具有光电探测器阵列和样品位点阵列的集成装置的制作方法

专利名称：具有光电探测器阵列和样品位点阵列的集成装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及传感器，尤其涉及包括诸如半导体装置的生物传感器，特别是包括LAE技术并且具有诸如光电探测器的辐射探测器的半导体装置， 其中光电探测器被设置为探测来自样品的辐射发射；并且本发明涉及这些 装置的相应的制造和使用方法。
背景技术：
己知的片上实验室平台包括一次性的筒(cartridge)和台式尺寸或者甚 至是手持大小的控制工具以及读取器，该读取器管理操作者和芯片之间的 界面。这种芯片可以是生物芯片。这些芯片用于各种应用中，例如DNA分 析、免疫探测、夹心法探测或者用于细菌培养的鉴定或生长等其它应用中。 所述筒包含生物芯片或者由生物芯片形成。小型实验室的高度集成有助于 降低人为干涉的等级并且创造了多元分析的可能性。可以使用图形用户界 面来监控进行中的分析。下面将参考仅仅作为实例的DNA测试。操作者简单地装载用于分析的 样品并且将所述筒插入到仪器中。所有的化学反应都发生在生物芯片专有 的埋沟中或者发生在其表面上。由于携带芯片的筒是独立的并且是一次性 的，所以，该系统大大降低了传统多步骤规程的交叉污染风险。DNA分析的实例可以使用DNA扩增，例如在探测之前或探测期间的 PCR (聚合酶链式反应)处理。将DNA样品与聚合酶、DNA引物、核苷 酸以及盐混合，并且使该混合的DNA样品通过硅中的生物芯片中的一系列 微通道，每个微通道为150X200微米。硅中的电子加热元件加热该通道， 经过扩增DNA样品的三个精确的预定温度而循环该混合物，该加热元件基 本上为电阻器。然后，系统使用MEMS致动器将扩增的DNA推入到生物芯片的探测 区域中，该探测区域包含附着到表面探针上的DNA片段。在该探测区域中，通过匹配样品中的DNA片段，目标DNA将其本身附着到结合位点上的片 段，而没有匹配模式的DNA片段离开(fallaway)。通过精确的温度控制系 统来获得精确性。通过使用激光照射DNA片段并且观察哪些位点发荧光而 探测该DNA片段的存在。与各种病原体的DNA互补的短链单股DNA可以通过印刷而以点的形 式形成在基底上，该印刷通常为喷墨印刷。 一个实例为由Agilent提出的 SurePrint技术，如在www.chem.agilent.com中所示出的。 一旦与标记有荧 光团的DNA片段杂交，基底上的某些点将变为发光，这就证明了已经结合 到这些各自点的病原体DNA的存在。美国专利申请20050233366提供一种具有用于探测荧光的光电二极管 的样品分析装置。在每一个光电二极管上方设置有亲水区域以聚集基于水 的样品滴，这些样品滴可以通过喷墨方法提供。疏水区域环绕亲水区域。 通过紫外光照亮样品以激发荧光。光电二极管上方的过滤层减少了到达光 电二极管的紫外光的量。已经在显示领域尤其是在PLED显示领域提出了使用非晶硅光电二极 管的集成光探测。参见M.JChilds等人的公开号为WO 2005015530 Al的专 利申请。美国专利申请20050158738提供使用喷墨方法在具有分隔壁的探针固 定载体上具有每平方厘米数以千计的样品滴的DNA微芯片，该分隔壁用于 保持这些滴分离并且提供光屏蔽效应。提供索引标记以使能喷墨与分隔壁 的对准。发明内容本发明的目的在于提供诸如半导体装置的改进装置，其具有被设置为 探测来自样品的辐射发射的诸如光电探测器的探测器，并且本发明的目的 还在于提供这些装置的相应的制造和使用方法。根据第一方面，本发明提供一种用于探测来自样品的辐射发射的集成装置的制造方法，具有以下 步骤形成诸如光电探测器的辐射探测器，用于探测所述辐射发射，以及形成用于容纳所述样品的位点，以使得所述位点的一个或多个边缘由 诸如光电探测器的所述探测器的一个或多个边缘限定。 所述装置可以实现为微阵列。本发明尤其提供一种用于探测来自样品的辐射发射的集成装置的制造 方法，具有以下步骤形成用于探测所述辐射发射的辐射探测器阵列；以及形成用于容纳样品的位点阵列以使得每一个位点的一个或多个边缘由 所述辐射探测器的每一个的一个或多个边缘限定。与用于容纳所述样品的所述位点与所述光电探测器分离形成的传统装 置相比，上述方法能够有助于所述样品和诸如光电探测器的所述辐射探测 器更加容易或成本更低地相互对准。这种探测可以沿任何方向进行，诸如 横向或垂直方向。一些实施例的另外特征在于在形成所述位点之前形成诸如光电探测器 的所述辐射探测器。这使得所述位点形成在所述光电探测器的边缘上方或 边缘上，从而有助于相互对准。可替代地，也可以先形成所述位点，并且 然后形成所述光电探测器。另外一个特征在于所述位点形成在所述光电探测器上方。这意味着通 常比横向探测更加敏感的垂直方向。所述位点可以形成在所述光电探测器 的所述边缘上以使相互对准更加容易并且可以确保相互对准。另外一个特征在于所述位点和诸如光电探测器的所述辐射探测器并排 形成。这意味着横向方向。另外一个特征在于形成所述位点包括形成能够在存在给定类型的样品 时发射辐射的生物敏感层。本发明的另一方面提供一种集成装置，其用于探测来自样品的辐射发射并且具有用于探测所 述辐射发射的诸如光电探测器的辐射探测器以及用于容纳所述样品的位 点，以使得所述位点的一个或多个边缘由诸如光电探测器的所述辐射探测 器的一个或多个边缘形成。所述装置可以实现为微阵列。一些实施例的另外特征在于所述位点位于所述光电探测器上方。 另外一个特征在于所述位点和所述光电探测器并排放置。另外一个特征在于所述光电探测器比所述位点突出得更高以用作所述 位点的侧壁。这能够有助于在所述位点上包含所述样品、防止交叉污染、 减少损失或者减少对所述样品在所述位点的中心上的精确印刷的依赖。另外一个特征在于所述光电探测器被设置为围绕所述位点。这能够有 助于更加有效的相互对准和更加有效的探测。另外一个特征在于集成的光源以照亮所述样品。这能够减少对额外设 备的需求并且使得所述探测对于终端用户来说更加容易。另外一个特征在于光屏蔽，其用于对所述光电探测器屏蔽来自其他样 品的发射。这有助于避免串扰并且增加精确性。另外一个特征在于位于所述光电探测器侧面上方的金属接触层以形成 所述光屏蔽。这利用接触层实现双重目的以帮助避免对用于屏蔽的分离层 的需求，从而降低制造复杂性。另外一个特征在于在用于容纳所述样品的所述位点处的亲水表面。另外一个特征在于所述光电探测器为诸如氢化非晶硅的薄膜沉积半导体的形式，该氢化非晶硅通常被标识为a-Si:H。例如使用激光能够使该材料 结晶为所谓的多晶硅的形式。通常由于使用激光来结晶该材料而不是进行 高温加热，这种材料被称为"低温多晶硅"，例如LTPS。这样的材料比非 晶硅具有更高的电子迁移率，从而由前述材料制造的薄膜晶体管能够具有 更高的转换速度。非晶硅的优点在于生产中更易操作，因为其不具有严格 的处理条件，而这正是多晶硅TFT所需要的。另外一个特征在于所述光电探测器在透明的基底上包括任意适当形式 的硅，例如在诸如玻璃的基底上沉积的薄膜。另外一个特征在于所述光电探测器具有进入所述位点中的岛或者凹口 的结构。这对于所述发射有助于减少到达所述光电探测器的横向距离，并 且从而可以以更高的仰角探测发射以增加探测的灵敏度。另外一个特征在于所述位点具有能够在存在给定类型的样品时发射辐 射的生物敏感层。本发明的另外一方面提供一种用于探测来自样品的辐射发射的集成装置，其具有用于探测所述 辐射发射的诸如光电探测器的辐射探测器、用于容纳所述样品的位点以及位于诸如光电探测器的所述辐射探测器的侧面上的金属层以形成诸如光屏 蔽的辐射屏蔽，从而对诸如光电探测器的所述探测器屏蔽来自其它样品的 辐射发射。这种装置可以实现为微阵列。本发明的另一方面提供一种用于探测来自样品的辐射发射的集成装 置，该装置具有用于探测所述辐射发射的诸如光电探测器的辐射探测器以 及用于容纳所述样品的位点，所述诸如光电探测器的探测器包括在例如玻 璃的透明基底上的任意适当形式的硅。该装置可以实现为微阵列或生物芯 片。本发明的另一方面提供一种探测来自样品的辐射发射的方法，该方法具有如下步骤将样品应用到如上所述的集成装置上；照亮所述样品；并 且使用所述辐射探测器探测来自所述样品的辐射发射。该装置可以实现为 微阵列。上述附加的特征可以任意组合并且可以与任一方面结合在一起。其它 优点对于本领域技术人员来说更明显，尤其是基于其它现有技术。在不偏 离本发明的权利要求书的情况下可以对本发明做各种变化和修改。因此， 应当清楚地理解本发明的形式只是示意性的而并不是试图限定本发明的范 围。


下面将通过参考附图的实例来描述如何实施本发明，其中图la、 lb和lc示出了在印刷样品之前(la)和之后(lb)以及在干燥样本(lc)之后将该样品暴露于目标样品的使用横向非晶硅二极管的实施例的示意性横截面图，该横向非晶硅二极管还作为印刷坝(printing dam)，并且该目标样品包含DNA以使样品杂交；图2示出了类似实施例的平面图，其表示四个光电探测器和样品位点的阵列；图3示出了在光电探测器结构上方具有位点的第二实施例；图4示出了具有TFT和光电探测器阵列的实施例的一部分电路图；图5示出了具有集成的多个TFT和光电探测器的实施例的横截面图；图6和图7示出了另外实施例的示意性横截面图；以及图8示出了在有源板上具有光源的另一实施例的示意性横截面图。
具体实施例方式
将参照特定实施例和某些附图来描述本发明，但是本发明并不受此限 制而只是通过权利要求书进行限定。权利要求书中的任意参考标记并不解 释为限定本发明的范围。画出的附图只是示意性的而不是限制性的。在附 图中，出于示意性目的， 一些元件的尺寸被放大并没有按比例示出。其中 在本发明的说明书和权利要求中使用的术语"包括"并不排除其它元件或 步骤。当提到单数名词例如"一"或"一个"或"该"时，使用的是不确 定或确定的物品，这包括多个这种名词，除非特别指定了其他情况。
另外，说明书和权利要求书中提到的术语第一、第二、第三等都是用 于区分相似的元件，而不是必须用于描述顺序或按年代顺序排列的情况。 应当理解，这里所使用的术语在适当的情况下是可互换的，并且这里描述 的本发明的实施例也可以按照除了这里描述或示出的顺序以外的其它顺序 进行操作。
本发明涉及诸如生物传感器的传感器，其由基底上的诸如NIP 二极管 结构的辐射探测器阵列形成，尤其是在透明基底上，从而至少一部分辐射 探测器用作自对准壁以引导或定位诸如点形式的探针的生物敏感层的沉积 或印刷，从而当该点被干燥时，该点中的发光材料或者被吸引或结合到该 点上的发光材料与辐射探测器直接接触或者与辐射探测器对准。探针可以 通过非共价结合或共价结合而固定或附着到位点。探针可以是任意适当的 一个或多个分子，例如部分DNA、 RNA、肽、蛋白质、抗体、药物结合物、 碳水化合物、细胞、例如外部或内部细胞膜或细胞器的细胞部分、细菌、 病毒等等。探针还可以包括这些的组合，例如固定到位点表面上的细胞蛋 白质可以适于固定细胞。可以处理用于探针的位点表面以获得有用的属性 从而允许固定样品，例如可以将位点表面制造为疏水或亲水。将生物分子 探针附着到基底表面上的通常方法是本领域技术人员熟知的一例如参见 "Micro array Technology and Its application (微阵歹ll技术及其应用)"，Muller 和Nicolau， Springer, 2005，第2章和第3章。可以将点区域或探针位点称 为"像素"。因此根据本发明的实施例，大量探针位点阵列与相同数量的辐射探测器位点阵列对准，即与生物传感器像素阵列对准。
可替代地，所述像素可以用作小型培养阱，例如用于培养细菌或其它 微生物。在这种情况下，在应用感兴趣的样品之前需要使像素填充有生长 介质。可以以一定温度加热该阱，这可以通过将集成加热器元件(例如加 热电流线)集成到阱中或者接近该阱来实现。可以将不同的生长介质应用 到不同的阱以提供最佳的培养条件。另外，在一些阱中也可加入抗菌剂以 确定抗菌素抗性，即通过监控微生物的生长。
另外，可以应用光屏蔽以屏蔽来自相邻探针位点或像素的光，例如用 于防止像素之间的串扰。光屏蔽可以与探测器结合使用以提供对于所述点 的所述位点的边缘，或者也可独立使用。
可以通过适当的技术实现点沉积，例如接触或非接触印刷、微点触、 重油墨或空心针或点针印刷、吸液或加热、液体样品的螺线管或压电喷墨 印刷、例如以生物分子的形式。生物分子优选地为探针，其结合到期望确 定存在与否的待分析物分子。该待分析物分子可以是任何需要被探测的分
子，例如DNA或RNA、 DNA或RNA片段、DNA或RNA多态性、多肽、
蛋白质、例如使用双抗原夹心法探测的抗体、药物结合物、碳水化合物、 细胞、例如外部或内部细胞膜或细胞器的细胞部分、细菌、病毒等等。为 了允许结合的探针和待分析物分子发光，该探针和/或待分析物分子可以包 括或者被附着到提供发光的标记，例如通过磷光、荧光、电发光、化学发 光等。当探针或待分析物分子被标记时，其可以被描述为"可变光学分子"。 一旦结合了待分析物分子和探针，来自该点的光发射就会变化，例如在增 加化合物时会发射化学光，或者如果使用正确波长的激励辐射进行激励则 会发射荧光。诸如电发光的其他形式的光发射也可结合本发明使用，例如 通过提供适当的刺激物，例如具体的化学成分和电流。而且，还可使用任 意适当形式的探测，例如垂直光学方向，即沿基本上垂直于基底的主表面 的方向，或者例如横向光学方向，例如使用被屏蔽的光电二极管以使得只 有来自一个像素/点的光被探测。这能够在用于医学诊断应用的筒的制造过 程中进行重要的质量控制。
下面描述的实施例示出了很多以下方面的实例，至少其中之一是本发 明的优点-a) 诸如光电探测器(例如非晶硅PIN二极管)的辐射探测器作为对准 结构的双重用途，例如作为生物分子的沉积引导或者用于沉积的位置引导。
b) 诸如光电探测器的辐射探测器作为印刷壁的双重用途。
c) 用于诸如光电探测器的辐射探测器的金属接触层以及作为屏蔽来自 相邻位点的发射的光屏蔽的双重用途。
d) 在诸如玻璃的透明基底上使用LAE (大面积电子学)多晶硅或非晶 硅技术，例如用于医学诊断应用。
参考后者，传统的大面积电子学(LAE)技术提供了在诸如玻璃的绝 缘基底上的电子功能性，该玻璃基底为廉价的基底。与本发明中的阵列一 起使用的基底，例如玻璃，优选地为透明或半透明。这对于光学探测很有 用。本发明的实施例提出了有源LAE多晶硅或a-Si (非晶硅)基底以用于 探测样品点，该样品点在不需要使用外部光电探测器的情况下发射辐射。 可替代地，多晶硅或a-Si (非晶硅)层可以应用到诸如玻璃的绝缘基底上以 用于探测样品点，这些样品点在不需要使用外部光电探测器的情况下发射 辐射。在任何情况下，在基底上集成辐射探测器阵列并且使该辐射探测器 阵列与阵列的探针位点对准。标准LAE技术可以用于(以很少的额外成本 或者没有额外成本)将诸如光电二极管或光电TFT探测器的辐射探测器与 常用的寻址TFT和电路以及读出电子技术集成到一起。
一些实施例能够进行探针的光学探测和点沉积，例如喷墨印刷，以在 很宽的范围内使用，该探针例如为DNA片段/寡聚核苷酸、多肽或抗体。 另外，LAE可以与厚层聚合物技术结合，例如电导线的印刷以提供非常经 济的方案。
一些实施例示出了将诸如非晶硅光电二极管(或光电TFT)的辐射探 测器以某种方式集成到携带生物元件的基底中，该生物元件例如为诸如 DNA片段的探针，使得诸如非晶硅NIP 二极管的所述辐射探测器的一部分 也将作为诸如坝壁的印刷对准结构。该印刷对准用于确保沉积或印刷的探 针位于正确的位置。
下面描述作为本发明实施例的两种结构，其使用NIP 二极管并且提供 有探测和印刷对准功能。图1和图2示出了第一种情况。在该实施例中， 使用作为印刷坝壁的二极管形成诸如二极管的光电探测器的环，例如亲水区域，在该印刷坝壁内部具有结合位点。参照示出了三个阶段的横截面草图的图la、 lb和lc以及示出了布局的平面图的图2。图la示出了使用横 向非晶硅NIP 二极管20的实施例的示意性横截面图，该横向非晶硅NIP 二 极管还用作印刷壁或坝以形成阱40。 二极管20形成在基底10上，例如透 明基底10。基底10优选地为玻璃。阱40具有侧面和底部。在阱40的侧面 和底部上提供有绝缘层30，例如形成在二极管20的侧面上以及用于容纳样 品的临近二极管20的位点内。绝缘层30由对于来自阱40中的样品的发射 透明的材料形成。绝缘层30可以由亲水材料形成或者其可以是亲水的，例 如通过适当的涂覆或表面处理。顶部金属层50用于遵循建立的设计实践而 适当地将二极管20连接到读出电路和选择或复用电路。该顶部金属50可 以被设置为覆盖远离样品位点的二极管20的一侧或多侧，如图la中左手 侧的二极管20。这意味着顶部金属50也可以用作光屏蔽以防止来自阱40 的光到达图la中比左手侧二极管20更靠左的光电探测器。为了使暴露的金属组件与分析期间要加入到装置中的样品液体绝缘， 提供了绝缘层55，例如通过在整个区域上方沉积绝缘层并且通过标准的光 刻术进行构图。该绝缘层55可以是亲水或疏水的。如果是疏水的，则层55 可以有助于将印刷到装置上的水溶液导入到阱40中。层55可以光学不透 明并且因而用作对于杂散光或来自阱中40的样品的光的屏蔽，从而防止光 电探测器之间的串扰并且改进信噪比。根据本发明的实施例，可以将多于一个的生物结合位点与一个光电探 测器相关联。在这种结构中，在一个二极管阱40中沉积几个点是有利的。 通常，本发明每一个阱40中的对准结构可以通过具有彼此相邻的两个区域， 即亲水区域和疏水区域，而工作。当印刷亲水或基于水的墨时，该亲水或 基于水的墨聚集或自动将其自身推入到亲水区域中，并且然后与该位置对 准地干燥。按照这种方式，可以将单个阱40的底部划分为几个结合位点。 这种结构的优点在于来自多于一个结合位点的光到达单个光电探测器20， 然后该光电探测器的输出为该位点的平均结果。图lb以阱40中包含样品或探针的液滴的形式示出了使用点60印刷之 后的结构。所示出的液滴没有位于位点的中心，但是由绝缘层30和/或NIP 二极管20形成的位点的壁用于充分地保持液滴，从而使得随着该液滴干燥,例如毛细管作用将基本上所有的沉积材料都吸入到位点中。图lc示出了干
燥之后并且准备用于探测的结构。通过将样品的干燥点70暴露于结合到探 针的分子，例如DNA补链，发生杂交。如果标记了探针或样品分子，则当 被照亮时结合样品就会发荧光。可以通过光电二极管20探测该荧光并且该 荧光可以用于确认待分析物分子，例如DNA，的给定补充类型的存在。当 然也可以设想其它应用，并且可以使用其它类型的光电探测器。例如，可 以通过其它方式而不是通过荧光来产生光的发射，并且一些分子可以在不 使用标记的结合上发射光。
可以手动或者通过用于将液体沿着微通道驱动进入位点或者离开位点 的MEMS装置而自动实现样品的暴露。如果需要，可以精确地控制液体和 位点的温度。
图2示出了可以使用的一个特定布局的平面草图。这种结构可以形成 为像素的有源矩阵行和列阵列，该阵列具有用于选择每一个像素的TFT开 关以及用于存储在光电探测器被照亮时从该光电探测器传输的电荷的电容 器(未示出)。在图2中示出了四个位点的阵列，每一个位点都具有点70， 每一个点都由二极管20形式的探测器围绕。通常，在样品液体的喷墨印刷 (IJP)中，例如在PolyLed技术中，坝壁是有用的或者需要坝壁来确保印 刷的溶液沉积在被非常好地限定的位置处。另外，探测的精确性和可靠性 可以承受。显著地，PIN 二极管的结构也用作印刷坝壁。非晶硅PIN二极 管大约高0.2-1.0 um (微米)，而在很多实例中诸如探针的生物元件被干燥 后的高度小于500纳米有时还会小于50纳米。因此二极管结构充分突出以 产生有效的坝。如果需要，二极管结构可以被做得更高以适合应用和要被 印刷的液滴的尺寸。例如，如图la所示，额外的绝缘层55可以用于增加 阱40的深度。相对于诸如探针的要被光学探测的生物元件的高度，例如通 常基对具有0.34纳米的长度，如果要使用25或60个寡核苷酸，则其估计 总长(即，最大高度)通常不会超过50纳米。可以为目标分子的标记的 DNA扩增子通常长度为100到700个基对并且经常具有小于400纳米的最 大高度。夹层法免疫分析可以具有小于150纳米的高度。
注意，如图lc所示，横向光学探测确保了探测与激励方向正交进行， 例如在图lc中，从玻璃基底的顶部或底部(即，从图lc中基底10的上方或下方)使用激励光束进行激励并且沿平行于基底10的平面方向进行探测， 从而可以立即减少分散光的探测。这是使用LAE技术的一个重要优点，并 且由于使用玻璃基底10而变得可能。而且，可以选择NIP二极管结构和标 记或荧光团以最大化对由也被称为探针的样品发射的光的敏感度。在图3所示的根据另一实施例的第二结构中，可以使用亲水表面制成 二极管材料的圆周，从而使墨水保持在二极管的顶部上。这如图3所示。 NIP 二极管20形式的光电探测器形成在基底10上并且用作印刷对准结构。 位点位于二极管上方并且将点70印刷在二极管的顶部上，以使得二极管的 边缘限定位点的边缘，并且从而被印刷超出该边缘以外的点的任意部分会 通过毛细管作用被吸入或落在疏水区域上，而不会粘到装置上。这两种结构之间的显著区别在于，前者为激励辐射，例如以90度接入 激励光，这减少了通过光探测器"看到"的激励光的数量。第二种结构需要采取措施以避免直接探测激励光，诸如过滤层90或者 激光波长和荧光团的智能化选择组合。在这种探测方案中，量子点是非常 合适的，由于它们非常宽的吸收同时它们的发射带很窄并且可以调谐地远 离激励波长，即由于其大的斯托克斯移位(shift)。因此，简单的滤波器可 以承受以避免探测激励(激光)光。第二种结构的优点是垂直NIP 二极管比横向NIP 二极管更敏感。所以 根据应用，可以选择这些布局中的一个。上述实施例代表合并两种功能的新型方式，即辐射探测器和位点对准， 例如在相同的基底上印刷对准。对于在诸如玻璃的某些基底上的喷墨印刷， 坝壁是有利的以确定印刷物质保留在哪里。这利用了很多可能的不同基底 而不是局限于具有垂直接触角，即表面张力的物质。集成光学探测比使用外部光电探测器具有更好的稳健性，特别是对于 手持应用。例如，在点和探测器之间不会有湿气或污染。探测器优选地只 对来自有时被称为像素的一个位点的光敏感。这有助于对沉积进行质量控 制。这种质量控制在用于医疗诊断的筒的制造和质量保证中很重要。可选 地，可以实现基底和印刷机之间的片上测试和反馈路径，这可以确保没有 被印刷的点/像素例如在以后的时间被正确地重印。可以以软件实现这种反 馈，例如印刷监控和印刷质量控制软件的形式。这能够极大地改进制造筒的产率和可靠性。图4示出了根据本发明实施例的探测器的集成阵列的一部分的电路图。 应当理解，诸如光电二极管26的多个辐射探测器以使用集成有光电二极管 26的读出电路的阵列形式排列，例如以行和列的阵列形式。根据行和列对 探测器的阵列进行逻辑寻址。存在有多条行或扫描线28以及多条列或读出 线29。在扫描线和列线的每一个交叉点处定位像素。读出电路包括用于每 一个辐射探测器的选择装置，例如选择晶体管25，以将诸如光电探测器的 辐射探测器，例如以光电二极管26的形式，耦接到读出电路(列)的读出 线29，该读出电路(列)例如在每一列的基部连接到积分电路的输入。积 分电路24可以通过诸如具有电容性反馈的运算放大器的放大器形成。来自 二极管的光电流被允许经过限定的帧时间累积到存储电容器27上。选择晶 体管25的栅极耦接到扫描线(行)28以使得当扫描线被激活时，选择晶体 管25将累积的电荷传输到积分电路24。在一些情况中，二极管的自电容足 以累积电荷。图5示出了顶栅型NMOSLTPS技术的实施例的横截面图，其可以用于 本发明的例如图4示出的电路中。其可以用作实现如图3所示的垂直结构 的一种方式。 一种替代是使用非晶硅技术，在该技术中，TFT通常为底栅 型。在图5中，图的左侧示出了NMOSTFT34，右侧示出了NIP光电探测 器44。从底部到顶部的层如下最下面的层为诸如玻璃的透明基底31，基 底顶部上的下一层为诸如SiNx (氮化硅)的绝缘层32，下一层为诸如Si02 (二氧化硅)的绝缘层33。位于二氧化硅层33上方并且在另一氧化硅层 36下方为层35，该层35为具有不同掺杂区域的薄膜沉积结晶多晶硅层， 即，形成有源半导体层35。通常，使用两个金属层一起连接半导体装置， 并且通过氮化硅的介电层38将该两个金属层分开。最底部的金属用于晶体 管栅极42并且还用于形成到二极管37的底部连接。诸如Cr/Al的适当导电 金属用于该目的。最顶部的金属39、 41、 43将不同的项连接到一起并且形 成与最底部金属中的栅线正交的阵列的列线。图中未示出诸如图1中的层 55的绝缘层，该绝缘层用于将暴露的金属与样品液体绝缘。可以通过标准 技术应用该绝缘层。对于最顶部的金属，可以使用诸如金属的任意合适的 金属性材料，例如Cr/Al/Cr叠层。使用轻掺杂漏极结构35示出了 TFT晶体管34。通过导电金属连接41将其耦接到光电二极管的一个触点37。包含 存储电容器和积分电路的图4中电路的其它部分可以使用已有技术实现。
集成到像素位点中的电容器允许光经过诸如长帧时间间隔的一定时间 被积分，然后被读出。
在可替代实施例中，NIP光电探测器20可以被集成到包括n型和p型 TFT (薄膜晶体管)的有源板中，例如使用CMOS类型技术。
将薄膜晶体管技术用于像素电路还可以允许加入其它电路，例如驱动 集成、充电集成和读出电路。光电探测器可以是任意适当的辐射探测器， 例如截止时栅极偏置的TFT (薄膜晶体管)、或者由与TFT相同的薄半导体 膜制造为TFT的横向二极管，或者由第二、较厚的半导体层形成的垂直晶 体管。对于高的敏感度，优选使用垂直a-Si:H NIP二极管。优选地将其集 成到寻址TFT和电路中。本发明包括通过a-Si:H TFT技术或者LTPS技术 实施的方案。在后面的情况中，可以在只花费一个额外掩模成本的情况下 实现二极管集成，图6示出了用于这种技术的典型横截面图。
图6和图7以横截面图和平面图的形式示出了每种情况下光电二极管 布局的可替代结构。图6对应于图2并且示出了如何在给定的仰角上方不 探测辐射发射。图7示出了一种可以探测多个这种发射的结构并且因此增 加了光学探测敏感度。在图7中，二极管20具有位于点70的位点内的许 多小的部分。这表示通过减少到二极管最近部分的距离，仅仅通过改变二 极管的一些部分的结构和位置，可以探测到具有更高仰角的发射。参见图5， 其为如何使用顶部金属将二极管的多个部分连接在一起的示例。
图8示出了具有光源200 (例如OLED或PLED)以局部激励紧邻探测 器20的单个点270的发射的额外集成的另一实施例。这可以避免光学和电 学串扰以及其它噪音影响。因此能够提供增强的健壮性，例如，对于手持 应用面对生物恐怖/化学战。这种结构在图8中示意性地示出。可以通过具 有合适的像素电路或并行的额外阵列的同一有源矩阵阵列来驱动该光源。 在这种方案中，可以使用量子点进行探测，由于量子点具有非常宽的吸收 带。因此，它们可以通过任意适当的例如由发射聚合物(例如，OLED或 PLED)发射的波长激励。通过提供量子点的大的斯托克斯移位，它们具有 进一步的优点，即探测可以充分地远离(在波长方面)发射从而允许更可靠和更容易地实现探测。
在附加的实施例中，可以使用外部光源来同时激励整个板。可以使用
外部或集成LED光源。特别地，可以使用激光光源。在这种情况下，应当 过滤出背景激励。
在这些方案的实际实施中，(i)应该将光有效地耦接到探测器，(ii)应 该将印刷的点紧密地登记(如果可能，自对准)到探测器，并且(iii)探测 器应该被有效地遮蔽以防止相邻像素的光。
结果， 一些实施例对于诸如NIP 二极管结构的辐射探测器是值得注意 的，这种结构被用作点沉积或印刷点的自对准壁，以便在该点被干燥时， 发光材料直接接触探测器或与探测器对准，例如通过侧面耦接光的NIP。可 以容易地对诸如NIP的探测器的顶部和域底部金属触点进行构图以遮蔽来 自相邻像素的光，其或者与探测器的使用相结合以提供对于所述点的位点 的边缘，或者单独使用。
如上所述，组成诸如非晶硅PIN 二极管的辐射探测器一部分的坝壁， 没有额外的成本(没有额外的掩模步骤)并且可以提供适于沉积或者喷墨 印刷生物分子形式的样品的侧壁。如上所述，单独或合并的方案为具有被 遮蔽的光电二极管的横向光学探测，从而可以探测到仅从一个像素或点发 出的一点点光。这能够在用于医学诊断应用的筒的制造过程中进行很重要 的质量控制。
权利要求
1、一种用于探测来自样品的辐射发射的集成装置的制造方法，具有以下步骤形成用于探测所述辐射发射的辐射探测器(20)阵列；以及形成用于容纳样品(70)的位点阵列，以使得每一个位点的一个或多个边缘由所述辐射探测器的每一个的一个或多个边缘限定。
2、 根据权利要求1所述的方法，在形成所述位点之前形成所述辐射探 测器。
3、 根据权利要求1或2所述的方法，所述位点形成在所述辐射探测器上方。
4、 根据权利要求1或2所述的方法，所述位点和所述辐射探测器并排 形成。
5、 根据前述任意一项权利要求所述的方法，形成所述位点的步骤包括 形成能够在存在给定类型的样品时发射辐射的生物敏感层。
6、 根据前述任意一项权利要求所述的方法，其中所述位点为阱(40)。
7、 根据权利要求6所述的方法，其中所述阱为培养阱。
8、 一种集成装置，其用于探测来自样品(70)的辐射发射并且具有用 于探测辐射发射的辐射探测器(20)阵列以及用于容纳样品的位点阵列以 使得每一个位点的一个或多个边缘由每一个辐射探测器的一个或多个边缘 形成。
9、 根据权利要求8所述的集成装置，所述位点位于所述辐射探测器上方。
10、 根据权利要求8所述的集成装置，所述位点和所述辐射探测器并 排放置。
11、 根据权利要求8至10中的任意一项所述的集成装置，所述辐射探 测器比所述位点从所述基底突出得更高，以用作所述位点的侧壁。
12、 根据权利要求8至11中的任意一项所述的集成装置，每一个辐射 探测器都被设置为围绕位点。
13、 根据权利要求8至12中的任意一项所述的集成装置，所述集成装 置具有集成光源(200)以照亮所述样品。
14、 根据权利要求8至13中的任意一项所述的集成装置，每一个辐射 探测器具有光屏蔽以对所述探测器屏蔽来自其它样品的发射。
15、 根据权利要求8至14中的任意一项所述的集成装置，所述集成装 置在每一个辐射探测器的侧面上方具有金属接触层(50)以形成光屏蔽。
16、 根据权利要求8至15中的任意一项所述的集成装置，所述集成装 置在用于容纳所述样品的所述位点处具有亲水表面。
17、 根据权利要求8至16中的任意一项所述的集成装置，所述辐射探 测器包括在玻璃基底上的硅。
18、 根据权利要求8至17中的任意一项所述的权利要求，每一个辐射 探测器具有进入到所述位点中的岛或者凹口的结构。
19、 根据权利要求8至18中的任意一项所述的权利要求，所述位点具有能够在存在给定类型的样品时发射辐射的生物敏感层。
20、 一种集成装置，其用于探测来自样品的辐射发射并且具有用于探 测所述辐射发射的辐射探测器(20)阵列以及用于容纳样品(70)的位点 阵列，并且所述集成装置还包括位于所述辐射探测器的每一个的侧面上方 的金属层(50)，所述金属层(50)用于形成光屏蔽以对所述辐射探测器屏 蔽来自其它样品的发射。
21、 一种集成装置，其用于探测来自样品的辐射发射并且具有用于探 测所述发射的辐射探测器(20)阵列以及用于容纳所述样品(70)的位点 阵列，所述辐射探测器包括在玻璃基底上的硅。
22、 一种用于探测来自样品的辐射发射的方法，具有以下步骤将样 品(70)应用到根据权利要求6至19中的任意一项所述的集成装置上；照 亮所述样品；以及使用所述辐射探测器(20)来探测来自所述样品的发射。
全文摘要
本发明涉及一种用于探测来自样品(70)的发射的集成装置，其包括形成用于探测所述发射的光电探测器(20)阵列并且形成用于容纳所述样品的位点阵列以使得所述位点的边缘由所述光电探测器的边缘限定。使用二极管的位点的侧壁可以提供适于喷墨印刷诸如生物分子的样品的侧壁，而不需要额外的掩模步骤。与用于容纳所述样品的所述位点与所述光电探测器分离形成的传统装置相比，这能够有助于所述样品和所述光电探测器更加容易或成本更低地相互对准。这种探测可以沿任何方向进行，诸如横向或垂直方向。具有屏蔽的光电二极管的横向光探测意味着只探测由一个像素/点发出的光。可以集成用于激励发射的光源(200)。
文档编号G01N21/64GK101410709SQ200780010975
公开日2009年4月15日 申请日期2007年3月20日 优先权日2006年3月28日
发明者H·R·施塔伯特, N·D·扬, P·J·范德扎格 申请人:皇家飞利浦电子股份有限公司