具有不同检测时间的电荷存储仓的集成光电检测器

相关申请的交叉引用

本申请根据35U.S.C.§119(e)规定主张2018年6月22日申请的标题为“INTEGRATEDPHOTODETECTOR WITH CHARGE STORAGE BIN OF VARIED DETECTION TIME”的美国临时申请第62/688,669号的优先权，该案的全部内容以引用的方式并入本文中。

本申请关于2017年12月22日申请的标题为“INTEGRATED PHOTODETECTOR WITHDIRECT BINNING PIXEL”的美国非临时申请第15/852,571号，该案的全部内容以引用的方式并入本文中。

背景技术

光电检测器用于检测各种应用中的光。已开发产生指示入射光的强度的电信号的集成光电检测器。用于成像应用的集成光电检测器包含像素阵列以检测从跨场景接收的光的强度。集成光电检测器的实例包含电荷耦合装置(CCD)及互补金属氧化物半导体(CMOS)影像传感器。

发明内容

一种集成电路可包括：光电检测区，其被配置为接收入射光子，该光电检测区被配置为响应于所述入射光子而产生多个电荷载体；电荷载体存储区；及电荷载体分离结构，其被配置为：在排斥周期期间将所述多个电荷载体中的一个或多个第一电荷载体引导至电荷载体排斥区中；及在检测周期期间将所述多个电荷载体中的一个或多个第二电荷载体直接从该光电检测区引导至该电荷载体存储区中。

该集成电路可被配置为改变该排斥周期、该检测周期或该排斥周期及该检测周期两者的定时。

该集成电路可被配置为在不同帧中改变该排斥周期、该检测周期或该排斥周期及该检测周期两者的定时。

各帧可包括以下项的多个重复：排斥周期；及检测周期，且各帧可进一步包括该电荷载体存储区的读出。

该集成电路可被配置为在帧内将电荷载体聚集于该电荷载体存储区中且读出指示所述聚集电荷载体的数量的信号。

该集成电路可被配置为在至少以下项之间切换：第一帧，其具有该排斥周期、该检测周期或该排斥周期及该检测周期两者的第一定时；及第二帧，其具有该排斥周期、该检测周期或该排斥周期及该检测周期两者的第二定时。

该第一帧可具有第一检测周期且该第二帧可具有不同于该第一检测周期的第二检测周期。

该集成电路可进一步被配置为在该第一帧及该第二帧、以及第三帧之间切换，该第三帧具有该排斥周期、该检测周期或该排斥周期及该检测周期两者的第三定时。

该第一帧可包含该电荷载体存储区的第一读出且该第二帧包含该电荷载体存储区的第二读出。

该电荷载体分离结构可包括该光电检测区与该电荷载体存储区之间的边界处的至少一个电极。

该电荷载体分离结构可包括该光电检测区与该第一电荷载体存储区之间的该边界处的单一电极。

该电荷载体排斥区可相邻于该光电检测区。

该集成电路可不具有存在于该光电检测区与该电荷载体存储区之间的电荷载体捕捉区。

可将电荷载体转移至该电荷载体存储区而不在该光电检测区与该电荷载体存储区之间捕捉所述载体。

丢弃电荷载体可在载体从该光电检测区引导朝向该电荷载体存储区的方向不同的方向上从该光电检测区移除。

该电荷载体排斥区可在排斥周期期间通过改变该光电检测区与该电荷载体排斥区之间的边界处的电极的电压而丢弃在该光电检测区中产生之电荷载体。

可将单电子转移至该电荷载体存储区且聚集于该电荷载体存储区中。

该电荷载体存储区可为单一电荷载体存储区。

该集成电路可不具有被配置为直接从该光电检测区接收光电产生电荷载体的其他电荷载体存储区。

该电荷载体存储区可为第一电荷载体存储区，且该集成电路可进一步包括被配置为从该第一电荷载体存储区接收电荷载体的第二电荷载体存储区。

该第二电荷载体存储区可为用于像素的读出节点。

一种光电检测方法可包含：在排斥周期期间将由光电检测区产生的多个电荷载体中的一个或多个第一电荷载体引导至电荷载体排斥区中；及在检测周期期间将所述多个电荷载体中的一个或多个第二电荷载体直接从该光电检测区引导至电荷载体存储区中。

一种集成电路可包括：光电检测区，其被配置为接收入射光子，该光电检测区被配置为响应于所述入射光子而产生多个电荷载体；及电荷载体存储区，其中该集成电路被配置为：(A)在第一各自触发事件之后的多个第一检测周期内将第一光电产生电荷载体聚集于该电荷载体存储区中，所述多个第一检测周期分别具有相对于所述第一各自触发事件的第一定时；(B)在(A)之后读出指示存储于该电荷载体存储区中的电荷的第一信号；(C)在第二各自触发事件之后的多个第二检测周期内将第二光电产生电荷载体聚集于该电荷载体存储区中，所述多个第二检测周期分别具有相对于所述第二各自触发事件的第二定时；及(D)在(C)之后读出指示存储于该电荷载体存储区中的电荷的第二信号。

所述多个第一检测周期可具有不同于所述多个第二检测周期的开始时间、结束时间和/或持续时间。

该集成电路可被配置为使至少(A)至(D)重复多次。

该集成电路可被配置为基于从使(A)至(D)重复该多次而读出的所述第一信号及所述第二信号计算该第一信号的平均值及该第二信号的平均值。

该集成电路可被配置为至少部分基于该第一信号的平均值及该第二信号的平均值识别分子的至少一部分。

该集成电路可进一步被配置为：(E)在各自第三触发事件之后的多个第三检测周期内将第三光电产生电荷载体聚集于该电荷载体存储区中，所述多个第三检测周期分别具有相对于所述各自第三触发事件的第三定时；及(F)在(E)之后读出指示存储于该电荷载体存储区中的电荷的第三信号，其中该集成电路被配置为使至少(A)至(F)重复多次。

该电荷载体存储区可为单一电荷载体存储区。

该电荷载体存储区可为第一电荷载体存储区，且像素可包括该第一电荷载体存储区及从该第一电荷载体存储区接收电荷的第二电荷载体存储区。

一种光电检测方法可包括：(A)在第一各自触发事件之后的多个第一检测周期内将第一光电产生电荷载体聚集于电荷载体存储区中，所述多个第一检测周期分别具有相对于所述第一各自触发事件的第一定时；(B)在(A)之后读出指示存储于该电荷载体存储区中的电荷的第一信号；(C)在第二各自触发事件之后的多个第二检测周期内将第二光电产生电荷载体聚集于该电荷载体存储区中，所述多个第二检测周期分别具有相对于所述第二各自触发事件的第二定时；及(D)在(C)之后读出指示存储于该电荷载体存储区中的电荷的第二信号。

一种集成电路可包括：光电检测区，其被配置为接收入射光子，该光电检测区被配置为响应于所述入射光子而产生多个电荷载体；及电荷载体存储区，其中该集成电路被配置为：在相对于第一触发事件的第一时间周期内将由一光电检测区接收的第一电荷载体聚集于电荷存储区中；在相对于第二触发事件的第二时间周期内将由该光电检测区接收的第二电荷载体聚集于该电荷存储区中；及读出代表所述第一电荷载体的第一数量及所述第二电荷载体的第二数量的信号；及分析所述第一电荷载体及所述第二电荷载体以获得由该光电检测区接收的光的时间特性。

该集成电路可进一步被配置为包括分析该时间特性以识别与该光的发射相关联的分子的至少一部分。

一种方法可包括：在相对于第一触发事件的第一时间周期内将由光电检测区接收的第一电荷载体聚集于电荷存储区中；在相对于第二触发事件的第二时间周期内将由该光电检测区接收的第二电荷载体聚集于该电荷存储区中；及读出代表所述第一电荷载体的第一数量及所述第二电荷载体的第二数量的信号；及分析所述第一电荷载体及所述第二电荷载体以获得由该光电检测区接收的光的时间特性。

该方法可进一步包括分析该时间特性以识别与该光之发射相关联的分子的至少一部分。

一种光电检测方法包含：(A)在各自触发事件之后的多个第一检测周期内将第一光电产生电荷载体聚集于电荷载体存储区中，所述多个第一检测周期分别具有第一持续时间；(B)在(A)之后读出存储于该电荷载体存储区中的电荷；(C)在各自触发事件之后的多个第二检测周期内将第二光电产生电荷载体聚集于该电荷载体存储区中，所述多个第二检测周期分别具有第二持续时间，其中该第一持续时间不同于该第二持续时间；及(D)在(C)之后读出存储于该电荷载体存储区中的电荷。

一种集成电路包含：光电检测区，其被配置为接收入射光子，该光电检测区被配置为响应于所述入射光子而产生多个电荷载体；及电荷载体存储区。该集成电路被配置为：(A)在各自触发事件之后的多个第一检测周期内将第一光电产生电荷载体聚集于电荷载体存储区中，所述多个第一检测周期分别具有第一持续时间；(B)在(A)之后读出存储于该电荷载体存储区中的电荷；(C)在各自触发事件之后的多个第二检测周期内将第二光电产生电荷载体聚集于该电荷载体存储区中，所述多个第二检测周期分别具有第二持续时间，其中该第一持续时间不同于该第二持续时间；及(D)在(C)之后读出存储于该电荷载体存储区中的电荷。

该第一持续时间可少于该第二持续时间的一半且多于该第二持续时间的五分之一。

所述第一检测周期及所述第二检测周期可在相对于所述触发事件的相同时间开始。

一种集成电路包含：一光电检测区，其被配置为接收入射光子，该光电检测区被配置为响应于所述入射光子而产生多个电荷载体；一电荷载体存储区；及一电荷载体分离结构，其被配置为基于所述多个电荷载体的电荷载体产生的时间选择性地将所述电荷载体引导至电荷载体排斥区中或直接至该电荷载体存储区中。

一种光电检测方法包含：(A)在光电检测区处接收入射光子；及(B)基于多个电荷载体之电荷载体产生的时间选择性地将所述电荷载体引导至一电荷载体排斥区中或直接至该电荷载体存储区中。

一种集成电路包含：光电检测区，其被配置为接收入射光子，该光电检测区被配置为响应于所述入射光子而产生多个电荷载体；电荷载体存储区；及一电荷载体分离结构，其被配置为选择性地在排斥周期期间将所述多个电荷载体之电荷载体引导至一电荷载体排斥区中或在检测周期期间引导至该电荷载体存储区中，其中该电荷载体分离结构经控制以改变该检测周期。

一种光电检测方法包含：(A)在光电检测区处接收入射光子；及(B)选择性地在排斥周期期间将所述多个电荷载体之电荷载体引导至一电荷载体排斥区中或在检测周期期间引导至该电荷载体存储区中；及(C)改变该检测周期。

该集成电路可进一步包括直接分仓像素，该直接分仓像素包括该光电检测区、该电荷载体存储区及该电荷载体分离结构。

该集成电路可包括多个直接分仓像素。

该电荷载体存储区可被配置为聚集在第一多个测量周期中产生的电荷载体，所述第一多个测量周期具有第一检测周期。

该电荷载体存储区可被配置为聚集在第二多个测量周期中产生的电荷载体，该第二多个测量周期具有第二检测周期，该第二检测周期具有与所述第一测量周期的持续时间不同的持续时间。

第一帧可包含所述第一多个测量周期及该电荷载体存储区的第一读出且第二帧包含所述第二多个测量周期及该电荷载体存储区的第二读出。

该电荷载体分离结构可经控制以在该第一帧与该第二帧之间交替。

该电荷载体分离结构可包含该光电检测区与该电荷载体存储区之间的一边界处的至少一个电极。

该电荷载体分离结构可包含该光电检测区与该第一电荷载体存储区之间的该边界处的单一电极。

在一些情况中，该光电检测区与所述至少一个电荷载体存储区的电荷载体存储区之间不存在电荷载体捕捉区。

可将电荷载体转移至该电荷载体存储区而不在该光电检测区与该电荷载体存储区之间捕捉所述载体。

丢弃电荷载体可在载体从该光电检测区引导朝向该电荷载体存储区的方向不同的方向上从该光电检测区移除。

该电荷载体排斥区可在排斥周期期间通过改变该光电检测区与该电荷载体排斥区之间的边界处的电极的电压而丢弃在该光电检测区中产生的电荷载体。

可将单电子转移至该电荷载体存储区且聚集于所述至少一个电荷载体存储区中。

该电荷载体存储区可构成用于该光电检测区的单一时间仓。

该集成电路可进一步包括用于存储来自该单一时间仓的该电荷以供读出的读出区。

前述发明内容仅通过图解而提供且不旨在限制性。

附图说明

在图式中，在各种图式中示出的各相同或几乎相同的组件由一相同组件符号表示。为清晰起见，可能未在每一图式中标记每一组件。图式不必按比例绘制，反而，重点在于示出本文中描述之技术及装置之各种方面。

图1标绘依据时间针对具有不同寿命的两个标记物发射光子的概率。

图2展示直接分仓像素的实例。

图3展示操作直接分仓像素的方法的流程图。

图4A至图4C展示图3的方法的各种阶段处的直接分仓像素。

图5展示直接分仓像素的横截面视图。

图6A展示操作像素100的方法150的一流程图，其包含执行多个交替帧。

图6B及图6C展示用于在不同帧中的不同检测周期内操作像素的定时图。

图7展示示出两个帧之间的切换的定时图。

图8A展示直接分仓像素的横截面视图，其中该仓由一读出节点形成。图8B展示图8A之直接分仓像素的平面图。

图9展示可由其制造集成电路的材料之实例。

图10至图14展示形成光电检测器及四个不同像素设计n0至n3的示例性程序。图10展示第一层级，图11展示第二层级，图12展示第三层级，图13展示第四层级且图14展示第五层级。

图15展示芯片架构的图。

图16为示例性运算装置的方块图。

具体实施方式

将参考

本文中描述可对入射光子的到达定时进行精确测量或“时间分仓”的集成光电检测器。在一些实施例中，集成光电检测器可以纳秒或皮秒分辨率测量光子的到达。此光电检测器可应用于包含分子检测/定量的各种应用中，其等可应用于核酸的定序(例如，DNA定序)。此光电检测器可促进来自用于标记核苷酸的发光分子的入射光子的到达的时域分析，由此实现基于发光寿命识别及定序核苷酸。集成光电检测器的其他应用实例包含荧光寿命成像及飞行时间成像，如下文进一步论述。

用于分子检测/定量的时域测量的论述

生物样本的检测及定量可使用生物测定(biological assays)(“生物测定(bioassays)”)执行。生物测定习知地涉及大、昂贵的实验室设备，从而需要经训练以操作设备且执行生物测定的研究科学家。生物测定习知地批量执行，使得检测及定量需要大量特定类型的样本。一些生物测定通过使用发射一特定波长的光的发光标记物标记样本而执行。使用一光源照明样本以导致发光，且使用光电检测器检测发光光以量化由标记物发射的光之量。使用发光标签和/或报告子的生物测定习知地涉及用以照明样本的昂贵雷射光源及用以收集来自被照明样本的光的复杂发光检测光学器件及电子器件。

在一些实施例中，如本文中描述的集成光电检测器可响应于激发而检测(若干)生物和/或化学样本的发光特性。更具体地，此集成光电检测器可检测从(若干)样本接收的光的时间特性。此集成光电检测器可实现响应于激发而检测和/或区分由发光分子发射的光的发光寿命(例如，荧光寿命)。在一些实施例中，(若干)样本的识别和/或定量测量可基于检测和/或区分发光寿命而执行。例如，在一些实施例中，核酸(例如，DNA、RNA)的定序可通过检测和/或区分附接至各自核苷酸的发光分子的发光寿命而执行。各发光分子可直接附接(例如，接合)至对应核苷酸或经由连接符分子间接附接至对应核苷酸，该连接符分子接合至核苷酸及发光分子。

在一些实施例中，具有多个光电检测结构及相关联电子器件的集成光电检测器(被称为“像素”)可实现并行测量及分析多个样本(例如，数百、数千、数百万或更多)，此可减少执行复杂测量的成本且快速提高发现速率。在一些实施例中，光电检测器的各像素可检测来自样本的光，该样本可为单一分子或一个以上分子。在一些实施例中，此集成光电检测器可用于动态实时应用，诸如核酸(例如，DNA、RNA)定序。

具有根据本申请的方面的集成光电检测器的集成电路可经设计具有用于各种检测及成像应用的适合功能。如下文进一步详细描述，此集成光电检测器可具有在检测时间周期(也被称为“检测周期”或“时间仓”)内检测光的能力。为收集关于光的到达时间的信息，响应于入射光子而产生电荷载体且可基于其等的到达时间将其等引导至时间仓中。

根据本申请的一些方面的集成光电检测器可用于区分光发射源，包含诸如荧光团的发光分子。发光分子在其等发射的光的波长、其等发射的光的时间特性(例如，他们的发射衰变时间周期)及其等对激发能的响应方面不同。因此，基于检测这种性质，可识别或区分发光分子与其他发光分子。此识别或区分技术可单独使用或以任何适合组合使用。

在一些实施例中，如本申请中描述的集成光电检测器可测量或区分发光寿命，诸如荧光寿命。荧光寿命测量基于激发一个或多个荧光分子及测量所发射的时间发光的时间变化。荧光分子在荧光分子达到激发状态之后发射光子的概率随时间成指数降低。概率降低的速率可为荧光分子之特性，且可针对不同荧光分子而不同。检测由荧光分子发射的光的时间特性可容许识别荧光分子和/或使荧光分子彼此区分。发光分子在本文中也被称为发光标记物或简称为“标记物”。

在达到激发状态之后，标记物可在给定时间以特定概率发射光子。从激发标记物发射光子的概率可在标记物激发之后随时间降低。发射光子的概率随时间的降低可由一指数衰减函数p(t)＝e-t/τ表示，其中p(t)在一时间t发射光子的概率，且τ系标记物之一时间参数。时间参数τ指示在当标记物发射光子的概率为特定值时的激发之后的时间。时间参数τ为标记物的可相异于其吸收及发射光谱性质的性质。此时间参数τ被称为标记物的发光寿命、荧光寿命或简称为「寿命」。

图1标绘依据时间针对具有不同寿命的两个标记物发射光子的概率。由概率曲线B表示的标记物具有一发射概率，该发射概率比由概率曲线A表示的标记物的发射概率更快地衰减。由概率曲线B表示的标记物具有短于由概率曲线A表示之标记物的时间参数τ或寿命。在一些实施例中，标记物可具有自0.1ns至20ns之荧光寿命范围。然而，本文中描述的技术不限于所使用之(若干)标记物之寿命。

标记物的寿命可用于区分一个以上标记物和/或可用于识别(若干)标记物。在一些实施例中，可执行荧光寿命测量，其中由激发源激发具有不同寿命的多个标记物。作为实例，分别具有0.5纳秒、1纳秒、2纳秒及3纳秒的寿命的四个标记物可由发射具有一选定波长(例如，通过实例，635nm)的光的一光源激发。标记物可基于测量由标记物发射的光的寿命而识别或彼此区分。然而，寿命本身无需计算，这是因为由标记物发射的光的其他时间特性可用于区分其等。

荧光寿命测量可通过比较强度如何随时间改变而使用相对强度测量，而非绝对强度值。因此，荧光寿命测量可避免绝对强度测量的困难。绝对强度测量可取决于所存在荧光团浓度且可需要校准步骤来改变荧光团浓度。相比之下，荧光寿命测量可对荧光团的浓度不敏感。

发光标记物可为外源或内源的。外源标记物可为用作发光标记的报告子和/或卷标的外部发光标记物。外源标记物的实例可包含荧光分子、荧光团、荧光染料、荧光染色、有机染料、荧光蛋白、酵素和/或量子点。这种外源标记物可经接合至尤其结合至特定目标或成分的探针或官能基(例如，分子、离子和/或配位基)。将外源标记或报告子附接至探针容许通过检测外源标记或报告子的存在而识别目标。探针的实例可包含蛋白质、核酸(诸如DNA分子或RNA分子)、脂质及抗体探针。一外源标记物与一官能基之组合可形成用于检测的任何适合探针、标记和/或卷标，包含分子探针、经标记探针、杂交探针、抗体探针、蛋白质探针(例如，生物素结合探针)、酵素标签、荧光探针、荧光标记和/或酵素报告子。

虽然可将外源标记物添加至一样本或区，但内源标记物可已系该样本或区之部分。内源标记物可包含可在激发能存在之情况下发光或“自发荧光”的存在的任何发光标记物。内源荧光团的从发荧光可提供无卷标及非侵入性标记而无需引入内源荧光团。通过实例且非限制，这种内源荧光团的实例可包含血红素、氧合血红素、脂质、胶原蛋白及弹性蛋白交联、还原烟碱酰胺腺二核苷酸(NADH)、氧化黄素(FAD及FMN)、脂褐质、角蛋白和/或卟啉。

通过寿命测量区分标记物可容许使用比通过发射光谱测量区分标记物时更少的激发光波长。在一些实施例中，在使用较少波长之激发光和/或发光光时，传感器、滤波器和/或绕射光学器件可减少数目或消除。在一些实施例中，标记可使用具有不同寿命的标记物执行，且标记物可由具有相同激发波长或光谱的光激发。在一些实施例中，可使用发射单一波长或光谱的光的激发光源，此可减少成本。然而，本文中描述之技术不限于此方面，因为可使用任何数目个激发光波长或光谱。在一些实施例中，集成光电检测器可用于确定关于所接收光的光谱及时间信息两者。在一些实施例中，所存在的类型的(若干)分子之一定量分析可通过确定来自标记物的所发射发光的时间参数、强度参数、光谱参数或参数组合而执行。

检测入射光子的到达时间的集成光电检测器可减少额外光学滤波(例如，光学光谱滤波)要求。如下文描述，根据本申请的集成光电检测器可包含漏极以在特定时间移除光电产生载体。通过以此方式移除光电产生载体，响应于激发光脉冲而产生的非所要电荷载体可被丢弃而无需光学滤波以防止自激发脉冲接收光。此光电检测器可减少整体设计整合复杂性、光学和/或滤波组件和/或成本。

在一些实施例中，可凭借通过将所收集电荷载体聚集于集成光电检测器中的一个或多个时间仓中以依据时间检测发光强度值而测量所发射的时间发光的时间剖面而确定荧光寿命。在一些实施例中，可通过执行多个测量而确定标记物的寿命，其中将标记物激发为激发状态且接着测量光子发射的时间。针对各测量，激发源可产生被引导至标记物的激发光脉冲，且可确定激发脉冲与来自标记物的随后光子事件之间的时间。另外或替代地，当激发脉冲重复且周期性地发生时，可测量当发生光子发射事件与随后激发脉冲之间的时间，且所测量时间可自激发脉冲之间的时间间隔(即，激发脉冲波形之周期)减去以确定光子吸收事件的时间。

通过使用多个激发脉冲重复这种实验，可确定在激发之后的特定时间间隔内自标记物发射光子的实例的数目，其指示在激发之后的此时间间隔内发射光子的概率。所收集的光子发射事件的数目可基于发射至标记物的激发脉冲的数目。在一些实施例中，测量周期内的光子发射事件的数目范围可为从50至10,000,000或更多，然而，本文中描述的技术不限于此方面。在激发之后的特定时间间隔内自标记物发射光子的实例的数目可填入表示在一系列离散时间间隔内发生的光子发射事件的数目的直方图。曲线拟合算法可用于将曲线拟合至所记录直方图，从而导致表示待在标记物激发之后的给定时间发射光子的概率的函数。指数衰减函数(诸如p(t)＝e-t/τ可用于近似拟合直方图资料。自此曲线拟合，可确定时间参数或寿命。所确定寿命可与标记物的已知寿命比较以识别所存在的标记物的类型。然而，如上文提及，无需计算标记物的寿命，这是因为其他时间特性可用于区分标记物，诸如直接测量或以其他方式自测量导出的时间特性。

在一些实例中，光子发射事件的概率及因此标记物的寿命或其他时间特性可基于标记物的环境和/或条件而改变。例如，受限于具有小于激发光之波长的直径的体积中的标记物的寿命可小于当标记物不在该体积中时的寿命。可执行在类似于当标记物用于标记时的条件下运用已知标记物的寿命测量。在识别标记物时，可使用自运用已知标记物的这种测量确定的寿命。

集成光电检测器的个别像素可能能够进行用于识别标记一个或多个目标(诸如分子或分子上的特定位置)的荧光标记和/或报告子的荧光寿命测量。任何一个或多个关注分子可使用荧光团标记，包含蛋白质、氨基酸、酵素、脂质、核苷酸、DNA及RNA。当与检测所发射光的光谱或其他标记技术组合时，荧光寿命可增加可使用的荧光标记和/或报告子的总数。基于寿命的识别可用于单分子分析方法以提供关于复杂混合物中的分子相互作用的特性的信息，其中此信息将在总效平均中丢失且可包含蛋白质-蛋白质相互作用、酵素活性、分子动力学和/或膜上扩散。另外，具有不同荧光寿命的荧光团可用于在基于经标记成分的存在的各种测定方法中标记目标成分。在一些实施例中，可基于检测荧光团之特定寿命而诸如通过使用微流体系统分离成分。

测量荧光寿命可与其他分析方法组合使用。例如，荧光寿命可与荧光谐振能量转移(FRET)技术组合使用以区分定位于一个或多个分子上的供体及受体荧光团的状态和/或环境。这种测量可用于确定供体与受体之间的距离。在一些实例中，从供体至受体的能量转移可减少供体的寿命。在另一实例中，荧光寿命测量可与DNA定序技术组合使用，其中具有不同寿命的四个荧光团可用于标记一DNA分子中的具有未知核苷酸序列的四个不同核苷酸(A、T、G、C)。荧光团的荧光寿命而非发射光谱可用于识别核苷酸序列。通过使用荧光寿命或另一时间特性而非某些技术的发射光谱，精确性及测量分辨率可由于归因于绝对强度测量的假影减少而增加。另外，寿命测量可减少系统的复杂性和/或费用，这是因为需要较少激发能波长和/或需要检测较少发射能波长。

本文中描述的方法可用于核酸的定序，诸如DNA定序或RNA定序。DNA定序容许确定目标核酸分子中的核苷酸的顺序及位置。用于DNA定序的技术在用于确定核酸序列的方法以及定序程序中的速率、读取长度及错误发生率方面具有较大不同。多个DNA定序方法基于合成定序，其中在核苷酸并入至与目标核酸互补的新合成股核酸中时确定核苷酸的识别。许多合成定序方法需要群体目标核酸分子(例如，目标核酸的复制)的存在或放大目标核酸以达成群体目标核酸的步骤。期望用于确定单核酸分子序列的改良方法。

以高精确性及长读取长度定序单核酸分子已在最近取得进展。在单分子定序技术(例如，由Pacific Biosciences开发之SMRT技术)中使用的目标核酸为添加至样本槽(sample well)的单股DNA模板，该样本槽含有固定化或附接至固体支撑(诸如样本槽的底部)的定序反应的至少一个成分(例如，DNA聚合酶)。样本槽也含有脱氧核糖核苷三磷酸(也被称为“dNTP”)，包含腺嘌呤、胞嘧啶、鸟嘌呤及胸腺嘧啶dNTP，其被接合至检测标签(诸如荧光团)。较佳地，各类别的dNTP(例如，腺嘌呤dNTP、胞嘧啶dNTP、鸟嘌呤dNTP及胸腺嘧啶dNTP)分别被接合至一相异检测卷标，使得信号的检测指示被并入至新合成核酸中的dNTP的识别。检测卷标可在任何位置处接合至dNTP，使得检测标签的存在不抑制dNTP至新合成核酸股中的并入或聚合酶的活性。在一些实施例中，检测标签经接合至dNTP的末端磷酸(γ磷酸)。

任何聚合酶可用于能够合成与目标核酸互补的核酸的单分子DNA定序。聚合酶的实例包含大肠杆菌DNA聚合酶I、T7 DNA聚合酶、噬菌体T4 DNA聚合酶φ29(psi29)DNA聚合酶及他们的变体。在一些实施例中，聚合酶为单一次单元聚合酶。在目标核酸的核碱基与互补dNTP之间的碱基配对之后，聚合酶通过在新合成股的3’羟基端与dNTP的α磷酸之间形成磷酸二酯键而将dNTP并入至新合成核酸股中。在其中接合至dNTP的检测标签为荧光团的实例中，其存在由激发发信且在并入步骤期间检测发射脉冲。针对接合至dNTP的末端(γ)磷酸的检测标签，将dNTP并入至新合成股中导致释放β及γ磷酸及检测卷标(其在样本槽中自由扩散)，从而导致减少自荧光团检测到的发射。

本文中描述的技术不限于分子或其他样本的检测或定量或执行定序。在一些实施例中，集成光电检测器可执行成像以获得关于区、对象或场景的空间信息及关于使用该区、对象或场景的入射光子的到达的时间信息。在一些实施例中，集成光电检测器可执行区、对象或样本的发光寿命成像，诸如荧光寿命成像。

一些实施例关于具有光电检测器的集成电路，该光电检测器响应于入射光子而产生电荷载体且能够区分电荷载体产生的定时。在一些实施例中，集成电路可具有用于对在光电检测区中产生的电荷载体进行时间分仓的单一仓(也被称为“仓”、“电荷存储仓”或“电荷载体存储区”)。将在检测周期期间产生的电荷载体转移至仓。不将在检测周期以外产生的电荷载体转移至仓。如上文提及，测量可重复多次，且仓可在多个测量内聚集在检测周期内接收的电荷载体。接着，读出所存储之电荷量。在读出之后，检测周期的定时可改变，且在重设仓之后，可以不同检测周期定时执行另一组测量。接着，在另外多个测量内聚集电荷载体且再次读出所存储电荷。在不同检测周期中收集的电荷量可提供关于由光电检测器接收的光的定时和/或强度的信息。可通过更改单一仓的检测周期定时而自该仓获得关于光子到达时间相对于参考时间的定时信息。此集成电路可用于各种应用的任一者中，诸如本文中描述的应用。描述具有拥有单一仓的直接分仓像素的集成电路的实例。在一些实施例中，集成电路可包含这种像素的数组。

图2展示像素100的实例，其中在光子吸收/载体产生区102(也被称为“光电检测区”)中产生的电荷载体可直接转移至电荷载体存储区108中的电荷存储仓，其间不具有中间电荷载体捕捉区。此像素被称为“直接分仓像素”。仓可为单一仓，而无被配置为从光子吸收/载体产生区102直接接收电荷载体的其他仓。图2展示具有电荷载体存储区108中的单一仓的像素100的实例。单仓像素优于多仓像素的优点可包含激发光的改良排斥、通过减少复杂性而简化设计及归因于需要驱动较少电极的较低功率消耗。仓可聚集在参考时间或触发事件之后的检测周期中接收的电荷载体。而且，如下文进一步论述，可存在一个或多个额外存储区以接收存储于仓中的电荷以用于读出目的。例如，将存储于仓中的电荷转移至另一电荷存储区以供读出可容许用于接收电荷载体的仓及用于在读出电荷时保持电荷的另一电荷存储区的同时使用。

像素100可包含半导体区，其可由任何适合半导体(例如，诸如硅)形成。图2展示其中半导体区在下方且在半导体区的顶部上方形成电极206、203及213的平面图。包含电极206及203的电荷载体分离结构在不同时间选择性地将光电产生电荷载体引导至仓或排斥区105。在一些实施例中，光子吸收/载体产生区102可包含形成于半导体区中的光电二极管，诸如钉扎光电二极管。光电二极管可完全空乏。在一些实施例中，光电二极管可在始终保持本质上电子空乏。在一些实施例中，光电二极管被配置为收集单光子。在这种实施例中，单光电子可经产生且受限于光电二极管中。若由CMOS程序形成，则光电二极管可凭借通过CMOS程序产生的装置内可用的电位完全空乏。在一些实施例中，电极203可耦合至二极管，至少部分围绕二极管的周边。电极203可容许受限载体的快速电荷转移。在论述电荷载体至仓的转移之前，将描述通过将非所要载体转移至排斥区105中而排斥非所要载体。

再次参考图2，直接分仓像素100可包含排斥区105以在排斥周期期间排出或以其他方式丢弃在光子吸收/载体产生区102中产生的电荷载体。排斥周期可经定时以在触发事件(诸如激发光脉冲)期间发生。由于激发光脉冲可在光子吸收/载体产生区102中产生多个非所要电荷载体，所以可在像素100中建立电位梯度以在排斥周期期间将这种电荷载体排出至排斥区105。作为实例，排斥区105可包含其中将电极排出至供应电压的高电位扩散区域。排斥区105可包含将区102直接电荷耦合至排斥区105的电极206。在一些实施例中，电极206可上覆于半导体区。电极206的电压可变化以在光子吸收/载体产生区102中建立所要电位梯度。在排斥周期期间，可将电极206的电压设定为将来自光子吸收/载体产生区102的载体牵引至电极206中且牵引出至供应电压的电位。例如，可将电极206的电压设定为正电压以吸引电子，使得电子被牵引离开光子吸收/载体产生区102至排斥区105。在排斥周期期间，可将电极203设定为形成电位屏障202以防止非所要电荷载体到达仓的电位。排斥区105可被视为“横向排斥区”，这是因为其容许将载体自区102横向转移至漏极。在一些实施例中，排斥在相对于电荷载体自光电检测区102至仓的转移方向(图2中向下)与光电检测区102相反的方向上(图2中向上)。然而，排斥区105及收集区108的相对位置不限于光电二极管102的相对侧。

在排斥周期之后，可将在光子吸收/载体产生区102中产生的光电产生电荷载体转移至仓。在检测周期期间，可降低由电极203形成的电位屏障202，可提高由电极206形成的电位屏障，且在光子吸收/载体产生区102与电荷载体存储区108之间的半导体区内的电位可建立电位梯度，该电位梯度导致(若干)光电产生电荷载体被引导至仓。在检测周期结束时，提高电位屏障202以防止进一步电荷载体被转移至仓中。因此，仓存储在检测周期期间接收于仓中的电荷载体。接着，可读出所存储电荷，如下文进一步论述。

在一些实施例中，可仅将单一电极203安置于区102与仓之间的边界处以控制容许或防止电荷载体转移至仓的电位屏障202。然而，在一些实施例中，可由一个以上电极产生电位屏障202。(若干)电极203可控制电位屏障202以容许或防止电荷载体进入仓。电位屏障202可为区102与仓之间的单一电位屏障。

图3展示操作像素100的方法50的流程图，其包含执行多个交替载体排斥步骤52及检测步骤60，其后接着读出步骤58。

图4A中示出排斥步骤52期间的像素100的操作。针对排斥周期发生排斥步骤52。在排斥步骤52中，操作像素100以通过将在区102中产生的电荷载体转移至排斥区105而排斥所述电荷载体。例如，排斥步骤52可包含控制电极206以产生电位梯度，该电位梯度将区102中产生的电荷载体驱动至排斥区105。通过在图4A的向上方向上引导载体而排斥载体。提高至仓的电位屏障202以防止非所要电荷进入仓。

排斥步骤52可经定时以在触发事件期间发生。触发事件可为充当对光子之到达进行时间分仓的时间参考的事件。触发事件可为例如光学脉冲或电脉冲且可为单数事件或重复、周期性事件。在发光寿命检测的内容脉络中，触发事件可为产生或接收激发光脉冲以激发发光分子(诸如荧光团)。在飞行时间成像的内容脉络中，触发事件可为由包括集成光电检测器的成像装置发射的光脉冲(例如，来自闪光)。触发事件可为用作对光子或载体之到达进行定时的参考的任何事件。

激发光脉冲的产生可产生大量光子，所述光子的一些可到达像素100且可在光子吸收/载体产生区域102中产生电荷载体。由于无需测量来自激发光脉冲的光电产生载体，所以可通过在排斥步骤52中将其等引导至漏极而排斥他们。此可减少否则可需要通过复杂光学组件(诸如快门或滤波器)防止他们到达的非所要信号的量，此可增加额外设计复杂性和/或成本。

返回至图3的论述，排斥步骤52后接着检测步骤60。如图4B中示出，检测步骤60可包含提高至排斥区105的电位屏障(例如，通过修改电极206的电压)以防止光电产生电荷载体被丢弃。至排斥区105的电位屏障的提高系检测步骤60的开始，该检测步骤60具有被称为检测周期的持续时间。在至排斥区105的电位屏障的提高的同时或之后，检测步骤60包含降低区102与仓之间的电位屏障202(例如，通过修改电极203的电压)达时间周期，在此期间容许电荷载体自区102传递至仓。若在至排斥区105的电位屏障的提高之后降低电位屏障202，则在光电检测区102中光电产生的任何电荷载体保持在光电检测区102中直至电位屏障202降低，且接着这种电荷载体传递至仓中。因此，检测周期包含降低电位屏障202的时间周期以及在提高至排斥区105的电位屏障之后在降低电位屏障202之前的任何周期两者。在检测步骤60期间，光子可到达或可不到达光电检测区102。若光子到达光电检测区102且在检测周期期间产生光电产生电荷载体(步骤54)，则电位梯度导致电荷载体被引导至仓中(步骤56)，如图4B中示出。此电位梯度可以任何适合方式建立，诸如使用梯度掺杂浓度和/或处于选定电位中的一个或多个电极。接着，在检测周期结束时提高电位屏障202以防止进一步电荷载体转移至仓，此标志检测周期结束。若在区102中产生光电产生电荷载体同时提高至仓之电位屏障202，则电荷载体可受限于区102中直至排斥步骤52再次发生且电荷载体被丢弃。因此，仓收集在检测周期期间在区102中产生的光电产生电荷载体。

如上文论述，在一些应用中，接收光子且响应一触发事件而产生载体的概率可为低的(例如，约1/10,000)。因此，在检测步骤60中可极少地接收到光子。然而，在一些实施例中，所接收光子之数量和/或接收光子的概率可为较高的，因为本文中描述的技术不限于低数量的所接收光子。

在步骤56之后，排斥步骤52及检测步骤60可重复n-1次以获得关于光子倾向于在一触发事件之后到达的时间周期的信息(例如，统计信息)。在重复检测步骤60时，可将时间分仓电荷载体聚集于仓中。重复检测步骤60可实现将足够数目个电荷载体聚集于仓中以提供具统计意义的结果。例如，在荧光寿命测量的内容脉络中，可预期响应于从荧光团接收的光子的光子吸收事件可相对较少地发生。例如，可预期此事件在约10,000个测量中发生一次。因此，可需执行大量测量(检测步骤60)以将足够数目个电荷载体聚集于仓中，使得结果具有统计意义和/或具有足够信噪比。在一些实施例中，可针对荧光寿命测量执行的荧光团的测量数目n可为50,000或更多、100,000或更多、200,000或更多、300,000或更多、400,000或更多、500,000或更多、一百万或更多、两百万或更多、五百万或更多以实现对各仓中的足够数目个电荷载体(即，在一些实施例中，数十个或数百个或更多)进行捕捉及分仓。测量可以MHz范围内的频率(诸如50MHz与100MHz之间、25MHz与200MHz之间、10MHz与500MHz之间或1MHz与500MHz之间，全部范围包含端点)或以另一频率重复。在一些实施例中，在测量重复n-1次之后，约一百个载体(例如，电子)可累积于仓中。然而，此取决于所接收的光子数目。在一些实施例中，累积于仓中之载体的数目可在10与10,000之间，诸如50与1,000之间或任何其他适合数目。方法50可在其中期望捕捉光子的任何适合时间周期内执行。执行方法50的周期被称为“帧”。在荧光寿命测量的内容脉络中，例如，帧的适合长度可为10毫秒。在一些实施例中，检测步骤60可以MHz范围的频率重复。在一些实施例中，仓可具有皮秒或纳秒级的分辨率。

一旦已执行分配数目n个测量(步骤60)，方法便继续读出仓的步骤58。在步骤58中，可将电荷自仓转移至读出节点111，该读出节点111为另一电荷载体存储区。读出节点111可包含浮动扩散。替代地，仓本身可为用于电荷存储及读出两者的浮动扩散。在此情况中，缺乏212/213且111为仓。图4C中示出电荷自仓至读出节点111的转移。为自各仓转移电荷，可改变电极213的电压以降低仓与读出节点111之间的电位屏障212。可建立电位梯度，该电位梯度导致电荷自仓0流动至读出节点111。接着，可将转移至读出节点111之电荷转换为一电压且使用读出电路110读出，图5中展示其之一实例。

在一些实施例中，针对不同帧(即，方法50的各个实例)改变像素定时，诸如排斥周期(排斥步骤52)、检测周期(检测步骤60)或两者的定时。改变像素定时可实现获得在不同时间周期中由像素接收的光的特性。改变像素定时也可容许单一时间仓捕捉关于在相对于触发事件的不同时间周期中接收的光子的信息。在一些实施例中，可使用第一像素执行第一帧(方法50的第一实例)且接着可以不同像素定时执行第二帧(方法50的第二实例)。在一些实施例中，定时在两个或两个以上不同像素定时之间来回改变，如图6A中示出。

图6A展示操作像素100的方法150的流程图，其包含在具有不同定时的不同帧之间切换。步骤152包含以第一像素定时或第一帧执行方法50。接着，改变像素定时。步骤156包含以第二像素定时或第二帧执行方法50。步骤152及156可重复多次以在适合时间周期内(例如，在反应期间的分子的发光周期内)获取信息。尽管图6A展示在交替帧之前执行各帧一次，然在一些实施例中，一帧可在切换至另一帧之前执行多次。例如，第一帧可在步骤152中执行多次(例如，方法50可以第一定时执行多次)，接着可改变检测周期，且第二帧可执行多次(例如，方法50可以第二定时执行多次)。另外，尽管图6A展示执行两个不同帧，然在一些实施例中，可在序列中执行两个以上帧。例如，若执行三个帧，则在步骤156中执行帧2之后，在返回至第一帧之前像素定时可再次改变且针对一第三帧执行。

图6B示出其中以第一定时执行方法50的第一帧的排斥周期(排斥步骤52)及检测周期(检测步骤60)的定时的实例。图6A中的顶部标绘图展示触发事件的定时，其等可为激发激光脉冲。激光脉冲可为周期性的，具有一周期TL。来自顶部的第二及第三标绘图分别示出一第一帧期间的步骤52及60的定时。

在此实例中，排斥步骤52包含将排斥电极206的电压VRej设定为高电位。排斥步骤52被展示为在激光脉冲期间发生。排斥步骤的时间周期(被称为排斥周期TR)是VRej为高的时间。排斥周期可在激光脉冲之前开始且在激光脉冲之后结束以帮助确保由雷射激发光产生的非所要载体被丢弃。

在此实例中，检测步骤60从将电极203的电压VBin设定为高电位开始，此容许光电产生电荷进入仓。激光脉冲(例如，激光脉冲的中心时间)与检测步骤60开始之间的延迟被展示为延迟时间d。在将电极203的电压VBin设定为高电位的同时可将电极206的电压VRej设定为低电位。在第一帧中，检测步骤60持续达检测周期TD1。将在此周期期间在光电检测区102中产生的电荷载体转移至仓。作为一个特定非限制性实例，TD1可为2纳秒。在检测周期结束时，将电极203的电压VBin设定为低电位以防止额外电荷载体进入仓。在检测周期之后产生的电荷载体未转移至仓，且可在下一排斥步骤52期间被丢弃。

在步骤52及60重复n-1次之后，仓累积在n个激发激光脉冲之后的检测周期TD1内接收的电荷载体。接着，可将所存储载体读出或转移至存储节点。由于针对第一帧展示的定时具有在时间上相对接近于激发激光脉冲的检测周期，所以在此实例中，存储于第一帧中的电荷载体指示倾向于在激发激光脉冲之后相对不久产生的光子。

在第一帧之后，改变定时，且针对具有一不同定时的第二帧执行方法50。在此实例中，第一帧与第二帧之间的差异系检测周期TD2长于检测周期TD1。因此，第二帧可在周期TL后期捕捉光电产生电荷载体。作为一个特定非限制性实例，TD2可为7纳秒。

在步骤52及60重复n-1次之后，仓在激发激光脉冲之后的检测周期TD2存储器储电荷载体。接着，可读出所存储载体。由于针对第二帧展示的定时具有长于第一帧中的持续时间，所以在此实例中，存储于第二帧中的电荷载体指示倾向于在激发激光脉冲之后相对不久产生的光子及倾向于在随后时间产生的光子两者。

图6B示出其中排斥周期定时(例如，开始时间及持续时间)针对第一帧及第二帧两者相同的实例，但通过改变将VBin设定为容许电荷载体进入仓的时间量同时使检测周期的开始时间保持相同而改变相对于第一帧及第二帧的检测周期定时。然而，第一帧中的排斥周期TR的定时无需相同于第二帧中的排斥周期TR的定时，因为他们可具有不同持续时间、开始时间和/或结束时间。在一些实施例中，不同定时特性可在帧之间改变。排斥周期开始时间和/或结束时间、排斥周期持续时间、检测周期开始时间和/或结束时间及检测周期持续时间的任何组合可在不同帧中改变。

图6C展示第一帧及第二帧之定时的另一实例。在此实例中(且与图6B的实例相比)，排斥周期的开始时间及结束时间在两个帧之间改变。在第一帧中，针对排斥周期TR将VRej设定为高。在第二帧中，针对相对于激光脉冲较早开始的排斥周期TR将VRej设定为高。在此实例中，第一帧中的排斥周期TR的持续时间相同于第二帧中的排斥周期TR。然而，第一帧中的排斥周期TR之持续时间无需相同于第二帧中的排斥周期TR，因为他们可具有不同持续时间。例如，第一帧中的排斥周期TR可比图6C中展示的更早开始，在此情况中，第一帧中的排斥周期TR长于第二帧中的排斥周期TR。在将VRej设定为低之后，光电产生电荷可保持在光电检测区中，此在第二帧中比在第一帧中更早发生。尽管VBin的定时在两个帧中为相同的，然检测周期TD2有效地在第二帧中比在第一帧中更早开始，这是因为排斥周期较早结束，且光电产生电荷可保持在排斥区中直至VBin变高。图6C中展示的定时相对于图6B中展示的定时可具有减少噪声的优点，这是因为第一帧中的检测周期TD1比图6B之实例中更晚开始，此降低由激发脉冲产生的非所要光电产生电荷载体转移至仓的可能性。

存在多种不同方式，其中从第一帧至第二帧，定时可不同。例如，延迟时间d(其为激光脉冲(例如，激光脉冲的中心时间)与检测步骤60开始之间的延迟)在两个帧中无需为相同的(如在图6B之实例中)且可为不同的(如在图6C的实例中)，图6C展示第二帧具有短于第一帧的延迟时间(d1)的延迟时间(d2)。而且，TD2无需延伸排斥周期之间的整个持续时间，因为其可仅延伸排斥周期之间的持续时间的部分，如图6C中示出。此外，帧的顺序可颠倒，其中第二帧在第一帧之前发生。每帧的激光脉冲数目针对第一帧及第二帧可为相同的，或在不同类型的帧中可为不同的。第一帧与第二帧之间可存在除本文中特别描述的差异以外的差异。

在已描述改变定时的情况下，将描述通过改变定时而收集的信息。在第一帧期间存储于仓中的电荷量被称为C1且在第二帧期间存储于仓中的电荷量被称为C2。C1及C2指示所接收光的强度特性及时间特性两者。存在处理C1及C2以获得强度特性及时间特性的多种方式。通过实例，C2可代表强度特性或C1与C2的总和可代表强度特性。也通过实例，C1及C2之比可代表时间特性。这种实例仅示出其中C1及C2表示定时及强度特性的方式。尽管这种特性可以所描述的方式或使用更复杂计算进行计算，然不必计算定时或强度特性。在一些实施例中，诸如神经网络的机器学习算法可经训练以基于包含固有定时及强度信息的原始信息C1及C2区分发光分子。在其经训练之后，算法可用于基于原始信息C1及C2识别和/或区分发光分子。例如，此信息可用于定序核酸。

图7示出方法50可执行多次，在帧1与帧2之间交替。图7展示可在核苷酸并入事件期间发生的荧光脉冲的定时。针对两个帧展示的电位分别为C1及C2的值。C1及C2的平均值可在多个帧内使用任何适合计算(例如，平均值、中值等)进行计算。平均值可用于获得荧光脉冲的强度和/或时间特性，和/或原始平均值可直接用于识别和/或区分发光分子。尽管图6及图7展示其中使用两个不同定时(帧1及帧2)的实例，然可使用任何数目个不同定时，诸如两个或两个以上或三个或三个以上。例如，可使用两个帧、三个帧或更多帧。

在一些实施例中，集成装置可为可编程的以实现改变仓的定时。电极可由控制电路控制，该控制电路设定适合定时且调整帧之间的定时。在一些实施例中，可基于起始测量60的测量周期的触发事件的定时设定时间仓的定时。在荧光寿命测量内容脉络中，可响应于检测激发荧光团的激发脉冲的定时而设定时间仓的定时。例如，当激发光脉冲到达像素100时，载体浪涌可从光子吸收/载体产生区102行进至漏极。响应于激发脉冲而在漏极处的光电产生载体的累积可导致漏极的电压的改变。因此，在一些实施例中，可通过检测漏极的电压而检测激发脉冲。例如，比较器可比较漏极的电压与临限值，且可在漏极的电压超过临限值时产生脉冲。脉冲的定时可指示触发事件的定时，且可基于此定时设定时间仓的定时。然而，本文中描述的技术不限于此方面，因为任何适合技术可用于检测测量的开始。

在已描述像素100的操作定时的情况下，论述现返回至像素100的结构及读出。图5展示沿图2中的线A-A’的像素100的实例的横截面视图。如示出，在半导体基板101上或上方形成电极206、203及213。在光子吸收/载体产生区域102处从光源120接收光。通过实例且非限制，光源120可为任何类型的光源，包含发光样本(例如，链接至核酸)或成像应用中待成像的区或场景。光源120可包含非所要激发雷射光。光屏蔽件121可防止光到达基板的另一部分，例如防止通过杂散激发光或其他杂散光直接在仓或读出节点中产生电荷。通过实例且非限制，光屏蔽件121可由任何适合材料形成，诸如集成电路的金属层。图5示出排斥(至左侧)期间的电荷转移及至仓(右侧)的转移的相反方向。

如图5中示出，像素100可包含容许读出存储于仓中的电荷的读出电路110。像素100可为主动像素，使得读出电路110包含读出放大器，或其中读出电路110不包含读出放大器的被动像素。可使用任何适合类型的主动像素或被动像素读出电路。若读出电路110包含读出放大器，则读出放大器可采用累积于电荷存储仓(例如，仓0、仓1)中的电荷作为输入且产生代表电荷存储仓中的电荷的电压作为输出。

若读出电路110包含读出放大器，则可使用任何适合类型的放大器。适合放大器的实例包含基于共同源极配置的放大器及基于源极随耦器配置的放大器。图5中示出基于源极随耦器配置的读出电路110的一个实例。如图5中展示，读出区110可包含源极随耦器缓冲晶体管sf、重设晶体管rt及列选择晶体管rs。然而，本文中描述之技术不限于任何特定放大器配置。在一些实施例中，转移电极213可为读出电路110的部分。

可使用任何适合读出技术，包含噪声降低技术。在一些实施例中，读出电路110可使用相关双重取样读出仓。相关双重取样系其中可在重设电压电位下在包含未确定噪声量的节点处取得的第一样本且可在包含相同未确定噪声的节点处取得信号电位的第二样本的技术。可通过从所取样信号电位减去所取样重设电位而减除噪声。

读出仓可包含将聚集于仓中的电荷量转换为对应电压，如上文论述。从时间仓的读出可以任何适合速率执行，诸如50Hz至100Hz、10Hz至500Hz或另一速率。

转移电极213可经电荷耦合至仓。读出节点111可电荷耦合至转移电极213。如图5中示出，读出节点111可连接至重设晶体管rt的源极。重设晶体管rt及列选择晶体管rs的漏极可连接至高电压供应器。重设晶体管rt及列选择晶体管rs的栅极可由一列驱动器电路控制。在一些实施例中，晶体管sf的源极可连接至列选择晶体管rs的漏极。晶体管sf的栅极可连接至读出节点111。在一些实施例中，源极随耦器的源极可连接至行线读出。

在一些实施例中，像素无需具有仓及读出节点111两者。图8A展示像素200的实例的横截面视图，其中仓由读出节点111形成。读出节点111可为浮动扩散，如上文论述。使用读出节点111作为仓可通过消除电荷存储区及电极213而简化像素设计及操作。图8B展示像素200的平面图。如图8A及图8B中所见，在像素200中，电极203控制电位屏障202以存取读出节点111。像素200的操作可相同于上文针对像素100描述的操作，只是可通过无需将电荷从单独仓转移至读出节点111而简化读出除外。

存在实施电荷存储仓作为半导体区内的电位阱的若干方式。在一些实施例中，电位阱可部分在电极203内。存在用于将电荷移进及移出阱的两种转移类型。累积转移将电荷移动至阱中。读出转移将电荷自阱移出。

下文系电位阱的可能特性：

·阱可具有足够深度以在30℃下存储至少100个电子之累积电荷达10ms。

·电极203将区102电荷耦合至阱。

·阱可至少部分在电极203内。

·阱在累积转移期间可处于高于区102的完全耗尽电压的电位。

·阱的完全耗尽电压在读出转移期间可处于低于浮动扩散重设电位的电位。

·可动态地调整阱的电位，以便满足累积转移及读出转移两者的要求。

存在产生仓(诸如仓0或仓1)的电位阱的多种技术。作为一个实例，电极203及213中的一个或多个可为互补掺杂(分裂掺杂)的。第二选项为将埋置信道n型植入物放置于由电极调整的阱位置处。当电极处于高电位时，阱电位增加超过收集区。第三选项为产生相同于区102的二极管的复制二极管。二极管可为具有相同植入物的埋设二极管，正如区102的二极管。其可在屏障202与转移电极213之间形成。可使用跨读出转移栅极延伸的n型植入物调整耗尽电压。形成屏障202的电极可经N+掺杂，而读出转移电极可经P+掺杂。在一些实施例中，上述技术的组合可用于形成仓的电位阱。

仓的位置可为在电极下方、在未被电极覆盖的区中或在电极下方及在未被电极覆盖的区中两者。例如，仓可在电极203下方、在电极203与连接至t1的多晶硅转移电极之间的不在电极203下方的区中或在电极203下方及在不在电极203下方的区中两者。

图9展示可由其等制造集成电路的材料的实例。可在半导体区中形成像素，其在一些实施例中可为硅。诸如氧化硅区的绝缘区可使集成电路的区域彼此绝缘。电极(例如，电极206、203及213)可由多晶硅或另一导体形成。绝缘间隔件可定位于电极的侧端处。例如，绝缘区可由氮化硅形成。诸如铝的金属可安置于电极上以使其电接触。然而，可使用其他材料，因为本文中描述的装置不限于特定材料。

在一些实施例中，可使用标准CMOS(互补金属氧化物半导体)处理在硅基板中形成图15中的芯片1300。然而，本文中描述的技术不限于此方面，因为可使用任何适合基板或制程。图10至图14展示形成光电检测器及四个不同像素设计n0至n3的示例性程序。图10展示电位0，其中具有半导体区中的扩散及N阱区及上覆多重电极层。图11展示电位1，图12展示电位2，图13展示电位3且图14展示电位4。

图15展示根据一些实施例的芯片架构的图。如图15中展示，集成电路或芯片1300可包含：像素阵列1302，其包含多个像素100；控制电路1304，其包含定时电路1306；电压/电流偏压产生电路1305；及接口1308。然而，并非全部这种组件需要在芯片1300上，因为一个或多个组件可在芯片外。例如，在一些实施例中，可由定位于芯片外的电路产生像素电极的控制信号。

像素阵列1302包含铺设为任何适合图案(例如，诸如矩形图案)的像素100的数组。像素阵列1302可具有任何适合数目个像素。像素阵列可具有用于读出像素阵列1302的列或行的列和/或行导体。可并行、连续或以他们的组合读出像素。例如，在一些实施例中，可并行读出像素列，且可依序读出像素阵列的各列。然而，本文中描述的技术不限于此方面，因为可以任何适合方式读出像素。

像素阵列1302由控制电路1304控制。控制电路1304可为用于控制芯片1300上的操作(包含像素阵列1302的操作)的任何适合类型的控制电路。在一些实施例中，控制电路1304可包含经程序化以控制像素阵列1302的操作及芯片1300上的任何其他操作的微处理器。控制电路可包含存储用于导致微处理器执行这种操作的计算机可读指令(例如，程序代码)的计算机可读介质(例如，存储器)。例如，控制电路1304可控制产生待施加至各像素中的(若干)电荷载体分离结构的电极的电压。控制电路1304可改变一个或多个电极的电压(如上文论述)以捕捉载体、转移载体且执行像素及数组的读出。控制电路可基于所存储定时方案设定电荷载体分离结构的操作定时。所存储定时方案可为固定、可编程和/或适应性的，如上文论述。

控制电路1304可包含用于像素的(若干)电荷载体分离结构的定时操作或芯片的其他操作的定时电路1306。在一些实施例中，定时电路1306可实现产生信号以精确地控制(若干)电荷载体分离结构中的电压改变的定时以精确地对电荷载体进行时间分仓。在一些实施例中，定时电路1306可包含用于精确地设定提供至(若干)电荷载体分离结构的信号的定时的外部参考频率和/或延迟锁定环路(DLL)。在一些实施例中，可使用两个单端延迟线，各具有一半数目的180度异相对准级。然而，任何适合技术可用于控制芯片上的信号的定时。

芯片1300可包含用于自芯片1300发送信号、在芯片1300处接收信号或两者的接口1308。接口1308可实现读出由像素阵列1302感测的信号。从芯片1300的读出可使用模拟接口和/或数字接口执行。若从芯片1300的读出使用数字接口执行，则芯片1300可具有用于将从像素阵列1302读出的信号转换为数字信号中的一个或多个模拟转数字转换器。在一些实施例中，读出电路可包含可编程增益放大器。可经由接口1308从外部源将一个或多个控制信号提供至芯片1300。例如，这种控制信号可控制待执行的测量的类型，此可包含设定时间仓的定时。

从像素阵列1302读出的信号的分析可由芯片上或芯片外电路执行。例如，在荧光寿命测量的内容脉络中，光子到达定时的分析可包含接近于荧光团的荧光寿命。可执行任何适合类型的分析。若从像素阵列1302读出的信号的分析在芯片上执行，则芯片1300可具有用于执行分析的任何适合处理电路。例如，芯片1300可具有用于执行分析的微处理器，其为控制电路1304的部分或与控制电路1304分离。在一些实施例中，若在芯片上执行分析，则可通过接口1308将分析结果发送至外部装置或以其他方式提供至芯片外。在一些实施例中，分析的全部或一部分可在芯片外执行。若在芯片外执行分析，则可通过接口1308将从像素阵列1302读出的信号和/或由芯片1300执行的任何分析的结果提供至外部装置。

在一些实施例中，芯片1300可包含以下项中的一个或多个：

1)芯片上、数字控制、像素偏压产生器(DAC)。

2)芯片上、数字可编程增益放大器，其将单端像素输出电压信号转换为差分信号且将增益施加至信号。

3)数字控制的放大器偏压产生器，其容许随输出速率按比例调整功率消耗。

图16为示例性运算装置1000的方块图，其可用于实施用于控制像素阵列或用于执行来自像素的数据的分析的控制电路。运算装置1000可包含一个或多个处理器1001及一个或多个有形、非暂时性计算机可读存储媒体(例如，存储器1003)。存储器1003可在有形非暂时性计算机可记录媒体中存储在被执行时实施上述功能性的任一者的计算机程序指令。(若干)处理器1001可耦合至存储器1003且可执行这种计算机程序指令以导致实现且执行功能性。

运算装置1000也可包含运算装置可经由其与其他运算装置通信(例如，通过一网络)的网络输入/输出(I/O)接口1005，且也可包含运算装置可经由其将输出提供至用户及从用户接收输入中的一个或多个用户I/O接口1007。用户I/O接口可包含诸如键盘、鼠标、麦克风、显示设备(例如，监视器或触控屏幕)、扬声器、相机和/或各种其他类型的I/O装置的装置。

上述实施例可以多种方式的任一者实施。例如，实施例可使用硬件、软件或他们的组合实施。当在软件中实施时，软件程序代码可在任何适合处理器(例如，微处理器)或处理器集合上执行，无论提供于单一运算装置中或分布于多个运算装置中。应了解，执行上文描述的功能的任何组件或组件集合可大体上被视为控制上述功能中的一个或多个控制器。一个或多个控制器可以多种方式实施，诸如使用专用硬件或使用运用微程序代码或软件程序化以执行上文叙述的功能的通用硬件(例如，一个或多个处理器)。

在此方面，应了解，本文中描述的实施例的一个实施方案包括使用一计算机程序(即，多个可执行指令)编码的至少一个计算机可读存储媒体(例如，RAM、ROM、EEPROM、闪存或其他存储器技术、CD-ROM、数字多功能光盘(DVD)或其他光盘存储器、卡式磁带、磁带、磁盘存储器或其他磁性存储装置或其他有形、非暂时性计算机可读存储媒体)，该计算机程序当在一个或多个处理器上执行时执行一项或多项实施例的上述功能。计算机可读媒体可为可运送的，使得存储于其上的程序可加载至任何运算装置上以实施本文中论述的技术的方面。另外，应了解，对在被执行时执行上述功能的任一者的计算机程序的参考不限于在一主计算机上运行的应用程序。实情是，在一般意义上，术语计算机程序及软件在本文中用于参考可经采用以程序化一个或多个处理器以实施本文中论述的技术的方面的任何类型之计算机程序码(例如，应用程序软件、韧体、微程序代码或任何其他形式的计算机指令)。

尽管本文中描述的集成光电检测器可应用于分析多个生物和/或化学样本(如上文论述)，然集成光电检测器可应用于其他应用，例如诸如成像应用。在一些实施例中，集成光电检测器可包含像素阵列，该像素阵列执行区、对象或场景的成像且可检测在个别像素处从该区、对象或场景的不同区接收的光的时间特性。例如，在一些实施例中，集成光电检测器可基于自组织接收的光的时间特性执行组织的成像，此可使医师能够执行程序(例如，手术)以识别组织的异常或患病区(例如，癌或癌前)。在一些实施例中，集成光电检测器可被并入至医疗装置(诸如手术成像工具)中。在一些实施例中，可获得关于由组织响应于激发光脉冲而发射的光的时域信息以使组织成像和/或特性化。例如，组织或其他对象的成像和/或特性化可使用荧光寿命成像执行。

尽管可诸如通过执行生物和/或化学样本的成像或分析或使组织成像而在科学或诊断内容脉络中应用集成光电检测器(如上文描述)，然可在任何其他适合内容脉络中使用此集成光电检测器。例如，在一些实施例中，此集成光电检测器可使用在个别像素中检测到的光的时间特性使场景成像。用于使场景成像的应用的实例为范围成像或飞行时间成像，其中光到达光电检测器所花费的时间量经分析以确定光至光电检测器所行进的距离。此技术可用于执行一场景的三维成像。例如，可使用自相对于集成光电检测器的已知位置发射的光脉冲照明场景，且由光电检测器检测反射光。光到达数组的各自像素处的集成光电检测器所花费的时间量经测量以确定光自场景的各自部分到达光电检测器的各自像素所行进的(若干)距离。在一些实施例中，集成光电检测器可被并入至消费型电子装置(例如，诸如相机、蜂窝式电话或平板计算机)中以使这种装置能够基于所获得的范围信息获取及处理影像或视频。

在一些实施例中，本申请中描述的集成光电检测器可用于测量低光强度。此光电检测器可适合于需要具有高敏感度的光电检测器的应用，例如诸如当前可使用单光子计数技术的应用。然而，本文中描述的技术不限于此方面，因为本申请中描述的集成光电检测器可测量任何适合光强度。

如上文提及，本文中描述的技术不限于使用外源荧光团进行标记、检测及定量。在一些实施例中，可通过使用集成光电检测器而使用荧光寿命成像技术使区、对象或样本成像和/或特性化。在这种技术中，该区、对象或样本自身的荧光特性可用于成像和/或特性化。可通过寿命成像和/或特性化检测外源标记物或内源标记物。可将附接至探针的外源标记物提供至该区、对象或样本，以便检测特定目标组件的存在和/或位置。外源标记物可充当标记和/或报告子以作为经标记探针的部分以检测含有经标记探针的目标的该区、对象或样本的部分。内源标记物的从发荧光可针对空间分辨率提供无卷标且非侵入性对比，其可容易地用于成像而无需引入内源标记物。例如，来自生物组织的从发荧光信号可取决于且指示组织的生化及结构组成。

荧光寿命测量可提供荧光团周围的条件的定量测量。所述条件的定量测量可为除检测或对比以外的。荧光团的荧光寿命可取决于荧光团的周围环境，诸如pH或温度，且荧光寿命的值的改变可指示荧光团周围的环境的改变。作为一实例，荧光寿命成像可映像样本的局部环境(例如，生物组织(例如，一组织切片或手术切除))的改变。内源荧光团的自发荧光的荧光寿命测量可用于检测组织的物理及代谢改变。作为实例，可通过测量来自样本的自发荧光且从所测量自发荧光确定寿命而检测组织架构、形态、氧合、pH、脉管性、细胞结构和/或细胞代谢状态的改变。这种方法可在临床应用中使用，诸如筛查、影像导引活组织检查或手术和/或内视镜。在一些实施例中，本申请的集成光电检测器可被并入至临床工具(例如，诸如手术仪器)中以执行荧光寿命成像。基于所测量自发荧光确定荧光寿命提供临床值作为无标签成像方法，其容许医师快速筛查组织且检测肉眼看不见的小癌症和/或癌前病变。荧光寿命成像可用于检测及描绘恶性细胞或组织，诸如肿瘤或癌细胞，其等发射具有长于健康组织的荧光寿命的发光。例如，荧光寿命成像可用于检测光学可接取组织(诸如胃肠道、膀胱、皮肤或在手术期间暴露的组织表面)上的癌症。

在一些实施例中，荧光寿命可用于显微术技术以提供不同类型或状态的样本之间的对比。荧光寿命成像显微术(FLIM)可通过以下步骤执行：使用光脉冲激发样本；在荧光信号衰减时检测荧光信号以确定寿命；及在所得影像中映像衰减时间。在这种显微术影像中，影像中的像素值可为基于针对收集视场的光电检测器中的各像素确定的荧光寿命。

如上文论述，如本申请中描述的集成光电检测器可在科学及临床内容脉络中使用，其中发射光的定时可用于对区、对象或样本进行检测、定量和/或成像。然而，本文中描述的技术不限于科学及临床应用，因为集成光电检测器可在可利用关于入射光子的到达时间的时间信息的任何成像应用中使用。应用的实例为飞行时间成像。

在一些实施例中，集成光电检测器可在基于测量散射或反射光的时间曲线的成像技术(包含飞行时间测量)中使用。在这种飞行时间测量中，可将光脉冲发射至区或样本中且可由集成光电检测器检测散射光。散射或反射光可具有相异时间剖面，该相异时间剖面可指示该区或样本的特性。样本的反向散射光可通过其等在样本中的飞行时间进行检测及解析。此时间剖面可为时间点扩展函数(TPSF)。可通过在发射光脉冲之后的多个时间周期内测量积分强度而获取时间曲线。重复光脉冲及累积散射光可以特定速率执行以确保在产生随后光脉冲之前完全消除全部先前TPSF。时间解析扩散光学成像方法可包含光谱扩散光学层析，其中光脉冲可为红外线光，以便在样本中的进一步深度处成像。此时间解析扩散光学成像方法可用于检测生物体中或生物体的部分(诸如人的头部)中的肿瘤。

另外或替代地，飞行时间测量可用于基于光速及发射光脉冲与检测从对象反射的光的间的时间而测量距离或距离范围。这种飞行时间技术可在各种应用中使用，包含相机、汽车中的近接检测传感器、人机接口、机器人及可使用通过这种技术收集的三维信息的其他应用。

本发明的各种方面可单独使用、组合使用或以未在前述内容中描述的实施例中特别论述的各种配置使用且因此不将其应用限于在前述描述中阐述或在图式中示出的组件的细节及配置。例如，一项实施例中描述的方面可以任何方式与其他实施例中描述的方面组合。

而且，本发明可体现为方法，已提供该方法的实例。作为方法的部分执行的行动可以任何适合方式排序。因此，实施例可经建构，其中以不同于示出的顺序执行行动，此可包含同时执行一些行动，即使在示例性实施例中被展示为依序行动。

发明申请专利范围中用于修饰主张组件的顺序术语(诸如“第一”、“第二”、“第三”等)本身并不意谓任何优先、先行或一个主张组件优于另一者的顺序或执行方法的行动的时间顺序，而仅用作区分具有特定名称的一个主张组件与具有相同名称的另一组件(但使用顺序术语)的标记以区分所述主张组件。顺序术语的使用也不旨在排除额外组件。例如，“第一”及“第二”组件的叙述并不排除“第三”组件或额外组件的存在。

而且，本文中使用的措辞及术语出于描述的目的且不应被视为限制性。本文中的“包含”、“包括”或“具有”、“含有”、“涉及”及他们的变形的使用意在涵盖在其后列出的项目及其等效物以及额外项目。