专利名称：微晶硅薄膜探测器结构及其电路的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及微晶硅薄膜探测器结构，具体是指将微晶硅薄膜应用于X射线平板探测器中的薄膜探测器，利用微晶硅薄膜较高的载流子迁移率，提高开口率和成像速度。
背景技术：
X射线平板探测器应用于X射线数字成像系统，作用是将X射线转换为数字图像，其中非晶硅平板探测器由于制造工艺成熟而得到广泛应用。非晶硅平板探测器由闪烁体、薄膜探测器、控制电路组成，其中薄膜探测器包括薄膜晶体管和光电二极管。非晶硅平板探测器的工作原理是，闪烁体将X射线转换为可见光，光电二极管将可见光转换为电信号，薄膜晶体管与光电二极管连接并输出光电二极管的电信号，控制电路控制薄膜晶体管的通断。薄膜晶体管和光电二极管被制作在同一块玻璃基板上，每一个光电二极管和相连接的一个薄膜晶体管构成一个像素。只有光电二极管是有效感光区域，所以为了提高成像质量 和动态范围就要减小薄膜晶体管所占面积。但是薄膜晶体管作为信号开关要有足够的跨导以保证成像速度，所以给定薄膜晶体管载流子迁移率的前提下，薄膜晶体管的面积无法任意减小。除了图像质量和动态范围这个指标以外，平板探测器还在往更大尺寸发展。当尺寸增加时，为减小噪声干扰，必须在每个像素中增加驱动晶体管(有源像素)，以放大光电二极管的输出信号，而在现有非晶硅工艺下，增加驱动二极管会进一步减小光电二极管面积，降低探测器开口率。为解决非晶硅薄膜载流子迁移率过低的问题，在IXD/0LED显示领域已经出现用低温多晶硅薄膜替代非晶硅薄膜制作TFT的情况。低温多晶硅薄膜的制作方法是，在基板上沉积非晶硅薄膜，然后对非晶硅薄膜进行准分子激光煺火以形成多晶硅薄膜。由于多晶硅薄膜载流子迁移率远大于非晶硅薄膜载流子迁移率，所以TFT面积可以大幅减小，每个像素的面积可以随之减小，所以这种方式制作出来的显示屏可以达到极高的分辨率，而且由于将驱动电路也以薄膜晶体管的形式制作在玻璃基板上，减少了分立器件，使显示屏更轻。低温多晶硅也有探测器领域的应用，如上海奕瑞光电子科技有限公司专利CN102403329。但是由于准分子激光煺火成本高，低温多晶硅薄膜目前主要应用于中小尺寸面板。微晶硅薄膜有介于非晶硅薄膜和多晶硅薄膜之间的载流子迁移率，制造工艺与非晶硅薄膜相似且使用相同的制造设备，因此有可能在不增加成本的前提下用微晶硅替代非晶硅制作薄膜探测器，以提高成像速度和图像质量。
实用新型内容鉴于以上所述现有技术的缺点，本实用新型的目的在于提供一种微晶硅薄膜探测器结构，以提高X射线平板探测器的成像速度和图像质量。为实现上述目的及其他相关目的，本实用新型还提供一种微晶硅薄膜探测器结构，该结构由薄膜晶体管和光电二极管构成的有源像素以矩阵形式排列；所述有源像素由一个薄膜晶体管TFT和一个光电二极管构成；所述薄膜晶体管TFT包括由本征微晶娃薄膜(131)和η掺杂微晶硅薄膜(132)构成的有源区、位于该有源区之上的第二绝缘层(15),TFT漏极(141)、TFT源极(142)及设置于所述有源区下方的栅极(11);该栅极(11)连接于用于控制薄膜晶体管TFT通断的控制电路；该源极(142)连接于数据采集单元；用于当TFT导通时输出光电二极管的电信号；所述光电二极管包括用作η极电极的TFT漏极(141)、依次位于该η极电极上的η掺杂非晶娃层(164)、本征非晶娃层(163) ρ掺杂非晶娃层(162)以及用作P极电极的透明导电薄膜(161) ;TFT漏极(141)与光电二极管η极电极共用^TFT导通时，积累于光电二极管η极电极的电荷传输到TFT源极(142 )，再传输到数据采集单元；第三绝缘层(17)覆盖所述薄膜晶体管TFT和光电二极管；第三金属层18通过第三绝缘层(17)将光电二极管P极电极引出，并连接于光电二极管偏置电路。本实用新型还提供一种将有源像素应用于微晶硅薄膜探测器的电路结构，该电路结构包括光电二极管(07)以及第一、第二和第三薄膜晶体管TFT ;所述光电二极管的P极设置偏置电压VSS ;该光电二极管的η极连接于第一薄膜晶体管TFT (04)的源极；该第一薄 膜晶体管的漏极连接于电源正极VDD ;当第一薄膜晶体管的栅极RST高电平时，第一薄膜晶体管TFT (04)导通，积累于所述光电二极管(07) η极的电荷被清空；第二薄膜晶体管TFT (05)用作源极跟随器用来放大光电二极管η极的电压，其漏极连接于电源正极VDD ；第三薄膜晶体管TFT (06)的漏极连接于第二薄膜晶体管TFT (05)的源极，第三薄膜晶体管TFT (06)的源极连接于数据线，当第三薄膜晶体管TFT (06)的栅极Gate高电平时，所述第二薄膜晶体管TFT (05)和第三薄膜晶体管TFT (06)同时导通，所述光电二极管(07)n极电压经过第二薄膜晶体管TFT (05)放大后的信号从第三薄膜晶体管TFT (06)源极输出；所述第一、第二和第三薄膜晶体管TFT包括由本征微晶硅薄膜和η掺杂微晶硅薄膜构成的有源区、位于该有源区之上的第二绝缘层、TFT漏极、TFT源极及设置于所述有源区下方的栅极。如上所述，本实用新型的目的是推出一种微晶硅薄膜探测器，它的优点是I、微晶硅薄膜探测器开口率更高、速度更快。2、微晶硅薄膜制作工艺与非晶硅薄膜制作工艺相似，适合大尺寸面板。3、制备微晶硅薄膜的设备与制备非晶硅薄膜的相同，实现了技术变更的零成本。4、可以在不降低开口率的前提下在像素中增加驱动晶体管，提高图像质量和适应探测器往大尺寸发展的需要。
图I为本实施例微晶硅薄膜探测器的像素结构剖面图。图2为本实施例微晶硅薄膜探测器制程第一步的像素结构剖面图。图3为本实施例微晶硅薄膜探测器制程继图2之后下一步的像素剖面图。图4为本实施例微晶硅薄膜探测器制程继图3之后下一步的像素剖面图。图5为本实施例微晶硅薄膜探测器制程继图4之后下一步的像素剖面图。图6为本实施例微晶硅薄膜探测器制程继图5之后下一步的像素剖面图。[0022]图7为本实施例微晶硅薄膜探测器制程继图6之后下一步的像素剖面图。图8为本实施例微晶硅薄膜探测器制程继图7之后下一步的像素剖面图。图9为本实施例微晶硅薄膜探测器制程继图8之后下一步的像素剖面图。图10为本实施例微晶硅薄膜探测器电路图。图11为本实施例微晶硅薄膜探测器应用有源像素的电路图。图12为本实施例微晶硅薄膜探测器应用有源像素的像素版图。图13为本实施例微晶硅薄膜探测器应用有源像素的时序图。元件标号说明
玻璃基板10
栅极11
第一绝缘层12
微晶硅薄膜131
η掺杂微晶硅薄膜132
漏极141
源极142
第二绝缘层15
透明导电层ITO161
P掺杂非晶硅薄膜162
本征非晶硅薄膜163
η掺杂非晶硅薄膜164
第三绝缘层17
电极18
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本实用新型的实施方式，本领域技术人员可由本说
明书所揭露的内容轻易地了解本实用新型的其他优点与功效。本实用新型还可以通过另
外不同的具体实施方式
加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应
用，在没有背离本实用新型的精神下进行各种修饰或改变。请参阅图I所示。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本
实用新型的基本构想，遂图式中仅显示与本实用新型中有关的组件而非按照实际实施时的
组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改
变，且其组件布局型态也可能更为复杂。现结合附图具体描述本实用新型的技术方案。[0034]图I所示为微晶硅薄膜探测器像素结构剖面图。每一个像素由一个薄膜晶体管(TFT)和一个光电二极管构成。TFT由本征微晶硅薄膜(131)和η掺杂微晶硅薄膜(132)构成的有源区、结合于有源区之上的绝缘层(15)、漏极(141)、源极(142)及设置于所述有源区下方的栅极(11)构成。栅极(11)连接于控制电路(图10中的Gate单元)，控制TFT通断。源极(142)连接于数据采集单元(图10中的Data单元)，当TFT导通时输出光电二极管的电信号。光电二极管包括P掺杂非晶娃层(162)、本征非晶娃层(163)、n掺杂非晶娃层(164)、η极电极(141)以及P极电极(161)。TFT漏极(141)连接于光电二极管η极电极(Hl)0当TFT导通时，积累于光电二极管η极电极(141)的电荷传输到TFT源极(142)，再传输到数据采集单元。绝缘层(17)覆盖TFT和光电二极管。金属层18通过绝缘层(17)将光电二极管P极电极(161)引出，并连接于光电二极管偏置电路(图10中的Vcom)。曝光时，TFT关断，X射线通过闪烁体(未显示在图中)转变为可见光后，由光电二极管采集并转换为电荷积累在P极电极(161)和η极电极(141)。曝光结束后，积累在η极 电极(141)的电荷在栅极(11)的控制下传输到TFT源极(142 )，源极(142 )的电荷再传输到 数据采集单元。由于微晶硅薄膜(131，132)构成的有源区比非晶硅有更高的载流子迁移率，导致电荷传输更快，所以成像速度更快，同时TFT所占面积可以减小以增加开口率。图2为本实施例微晶硅薄膜探测器制程第一步的像素结构剖面图。在玻璃基板
(10)上沉积金属层，刻蚀该金属层以形成TFT栅极(11)。该金属层的材料可选择为钥/铝/钥的合金(Μο/Α1/Μο)。图3为本实施例微晶硅薄膜探测器制程继图2之后下一步的像素剖面图。在图2的基础上沉积绝缘层(12)(例如可选择SiNx薄膜)。图4为本实施例微晶硅薄膜探测器制程继图3之后下一步的像素剖面图。在图3的基础上沉积本征微晶硅薄膜(131)和η掺杂微晶硅薄膜(132)，然后刻蚀所述两层微晶硅薄膜以形成TFT有源区。图5为本实施例微晶硅薄膜探测器制程继图4之后下一步的像素剖面图。在图4的基础上沉积金属层，(该金属层的材料可选择为钥/铝/钥的合金(Mo/Al/Mo)。)刻蚀该金属层以及金属层下方的η掺杂微晶硅层(132)以形成TFT源极(142)和漏极(141 )。图6为本实施例微晶硅薄膜探测器制程继图5之后下一步的像素剖面图。在图5的基础上沉积SiNx薄膜，然后刻蚀该薄膜以形成覆盖TFT的绝缘层(15)。图7为本实施例微晶硅薄膜探测器制程继图6之后下一步的像素剖面图。在图6的基础上依次沉积η掺杂微晶硅薄膜(164)、本征微晶硅薄膜(163)、ρ掺杂微晶硅薄膜(162)、透明导电层ITO (161)，然后刻蚀所述四层薄膜以形成光电二极管。图8为本实施例微晶硅薄膜探测器制程继图7之后下一步的像素剖面图。在图7的基础上沉积又一绝缘层SiNx薄膜(17)。图9为本实施例微晶硅薄膜探测器制程继图8之后下一步的像素剖面图。在图8的基础上刻蚀SiNx薄膜(17)形成位于ITO电极(161)上方的开孔，然后沉积金属层，该金属层的材料可选择为钥/铝/钥的合金(Mo/Al/Mo)。刻蚀该金属层以形成将ITO电极(161)引出的电极(18)。图10为本实施例微晶硅薄膜探测器电路图。由薄膜晶体管(01)和光电二极管(02)构成的像素(03)以矩阵形式排列。每个像素中，薄膜晶体管漏极连接于相应的光电二极管η极。每一行像素的薄膜晶体管栅极相连，由Gate单元控制薄膜晶体管通断。每一列像素的薄膜晶体管源极相连，由Data单元控制薄膜晶体管源极信号输出。所有光电二极管P极连接于同一偏置电压Vcom。图11为本实施例微晶硅薄膜探测器应用有源像素的电路图。有源像素由光电二极管(07)、薄膜晶体管(04、05、06)构成。薄膜晶体管(04、05、06)的有源区由微晶硅薄膜构成。图12为本实施例微晶硅薄膜探测器应用有源像素的像素版图。每个像素由光电二极管(07)、薄膜晶体管(04、05、06)、以及连接线(Data，Gate, RST, VDD)构成。图13为本实施例微晶硅薄膜探测器应用有源像素的时序图。图中RST连接于TFT
(04)栅极，Gate连接于TFT (06)栅极。图11、图12和图13提供将有源像素应用于微晶硅薄膜探测器的结构示意图。由·于微晶硅薄膜载流子迁移率大于非晶硅薄膜，单个TFT的面积可以减小，就可以在不减小开口率的前提下在像素中增加驱动晶体管。VSS是光电二极管ρ极的偏置电压，光电二极管η极连接于TFT (04)源极。TFT (04)用来清空光电二极管(07)，漏极连接于电源正极VDD，当栅极(图中的RST)高电平时，TFT (04)导通，积累于光电二极管(07) η极的电荷被清空。TFT (05)是源极跟随器，漏极连接于电源正极VDD，TFT (05)用来放大光电二极管η极的电压。TFT (06)漏极连接于TFT (05)源极，TFT (06)源极连接于数据线(图中的Data)，当栅极(图中的Gate)高电平时，TFT (05)和TFT (06)同时导通，光电二极管(07) η极电压经过TFT (05)放大后的信号从TFT (06)源极输出。每次曝光前，RST先输出高电平脉冲，清空光电二极管(07)的电荷，然后曝光；曝光完成后，Gate输出高电平脉冲，读出光电二极管(07)信号。Gate高电平脉冲持续的时间t取决于后续积分电路的参数设置。本实施例的技术方案分为两部分。第一部分是微晶硅薄膜探测器的制备方法，用微晶硅构成薄膜晶体管的有源区，光电二极管由非晶硅薄膜构成，薄膜晶体管的漏极连接光电二极管的η极电极。第二部分是将有源像素应用于微晶硅薄膜探测器的结构及方法。本实施例所涉及的微晶硅薄膜探测器结构如图I所示，其相应的制备流程如图2到图9所示。微晶硅薄膜探测器电路如图10所示。图11至图12是将有源像素传包含于微晶硅薄膜探测器的电路结构示意图。本实用新型所涉及的微晶硅薄膜探测器由控制元件TFT、光电二极管构成。图2所示为玻璃基板(10)及TFT栅极(11 )，在玻璃基板上沉积一层金属层，然后刻蚀成TFT的栅极(11)。图3中在基板(10)和栅极(11)上方沉积一层SiNx薄膜(12)。图4中在SiNx薄膜(12)上先后沉积一层本征微晶娃薄膜(131)和一层η掺杂微晶娃薄膜(132),然后将所述两层微晶硅薄膜刻蚀成TFT有源区。图5中在图4的基础上沉积金属层，然后刻蚀该金属层和η掺杂微晶硅薄膜(132)，该金属层被刻蚀成TFT漏极(141)和源极(142)，漏极(141)同时作为光电二极管η极电极。图6中在图5的基础上沉积SiNx薄膜，然后刻蚀该SiNx薄膜以形成TFT表面绝缘层(15)。图7中在光电二极管η极电极(141)上制作光电二极管，步骤为依次沉积η掺杂非晶硅薄膜(164)、本征非晶硅薄膜(163)、ρ掺杂非晶硅薄膜(162)、ρ极电极，其中ρ极电极为透明导电薄膜ITO (161)，然后刻蚀所述四层薄膜。图8中在图7的基础上沉积SiNx薄膜(17)，然后刻蚀所述SiNx薄膜形成位于光电二极管ρ极电极上方的开孔。图9中在图8的基础上沉积金属层，然后刻蚀所述金属层，在SiNx薄膜
(17)开孔处形成电极(18)以将光电二极管ρ极电极引出。上述金属层均可以可选择为钥/铝/钥的合金(Mo/Al/Mo)。综上所述，本实用新型采用微晶硅薄膜探测器，在没有增加制造工艺复杂度的前提下提高了 X射线探测器的速度和分辨率，节省了制造成本；本实用新型也提供了有源像素应用于微晶硅薄膜探测器的方法，以提高图像质量和适应探测器往大尺寸发展的需要。所以，本实用新型有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。上述实施例仅例示性说明本实用新型的原理及其功效，而非用于限制本实用新 型。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本实用新型的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本实用新型所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本实用新型的权利要求所涵盖。
权利要求1.一种微晶硅薄膜探测器结构，该结构由薄膜晶体管和光电二极管构成的有源像素以矩阵形式排列；其特征在于所述有源像素由一个薄膜晶体管TFT和一个光电二极管构成；所述薄膜晶体管TFT包括由本征微晶硅薄膜(131)和η掺杂微晶硅薄膜(132)构成的有源区、位于该有源区之上的第二绝缘层(15)、TFT漏极(141 )、TFT源极(142)及设置于所述有源区下方的栅极(11);该栅极(11)连接于用于控制薄膜晶体管TFT通断的控制电路；该源极(142)连接于数据采集单元；用于当TFT导通时输出光电二极管的电信号；所述光电二极管包括用作η极电极的TFT漏极(141 )、依次位于该η极电极上的η掺杂非晶娃层(164)、本征非晶娃层(163) P掺杂非晶娃层(162)以及用作P极电极的透明导电薄膜(161) ;TFT漏极(141)与光电二极管η极电极共用；当TFT导通时，积累于光电二极管η极电极的电荷传输到TFT源极(142)，再传输到数据采集单元；第三绝缘层(17)覆盖所述薄膜晶体管TFT和光电二极管；第三金属层(18 )通过第三绝缘层(17 )将光电二极管P极电极引出，并连接于光电二极管偏置电路。
2.根据权利要求I所述的微晶硅薄膜探测器结构，其特征在于，所述第二和第三绝缘层为SiNx薄膜。
3.根据权利要求I所述的微晶硅薄膜探测器结构，其特征在于，所述第三金属层为钥/铝/钥的合金(Μο/Α1/Μο)。
4.一种将有源像素应用于微晶硅薄膜探测器的电路结构，其特征在于该电路结构包括光电二极管(07)以及第一、第二和第三薄膜晶体管TFT ;所述光电二极管的P极设置偏置电压VSS ;该光电二极管的η极连接于第一薄膜晶体管TFT (04)的源极；该第一薄膜晶体管的漏极连接于电源正极VDD;当第一薄膜晶体管的栅极RST高电平时，第一薄膜晶体管TFT (04)导通，积累于所述光电二极管(07) η极的电荷被清空； 第二薄膜晶体管TFT (05)用作源极跟随器用来放大光电二极管η极的电压，其漏极连接于电源正极VDD ； 第三薄膜晶体管TFT (06)的漏极连接于第二薄膜晶体管TFT (05)的源极，第三薄膜晶体管TFT (06)的源极连接于数据线，当第三薄膜晶体管TFT (06)的栅极Gate高电平时，所述第二薄膜晶体管TFT (05)和第三薄膜晶体管TFT (06)同时导通，所述光电二极管(07)n极电压经过第二薄膜晶体管TFT (05)放大后的信号从第三薄膜晶体管TFT (06)源极输出； 所述第一、第二和第三薄膜晶体管TFT包括由本征微晶硅薄膜和η掺杂微晶硅薄膜构成的有源区、位于该有源区之上的第二绝缘层、TFT漏极、TFT源极及设置于所述有源区下方的栅极。
5.根据权利要求4所述的将有源像素应用于微晶硅薄膜探测器的电路结构，其特征在于，所述第二绝缘层为SiNx薄膜。
专利摘要一种微晶硅薄膜探测器结构，其由薄膜晶体管和光电二极管构成的有源像素以矩阵形式排列；所述有源像素由一个薄膜晶体管TFT和一个光电二极管构成；所述薄膜晶体管TFT包括由本征微晶硅薄膜和n掺杂微晶硅薄膜构成的有源区、位于该有源区之上的第二绝缘层、TFT漏极、TFT源极及设置于所述有源区下方的栅极；该栅极连接于用于控制薄膜晶体管TFT通断的控制电路；该源极连接于数据采集单元；TFT漏极与光电二极管n极电极共用；第三绝缘层覆盖所述薄膜晶体管TFT和光电二极管；第三金属层通过第三绝缘层将光电二极管p极电极引出，并连接于光电二极管偏置电路。本实用新型将微晶硅薄膜应用于薄膜探测器，利用微晶硅薄膜较高的载流子迁移率，提高开口率和成像速度。
文档编号H01L27/146GK202721129SQ201220331250
公开日2013年2月6日 申请日期2012年7月9日 优先权日2012年7月9日
发明者邱承彬, 王晓煜, 刘琳 申请人:上海奕瑞影像科技有限公司