CN113544493A - 用于集成装置的光学吸收滤光器 - Google Patents

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CN113544493A CN202080019075.8A CN202080019075A CN113544493A CN 113544493 A CN113544493 A CN 113544493A CN 202080019075 A CN202080019075 A CN 202080019075A CN 113544493 A CN113544493 A CN 113544493A
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迈克尔·库曼斯
沙拉特·侯萨利
阿里·卡比里
凯尔·普雷斯顿
杰勒德·施密德
沈冰
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Abstract

描述了与衰减入射在用于样品分析的集成装置中的传感器(1‑122)上的激发辐射有关的装置和方法。选定材料和晶体形态的至少一个半导体膜(1‑336)位于形成在基板(1‑105)上的集成器件中的波导(1‑115)和传感器(1‑122)之间。对于单层半导体材料(1‑135)相距40nm的激发和发射波长，可以获得大于100或更高的抑制比。

Description

用于集成装置的光学吸收滤光器
相关申请相互参照
请根据35 U.S.C.§119(e)要求2019年3月5日提交，题为“SEMICONDUCTOR OPTICALABSORPTION FILTER FOR AN INTEGRATED DEVICE”的美国临时申请62/813,997和2019年4月9日提交，题为“SEMICONDUCTOR OPTICAL ABSORPTION FILTER FOR AN INTEGRATEDDEVICE”的美国临时申请62/831,237的优先权，其全部内容通过引用并入本文。
技术领域
本申请涉及使用光学吸收滤光器减少用于分析样品的集成装置中的有害辐射。
背景技术
在用于样品分析的仪器领域，微加工芯片可用于并行分析大量分析物或样品(包含在一个或多个样品中)。在某些情况下，光激发辐射被传送到芯片上的多个离散位置，在该位置进行单独的分析。激发辐射可激发每个位置的样品、附着在样品上的荧光团或与样品相互作用的荧光团。作为对激发的响应，可从传感器检测到的位置发射辐射。从某一位置的发射辐射，或缺乏发射辐射获得的信息可用于确定该位置样本的特征。
发明内容
描述了与衰减入射到集成装置(例如用于样品分析的装置)中的传感器上的激发辐射或其他有害辐射有关的装置和方法。在一些实施例中，选择材料和晶体形态的半导体膜在基板上的材料堆叠中，并且位于集成装置的像素中的波导和传感器之间。选择半导体材料和晶体形态以显著衰减激发辐射，同时将像素中反应室发射的75％以上的辐射传递给传感器。对于间隔40nm或大约40nm的波长，可以获得大于100或更大的波长辨别比(也称为“抑制比”或“消光比”)。在一些实施例中，多层堆叠包括由介电材料层分隔的吸收材料层。堆叠可包括具有不同厚度的至少三层或四层。对于间隔110nm或大约110nm的波长，此类堆叠可在从正常角度到80度(或这些角度内的任何子范围)的入射角度范围内提供大于10000的抑制比。
一些实施例涉及一种多层半导体吸收体滤光器，包括多个半导体吸收体层和分隔所述多个半导体吸收体层以形成多层堆叠的多个介电材料层，其中在所述多层堆叠内存在至少三种不同的层厚度。
一些实施例涉及形成多层半导体吸收体滤光器的方法。一种方法可包括以下步骤：沉积多个半导体吸收体层；以及沉积分隔所述多个半导体吸收体层以形成多层堆叠的多个介电材料层，其中在所述多层堆叠内沉积至少三种不同的层厚度。
一些实施例涉及荧光检测组件，包括：基板，其上形成有光学探测器；反应室，其布置成接收荧光分子；光波导，其布置在所述光学探测器和所述反应室之间；以及光学吸收滤光器，其包括半导体材料层并设置在所述光学探测器和所述反应室之间。
一些实施例涉及一种光学吸收滤光器，其包括在基板上的非平面形貌上形成的半导体层。
一些实施例涉及一种光学吸收滤光器，其包括在基板上的集成装置中形成的三元III-V半导体。
一些实施例涉及用于形成荧光检测装置的方法，该方法包括：在基板上形成光学探测器；在所述基板上的光学探测器上方形成半导体光学吸收滤光器；在所述基板上的光学探测器上方形成光波导；以及形成反应室，所述反应室被配置为在所述光学吸收滤光器和所述光波导上方接收荧光分子。
通过以下结合附图的描述，可以更充分地理解本教导的前述和其他方面、实现、动作、功能、特征和实施例。
附图说明
本领域技术人员将理解，本文所描述的附图仅用于说明目的。应当理解，在一些情况下，可以夸大或放大本发明的各个方面以促进对本发明的理解。在附图中，相似附图标记通常指贯穿各种附图的相似特征、功能相似和/或结构相似的元件。图纸不一定按比例描绘，而是重点放在说明教导的原理上。附图无意以任何方式限制本教导的范围。
图1-1描绘了根据一些实施例的集成装置的像素处的结构示例。
图1-2描绘了根据一些实施例的集成装置的像素处的结构示例。
图1-3描绘了根据一些实施例的集成装置的像素处的结构示例。
图2-1图示了根据一些实施例的示例半导体吸收体结构。
图2-2描绘了根据一些实施例，ZnTe半导体吸收层的作为波长的函数的光透射率。
图2-3描绘了根据一些实施例，作为InGaN半导体吸收层的厚度的函数的抑制比Rr。
图2-4是示例性半导体吸收层的透射电子显微照片。
图2-5描绘了根据一些实施例，作为入射在多层半导体吸收体上的辐射的波长的函数的透射率。
图2-6A描绘了根据一些实施例的多层吸收体滤光器的示例。
图2-6B描绘了根据一些实施例，作为入射在多层半导体吸收体上的辐射的波长的函数的透射率的另一个示例。
图2-6C描绘了根据一些实施例，作为入射在多层半导体吸收体上的s偏振辐射的角度的函数的反射率、吸收率和透射率。
图2-7描绘了根据一些实施例，多层吸收体滤光器的另一个示例。
图3-1示出了根据一些实施例，在形貌上形成的示例性吸收体。
图3-2示出了根据一些实施例，在形貌上形成的示例性吸收体。
图3-3示出了根据一些实施例，在形貌上形成的示例性吸收体。
图3-4A描绘了根据一些实施例，可用于在形貌上形成半导体吸收体的图案化抗蚀剂层。
图3-4B示出了根据一些实施例，与在形貌上形成半导体吸收体相关联的结构。
图3-4C示出了根据一些实施例，与在形貌上形成半导体吸收体相关联的结构。
图3-4D示出了根据一些实施例，与在形貌上形成半导体吸收体相关联的结构。
图3-4E示出了根据一些实施例，与在形貌上形成半导体吸收体相关联的结构。
图4描绘了根据一些实施例，集成装置的一部分的剖切透视图。
图5-1A是框图，描绘了根据一些实施例的包括紧凑型锁模激光器模块的分析仪器。
图5-1B描绘了根据一些实施例，结合到分析仪器中的紧凑型锁模激光模块。
图5-2描绘了根据一些实施例的一串光脉冲。
图5-3描绘了根据一些实施例，平行反应室的示例，该平行反应室可以由脉冲激光经由一个或多个波导光激发，并且进一步示出了每个室的对应探测器。
图5-4示出了根据一些实施例的来自波导的反应室的光激发。
图5-5描绘了根据一些实施例的集成反应室、光波导和时间分仓光电探测器的进一步细节。
图5-6描绘了根据一些实施例的可以在反应室内发生的生物反应的示例。
图5-7描绘了具有不同衰减特性的两种不同荧光团的发射概率曲线。
图5-8描绘了根据一些实施例的荧光发射的时间分仓检测。
图5-9描绘了根据一些实施例的时间分仓光电探测器。
图5-10A描绘了根据一些实施例的来自反应室的荧光发射的脉冲激发和时间分仓检测。
图5-10B描绘了根据一些实施例的在分析物的重复脉冲激发之后不同时间仓(bin)中累积荧光光子计数的直方图。
根据一些实施例，图5-11A至图5-11D描绘了可对应于四种核苷酸(T、A、C、G)或核苷酸类似物的不同直方图。
本发明的特征和优点将从以下结合附图进行的详细描述中变得更加明显。当参考附图描述实施例时，可以使用方向参考(“上方”、“下方”、“顶部”、“底部”、“左”、“右”、“水平”、“垂直”等)。此类参考仅旨在帮助读者以正常方向查看附图。这些方向参考并非旨在描述所实施装置的特征的优选或仅定向。可以使用其他方向来实现装置。
具体实施方式
I.具有半导体吸收体的集成装置
用于分析样品的仪器不断改进，可能包含微加工组件(例如，电子芯片、微流控芯片)，这有助于减小仪器的总体尺寸。待分析的样品可包括空气(例如，检测有害气体泄漏、燃烧副产物或有毒化学成分)、水或其他可摄入液体、食物样品以及从受试者身上采集的生物样品(血液、尿液等)。在某些情况下，需要便携式手持仪器来分析样品，这样技术人员或医务人员可以轻松地将仪器带到可能进行服务和需要快速、准确分析样品的现场。在临床环境中，可能需要台式仪器进行更复杂的样本分析，如人类基因测序或全血计数分析。
在先进的分析仪器中，如美国专利出版物2015/0141267和美国专利9617594中所述的仪器，两者均通过引用并入本文，可使用一次性集成装置(为简洁起见，可称为“芯片”和“一次性芯片”)执行大规模并行样品分析。一次性集成装置可包括封装的生物光电芯片，其上可存在大量像素，所述像素具有用于对一个样品或不同样品进行并行分析的反应室。例如，在某些情况下，在生物光电芯片上具有反应室的像素的数量可以在约10000到约10000000之间，并且在某些情况下可以在100000到约100000000之间。在一些实施例中，一次性芯片可以安装到高级分析仪器的插座中并且与仪器中的光学和电子组件连接。对于每次新的样品分析，用户可以轻松更换一次性芯片。
图1-1是简化图，描绘了可能包含在生物光电芯片的像素中的一些组件。像素可以包括形成在基板1-105上的反应室1-130、光波导1-115、半导体吸收体1-135和传感器1-122。波导1-115可以将光能从远处的光源输送到像素，并向反应室1-130提供激发辐射。激发辐射可以激发存在于反应室1-130中的一个或多个荧光团。荧光团发出的辐射可由传感器1-122检测。来自传感器1-122的信号，或缺乏信号，可以提供关于反应室1-130中存在或不存在分析物的信息。在一些实施例中，来自传感器1-122的信号可以确定反应室中存在的分析物的类型。
对于样品分析，含有一种或多种分析物的样品可以沉积在反应室1-130上。例如，可以将样品置于反应室1-130上方的储器或微流体通道中。在一些情况下，样品可以作为液滴被打印到包括反应室1-130的处理过的表面上。在样品分析期间，来自待分析样品的至少一种分析物可以进入反应室1-130。在一些实施例中，当被来自波导1-115的激发辐射激发时，分析物本身可发出荧光。在一些情况下，分析物可以携带一个或多个连接的荧光分子。在其他情况下，分析物可以淬灭反应室1-130中已经存在的荧光团。当荧光实体进入反应室并被激发辐射所激发时，荧光实体可以发出辐射，其波长与激发辐射不同，反过来被传感器1-122检测。半导体吸收体1-135可优先衰减激发辐射，其衰减程度明显大于来自反应室1-130的发射辐射。
更详细地说，反应室1-130可形成为透明或半透明层1-110。根据一些实施例，反应室可以有50nm和1μm之间的深度。根据一些实施例，反应室1-130的最小直径可以在50nm和300μm之间。如果反应室1-130形成为零模波导，则在某些情况下，最小直径甚至可能小于50nm。如果要分析较大的分析物，最小直径可能大于300nm。反应室可位于光波导1-115的上方，使得反应室的底部可高出波导1-115的顶部500nm。在某些情况下，反应室1-130的底部可位于波导内或波导1-115的顶面上。根据一些实施例，透明或半透明层1-110可由氧化物或氮化物形成，使得来自光波导1-115的激发辐射和来自反应室1-130的发射辐射将通过透明或半透明层1-110而不会衰减例如超过10％。
在一些实施例中，可以存在形成在基板1-105上且位于基板和光波导1-115之间的一个或多个附加透明或半透明层1-137。在一些实施例中，这些附加层可以由氧化物或氮化物形成，并且可以是与透明或半透明层1-110相同类型的材料。半导体吸收体1-135可以形成在波导1-115和传感器1-122之间的这些附加层1-137内。从光波导1-115的底部到传感器1-122的距离可以在500nm和10μm之间。
在各种实施例中，基板1-105可以包括半导体基板，例如硅(Si)。然而，在一些实施例中可以使用其他半导体材料。传感器1-122可以包括被图案化并形成在基板1-105上的半导体光电二极管。传感器1-122可以通过互连件(interconnect)1-170连接到基板上的其他互补金属氧化物半导体(CMOS)电路。
图1-2中示出了可以包括在集成装置的像素处的结构的另一个示例。根据一些实施例，可以在层1-110上方形成一个或多个阻光层1-250，反应室1-230可以形成在该阻光层中。在一些实施例中，反应室的蚀刻工艺可以从在将成为反应室1-230的顶部的一个或多个阻光层中开孔开始。阻光层1-250可以由一个或多个金属层形成。在一些情况下，阻光层1-250可以包括半导体和/或氧化物层。阻光层1-250可减少或防止来自光波导1-115的激发辐射传播到反应室1-230上方的样品中并激发样品内的分析物。此外，阻光层1-250可以防止来自反应室上方的外部辐射穿过传感器1-122。来自反应室外部的辐射会导致有害背景辐射和信号噪声。
在一些实施例中，一个或多个虹膜层1-240可以形成在传感器1-122上方。虹膜层1-240可以包括开口1-242以允许来自反应室1-230的发射穿过到达传感器1-122，同时阻挡来自其他方向的发射或辐射(例如，来自相邻像素或散射的激发辐射)。例如，虹膜层1-240可以由阻光材料形成，该阻光材料可以阻止以宽入射角散射的激发辐射撞击传感器1-122并导致背景噪声。
在一些情况下，虹膜层1-240可以由导电材料形成并且为形成在基板1-105上或上方的电路提供电位参考平面或接地平面。根据一些实施例，通孔或孔1-237可以形成在半导体吸收体1-235(以及接触半导体吸收层的覆盖层，如果存在的话)中，使得垂直导电互连件或通孔1-260可以连接到虹膜层1-240，而不接触半导体吸收层1-235，后者可以是导电的。在一些情况下，半导体吸收体1-235可以用作形成在基板1-105上或上方的电路的电位参考平面或接地平面，并且垂直互连件可以连接到半导体吸收体1-235并且可以不连接到虹膜层1-240。在一些情况下，孔1-237可以包括防止导电通孔1-260和半导体吸收层1-235之间的电接触的电绝缘材料(例如，氧化物)。在一些实施例中，半导体吸收层1-235可以具有高电阻率并且孔1-237可以填充有导电材料以提供通过半导体吸收层的电连接。在实施例中，可以存在附加电子器件，例如在每个像素处与基板1-105上的传感器一起形成的存储和读出电子器件1-224。例如，读出电子器件可用于控制信号采集和读出在每个传感器1-122处存储的电荷。在一些实施例中，半导体吸收体1-235(和覆盖层)中的孔1-237可促进通过半导体层的电连接，例如，通过引线键合、倒装芯片键合或其他方法将集成电路连接到外部电路。
在某些情况下，可能存在多层半导体吸收材料，如图1-3所示。例如，半导体吸收体1-335可包括两层、三层或更多层半导体吸收材料1-336，其由中间材料层1-334隔开。中间层1-334可具有与半导体吸收材料1-336不同的折射率。中间层1-334可另外或可选地具有与半导体吸收材料1-336不同的透射率。在某些情况下，不同半导体吸收材料层1-336的厚度基本相同，并且可以不同于中间层1-334的厚度，尽管在某些情况下半导体吸收材料层1-336可以具有至少两种不同的厚度。在一些实施例中，对于硅基吸收材料，半导体吸收材料1-336的厚度可以在75nm和90nm之间，并且激发特征波长在515nm和540nm之间。其他厚度可用于其他吸收材料和激发波长。在一些情况下，中间层1-334的厚度基本相同，并且可以不同于半导体吸收材料层1-336的厚度，尽管在一些情况下，中间层1-334可以具有至少两种不同的厚度。在一些实施例中，中间层1-334的厚度对于氧化硅可以在50nm和150nm之间并且激发特征波长在515nm和540nm之间。其他厚度可用于其他中间层材料和激发波长。
通过使用如图1-3所示的多个半导体吸收材料层1-336，层间光学干涉效应可以有效地锐化半导体吸收体的带边陡度，提高半导体吸收体1-335的抑制比。带边干涉锐化可以允许半导体吸收材料1-336的较低质量的结晶度。在一些实施例中，多晶或非晶半导体材料(例如，非晶硅、非晶碳化硅、非晶ZnTe、非晶InGaN等)可用于具有多个半导体吸收材料层1-336的半导体吸收体1-335。
半导体吸收体2-135的更多细节在图2-1中示出。在各种实施例中，半导体吸收体2-135包括半导体吸收层2-210。图2-1所示的结构可以在仅具有一层半导体吸收材料的半导体吸收体中实现，也可以用于具有多层半导体吸收材料的半导体吸收体中的一层或多层。半导体吸收层可以由具有带隙的半导体材料形成。例如，半导体吸收层可以由具有对应于光谱的可见范围的带隙的化合物半导体材料形成。示例材料包括但不限于碲化锌、氮化铟镓、磷化镓、氧化钒、氮化钽、砷化铝、硅化镁、锑化铝、砷化硅和砷化铟。适用于某些应用的其他材料包括碳化硅、碳氢硅、硫化镉、氧化镉和硒化锌。这样的示例性材料可以以各种化学计量比来实施。半导体吸收层2-210在一些实施例中可以是多晶的，或者在一些实施例中可以是单晶的。在一些情况下，多晶半导体吸收层2-210的平均晶粒尺寸可以不小于20nm，在横向、面内方向上测量。在一些情况下，多晶半导体吸收层2-210的平均晶粒尺寸可以不小于1μm，在横向、面内方向上测量。在一些实施例中，半导体吸收层2-210可以包括非晶半导体材料。根据一些实施例，半导体吸收层2-210的厚度可以在200nm和5μm之间。在一些情况下，半导体吸收层2-210的厚度可以在1μm和2μm之间。
可以选择或定制用于半导体吸收层2-210的半导体材料的类型，以提供对激发辐射的期望吸收和对从反应室1-230发射的辐射的透射。例如，可以选择或定制半导体材料以具有带隙，使得具有大于带隙的光子能量的激发辐射将主要被半导体材料吸收，并且来自具有小于带隙的光子能量的反应室1-230的荧光团发射将主要由半导体材料透射。在实施例中，带隙被选择或调整为使得被吸收的波长和被透射的波长之间的转变位于由光波导1-115提供的激发辐射和从反应室1-230发射的荧光发射之间。半导体吸收层2-210的带隙可以通过改变半导体的组成来调整(例如，改变InxGa1-xN中In和Ga的化学计量比，其中x的值范围为0<x<1)。
图2-2中示出了由ZnTe形成的半导体吸收层2-210的示例透射率曲线。在一些实施例中，激发辐射可以具有532nm的特征波长，并且荧光发射可以具有介于560nm和580nm之间的特征波长值。对于其中激发辐射具有大约532nm的特征波长的示例，半导体吸收层2-210透射的发射辐射(例如朝向传感器1-122)是激发辐射的大约400倍(抑制比Rr～400)。在一些实施例中，激发辐射可以具有在500nm和540nm之间的特征波长，并且发射辐射可以具有在560nm和650nm之间的特征波长。在一些情况下，抑制比可以更高(例如，在400和800之间，在800和1000之间，或在1000和3000之间)。根据一些实施例，半导体吸收体可以将期望的检测到的辐射(例如，来自反应室)衰减5％到85％之间，同时将不需要的辐射衰减得比这个量大得多。
发明人已经认识到并理解，滤光器截止的突然性以及波长大于截止的透射辐射与波长小于截止的吸收辐射的比率取决于半导体吸收层2-210的厚度、半导体吸收层的数量，半导体吸收层的晶体质量，以及激发和发射特征波长的分离，并且这些参数中的每一个都可以在一定程度上进行修改。例如，可以通过调整半导体吸收材料的沉积时间长度来控制半导体吸收层2-210的厚度。
在一些实施例中，可选择沉积工艺的类型(例如，金属有机化学气相沉积、分子束外延或物理气相沉积)以改善半导体吸收层2-210的晶体质量。在一些情况下，不同材料的种子层可以首先沉积在下层上，以提高随后沉积的半导体吸收层2-210的晶体质量。在一些实施例中，可以执行沉积后退火步骤以提高半导体吸收层2-210的晶体质量。在一些实施例中，半导体吸收层2-210可以具有不小于20nm的平均晶粒尺寸，如在层的平面中测量的。在某些情况下，平均晶粒尺寸不小于50nm。在一些情况下，平均晶粒尺寸不小于100nm。在一些情况下，平均晶粒尺寸不小于500nm。在某些情况下，平均晶粒尺寸介于40nm和100nm之间。在某些情况下，平均晶粒尺寸介于100nm和500nm之间。在某些情况下，平均晶粒尺寸介于100nm和1m之间。在某些情况下，平均晶粒尺寸介于1m和3m之间。在某些情况下，平均晶粒尺寸介于2m和5m之间。在某些情况下，平均晶粒尺寸介于5m和10m之间。根据一些实施例，半导体吸收层2-210可以具有更大的晶粒尺寸或者可以基本上是单晶。例如，半导体吸收层2-210可以从使用操作晶圆生长的单晶晶圆分层和转移，并且通过结合到基板1-105上的底层而沉积。
在一些实施例中，半导体吸收层2-210可以具有特定的结晶形态，例如纤维状、圆柱形或薄饼状。纤维形态可·呈现在半导体吸收层2-210中垂直取向的纤维状或高柱状晶体。图2-4的透射电子显微镜图像中显示了纤维状晶体的一个示例。长柱状晶体具有高纵横比(例如，长径比大于10:1)，垂直取向，并在碲化锌层内形成。圆柱形形态可具有长径比在0.5:1和10:1之间的晶粒。薄饼形态可能具有长径比小于0.5:1的晶粒。
在一些情况下，半导体吸收层2-210可以由非晶半导体材料形成。例如，本文所述的任何半导体材料可以通过溅射、电子束蒸发或诸如等离子体增强化学气相沉积(PECVD)的化学气相沉积工艺沉积为非晶材料。示例非晶半导体材料包括但不限于非晶硅、非晶碳化硅、非晶氮化硅、非晶氧化硅、非晶ZnTe、非晶InGaN及其合金。在一些实施例中，非晶半导体材料或合金可以被氢化(例如，非晶氢化硅、非晶氢化碳化硅等)。在一些实施例中，可在沉积期间，例如，在化学气相沉积过程期间向非晶半导体材料或合金添加氮。在一些情况下，可以在沉积过程中将氮和/或其他元素添加到材料中，例如非晶硅，以将折射率n和消光系数k调整到透射和阻挡感兴趣波长所需的值。在一些实施例中，沉积的非晶半导体材料可以包括分布在整个非晶半导体材料中的纳米晶体或微晶体。非晶半导体吸收层2-210可用于本文所述的任何半导体吸收体结构中。在实践中，使用现有的铸造工具和工艺在基板上制造非晶半导体吸收层2-210可能更容易且成本更低。在一些情况下，非晶半导体或其他材料的沉积可以在例如与CMOS工艺兼容的较低温度(例如，低于500℃)下实现。尽管非晶半导体材料可能无法提供与相同类型的多晶或晶体半导体材料一样陡峭的带边，但是当特征激发和发射波长存在较大差异时，带边可能就足够了。但是，一些微加工工艺可使多晶或晶体半导体材料以与CMOS结构兼容的方式使用。
吸收层(例如半导体吸收层2-210)的优点在于，它可以具有比其他类型的波长滤光器(例如多层介电滤光器)更高的角度公差。在介电滤光器中，各层吸收的辐射量可忽略不计(例如，小于入射辐射的百分之一)。例如，厚度约为2微米的多层介电滤光器(例如分布式布拉格反射器)可以在垂直入射时提供大约800的抑制比Rr。抑制比Rr是发射波长(对于示例结构为572nm)的透射强度与激发波长(对于示例结构为532nm)的透射强度之比。在30度入射角时，抑制比Rr降至110。相反，2.0微米厚的ZnTe半导体吸收层2-210在所有入射角提供超过800的抑制比Rr。因此，在角度公差方面，微米级薄膜吸收层或半导体吸收层2-210可以胜过微米级薄膜多层介电滤光器，并且另外与广泛可用的CMOS处理设备兼容。例如，半导体吸收层2-210可以包括一个或几个层，这些层可能不具有多层介电滤光器所需的严格尺寸公差。
根据一些实施例，半导体吸收层2-210可以由InGaN形成，其可以在宽范围内提供带隙的可调性。例如，通过改变In和Ga的浓度比，带隙可以从0.8eV调整到3.4eV，覆盖整个可见光波长范围。InGaN可以作为单晶材料在晶体基板上外延生长，也可以通过各种化学和物理沉积方法以多晶形式沉积，包括金属有机化学气相沉积(MOCVD)、分子束外延(MBE)、溅射、反应溅射、和其他既定方法。在一些实施例中，带隙可以通过将二元半导体与第三族II和/或VI族元素合金化或以其他方式组合来调整。所得ZnTe半导体组合物的一些示例包括但不限于ZnTeO和CdZnTe。
单晶InGaN的建模表明，对于1.5微米的层厚，可以获得大于3000的抑制比Rr(572nm/532nm)。在一些实施例中，半导体吸收体2-135可以包括由InGaN形成的半导体吸收层2-210。吸收层的厚度可以在200nm和3微米之间，并且该层的抑制比Rr可以在20和100000之间。图2-3中描绘了单晶InGaN的抑制比Rr随层厚度变化的示例曲线。
在一些实施例中，可以邻近半导体吸收层2-210形成一个或多个覆盖层2-220。在一些情况下，在半导体吸收层2-210的一侧可以有一个覆盖层2-220。在其他情况下，在半导体吸收层2-210的每一侧，例如顶侧和底侧，可以有覆盖层。根据一些实施例，覆盖层2-220可以包括至少一个厚度在20nm和100nm之间的薄层，但是在一些情况下可以使用更厚的层。在一些实施例中，半导体吸收层2-210一侧上的覆盖层2-220可以包括多层不同材料。可用于覆盖层2-220的示例性材料包括但不限于氮化硅、氧化铝、氧化钛、氧化铪和氧化钽。
可包括一个或多个覆盖层2-220以防止半导体吸收层2-210扩散到相邻材料中或防止半导体吸收材料释放到环境中。在一些实施例中，与半导体吸收层2-210单独提供的粘附相比，覆盖层2-220可额外或替代地提供对紧邻层的改进粘附。在一些实施例中，一个或多个覆盖层2-220可减少或诱导半导体吸收层2-210中的应力和/或改善半导体吸收层2-210的结晶度。在某些情况下，覆盖层2-220可通过提供补偿类型的应力(例如，如果半导体吸收层具有压缩应力，则提供拉伸应力)来减少来自组件中半导体吸收层2-210的应力。
另外或可选地，在一些实施例中，可形成覆盖层以减少来自半导体吸收层2-210的光学反射。在一些情况下，半导体吸收层2-210可具有与相邻层显著不同的折射率，这会导致来自半导体吸收层2-210和相邻层之间的界面的大量反射辐射。就此而言，一个或多个覆盖层2-220可形成为半导体吸收层2-210的防反射涂层，并在一个波长范围内减少一个或多个波长的光学反射。例如，覆盖层2-220可减少来自反应室1-230的发射辐射的反射和/或激发辐射的反射。对于由ZnTe形成并具有相邻氧化硅层的半导体吸收层2-210，在532nm和572nm处的反射可分别约为14％和10％。添加63nm厚的氮化硅覆盖层2-220，可以将这些反射降低到1％以下。根据一些实施例，与不存在氧化物或氮化物覆盖层的情况相比，与半导体吸收层相邻形成的氧化物或氮化物覆盖层减少了来自半导体吸收层的对于500nm和750nm之间的可见波长的光学反射。可选择氧化物或氮化物覆盖层的厚度以减少所需波长的光学反射。
根据一些实施例，半导体吸收层2-210可单独或与一个或多个覆盖层2-220合并到包括一个或多个具有不同于半导体吸收层2-210的光学特性的介电层的堆叠中，例如，如图1-3所示。可以选择一个或多个介电层、半导体吸收层2-210和一个或多个覆盖层2-220(如果存在)的厚度以提供激发辐射和/或发射辐射的光学干涉。这样，半导体吸收层2-210和一个或多个介电层可以形成混合吸收干扰滤光器，与单独的半导体吸收体1-235的抑制比Rr相比，该混合吸收干涉滤光器可以进一步增加堆叠的抑制比Rr。在一些情况下，这种多层堆叠可以包括一个或多个由多晶或非晶半导体材料形成的半导体吸收层2-210。在一些情况下，多层堆叠可以包括由不是半导体的多晶或非晶材料形成的一个或多个吸收层。
发明人已经进一步认识到并理解，发射辐射可以使用德克斯特能量转移(DET)和/或福斯特共振能量转移(FRET)过程转移到更长的波长。例如，可能有两个荧光团与分析物或样本相关联。两个荧光团中的第一个可以通过传递到反应室的激发辐射比第二个荧光团更有效地激发。第二荧光团可以用化学连接剂连接，以便它与第一荧光团相距不远(例如，小于10nm)。因此，来自第一荧光团的发射能量可以从第一荧光团转移到第二荧光团，并激发第二荧光团，使其以比第一荧光团更长的特征波长发射辐射并被传感器1-122检测到。作为一个示例，第一荧光团可以发射光谱的黄色区域内的特征波长，第二荧光团可以发射红移的特征波长，例如光谱的黄色-红色或红色区域内的特征波长。在某些情况下，从第一荧光团到第二荧光团的能量转移可以是非辐射DET或FRET过程。发射辐射的能量转移和转移到更长的特征波长导致比单个荧光团的斯托克斯位移更大的有效斯托克斯位移。这种增加的有效斯托克斯位移可以将发射辐射从半导体吸收体的带边移至更远的位置，在该位置，半导体吸收体对发射波长的吸收小于第一荧光团的吸收。
通常，希望使用在激发波长和发射波长之间具有大间隔的荧光团。对于荧光团中的单个电子跃迁，这种分离称为“斯托克斯位移”。在一些实施例中，可在FRET或DET方法中如上文所述使用多个荧光团以实现激发波长与发射波长之间的更大分离。由于使用多个荧光团而导致的激发波长和发射波长之间的这种较大分离在本文中被称为“有效斯托克斯位移”。
图2-5描绘了多层半导体吸收体的计算透射率结果，作为五个不同入射角的波长的函数。多层半导体吸收体由四层非晶硅组成，每层约85nm厚，由三层氧化硅隔开，每层约110nm厚。多层半导体吸收体嵌入在氧化硅中。非晶硅的折射率在532nm波长下约为4.3，其值取决于辐射波长，而氧化硅的折射率在532nm波长下约为1.5，其值是还取决于入射到半导体吸收体上的辐射波长。对于该计算，激发辐射具有大约532nm的特征波长，并且如上所述使用两个荧光团将发射特征波长移动到620nm和690nm之间的范围内的值。计算表明，使用多层半导体吸收体可以获得大于1000的抑制比。
图2-5中描绘的结果还表明，对于非法向入射角，抑制比保持不变或在某些情况下甚至更高。这种行为与多层介质带通滤光器的角度相关性不同，对于非法向入射角，抑制比会显著降低。在包括多个像素的集成装置中，在大入射角上保持高抑制比可能是有利的。例如，在大入射角上具有高抑制比的滤光器可允许像素更紧密地封装在一起，因为该滤光器可更好地阻挡或减少将被传感器1-122检测为串扰噪声的来自相邻像素的斜辐射。
在某些情况下，在较大的非法向入射角下仅保持对激发辐射的高抑制就足以增加像素密度。例如，在图2-5中，特征波长为532nm的激发辐射在高达60度或更高的非法向角度下逐渐被抑制。这种行为可以改善对相邻像素激发辐射的抑制。在一些实施例中，在大非法向入射角处增加对发射辐射的抑制的半导体吸收体可以进一步是有益的。图2-5的结果表明60度的发射辐射比35度的发射辐射衰减得更多。这种行为可以提高对来自相邻像素的发射辐射的抑制。根据一些实施例，集成装置中多个像素的中心到中心像素间距可以具有在2微米和50微米之间的范围内的值，尽管在一些情况下更小或更大的间距是可能的。
图2-6A中描绘了多层半导体吸收体滤光器2-600的另一个示例。半导体吸收体滤光器2-600可以包括被多个介电材料层2-620隔开的多个半导体吸收体层2-630。在所示的示例中，多层半导体吸收体滤光器2-600包括被六层介电材料2-620隔开的七层半导体吸收体2-630或薄膜。半导体吸收体层2-630可以吸收比介电材料层2-620明显更多的辐射(例如，至少两倍多的辐射)。作为示例，半导体吸收体2-630可以由掺氮非晶硅形成并且介电材料层2-620可以包括氧化物，例如二氧化硅。“掺杂”在本文中是指添加杂质以调整吸收体的光学特性(例如，折射率、消光系数)。多层半导体吸收体滤光器2-600可以进一步集成在基板上的周围材料2-610、2-640的堆叠中。周围材料可以是与介电材料层2-620相同或不同的材料。在一些实施例中，可以使用比图2-6A中所示的更少或更多层的半导体吸收体2-630。
尽管图2-6A中描绘的示例滤光器包括半导体吸收体，但是在其他实施例中可以使用其他材料。例如，掺杂玻璃、氧化物或氮化物可用作吸收层。在某些情况下，半导体吸收体在特定波长以下具有更强的光吸收，因此可能是某些应用的首选。一些吸收材料在530nm附近的光吸收可能有急剧转变。非晶材料在其光吸收曲线上可以有很宽的跃迁。非晶硅是一种半导体材料，在光吸收方面具有很宽的跃迁。通过将氮或其他元素作为掺杂剂引入到非晶硅或选择的吸收材料中来调整光学特性(例如，折射率、消光系数、吸收率)可能是有利的。一些情况下，所得材料形成吸收材料和掺杂剂或掺杂剂化合物(例如，非晶硅和氮化硅)的非晶合金。尽管合金化过程在此被称为“掺杂”，但是应当理解，掺杂剂不一定表现为半导体掺杂剂。在一些实施例中，所得合金的电学行为可以表征为介电吸收材料而不是半导体。对于本实施例的多层吸收体滤光器，吸收层表现出的光吸收率至少是中间介电层的两倍，并且可以进一步包括与中间层的折射率差超过百分之十或Δn≥0.1。
在许多传统的多层介电滤光器中，滤光器堆叠中的各层是四分之一波长层，并且在整个堆叠中对于每种材料使用相同厚度，使得堆叠具有非常规则的重复结构(例如，t1、t2、t1、t2、t1、t2、t1、t2)，其中t1是堆叠中第一介电材料的厚度，t2是堆叠中第二介电材料的厚度。对于多层半导体吸收体滤光器2-600，发明人已经发现，除四分之一波长之外的层厚度和非均匀厚度可以改善滤光器特性。例如，半导体吸收体层2-630可以都具有相同的厚度ta，并且介电材料层2-620可以具有大于四分之一波长的不同厚度。当吸收层的厚度大于四分之一波长而不是四分之一波长的倍数时，也可以获得改善。在一些情况下，堆叠内可能有至少三个或四个不同厚度的层。例如，厚度t1可以不同于厚度t2，并且两种厚度都可以不同于厚度t3，如图2-6A的图示中所描绘的。在其他情况下，半导体吸收体2-630的厚度ts1、ts2、…ts8和介电材料层2-620的厚度td1、td2、…td8都可以在堆叠内变化，如图2-7的多层半导体吸收体滤光器2-700所示。此外，一些层厚度可能不对应于滤光器设计用于阻挡或通过的辐射的四分之一波长。考虑到层的折射率，在层内确定四分之一波长的厚度。堆叠内相同材料和/或不同材料的厚度变化在某些情况下可能大于20％，在某些情况下可能大于50％，在某些情况下仍大于100％，但可能小于系数为10。
根据一些实施例，在多层半导体吸收体滤光器中，半导体吸收体2-630的厚度可以在20nm和300nm之间。介电材料层2-620的厚度可以在40nm和300nm之间。在一些情况下，半导体吸收体2-630可由掺杂或合金化的非晶硅或上述其他半导体材料形成。使用非晶硅的一个优点是它可以在足够低的温度下沉积以与其他CMOS工艺(例如形成后端金属化的工艺)兼容。在一些实施例中，氮可用作掺杂剂或添加剂，但在一些吸收剂中可使用其他掺杂剂或添加剂(例如，碳、磷、锗、砷等)。对于掺氮非晶硅的情况，在非晶硅沉积期间添加的氮量可以在0和40原子百分比之间。该掺杂水平范围可以产生介于2.6和4.3之间的折射率值范围和介于0.01和0.5之间的消光系数值范围。在其他实施例中可以使用其他掺杂剂、半导体材料和掺杂范围以获得特定波长范围(例如，绿色、蓝色或紫外波长或红外波长)的不同折射率和消光系数值。
图2-6B描绘了多层半导体吸收体2-600的计算透射率结果，如图2-6A所示，作为五个不同入射角波长的函数。多层半导体吸收体由七层氮掺杂非晶硅吸收体2-630组成。对于该示例，半导体吸收体2-630的每一层大约30nm厚。介电材料2-620的最外层的厚度t1大约为67nm。朝向堆叠中心移动的下一层介电材料2-620的厚度大约为108nm。介电材料2-620的最内层的厚度t3大约为95nm。多层半导体吸收滤光器2-600嵌入在氧化硅中。掺杂非晶硅的折射率在532nm波长下约为3.6，其值取决于辐射波长。掺杂非晶硅的消光系数k在532nm波长处约为0.2，并且具有波长依赖性。氧化硅的折射率在532nm波长下约为1.5，其值还取决于入射到半导体吸收体上的辐射波长。
对于图2-6B中所示的结果，滤光器设计适用于特征波长约为532nm的激发辐射(由图中左侧阴影条指示)。此外，如上所述使用两个荧光团来增加FRET和/或DET过程的有效斯托克斯位移，并将发射特征波长移动到640nm和700nm之间的范围内的值(由图中右侧阴影区域表示)。结果表明，当吸收滤光器中包括不是四分之一波长厚的层时，可以获得大于24000的抑制比。结果还显示了滤光器非常好的角度依赖性，对于高达60度的入射角保持高抑制比。
对于结合图2-6B描述的多层半导体吸收体滤光器2-600，角度相关性的进一步细节在图2-6C中示出。绘制的曲线是针对以不同角度入射到滤光器上的特征波长为532nm的s偏振辐射。p偏振辐射的结果显示出较小的角度公差。顶部轨迹绘制了入射辐射的反射率R。中间轨迹绘制了入射辐射的吸收率A，下部轨迹绘制了入射辐射的透射率T。对s偏振辐射的角度公差非常好，可达到约80度，这是传统的多层介电滤光器无法实现的。例如，对于介于0度和80度之间的入射角，抑制比保持在10000以上。在一些实施例中，在相同的入射角范围内，滤光器的反射率的变化可以小于其平均值的20％。在包括不均匀厚度的层的堆叠中，发明人最初没有预料到如此高的废品率和如此宽的角度公差。
可以理解，滤光器的性能可以根据滤光器周围的材料(例如，当集成到基板中时位于滤光器的上方和下方，如图1-3中所示)而不同。例如，当集成在基板上时，来自基板上其他材料的反射可能会改变滤光器的反射、吸收和透射特性，这些计算结果如图2-6B和图2-6C所示。
图2-7示出了多层半导体吸收体滤光器2-700的另一个示例。该滤光器设计包括半导体吸收层2-630和介电材料层2-620两者的厚度变化。在示例实施例中，半导体吸收体层2-630的厚度是(分别从ts1到ts8)大约32nm、大约153nm、大约145nm、大约32nm、大约145nm、大约32nm、大约145nm和大约133nm。在实施的装置中，厚度可以正好是所列值或在这些值的±5nm内。介电材料层2-620的厚度是(分别从td1到td7)大约56nm、大约100nm、大约79nm、大约100nm、大约100nm、大约79nm和大约100nm。在实施的装置中，厚度可以正好是所列值或在这些值的±5nm内。图2-7中所示的滤光器设计可能适用于使用单个荧光团的应用(例如，不使用FRET或DET)。
可以通过吸收材料和介电材料的顺序定时沉积来形成多层吸收体滤光器。可以定时沉积以获得每层所需的厚度。可以使用化学气相沉积工艺。优选的沉积方法是等离子体增强化学气相沉积(PECVD)。在一些实施例中，沉积的吸收层的数量可以少于20个，在一些实施例中少于10个，在一些实施例中还少于5个。根据一些实施例，吸收层可以位于集成堆叠中的区域处，该区域包括堆叠内用于激发辐射的一个或多个电场峰值的部分。在一些情况下，吸收层可以远离用于发射辐射的电场峰值。
尽管半导体吸收体1-235在图1-2中被示为平面层，但本发明不限于仅平面半导体吸收体。在一些情况下，并且现在参考图3-1，半导体吸收体3-135可以形成在第一层3-110上以具有形貌结构。根据一些实施例，形貌结构的高度h可以在100nm和2000nm之间。在一些情况下，高度h可以在半导体吸收体的厚度t的1.5倍到3倍之间。根据一些实施例，拓扑结构中的凹陷3-113或波峰3-114的宽度w可以具有50nm和500微米之间的任何值。如图3-1所示，可以在半导体吸收体上沉积第二层3-112以填充形貌。
可以包括半导体吸收体3-135中的形貌以减轻半导体吸收体3-135中的面内应力。在某些情况下，由于沉积过程，半导体吸收材料可能会积累面内应力。这种应力如果足够严重，会导致基板翘曲，并且在某些情况下会导致半导体层开裂和/或分层。形貌可以允许应力被释放并防止翘曲、开裂和分层。在一些实施例中，在反应室1-230和对应传感器1-122之间的半导体吸收体3-135的区域中可以有一个或多个形貌特征。在一些情况下，反应室1-230和传感器1-122之间可能没有形貌，并且形貌可以在像素内或像素之间的相邻区域中。在一些实施例中，半导体吸收体3-135中的形貌特征可以间隔大于500微米(例如，高达1毫米或更多)的距离，并且在一些情况下，形貌特征可以位于像素区域之外并且足以减轻像素区域的压力。
在一些情况下，半导体吸收体3-135中的形貌可以提供额外的改进。例如，形貌可能会增加滤光器的整体吸收，因为通过吸收体的较长路径将呈现给某些入射辐射。此外，沉积的半导体吸收层的结晶度可以通过形貌(例如，通过诱导或消除膜应力)来提高，从而导致更陡峭的滤光器截止和更好的抑制比。
在一些情况下，可以在沉积之后回蚀刻包括形貌的半导体吸收体3-135以形成一个或多个穿过半导体吸收体的绝缘通孔3-210，如图3-2所示。在该示例中，垂直互连件2-160可以穿过绝缘通孔3-210而不电连接到半导体吸收吸收体3-135。一个像素内可以有一个或多个绝缘通孔3-210和垂直互连件2-160。垂直互连件可以连接到其他平面内互连件2-170或半导体吸收体3-135上方和/或下方的潜在参考平面。在一些实施例中，可以添加填充材料3-230以填充半导体吸收体3-135中的凹陷区域。填充材料3-230可以是与形成在剩余半导体吸收体3-135上方的第二层3-112相同或不同的材料。
在一些实施例中，像素内可能没有垂直互连件。取而代之的是，可以穿过半导体吸收体1-235、3-135并在绝缘通路3-210内开设孔，从而可以对半导体吸收体3-135下方的接触焊盘进行引线键合。例如，引线键合可以位于像素区域之外。可以通过图案化光刻胶或硬掩模并在未被光刻胶或硬掩模覆盖的暴露区域中蚀刻半导体吸收体来打开用于引线键合的孔。在蚀刻之前，蚀刻的半导体吸收体可以具有或可以不具有形貌结构。
图3-3描绘了半导体吸收体3-135的另一个实施例，其被形成为在第一层3-110之上具有形貌结构。在该实施例中，绝缘通路3-310仅形成在垂直互连件2-160穿过的区域中。与图3-2所示的结构不同，相邻区域可以包括在半导体吸收体3-135中没有中断的形貌。根据该实施例，第二层3-312可以形成在半导体吸收体的与绝缘通孔3-310相邻的区域之上。第二层3-312可以与形成在第二层3-312上的第三层3-314具有相同的材料或不同的材料。在实施例中，第一层3-110、第二层3-312和第三层3-314可包括如上文结合图1-1所述的透明或半透明材料。
在图3-4A至图3-4E中示出了与用于形成具有形貌和单个绝缘通路3-310的半导体吸收体3-135的示例方法相关联的结构。根据一些实施例，可以在透明或半透明材料的第一层3-110上沉积并图案化第一抗蚀剂3-410。第一图案化抗蚀剂3-410可位于将形成单个绝缘通路3-310的位置。在一些实施例中，第一图案化抗蚀剂3-410可以是软抗蚀剂，例如聚合物抗蚀剂。根据一些实施例，可以在第一层3-310上沉积并图案化第二抗蚀剂3-420。在曝光和显影之后，一些第二图案化抗蚀剂3-420可以保留在第一图案化抗蚀剂3-410之上。位于第一图案化抗蚀剂3-410上方的第二图案化抗蚀剂3-420可以限定要形成的绝缘通路3-310的尺寸和位置。根据一些实施例，第二图案化抗蚀剂可以是硬抗蚀剂，例如氮化物、氧化物或金属抗蚀剂层。根据一些实施例，第二抗蚀剂3-420在第一抗蚀剂3-410之上和在下面的第一层3-110之上表现出蚀刻选择性。图案化第一抗蚀剂3-410和第二抗蚀剂3-420之后的结构可以如图3-4A所示。
在该工艺的后续步骤中，可以执行蚀刻步骤以蚀刻掉第一层3-110的未被第一图案化抗蚀剂3-410和第二图案化抗蚀剂3-420覆盖的区域。在一些情况下，可以进行初步蚀刻以蚀刻掉第一图案化抗蚀剂3-410的未被第二图案化抗蚀剂3-420覆盖的部分。如图3-4B所示，蚀刻可以产生具有腔壁3-435的蚀刻腔3-430。在蚀刻之后，第一层3-110的一些顶面3-437未被蚀刻。
在随后的工艺步骤中，去除第二图案化抗蚀剂3-420，留下第一图案化抗蚀剂3-410。然后，可以进行第二蚀刻步骤以进一步蚀刻第一层3-110，如图3-4C所示。在该第二次蚀刻中，蚀刻腔3-430和第一层3-437的顶面都被回蚀刻，而不蚀刻第一图案化抗蚀剂3-410下方的柱3-440的顶面。完成第二次蚀刻后得到的柱3-440可以比周围的形貌高。
在将形貌蚀刻到第一层3-110中之后，可以从第一层3-110去除第一图案化抗蚀剂3-410，并且清洁该层的表面以准备沉积半导体吸收体3-135。然后可以在第一层3-110的形貌上沉积一层或多层半导体吸收体3-135。在一些情况下，沉积可以是共形的，使得共形层在第一层3-110的水平和倾斜表面上具有均匀的厚度(在10％以内)，如垂直于接触表面所测量的。例如，可以通过等离子体沉积工艺或原子层沉积工艺或任何其他合适的沉积工艺来沉积半导体吸收体3-135。可用于沉积一层或多层半导体吸收体3-135的其他示例沉积工艺包括但不限于溅射、分子束外延、脉冲激光沉积、封闭空间升华、电子束蒸发、气相沉积、化学气相沉积、等离子体增强化学气相沉积、电沉积和金属有机化学气相沉积。在半导体吸收体1-235是平面的一些实施例中，半导体吸收体可以通过晶圆转移来沉积。在半导体吸收体3-135具有形貌的一些实施例中，半导体吸收体和一个或多个相邻层可以通过晶圆转移来沉积。在一些情况下，半导体吸收层3-135可以在沉积之后退火以提高半导体吸收层的结晶度。随后，可以在半导体吸收体3-135上方沉积第二层3-312，产生如图3-4D所示的结构。第二层3312的厚度可以大于半导体吸收体3-135和第一层3-110的形貌h的变化。如上所述，第二层3-312可以是与第一层3-110相同的类型，例如，诸如氧化物或氮化物的半透明材料。
然后可以使用化学机械抛光(CMP)来平坦化如图3-4E所示的结构。在该步骤中，抛光可以去除第二层3-312的一部分和半导体吸收体3-135的最高特征以打开绝缘通孔3-310，如图3-4E所示。可以使用额外的光刻步骤来形成穿过绝缘通孔的导电垂直互连件。第三层3-314可以沉积在第二层3-312上以形成图3-3所示的结构。为了获得图3-2所示的结构，不使用第一抗蚀剂3-410。
根据一些实施例，图4中示出了一次性芯片的示例性结构4-100。一次性芯片结构4-100可以包括具有半导体基板4-105并且包括形成在基板上的多个像素4-140的生物光电芯片4-110。每个像素4-140可以具有如上文结合图1-1至图3-4E所描述的半导体吸收体的结构和实施例。在实施例中，可以存在向一行或一列像素4-140提供激发辐射的行列波导4-115。激发辐射可以例如通过光端口4-150耦合到波导中。在一些实施例中，可以在生物光电芯片4-110的表面上形成光栅耦合器，以将来自聚焦光束的激发辐射耦合到与多个波导4-115连接的一个或多个接收波导中。
一次性芯片结构4-100还可以包括在生物光电芯片4-110上的像素区域周围形成的壁4-120。壁4-120可以是支撑生物光电芯片4-110的塑料或陶瓷外壳的一部分。壁4-120可以形成至少一个容器4-130，至少一个样品可以放置在该容器中并且与生物光电芯片4-110表面上的反应室1-130直接接触。例如，壁4-120可以防止储器4-130中的样本流入包含光学端口4-150和光栅耦合器的区域。在一些实施例中，一次性芯片结构4-100还可以包括一次性芯片外表面上的电触点和封装内的互连件，从而可以在生物光电芯片4-110上的电路和安装一次性芯片的仪器中的电路之间进行电气连接。
在一些实施例中，半导体吸收体2-135可以集成在如图4所示的一次性芯片结构中的每个像素处，然而半导体吸收体2-135不限于仅集成在本文所示出和描述的组件中。本实施例的半导体吸收体还可以集成到可能不包括光波导和/或可能不包括反应室的其他半导体器件中。例如，本实施例的半导体吸收体可以被集成到光学传感器中，对于该光学传感器可能期望在一个范围内抑制一个或多个波长。在一些实施例中，本实施例的半导体吸收体可以并入CCD和/或CMOS成像阵列中。例如，可以在成像阵列中的一个或多个像素处的光电二极管上方形成半导体吸收体，使得吸收体过滤由光电二极管接收的辐射。这种成像阵列可用于例如荧光显微成像，其中激发辐射优先被半导体吸收体衰减。此类成像阵列可用于夜视护目镜中，其中可见辐射被优先衰减，而使红外辐射通过，以防止明亮的可见光源(如LED)使护目镜致盲。
根据一些实施例，集成到组件中的半导体吸收体2-135的抑制比Rr可以具有介于10和100之间的值。在一些实施例中，抑制比Rr可以具有介于100和500之间的值。在一些情况下，抑制比Rr可以具有介于500和1000之间的值。在一些实现中，抑制比Rr可以具有介于1000和2000之间的值。在一些实施例中，抑制比Rr可以具有介于2000和5000之间的值。半导体吸收体的一个优点是，通过选择半导体吸收层的厚度，可以比多层滤光器更容易地选择抑制比Rr，这一点可以从图2-3中看出。半导体吸收体的另一个优点是散射激发辐射可以被吸收而不是反射(多层滤光器就是这样)，从而减少像素之间的串扰。另一个优点是，对于以远离半导体吸收层表面法线的角度入射的光线，半导体吸收体的有效厚度可以显著大于半导体吸收层的实际厚度。此外，如上所述，由于微加工公差，半导体吸收体的性能对半导体吸收层的厚度变化的敏感性远不如多层滤光器的性能取决于组成层的厚度。
II.示例性生物分析应用
描述了一个生物分析应用实例，其中集成半导体吸收体1-135可用于改进对从用于高级分析仪器的一次性芯片上的反应室发射的辐射的检测。例如，半导体吸收体1-135可以显著降低入射到传感器1-122上的激发辐射，从而显著降低检测到的背景噪声，否则可能会淹没从反应室1-130发射的辐射。在某些情况下，如上文结合图2-2所解释的，激发辐射的抑制可以是发射辐射衰减的800倍，从而导致来自传感器1-122的信噪比的显著改善。
当安装在仪器的插座中时，一次性芯片可以与高级分析仪器内的光学和电子设备进行光学和电子通信。该仪器可以包括用于外部接口的硬件，以便可以将来自芯片的数据传送到外部网络。在实施例中，术语“光学”可以指紫外、可见、近红外和短波长红外光谱带。尽管可以对各种样品进行各种类型的分析，但以下解释描述了基因测序。然而，本发明不限于配置用于基因测序的仪器。
综上所述，参照图5-1A，便携式高级分析仪器5-100可以包括一个或多个脉冲光源5-108，其作为可更换模块安装在仪器5-100内或以其他方式耦合到仪器5-100。便携式分析仪器5-100可以包括光耦合***5-115和分析***5-160。光耦合***5-115可以包括光学部件的某种组合(例如，可以不包括，也可以包括下列部件中的一个或一个以上的部件：透镜、反射镜、滤光器、衰减器、光束控制部件、光束整形部件)并且被配置为对来自脉冲光源5-108的输出光脉冲5-122进行操作和/或将其耦合到分析***5-160。分析***5-160可以包括多个组件，这些组件被布置为将光脉冲引导至至少一个反应室进行样品分析，从至少一个反应室接收一个或多个光信号(例如，荧光、背向散射辐射)，并产生一个或多个代表接收到的光信号的电信号。在一些实施例中，分析***5-160可以包括一个或多个光电探测器并且还可以包括信号处理电子设备(例如，一个或多个微控制器、一个或多个现场可编程门阵列、一个或多个微处理器、一个或多个数字信号处理器、逻辑门等)，其配置为处理来自光电探测器的电信号。分析***5-160还可以包括数据传输硬件，其被配置为向外部设备(例如，仪器5-100可通过一个或多个数据通信链路连接到的网络上的一个或多个外部设备)发送数据和从外部设备接收数据。在一些实施例中，分析***5-160可以被配置为接收生物光电芯片5-140，其保持一个或多个待分析的样本。
图5-1B描绘了包括紧凑型脉冲光源5-108的便携式分析仪器5-100的更详细示例。在该示例中，脉冲光源5-108包括紧凑型被动锁模激光器模块5-110。被动锁模激光器可以自主产生光脉冲，无需施加外部脉冲信号。在一些实施例中，模块可以安装到仪器底盘或框架5-102，并且可以位于仪器的外壳内部。根据一些实施例，脉冲光源5-108可包括可用于操作光源并对来自光源5-108的输出光束进行操作的附加组件。锁模激光器5-110可以包括在激光腔中或耦合到激光腔的元件(例如，可饱和吸收体、声光调制器、克尔透镜)，其引起激光器的纵向频率模式的相位锁定。激光腔可以部分地由腔端镜5-111、5-119限定。频率模式的这种锁定导致激光器的脉冲操作(例如，腔内脉冲5-120在腔端镜之间来回反弹)，并从部分发射的一端镜5-111产生输出光脉冲5-122流。
在一些情况下，分析仪器5-100被配置为接收可移除的、封装的、生物光电或光电芯片5-140(也称为“一次性芯片”)。一次性芯片可包括生物光电芯片4-110，如图4所示，其包括多个反应室、被布置为将光激发能传递到反应室的集成光学组件以及被布置为检测来自反应室的荧光发射的集成光电探测器。在一些实施例中，芯片5-140在单次使用后可以是一次性的，而在其他实施例中，芯片5-140可以重复使用两次或更多次。当芯片5-140被仪器5-100接收时，它可以与脉冲光源5-108和分析***5-160中的设备进行电光通信。例如，可以通过芯片封装上的电触点进行电通信。
在一些实施例中并参考图5-1B，一次性芯片5-140可以安装(例如，通过插座连接)在电子电路板5-130上，例如可包括附加仪器电子设备的印刷电路板(PCB)。例如，PCB 5-130可以包括配置为向芯片5-140提供电源、一个或多个时钟信号和控制信号的电路，以及配置为接收代表从反应室检测到的荧光发射的信号的信号处理电路。从芯片5-140返回的数据可以部分或全部由仪器5-100上的电子设备处理，尽管在一些实施例中，数据可以通过网络连接传输到一个或多个远程数据处理器。PCB 5-130还可以包括被配置为接收来自芯片的反馈信号的电路，该反馈信号与耦合到芯片5-140的波导中的光脉冲5-122的光耦合和功率电平有关。反馈信号可以提供给脉冲光源5-108和光学***5-115中的一个或两者，以控制光脉冲5-122的输出光束的一个或多个参数。在一些情况下，PCB 5-130可以向脉冲光源5-108提供或路由功率，以操作光源5-108中的光源和相关电路。
根据一些实施例，脉冲光源5-108包括紧凑型锁模激光模块5-110。锁模激光器可以包括增益介质5-105(在一些实施例中可以是固态材料)、输出耦合器5-111和激光腔端镜5-119。锁模激光器的光腔可以由输出耦合器5-111和端镜5-119约束。激光腔的光轴5-125可以具有一个或多个折叠(匝)以增加激光腔的长度并提供期望的脉冲重复率。脉冲重复率由激光腔的长度决定(例如，光脉冲在激光腔内往返的时间)。
在一些实施例中，激光腔中可以有额外的光学元件(图5-1B中未示出)用于光束成形、波长选择和/或脉冲形成。在一些情况下，端镜5-119包括可饱和吸收镜(SAM)，其引起纵向腔模式的被动锁模并导致锁模激光器的脉冲操作。锁模激光模块5-110还可包括用于激励增益介质5-105的泵浦源(例如，激光二极管，图5-1B中未示出)。锁模激光模块5-110的更多细节可以在2017年12月15日提交的题为“Compact Mode-Locked Laser Module”的美国专利申请15/844,469中找到，该申请通过引用并入本文。
当激光器5-110被锁模时，内腔脉冲5-120可以在端镜5-119和输出耦合器5-111之间循环，并且内腔脉冲的一部分可以作为输出脉冲5-122通过输出耦合器5-111传输。因此，当腔内脉冲5-120在输出耦合器5-111和输出耦合器5-111和激光腔中的端镜5-119。
图5-2描绘了输出脉冲5-122的时间强度分布，尽管图示不是按比例的。在一些实施例中，发射脉冲的峰值强度值可以近似相等，并且轮廓可以具有高斯时间轮廓，但是诸如sech2轮廓的其他轮廓也是可能的。在某些情况下，脉冲可能不具有对称的时间分布并且可能具有其他时间形状。每个脉冲的持续时间可以用半高全宽(FWHM)值来表征，如图5-2所示。根据锁模激光器的一些实施例，超短光脉冲可以具有小于100皮秒(ps)的FWHM值。在某些情况下，FWHM值可以介于大约5ps和大约30ps之间。
输出脉冲5-122可通过规则间隔T分离。例如，T可通过输出耦合器5-111和腔体端镜5-119之间的往返行程时间确定。根据一些实施例，脉冲分离间隔T可以在大约1ns和大约30ns之间。在某些情况下，脉冲分离间隔T可在约5ns到约20ns之间，对应于约0.7米到约3米之间的激光腔长度(激光腔内光轴5-125的近似长度)。在实施例中，脉冲分离间隔对应于激光腔中的往返行程时间，使得3米的腔长度(6米的往返距离)提供大约20ns的脉冲分离间隔T。
根据一些实施例，可以通过芯片5-140上反应室的数量、荧光发射特性和用于从芯片5-140读取数据的数据处理电路的速度的组合来确定期望的脉冲分离间隔T和激光腔长度。在实施例中，不同的荧光团可以通过它们不同的荧光衰减率或特征寿命来区分。因此，需要有足够的脉冲分离间隔T来收集所选荧光团的足够统计数据，以区分它们不同的衰减率。此外，如果脉冲分离间隔T太短，则数据处理电路无法跟上由大量反应室收集的大量数据。介于约5ns和约20ns之间的脉冲分离间隔T适用于衰减率高达约2ns的荧光团，并适用于处理来自约60000和10000000个反应室之间的数据。
根据一些实施例，光束转向模块5-150可以接收来自脉冲光源5-108的输出脉冲，并被配置为至少调整光学脉冲在芯片5-140的光学耦合器(例如，光栅耦合器)上的位置和入射角。在一些情况下，来自脉冲光源5-108的输出脉冲5-122可以由光束控制模块5-150操作，以附加地或替代地改变芯片5-140上的光耦合器的光束形状和/或光束旋转。在一些实施例中，光束控制模块5-150可以进一步提供输出脉冲光束到光耦合器上的聚焦和/或偏振调整。2016年5月20日提交的题为“Pulsed Laser and Bioanalytic System”的美国专利申请15/161,088中描述了光束转向模块的一个示例，该申请通过引用并入本文。2016年12月16日提交的题为“Compact Beam Shaping and Steering Assembly”的单独美国专利申请62/435,679中描述了光束转向模块的另一个示例，该专利申请通过引用并入本文。
参考图5-3，例如，来自脉冲光源的输出脉冲5-122可以耦合到一次性生物光电芯片5-140上的一个或多个光波导5-312中。在一些实施例中，光脉冲可以通过光栅耦合器5-310耦合到一个或多个波导，但在一些实施例中可以使用耦合到芯片5-140上的一个或多个光波导的端部。根据一些实施例，四边形探测器5-320可以位于半导体基板5-305(例如，硅基板)上以帮助将光脉冲束5-122对准光栅耦合器5-310。一个或多个波导5-312和反应室或反应室5-330可以集成在同一半导体基板上，在基板、波导、反应室和光电探测器5-322之间***介电层(例如，二氧化硅层)。
每个波导5-312可以包括在反应室5-330下方的锥形部分5-315以均衡沿波导耦合到反应室的光功率。减小的锥度可以迫使更多的光能在波导的核心之外，增加与反应室的耦合并补偿沿波导的光损失，包括辐射耦合到反应室的损失。第二光栅耦合器5-317可以位于每个波导的末端以将光能引导到集成光电二极管5-324。例如，集成光电二极管可以检测沿波导耦合的功率量并将检测到的信号提供给控制波束控制模块5-150的反馈电路。
反应室5-330或反应室5-330可与波导的锥形部分5-315对齐并凹入盆5-340中。对于每个反应室5-330，可在半导体基板5-305上设置光电探测器5-322。在一些实施例中，半导体吸收体(在图5-5中示出为滤光器5-530)可以位于波导和每个像素处的光电探测器5-322之间。可以在反应室周围和波导上方形成金属涂层和/或多层涂层5-350，以防止不在反应室中(例如，分散在反应室上方的溶液中)的荧光团的光激发。金属涂层和/或多层涂层5-350可以升高超过盆5-340的边缘以减少在每个波导的输入端和输出端处的波导5-312中的光能的吸收损失。
芯片5-140上可以有多排波导、反应室和时间分仓光电探测器。例如，在一些实施例中，可以有128行，每行具有512个反应室，总共65536个反应室。其他实施例可以包括更少或更多的反应室，并且可以包括其他布局配置。来自脉冲光源5-108的光功率可以通过一个或多个星形耦合器或多模干涉耦合器，或通过位于光耦合器5-310和芯片5-140之间的任何其他方式分配到多个波导以及多个波导5-312。
图5-4示出了从波导5-315的锥形部分内的光脉冲5-122到反应室5-330的光能耦合。该图是根据光波的电磁场模拟生成的，该模拟考虑了波导尺寸、反应室尺寸、不同材料的光学特性以及波导5-315的锥形部分与反应室5-330的距离。例如，波导可以由在二氧化硅的周围介质5-410中的氮化硅形成。波导、周围介质和反应室可以通过2015年8月7日提交的题为“Integrated Device for Probing,Detecting and Analyzing Molecules”的美国专利申请14/821,688中描述的微加工工艺形成。根据一些实施例，消逝光场5-420将由波导传输的光能耦合到反应室5-330。
图5-5中描绘了在反应室5-330中发生的生物反应的非限制性示例。该实施例描述了将核苷酸或核苷酸类似物顺序掺入与靶核酸互补的生长链中。顺序掺入可以在反应室5-330中进行，并且可以通过先进的分析仪器进行检测以对DNA进行测序。反应室可具有介于约150nm与约250nm之间的深度和介于约80nm与约160nm之间的直径。金属化层5-540(例如，用于参考电势的金属化)可以在光电探测器5-322上方图案化，以提供孔径或光圈，阻止来自相邻反应室其他不需要的辐射源的杂散辐射。根据一些实施例，聚合酶5-520可位于反应室5-330内(例如，附接到反应室的底部)。聚合酶可以吸收靶核酸5-510(例如，源自DNA的核酸的一部分)，并对互补核酸的生长链进行测序以产生DNA的生长链5-512。用不同荧光团标记的核苷酸或核苷酸类似物可以分散在反应室上方和内部的溶液中。
当标记的核苷酸或核苷酸类似物5-610并入互补核酸的生长链中时，如图5-6所示，一个或多个附着的荧光团5-630可通过从波导5-315耦合到反应室5-330的光能脉冲重复激发。在一些实施例中，一个或多个荧光团5-630可以通过任何合适的接头5-620连接到一个或多个核苷酸或核苷酸类似物5-610。合并事件可持续长达约100毫秒的时间段。在此期间，例如，可以用时间分仓光电探测器5-322检测由来自锁模激光器的脉冲激发荧光团所产生的荧光发射脉冲。在一些实施例中，在每个像素处可以有一个或多个附加的集成电子设备5-323用于信号处理(例如，放大、读出、路由、信号预处理等)。根据一些实施例，每个像素可包括至少一个滤光器5-530(例如，半导体吸收体)，其使荧光发射通过并减少来自激发脉冲的辐射的透射。一些实施例可能不使用滤光器5-530。通过将具有不同发射特性(例如荧光衰减率、强度、荧光波长)的荧光团连接到不同的核苷酸(A、C、G、T)，当DNA链5-512包含核酸时，检测和区分不同的发射特征，并能够确定生长DNA链的遗传序列。
根据一些实施例，配置为基于荧光发射特性分析样品的高级分析仪器5-100可检测不同荧光分子之间荧光寿命和/或强度的差异，和/或相同荧光分子在不同环境中的寿命和/或强度之间的差异。作为解释，图5-7绘制了两个不同的荧光发射概率曲线(A和B)，例如，它们可以代表来自两个不同荧光分子的荧光发射。参考曲线A(虚线)，在被短或超短光脉冲激发后，来自第一分子的荧光发射的概率pA(t)可能随时间衰减，如图所示。在某些情况下，随着时间的推移，光子发射概率的降低可以用指数衰减函数
Figure BDA0003248176060000291
表示，其中PAo是初始发射概率，τ1是与表征发射衰减概率的第一荧光分子相关的时间参数。τ1可被称为第一荧光分子的“荧光寿命”、“发射寿命”或“寿命”。在某些情况下，τ1的值可以被荧光分子的局部环境改变。其他荧光分子可能具有与曲线A所示不同的发射特性。例如，另一荧光分子可能具有不同于单个指数衰减的衰减曲线，其寿命可以用半衰期值或其他一些度量来表征。
第二荧光分子可能具有指数衰减曲线pB(t)，但具有明显不同的寿命τ2，如图5-7中的曲线B所示。在所示示例中，曲线B的第二荧光分子的寿命比曲线A的寿命短，并且在第二分子激发后发射概率pB(t)比曲线A更高。在一些实施例中，不同荧光分子的寿命或半衰期值范围为约0.1ns至约20ns。
荧光发射寿命的差异可用于区分不同荧光分子的存在或不存在和/或区分荧光分子所处的不同环境或条件。在某些情况下，基于寿命(而不是发射波长)辨别荧光分子可以简化分析仪器5-100的各个方面。例如，在根据寿命辨别荧光分子时，可以减少或消除波长识别光学器件(例如波长滤光器、每个波长的专用探测器、不同波长的专用脉冲光源和/或衍射光学器件)。在某些情况下，以单个特征波长工作的单个脉冲光源可用于激发不同的荧光分子，这些荧光分子在光谱的相同波长区域内发射，但具有可测量的不同寿命。使用单个脉冲光源而不是在不同波长下工作的多个光源来激发和识别在同一波长区域发射的不同荧光分子的分析***，其操作和维护的复杂性更低，结构更紧凑，并且可以以更低的成本制造。
尽管基于荧光寿命分析的分析***具有一定的优势，但通过允许使用额外的检测技术，可以增加分析***获得的信息量和/或检测精度。例如，一些分析***5-160还可以配置为基于荧光波长和/或荧光强度识别样本的一个或多个特性。
再次参考图5-7，根据一些实施例，可以使用配置为在荧光分子激发后对荧光发射事件进行时间分仓的光电探测器来区分不同的荧光寿命。时间分仓可以在光电探测器的单个电荷累积周期期间发生。电荷累积周期是读出事件之间的间隔，在此期间光生载流子累积在时间分仓光电探测器的分档中。通过发射事件的时间分仓确定荧光寿命的概念在图5-8中以图形方式介绍。在t1之前的时刻te，由短或超短光脉冲激发荧光分子或相同类型(例如，对应于图5-7的曲线B的类型)的荧光分子的集合。对于大分子系综，发射强度可具有类似于曲线B的时间分布，如图5-8所示。
然而，对于单个分子或少量分子，对于该示例，根据图5-7中曲线B的统计发生荧光光子的发射。时间分仓光电探测器5-322可以将从发射事件产生的载流子累积到离散时间仓中。在图5-8中指示了三个仓，但在实施例中可以使用更少的仓或更多仓。仓是相对于荧光分子的激发时间te在时间上解析的。例如，第一仓可以累积在时间t1和t2之间的间隔期间产生的载流子，发生在时间te的激发事件之后。第二仓可以累积在时间t2和t3之间的间隔期间产生的载流子，第三仓可以累积在时间t3和t4之间的间隔期间产生的载流子。当对大量发射事件求和时，时间仓中累积的载流子可以近似于图5-8中所示的衰减强度曲线，并且单元信号可以用于区分不同的荧光分子或荧光分子所在的不同环境。
时间分仓光电探测器5-322的示例在2015年8月7日提交的题为“IntegratedDevice for Temporal Binning of Received Photons”的美国专利申请14/821,656和2017年2月22日提交的题为“Integrated Photodetector with Direct Binning Pixel”美国专利申请15/852,571中有所描述，其全部内容通过引用并入本文。出于解释的目的，图5-9中描绘了时间分仓光电探测器的非限制性实施例。单个时间分仓光电探测器5-322可以包括光子吸收/载流子产生区5-902、载流子放电通道5-906和多个载流子存储仓5-908a、5-908b，全部形成在半导体基板上。载流子传输通道5-907可以连接在光子吸收/载流子生成区域5-902和载流子存储仓5-908a、5-908b之间。在所示示例中，显示了两个载流子存储仓，但可能更多或更少。可以有一个读出通道5-910连接到载流子存储仓。光子吸收/载流子产生区5-902、载流子放电通道5-906、载流子存储仓5-908a、5-908b和读出通道5-910可以通过对半导体进行局部掺杂和/或形成相邻绝缘区域来形成，以提供载流子的光探测能力、限制和传输。时间分仓光电探测器5-322还可以包括形成在基板上的多个电极5-920、5-921、5-922、5-923、5-924，这些电极被配置为在装置中产生电场，以用于通过装置传输载流子。
在操作中，来自脉冲光源5-108(例如，锁模激光器)的激发脉冲5-122的一部分通过时间分仓光电探测器5-322被传送到反应室5-330。最初，一些激发辐射光子5-901可能到达光子吸收/载流子产生区域5-902并产生载流子(显示为浅色阴影圆圈)。也可能有一些荧光发射光子5-903与激发辐射光子5-901一起到达并产生相应的载流子(显示为暗阴影圆圈)。最初，与荧光发射产生的载流子数量相比，由激发辐射产生的载流子数量可能太大。例如，可以通过将在时间间隔|te–t1|期间产生的初始载流子选通到具有第一电极5-920的载流子放电通道5-906来拒绝它们。
稍后，大部分荧光发射光子5-903到达光子吸收/载流子生成区域5-902并产生载流子(用深色阴影圆圈表示)，这些载流子提供代表来自反应室5-330的荧光发射的有用且可检测的信号。根据一些检测方法，第二电极5-921和第三电极5-923可以在稍后的时间被选通以将在稍后时间(例如，在第二时间间隔|t1–t2|)产生的载流子引导至第一载流子存储仓5-908a。随后，第四电极5-922和第五电极5-924可在稍后时间(例如，在第三时间间隔|t2–t3|期间)被门控以将载流子引导至第二载流子存储仓5-908b。在对大量激发脉冲进行激发脉冲之后，可以以这种方式继续电荷累积，以在每个载流子存储仓5-908a、5-908b中累积可观数量的载流子和信号电平。稍后，可以从仓中读出信号。在一些实施例中，对应于每个存储仓的时间间隔处于亚纳秒时间尺度，但在一些实施例中可以使用更长的时间尺度(例如，在荧光团具有更长衰减时间的实施例中)。
在激发事件(例如，来自脉冲光源的激发脉冲)之后产生载流子和对载流子分仓的过程可以在单个激发脉冲之后发生一次，或者在时间分仓光电探测器5-322的单个电荷累积周期期间在多个激发脉冲之后重复多次。电荷累积完成后，载流子可以通过读出通道5-910从存储仓中读出。例如，可以对电极5-923、5-924和至少对电极5-940施加适当的偏压序列，以从存储仓5-908a、5-908b移除载流子。电荷累积和读出过程可以在芯片5-140上的大规模并行操作中发生，从而产生数据帧。
尽管结合图5-9所描述的示例包括多个电荷存储仓5-908a、5-908b，但在一些情况下，可以替代地使用单个电荷存储仓。例如，在时间分仓光电探测器5-322中可以仅存在仓1。在这种情况下，单个存储仓5-908a可以以可变时间门控方式操作以查看不同激发事件之后的不同时间间隔。例如，在第一系列激发脉冲中的脉冲之后，存储仓5-908a的电极可以被选通以收集在第一时间间隔期间(例如，在第二时间间隔|t1–t2|期间)产生的载流子，并且累积信号可以在第一预定数量的脉冲后读出。在同一反应室的后续一系列激发脉冲中的脉冲之后，存储仓5-908a的相同电极可以被选通以收集在不同间隔期间(例如，在第三时间间隔|t2–t3|期间)产生的载流子，并且累积信号可以在第二预定数量的脉冲后读出。如果需要，可以在以后的时间间隔内以类似的方式收集载流子。以这种方式，在激发脉冲到达反应室之后的不同时间段内对应于荧光发射的信号水平可以使用单个载流子存储仓产生。
无论激发后如何在不同的时间间隔内进行电荷积累，例如，读出的信号都可以提供代表荧光发射衰减特性的柱状图。图5-10A和图5-10B说明了一个示例性过程，其中使用两个电荷存储仓来从反应室获取荧光发射。直方图的仓可以指示在反应室5-330中激发荧光团之后的每个时间间隔内检测到的光子数量。在一些实施例中，如图5-10A中所描绘的，将在大量激发脉冲之后累积用于仓的信号。激发脉冲可在由脉冲间隔时间T分隔的时间te1、te2、te3、…teN处出现。在某些情况下，对于在反应室中观察到的单个事件(例如，DNA分析中的单核苷酸掺入事件)，在电子存储仓中积累信号期间，可向反应室施加105至107个激发脉冲5-122(或其部分)。在一些实施例中，一个仓(bin 0)可以被配置为检测随每个光脉冲传递的激发能量的幅度，并且可以用作参考信号(例如，对数据进行归一化)。在其他情况下，激发脉冲幅度可以是稳定的，在信号采集期间确定一次或多次，并且在每个激发脉冲之后不确定，使得在每个激发脉冲之后没有bin0信号采集。在这种情况下，由激发脉冲产生的载流子可以从光子吸收/载流子产生区域5-902中被拒绝和转储，如上文结合图5-9所述。
在一些实施例中，如图5-10A所示，在激发事件之后可以从荧光团仅发射单个光子。在时间te1的第一次激发事件之后，在时间tf1发射的光子可能发生在第一时间间隔内(例如，在时间t1和t2之间)，从而产生的电子信号在第一个电子存储仓中累积(贡献于仓1)。在时间te2处的后续激发事件中，在时间tf2发射的光子可能发生在第二时间间隔内(例如，在时间t2和t3之间)，因此产生的电子信号贡献于仓2。在时间te3的下一个激发事件之后，光子可以在第一时间间隔内发生的时间tf3发射。
在一些实施例中，在反应室5-330处接收到每个激发脉冲之后可能不存在发射和/或检测到的荧光光子。在某些情况下，每10000个激发脉冲发送到反应室，反应室中检测到的荧光光子可能只有一个。将锁模激光器5-110实现为脉冲激发源5-108的一个优点是，锁模激光器可以在高脉冲重复率(例如，50MHz和250MHz之间)。在如此高的脉冲重复率下，10毫秒电荷累积间隔内的激发脉冲数可以达到50000到250000，从而可以累积可检测信号。
在大量激发事件和载流子累积之后，可以读出时间分仓光电探测器5-322的载流子存储仓，以便为反应室提供多值信号(例如，两个或更多值的直方图、N-维向量等)。每个仓的信号值可以取决于荧光团的衰减率。例如并再次参考图5-8，与具有衰减曲线A的荧光团相比，具有衰减曲线B的荧光团在仓1到仓2中的信号比率将更高。可以分析来自仓的值，并将其与校准值和/或彼此进行比较，以确定存在的特定荧光团。例如，对于测序应用，识别荧光团可以确定掺入到正在生长的DNA链中的核苷酸或核苷酸类似物。对于其他应用，识别荧光团可以确定感兴趣的分子或样本的身份，其可以连接到荧光团或用荧光团标记。
为了进一步帮助理解信号分析，可以将累积的多仓值绘制为直方图，例如如图5-10B所示，或者可以记录为N维空间中的向量或位置。可单独执行校准运行，以获取与四个核苷酸或核苷酸类似物相连的四个不同荧光团的多值信号(例如，校准直方图)的校准值。例如，校准直方图可如图5-11A(与T核苷酸相关联的荧光标签)、图5-11B(与A核苷酸相关联的荧光标签)、图5-11C(与C核苷酸相关联的荧光标签)和图5-11D(与G核苷酸相关联的荧光标签)所示。将测量的多值信号(对应于图5-10B的直方图)与校准多值信号进行比较，可确定并入DNA生长链的核苷酸或核苷酸类似物的身份“T”(图5-11A)。
在一些实施例中，可以额外地或替代地使用荧光强度来区分不同的荧光团。例如，一些荧光团可能以显著不同的强度发射或在它们的激发概率上具有显著差异(例如，至少大约35％的差异)，即使它们的衰减率可能相似。通过将分仓信号(仓5-3)与测量的激发能量和/或其他获取的信号进行参考，可以根据强度水平区分不同的荧光团。
在一些实施例中，不同数量的相同类型的荧光团可以连接到不同的核苷酸或核苷酸类似物，从而可以基于荧光团强度来识别核苷酸。例如，两个荧光团可以连接到第一核苷酸(例如，“C”)或核苷酸类似物，四个或更多个荧光团可以连接到第二核苷酸(例如，“T”)或核苷酸类似物。由于荧光团的数量不同，不同的核苷酸可能有不同的激发和荧光团发射概率。例如，在信号累积间隔期间，“T”核苷酸或核苷酸类似物可能有更多的发射事件，因此仓的表观强度明显高于“C”核苷酸或核苷酸类似物。
基于荧光团衰减率和/或荧光团强度区分核苷酸或任何其他生物或化学样本能够简化分析仪器5-100中的光激发和检测***。例如，可以用单波长源(例如，产生一个特征波长的源而不是多个源或在多个不同特征波长下工作的源)进行光激发。此外，检测***中可能不需要波长区分光学器件和滤光器来区分不同波长的荧光团。此外，单个光电探测器可用于每个反应室，以检测来自不同荧光团的发射。
短语“特征波长”或“波长”用于指辐射的有限带宽内的中心或主要波长(例如，脉冲光源输出的20nm带宽内的中心或峰值波长)。在一些情况下，“特征波长”或“波长”可用于指源输出的辐射的总带宽内的峰值波长。
发射波长在约560nm至约900nm范围内的荧光团可提供足够数量的荧光，以便由时间分仓光电探测器(可使用CMOS工艺在硅片上制造)检测。这些荧光团可以连接到感兴趣的生物分子，例如用于基因测序应用的核苷酸或核苷酸类似物。与较长波长的荧光相比，在硅基光电探测器中可以以更高的响应率检测到此波长范围内的荧光发射。此外，该波长范围内的荧光团和相关接头可能不会干扰核苷酸或核苷酸类似物掺入正在生长的DNA链中。在一些实施例中，具有在约560nm和约660nm之间范围内的发射波长的荧光团可用单波长源光学激发。该范围内的示例荧光团是Alexa Fluor 647，可从马萨诸塞州沃尔瑟姆的ThermoFisher Scientific Inc.获得。较短波长(例如，约500nm和约650nm之间)的激发能量可用于激发在约560nm和约900nm之间的波长发射的荧光团。在一些实施例中，时间分仓光电探测器可以有效地检测来自反应室的更长波长的发射，例如，通过将其他材料(例如，Ge)并入光电探测器的有源区域中。。
吸收滤光器和相关方法的实施例在如下文进一步描述的各种配置中是可能的。示例性装置配置包括如下所述的配置(1)至(8)的组合。
(1)一种多层吸收体滤光器，包括：多个半导体吸收体层，例如半导体吸收体；以及分隔述多个半导体吸收体层以形成多层堆叠的多个介电材料层，其中所述多层堆叠内至少有三种不同的层厚度。所述吸收体可以是半导体吸收体。
(2)根据配置(1)所述的滤光器，其中所述多个介电材料层包括至少两种不同的厚度。
(3)根据配置1或2所述的滤光器，其中所述多个吸收体层包括至少两种不同的厚度。
(4)根据配置(1)至(3)中任一项所述的滤光器，其中在所述堆叠内存在至少四种不同的层厚度。
(5)根据配置(1)至(4)中任一项所述的滤光器，其中所述堆叠内的一些厚度不对应于所述滤光器被设计为对其阻挡的辐射的四分之一波长。
(6)根据配置(1)至(5)中任一项所述的滤光器，其中三种不同层厚度中的至少两种相差超过50％。
(7)根据配置(1)至(6)中任一项所述的滤光器，其中所述吸收体层包括掺杂硅。
(8)根据配置(1)至(7)中任一项所述的滤光器，其中所述吸收体层的厚度在20nm和300nm之间。
制造吸收体滤光器的方法可包括各种工艺。示例方法包括如下所述的过程(9)至(13)的组合。这些过程可以至少部分地用于制造具有上述构造的吸收滤光器。
(9)一种形成多层吸收体滤光器的方法，所述方法包括：沉积多个吸收体层；以及沉积分隔所述多个吸收体层以形成多层堆叠的多个介电材料层，其中在所述多层堆叠内沉积至少三种不同的层厚度。
(10)根据(9)所述的方法，其中沉积所述多个吸收体层包括沉积相差至少20％的至少两种不同厚度的吸收体。
(11)根据(9)或(10)所述的方法，其中沉积所述多个吸收体层包括沉积并非四分之一波长厚的吸收体层。
(12)根据(9)至(11)中任一项所述的方法，其中沉积所述多个介电材料层包括沉积相差至少20％的至少两种不同厚度的介电材料。
(13)根据(9)至(12)中任一项所述的方法，其中沉积所述多个介电材料层包括沉积并非四分之一波长厚的介电材料层。
吸收滤光器的实施例可以包括在荧光检测组件中。在配置(14)至(42)中列出了此类实施例的示例。
(14)一种荧光检测组件，包括：基板，其上形成有光学探测器；反应室，其布置成接收荧光分子；光波导，其布置在所述光学探测器和所述反应室之间；以及光学吸收滤光器，其包括设置在所述光学探测器和所述反应室之间的半导体吸收层。
(15)根据配置(14)所述的组件，还包括：虹膜层，其在所述反应室和所述光学探测器之间具有开口；第一覆盖层，其接触所述半导体吸收层的第一侧；穿过所述第一覆盖层和所述半导体吸收层的孔；以及延伸穿过所述孔的导电互连件。
(16)根据配置(14)或(15)所述的组件，还包括至少一个介电层，其布置在具有所述半导体吸收层的堆叠中，以形成吸收干涉滤光器，其中所述堆叠的抑制比大于所述半导体吸收层单独的抑制比。
(17)根据配置(14)至(16)中任一项所述的组件，还包括至少一个介电层，其布置在具有所述半导体吸收层和至少一个附加的半导体吸收层的堆叠中，以形成吸收干涉滤光器，其中所述堆叠的抑制比大于所述半导体吸收层单独的抑制比。
(18)根据配置(14)至(17)中任一项所述的组件，其中所述半导体吸收层包括足以吸收指向所述反应室的第一波长的激发辐射并且从所述反应室传输第二波长的发射辐射的带隙。
(19)根据配置(18)所述的组件，其中所述第一波长对应于可见电磁光谱的绿色区域，并且所述第二波长对应于可见电磁光谱的黄色区域或红色区域。
(20)根据配置(19)所述的组件，其中所述第一波长在从515纳米(nm)到540nm的范围内并且所述第二波长在620nm到650nm的范围内。
(21)根据配置(19)所述的组件，其中所述第一波长大约为532纳米并且所述第二波长为大约572纳米。
(22)根据配置(18)所述的组件，其中所述带隙在2.2eV到2.3eV的范围内。
(23)根据配置(14)至(22)中任一项所述的组件，其中所述半导体吸收层包括二元II-VI半导体。
(24)根据配置(23)所述的组件，其中所述半导体吸收层是碲化锌。
(25)根据配置(23)所述的组件，其中所述半导体吸收层与来自第II族或第VI族的第三元素合金化。
(26)根据配置(14)至(22)中任一项所述的组件，其中所述半导体吸收层包括三元III-V族半导体。
(27)根据配置(26)所述的组件，其中所述半导体吸收层是氮化铟镓。
(28)根据配置(14)至(27)中任一项所述的组件，其中所述半导体吸收层是非晶的。
(29)根据配置(14)至(27)中任一项所述的组件，其中所述半导体吸收层是多晶的。
(30)根据配置(14)至(27)中任一项所述的组件，其中所述半导体吸收层具有不小于20nm的平均晶粒尺寸。
(31)根据配置(14)至(27)中任一项所述的组件，其中所述半导体吸收层基本上是单晶的。
(32)根据配置(14)至(31)中任一项所述的组件，还包括接触所述半导体吸收层的第一覆盖层。
(33)根据配置(32)所述的组件，其中所述覆盖层防止元素从所述半导体吸收层扩散。
(34)根据配置(32)或(33)所述的组件，其中所述覆盖层包含厚度为5nm至200nm的耐火金属氧化物。
(35)根据配置(34)所述的组件，其中所述耐火金属氧化物包括氧化钽、氧化钛或氧化铪。
(36)根据配置(32)至(35)中任一项所述的组件，其中所述覆盖层减少来自所述半导体吸收层的对于500nm至750nm之间的可见波长的光反射。
(37)根据配置(32)至(36)中任一项所述的组件，其中所述覆盖层提供所述组件中的半导体吸收层的增加粘附。
(38)根据配置(32)至(37)中任一项所述的组件，其中所述覆盖层降低来自所述组件中的半导体吸收层的面内应力。
(39)根据配置(14)至(38)中任一项所述的组件，还包括形成为穿过所述光学吸收滤光器的开口和延伸穿过所述开口的导电连接。
(40)根据配置(14)至(39)中任一项所述的组件，其中所述光学吸收滤光器形成在非平面形貌上方。
(41)根据配置(40)所述的组件，还包括穿过所述光学吸收滤光器形成的开口和延伸穿过所述开口的导电连接。
(42)根据配置(41)所述的组件，其中所述开口位于所述光学吸收滤光器和相邻层之间的平面化界面处，并且在所述平面化界面处已去除所述半导体吸收层。
在配置(43)至(54)中描述了光学吸收滤光器的附加实施例。
(43)一种光学吸收滤光器，包括在基板上的非平面形貌上方形成的半导体吸收层。
(44)根据配置(43)所述的光学吸收滤光器，其中所述半导体吸收层的至少一部分已经通过平坦化去除。
(45)根据配置(44)所述的光学吸收滤光器，还包括延伸穿过由所述半导体吸收层的去除部分形成的开口的导电连接。
(46)根据配置(43)至(45)中任一项所述的光学吸收滤光器，其中所述半导体吸收层具有10％内的均匀厚度并且符合非平面形貌。
(47)根据配置(46)所述的光学吸收滤光器，其中所述半导体吸收层的部分基本上垂直于所述基板的平面延伸。
(48)一种光学吸收滤光器，包括在所述基板上的集成装置中形成的三元III-V族半导体吸收层。
(49)根据配置(48)所述的光学吸收滤光器，其中所述三元III-V族半导体吸收层是单晶的。
(50)根据配置(48)或(49)所述的光学吸收滤光器，其中所述三元III-V族半导体吸收层是氮化铟镓。
(51)根据配置(48)至(50)中任一项所述的光学吸收滤光器，其中所述集成装置包括位于所述光学吸收滤光器相对侧上的光学探测器和反应室。
(52)根据配置(51)所述的光学吸收滤光器，其中所述集成装置还包括与所述反应室位于光学吸收滤光器的相同侧上的光波导。
(53)根据配置(48)至(50)中任一项所述的光学吸收滤光器，其中所述集成装置包括位于所述光学吸收滤光器的相对侧上的光学探测器和光波导。
(54)根据配置(48)至(53)中任一项所述的光学吸收滤光器，还包括与所述半导体吸收层相邻形成的抗反射层，所述抗反射层被配置为减少来自所述半导体吸收层的对于500nm到750nm之间的可见波长的光反射。
形成荧光检测装置的各种方法是可能的。示例方法包括如下所述的过程(55)至(58)的组合。这些过程可至少部分用于制造上述配置的荧光检测装置。
(55)一种形成荧光检测装置的方法，所述方法包括：在基板上形成光学探测器；在所述基板上的光学探测器上方形成半导体光学吸收滤光器；在所述基板上的光学探测器上方形成光波导；以及形成反应室，所述反应室被配置为在所述光学吸收滤光器和所述光波导上方接收荧光分子。
(56)根据(55)所述的方法，其中形成所述半导体光吸收滤光器包括在非平面形貌上方共形地沉积半导体吸收层。
(57)根据(55)或(56)所述的方法，还包括形成与所述半导体吸收层接触的氧化物或氮化物覆盖层，以防止元素从所述半导体吸收层扩散。
(58)根据(57)所述的方法，还包括与所述半导体吸收层相邻形成氧化物或氮化物覆盖层，与不存在氧化物或氮化物覆盖层的情况相比，所述氧化物或氮化物覆盖层的厚度减少了来自半导体吸收层的对于500nm和750nm之间的可见波长的光学反射。
用于改善光学探测器的信噪比的各种方法是可能的。示例方法包括如下所述的过程(59)至(66)的组合。
(59)一种提高光学探测器的信噪比的方法，所述方法包括：利用光波导将激发辐射传送到反应室，其中所述光波导和所述反应室集成在基板上；使来自所述反应室的发射辐射通过包括所述半导体吸收层的光学吸收滤光器；利用光学探测器检测通过所述半导体吸收层的发射辐射；以及利用所述半导体吸收层衰减向所述光学探测器行进的激发辐射。
(60)根据(59)所述的方法，还包括利用所述半导体吸收层使朝向所述光学探测器行进的激发辐射比已经穿过半导体吸收层的发射辐射多衰减10倍至100倍之间。
(61)根据(59)所述的方法，还包括利用所述半导体吸收层使朝向所述光学探测器行进的激发辐射比已经穿过半导体吸收层的发射辐射多衰减100倍至1000倍之间。
(62)根据(59)所述的方法，还包括利用所述半导体吸收层使朝向所述光学探测器行进的激发辐射比已经穿过半导体吸收层的发射辐射多衰减1000倍至3000倍之间。
(63)根据(59)至(62)中任一项所述的方法，其中所述激发辐射具有在500nm至540nm范围内的第一特征波长，并且所述发射辐射具有在560nm至690nm之间的第二特征波长。
(64)根据(59)至(63)中任一项所述的方法，还包括使所述发射辐射穿过接触所述半导体吸收层的第一覆盖层。
(65)根据(64)的方法，还包括利用所述第一覆盖层减少来自所述半导体吸收层的发射辐射的反射。
(66)根据(59)至(65)中任一项所述的方法，其中所述第一覆盖层包含厚度为5nm至200nm的耐火金属氧化物。
(67)根据(59)至(66)中任一项所述的方法，还包括利用所述覆盖层降低来自所述半导体吸收层的面内应力。
III.结论
因此，在描述了高级分析***5-100的***架构的几个实施例的几个方面之后，应当理解，本领域技术人员将容易地进行各种改变、修改和改进。此类变更、修改和改进旨在成为本发明的一部分，并且在本发明的精神和范围内。虽然已经结合各种实施例和示例描述了本教导，但本教导并不限于这些实施例或示例。相反，如本领域技术人员将理解的那样，本发明的教导包括各种备选方案、修改和等效方案。
尽管已经在本文中描述和示出了几个发明实施例，但是本领域普通技术人员将容易想到用于执行功能和/或获得结果和/或所描述的一个或多个优点的多种其他手段和/或结构，在本文中，这些变型和/或修改中的每一个都被认为在本文所述的发明实施例的范围内。更一般地，本领域技术人员将容易地理解，本文描述的所有参数、尺寸、材料和构造均是示例性的，并且实际参数、尺寸、材料和/或构造将取决于使用本发明的教导的一个或多个特定应用。仅通过常规实验，本领域技术人员将认识到或能够确定本文所述的具体发明实施例的许多等同方案。因此，应当理解，前述实施例仅以示例的方式给出，并且在所附权利要求及其等同物的范围内。可以以不同于具体描述和要求保护的方式实践本发明的实施例。本发明的发明实施例可针对所述的每个单独特征、***、***升级和/或方法。此外，如果两个或多个这样的特征、***和/或方法的组合不是相互不一致的，则这两个或多个这样的特征、***和/或方法的组合包括在本发明的发明范围内。
此外，尽管可以指示本发明的一些优点，但是应当理解，并非本发明的每个实施例都将包括所描述的每个优点。一些实施例可以不实现被描述为有利的任何特征。因此，上述描述和附图仅作为示例。
本申请中引用的所有文献和类似材料，包括但不限于专利、专利申请、文章、书籍、论文和网页，无论此类文献和类似材料的格式如何，均明确地通过引用全部纳入。如果纳入的文献和类似材料中的一个或多个与本申请不同或矛盾，包括但不限于定义的术语、术语用法、描述的技术等，则以本申请为准。
所使用的章节标题仅用于组织目的，不得解释为以任何方式限制所描述的主题。
此外，所描述的技术可以体现为一种方法，已经提供了该方法的至少一个示例。作为该方法的一部分执行的动作可以以任何合适的方式进行排序。因此，实施例可以被构造为以不同于所示出的顺序执行动作，这可以包括同时执行一些动作，即使在说明性实施例中被示为顺序动作。
如本文所定义和使用的所有定义应被理解为控制字典定义，通过引用并入的文档中的定义和/或所定义术语的普通含义。
数值和范围可以在说明书和权利要求中描述为近似值或精确值或范围。例如，在某些情况下，可以使用术语“约”、“大约”和“基本上”来指代一个值。此类参考旨在包含参考值以及该值的正负合理变化。例如，短语“在大约10和大约20之间”在一些实施例中旨在表示“正好在10和20之间”，以及在一些实施例中表示“在10±δ1和20±δ2之间”。值的变化量δ1、δ2在一些实施例中可以小于该值的5％，在一些实施例中小于该值的10％，并且在一些实施例中还小于该值的20％。在给出大范围值的实施例中，例如，包括两个或更多数量级的范围，值的变化量δ1、δ2可以高达50％。例如，如果可操作范围从2扩展到200，“大约80”可能包含40到120之间的值，并且该范围可能大到1到300之间。当需要精确值时，使用术语“正好”，例如，“正好在2到200之间”。
术语“相邻”可以指被布置为彼此非常接近的两个元素(例如，在小于两个元素中较大者的横向或垂直尺寸的约五分之一的距离内)。在某些情况下，相邻元素之间可能存在中间结构或层。在某些情况下，相邻元素可能彼此直接相邻，而没有中间结构或元素。
在说明书和权利要求中使用的不定冠词“a”和“an”，除非明确指出相反，应理解为“至少一个”。
说明书和权利要求中使用的短语“和/或”应理解为表示如此结合的要素中的“一个或两个”，即在某些情况下结合存在而在其他情况下不结合存在的要素。用“和/或”列出的多个元素应以相同的方式解释，即“一个或多个”这样连接的元素。除了由“和/或”子句具体标识的元素之外，可以可选地存在其他元素，无论与那些具体标识的元素相关或不相关。因此，作为非限制性示例，当与诸如“包括”之类的开放式语言结合使用时，对“A和/或B”的引用可以在一个实施例中仅指A(可选地包括除B以外的元素)；在另一个实施例中，仅指B(可选地包括除A以外的元素)；在又一实施例中，指A和B两者(可选地包括其他元素)；等等。
如在说明书和权利要求中使用的，“或”应理解为与如上定义的“和/或”具有相同的含义。例如，当分隔列表中的项目时，“或”或“和/或”应被解释为包含性的，即包括至少一个，但也包括多个元素或列表中的多个元素，以及(可选)其他未列出的项目。只有明确指出相反的术语，例如“仅一个”或“正好一个”，或在权利要求中使用时，“由...组成”将指包含一个数量或元素列表中的恰好一个元素。一般而言，当前面有排他性术语，例如“要么”、“其中之一”、“仅其中之一”或“恰好是其中之一”时，所使用的术语“或”仅应解释为表示排他性的替代方案(即“一个或另一个，但不是两个”)。“主要由……组成”在权利要求中使用时，应具有专利法领域中的普通含义。
如本说明书和权利要求中所使用的，提及一个或多个元素的列表的短语“至少一个”应理解为从元素列表中的任何一个或多个元素中选择的至少一个元素，但不一定包括元素列表中具体列出的每个元素中的至少一个，也不排除元素列表中的任何元素组合。该定义还允许元素可以选择性地存在，而不是短语“至少一个”所指的元素列表中明确标识的元素，无论这些元素是否与明确标识的元素相关。因此，作为非限制性示例，“A和B中的至少一个”(或等效地，“A或B中的至少一个”，或等效地“A和/或B中的至少一个”)可以在一个实施例中指代至少一个(可选地包括多个)A，而不存在B(可选地包括B以外的元素)；在另一个实施例中，至少一个，任选地包括多于一个B，且不存在A(并且任选地包括A以外的元素)；在又一实施例中，至少一个，任选地包括多于一个A，并且至少一个，任选地包括多于一个B(并且任选地包括其它元素)；等等。
在权利要求书以及以上说明书中，所有过渡短语例如“包括”、“包含”、“携带”、“具有”、“含有”、“涉及”、“持有”、“由……组成”等应理解为开放式的，即意指包括但不限于。只有过渡短语“由……组成”和“基本上由……组成”分别是封闭或半封闭的过渡短语。
权利要求不应被理解为仅限于所描述的顺序或元素，除非有说明。应当理解，在不脱离所附权利要求的精神和范围的情况下，本领域普通技术人员可以在形式和细节上做出各种改变。要求保护落入以下权利要求及其等效物的精神和范围内的所有实施例。

Claims (67)

1.一种多层吸收体滤光器，包括：
多个吸收体层；以及
分隔述多个吸收体层以形成多层堆叠的多个介电材料层，其中在所述多层堆叠内存在至少三种不同的层厚度。
2.根据权利要求1所述的滤光器，其中所述多个介电材料层包括至少两种不同的厚度。
3.根据权利要求1或2所述的滤光器，其中所述多个吸收体层包括至少两种不同的厚度。
4.根据权利要求或2所述的滤光器，其中在所述堆叠内存在至少四种不同的层厚度。
5.根据权利要求1或2所述的滤光器，其中所述堆叠内的一些厚度不对应于所述滤光器被设计为对其阻挡的辐射的四分之一波长。
6.根据权利要求1或2所述的滤光器，其中所述三种不同层厚度中的至少两种相差超过50％。
7.根据权利要求1或2所述的滤光器，其中所述吸收体层包括掺杂硅。
8.根据权利要求1或2所述的滤光器，其中所述吸收体层的厚度在20nm和300nm之间。
9.一种形成多层吸收体滤光器的方法，所述方法包括：
沉积多个吸收体层；以及
沉积分隔所述多个吸收体层以形成多层堆叠的多个介电材料层，其中在所述多层堆叠内沉积至少三种不同的层厚度。
10.根据权利要求9所述的方法，其中沉积所述多个吸收体层包括沉积相差至少20％的至少两种不同厚度的吸收体。
11.根据权利要求9或10所述的方法，其中沉积所述多个吸收体层包括沉积并非四分之一波长厚的吸收体层。
12.根据权利要求9或10所述的方法，其中沉积所述多个介电材料层包括沉积相差至少20％的至少两种不同厚度的介电材料。
13.根据权利要求9或10所述所述的方法，其中沉积所述多个介电材料层包括沉积并非四分之一波长厚的介电材料层。
14.一种荧光检测组件，包括：
基板，其上形成有光学探测器；
反应室，其布置成接收荧光分子；
光波导，其布置在所述光学探测器和所述反应室之间；以及
光学吸收滤光器，其包括设置在所述光学探测器和所述反应室之间的半导体吸收层。
15.根据权利要求14所述的组件，还包括：
虹膜层，其在所述反应室和所述光学探测器之间具有开口；
第一覆盖层，其接触所述半导体吸收层的第一侧；
穿过所述第一覆盖层和所述半导体吸收层的孔；以及
延伸穿过所述孔的导电互连件。
16.根据权利要求14或15所述的组件，还包括至少一个介电层，其布置在具有所述半导体吸收层的堆叠中，以形成吸收干涉滤光器，其中所述堆叠的抑制比大于所述半导体吸收层单独的抑制比。
17.根据权利要求14或15所述的组件，还包括至少一个介电层，其布置在具有所述半导体吸收层和至少一个附加的半导体吸收层的堆叠中，以形成吸收干涉滤光器，其中所述堆叠的抑制比大于所述半导体吸收层单独的抑制比。
18.根据权利要求14或15所述的组件，其中所述半导体吸收层包括足以吸收指向所述反应室的第一波长的激发辐射并且从所述反应室传输第二波长的发射辐射的带隙。
19.根据权利要求18所述的组件，其中所述第一波长对应于可见电磁光谱的绿色区域，并且所述第二波长对应于可见电磁光谱的黄色区域或红色区域。
20.根据权利要求19所述的组件，其中所述第一波长在515纳米(nm)到540nm的范围内并且所述第二波长在620nm到650nm的范围内。
21.根据权利要求19所述的组件，其中所述第一波长为大约532纳米并且所述第二波长为大约572纳米。
22.根据权利要求18所述的组件，其中所述带隙在2.2eV到2.3eV的范围内。
23.根据权利要求14所述的组件，其中所述半导体吸收层包括二元II-VI半导体。
24.根据权利要求23所述的组件，其中所述半导体吸收层是碲化锌。
25.根据权利要求23所述的组件，其中所述半导体吸收层与来自第II族或第VI族的第三元素合金化。
26.根据权利要求14所述的组件，其中所述半导体吸收层包括三元III-V半导体。
27.根据权利要求26所述的组件，其中所述半导体吸收层是氮化铟镓。
28.根据权利要求14至27中任一项所述的组件，其中所述半导体吸收层是非晶的。
29.根据权利要求14至27中任一项所述的组件，其中所述半导体吸收层是多晶的。
30.根据权利要求14至27中任一项所述的组件，其中所述半导体吸收层具有不小于20nm的平均晶粒尺寸。
31.根据权利要求14至27中任一项所述的组件，其中所述半导体吸收层基本上是单晶的。
32.根据权利要求14至31中任一项所述的组件，还包括接触所述半导体吸收层的第一覆盖层。
33.根据权利要求32所述的组件，其中所述覆盖层防止元素从所述半导体吸收层扩散。
34.根据权利要求32所述的组件，其中所述覆盖层包含厚度为5nm至200nm的耐火金属氧化物。
35.根据权利要求34所述的组件，其中所述耐火金属氧化物包括氧化钽、氧化钛或氧化铪。
36.根据权利要求32至35中任一项所述的组件，其中所述覆盖层减少来自所述半导体吸收层的对于500nm至750nm之间的可见波长的光反射。
37.根据权利要求32至36中任一项所述的组件，其中所述覆盖层提供所述组件中的半导体吸收层的增加粘附。
38.根据权利要求32至36中任一项所述的组件，其中所述覆盖层降低来自所述组件中的半导体吸收层的面内应力。
39.根据权利要求14至36中任一项所述的组件，还包括形成为穿过所述光学吸收滤光器的开口和延伸穿过所述开口的导电连接。
40.根据权利要求14至36中任一项所述的组件，其中所述光学吸收滤光器形成在非平面形貌上方。
41.根据权利要求40所述的组件，还包括穿过所述光学吸收滤光器形成的开口和延伸穿过所述开口的导电连接。
42.根据权利要求41所述的组件，其中所述开口位于所述光学吸收滤光器和相邻层之间的平面化界面处，并且在所述平面化界面处已去除所述半导体吸收层。
43.一种光学吸收滤光器，包括在基板上的非平面形貌上方形成的半导体吸收层。
44.根据权利要求43所述的光学吸收滤光器，其中所述半导体吸收层的至少一部分已经通过平坦化去除。
45.根据权利要求44所述的光学吸收滤光器，还包括延伸穿过由所述半导体吸收层的去除部分形成的开口的导电连接。
46.根据权利要求43至45中任一项所述的光学吸收滤光器，其中所述半导体吸收层具有10％内的均匀厚度并且符合非平面形貌。
47.根据权利要求46所述的光学吸收滤光器，其中所述半导体吸收层的部分基本上垂直于所述基板的平面延伸。
48.一种光学吸收滤光器，包括在所述基板上的集成装置中形成的三元III-V族半导体吸收层。
49.根据权利要求48所述的光学吸收滤光器，其中所述三元III-V族半导体吸收层是单晶的。
50.根据权利要求48或49所述的光学吸收滤光器，其中所述三元III-V族半导体吸收层是氮化铟镓。
51.根据权利要求48至50中任一项所述的光学吸收滤光器，其中所述集成装置包括位于所述光学吸收滤光器相对侧上的光学探测器和反应室。
52.根据权利要求51所述的光学吸收滤光器，其中所述集成装置还包括与所述反应室位于所述光学吸收滤光器的相同侧上的光波导。
53.根据权利要求48至50中任一项所述的光学吸收滤光器，其中所述集成装置包括位于所述光学吸收滤光器的相对侧上的光学探测器和光波导。
54.根据权利要求48至53中任一项所述的光学吸收滤光器，还包括与所述半导体吸收层相邻形成的抗反射层，所述抗反射层被配置为减少来自所述半导体吸收层的对于500nm到750nm之间的可见波长的光反射。
55.一种形成荧光检测装置的方法，所述方法包括：
在基板上形成光学探测器；
在所述基板上的光学探测器上方形成半导体光学吸收滤光器；
在所述基板上的光学探测器上方形成光波导；以及
形成反应室，所述反应室被配置为在所述光学吸收滤光器和所述光波导上方接收荧光分子。
56.根据权利要求55所述的方法，其中形成所述半导体光吸收滤光器包括在非平面形貌上方共形地沉积半导体吸收层。
57.根据权利要求55或56所述的方法，还包括形成与所述半导体吸收层接触的氧化物或氮化物覆盖层，以防止元素从所述半导体吸收层扩散。
58.根据权利要求57所述的方法，还包括与所述半导体吸收层相邻形成所述氧化物或氮化物覆盖层，与不存在氧化物或氮化物覆盖层的情况相比，所述氧化物或氮化物覆盖层的厚度减少了来自半导体吸收层的对于500nm和750nm之间的可见波长的光学反射。
59.一种提高光学探测器的信噪比的方法，所述方法包括：
利用光波导将激发辐射传送到反应室，其中所述光波导和所述反应室集成在基板上；
使来自所述反应室的发射辐射通过包括所述半导体吸收层的光学吸收滤光器；
利用光学探测器检测通过所述半导体吸收层的发射辐射；以及
利用所述半导体吸收层衰减向所述光学探测器行进的激发辐射。
60.根据权利要求59所述的方法，还包括利用所述半导体吸收层使朝向所述光学探测器行进的激发辐射比已经穿过半导体吸收层的发射辐射多衰减10倍至100倍之间。
61.根据权利要求59所述的方法，还包括利用所述半导体吸收层使朝向所述光学探测器行进的激发辐射比已经穿过半导体吸收层的发射辐射多衰减100倍至1000倍之间。
62.根据权利要求59所述的方法，还包括利用所述半导体吸收层使朝向所述光学探测器行进的激发辐射比已经穿过半导体吸收层的发射辐射多衰减1000倍至3000倍之间。
63.根据权利要求59所述的方法，其中所述激发辐射具有在500nm至540nm范围内的第一特征波长，并且所述发射辐射具有在560nm至690nm之间的第二特征波长。
64.根据权利要求59至63中任一项所述的方法，还包括使所述发射辐射穿过接触所述半导体吸收层的第一覆盖层。
65.根据权利要求64的方法，还包括利用所述第一覆盖层减少来自所述半导体吸收层的发射辐射的反射。
66.根据权利要求59至65中任一项所述的方法，其中所述第一覆盖层包含厚度为5nm至200nm的耐火金属氧化物。
67.根据权利要求59至66中任一项所述的方法，还包括利用所述覆盖层降低来自所述半导体吸收层的面内应力。
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