知財求人 - 知財ポータルサイト「IP Force」
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公表特許公報(A)
(11)【公表番号】
(43)【公表日】2024-05-02
(54)【発明の名称】間接的なドレイン結合を用いた光検出回路
(51)【国際特許分類】
G01N 21/64 20060101AFI20240424BHJP
G01N 21/03 20060101ALI20240424BHJP
H01L 27/146 20060101ALI20240424BHJP
H01L 27/144 20060101ALI20240424BHJP
【ＦＩ】
G01N21/64 Z
G01N21/03 Z
H01L27/146 A
H01L27/144 K
【審査請求】未請求
【予備審査請求】未請求
(21)【出願番号】P 2023564656
(86)(22)【出願日】2022-04-21
(85)【翻訳文提出日】2023-12-11
(86)【国際出願番号】 US2022025736
(87)【国際公開番号】W WO2022226175
(87)【国際公開日】2022-10-27
(31)【優先権主張番号】63/178,498
(32)【優先日】2021-04-22
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(81)【指定国・地域】
(71)【出願人】
【識別番号】516144164
【氏名又は名称】クアンタム－エスアイ インコーポレイテッド
【氏名又は名称原語表記】ＱＵＡＮＴＵＭ－ＳＩ ＩＮＣＯＲＰＯＲＡＴＥＤ
(74)【代理人】
【識別番号】100105957
【弁理士】
【氏名又は名称】恩田 誠
(74)【代理人】
【識別番号】100068755
【弁理士】
【氏名又は名称】恩田 博宣
(74)【代理人】
【識別番号】100142907
【弁理士】
【氏名又は名称】本田 淳
(72)【発明者】
【氏名】ワン、シン
(72)【発明者】
【氏名】ファン、レー
【テーマコード（参考）】
2G043
2G057
4M118
【Ｆターム（参考）】
2G043AA04
2G043BA16
2G043CA04
2G043DA06
2G043EA01
2G043LA02
2G043NA01
2G057AA04
2G057AC01
2G057BA03
2G057DA03
4M118AA05
4M118AB01
4M118AB04
4M118BA14
4M118CA04
4M118DD04
4M118DD09
4M118FA38
4M118GA09
4M118GC20
4M118GD11
(57)【要約】
本開示に記載された技術の態様は、半導体ベースのイメージセンサ設計の向上に関する。いくつかの実施形態において、集積回路は、光検出領域と、第１の半導体装置により光検出領域に電気的に結合された補助領域と、第２の半導体装置により補助領域に電気的に結合されたドレイン領域とを含み得る。いくつかの実施形態において、ドレイン装置は、ドレイン領域への電荷キャリアの流れを制御するゲートを備えて構成され得る。いくつかの実施形態において、ドレイン領域への電荷キャリアの流れは第２の半導体装置を介して生じ得る。いくつかの実施形態において、第２の半導体装置はダイオード接続されたトランジスタであり得る。いくつかの実施形態において、第１および第２の半導体装置は、ドレイン領域の特性を補助領域の特性から有利に分離し得る。いくつかの実施形態において、集積回路は、複数のピクセルと、複数のピクセルにおける電荷キャリアの伝送を制御するように構成された制御回路とを含み得る。
【特許請求の範囲】
【請求項1】
集積回路であって、光検出領域と、
補助領域と、
ドレイン領域と、
前記光検出領域を前記補助領域に電気的に結合する第１のトランジスタチャネルと、
前記補助領域を前記ドレイン領域に電気的に結合する第２のトランジスタチャネルと、
を備え、
前記第１のトランジスタチャネルがオン状態であるとき、前記第２のトランジスタチャネルがオン状態である、集積回路。
【請求項2】
前記第１のトランジスタチャネルに電気的に結合されるとともに前記光検出領域から前記ドレイン領域への電荷キャリアの伝送を制御するように構成されたドレイン伝送ゲートをさらに備える請求項１に記載の集積回路。
【請求項3】
前記ドレイン伝送ゲートは、前記第１のトランジスタチャネルをバイアスして電荷キャリアを伝送するための制御信号を受信するように構成されている、請求項２に記載の集積回路。
【請求項4】
前記第２のトランジスタチャネルに電気的に結合される補助伝送ゲートをさらに備え、前記補助伝送ゲートは、前記ドレイン領域に導電結合されている、請求項３に記載の集積回路。
【請求項5】
前記光検出領域と前記補助領域と前記ドレイン領域とを含むピクセルをさらに備え、前記ピクセルは、７．５マイクロメートル×５マイクロメール以下の面積を有する、請求項１に記載の集積回路。
【請求項6】
前記ドレイン領域は、前記光検出領域の電圧とは異なる電圧を受信するように構成されている、請求項１に記載の集積回路。
【請求項7】
前記ドレイン領域は、直流（ＤＣ）電圧を受信するように構成されている、請求項１に記載の集積回路。
【請求項8】
前記第２のトランジスタチャネルは、前記第１のトランジスタチャネルがオン状態であるときにのみオン状態である、請求項１に記載の集積回路。
【請求項9】
前記ドレイン領域は、電源電圧に結合するように構成されている、請求項６に記載の集積回路。
【請求項10】
前記第１のトランジスタチャネルおよび前記第２のトランジスタチャネルは、前記光検出領域から前記ドレイン領域に励起電荷キャリアを伝送するように構成されている、請求項１に記載の集積回路。
【請求項11】
前記集積回路は、前記第１のトランジスタチャネルと前記第２のトランジスタチャネルとを介して伝送される電荷キャリアの大部分が励起光電子となるように構成されている、請求項１０に記載の集積回路。
【請求項12】
前記ドレイン領域に結合されるビアをさらに備える請求項１に記載の集積回路。
【請求項13】
前記ドレイン領域は、前記集積回路内の金属層に導電結合されている、請求項１に記載の集積回路。
【請求項14】
集積回路であって、光検出領域と、
補助領域と、
ドレイン領域と、
制御信号を受信するように構成されたドレイン伝送ゲートに結合されたドレイントランジスタチャネルと、
補助伝送ゲートに結合された補助トランジスタチャネルと、
を備え、
前記ドレイントランジスタチャネルおよび前記補助トランジスタチャネルは、前記ドレイン伝送ゲートに制御信号が受信されたときに、前記光検出領域から前記補助領域を介して前記ドレイン領域に電流を伝導するように構成されている、集積回路。
【請求項15】
前記ドレイン伝送ゲートは、前記制御信号を用いて前記ドレイントランジスタチャネルをバイアスして電流を伝導するように構成されている、請求項１４に記載の集積回路。
【請求項16】
前記補助領域の電圧が、前記ドレイン領域の電圧よりも高い、請求項１４に記載の集積回路。
【請求項17】
前記補助トランジスタチャネルおよび前記補助伝送ゲートは、前記ドレイン領域に導電結合されている、請求項１４に記載の集積回路。
【請求項18】
前記補助伝送ゲートは、前記ドレイン伝送ゲートで受信される前記制御信号に基づくタイミングを有するゲート制御信号を受信するように構成されている、請求項１４に記載の集積回路。
【請求項19】
前記光検出領域から前記補助領域を介して前記ドレイン領域に伝導される前記電流は、本質的に複数の電荷キャリアからなり、前記複数の電荷キャリアの大部分が励起電荷キャリアである、請求項１４に記載の集積回路。
【請求項20】
前記ドレイン領域に結合されるビアをさらに備える請求項１４に記載の集積回路。
【請求項21】
前記ドレイン領域は、前記集積回路内の金属層に導電結合されている、請求項１４に記載の集積回路。
【請求項22】
集積回路であって、光検出領域と、
補助領域と、
ドレイン領域と、
前記光検出領域を前記補助領域に電気的に結合するドレイン装置と、
前記補助領域を前記ドレイン領域に電気的に結合する補助装置と、
を備え、
前記補助装置は、ダイオード接続構造を有するトランジスタを含む、集積回路。
【請求項23】
前記ドレイン領域は、直流（ＤＣ）電圧源に結合するように構成されている、請求項２２に記載の集積回路。
【請求項24】
前記ドレイン装置に電気的に結合されるとともに、前記光検出領域から前記ドレイン領域への電荷キャリアの伝送を制御するように構成されたドレイン伝送ゲートをさらに備える請求項２３に記載の集積回路。
【請求項25】
前記ドレイン伝送ゲートは、制御信号を受信して、当該制御信号を用いて前記ドレイン装置をバイアスして電荷キャリアを伝送するように構成されている、請求項２４に記載の集積回路。
【請求項26】
前記光検出領域と前記補助領域と前記ドレイン領域とを含むピクセルをさらに備え、前記ピクセルは、７．５マイクロメートル×５マイクロメール以下の面積を有する、請求項２２に記載の集積回路。
【請求項27】
前記補助装置は、前記補助装置に電気的に結合される補助伝送ゲートをさらに含む、請求項２２に記載の集積回路。
【請求項28】
前記補助伝送ゲートは、前記ドレイン領域に導電結合されている、請求項２７に記載の集積回路。
【請求項29】
前記トランジスタが第１のトランジスタであり、前記補助装置は、ダイオード接続構造を有する第２のトランジスタをさらに含む、請求項２２に記載の集積回路。
【請求項30】
前記第１のトランジスタと前記第２のトランジスタとが直列にまたは並列に接続されている、請求項２９に記載の集積回路。
【請求項31】
集積回路を製造する方法であって、前記集積回路の光検出領域を形成すること、
前記集積回路の補助領域を形成すること、
前記集積回路のドレイン領域を形成すること、
前記光検出領域を前記補助領域に電気的に結合するドレイン装置を形成すること、
前記補助領域を前記ドレイン領域に電気的に結合する補助装置を形成すること、
を備え、
前記ドレイン装置がオン状態であるとき、前記補助装置がオン状態である、方法。
【請求項32】
前記光検出領域を形成することは、前記光検出領域をドーピングすることを含み、前記補助領域を形成することは、前記補助領域をドーピングすることを含み、前記ドレイン領域を形成することは、前記ドレイン領域をドーピングすることを含む、請求項３１に記載の方法。
【請求項33】
前記補助装置に電気的に結合される補助伝送ゲートを形成することをさらに備える請求項３１に記載の方法。
【請求項34】
前記補助伝送ゲートを前記ドレイン領域に導電結合することをさらに備える請求項３３に記載の方法。
【請求項35】
前記補助伝送ゲートを前記ドレイン領域に導電結合することは、少なくとも１つのビアを形成することを含み、前記少なくとも１つのビアは、前記集積回路の導電層を前記補助伝送ゲートに導電結合するとともに前記導電層を前記ドレイン領域に導電結合する、請求項３４に記載の方法。
【請求項36】
前記少なくとも１つのビアは、前記集積回路内に少なくとも１つの孔をエッチングすること、および
前記少なくとも１つのホール内に導電材料を堆積すること、
を備える請求項３５に記載の方法。
【請求項37】
前記補助装置を形成することは、前記補助領域に結合されたカソードを有するダイオードを形成することを備える、請求項３１に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本開示は、サンプル分析のために何万ものサンプルウェルに対してより同時に短光パルスを提供するとともにサンプルウェルからの蛍光信号を受け取ることによって、サンプルの超並列分析を行うことを可能にした集積装置および関連する機器に関する。機器はポイント・オブ・ケア遺伝子シークエンシングおよび個人化医療に有用とすることができる。
【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る。集積化光検出器は、入射光の強度を示す電気信号を生成するものとして開発されている。画像形成用途のための集積化光検出器は、ある領域を横切って受け取られる光の強度を検出するための画素のアレイを含む。集積化光検出器の例としては、電荷結合素子（ＣＣＤ）および相補型金属酸化膜半導体（ＣＭＯＳ）イメージセンサが挙げられる。
【0003】
生体サンプルまたは化学的サンプルの超並列分析が可能である機器は、通常、研究室の環境に限定されている。これは、それらが大型で持ち運びができないこと、機器を操作するために熟練した技術者を必要とすること、動力の必要性、管理された動作環境の必要性、およびコストを含み得るいくつかの要因のためである。サンプルがそのような設備を使用して分析される場合、一般的なパラダイムは、臨床または現場においてサンプルを抽出し、サンプルを研究室に送り、分析結果を待つことである。結果の待ち時間は、数時間から数日に及ぶ可能性がある。
【発明の概要】
【0004】
本開示のいくつかの態様は、集積回路に関し、集積回路は、光検出領域と、補助領域と、ドレイン領域と、前記光検出領域を前記補助領域に電気的に結合する第１のトランジスタチャネルと、前記補助領域を前記ドレイン領域に電気的に結合する第２のトランジスタチャネルと、を備える。前記第１のトランジスタチャネルがオン状態であるとき、前記第２のトランジスタチャネルがオン状態である。
【0005】
本開示のいくつかの態様は、集積回路に関し、集積回路は、光検出領域と、補助領域と、ドレイン領域と、制御信号を受信するように構成されたドレイン伝送ゲートに結合されたドレイントランジスタチャネルと、補助伝送ゲートに結合された補助トランジスタチャネルと、を備える。前記ドレイントランジスタチャネルおよび前記補助トランジスタチャネルは、前記ドレイン伝送ゲートに制御信号が受信されたときに、前記光検出領域から前記補助領域を介して前記ドレイン領域に電流を伝導するように構成されている。
【0006】
本開示のいくつかの態様は、集積回路に関し、集積回路は、光検出領域と、補助領域と、ドレイン領域と、前記光検出領域を前記補助領域に電気的に結合するドレイン装置と、前記補助領域を前記ドレイン領域に電気的に結合する補助装置と、を備える。前記補助装置は、ダイオード接続構造を有するトランジスタを含む。
【0007】
本開示のいくつかの態様は、集積回路を製造する方法に関し、方法は、前記集積回路の光検出領域を形成すること、前記集積回路の補助領域を形成すること、前記集積回路のドレイン領域を形成すること、前記光検出領域を前記補助領域に電気的に結合するドレイン装置を形成すること、前記補助領域を前記ドレイン領域に電気的に結合する補助装置を形成すること、を備える。前記ドレイン装置がオン状態であるとき、前記補助装置がオン状態である。
【0008】
以上の概要は限定することを意図していない。また、本開示の様々な態様は単独でも、または組み合わせても実施することができる。
【図面の簡単な説明】
【0009】
【発明を実施するための形態】
【0010】
本発明の特徴および利点は、図面とともに、以下に記載する詳細な説明からより明かになり得る。図面を参照して実施形態を説明するとき、方向の参照（「上」、「下」、「頂部」、「底部」、「左」、「右」、「水平」、「垂直」など）を使用することがある。このような参照は、通常の向きで図面を見る読者の助けとなることのみが意図される。これらの方向の参照は、具現化される装置の特徴部の好適な向きまたは唯一の向きを記述することが意図されているわけではない。装置は他の向きを使用しても具現化することができる。
【0011】
［Ｉ．序論］
本開示の態様は、単一の分子の同定および核酸シークエンシングを含む、サンプルを並列に分析可能な集積装置、機器、および関連システムに関する。そのような機器は小型であり、持ち運びが容易であり、容易な操作が可能であり、医師または他の提供者が機器を容易に使用することを可能にし、ケアが必要とされ得る所望の場所まで機器を輸送することを可能にする。サンプルの分析は、サンプルを１つまたは複数の蛍光マーカでラベリングすることを含み得る。これは、サンプルを検出するためおよび／またはサンプルの単一分子を同定する（例えば、核酸シークエンシングの一部としての個々のヌクレオチド同定する）ために使用され得る。蛍光マーカは、励起光（例えば、蛍光マーカを励起状態に励起し得る特性波長を有する光）で蛍光マーカを照射することに応答して励起され得る。蛍光マーカが励起されると、蛍光マーカは、放出光（例えば、励起状態から基底状態に戻ることによって蛍光マーカによって放出される特性波長を有する光）を放出する。放出光の検出は、発光、蛍光マーカ、したがって、蛍光マーカによってラベリングされたサンプルまたはサンプルの分子の同定を可能にし得る。いくつかの実施形態によれば、機器は、大規模並列サンプル分析が可能であってもよく、数万個以上のサンプルを同時に取り扱うように構成され得る。
本開示の態様は、単一の分子の同定および核酸シークエンシングを含む、サンプルを並列に分析可能な集積装置、機器、および関連システムに関する。そのような機器は小型であり、持ち運びが容易であり、容易な操作が可能であり、医師または他の提供者が機器を容易に使用することを可能にし、ケアが必要とされ得る所望の場所まで機器を輸送することを可能にする。サンプルの分析は、サンプルを１つまたは複数の蛍光マーカでラベリングすることを含み得る。これは、サンプルを検出するためおよび／またはサンプルの単一分子を同定する（例えば、核酸シークエンシングの一部としての個々のヌクレオチド同定する）ために使用され得る。蛍光マーカは、励起光（例えば、蛍光マーカを励起状態に励起し得る特性波長を有する光）で蛍光マーカを照射することに応答して励起され得る。蛍光マーカが励起されると、蛍光マーカは、放出光（例えば、励起状態から基底状態に戻ることによって蛍光マーカによって放出される特性波長を有する光）を放出する。放出光の検出は、発光、蛍光マーカ、したがって、蛍光マーカによってラベリングされたサンプルまたはサンプルの分子の同定を可能にし得る。いくつかの実施形態によれば、機器は、大規模並列サンプル分析が可能であってもよく、数万個以上のサンプルを同時に取り扱うように構成され得る。
【0012】
本発明者らは、集積装置と、その集積装置とインターフェース接続するように構成された機器とを使用して、この数のサンプルの分析を達成できることを認識し理解した。集積装置は、サンプルを受容するように構成されたサンプルウェルと、集積装置上に形成された集積光学系とを有する。機器は、１つまたは複数の励起光源を含み得る。集積装置は、集積装置上に形成された集積光学構成要素（例えば、導波路、光カプラ、光学スプリッタ）を使用して励起光がサンプルウェルに送達されるように機器とインターフェース接続され得る。光学構成要素は、集積装置のサンプルウェル間の照射の均一性を改善することができ、他の場合に必要となり得る多数の外部の光学構成要素を減らすことができる。さらに、本発明者らは、集積装置上に光検出領域（例えば、フォトダイオード）を集積させることでサンプルウェルからの蛍光放出の検出効率を高め、他の場合に必要となり得る集光構成要素の数を減らすことができることを認識し理解した。
【0013】
いくつかの実施形態において、集積装置は、サンプルウェルからの蛍光放出光子を受け取り、蛍光放出光子を受け取ることに応答して、電荷キャリアを生成し１つまたは複数の電荷蓄積領域に電荷キャリアを伝送するように構成され得る。例えば、光検出領域は、光軸に沿って蛍光放出電荷キャリアを受け取るように集積装置上に配置され得る。また、光検出領域は、蛍光放出電荷キャリアに応答して光検出領域が生成した電荷キャリアを電荷蓄積領域が収集し得るように、電気軸に沿って１つまたは複数の電荷蓄積領域（例えば、蓄積ダイオード）に結合され得る。いくつかの実施形態において、収集期間中に電荷蓄積領域は光検出領域から電荷キャリアを受け取り、個別の読み出し期間中に電荷蓄積領域は蓄積された電荷キャリアを処理のために読み出し回路に提供し得る。いくつかの実施形態において、集積装置は、後の読み出しのために、光検出領域から電荷蓄積領域への電荷キャリアの伝送を制御する１つまたは複数の伝送ゲートにおいて１つまたは複数の制御信号を受信するように構成され得る。
【0014】
集積装置に到達し得る励起電荷キャリアと比較して蛍光放出電荷キャリアの量が相対的に少ないことに起因して、電荷蓄積領域にて蛍光放出電荷キャリアを収集する際に課題が生じる。例えば、励起源からの励起光子が光検出器に到達し得るとともに、それらが電荷蓄積領域に到達した場合には蛍光放出電荷キャリアと区別できないノイズ電荷キャリアを生成し得る。したがって、励起光子は、光検出器において、検出された蛍光放出にノイズを加え得る。
【0015】
いくつかの実施形態において、（例えば、収集期間に先行する）ドレイン期間中に、集積装置のドレイン領域は、廃棄のために光検出領域からノイズ電荷キャリア（例えば、入射励起光子に応答して生成された励起電荷キャリア）を受け取り得る。例えば、ノイズ電荷キャリアは、直流（ＤＣ）電圧源に伝導し得る。いくつかの実施形態において、集積装置のドレイン領域は、ドレイン電荷伝送チャネルによって光検出領域に結合され得る。いくつかの実施形態において、集積装置は、光検出領域からドレイン領域への電荷キャリアの伝送を制御するドレインゲートにてドレイン制御信号を受信するように構成され得る。いくつかの実施形態において、集積装置は、ドレイン期間と、電荷蓄積領域が光検出領域からの蛍光放出電荷キャリアを受け取り得る収集期間と、電荷蓄積領域が蓄積された電荷キャリアを処理のために読み出し回路に供給し得る読み出し期間とを含む収集シーケンスを実行するように構成され得る。
【0016】
本発明者らは、ドレイン制御信号が集積装置のドレインゲートで受信される場合にドレイン領域の電圧が有利に変化し得ることを認識した。例えば、そのような電圧変化は、光検出領域からドレイン領域への電位勾配を増加させ、それによって、光検出領域からドレイン領域へのノイズ電荷キャリアの流れを増加させ得る。しかしながら、本発明者らはまた、そのような変化が特定の実施形態においてドレイン領域をＤＣ電圧源に電気的に結合する金属線の電圧を変化させ、この金属線の電圧の変化が各ピクセルで受け取られるＤＣ電圧をピクセル間で変化させることにより、装置における動作の不一致を引き起こし得ることを認識した。さらには、特定の実施形態においてドレイン領域が結合される金属線の電気的（例えば、容量の）特性は、ドレイン領域の電圧の有利な変化を低減させ得る。
【0017】
上記の問題を解決するために、本発明者らは、ノイズ電荷キャリアの排出を増加させるピクセル回路内の有利な電圧変化を可能にしつつ、ピクセル回路にノイズを導入して装置動作の不一致を引き起こし得るピクセル回路の外側の金属線における電圧変動を低減または排除する技術を開発した。例えば、いくつかの実施形態において、本明細書で説明されるピクセルは、光検出領域とドレイン領域との間に位置するドレイン装置および補助装置などの複数の装置を有し得る。ドレイン領域は、金属線が直流（ＤＣ）電源に導電接続されるなどして電圧源に結合され得る。いくつかの実施形態において、補助装置は、ドレイン装置をドレイン領域に間接的に結合可能とするように構成され得る。この間接的な結合は、特定の実施形態において、補助装置とドレイン装置との間の領域の電圧を有利に変化させることができ、これによって、ノイズ電荷キャリアを光検出領域から排出し易くしつつ、金属線を介したピクセル回路へのノイズの導入を低減する。
【0018】
本明細書で説明される集積装置は、本明細書で説明されるいずれかの技術または複数の技術を単独でまたは組み合わせた状態で組み込み得る。
［ＩＩ．例示的な集積装置の概要］
ピクセル１－１１２の行を示す集積装置１－１０２の概略断面図が図１－１に示されている。集積装置１－１０２は、本技術のドレイン概念が使用され得るがこれに限定されない例示的な集積装置である。集積装置１－１０２は、結合領域１－２０１、ルーティング領域１－２０２、およびピクセル領域１－２０３を含み得る。ピクセル領域１－２０３は、結合領域１－２０１から離れた位置の表面に位置するサンプルウェル１－１０８を有する複数のピクセル１－１１２を含み得る。サンプルウェル１－１０８は、励起光（破線の矢印として示されている）が集積装置１－１０２に結合する箇所である。サンプルウェル１－１０８は、金属層１－１０６を貫通して形成され得る。点線の矩形によって示されている１つのピクセル１－１１２は、サンプルウェル１－１０８とサンプルウェル１－１０８に関連付けられた１つまたは複数の光検出器１－１１０とを含む集積装置１－１０２の一領域である。いくつかの実施形態において、各光検出器１－１１０は、光検出領域と、ドレイン装置および補助装置などの複数の装置によって接続され、サンプルウェル１－１０８からの入射光に応答して生成された励起電荷キャリアを伝送するドレイン領域とを含み得る。
［ＩＩ．例示的な集積装置の概要］
ピクセル１－１１２の行を示す集積装置１－１０２の概略断面図が図１－１に示されている。集積装置１－１０２は、本技術のドレイン概念が使用され得るがこれに限定されない例示的な集積装置である。集積装置１－１０２は、結合領域１－２０１、ルーティング領域１－２０２、およびピクセル領域１－２０３を含み得る。ピクセル領域１－２０３は、結合領域１－２０１から離れた位置の表面に位置するサンプルウェル１－１０８を有する複数のピクセル１－１１２を含み得る。サンプルウェル１－１０８は、励起光（破線の矢印として示されている）が集積装置１－１０２に結合する箇所である。サンプルウェル１－１０８は、金属層１－１０６を貫通して形成され得る。点線の矩形によって示されている１つのピクセル１－１１２は、サンプルウェル１－１０８とサンプルウェル１－１０８に関連付けられた１つまたは複数の光検出器１－１１０とを含む集積装置１－１０２の一領域である。いくつかの実施形態において、各光検出器１－１１０は、光検出領域と、ドレイン装置および補助装置などの複数の装置によって接続され、サンプルウェル１－１０８からの入射光に応答して生成された励起電荷キャリアを伝送するドレイン領域とを含み得る。
【0019】
図１－１は、励起光のビームを結合領域１－２０１およびサンプルウェル１－１０８に結合することによる、励起光の経路を示している。図１－１に示されているサンプルウェル１－１０８の行は、導波路１－２２０と光学的に結合するように配置され得る。励起光は、サンプルウェル内に位置しているサンプルを照射し得る。サンプルは、励起光で照射されることに反応して励起状態に達し得る。サンプルが励起状態にあるとき、サンプルは発光を放出し、サンプルウェルに関連付けられた１つまたは複数の光検出器によって発光が検出され得る。図１－１は、サンプルウェル１－１０８からピクセル１－１１２の光検出器１－１１０への発光の光軸ＯＰＴを概略的に示している。ピクセル１－１１２の光検出器１－１１０は、サンプルウェル１－１０８からの発光を検出するように構成および配置され得る。好適な光検出器の例は、「INTEGRATED DEVICE FOR TEMPORAL BINNING OF RECEIVED PHOTONS」と題する米国特許出願第１４／８２１，６５６号に記載されており、参照によりその全体が本明細書に援用される。光検出器の代替例または追加例については、本明細書でさらに説明される。個々のピクセル１－１１２に関して、サンプルウェル１－１０８およびそのそれぞれの光検出器１－１１０は、光軸ＯＰＴに沿って位置合わせされ得る。このように、光検出器は、ピクセル１－１１２内でサンプルウェルに重なり得る。
【0020】
サンプルウェル１－１０８からの発光の方向性は、金属層１－１０６が発光を反射するように作用し得るため、金属層１－１０６に対するサンプルウェル１－１０８内のサンプルの位置に応じて変化し得る。このように、金属層１－１０６とサンプルウェル１－１０８内に位置決めされたサンプル上の蛍光マーカとの間の距離は、蛍光マーカによって放出される光を検出するための、サンプルウェルと同じピクセル内にある光検出器１－１１０の効率に影響を与え得る。金属層１－１０６と、動作中にサンプルが位置し得る場所に近接するサンプルウェル１－１０６の底面との間の距離は、１００ｎｍ～５００ｎｍの範囲またはその範囲内における任意の範囲内の値とすることができる。いくつかの実施形態において、金属層１－１０６とサンプルウェル１－１０６の底面との間の距離は、約３００ｎｍであるが他の距離も使用することができ、本明細書で説明される実施形態はその距離に限定されない。
【0021】
サンプルと光検出器との間の距離も、発光を検出する効率に影響を与え得る。光がサンプルと光検出器との間を移動するのに必要な距離を減らすことによって、発光の検出効率を改善することができる。加えて、サンプルと光検出器との間の距離を小さくすることにより、集積装置に占めるピクセルの設置面積を小さくすることができ、これにより、より多くの数のピクセルを集積装置に含めることが可能となる。サンプルウェル１－１０６の底面と光検出器との間の距離は、５μｍ～１５μｍの範囲またはその範囲内における任意の範囲内の値とすることができるが、いくつかの実施形態では、発明はその距離に限定されない。なお、いくつかの実施形態において、発光は励起光源およびサンプルウェル以外の手段によっても提供可能である。したがって、いくつかの実施形態はサンプルウェル１－１０８を含まなくてもよい。
【0022】
フォトニック構造１－２３０は、サンプルウェル１－１０８と光検出器１－１１０との間に配置され得る。フォトニック構造１－２３０は、励起光が光検出器１－１１０に到達することを低減または防止するように構成され得る。これにより、励起光が発光を検出する際の信号ノイズの一因となり得ることが低減または防止され得る。図１－１に示すように、１つまたは複数のフォトニック構造１－２３０は、導波路１－２２０と光検出器１－１１０との間に配置され得る。フォトニック構造１－２３０は、スペクトルフィルタ、偏光フィルタ、および空間フィルタを含む１つまたは複数の光除去フォトニック構造を含み得る。フォトニック構造１－２３０は、共通の軸に沿って個々のサンプルウェル１－１０８およびそれらのそれぞれの光検出器１－１１０と位置合わせされるように配置され得る。金属層１－２４０は、いくつかの実施形態において電源電圧および／または制御信号を伝送する、および／または本明細書で説明される集積装置１－１０２の一部に対して信号を伝送するおよび／または集積装置１－１０２の一部から信号を読み出すように構成され得る。
【0023】
結合領域１－２０１は、外部または内部の励起源からの励起光を結合するように構成された１つまたは複数の光学構成要素を含み得る。結合領域１－２０１は、励起光のビームのいくつかまたはすべてを受け取るように位置する格子カプラ１－２１６を含み得る。好適な格子カプラの例は、「OPTICAL COUPLER AND WAVEGUIDE SYSTEM」と題する米国特許出願第６２／４３５，６９３号に記載されており、参照によりその全体が本明細書に援用される。格子カプラ１－２１６は、励起光を導波路１－２２０に結合し得る。この導波路は、励起光を１つまたは複数のサンプルウェル１－１０８の近傍に伝播するように構成され得る。代替的に、結合領域１－２０１は、光を導波路内に結合するまたはサンプルウェル内に直接結合する他の既知の構造を有し得る。
【0024】
集積装置から離れてまたは集積装置内に配置された構成要素を使用して、励起源１－１０６を集積装置に対して位置決めするとともに位置合わせすることができる。そのような構成要素は、レンズ、鏡、プリズム、ウィンドウ、アパーチャ、減衰器および／または光ファイバーを含む光学構成要素を含み得る。付加的な機械的な構成要素を、１つまたは複数の位置合わせ構成要素の制御を可能にするために機器（集積装置が結合される機器）に含めることができる。そのような機械的な構成要素は、アクチュエータ、ステッパモータおよび／またはノブを含み得る。好適な励起源および位置合わせ機構の例は、「PULSED LASER AND SYSTEM」と題する米国特許出願第１５／１６１，０８８号に記載されており、参照によりその全体が本明細書に援用される。ビームステアリングモジュールの別の例は、「Compact Beam Shaping and Steering Assembly」と題する米国特許出願第１５／８４２，７２０号に記載されており、参照によりその全体が本明細書に援用される。
【0025】
分析されるサンプルは、ピクセル１－１１２のサンプルウェル１－１０８内に導入され得る。サンプルは、生物学的サンプルまたは任意の他の適切なサンプル（例えば、化学的サンプル）であってよい。サンプルは複数の分子を含み得る。サンプルウェルは、単一の分子を分離するように構成され得る。いくつかの例において、サンプルウェルの寸法は、単一の分子をサンプルウェル内に閉じ込めるように作用することで、測定を単一の分子に対して行うことを可能にする。励起光は、サンプルウェル１－１０８内の照射領域内にある間に、サンプル、またはサンプルに付けられるかもしくはサンプルに別の態様で関連付けられる少なくとも１つの蛍光マーカを励起するように、サンプルウェル１－１０８内に送達され得る。
【0026】
動作中、励起光を使用してウェル内のサンプルの一部またはすべてを励起し、光検出器を使用してサンプルの蛍光放出からの信号を検出することによって、サンプルウェル内のサンプルの並列分析が行われる。励起光およびサンプルからの蛍光放出光は、１つまたは複数の対応する光検出器に達して電荷キャリアを生成する。励起光から生成された電荷キャリアは、本明細書で説明されるドレイン領域に伝送され得る。蛍光放出光から生成された電荷キャリアは、電荷蓄積領域内で収集されてその後に光検出器から少なくとも１つの電気信号として読み出され得る。電気信号は、集積装置とインターフェースされる機器に接続され得る集積装置の金属線（例えば、金属層１－２４０の金属線）に沿って伝達され得る。電気信号は、続いて処理および／または分析され得る。電気信号の処理または分析は、機器上にまたは機器から離れて配置された好適なコンピューティング装置において行うことができる。
【0027】
［ＩＩＩ．例示的なピクセルの概要］
図１－２は、本技術のドレイン概念が使用され得るがこれに限定されない例示的なピクセル１－１１２の断面図を示す。ピクセル１－１１２は、一実施形態による例示的な集積装置１－１０２のピクセルであってよい。ピクセル１－１１２は、ピン止めフォトダイオード（pinned photodiode）（ＰＰＤ）であり得る光検出領域と、ドレイン領域Ｄと、補助領域Ａと、蓄積ダイオード（ＳＤ０）であり得る電荷蓄積領域と、フローティングディフュージョン（ＦＤ）領域であり得る読み出し領域と、伝送ゲートＡＵＸ，ＲＥＪ，ＳＴ０，ＴＸ０とを含む。いくつかの実施形態において、光検出領域ＰＰＤ、ドレイン領域Ｄ、補助領域Ａ、電荷蓄積領域ＳＤ０、および／または読み出し領域ＦＤは、集積装置１－１０２の１つまたは複数の基板層の一部をドーピングすることによって、集積装置１－１０２内に形成され得る。例えば、集積装置１－１０２は、低濃度ｐドープ基板を有してもよく、光検出領域ＰＰＤ、ドレイン領域Ｄ、補助領域Ａ、電荷蓄積領域ＳＤ０、および／または読み出し領域ＦＤは、基板のｎドープ領域であってよい。この例では、ｐドープ領域はホウ素を用いてドープすることができ、ｎドープ領域はリンを用いてドープすることができるが、他のドーパントおよび構成も可能である。いくつかの実施形態において、ピクセル１－１１２は、７．５マイクロメートル×５マイクロメートル以下などのような１０マイクロメートル×１０マイクロメートル以下の面積を有し得る。なお、本明細書で説明される実施形態はこれらに限定されず、いくつかの実施形態において、基板は、低濃度ｎドープされ、光検出領域ＰＰＤ、ドレイン領域Ｄ、補助領域Ａ、電荷蓄積領域ＳＤ０、および／または読み出し領域ＦＤは、ｐドープされ得る。
図１－２は、本技術のドレイン概念が使用され得るがこれに限定されない例示的なピクセル１－１１２の断面図を示す。ピクセル１－１１２は、一実施形態による例示的な集積装置１－１０２のピクセルであってよい。ピクセル１－１１２は、ピン止めフォトダイオード（pinned photodiode）（ＰＰＤ）であり得る光検出領域と、ドレイン領域Ｄと、補助領域Ａと、蓄積ダイオード（ＳＤ０）であり得る電荷蓄積領域と、フローティングディフュージョン（ＦＤ）領域であり得る読み出し領域と、伝送ゲートＡＵＸ，ＲＥＪ，ＳＴ０，ＴＸ０とを含む。いくつかの実施形態において、光検出領域ＰＰＤ、ドレイン領域Ｄ、補助領域Ａ、電荷蓄積領域ＳＤ０、および／または読み出し領域ＦＤは、集積装置１－１０２の１つまたは複数の基板層の一部をドーピングすることによって、集積装置１－１０２内に形成され得る。例えば、集積装置１－１０２は、低濃度ｐドープ基板を有してもよく、光検出領域ＰＰＤ、ドレイン領域Ｄ、補助領域Ａ、電荷蓄積領域ＳＤ０、および／または読み出し領域ＦＤは、基板のｎドープ領域であってよい。この例では、ｐドープ領域はホウ素を用いてドープすることができ、ｎドープ領域はリンを用いてドープすることができるが、他のドーパントおよび構成も可能である。いくつかの実施形態において、ピクセル１－１１２は、７．５マイクロメートル×５マイクロメートル以下などのような１０マイクロメートル×１０マイクロメートル以下の面積を有し得る。なお、本明細書で説明される実施形態はこれらに限定されず、いくつかの実施形態において、基板は、低濃度ｎドープされ、光検出領域ＰＰＤ、ドレイン領域Ｄ、補助領域Ａ、電荷蓄積領域ＳＤ０、および／または読み出し領域ＦＤは、ｐドープされ得る。
【0028】
いくつかの実施形態において、光検出領域ＰＰＤは、入射光に応答して電荷キャリアを生成するように構成され得る。例えば、ピクセル１－１１２の動作中に、励起光は、サンプルからの蛍光放出を含む入射光子を光軸ＯＰＴに沿って光検出領域ＰＰＤに流れるようにサンプルウェル１－１０８を照射し得る。光検出領域ＰＰＤは、サンプルウェル１－１０８からの入射光子に応答して蛍光放出電荷キャリアを生成するように構成され得る。いくつかの実施形態において、集積装置１－１０２は、電荷キャリアをドレイン領域Ｄまたは電荷蓄積領域ＳＤ０に伝送するように構成され得る。例えば、励起光のパルスに続くドレイン期間中、光検出領域ＰＰＤに到達する入射光子は、主に、補助領域Ａを介してドレイン領域Ｄに伝送され、ピクセル回路の外側に廃棄される励起光子であり得る。この例では、ドレイン期間に続く収集期間中に、蛍光放出光子が光検出領域ＰＰＤに到達し、後の期間での収集のために電荷蓄積領域ＳＤ０に伝送される。いくつかの実施形態において、ドレイン期間および収集期間は、各励起パルスに続いてもよい。
【0029】
いくつかの実施形態において、補助領域Ａは、入射光に応答して光検出領域ＰＰＤにおいて生成された電荷キャリアを受け取るように構成され得る。例えば、補助領域Ａは、励起光子に応答して光検出領域ＰＰＤにおいて生成された電荷キャリアを受け取るように構成され得る。いくつかの実施形態において、補助領域Ａは、電荷伝送チャネルによって光検出領域ＰＰＤに電気的に結合され得る。いくつかの実施形態において、電荷伝送チャネルは、光検出領域ＰＰＤと補助領域Ａとの間のピクセル１－１１２の領域を、光検出領域ＰＰＤおよび補助領域Ａと同じ導電型でドーピングすることによって、少なくとも閾値電圧が電荷伝送チャネルに印加されたときには電荷伝送チャネルが導電性を有し、閾値電圧未満の（またはいくつかの実施形態では閾値電圧よりも大きい）電圧が電荷伝送チャネルに印加されたときには電荷伝送チャネルが非導電性を有するように形成され得る。いくつかの実施形態において、閾値電圧は、電荷伝送チャネルが電荷キャリアを枯渇させる上（または下）の電圧であってよく、その結果、光検出領域ＰＰＤからの電荷キャリアは、電荷伝送チャネルを介して補助領域Ａまで進むことができる。例えば、閾値電圧は、電荷伝送チャネルの材料、寸法、および／またはドーピング構成に基づいて決定され得る。
【0030】
いくつかの実施形態において、伝送ゲートＲＥＪは、光検出領域ＰＰＤから補助領域Ａへの電荷キャリアの伝送を制御するように構成され得る。例えば、伝送ゲートＲＥＪは、制御信号を受信し、それに応答して、光検出領域ＰＰＤを補助領域Ａに電気的に結合する電荷伝送チャネルの導電率を決定するように構成され得る。例えば、励起光源からの励起光子は、サンプルウェル１－１０８からの蛍光放出光子が光検出領域ＰＰＤに到達する前に光検出領域ＰＰＤに到達し得る。いくつかの実施形態において、集積装置１－１０２は、伝送ゲートＲＥＪを制御することにより、前励起光子に反応して光検出領域ＰＰＤにおいて生成された電荷キャリアを、励起光パルスに続く期間であって蛍光放出電荷キャリアの受け取りに先行するドレイン期間中に補助領域Ａに（および後述するようにその後にドレイン領域Ｄに）伝送するように構成され得る。例えば、制御信号の第１部分が伝送ゲートＲＥＪで受信される場合、伝送ゲートＲＥＪは、電荷伝送チャネルをバイアスして電荷伝送チャネルを非導電性にすることで、電荷キャリアが補助領域Ａに到達することを阻止するように構成され得る。あるいは、制御信号の第２部分が伝送ゲートＲＥＪで受信される場合、伝送ゲートＲＥＪは、その閾値電圧を超えるように電荷伝送チャネルをバイアスして電荷伝送チャネルを導電性にすることで、電荷キャリアが光検出領域ＰＰＤから電荷伝送チャネルを介して補助領域Ａに流れるように構成され得る。いくつかの実施形態において、伝送ゲートＲＥＪは、ポリシリコンなどの導電性かつ少なくとも部分的に不透明な材料で形成され得る。
【0031】
いくつかの実施形態において、伝送ゲートＡＵＸは、補助領域Ａからドレイン領域Ｄへの電荷キャリアの伝送を制御するように構成され得る。例えば、伝送ゲートＡＵＸは、補助領域Ａをドレイン領域Ｄに電気的に結合する電荷伝送チャネルの導電性を決定するように構成され得る。いくつかの実施形態において、ドレイン領域Ｄは、直流（ＤＣ）電源などの電圧源に結合され得る。いくつかの実施形態では、ドレイン領域Ｄに供給される電圧により、ドレイン期間中に、光検出領域ＰＰＤから補助領域Ａを介してドレイン領域Ｄに電荷キャリアが引き込まれる。いくつかの実施形態では、伝送ゲートＡＵＸおよび補助領域Ａをドレイン領域Ｄに電気的に結合する電荷伝送チャネルはダイオード接続構造で配置され、これにより、補助領域Ａをドレイン領域Ｄに電気的に結合する電荷伝送チャネルと共に伝送ゲートＡＵＸが一体となって本質的に２つの端子を有する装置として機能するものとなる。ダイオード接続構造の一例として、伝送ゲートＡＵＸはドレイン領域Ｄに導電結合され得る。いくつかの構成において、補助領域Ａにおける電圧は、ドレイン領域Ｄにおける電圧とは異なり得る（例えば、ドレイン領域Ｄよりも高い）。
【0032】
本発明者らは、補助装置を介して補助領域Ａをドレイン領域Ｄに電気的に結合することにより、ドレイン領域ＤをＤＣ電源電圧ＶＤＤに電気的に導通する金属線におけるノイズを低減しつつ、ノイズ電荷キャリアを廃棄のためにドレイン領域Ｄに伝送し得る効率を高めることができることを認識した。例えば、本発明者らは、ドレイン制御信号がドレインゲートＲＥＪで受信されると、光検出領域ＰＰＤと補助領域Ａとの間の電圧電位が有利に変化して、これにより、光検出領域ＰＰＤから補助領域Ａへのノイズ電荷キャリアの迅速な流れがもたらされることを認識した。補助領域Ａが補助装置を介してドレイン領域Ｄに間接的に結合されているため、補助領域Ａがドレイン領域Ｄに導電結合されることによって、典型的にはかなりの静電容量を有するように取り付けられている金属線に補助領域Ａが導電結合される場合よりも、補助領域Ａにおけるそのような望ましい電圧変化が大きな程度で生じ得る。また、補助ゲートＡＵＸがドレイン領域Ｄに導電結合されているこの例では、補助トランジスタは、補助領域Ａにおける電圧変動がドレイン領域Ｄに達することを防止して、ドレイン領域Ｄに結合された金属線にＤＣノイズが加わることを防止するように構成され得る。したがって、図１－２に示された例示的な構成は、光検出領域ＰＰＤからドレイン領域Ｄに電荷キャリアを迅速に伝送しつつ、集積装置におけるＤＣノイズの影響を低減するように構成され得る。
【0033】
いくつかの実施形態において、伝送ゲートＳＴ０は、光検出領域ＰＰＤおよび補助領域Ａに関連して伝送ゲートＲＥＪについて説明した方法で、光検出領域ＰＰＤから蓄積領域ＳＤ０への電荷キャリアの伝送を制御するように構成され得る。電荷蓄積領域ＳＤ０は、サンプルウェル１－１０８からの蛍光放出光子に反応して光検出領域ＰＰＤで生成された電荷キャリアを受け取り、蓄積するように構成され得る。いくつかの実施形態において、電荷蓄積領域ＳＤ０は、補助領域Ａと光検出領域ＰＰＤとの間に結合された電荷伝送チャネルに関連して上述した方法で形成された電荷伝送チャネルによって、光検出領域ＰＰＤに電気的に結合され得る。
【0034】
いくつかの実施形態において、伝送ゲートＴＸ０は、光検出領域ＰＰＤおよび補助領域Ａに関連して伝送ゲートＲＥＪについて説明した方法で、電荷蓄積領域ＳＤ０から読み出し領域ＦＤへの電荷キャリアの伝送を制御するように構成され得る。例えば、光検出領域ＰＰＤから電荷蓄積領域ＳＤ０に電荷キャリアが伝送される複数の収集期間の後、読み出し期間が生じ得る。この読み出し期間において、電荷蓄積領域ＳＤ０に蓄積された電荷キャリアが読み出し領域ＦＤに伝送されて、処理のために集積装置１－１０２の他の部分に読み出され得る。いくつかの実施形態は、複数の蓄積領域（ＳＤ０，ＳＤ１，…）とともに、蓄積領域および読み出し領域ＦＤへの電荷キャリアの伝送を制御する複数の伝送ゲート（ＳＴ０，ＳＴ１，…）および複数の伝送ゲート（ＴＸ０，ＴＸ１，…）を有し得る。
【0035】
いくつかの実施形態において、ピクセル１－１１２は、集積装置１－１０２の制御回路に電気的に結合され得るとともに、伝送ゲートＲＥＪ，ＳＴ０，ＴＸ０などの伝送ゲートで制御信号を受信するように構成され得る。例えば、金属層１－２４０の金属線は、集積装置１－１０２のピクセル１－１１２に制御信号を伝達するように構成され得る。いくつかの実施形態において、制御信号を伝達する単一の金属線は、ピクセル１－１１２のアレイ、サブアレイ、行、および／または列などの複数のピクセル１－１１２に電気的に結合され得る。例えば、アレイ内の各ピクセル１－１１２は、ピクセル１－１１２の行が光検出領域ＰＰＤから電荷キャリアを同時に排出および／または収集するように構成されるように、同じ金属線および／またはネットから制御信号を受信するように構成され得る。代替的にまたは追加的に、アレイ内のピクセル１－１１２の各行は、一度に１行ずつ電荷キャリアを読み出すように、読み出し期間中に異なる制御信号（例えば、行選択信号）を受信するように構成され得る。
【0036】
図１－３は、いくつかの実施形態による集積装置１－１０２に含まれ得る例示的なピクセル１－３１２の回路図である。いくつかの実施形態において、ピクセル１－３１２は、ピクセル１－１１２について説明した方法で構成され得る。例えば、図１－３に示すように、ピクセル１－３１２は、光検出領域ＰＰＤ、ドレイン領域Ｄ、補助領域Ａ、電荷蓄積領域ＳＤ０、読み出し領域ＦＤ、および伝送ゲートＡＵＸ，ＲＥＪ，ＳＴ０，ＴＸ０を含む。図１－３において、伝送ゲートＲＥＪは、光検出領域ＰＰＤを補助領域Ａに結合するドレイントランジスタチャネル３１２－２Ｃを有するドレイントランジスタ３１２－２のゲートであり、伝送ゲートＡＵＸは、補助領域Ａをドレイン領域Ｄに結合する補助トランジスタチャネル３１２－１Ｃを有する補助トランジスタ３１２－１のゲートであり、伝送ゲートＳＴ０は、光検出領域ＰＰＤと電荷蓄積領域ＳＤ０とを結合するトランジスタのゲートであり、伝送ゲートＴＸ０は、電荷蓄積領域ＳＤ０と読み出し領域ＦＤとを結合するトランジスタのゲートである。また、ピクセル１－３１２は、リセット（ＲＳＴ）伝送ゲートおよび列選択（ＲＳ）伝送ゲートを含む。
【0037】
図１－３に示されるように、補助トランジスタ３１２－１は、伝送ゲートＡＵＸに電気的に結合されるドレイン電極Ｄを備え、補助トランジスタチャネル３１２－１Ｃとともに伝送ゲートＡＵＸにより補助領域Ａをドレイン領域Ｄに電気的に結合して、補助トランジスタ３１２－１が本質的に２つの端子を有する装置として機能するようにダイオード接続構造で構成されている。
【0038】
いくつかの実施形態において、伝送ゲートＲＥＪは、制御信号に応答して、光検出領域ＰＰＤの電荷キャリアをピクセルの外側の場所に排出するように構成され得る。例えば、伝送ゲートＲＥＪは、「オフ」状態から「オン」状態に変化することで、光検出領域ＰＰＤから補助領域Ａ、伝送ゲートＡＵＸ、およびドレイン領域Ｄを介してＤＣ電源電圧ＶＤＤに電荷キャリアが流れるようにする。図１－３に示された実施形態では、補助ゲートＡＵＸはドレイン領域Ｄに導電結合されており、いくつかの実施形態において、補助領域Ａをドレイン領域Ｄに結合するトランジスタは、そのトランジスタのドレインおよびソースにそれぞれ位置するドレイン領域および補助領域の電圧に基づいてオンオフされる。いくつかの実施形態において、補助領域Ａをドレイン領域Ｄに結合するトランジスタは、光検出領域ＰＰＤを補助領域Ａに結合するトランジスタが「オン」状態にあるときにのみ、「オン」状態となり得る。
【0039】
いくつかの実施形態において、伝送ゲートＲＳＴは、リセット制御信号に応答して、読み出し領域ＦＤおよび／または電荷蓄積領域ＳＤ０内の電荷キャリアをクリアするように構成され得る。例えば、伝送ゲートＲＳＴは、「オン」状態となることで、読み出し領域ＦＤおよび／または電荷蓄積領域ＳＤ０から伝送ゲートＴＸ０および読み出し領域ＦＤを介してＤＣ供給電圧ＶＤＤＰに電荷キャリアを流すように構成され得る。いくつかの実施形態において、伝送ゲートＲＳは、行選択制御信号に応答して、電荷キャリアを処理のために読み出し領域ＦＤからビット線ＣＯＬに伝送するように構成され得る。
【0040】
なお、図１－３に示されたトランジスタは電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）または金属酸化物半導体ＦＥＴ（ＭＯＳＦＥＴ）であるが、本開示の態様はＭＯＳＦＥＴを使用した実装のみに限定されず、他のタイプのトランジスタも使用され得る。例えば、バイポーラ接合トランジスタ（ＢＪＴ）または接合ＦＥＴ（ＪＦＥＴ）が本明細書で説明される補助装置のトランジスタのうちのいくつかまたはすべてを実装するために使用され得る。
【0041】
なお、種々の伝送ゲートに印加される本明細書で説明される制御信号の形状および／または電圧は、半導体領域の電位およびその半導体領域に電気的に結合される領域（例えば、近隣の領域）の電位に依存して変化し得る。伝送ゲートのいくつかに印加することができる制御信号の例は、２０２１年１０月２１日に出願され、「INTEGRATED CIRCUIT WITH SEQUENTIALLY-COUPLED CHARGE STORAGE AND ASSOCIATED TECHNIQUES」と題する米国特許出願第１７／５０７，５８５号に記載されており、参照によりその全体が援用される。
【0042】
図１－４は、いくつかの実施形態におけるピクセル１－３１２の側面図であり、ピクセル１－３１２内の構成要素を接続する金属線およびビアを示す。例えば、図１－４に示されるように、ピクセル１－３１２は、光検出領域ＰＰＤと、ドレイン領域Ｄと、補助領域Ａと、伝送ゲートＡＵＸ，ＲＥＪと、金属線Ｍ４，Ｍ３，Ｍ２，Ｍ１と、ビア１－１１６，１－１１４，１－１１８とを含む。いくつかの実施形態において、ビア１－１１４、ビア１－１１６、および／またはビア１－１１８は、シリコン貫通ビア（ＴＳＶ）であってよい。図１－４において、伝送ゲートＲＥＪは、光検出領域ＰＰＤを補助領域Ａに結合するトランジスタのゲートであり、伝送ゲートＡＵＸは、補助領域Ａをドレイン領域Ｄに結合する補助トランジスタ３１２－１のゲートである。いくつかの実施形態において、ドレイン領域Ｄは、直流（ＤＣ）電圧などの電源電圧ＶＤＤに接続され得る。伝送ゲートＡＵＸ，ＲＥＪの各々は、１つまたは複数のゲート誘電体層によってそれぞれのトランジスタチャネル３１２－１Ｃ、３１２－２Ｃから分離され得る。伝送ゲートＡＵＸ，ＲＥＪの各々は、均一な材料または複数の材料の複合材料を含む任意の適切な材料組成で構成され得るとともに、任意の適切な形状または寸法で構成され得るが、本開示の態様はそのようなものに限定されない。
【0043】
いくつかの実施形態において、伝送ゲートＲＥＪは、制御信号に応答して、光検出領域ＰＰＤ内の電荷キャリアを排出するように構成され得る。例えば、伝送ゲートＲＥＪは、電荷キャリアを光検出領域ＰＰＤから補助領域Ａ、伝送ゲートＡＵＸ、およびドレイン領域Ｄを介して電源電圧ＶＤＤに流し得る。図１－４に示された実施形態では、補助ゲートＡＵＸはビア１－１１８によって金属線Ｍ１に導電結合され、同様に、ドレイン領域Ｄはビア１－１１８によって金属線Ｍ１に導電結合され、それにより図１－３に関連して上述したように、ドレイン領域Ｄは伝送ゲートＡＵＸに導電結合されている。図１－４の金属線Ｍ１は、金属線Ｍ２，Ｍ３などの金属層Ｍ１上の金属線にビア１－１１４によって導電結合されている。図１－１に関連して上述したように、金属線１－２４０は、電源からの電圧を搬送することができ、金属線Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３、および／またはＭ４について図１－４に示されるように構成され、電源電圧ＶＤＤをドレイン領域Ｄおよび／または伝送ゲートＡＵＸに供給し得る。いくつかの実施形態において、複数のビア１－１１６は、例えばＤＣ電源電圧を複数のピクセルに供給するために金属線Ｍ４，Ｍ３を接続する。なお、本明細書で説明される実施形態はそのように限定されるものではなく、金属線、ネット、ビアの構成は、図１－４に示されたもの以外も含み得る。
【0044】
図１－５は、いくつかの実施形態によるピクセル１－３１２における例示的な電荷伝送を示す図である。いくつかの実施形態において、ピクセル１－３１２の動作は、１つまたは複数のドレインシーケンスと１つまたは複数の収集シーケンスとを含み得る。いくつかの実施形態において、収集シーケンスの各収集期間の前には、本明細書でさらに説明するようにドレイン期間を置くことができる。図１－５には、ドレイン期間１－１、収集期間１－２、および読み出し期間１－３を含む例示的な収集シーケンスが示されている。いくつかの実施形態において、ピクセル１－３１２の動作は、図１－５に示された収集シーケンスの１つまたは複数の反復を含み得る。いくつかの実施形態において、収集シーケンスは、サンプルウェル１－１０８内のサンプルの励起と協調され得る。例えば、励起光源およびピクセル１－３１２の動作を制御するように単一の制御回路が構成され得る。
【0045】
いくつかの実施形態において、励起光子は、励起パルスの直後であって収集期間１－２の前におけるドレイン期間１－１の間に光検出領域ＰＰＤに到達し得る。例えば、ドレイン期間１－１は、サンプルウェル１－２０８を照射する励起光のパルスに応答して生じ得る。ドレイン期間１－１中に、励起光子に反応して光検出領域ＰＰＤで生成された電荷キャリアは補助領域Ａに伝送され、それによってドレイン領域Ｄに、また、接続されている電圧源に伝送され得る。光検出領域ＰＰＤは、入射励起光子に反応して電荷キャリアを生成し、排出のために電荷キャリアを補助領域Ａに伝送するように構成され得る。いくつかの実施形態において、収集期間１－２は、光検出領域ＰＰＤで複数の蛍光放出光子を受け取ることを含み得る。例えば、収集期間１－２は、蛍光放出光子を光検出領域ＰＰＤに向けて放出するように構成されたサンプルウェル１－２０８を照射する励起光のパルスに応答して生じ得る。図１－５に示すように、光検出領域ＰＰＤは、入射した蛍光放出光子に応答して電荷キャリアＱ２を生成し、収集期間１－２の間に電荷キャリアＱ２を電荷蓄積領域ＳＤ０に伝送するように構成され得る。いくつかの実施形態において、収集期間１－２は、複数のそれぞれの励起パルスに応答して複数回繰り返されてもよく、電荷キャリアＱ２は、収集期間１－２の経過にわたって電荷蓄積領域ＳＤ０に蓄積され得る。いくつかのそのような実施形態では、各収集期間１－２の前にドレイン期間が設けられ得る。いくつかの実施形態において、ドレイン期間１－１は、集積装置１－１０２のアレイ、サブアレイ、行、および／または列の各ピクセルに対して同時に生じ得る。同様に、収集期間１－２は、ピクセルの群における各ピクセルに対して同時に生じ得る。
【0046】
いくつかの実施形態において、読み出し期間１－３は、電荷キャリアＱ２が電荷蓄積領域ＳＤ０に蓄積される１つまたは複数の収集期間１－２の後に発生し得る。図１－５に示すように、読み出し期間１－３において、電荷蓄積領域ＳＤ０に蓄積された電荷キャリアＱ２は読み出し領域ＦＤに伝送され、処理のために読み出され得る。いくつかの実施形態において、読み出し期間１－３は、相関二重サンプリング（ＣＤＳ）技術を用いて実行され得る。例えば、最初に読み出し領域ＦＤの第１の電圧が読み出され、その後、読み出し領域ＦＤのリセットによって（例えば、リセット信号を伝送ゲートＲＳＴに印加することによって）電荷蓄積領域ＳＤ０から読み出し領域ＦＤへ電荷キャリアＱ２が伝送され、電荷キャリアＱ２の伝送後に、次いで読み出し領域ＦＤの第２の電圧が読み出され得る。この例では、第１の電圧と第２の電圧との差は、電荷蓄積領域ＳＤ０から読み出し領域ＦＤに伝送される電荷キャリアＱ２の量を示し得る。いくつかの実施形態において、読み出し期間１－３は、アレイの各行、列、および／またはピクセルに対して異なる時間に生じ得る。例えば、一度に１つの行または列のピクセルを読み出すことによって、単一の処理ラインが、同時に読み出すために各ピクセルに処理ラインを割り当てるのではなく、連続して各行または列の読み出しを処理するように構成され得る。他の実施形態では、処理ラインがアレイの各ピクセルに対して設けられ得るので、アレイの各ピクセルは同時に読出するように構成され得る。様々な実施形態によれば、ピクセルから読み出された電荷キャリアは、サンプルウェル１－２０８内のサンプルの蛍光強度、寿命、スペクトル、および／または他のそのような蛍光情報を示し得る。いくつかの実施形態においては、ピクセル１－３１２について上述した蓄積および読み出しを行うように構成された集積装置に複数の電荷蓄積領域（ＳＤ０，ＳＤ１，…）が含まれ得る。
【0047】
図１－６Ａは、いくつかの実施形態による集積装置１－１０２に含まれ得るピクセル１－６１２の上面図である。いくつかの実施形態において、ピクセル１－６１２は、ピクセル１－１１２について本明細書で説明される方法で構成され得る。例えば、図１－６Ａにおいて、ピクセル１－６１２は、光検出領域ＰＰＤ、補助領域Ａ、ドレイン領域Ｄ、電荷蓄積領域ＳＤ０、読み出し領域ＦＤ、および伝送ゲートＲＥＪ，ＡＵＸ，ＳＴ０，ＴＸ０，ＲＳＴ，ＲＳを含む。ドレイン領域Ｄは電圧源に結合され得る。ノイズ電荷キャリア（光電子など）は、光検出領域ＰＰＤから、伝送ゲートＲＥＪ、補助領域Ａ、伝送ゲートＡＵＸ、およびドレイン領域Ｄを介して排出され得る。いくつかの実施形態において、光検出領域ＰＰＤとドレイン領域Ｄとの間には様々なゲートおよび領域が存在する。いくつかの実施形態において、ピクセル１－６１２は、第２の電荷蓄積領域ＳＤ１と、伝送ゲートＳＴ１，ＴＸ１とを含み、これらはそれぞれ、電荷蓄積領域ＳＤ０および伝送ゲートＳＴ０，ＴＸ０について本明細書に記載される方法で構成され得る。例えば、電荷蓄積領域ＳＤ０，ＳＤ１は、光検出領域ＰＰＤで生成された電荷キャリアを受光し、読み出し領域ＦＤに伝送されるように構成され得る。いくつかの実施形態においては、別個の読み出し領域ＦＤが各電荷蓄積領域に結合され得る。なお、種々の実施形態によれば、本明細書で説明されるピクセルは、任意の数の電荷蓄積領域を含み得る。いくつかの実施形態において、ピクセル１－６１２は、光検出領域から補助領域および／または電荷蓄積領域への方向に固有の電場を誘起するように構成された光検出領域を含み得る。
【0048】
本明細書でさらに説明するように、ピクセル内の電荷伝送速度を増加させることにより、ピクセルのノイズ性能を改善することができる。例えば、蛍光放出電荷キャリアがピクセルに到達する前に、できるだけ多くの励起光子に反応して光検出領域に生成された励起電荷キャリアを排出させて、励起電荷キャリアがノイズとして電荷蓄積領域に伝送されることを防止することが望ましい場合がある。さらには、ピクセルからの電荷読み出しの精度を確保するために、蛍光光子に反応して光検出領域に生成された蛍光放出電荷キャリアをできる限り迅速に適切な電荷蓄積領域に伝送することが望ましい場合がある。
【0049】
そこで、電荷キャリアが光検出領域からピクセル内の適切な位置（例えば、補助領域または電荷蓄積領域）に移動する速度を高めるべく、ピクセルの光検出領域に固有の電場を誘起することが有利であり得る。いくつかの実施形態において、本明細書で説明するピクセルは、光検出領域から補助領域および／または電荷蓄積領域へ向かう方向に固有の電場を誘起するように構成された光検出領域を含み得る。例えば、電場は、電荷キャリアを光検出領域から（ドレイン領域Ｄの方向における）補助領域および／または電荷蓄積領域へ、固有の電場がない場合よりも速く移動させる力を発揮し得る。いくつかの実施形態において、補助領域および電荷蓄積領域は、固有の電場がドレイン領域および電荷蓄積領域の各々への電荷移動速度を増加させることができるように、図１－６Ａに示される実施形態のように光検出領域の同じ側に配置され得る。
【0050】
一例によれば、光検出領域は、固有の電場を誘起するように構成されたドーパントパターンを含み得る。この例では、ドーパントパターンは、光検出領域のドーピングを行うことの少なくとも一部の期間に、光検出領域上に、成形された開口部を有するマスクを配置することによって形成され得る。光検出領域に固有の電場を導入することによって、光検出領域から電荷キャリアが伝送される速度を増加させることができ、それによって、電荷蓄積領域に到達する励起光子の数を減少させつつ電荷蓄積領域に到達する蛍光放出光子の数を増加させることができ、その結果、ピクセルからの電荷読み出しの信号対雑音比を増加させることができる。
【0051】
図１－６Ａは、いくつかの実施形態による固有の電場を誘起するように構成された光検出領域ＰＰＤを含む例示的なピクセル１－６１２の概略図である。ピクセル１－６１２は、図１－１～図１－５に関連してピクセル１－１１２について上述した方法で構成され得る。図１－６Ａに示されるように、ピクセル１－６１２の光検出領域ＰＰＤは、光検出領域ＰＰＤから補助領域Ａおよび電荷蓄積領域ＳＤ０への固有の電場を誘起するように構成され得る。例えば、光検出領域ＰＰＤは、図１－６Ａに示されるようにドーパント構造を有しており、このドーパント構造における勾配に起因して電位勾配を誘起するように構成され得る。例えば、光検出領域ＰＰＤは、補助領域Ａおよび電荷蓄積領域ＳＤ０に近接する光検出領域ＰＰＤの端部において、光検出領域ＰＰＤの反対側の端部よりも多くのドーパントを有することができ、それによって端部から端部への電位勾配を生じさせる。
【0052】
ピクセル１－６１２における電荷キャリア伝送の速度を増加させることにより、励起電荷キャリアをより速く排出し電荷蓄積領域においてより多くの蛍光放出電荷キャリアを蓄積することによってピクセル１－６１２の蛍光対励起除去比を増加させることができる。その結果、蛍光情報のより正確な測定のために、励起ノイズに対する蛍光放出信号の比を改善することができる。
【0053】
図１－６Ｂは、別の実施形態による集積装置１－１０２に含まれ得るピクセル１－６１２の上面図である。図１－６Ｂに示された実施形態では、ピクセル１－６１２は、光検出領域ＰＰＤ、補助領域Ａ、ドレイン領域Ｄ、電荷蓄積領域ＳＤ０（図１－６Ｂでは図示略）、および伝送ゲートＲＥＪ，ＡＵＸ，ＳＴ０を含む。ドレイン領域Ｄは電圧源に結合され得る。ノイズ電荷キャリア（光電子など）は、光検出領域ＰＰＤから、伝送ゲートＲＥＪ、補助領域Ａ、伝送ゲートＡＵＸ、およびドレイン領域Ｄを介して排出され得る。
【0054】
なお、図１－３は単一のダイオード接続された補助トランジスタ３１２－１を示すが、これは必須要件ではない。追加のまたは別の構成要素の配置が補助装置に設けられてもよい。
【0055】
図１－７Ａは、図１－３に示された実施形態の別の実装である例示的なピクセル１－４１２Ａの回路図である。ピクセル１－４１２Ａは、補助トランジスタ３１２－１のダイオード接続構造とは異なり、補助トランジスタ４１２－１のドレイン領域Ｄが補助伝送ゲートＡＵＸに電気的に結合されていない点でピクセル１－３１２とは異なっている。ドレイン領域ＤはＶＤＤに接続されているものの、例えば制御回路（図示略）からのゲート制御信号ＶＤＤ_gateが供給される伝送ゲートＡＵＸは分離され得る。ＶＤＤ_gateは、ドレイン伝送ゲートＲＥＪに供給される制御信号に基づくタイミングを有し、トランジスタ３１２－１と同様のタイミングで補助トランジスタチャネル４１２－１Ｃをオンまたはオフさせるように構成され得る。これによって、ドレイントランジスタ３１２－２が「オン」状態にあるときに補助トランジスタチャネル４１２－１Ｃが「オン状態」となることで、補助領域を介して光検出領域からドレイン領域に電流が伝導される。一つの非限定的な例によれば、ドレイン伝送ゲートＲＥＪにおける制御信号がドレイントランジスタ３１２－２をオフにするとき、伝送ゲートＡＵＸが補助トランジスタチャネル４１２－１Ｃをオンにするように、ゲート電圧ＶＤＤ_gateが設定され得る。この例では、ＲＥＪゲートがオンのとき、ＲＥＪゲートに対する導電結合によって領域「Ａ」の電位が上昇する。この領域「Ａ」の電位の上昇に伴い、ＡＵＸゲートは、そのゲート／ソース間電圧差が減少することにより補助トランジスタチャネル４１２－１Ｃを部分的にまたは完全にオフする。この方法では、領域「Ａ」は比較的低い静電容量を有するので、上昇される電圧をより高くしてＲＥＪゲートの電荷伝送を容易にすることができる。また、さらなる利点として、ＶＤＤへの電圧外乱が低減され得る。
【0056】
図１－７Ｂは、図１－３に示された実施形態のさらなる別の実装である例示的なピクセル１－５１２の回路図である。ピクセル１－５１２は、ドレイン領域Ｄを補助領域Ａに各々結合する２つの並列な補助トランジスタ５１２－１_１，５１２－１_２が設けられている点でピクセル１－３１２とは異なっている。任意の適切な数の並列補助トランジスタが設けられ得る。補助トランジスタ５１２－１_１，５１２－１_２はそれぞれ、ドレイントランジスタ３１２－２が「オン」状態にあるときにそれらのトランジスタチャネルが「オン状態」となることで、光検出領域から補助領域を介してドレイン領域に電流を伝導するように構成されたダイオード接続構造を有している。
【0057】
図１－７Ｃは、図１－３に示される実施形態のさらなる別の実装である例示的なピクセル１－６１２の回路図である。ピクセル１－６１２は、２つの直列な補助トランジスタ６１２－１_１，６１２－１_２が設けられている点でピクセル１－３１２とは異なっている。任意の適切な数の直列補助トランジスタが設けられ得る。補助トランジスタ６１２－１_１，６１２－１_２はそれぞれ、ドレイントランジスタ３１２－２が「オン」状態にあるときにそれらのトランジスタチャネルが「オン状態」となることで、光検出領域から補助領域を介してドレイン領域に電流を伝導するように構成されたダイオード接続構造を有している。
【0058】
図１－７Ｄは、図１－３に示された実施形態のさらなる別の実装であって、補助装置にトランジスタを使用しない例示的なピクセル１－７１２の回路図である。ダイオード接続された補助トランジスタ１－３１２を使用する代わりに、図１－７Ｄは、ダイオード７１２－１が補助領域Ａをドレイン領域Ｄに電気的に結合することを示している。図示されるように、ダイオード７１２－１のカソードは補助領域Ａに結合されている一方、ダイオード７１２－１のアノードはドレイン領域Ｄおよび電圧ＶＤＤＢ０に結合されている。好ましくは、ｐウェルドレインｎウェルダイオード７１２－２が順バイアスされないように、電圧ＶＤＤＢ０はＶＤＤよりも小さく、例えば約０．６ＶだけＶＤＤよりも小さい。
【0059】
［ＩＶ．ＤＮＡ、ＲＮＡ、およびタンパク質シークエンシング用途］
本明細書に記載される分析システムは、集積装置およびその集積装置とインターフェース接続するように構成された機器、例えば、生物学的シークエンシング機器を含み得る。上記したように、集積装置はピクセルのアレイを含み得る。ピクセルは、サンプルウェルおよび少なくとも１つの光検出器を含む。サンプルウェルは、集積装置の表面に配置される懸濁液からサンプルを受け取るように構成されている。
本明細書に記載される分析システムは、集積装置およびその集積装置とインターフェース接続するように構成された機器、例えば、生物学的シークエンシング機器を含み得る。上記したように、集積装置はピクセルのアレイを含み得る。ピクセルは、サンプルウェルおよび少なくとも１つの光検出器を含む。サンプルウェルは、集積装置の表面に配置される懸濁液からサンプルを受け取るように構成されている。
【0060】
本開示のいくつかの態様は、ＤＮＡまたはＲＮＡシークエンシングに有用であり得る。いくつかの実施形態において、懸濁液は、複数の一本鎖ＤＮＡテンプレートを含み得る。また、懸濁液は、ラベリングされたヌクレオチドを含有し得るものであり、反応チャンバに入り、反応チャンバ内の一本鎖ＤＮＡテンプレートに対して相補的なＤＮＡの鎖に組み込まれると、ヌクレオチドの同定を可能にすることができる。
【0061】
本開示のいくつかの態様は、例えばポリペプチドからアミノ酸配列情報を決定するなどのタンパク質シークエンシングに有用であり得る。いくつかの実施形態において、単一のポリペプチドの分子について、アミノ酸配列情報が決定され得る。いくつかの実施形態においては、ポリペプチドの１つまたは複数のアミノ酸がラベリングされ、ポリペプチド内のラベリングされたアミノ酸の相対位置が、例えば一連のアミノ酸ラベリングおよび開裂ステップを使用して決定される。いくつかの実施形態においては、アミノ酸の同定が評価される。本開示のいくつかの態様は、末端アミノ酸の修飾および開裂の繰り返しサイクルを受けるラベリングされたポリペプチドのルミネセンスを検出することによって、ポリペプチドをシークエンシングする方法を提供する。
【0062】
いくつかの実施形態において、本明細書で提供される方法は、タンパク質の複合混合物を含むサンプル内の個々のタンパク質のシークエンシングおよび同定に使用され得る。いくつかの実施形態によるシークエンシングは、チップまたは集積装置などの基板または固体支持体の表面上にポリペプチドを固定化することを伴い得る。いくつかの実施形態において、ポリペプチドは基板のサンプルウェルの表面上に固定化され得る。いくつかの実施形態において、複数のポリペプチドの各々は、複数のサンプルウェルのうちの一つに対して、例えば基板上のサンプルウェルのアレイで付着される。
【0063】
図２－１Ａには、システム５－１００の概略的な概説が示されている。システムは、集積装置５－１０２および機器５－１０４の双方を備え、集積装置５－１０２は機器５－１０４とインターフェース接続されている。いくつかの実施形態において、機器５－１０４は、機器５－１０４の一部として集積される１つまたは複数の励起源５－１０６を含み得る。励起源５－１０６は、集積装置５－１０２に励起光を提供するように構成され得る。図２－１Ａに概略的に示されているように、集積装置５－１０２は、複数のピクセル５－１１２を有し、ピクセルの少なくとも一部分は、対象のサンプルの独立した分析を実施し得る。ピクセル５－１１２は、単一の対象サンプルを受け取るように構成された反応チャンバ５－１０８、および励起源５－１０６により提供される励起光によってサンプルと反応チャンバ５－１０８の少なくとも一部分とを照らすことに反応して反応チャンバから放出された発光を検出する光検出器５－１１０を有する。
【0064】
集積装置５－１０２は、任意の好適な数のピクセルを有し得る。いくつかの実施形態において、集積装置５－１０２内のピクセルの数は、およそ１０，０００ピクセル～１００，０００，０００ピクセルの範囲内、またはその範囲内における任意の範囲内の値とすることができる。機器５－１０４のインターフェースは、機器５－１０４の回路部と結合するように集積装置５－１０２を位置決めし、１つまたは複数の光検出器からの読み出し信号を機器５－１０４に送信することを可能とし得る。集積装置５－１０２および機器５－１０４は、大きなピクセルアレイ（例えば、１０，０００超のピクセル）に関連付けられるデータを取り扱うためにマルチチャネル高速通信リンクを含み得る。
【0065】
図２－１Ｂには、ピクセル５－１１２の行を示す集積装置５－１０２の概略断面図が示されている。特定の実施形態において、ピクセル５－１１２は、上述したピクセル１－１１２、ピクセル１－３１２、またはピクセル１－６１２と同様に構成され得る。励起光は、サンプルウェルまたは反応チャンバ内に位置するサンプルを照射し得る。サンプルが励起状態にあるとき、サンプルは発光を放出し、反応チャンバに関連付けられた１つまたは複数の光検出器によって発光が検出され得る。
【0066】
機器５－１０４は、機器５－１０４および集積装置５－１０２のうちの少なくとも一方の動作を制御するためにユーザインターフェースを含み得る。ユーザインターフェースは、機器の機能を制御するために使用されるコマンドおよび／または設定などの情報をユーザが機器に入力可能とするように構成され得る。いくつかの実施形態において、機器５－１０４は、ラップトップまたはデスクトップコンピュータまたはサーバなどのコンピューティング装置と接続するように構成されたコンピュータインターフェースを含み得る。コンピュータインターフェースは、ＵＳＢインターフェース、ファイヤーワイヤーインターフェース、または任意の他の好適なコンピュータインターフェースとすることができる。コンピューティング装置は、機器５－１０４を制御および／または構成するための入力情報および／または機器５－１０４によって生成された出力情報を、コンピュータインターフェースを介して送信および／または受信し得る。
【0067】
図２－１Ｃを参照すると、持ち運び可能な高度な分析機器５－１００は、機器５－１００内に交換可能なモジュールとして実装されるか、または機器５－１００に別様に結合される１つまたは複数のパルス光源５－１０６を備え得る。持ち運び可能な分析機器５－１００は、光学結合システム５－１１５および分析システム５－１６０を含み得る。光学結合システム５－１１５は、パルス光源５－１０６から分析システム５－１６０まで出力光パルス５－１２２を結合するように構成され得る。分析システム５－１６０は、サンプル分析のために少なくとも１つのサンプルウェルまたは反応チャンバに光パルスを方向付け、少なくとも１つの反応チャンバから１つまたは複数の光信号（例えば、蛍光、後方散乱放射）を受け取り、受け取った光信号を表す１つまたは複数の電気信号を生成するように構成され得る。いくつかの実施形態においては、分析システム５－１６０は、１つまたは複数の光検出器を含み得る。また、分析システム５－１６０は、信号処理電子部品を含み得る。また、分析システム５－１６０は、データを外部の装置に送信するとともにデータを外部の装置から受信するように構成されたデータ送信ハードウェアを含み得る。
【0068】
図２－１Ｄは、小型のパルス光源５－１１３を含む持ち運び可能な分析機器５－１００のさらなる実施例を示す。いくつかの場合において、分析機器５－１００は、取り外し可能な、パッケージ化されたバイオ光電子チップまたは光電子チップ５－１４０を受け入れるように構成されている。チップ５－１４０は、例えば、反応チャンバ、光励起エネルギーを反応チャンバに送達するように構成された集積光学構成要素、および反応チャンバからの蛍光放出を検出するように構成された集積光検出器を含み得る。いくつかの実施態様において、チップ５－１４０は１回使用後に使い捨てとすることができる。
【0069】
いくつかの実施形態において、チップ５－１４０は、追加の機器電子部品を含み得る電子回路基板５－１３０上に実装され得る。例えば、ＰＣＢ５－１３０は、電力、１つまたは複数のクロック信号、および制御信号を光電子チップ５－１４０に提供するように構成された回路部と、反応チャンバから検出される蛍光放出を表す信号を受信するように構成された信号処理回路部とを含み得る。光電子チップから戻されるデータを、機器５－１００上の電子部品によって一部または全体を処理することができるが、いくつかの実施態様においては、データはネットワーク接続により１つまたは複数の遠隔データプロセッサに送信されてもよい。
【0070】
図２－２は、図示は縮尺通りではないが、出力パルス５－１２２の時間的な強度プロファイルを示している。いくつかの実施形態において、放出されたパルスのピーク強度値はほぼ等しくなり得る。プロファイルは、ガウス型の時間的プロファイルを有し得るが、ｓｅｃｈ２型のプロファイルなどの他のプロファイルも可能である。各パルスの持続時間は、図２－２に示すように、全値半幅（ＦＷＨＭ）値によって特徴付けられ得る。モードロックレーザのいくつかの実施形態によると、超短光パルスは、約５ピコ秒（ｐｓ）～約３０ｐｓのＦＷＨＭ値を有し得る。
【0071】
出力パルス５－１２２は、規則的な間隔Ｔで離間し得る。例えば、Ｔは、出力カプラ５－１１１とキャビティエンドミラー５－１１９との間の往復移動時間によって決定され得る。いくつかの実施形態において、パルス離間間隔はレーザキャビティ内の往復移動時間に対応し、それによって３メートルのキャビティ長（６メートルの往復距離）がおよそ２０ｎｓのパルス離間間隔Ｔを提供するようにする。
【0072】
いくつかの実施形態において、異なるフルオロフォアは、それらの異なる蛍光減衰率または特徴的な寿命によって区別され得る。したがって、特定の実施形態では、パルス離間間隔Ｔは、それらの異なる減衰率を区別するために、選択されたフルオロフォアの適切な統計値を収集するのに十分な間隔とされる。適切なパルス離間間隔Ｔは、データ処理回路部が反応チャンバにより収集されたデータを処理することを可能にする。いくつかの実施形態において、約５ｎｓ～約２０ｎｓのパルス離間間隔Ｔは、概して最大約２ｎｓの減衰率を有するフルオロフォアおよび約６０，０００個～１０，０００，０００個の反応チャンバからのデータを取り扱うのに好適である。
【0073】
［Ｖ．背面照射］
上記の例では、集積装置１－１０２は、光検出領域ＰＰＤ、電荷蓄積領域ＳＤ０，ＳＤ１、および読み出し領域ＦＤが伝送ゲートＲＥＪ，ＳＴ０，ＴＸ０，ＴＸ１から離間する方向において入射光子を受け取る構成として示されている。図１－２に示されるように、集積装置１－１０２は、第１の側で－Ｙ方向に沿って入射光子を受け取るように構成されており、金属層１－２４０は、Ｙ方向に対向する集積装置３－１０２の第１の側に配置されている。このような集積装置１－１０２の構造は、前面照明（ＦＳＩ）構造とも呼ばれ得る。
上記の例では、集積装置１－１０２は、光検出領域ＰＰＤ、電荷蓄積領域ＳＤ０，ＳＤ１、および読み出し領域ＦＤが伝送ゲートＲＥＪ，ＳＴ０，ＴＸ０，ＴＸ１から離間する方向において入射光子を受け取る構成として示されている。図１－２に示されるように、集積装置１－１０２は、第１の側で－Ｙ方向に沿って入射光子を受け取るように構成されており、金属層１－２４０は、Ｙ方向に対向する集積装置３－１０２の第１の側に配置されている。このような集積装置１－１０２の構造は、前面照明（ＦＳＩ）構造とも呼ばれ得る。
【0074】
本開示のいくつかの態様は、集積装置１－１０２について本明細書で説明したように、他の方向において入射光子を受け取るように構成されており、複数の順次結合された電荷蓄積領域を含む構造に関する。例えば、本発明者らは、伝送ゲートが、光検出領域、電荷蓄積領域、および／または読み出し領域から離間する方向において入射光子を受光するように構成された集積装置は、伝送ゲートの光学特性が入射光子に与える影響が低減されるため、改善された光学および電気特性を有し得ることを認識している。
【0075】
図３－１は、いくつかの実施形態による、ピクセル３－１１２の行を示す別の例示的な集積装置３－１０２の概略断面図である。
いくつかの実施形態において、集積装置３－１０２は、集積装置１－１０２について本明細書で説明した方法で構成され得る。例えば、図３－１に示されるように、集積装置３－１０２は、１つまたは複数の格子カプラ３－２１６を含む結合領域３－２０１と、１つまたは複数の導波路３－２２０を含むルーティング領域３－２０２と、１つまたは複数のピクセル３－１１２を含むピクセル領域３－２０３とを含み得る。例示的なピクセル３－１１２は、サンプルウェル３－１０８および光検出器３－１１０を含む図３－１では点線の矩形によって示されている。また、図３－１に示されるように、集積装置３－１０２は、サンプルウェル３－１０８と光検出器３－１１０との間に配置された１つまたは複数のフォトニック構造３－２３０を含み得る。
いくつかの実施形態において、集積装置３－１０２は、集積装置１－１０２について本明細書で説明した方法で構成され得る。例えば、図３－１に示されるように、集積装置３－１０２は、１つまたは複数の格子カプラ３－２１６を含む結合領域３－２０１と、１つまたは複数の導波路３－２２０を含むルーティング領域３－２０２と、１つまたは複数のピクセル３－１１２を含むピクセル領域３－２０３とを含み得る。例示的なピクセル３－１１２は、サンプルウェル３－１０８および光検出器３－１１０を含む図３－１では点線の矩形によって示されている。また、図３－１に示されるように、集積装置３－１０２は、サンプルウェル３－１０８と光検出器３－１１０との間に配置された１つまたは複数のフォトニック構造３－２３０を含み得る。
【0076】
図３－１に示されるように、集積装置３－１０２は、第１の側で入射光子を受け取るように構成されており、金属層３－２４０は、集積装置３－１０２が入射光子を受け取るように構成された方向Ｄｉｒ１において第１の側と対向する集積装置３－１０２の第２の側に配置されている。このような集積装置３－１０２の構造は、背面照明（ＢＳＩ）構造とも呼ばれ得る。
【0077】
本開示のいくつかの実施形態に適用され得るＢＳＩ構造のいくつかの例は、２０２１年１０月２１日に出願され、「INTEGRATED CIRCUIT WITH SEQUENTIALLY-COUPLED CHARGE STORAGE AND ASSOCIATED TECHNIQUES」と題する米国特許出願第１７／５０７，５８５号に記載されており、参照によりその全体が援用される。
【0078】
図３－２は、いくつかの実施形態による集積装置３－１０２の例示的なピクセル３－１１２の断面図である。いくつかの実施形態において、ピクセル３－１１２は、ピクセル１－１１２、ピクセル１－１１２´、ピクセル２－１１２、ピクセル２－１１２´、および／または本明細書で説明する任意の他のピクセルについて本明細書で説明される方法で構成され得る。例えば、図３－２に示されるように、ピクセル３－１１２は、光検出領域ＰＰＤ、２つの電荷蓄積領域ＳＤ０，ＳＤ１、読み出し領域ＦＤ、ドレイン領域Ｄ、および伝送ゲートＳＴ０，ＴＸ０，ＴＸ１，ＲＥＪを含み得る。なお、ピクセル３－１１２は、ピクセル１－１１２，１－１１２´，２－１１２，２－１１２´について本明細書で説明されるように、任意の数の電荷蓄積領域を含み得る。
【0079】
図３－２に示されるように、伝送ゲートＡＵＸ，ＳＴ０，ＴＸ０，ＴＸ１，ＲＥＪは、光検出領域ＰＰＤが入射光子を受け取るように構成されている方向Ｄｉｒ１において光検出領域ＰＰＤ、電荷蓄積領域ＳＤ０，ＳＤ１、読み出し領域ＦＤ、ドレイン領域Ｄ、および補助領域Ａから離間し得る。また、図３－２に示されるように、金属層３－２４０は、光検出領域ＰＰＤ、電荷蓄積領域ＳＤ０，ＳＤ１、読み出し領域ＦＤ、ドレイン領域Ｄ、および伝送ゲートＳＴ０，ＴＸ０，ＴＸ１，ＲＥＪから方向Ｄｉｒ１に離間し得る。
【0080】
図３－２において、電荷蓄積領域ＳＤ０は、方向Ｄｉｒ１に垂直な第２の方向において光検出領域ＰＰＤから離間しており、電荷蓄積領域ＳＤ１は、第２の方向において電荷蓄積領域ＳＤ０から離間している。また、図３－２に示されるように、伝送ゲートＳＴ０は、第２の方向において光検出領域ＰＰＤから離間しており、伝送ゲートＴＸ０は、第２の方向において伝送ゲートＳＴ０から離間している。いくつかの実施形態において、読み出し領域ＦＤは、第２の方向において電荷陸席領域ＳＤ１から離間し得る、および／または伝送ゲートＴＸ１は、第２の方向において伝送ゲートＴＸ０から離間し得る（例えば、図３－３Ｂ，３－４）。代替的にまたは追加的に、いくつかの実施形態では、読み出し領域ＦＤは、第２の方向とは異なる第３の方向において電荷蓄積領域ＳＤ１から離間し得る、および／または伝送ゲートＴＸ１は、第３の方向において伝送ゲートＴＸ０から離間し得る（図３－５Ａ，３－６）。
【0081】
いくつかの実施形態において、ピクセル３－１１２は、光検出領域ＰＰＤに沿って配置された１つまたは複数の帯電および／またはバイアス（Ｃ／Ｂ）領域を含み得る。例えば、Ｃ／Ｂ領域は、電荷キャリアの光検出領域ＰＰＤを本質的に空乏化する酸化物層（例えば、二酸化ケイ素）内に１つまたは複数の電荷層（例えば、酸化アルミニウムなどの金属酸化物化合物）を含み得る。代替的にまたは追加的に、Ｃ／Ｂ領域は、バイアス電圧（例えば、電源によって供給される）に結合して、バイアス電圧がＣ／Ｂ領域に印加されたときに電荷キャリアの光検出領域ＰＰＤを空乏化するように構成された導電性材料（例えば、金属）を含み得る。本発明者らは、光検出領域ＰＰＤで生成された電荷キャリアがドレイン領域Ｄおよび／または電荷蓄積領域ＳＤ０，ＳＤ１に流れる速度をＣ／Ｂ領域により増加させることができることを認識している。いくつかの実施形態において、Ｃ／Ｂ領域は、光検出領域ＰＰＤが入射光子を受け取るように構成されている側を除いて光検出領域ＰＰＤの各側に配置され得る。
【0082】
本開示の技術のいくつかの態様および実施形態を説明したが、様々な変形、変更、および改良が当業者に容易に想起され得る。そのような変形、変更、および改良も、本明細書に記載される技術の思想および範囲内にあることが意図される。したがって、上記の実施形態は例として提示されているものにすぎず、請求項およびその均等物の範囲内で本発明の実施形態は詳細に記載されているものとは別様に実現可能である。加えて、本明細書に記載される２つ以上の特徴、システム、物品、材料、キット、および／または方法の任意の組み合わせは、そのような特徴、システム、物品、材料、キット、および／または方法が相互に矛盾しない限り、本開示の範囲内に含まれる。
【0083】
また、上記のとおり、いくつかの態様は１つまたは複数の方法として具現化され得る。方法の一部として実施される動作は、任意の好適な形で順序付けることができる。したがって、例示的な実施形態では連続的な動作として示されている場合であっても、図示されているものとは異なる順序で動作が実施される実施形態も構築可能であり、これには、いくつかの動作を同時に実施することも含まれる。
【0084】
本明細書において定義されるおよび使用されるすべての定義は、辞書の定義、参照により援用される文献中の定義、および／または定義された用語の通常の意味を支配する。
本明細書および特許請求の範囲において使用される「１つ」は、明示的にそれと反対のことが示されない限り、「少なくとも１つ」を意味する。
本明細書および特許請求の範囲において使用される「１つ」は、明示的にそれと反対のことが示されない限り、「少なくとも１つ」を意味する。
【0085】
本明細書および特許請求の範囲において使用される「および／または」という句は、そのように連結された要素の「一方または両方」、すなわち、ある場合には連言的に存在する要素を意味し、他の場合には選言的に存在する要素を意味する。
【0086】
本明細書および特許請求の範囲において、１つまたは複数の要素の列挙に関して使用される「少なくとも１つ」という句は、列挙中の要素のうちのいずれか１つまたは複数から選択される少なくとも１つの要素を意味するが、必ずしも列挙内に具体的に列挙されたあらゆる要素のうちの少なくとも１つを含むとは限らず、列挙中の要素の任意の組み合わせを排除するものではない。この定義は、「少なくとも１つ」という句が言及する要素の列挙内で具体的に特定される要素以外の要素が、具体的に特定されるそれらの要素に関するか関しないかにかかわらず、任意選択的に存在し得る。
【0087】
本明細書および特許請求の範囲における「備える」、「含む」、「担持する」、「有する」、「含有する」、「伴う」、「保持する」、「により構成される」などの移行句はオープンエンド、すなわち限定はされないが含むことを意味する。「からなる」および「本質的に～からなる」という移行句はそれぞれクローズドまたはセミクローズドの移行句とする。
【0088】
「ほぼ」、「実質的に」、「約」という用語は、いくつかの実施形態では目標値および／または目標態様の±２０％以内、いくつかの実施形態では目標値の±１０％以内、いくつかの実施形態では目標値の±５％以内、いくつかの実施形態では目標値の±２％以内を意味するように使用され得る。「ほぼ」、「実質的に」、「約」という用語は、目標値を含み得る。
【図1-1】
【図1-2】
【図1-3】
【図1-4】
【図1-5】
【図1-6A】
【図1-6B】
【図1-7A】
【図1-7B】
【図1-7C】
【図1-7D】
【図2-1A】
【図2-1B】
【図2-1C】
【図2-1D】
【図2-2】
【図3-1】
【図3-2】
【国際調査報告】