０３および２１３）は、ポリシリコンまたは別の導体から形成されてよい。絶縁スペーサは電極の側に配置されてよい。たとえば、絶縁領域は窒化シリコンから形成されてよい。アルミニウムなどの金属が電極に対して電気的に接触するように電極上に配置されてよい。しかしながら、本明細書に説明されるデバイスは特定の材料に関して限定されないので、他の材料が用いられてよい。
【０１２０】
図２２は、いくつかの実施形態による、ピクセル２００についてのドーピング・プロファイルの一例を示す。光検出領域１０２は、Ｐ型領域を表面に、また埋設Ｎ型領域を有するフォトダイオードを含む。電極２０６および２０３は、Ｎ型にドーピングされてよい。電極２１３はＰ型にドーピングされてよい。電極２０３と電極２１３との間のドーピングの差は、複数のインプラントとは対照的に、領域１０８に形成された１つのインプラントによって電荷キャリアの閉じ込めができることを可能とする仕事関数の差を生じ得る。しかしながら、これは選択的であり、いくつかの実施形態では、領域１０８は複数のインプラントを含んでよい。電極２０３および／または２１３の下の電荷貯蔵領域１０８は、この例ではＮ型にドーピングされている。高添加された領域３０１は、フォトダイオードの反対にある電極２１３の向こう側の半導体領域に形成されてよい。障壁インプラント３０２は、キャリアが基板内の深くから電荷貯蔵領域１０８に入ることを防止するように形成されてよい。この例では、障壁インプラントはＰ型であってよい。
【０１２１】
ビンは、２１３電極を通じて拡散部へと、電極２０３の半分にわたるインプラントを含んでよい。出力に対するビンの障壁は、Ｐ＋とＮ＋とにドーピングされたゲート電極間の仕事関数差によって形成されてよい。これは充分な１．１Ｖの障壁の差を形成することが可能である。この差は、電極２０３と電極２１３との間に異なる電圧を印加することによって拡張されることが可能である。たとえば、電極２１３は０Ｖに設定されることが可能であり、電極２０３は０．４Ｖに設定されることが可能である。これは１．５Ｖの差を生じる。
【０１２２】
入力に対する電位障壁は、ダイオードのインターフェースにてホウ素インプラントによって形成されてよい。障壁の電位は、ビンのインプラントの最大空乏電圧と関連する。ビンのインプラントのドーズ量およびエネルギーは、ビンの最大電位深さを決定してよい。これは、ビンの入力側に対する充分な障壁を可能とするように、処理において調節されてよい。出力側は、仕事関数の差のため頑強な障壁を有し、また電圧によって調節可能である。入力障壁は調節するために、より重要である。ビンの電位深さは、電極２０３に電圧を印加されることによって調整されてよい。しかしながら、これはまた入力ダイオードに対する障壁に影響を与える。入力ダイオードに対する障壁は、ゲート制御されてよい。したがって、ビンのインプラントのドーズ量およびエネルギーは、最大のビンの空乏電位に充分な障壁を与えるように調節されてよい。ビンのインプラントと同一のマスクを使用して、深部高ドーズ量ホウ素インプラントは、迷走電子のピックアップを防止するための障壁を基板に形成することができる。
【０１２３】
図２３は、図２２に示されるドーピング・プロファイルとともにピクセル２００を形成するための例示的な処理シーケンスを示す。処理はドーパント・インプラントおよび／または拡散部の任意の適切なシーケンスを含んでよい。しかしながら、図２３の処理は例であり、また他の適切な処理が用いられてよいことが理解される。
【０１２４】
図２４は、図２２の線ｙ＝０に沿ったヒ素、ホウ素、リンおよびＮｔについての例示的なドーピング・プロファイルのプロットを示す図。基板への深さが縦軸に、濃度が横軸に示される。
【０１２５】
図２５は、すべての電極の電圧を０Ｖに設定することによってすべての障壁が閉じられるときの、図２２のピクセルにおける電位のプロットを示す。示されるように、ビンにキャリアを閉じ込めることができるポテンシャル井戸が生成される。
【０１２６】
図２６は、電極２１３の電圧が３Ｖに設定されるときの、図２２のピクセルにおける電位のプロットを示す。電極２１３の電圧を上昇させることは、ビンと読出ノード１１１との間の障壁を低下させる。
【０１２７】
図２７は、電極２０６，２０３および２１３の電圧が変化したときの基板内の電位の曲線を示す。
例示的な集積回路の実現および集積光検出器の形成方法
いくつかの実施形態では、チップ１３００は、標準的なＣＭＯＳ（相補型金属酸化膜半導体）プロセスを使用してシリコン基板に形成され得る。しかしながら、本明細書に説明されている技法はこれに関して限定されず、任意の適切な基板または製造プロセスが使用されてよい。図２８〜図３２は、光検出器を形成する例示的な処理と４つの異なるピクセル設計ｄ０〜ｄ３とを示す。図２８は、半導体領域における拡散部およびＮウェル領域、ならびに上に位置するポリ電極層とともにレベル０を示す。図２９はレベル１を示し、図３０はレベル２を示し、図３１はレベル３を示し、図３２はレベル４を示す。
【０１２８】
ピクセル・アレイ／チップ・アーキテクチャ
図３３は、いくつかの実施形態によるチップ・アーキテクチャの図を示す。図３３に示されるように、集積回路またはチップ１３００は、複数のピクセル１００を含むピクセル・アレイ１３０２と、タイミング回路１３０６を含む制御回路１３０４と、電圧／電流バイアス発生回路１３０５と、インターフェース１３０８とを含むことができる。
【０１２９】
ピクセル・アレイ１３０２は、たとえば矩形パターンなど任意の適切なパターンで配置されたピクセル・アレイ１０１を含む。ピクセル・アレイ１３０２は、任意の適切な数のピクセルを有することができる。ピクセル・アレイは、ピクセル・アレイ１３０２の行または列を読み出すための行導体および／または列導体を有することができる。ピクセルは、並列、直列、またはこれらの組合せで読み出され得る。たとえば、いくつかの実施形態では、ピクセルの行が並列に読み出されてよく、ピクセル・アレイの各行は順次読み出されてよい。しかしながら、本明細書に説明されている技法はこれに関して限定されず、ピクセルは任意の適切な方法で読み出されてよい。
【０１３０】
ピクセル・アレイ１３０２は制御回路１３０４によって制御され得る。制御回路１３０４は、ピクセル・アレイ１３０２の動作を含むチップ１３００上の動作を制御するための任意の適切なタイプの制御回路であり得る。いくつかの実施形態では、制御回路１３０４は、ピクセル・アレイ１３０２の動作およびチップ１３００上の他の任意の動作を制御するようにプログラムされたマイクロプロセッサを含むことができる。制御回路は、そのような動作をマイクロプロセッサに行わせるためのコンピュータ可読命令（たとえばコード）を記憶するコンピュータ可読媒体（たとえばメモリ）を含むことができる。たとえば、制御回路１３０４は、各ピクセルにおける電荷キャリア分離構造の電極に印加される電圧を生成するのを制御することができる。制御回路１３０４は、上述されたように、キャリアを捕獲し、キャリアを移送し、またピクセルおよびアレイの読出を行うように、１つまたは複数の電極の電圧を変化させることができる。制御回路は、記憶されたタイミング方式に基づいて電荷キャリア分離構造の動作のタイミングを設定することができる。記憶されたタイミング方式は、上述されたように、固定式、プログラム可能、および／または適応性であり得る。
【０１３１】
制御回路１３０４は、ピクセルの電荷キャリア分離構造の動作またはチップの他の動作のタイミングを取るためのタイミング回路１３０６を含むことができる。いくつかの実施形態では、タイミング回路１３０６は、電荷キャリアを精密に時間ビニングするために、電荷キャリア分離構造における電圧変化のタイミングを正確に制御するための信号の生成を可能にすることができる。いくつかの実施形態では、タイミング回路１３０６は、電荷キャリア分離構造に対して提供される信号のタイミングを正確に設定するための外部基準クロックおよび／または遅延ロック・ループ（ＤＬＬ）を含むことができる。いくつかの実施形態では、２つのシングルエンド遅延線が使用されてよく、それぞれ段の半数は位相が１８０度ずれて配列される。しかしながら、任意の適切な技法が、チップ上の信号のタイミングを制御するために使用されてよい。
【０１３２】
チップ１３００は、チップ１３００からの信号を送る、チップ１３００で信号を受け取る、またはその両方のためのインターフェース１３０８を含むことができる。インターフェース１３０８は、ピクセル・アレイ１３０２によって検知された信号を読み出すのを可能にすることができる。チップ１３００からの読出は、アナログ・インターフェースおよび／またはデジタル・インターフェースを使用して行われてよい。チップ１３００からの読出がデジタル・インターフェースを使用して行われる場合、チップ１３００は、ピクセル・アレイ１３０２から読み出された信号をデジタル信号に変換するための１つまたは複数のアナログ−デジタル・コンバータを有することができる。いくつかの実施形態では、読出回路は、プログラマブル利得増幅器を含むことができる。１つまたは複数の制御信号が、インターフェース１３０８を介して外部ソースからチップ１３００に対して提供され得る。たとえば、そのような制御信号は、行われる測定のタイプを制御することができ、これは、時間ビンのタイミングを設定することを含んでよい。
【０１３３】
ピクセル・アレイ１３０２から読み出された信号の分析は、オンチップまたはオフチップの回路構成によって行われてよい。たとえば、蛍光寿命測定のコンテキストでは、光子到着のタイミングの分析は、フルオロフォアの蛍光寿命を近似することを含むことができる。任意の適切なタイプの分析が行われてよい。ピクセル・アレイ１３０２から読み出された信号の分析がオンチップで行われる場合、チップ１３００は、分析を行うための任意の適切な処理回路構成を有してよい。たとえば、チップ１３００は、制御回路１３０４の一部またはそれとは別個の、分析を行うためのマイクロプロセッサを有することができる。分析がオンチップで行われる場合、いくつかの実施形態では、分析の結果は、インターフェース１３０８を介して外部デバイスに送られてよく、または別様にオフチップに提供されてもよい。いくつかの実施形態では、分析のすべてまたは一部がオフチップで行われてよい。分析がオフチップで行われる場合、ピクセル・アレイ１３０２から読み出された信号および／またはチップ１３００によって行われた任意の分析の結果は、インターフェース１３０８を介して外部デバイスに提供され得る。
【０１３４】
いくつかの実施形態では、チップ１３００は、以下のうちの１つまたは複数を含むことができる。
１）オンチップのデジタル制御されるピクセル・バイアス発生器（ＤＡＣ）
２）シングルエンドのピクセル出力電圧信号を差動信号に変換し利得を信号に適用する、オンチップのデジタル・プログラマブル利得増幅器
３）出力レートで電力損失をスケーリングすることを可能にする、デジタル制御される増幅バイアス発生器（ａｍｐｌｉｆｉｅｒ  ｂｉａｓ  ｇｅｎｅｒａｔｏｒｓ）。
【０１３５】
図３４は、ピクセル・アレイを制御するため、またはピクセルからのデータの分析を行うための制御回路を実装するために使用され得る、例示的コンピューティング・デバイス１０００のブロック図である。コンピューティング・デバイス１０００は、１つまたは複数のプロセッサ１００１、および１つまたは複数の有形の非一時的なコンピュータ可読記憶媒体（たとえばメモリ１００３）を含むことができる。メモリ１００３は、実行されたときに上記の機能性のいずれかを実装するコンピュータ・プログラム命令を有形の非一時的なコンピュータ記録可能媒体に記憶することができる。プロセッサ１００１は、メモリ１００３に結合されてよく、そのようなコンピュータ・プログラム命令を実行して機能性を実現および実施させることができる。
【０１３６】
コンピューティング・デバイス１０００はまた、コンピューティング・デバイスが（たとえば、ネットワークを介して）他のコンピューティング・デバイスと通信できるネットワーク入力／出力（Ｉ  ／  Ｏ）インターフェース１００５を含むことができ、また、１つまたは複数のユーザＩ／Ｏインターフェース１００７を含むことができ、これを介して、コンピューティング・デバイスは、ユーザに対して出力を提供し、かつユーザから入力を受け取ることができる。ユーザＩ／Ｏインターフェースは、キーボード、マウス、マイクロフォン、ディスプレイ・デバイス（たとえば、モニタまたはタッチ・スクリーン）、スピーカ、カメラ、および／または様々な他のタイプのＩ／Ｏデバイスなどのデバイスを含むことができる。
【０１３７】
上述の実施形態は、多数の方法のいずれかで実装され得る。たとえば、実施形態は、ハードウェア、ソフトウェア、またはこれらの組合せを使用して実装されて得る。ソフトウェアで実装されるとき、ソフトウェア・コードは、単一のコンピューティング・デバイスに提供されるか、または複数のコンピューティング・デバイス間に分散されるかにかかわらず、任意の適切なプロセッサ（たとえばマイクロプロセッサ）またはプロセッサの集合において実行され得る。上述された機能を実施する任意の構成要素または構成要素の集合は、上述された機能を制御する１つまたは複数のコントローラとして総称的に考慮され得ることを理解されたい。１つまたは複数のコントローラは、専用ハードウェアを用いる、または上記に列挙された機能を実施するためにマイクロコードまたはソフトウェアを使用してプログラムされた汎用ハードウェア（たとえば、１つまたは複数のプロセッサ）を用いるなど、多くの方法で実装され得る。
【０１３８】
これに関して、本明細書に説明されている実施形態の１つの実装は、１つまたは複数のプロセッサで実行されたとき、１または複数の実施形態の上述された機能を実施するコンピュータ・プログラム（複数の実行可能命令）でエンコードされた少なくとも１つのコンピュータ可読記憶媒体（たとえば、ＲＡＭ、ＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭ、フラッシュ・メモリもしくは他のメモリ技術、ＣＤ−ＲＯＭ、デジタル多用途ディスク（ＤＶＤ）もしくは他の光ディスク・ストレージ、磁気カセット、磁気テープ、磁気ディスク・ストレージ、もしくは他の磁気記憶デバイス、または他の有形の非一時的コンピュータ可読記憶媒体）を含むことを理解されたい。コンピュータ可読媒体は、本明細書に論じられた技法の態様を実装するために、媒体上に記憶されたプログラムが任意のコンピューティング・デバイス上にロードされ得るように可搬であってよい。加えて、実行されると上述された機能のいずれかを実施するコンピュータ・プログラムへの参照は、ホスト・コンピュータ上で動作するアプリケーション・プログラムに限定されないことを理解されたい。むしろ、コンピュータ・プログラムおよびソフトウェアという用語は、本明細書では一般的に、本明細書で論じられた技法の態様を実装するために１つまたは複数のプロセッサをプログラムするのに利用され得る任意のタイプのコンピュータ・コード（たとえば、アプリケーション・ソフトウェア、ファームウェア、マイクロコード、または他の任意の形態のコンピュータ命令）を参照するために使用される。
【０１３９】
追加の態様
本発明の様々な態様は、単独で、組み合わせて、または上記に説明された実施形態において特に議論されていない様々な構成で使用されてよく、したがって、その用途において、上記の説明に記載されまたは図面に示されている構成要素の詳細および構成に限定されない。たとえば、一実施形態において説明された態様が、他の実施形態において説明された態様と任意の様式で組み合わされてよい。
【０１４０】
また、発明は方法として具現化されることが可能であり、その例が提供されている。方法の一部として行われる動作は、任意の適切なやり方で順序付けられ得る。したがって、図示されているのと異なる順序で動作が行われる実施形態が構築されてもよく、それは、例示的実施形態で連続的な動作として示されたとしても、いくつかの動作を同時に実施することを含み得る。
【０１４１】
特許請求の範囲において請求項要素を修飾するための「第１の」、「第２の」、「第３の」などの序数用語の使用は、それ自体では、別の請求項要素に対する１つの請求項要素のいかなる優先度、順位、もしくは順序も含意しておらず、または方法の動作が実施される時間的な順序も含意しておらず、それらは、単に、特定の名前を有する１つの請求項要素を（序数用語の使用がなければ）同じ名前を有する別の要素から区別するための標識として使用されて、請求項要素を区別する。
【０１４２】
また、本明細書で使用されている表現および用語は、説明のためのものであり、限定とみなされるべきではない。本明細書における「含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」、「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」、または「有する（ｈａｖｉｎｇ）」、「含有する（ｃｏｎｔａｉｎｉｎｇ）」、「含む（ｉｎｖｏｌｖｉｎｇ）」およびそれらの変形の使用は、その後に列挙される要素およびその均等物、ならびに追加的な要素を包含することを意図している。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３】
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【図４】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図５Ｃ】
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【図５Ｄ】
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【図５Ｅ】
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【図５Ｆ】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【国際調査報告】
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