包括具有集成光电二极管的光流控传感器的器件的制作方法

1.本公开一般地涉及包括具有集成光电二极管的光流控传感器的器件的各种新颖实施例，以及制造这种器件的各种新颖方法。


背景技术：

2.光流控学是一个技术领域，其通常涉及使用微流控技术和光学技术。存在各种利用光流控技术的应用或产品，例如显示器、生物传感器、芯片实验室器件、透镜、以及分子成像工具和能源(energy)。然而，这种光流控器件制造起来通常非常昂贵，涉及将分立器件封装在一起的复杂方法，并且导致不容易缩放的相对较大的器件，需要解决这些问题以推进技术进步。


技术实现要素：

3.以下给出本发明的简化概述，以提供对本发明的某些方面的基本上理解。此摘要并非本公开的详尽概述。它并非旨在识别本公开的关键或核心要素或描述本公开的范围。其唯一目的是以简化的形式提出一些概念，作为稍后讨论的更详细的描述的序言。
4.本公开涉及包括具有集成光电二极管的光流控传感器的器件的各种新颖实施例、以及制造这种器件的各种新颖方法。本文公开的一个示例性器件包括：半导体衬底；沟道，其至少部分地由所述半导体衬底的至少一部分来限定；输入流体储器和输出流体储器，其中所述沟道与所述输入流体储器和所述输出流体储器流体连通。在该示例中，所述器件还包括：第一辐射源，其可操作地耦合到所述衬底，其中所述第一辐射源适于在朝向所述沟道的方向上生成辐射；以及至少一个光电二极管，其被定位成与所述沟道邻近。
附图说明
5.通过参考结合附图的以下描述可以理解本公开，其中相同的参考标号表示相同的元件，并且其中：
6.图1-38示出了具有集成光电二极管的光流控传感器的各种新颖实施例，以及制造这种器件的各种新颖方法。附图并非按比例绘制。
7.尽管本文公开的主题允许各种变型和替代的形式，但是其具体实施例已通过附图中的例子的方式而示出，并且在此被详细描述。然而，应当理解，这里对具体实施例的描述并非旨在将本公开限制于所公开的特定形式，相反，其目的在于涵盖落入由所附权利要求限定的本公开的精神和范围内的所有变型、等同物和替代物。
具体实施方式
8.下面描述本公开的各种示例性实施例。为了清楚起见，在本说明书中未描述实际实施的全部特征。当然，将理解，在任何这样的实际实施例的开发中，必须进行大量的实施特定的决定以实现开发者的特定目标，例如遵循系统相关和业务相关的限制，这些限制将
从一个实施到另一个实施而变化。此外，将理解，这样的开发努力可能是复杂且耗时的，但是对于受益于本公开的本领域的普通技术人员来说，这将仍是常规的任务。
9.现在将参考附图描述本主题内容。为了说明的目的，仅在附图中示意性地描绘出各种结构、系统和器件，以便不使本领域的技术人员公知的细节混淆本公开。然而，包括附图是为了描述和解释本公开的示例性的例子。本文使用的词和短语应被理解和解释为具有与相关领域的技术人员对这些词和短语的理解一致的含义。没有特定的术语或短语的定义(即，不同于本领域的技术人员所理解的普通和常用意义的定义)旨在通过本文中的术语或短语的一致使用来暗示。就术语或短语旨在具有特殊含义(即，本领域的技术人员所理解的含义以外的含义)而言，这种特殊定义将以为术语或短语直接且明确地提供特殊定义的定义性方式在说明书中明确地阐述。对于本领域技术人员在完整阅读本技术后将是显而易见的，目前公开的方法可以适用于各种产品，其中包括但不限于逻辑产品、存储器产品等。参考附图，现在将更详细地描述本文公开的方法和器件的各种示例性实施例。本文中所描述的各种组件、结构以及材料层可使用各种不同材料且通过执行各种已知工艺操作(例如，化学气相沉积(cvd)、原子层沉积(ald)、热生长工艺、旋涂技术、掩蔽、蚀刻等)来形成。这些各种材料层的厚度也可以根据特定应用而变化。
10.图1-38示出了包括具有集成光电二极管的光流控传感器的器件10的各种新颖实施例，以及制造这种器件10的各种新颖方法。图1是器件10的一个示例性实施例的简化平面图和部分截面图。器件10将被制造在半导体衬底12之中和之上(参见图3)。参考图1，在一个示例性实施例中，器件10通常包括第一光电二极管阵列11、第二光电二极管阵列13、波导阵列15、沟道16、输入流体储器18、输出流体储器20、适于在朝向沟道16的方向上生成辐射44的第一辐射源34、以及适于在朝向沟道16的方向上生成辐射42的第二辐射源38。沟道16具有第一侧表面16x和与第一侧表面16x相反的第二侧表面16y。沟道16与输入流体储器18和输出流体储器20流体连通，并且沟道16适于在其中接纳流体22。本领域技术人员在完整阅读本技术后将理解，本文公开的具有集成光电二极管的光流控传感器用于在流体22中存在的样品(例如dna、病毒等)(未示出)流过器件10的沟道16时分析这些样品。
11.在一个示例性实施例中，在沟道16内的位于第一光电二极管阵列11和波导阵列15之间的位置处形成多个流体流动挡板24a-d(通常使用参考标号24表示)。流动挡板24是沟道16的一部分，它们部分地限定多个受限的流动路径25a-c(通常使用参考标号25表示)。流动路径25具有轴向长度25l，并且当这些流动路径存在时，它们与沟道16流体连通。如图1所示，流体22分成简单示出的流体流动流22a-c。每个受限的流动路径25的尺寸和流动面积(area)可大致相同，但并非在所有应用中都是如此。类似地，样品通过流体流动流22a-c中的每一者的速度可能彼此不同，但并非在所有应用中都是如此。在通过受限的流动路径25之后，流体流动流22a-c重新组合并且流体22中的样品流入输出流体储器20。然而，本领域技术人员在完整阅读本技术后将理解，在一些应用中，可以不存在流动挡板24(和受限的流动路径25)，例如，沟道16可以在沟道16的基本上整个轴向长度上具有大致恒定的截面流体流动面积。图1中还示出了隔离材料14，例如二氧化硅。图1所示的其他结构和特征稍后将在本技术中讨论。
12.如上所述，本文公开的具有集成光电二极管的光流控传感器将用于在流体22中的样品(例如dna、病毒等)移动通过沟道16时来分析这些样品。也就是说，在一个示例性实施
例中，器件10将用于测量由辐射源34、38中的一者或两者激发的样品的荧光信号的光子计数，并将该测量值与参考值进行比较。通常，在分析样品的过程期间，流体22保持在近似稳态条件下，并且被包含流体22内的样品(dna、病毒等)通过本领域技术人员公知的机制使用静电力从输入流体储器18移动到输出流体储器20。通过输入流体储器18和输出流体储器20实现电接触。当样品通过流动挡板24时，样品伸长(elongate)，这导致辐射源与样品的相互作用时间更长，并且导致与现有技术的光流控传感器相比，荧光信号与背景辐射噪声本底(floor)的信噪比得到改善，从而使得与现有技术的光流控传感器相比，样品的分析更准确。在一个示例性实施例中，取决于样品的性质等，当样品通过流体流动路径25(如果存在)时，样品(未示出)可以伸长约10-50％。
13.在所示示例中，第一光电二极管阵列11包括三个示例性掺杂光电二极管28a-c(通常使用参考标号28表示)，例如pin二极管。当然，本领域技术人员在完整阅读本技术后将理解，器件10可以包括任意数量的光电二极管28，并且在一些情况下，器件10可以仅包括单个二极管28。在一些情况下，可以完全省略光电二极管28并且器件可以仅包括第二光电二极管阵列13。光电二极管28可以具有任何物理尺寸或配置，并且每个光电二极管28的尺寸和配置不必相同，但在一些应用中可能是相同的情况。光电二极管28可以由各种不同的材料构成，例如掺杂半导体材料，如锗、硅、硅锗、锗锡、iii-v族材料等。形成这种光电二极管28的技术是本领域技术人员公知的。在本文示出的特定示例中，光电二极管28具有基本上矩形的配置，其中当从上方观看时，光电二极管28的长轴(在图1中从顶部到底部延伸)基本上垂直于沟道16中心线16l(参见图2)来定向。当然，当从上方观看时，光电二极管28可以具有基本上正方形的配置，其中光电二极管28的一个轴基本上垂直于中心线16l来定向。本领域技术人员在完整阅读本技术后将理解，在器件10的该特定示例中，当被第一和/或第二辐射源34、38照射时，光电二极管28适于感测流过沟道16的流体22中的样品的正交荧光，更具体地，流过受限的流动路径25(如果它们存在于器件10上)的流体22中的狭长样品(elongated sample)的正交荧光。图1还示出了导电地耦合到光电二极管28的导电结构48(例如，金属线、金属硅化物)，并且图1还简单地示出了导电地耦合到导电结构48的导电接触82。如下文更全面地所述的，其他导电结构82导电地耦合到半导体衬底12的有源层的(多个)部分。
14.在所示示例中，第二光电二极管阵列13包括两个示例性掺杂光电二极管30a-b(通常使用参考标号30表示)。当然，本领域技术人员在完整阅读本技术后将理解，器件10可以包括任意数量的光电二极管30，并且在一些情况下，器件10可以仅包括单个二极管30。然而，在一些应用中，可以完全省略光电二极管30。光电二极管30可以具有任何物理尺寸或配置，并且每个光电二极管30的尺寸和配置不必相同，但在一些应用中可能是相同的情况。光电二极管30可以由各种不同的材料构成，例如掺杂半导体材料，例如锗、硅、硅锗、锗锡、iii-v族材料等。形成这种光电二极管30的技术是本领域技术人员公知的。在特定示例中，光电二极管30具有基本上矩形的配置，其中当从上方观看时，光电二极管30的长轴(在图1中从左到右延伸)基本上平行于沟道16的中心线16l(参见图2)来定向。当然，当从上方观看时，光电二极管30可以具有基本上正方形的配置，其中光电二极管30的一个轴基本上平行于中心线16l来定向。本领域技术人员在完整阅读本技术后将理解，光电二极管30适于感测由于与流过沟道16的流体22中的样品流动平行的激光激发而产生的荧光。在所示示例中，在第二光电二极管阵列13包括多个光电二极管30的情况下，光电二极管中的一者(例如，
30a)可以被定位成与沟道的第二侧16y邻近，而多个光电二极管中的另一者(例如，30b)可以被定位成与沟道16的第一侧16x邻近并且与光电二极管30a相对。在该特定示例中，光电二极管30位于下游(就流体22中样品的流动方向而言)，但并非在所有应用中都是如此。此外，在一些应用中，可以完全省略第一光电二极管阵列11或第二光电二极管阵列13中的一者。例如，在一个特定实施例中，可以省略第一光电二极管阵列11，并且第二光电二极管阵列13可以被定位成与受限的流动路径25邻近。图1中还示出了导电地耦合到每个光电二极管30的导电结构49(例如，金属线、金属硅化物)，并且图1还简单地示出了导电地耦合到每个导电结构49的导电接触82。
15.在所示示例中，波导阵列15包括三个示例性波导结构32a-c(通常使用参考标号32表示)。当然，本领域技术人员在完整阅读本技术后将理解，器件10可以包括任意数量的波导结构32，并且在一些情况下，器件10可以仅包括单个波导结构32。每个波导结构32适于朝向沟道16传输由第一辐射源34生成的辐射。每个波导结构32位于第一辐射源34和沟道16的第一侧16x之间。波导结构32被构造成支持特定波长的导模。波导尺寸与激光激发的波长和波导芯的折射率相关。波导结构32可以具有任何物理尺寸或配置，并且波导结构32的尺寸和配置不必相同，但在一些应用中可能是相同的情况。波导结构32可以由各种不同的材料构成，例如半导体材料，如硅、氮化硅等。形成这种波导结构32的技术是本领域技术人员公知的。在本文所示的特定示例中，波导结构32具有基本上矩形的配置，其中当从上方观看时，多个波导结构32中的波导结构32的长轴(在图1中从顶部到底部延伸)基本上垂直于沟道16的中心线16l(参见图2)来定向。当然，当从上方观看时，波导结构32可以具有基本上正方形的配置，其中波导结构32的一个轴基本上垂直于中心线16l来定向。本领域技术人员在完整阅读本技术后将理解，波导结构32适于朝向沟道16和其中的流体2中的样品引导和/或指引由第一辐射源34生成的辐射44。更具体地，在所示实施例中，波导结构32适于朝向沟道16中受限的流动路径25(如果存在)中的流体22中的样品引导和/或指引由第一辐射源34生成的辐射44。
16.第一和第二辐射源34、38可以采用各种形式。在一个示例性示例中，第一和第二辐射源34、38可以包括光纤，该光纤分别通过各种不同的简单示出的附接机构36、40中的任一个(例如，其中定位和接合有光纤的沟槽)来被耦合到器件10。第一和第二辐射源34、38可以适于生成任何所需波长的辐射。在一个示例性实施例中，第一和第二辐射源34、38可以适于生成波长落在0.4-3.0μm范围内的辐射。在一个示例性实施例中，第一辐射源34适于在与沟道16的中心线16l基本上垂直(例如，与流体22中的样品的流动方向基本上垂直)的方向上生成辐射44，从而使被照射的样品发出荧光。在一个示例性实施例中，第二辐射源38适于在与沟道16的中心线16l基本上平行(例如，与流体22中的样品的流动方向基本上平行)的方向上生成辐射42，从而使被照射的样品发出荧光。在本文所示的特定示例中，第一辐射源34位于沟道16的第一侧16x，而光电二极管28与沟道16的第二相反侧16y邻近。
17.使流体22中的样品从输入流体储器18移动到输出流体储器20所需的能量可通过各种已知系统和技术提供，例如已知的泵送系统、使用毛细管力作为流体22的动力的已知系统、使用已知的电泳力的已知系统等。输入流体储器18和输出流体储器20的物理尺寸可根据特定应用而变化。流体22可以是任何类型的液体，例如缓冲液、ph缓冲液、tris缓冲液、tris edta缓冲液等。如上所述，在一个示例性实施例中，流体22可以包含生物材料，例如
dna、病毒。在其他应用中，流体22可以基本上不含任何颗粒或材料。
18.在所示的器件10的示例中，至少一个波导32位于第一辐射源34和侧沟道16的第一侧16x之间，以及至少一个光电二极管28被定位成与沟道16的第二侧16y邻近并且与至少一个波导32相对。另外，当流动路径25中的至少一个形成在器件10中时，至少一个流体流动路径25的轴向长度25l中的至少一部分位于至少一个波导32和至少一个光电二极管28之间。
19.图2是图1的副本，其中省略了一些参考标号和流体流动箭头。图2的目的是示出附图所示的各种截面图的被示出的位置。视图a-a穿过光电二极管28c、沟道16、流动挡板24和光电二极管32c截取。视图a-a被示出在图4、图9、图14、图19、图24、图29和图34中。视图b-b穿过光电二极管30a-b和沟道16截取。视图b-b被示出在图5、图10、图15、图20、图25、图30和图35中。视图c-c在横向于沟道16的中心线16l的方向上穿过沟道16截取。视图c-c被示出在图6、图11、图16、图21、图26、图31和图36中。视图d-d穿过光电二极管28截取。视图d-d被示出在图7、图12、图17、图22、图27、图32和图37中。视图e-e穿过波导结构32截取。视图e-e被示出在图8、图13、图18、图23、图28、图33和图38中。所附截面图中示出的一些材料在图1或图2中未示出，以免使附图过于复杂。
20.参考图3，在所示示例中，器件10将形成在半导体衬底12上方。衬底12可以具有各种配置，例如本文所示的绝缘体上半导体(soi)。这种soi衬底12包括基底半导体层12a、位于基底半导体层12a上的掩埋绝缘层12b和位于掩埋绝缘层12b上方的有源半导体层12c，其中器件10将形成在有源半导体层12c之中和之上。有源半导体层12c和掩埋绝缘层12b的厚度可根据特定应用而变化，并且应当理解，这里示出的附图不是按比例绘制的。通常，基底半导体层12a将比有源半导体层12c厚。在一个示例性实施例中，有源半导体层12c可以基本上不含任何可感知量(appreciable)的掺杂剂材料，即，有源半导体层12c可以是本征半导体材料。有源半导体层12c和基底半导体层12a不必由相同的半导体材料制成，但在一些应用中可能是相同的情况。在一些应用中，有源半导体层12c和基底半导体层12a可以由硅制成，或者它们可以由硅以外的半导体材料制成。因此，术语“衬底”或“半导体衬底”应理解为涵盖所有半导体材料和此类材料的所有形式。掩埋绝缘层12b可以包括任何所需的绝缘材料，例如二氧化硅、氮化硅等。如本文和权利要求中所使用的，术语“衬底”或“半导体衬底”应理解为作为整体的衬底。例如，在器件10形成在soi衬底上的情况下，如果声明了例如在衬底中至少部分地限定流动路径，则意味着流动路径可以至少部分地由有源层12c单独限定、由掩埋绝缘层12b单独限定或由基底半导体层12a单独限定、或由有源层12c、掩埋绝缘层12b和基底半导体层12a的任意组合限定。在需要在权利要求中区分soi衬底的有源层12c、掩埋绝缘层12b或基底半导体层12a的程度上，这些术语将在权利要求中具体地使用。当然，如果需要，本文公开的器件10可以制造在传统的体硅衬底上。
21.图4-8示出了在有源层12被图案化(使用已知的掩蔽和蚀刻技术)并且在有源层12c中形成各种隔离结构14之后的器件10。在一个示例性工艺流程中，在有源层12c被图案化并且去除蚀刻掩模之后，沉积绝缘材料(例如，二氧化硅)以过填充有源层12c中的开口。然后执行平坦化工艺，例如化学机械平坦化工艺，以去除位于有源层12c中的开口外部和有源层12c的上表面上方的过量绝缘材料。在该特定示例中，波导结构32将由有源层12c的材料制成。因此，隔离结构14的形成导致波导结构32的形成(参见图4(波导32c)和图8(波导32a-c))。参考图4，流动挡板24将最终形成在区域24x中。在一个示例性实施例中，流动挡板
24，更具体地是指流动挡板24d，将形成为与波导32直接物理接触。
22.图9-13示出了在执行若干工艺操作之后的器件10。首先，在器件10上方形成第一图案化蚀刻掩模(未示出)。其后，执行蚀刻工艺以去除有源层12c的暴露部分，从而在将要形成流动挡板24的有源层12c的部分的相反侧上关于沟道16的轴向长度中的部分来限定沟槽56。请参见图10和图11。在该示例性工艺流程中，流动挡板24此时尚未形成。在省略流动挡板24的情况下，将关于沟道16的整个轴向长度来形成单个沟槽56。当然，本领域技术人员在完整阅读本技术后将理解，可以执行各种不同的工艺流程来形成本文公开的新颖器件10。在所示示例中，沟槽56的形成暴露掩埋绝缘层12b，即，沟槽56的底部由掩埋绝缘层12b限定，但并非在所有应用中都是如此。沟槽56的物理尺寸可根据特定应用而变化。此时，可以去除第一图案化蚀刻掩模。
23.图14-18示出了在执行若干工艺操作之后的器件10。首先，通过执行各种保形沉积工艺在器件上沉积代表性的材料层60和62。本领域技术人员将理解，代表性材料层60和62将关于沟道16的轴向长度的至少一部分来构成arrow(抗谐振反射光波导)结构的下部。在省略流动挡板24的情况下，arrow结构可以在沟道16的基本上整个轴向长度上延伸。传统arrow结构的功能和结构是本领域技术人员公知的。代表性的材料层60和62本质上具有代表性，因为它们代表层60、62的多个堆叠。例如，在一些应用中，器件10可以包括堆叠在彼此顶部上的材料60、62的这种堆叠或组的三个实例(即，第一层60位于有源层12c上，第一层62位于第一层60上；第二层60位于第一层62上，第二层62位于第二层60上；以及第三层60位于第二层62上，第三层62位于第三层60上)。材料60、62的这种组的数量可根据各种因素而变化，例如器件10的光损耗规格。材料层60可以由各种不同的材料构成，例如二氧化硅，并且它可以形成为任何所需的厚度，例如100-1000nm。材料层62可以由各种不同的材料构成，例如氮化硅，并且它可以形成为任何所需的厚度，例如100-1000nm。请注意，材料层60和62在形成各种外延半导体材料之前形成，因此必须由能够承受较高温度外延形成过程的材料制成，其中这些外延半导体材料形成在器件10上(如下文更详细描述)。
24.仍参考图14-18，下一工艺操作涉及执行保形沉积工艺以在器件10上形成材料层64。然后，在器件10上形成第二图案化蚀刻掩模(未示出)。第二图案化蚀刻掩模覆盖位于沟槽56中的材料层64的部分。此后，执行一个或多个蚀刻工艺以相对于周围材料来去除材料层64的暴露部分。材料层64可以形成为任何所需的厚度，并且它可以由各种不同的材料构成，例如多晶硅、非晶硅等。材料层64可以掺杂有或不掺杂有各种材料。在一个特定示例中，材料层64可以是掺锗的多晶硅。此时，可以去除第二图案化蚀刻掩模。
25.此后，执行各种掩蔽和蚀刻工艺以在有源层12c中形成各种沟槽并去除代表性的材料层60和62的暴露部分。如上所述，这些沟槽可以使用各种不同的流程来形成。例如，在一个示例性示例中，在器件10上形成第三图案化蚀刻掩模(未示出)。此后，执行一个或多个蚀刻工艺以去除材料层60、62的暴露部分，然后去除有源层12c的暴露部分。在一个特定示例中，这些操作导致分别针对光电二极管30a、30b形成沟槽54a和54b(参见图15—通常使用参考标号54来表示)，以及分别针对光电二极管28a-c形成沟槽58a-c(参见图17—通常使用参考标号58来表示)。请注意，在该特定示例中，沟槽54和58不在有源层12c的整个深度上延伸。沟槽54和58底部处的有源层12c的剩余厚度大小可根据特定应用而变化。另请注意，在该示例中，沟槽54和58形成为具有基本上相同的深度，但并非在所有应用中都是如此。此
时，可以去除第三图案化蚀刻掩模。
26.仍然参考图14-18，在器件10上形成第四图案化蚀刻掩模(未示出)。此后，执行一个或多个蚀刻工艺以去除材料层60、62的暴露部分，然后去除有源层12c的暴露部分。在一个特定示例中，这些操作导致在有源层12c中形成多个沟槽52a-c(通常使用参考标号52表示)和流动挡板24a-d。请参见图14。如下文将更全面地描述，沟槽52a-c将分别成为用于器件10的受限的流动路径25a-c的一部分。更具体地，沟槽52至少部分地由衬底12限定，例如，在所示示例中由有源层12c限定。请注意，在该特定示例中，沟槽52未在有源层12c的整个深度上延伸。沟槽52底部处的有源层12c的剩余厚度大小可根据特定应用而变化。另请注意，在该示例中，沟槽52的深度可以小于、大于或基本上等于沟槽54和/或沟槽58的深度。此时，可以去除第四图案化蚀刻掩模。当然，本专利申请中描述的所有沟槽的物理尺寸，即，高度、宽度和长度，可根据特定应用而变化。
27.图19-23示出了在执行若干工艺操作之后的器件10。首先，通过执行已知的外延半导体生长工艺在器件10的各个区域中形成多个外延半导体材料区域。外延半导体材料区域可以在未掺杂的条件下形成，或者它们中的至少一些可以被原位掺杂。外延半导体区域以不同的阴影表示以便于解释，并且这种阴影不应被解释为外延半导体材料区域由不同的材料制成，或不应被解释为它们在不同的处理步骤中在不同的时间形成，尽管在某些应用中可能是这种情况。在一个示例性工艺流程中，可通过执行单个外延生长工艺来形成所有的外延半导体材料区域。在其他工艺流程中，可以在器件10上形成图案化硬掩模层(未示出)以控制形成特定外延半导体材料然后去除该材料的区域。接着可以去除图案化硬掩模层，并根据需要重复此工艺以在器件10的不同区域中形成额外的外延半导体材料。
28.如图19-23所示，用于光电二极管28的单晶外延半导体材料27已经形成在沟槽58中，单晶外延半导体材料29已经形成在用于光电二极管30的沟槽54中，并且单晶外延半导体材料31a-c(通常使用参考标号31表示)已经分别形成在沟槽52a-c中。单晶外延材料27、29和31是单晶材料，因为外延材料生长在有源层12c的单晶材料上。这些图中还示出了在沟槽56中的材料层64上形成的非单晶外延半导体材料33(例如，多晶材料)。非单晶外延半导体材料33具有这种结构，因为它形成在材料层64的非单晶材料上。在一个示例性实施例中，非单晶外延半导体材料33和用于光电二极管28的单晶外延半导体材料27被形成为使得外延材料27的上表面27s与非单晶外延材料33的上表面33s基本上共面。依惯例，在形成用于光电二极管28和30的单晶外延半导体材料27、29之后的某个点处，可以执行已知的离子注入技术以在被定位成与用于光电二极管28和30的外延半导体材料27、29邻近的有源层12c的部分中和/或在外延材料27、29中形成各种掺杂区域。
29.单晶外延材料27、29和31可以由各种不同的材料形成，例如锗(ge)、硅锗(sige)、硅(si)、碳化硅(sic)等。用于单晶外延半导体材料27、29和31的半导体材料不必由相同的材料制成，但在一些应用中可能是相同的情况。如下文更全面地所述，单晶外延半导体材料31应当由可以相对于有源层12c的半导体材料而被选择性地去除(通过蚀刻)的材料制成。用于光电二极管28、30的单晶外延半导体材料27和29不必由相同的外延半导体材料制成，但在一些应用中可能是相同的情况。如图所示，单晶外延半导体材料27、29和31和非单晶外延材料33不需要具有相同的竖直厚度，但在一些应用中可能是相同的情况。在一个特定示例中，用于光电二极管28的单晶外延半导体材料27可以包括硅锗，用于光电二极管30的单
晶外延半导体材料29可以包括硅锗，单晶外延半导体材料27可以包括锗，以及非单晶外延半导体材料33可以包括锗。
30.图24-28示出了在执行若干工艺操作之后的器件10。首先，导电结构48形成在光电二极管28上，以及导电结构49形成在光电二极管30上。导电结构48、49可以由任何导电材料形成，并且它们可通过执行已知的制造技术形成。
31.此后，通过执行保形沉积工艺在器件10上沉积代表性的材料层70和72。本领域技术人员将理解，代表性的材料层70和72将构成arrow(抗谐振反射光波导)结构的上部。arrow的上部(层70、72)位于arrow结构的下部(层60、62)上方。在本文描述的示例性示例中，arrow结构的上部在沟道16的基本上整个轴向长度上延伸。在器件10包括流动路径25的一个示例中，并且在一个示例性工艺流程之后，arrow结构的下部(层60、62)不位于至少部分地限定流动路径25的沟槽52的底部或侧壁上，如下文更全面地所述。当然，如果需要，可以执行不同的工艺流程以在沟槽52中形成材料层60、62。在器件10不包括流动路径25的情况下，arrow结构的下部(层60、62)可以在沟道16的基本上整个轴向长度上延伸。
32.请注意，材料层70和72在形成上述外延半导体材料之后形成。因此，材料层70和72可由不必去承受较高温度外延形成工艺的材料制成。因此，与用于arrow结构的上部的材料70和72相比，本文公开的新颖arrow结构可以针对arrow结构的下部包括不同的材料(例如，材料60、62)。这种配置有利于形成更有效和高效的arrow结构，因为它允许将额外的材料用于arrow结构的上部，这些材料具有不同的光学特性，因为arrow结构上部的材料不必是承受高温外延沉积工艺的材料。然而，材料70、72必须在比先前形成的外延半导体材料的熔点低的温度下沉积。
33.仍然参考图24-28，代表性的材料层70和72通过执行多种保形沉积工艺来沉积在器件10上。代表性的材料层70和72本质上具有代表性，因为它们代表层的多个堆叠。例如，在一些应用中，器件10可以包括堆叠在彼此顶部上的材料70、72的这种堆叠或组的两个实例(即，第一层70位于最上层62上，第一层72位于第一层70上，第二层70位于第一层72上，第二层72位于第二层70上。材料70、72的这种组的数量可根据各种因素而变化，例如器件10的光损耗规格。材料层70可以形成为任何所需的厚度，例如10-1000nm。材料层70可以由各种不同的材料构成，例如金属氧化物、氧化钽、氧化铝、氮化硅等。材料层72可以由各种不同的材料构成，例如二氧化硅、tin、氧化钽等，并且它可以形成为任何所需的厚度，例如10-1000nm。
34.图29-33示出了在执行若干工艺操作之后的器件10。首先，通过执行湿蚀刻工艺，来相对于周围材料选择性地去除非单晶半导体材料33。此工艺操作形成沟道16的多个部分并且暴露位于沟槽52中的外延半导体材料31。之后，在一个示例性工艺流程中，执行另一湿蚀刻工艺以相对于周围材料去除外延半导体材料31。此工艺操作导致形成受限的流动路径25a-c，这些受限的流动路径与流动挡板24的相反两侧上的沟道16的部分(即，通过去除非单晶半导体材料33而形成的沟道16的部分)而流体连通。请注意，在本文描述的示例性示例中，沟道16的最上表面16s位于与光电二极管28的单晶外延半导体材料27的上表面27s基本上共面的层级(level)处。另请注意，在本文描述的示例性示例中，每个受限的流动路径25被在有源层12c、材料层60、62和材料层70中形成的沟槽52来横向地界定(在图中所示的从左到右的方向上)。参考图29，每个受限的流动路径25的上表面25x和下表面25y分别由材料
层70和有源层12c界定。也就是说，受限的流动路径25部分地由衬底12限定，并且部分地由位于有源层12c上方的材料限定。受限的流动路径25的尺寸，即，横向宽度(在图29中从左到右)、竖直高度(在图29中从顶到底)和轴向长度(在图29中进出图纸平面)可根据特定应用而变化。此外，所有的受限的流动路径25的物理尺寸不必相同，但在一些应用中可能是相同的情况。在一个示例性示例中，横向宽度可以落入约2-500nm的范围内，竖直高度可以落入约50nm的范围内，并且受限的流动路径25的轴向长度可以落入约0.5-3mm的范围内。参考图30和图31并忽略arrow结构，沟道16至少部分地被限定在衬底12中。
35.图34-38示出了在执行若干工艺操作之后的器件10。更具体地，在图29-33中的处理点处，执行了各种传统的beol(后段制程)处理操作以创建各种beol结构。例如，代表性的一个或多个绝缘材料层80形成在衬底12上方。在实际的器件中，一个或多个绝缘材料层80可以包括多个材料层，并且这些材料层可以由不同的材料制成。例如，一个或多个绝缘材料层80可以包括一个或多个二氧化硅和/或低k材料层，其中氮化硅层(其用作蚀刻停止层)位于二氧化硅和/或低k材料层之间。用于形成这样的绝缘材料层80的结构、组成和技术是本领域技术人员公知的。如上所述，各种简单示出的导电接触82形成为与器件上的各种结构接触。例如，图34示出了导电地耦合到与光电二极管28邻近的掺杂有源区12c的导电接触82中的一个(即，82a)。图35示出了导电地耦合到与光电二极管30a邻近的掺杂有源区12c的导电接触82中的一个(即，82b)、以及导电地耦合到与光电二极管30b邻近的掺杂有源区12c的导电接触82中的一个(即，82c)。图37示出了导电地耦合到导电结构48的导电接触82(即，82d、82e)。被简单示出的导电接触82可以有各种形式和配置，它们可以由各种不同的导电材料构成，并且它们可通过执行已知的制造技术来制造。
36.现在将描述示例性的新颖器件10的各个操作方面。例如，第一辐射源34适于通过生成辐射44来照射流体22中的样品，以导致流体22中被照射样品的所谓的正交荧光，其中该照射44在与沟道16中，更具体地，受限的流动路径25(当存在时)中的流体中的样品的流动方向基本上垂直的方向上被引导。此外，第二辐射源38适于通过生成辐射42来照射流体22中的样品，以导致由于与流体22中被照射样品的流动平行的激光激发所造成的所谓的正交荧光，其中该照射42在与沟道16中和受限的流动路径25中流体22的流动方向基本上平行的方向上被引导。进而，光电二极管28适于感测流过沟道16和/或受限的流动路径25的流体22中的样品的正交荧光，而光电二极管30适于感测流过沟道16的流体22中的样品的平行荧光。通过提供在二维平面中沿正交方向激发的荧光，增加了目标样品的识别与样品(例如dna、病毒等)的多维形状的相关性。
37.本领域技术人员在完整阅读本技术后将理解，本文公开的器件10包括若干新颖配置。在没有特定的重要性顺序的情况下，器件10包括与至少一个光电检测器(28或30)结合或集成的光流控流控传感器，所有光电检测器形成在单个半导体衬底12上或上方。在一个特定实施例中，器件10还包括位于沟道16内的多个流动挡板24，这些流动挡板至少部分地限定多个受限的流动路径25。如上所述，与用于arrow结构上部的材料70和72相比，本文公开的新颖arrow结构针对arrow结构的下部可以包括不同的材料(例如，材料60、62)。此外，参考图2和图29，arrow结构的下部(例如，材料60、62)未在流动路径25的轴向长度25l(参见图2)上在受限的流动路径25内形成。此外，受限的流动路径25位于流动挡板24的相反两侧的较大沟道16之间并且将较大沟道16分隔。如上所述，在一个示例性实施例中，波导32与流
动挡板24直接物理接触。
38.上面公开的特定实施例仅是示例性的，因为本发明可以通过对于获益于此处的教导的本领域的技术人员显而易见的不同但等效的方式进行变型和实践。例如，上面提出的工艺步骤可以以不同的顺序执行。此外，除了以下权利要求中所述以外，本文所示的结构或设计的细节不受任何限制。因此，显而易见的是，上述公开的特定实施例可以被改变或变型，并且所有这些变化都被认为在本发明的范围和精神内。需要指出，本说明书和所附权利要求中使用诸如“第一”、“第二”、“第三”或“第四”的术语来描述各种工艺或结构只是用作对这些步骤/结构的简略参考，并不一定暗示以该有序的顺序执行/形成这样的步骤/结构。当然，取决于准确的权利要求语言，可能需要也可能不需要这些工艺的有序的顺序。因此，本文寻求的保护在下面的权利要求中提出。