用于对接收的光子进行时间分仓的集成装置制造方法及图纸

一种集成电路包括光检测区域，其被配置成接收入射光子。所述光检测区域被配置成响应于所述入射光子产生多个电荷载流子。集成电路还包括至少一个电荷载流子存储区域。所述集成电路还包括电荷载流子分离结构，其被配置成基于产生电荷载流子的时间将所述多个电荷载流子中的所述电荷载流子选择性地指引到所述至少一个电荷载流子存储区域中。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于对接收的光子进行时间分仓的集成装置相关申请的交叉引用本申请要求于2014年8月8日提交的标题为“用于对接收的光子进行时间分仓的集成装置”的美国临时申请序列号62/035,377以及于2015年5月20日提交的标题为“用于对接收的光子进行时间分仓的集成装置”的美国临时申请序列号62/164,506的优先权，其中的每一个均通过引用整体并入本文。本申请与下列美国申请相关：于2014年8月8日提交的标题为“用于探测、检测和分析分子的具有外部光源的集成装置”的美国临时专利申请62/035,258；于2014年8月8日提交的标题为“用于探测、检测和分析分子的光学系统和测定芯片”的美国临时专利申请62/035,242；于2015年5月20日提交的标题为“用于探测、检测和分析分子的具有外部光源的集成装置”的美国临时申请62/164,464；于2015年5月20日提交的标题为“脉冲激光”的美国临时专利申请62/164,485；于2015年5月20日提交的标题为“用于核酸测序的方法”的美国临时专利申请62/164,482；与本申请同日提交的案号为R0708.70003US01且标题为“用于探测、检测和分析分子的光学系统和测定芯片”的美国非临时专利申请；以及与本申请同日提交的案号为R0708.70004US02且标题为“用于探测、检测和分析分子的具有外部光源的集成装置”的美国非临时专利申请。上面所列出的相关申请中的每一个通过引用整体并入本文。
技术介绍
光检测器用于在各种应用中检测光。已经开发了产生指示入射光的强度的电信号的集成光检测器。用于成像应用的集成光检测器包括像素阵列以检测从整个场景接收的光的强度。集成光检测器的实例包括电荷耦合器件(CCD)以及互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器。
技术实现思路
一些实施例涉及一种集成电路，其包括光检测区域，其被配置成接收入射光子，光检测区域被配置成响应于入射光子产生多个电荷载流子。集成电路还包括至少一个电荷载流子存储区域。所述集成电路还包括电荷载流子分离结构，其被配置成基于产生电荷载流子的时间将所述多个电荷载流子中的所述电荷载流子选择性地指引到所述至少一个电荷载流子存储区域中。一些实施例涉及一种集成电路，其包括光检测区域，其被配置成接收入射光子，光检测区域被配置成响应于入射光子产生多个电荷载流子。集成电路还包括至少一个电荷载流子存储区域。集成电路还包括工具，其基于产生电荷载流子的时间将多个电荷载流子中的电荷载流子选择性地指引到至少一个电荷载流子存储区域中。一些实施例涉及一种光检测方法，其包括接收入射光子并基于产生电荷载流子的时间来将响应于入射光子产生的多个电荷载流子中的电荷载流子选择性地指引到至少一个电荷载流子存储区域中。一些实施例涉及一种计算机可读存储介质，其具有当由处理器执行时执行光检测方法的存储在其上的指令。该方法包括控制电荷载流子分离结构以基于产生电荷载流子的时间来将响应于入射光子产生的多个电荷载流子中的电荷载流子选择性地指引到至少一个电荷载流子存储区域中。一些实施例涉及一种形成集成电路的方法。该方法包括形成电荷载流子限制区域，其包括光检测区域和电荷载流子行进区域。光检测区域被配置成响应于入射光子产生多个电荷载流子。该方法还包括形成电荷载流子分离结构，其被配置成基于产生电荷载流子的时间将多个电荷载流子中的电荷载流子选择性地指引到至少一个电荷载流子存储区域中。一些实施例涉及一种对核酸进行测序的方法。该方法包括从在至少一段时间内被直接或间接附接到核酸的各个核苷酸的发光分子接收光子。该方法还包括基于产生电荷载流子的时间来将响应于入射光子产生的多个电荷载流子中的电荷载流子选择性地指引到至少一个电荷载流子存储区域中。一些实施例涉及一种计算机可读存储介质，其具有当由处理器执行时执行对核酸进行测序的方法的存储在其上的指令。该方法包括至少部分地使用由从连接到核酸的各个核苷酸的发光分子接收光子的集成电路检测的入射光子的到达时间来对核酸进行测序。一些实施例涉及一种对核酸进行测序的方法。该方法包括使用集成电路和检测源于连接到核酸的各个核苷酸的发光分子的入射光子的到达时间。该方法还包括至少部分地使用检测源于发光分子的入射光子的到达时间的集成电路来识别发光分子。一些实施例涉及一种荧光寿命成像的方法。该方法包括至少部分地使用检测源于荧光分子的入射光子的到达时间的集成电路来产生指示荧光寿命的图像。一些实施例涉及一种飞行时间成像的方法。该方法包括接收入射光子并基于产生电荷载流子的时间来将响应于入射光子产生的多个电荷载流子中的电荷载流子选择性地指引到至少一个电荷载流子存储区域中。提供前面的概述仅用于说明且不旨在限制。附图说明在附图中，在各个图中示出的每个相同或几乎相同的组件是由相同的参考字符表示的。为了清楚起见，可能并非每个组件均在每个附图中进行标记。附图不一定按比例绘制，而是将重点放在示出本文所述的技术和装置的各个方面。图1A绘制了用于两种具有不同寿命的标记物的作为时间的函数而发射光子的概率。图1B示出用于实例激发脉冲(虚线)和实例荧光发射(实线)的随时间的实例强度曲线图。图2A示出根据一些实施例的集成光检测器的像素的图。图2B显示在与图2A不同的时间和空间点上捕获电荷载流子。图3A示出根据一些实施例的像素的电荷载流子限制区域。图3B示出具有覆在图3A的电荷载流子限制区域上面的多个电极Vb0至Vbn、b0至bm、st1、st2和tx0至tx3的图3A的像素。图3C示出其中光子吸收/载流子产生区域包括PN结的实施例。图3D示出添加了掺杂特征的如在图3C中所示的像素的俯视图。图3E示出包括载流子行进/捕获区的如在图3C中所示的像素的俯视图。图3F示出如在图3E中所示的像素阵列。图3F指出扩散、多晶硅、接触和金属1的区域。图3G示出图3F的像素阵列且还指出扩散、多晶硅、接触、金属1、N-植入物、P-植入物和P-外延区域。图4示出图3B的像素的电路图。以粗暗线示出电荷载流子限制区。图5A显示可以在光子吸收/载流子产生区中的电荷载流子限制区和沿图3B的线A-A’的载流子行进/捕获区中建立的势梯度。图5B示出在一段时间之后，可以通过降低电极b0的电压而在时间t1升高对电子的势垒。图5C示出在另一时间段之后，可以通过降低电极b2的电压而在时间t2升高对电子的另一势垒。图5D示出在另一时间段之后，可以通过降低电极b4的电压而在时间t3升高对电子的另一势垒。图5E示出在另一时间段之后，可以通过降低电极b6的电压而在时间t4升高对电子的另一势垒。图5F示出在另一时间段之后，可以通过降低电极bm的电压而在时间t5升高对电子的另一势垒。图6A示出一旦光生后载流子的位置。图6B示出之后不久当载流子响应于所建立的势梯度而在向下的方向上行进时载流子的位置。图6C示出当载流子达到漏极时载流子的位置。图6D示出一旦光生后载流子(例如，电子)的位置。图6E示出之后不久当载流子响应于势梯度而在向下的方向上行进时载流子的位置。图6F示出在时间t1之后当载流子达到势垒时载流子的位置。图6G示出如果在时间t1和t2之间电子到达电极b0和b2之间，则将在势垒501和势垒502之间捕获电子，如在图6G中所示。图6H示出其中电子在时间t本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种集成电路，其包括：光检测区域，其被配置成接收入射光子，所述光检测区域被配置成响应于所述入射光子产生多个电荷载流子；至少一个电荷载流子存储区域；以及电荷载流子分离结构，其被配置成基于产生电荷载流子的时间将所述多个电荷载流子中的所述电荷载流子选择性地指引到所述至少一个电荷载流子存储区域中。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.08.08 US 62/035,377;2015.05.20 US 62/164,5061.一种集成电路，其包括：光检测区域，其被配置成接收入射光子，所述光检测区域被配置成响应于所述入射光子产生多个电荷载流子；至少一个电荷载流子存储区域；以及电荷载流子分离结构，其被配置成基于产生电荷载流子的时间将所述多个电荷载流子中的所述电荷载流子选择性地指引到所述至少一个电荷载流子存储区域中。2.根据权利要求1所述的集成电路，其中所述至少一个电荷载流子存储区域包括多个电荷载流子存储区域，且其中所述电荷载流子分离结构被配置成将电荷载流子指引到所述多个电荷载流子存储区域中的各自的电荷载流子存储区域中。3.根据权利要求2所述的集成电路，其中所述电荷载流子分离结构被配置成基于所述电荷载流子到达所述电荷载流子分离结构的电荷载流子捕获区域的时间将所述电荷载流子指引到所述各自的电荷载流子存储区域中。4.根据权利要求1所述的集成电路，其中所述电荷载流子分离结构包括：电荷载流子行进区域，其被配置成从所述光检测区域接收所述多个电荷载流子，所述电荷载流子行进区域包括半导体材料；以及多个电极，其中所述集成电路还包括控制电路，其被配置成通过改变所述多个电极中的一个以上电极的电压来在所述电荷载流子行进区域中捕获所述电荷载流子。5.根据权利要求4所述的集成电路，其中在所述电荷载流子行进区域上形成所述多个电极。6.根据权利要求4所述的集成电路，其中所述多个电极被配置成在所述电荷载流子行进区域中建立电势梯度以使得所述多个电荷载流子沿所述电荷载流子行进区域行进。7.根据权利要求4所述的集成电路，其中所述控制电路被配置成通过在所述电荷载流子行进区域内的第一位置上产生势垒来捕获电荷载流子。8.根据权利要求7所述的集成电路，其中所述控制电路被配置成通过改变所述多个电极中的第一电极的电压来产生所述势垒。9.根据权利要求8所述的集成电路，其中所述控制电路被配置成通过改变所述多个电极中的第二电极的电压来在所述电荷载流子行进区域内的第二位置上产生第二势垒。10.根据权利要求9所述的集成电路，其中所述控制电路被配置成在第一时间改变所述第一电极的所述电压且在所述第一时间之后的第二时间改变所述第二电极的所述电压。11.根据权利要求10所述的集成电路，其中所述控制电路被配置成通过改变所述多个电极中的第三电极的电压来在所述电荷载流子行进区域内的第三位置上产生第三势垒。12.根据权利要求11所述的集成电路，其中所述控制电路被配置成在所述第二时间之后的第三时间改变所述第三电极的所述电压。13.根据权利要求4所述的集成电路，其中所述控制电路被配置成将捕获的电荷载流子从所述电荷载流子行进区域转移至所述至少一个电荷载流子存储区域中的第一电荷载流子存储区域中。14.根据权利要求13所述的集成电路，其中所述控制电路被配置成通过改变覆在所述电荷载流子行进区域上面的至少一个电极的电压来将所述捕获的电荷载流子从所述电荷载流子行进区域转移至所述第一电荷载流子存储区域中。15.根据权利要求14所述的集成电路，其中所述控制电路被配置成通过改变覆在所述捕获的电荷载流子上面的第一电极的电压并改变覆在所述电荷载流子行进区域上面的第二电极的电压来将所述捕获的电荷载流子从所述电荷载流子行进区域转移至所述第一电荷载流子存储区域中。16.根据权利要求1所述的集成电路，其还包括：读出电路，其被配置成从所述至少一个电荷载流子存储区域读出信号。17.根据权利要求16所述的集成电路，其中所述读出电路被配置成通过基于施加到第一节点的复位信号对放大的复位信号进行采样，将电荷从所述至少一个电荷载流子存储区域转移至所述第一节点，并基于从所述至少一个电荷载流子存储区域转移至所述第一节点的所述电荷对第二放大的信号进行采样来读出所述信号。18.根据权利要求16所述的集成电路，其中所述至少一个电荷载流子存储区域包括多个电荷载流子存储区域，且所述读出电路被配置成从所述多个电荷载流子存储区域中的各个电荷载流子存储区域读出信号。19.根据权利要求18所述的集成电路，其中所述读出电路被配置成从所述各个电荷载流子存储区域相继读出所述信号。20.根据权利要求1所述的集成电路，其中所述集成电路包括多个像素，其中所述多个像素中的第一像素包括：所述光检测区域；所述至少一个电荷载流子存储区域；以及所述电荷载流子分离结构。21.根据权利要求20所述的集成电路，其中所述光检测区域为第一光检测区域，所述至少一个电荷载流子存储区域为至少一个第一电荷载流子存储区域且所述电荷载流子分离结构为第一电荷载流子分离结构，其中所述第一像素还包括：第二光检测区域，其被配置成响应于入射光子产生第二多个电荷载流子；至少一个第二电荷载流子存储区域；以及第二电荷载流子分离结构，其被配置成基于产生第二电荷载流子的时间选择性地将所述第二多个电荷载流子中的所述第二电荷载流子指引到所述至少一个第二电荷载流子存储区域中。22.根据权利要求21所述的集成电路，其中所述第一光检测区域被配置成接收第一波长的入射光子，且所述第二光检测区域被配置成接收第二波长的入射光子。23.根据权利要求20所述的集成电路，其中所述多个像素中的第二像素包括：第二光检测区域，其被配置成响应于入射光子产生第二多个电荷载流子；至少一个第二电荷载流子存储区域；以及第二电荷载流子分离结构，其被配置成基于产生第二电荷载流子的时间选择性地将所述第二多个电荷载流子中的所述第二电荷载流子指引到所述至少一个第二电荷载流子存储区域中。24.根据权利要求1所述的集成电路，其还包括：控制电路，其被配置成控制所述电荷载流子分离结构以执行测量，所述测量包括：电荷载流子捕获阶段，其中所述电荷载流子分离结构形成至少一个势垒；以及在所述电荷载流子捕获阶段之后的电荷载流子转移阶段，其中如果电荷载流子在所述电荷载流子捕获阶段被捕获，则将电荷载流子转移到所述至少一个电荷载流子存储区域。25.根据权利要求24所述的集成电路，其中所述控制电路被配置成控制所述电荷载流子分离结构以执行所述测量多次以在所述至少一个电荷载流子存储区域中聚集电荷载流子。26.根据权利要求25所述的集成电路，其中所述多次为至少一千次。27.根据权利要求26所述的集成电路，其中所述多次为至少一百万次。28.根据权利要求27所述的集成电路，其中以小于50毫秒执行所述多个测量。29.根据权利要求28所述的集成电路，其中以大于1毫秒执行所述多个测量。30.根据权利要求24所述的集成电路，其中所述控制电路被配置成基于激发光脉冲的定时执行所述测量。31.根据权利要求30所述的集成电路，其中所述控制电路被配置成控制所述电荷载流子分离结构以丢弃响应于源于所述激发光脉冲的光子而产生的电荷载流子。32.根据权利要求31所述的集成电路，其中所述激发光脉冲为第一激发光脉冲。其中所述至少一个电荷载流子存储区域包括多个电荷载流子存储区域，且其中所述电荷载流子分离结构被配置成基于产生所述电荷载流子的时间来将所述电荷载流子指引到所述多个电荷载流子存储区域中的各自的电荷载流子存储区域中，其中所述测量为第一测量，所述电荷载流子捕获阶段为第一电荷载流子捕获阶段，且所述电荷载流子转移阶段为第一电荷载流子转移阶段，其中所述第一电荷载流子转移阶段将在所述第一电荷载流子捕获阶段中捕获的载流子转移到所述多个电荷载流子存储区域中的第一相应的存储区域，其中所述控制电路被配置成控制所述电荷载流子分离结构以执行第二测量，所述第二测量包括：第二电荷载流子捕获阶段，其中所述电荷载流子分离结构形成至少一个第二势垒；以及在所述第二电荷载流子捕获阶段之后的第二电荷载流子转移阶段，其中将电荷载流子转移到所述至少一个电荷载流子存储区域，其中所述第二电荷载流子转移阶段将在所述第二电荷载流子捕获阶段中捕获的载流子转移到所述多个电荷载流子存储区域中的第二相应的存储区域，其中所述控制电路被配置成基于第二激发光脉冲的定时执行所述第二测量。33.根据权利要求32所述的集成电路，其中所述控制电路被配置成控制所述电荷载流子分离结构以执行所述第一和第二测量中的每一个多次以在所述多个电荷载流子存储区域中聚集电荷载流子。34.根据权利要求33所述的集成电路，其中所述控制电路被配置成在控制所述电荷载流子分离结构以执行所述第一测量和控制所述电荷载流子分离结构以执行所述第二测量之间进行交替。35.根据权利要求33所述的集成电路，其中所述多次为至少一千次。36.根据权利要求1所述的集成电路，其中所述光检测区域被配置成在第一时间间隔期间接收响应于第一波长的第一激发光脉冲从发光分子发射的至少一个第一光子，所述光检测区域被配置成响应于所述至少一个第一光子产生至少一个第一电荷载流子，且其中所述光检测区域被配置成在第二时间间隔期间接收响应于第二波长的第二光激发脉冲从发光分子发射的至少一个第二光子，所述光检测区域被配置成响应于所述至少一个第二光子产生至少一个第二电荷载流子。37.根据权利要求36所述的集成电路，其中所述至少一个电荷载流子存储区域包括多个电荷载流子存储区域，所述多个电荷载流子存储区域包括第一集合的一个以上的电荷载流子存储区域以及第二集合的一个以上的电荷载流子存储区域，其中所述电荷载流子分离结构被配置成基于产生所述至少一个第一电荷载流子的时间来将所述至少一个第一电荷载流子选择性地指引到所述第一集合中的相应的电荷载流子存储区域中，且所述电荷载流子分离结构被配置成基于产生所述至少一个第二电荷载流子的时间来将所述至少一个第二电荷载流子选择性地指引到所述第二集合中的相应的电荷载流子存储区域中。38.根据权利要求25所述的集成电路，其还包括：读出电路，其被配置成从所述至少一个电荷载流子存储区域读出信号，其中所述控制电路被配置成控制所述读出电路以在执行所述测量多次之后从所述至少一个电荷载流子存储区域读出信号。39.根据权利要求38所述的集成电路，其中所述至少一个电荷载流子存储区域包括多个电荷载流子存储区域，且其中所述电荷载流子分离结构被配置成基于产生所述电荷载流子的时间来将所述电荷载流子指引到所述多个电荷载流子存储区域中的各自的电荷载流子存储区域中，且所述控制电路被配置成控制所述读出电路以在执行所述测量多次之后从所述多个电荷载流子存储区域读出信号。40.根据权利要求1所述的集成电路，其中所述集成电路被配置成：(i)分析源于所述至少一个电荷载流子存储区域的一个以上信号以产生关于光子随时间到达的信息；(ii)将关于一个以上信号的信息从所述至少一个电荷载流子存储区域传输到计算装置以进行分析；或者执行(i)和(ii)。41.根据权利要求4...

【专利技术属性】
技术研发人员：乔纳森·M·罗思伯格，基思·G·法夫，大卫·布瓦韦尔，
申请(专利权)人：宽腾矽公司，
类型：发明
国别省市：美国,US