一种光线探测基板及其制备方法、光线探测设备与流程

本发明属于光电传感器技术领域，具体涉及一种光线探测基板及其制备方法、光线探测设备。

背景技术：

目前，金属-半导体-金属(metal-semiconductor-metal，msm)光线探测结构具有响应速度快、电容小、工艺简单以及容易集成等优点而广泛应用于半导体探测领域中，尤其是可与各类tft背板集成为x-ray(x射线)平板探测器。

msm光线探测器中半导体通常采用氢化非晶硅a-si:h。tft背板中用于对电信号进行输出的tft的有源层通常采用非晶硅，但是其迁移率较低，只有0.5～1cm/vs，而半导体金属氧化物，如igzo可以提供更大的沟道载流子迁移率，高达10，因而igzotft可以获得更大的开态电流和开关比，因此可以支持更高帧率响应速度的光电探测，是更为先进的有源层材料。另外，ltps(低温多晶硅)也是一种，但是ltps在大面积化背板制备中很难做到高均一性。但是igzo有源层的问题在于稳定性，其很容易受到h离子的影响而劣化。由于msm光线探测器中a-si:h层的影响，当与tft背板集成时，tft特性易受a-si:h沉积过程(等离子增强化学气相沉积制程中腔室内富含h离子)以及覆盖tft背板的a-si:h层中h离子扩散的影响而发生阈值电压vth漂移，因此需要对沉积a-si:h层后的玻璃基板进行退火处理使得膜层中的h离子可以得到释放，缓解vth漂移从而使tft特性达到正常。

技术实现要素：

本发明针对a-si:h层中开孔的开孔位置与其下方msm金属膜层图形有交叠，导致a-si:h层刻蚀形成开孔时对msm金属产生过刻，使msm光电特性受损的问题，提供一种光线探测基板及其制备方法、光线探测设备。该光线探测基板能够在通过刻蚀形成光电转换层以及开口的图形时，避免对位于光电转换层下方的第一电极和第二电极造成刻蚀，以避免第一电极和第二电极膜层变薄，还能避免后续退火工艺中对开口处裸露的第一电极和/或第二电极造成氧化，从而确保该光线探测基板的光电特性不会受到损害。

本发明提供一种光线探测基板，包括基底和设置在所述基底上的多个光线探测单元，所述光线探测单元呈阵列排布；所述光线探测单元包括第一电极、第二电极和光电转换层，所述光电转换层位于所述第一电极和所述第二电极的背离所述基底的一侧，所述光电转换层在所述基底上的正投影覆盖所述第一电极和所述第二电极，所述第一电极和所述第二电极在所述基底上的正投影之间具有间隔区，所述光电转换层上开设有开口，所述开口在所述基底上的正投影位于所述间隔区。

可选地，所述开口在所述基底上的正投影与所述第一电极在所述基底上的正投影之间的距离大于或等于2μm，所述开口在所述基底上的正投影与所述第二电极在所述基底上的正投影之间的距离大于或等于2μm。

可选地，所述第一电极和所述第二电极的厚度均小于或等于2000埃。

可选地，所述第一电极和所述第二电极的厚度均为500埃。

可选地，所述第一电极和所述第二电极的坡度角范围均为大于0°且小于90°。

可选地，各所述光线探测单元中，所述第一电极和所述第二电极沿阵列的第一方向依次排布，并构成叉指电极；沿阵列的第二方向排布的相邻两个所述光线探测单元中，上一个所述光线探测单元的所述第一电极与下一个所述光线探测单元的所述第二电极相邻；

所述开口包括第一开口和所述第二开口，所述第一开口位于沿阵列第一方向相邻的两个所述光线探测单元之间；所述第二开口位于沿阵列第二方向相邻的两个所述光线探测单元之间。

可选地，沿阵列的第二方向，所述第一电极在阵列的第二方向上的投影长度小于所述第二电极在阵列的第二方向上的投影长度；沿阵列的第一方向，所述第一电极在阵列的第一方向上的投影宽度小于所述第二电极在阵列的第一方向上的投影宽度；

所述第一开口为条形，所述第一开口的长度方向沿阵列的第二方向；所述第二开口为条形，所述第二开口的长度方向沿阵列的第一方向；

所述第一开口的长度大于或等于所述第一电极在阵列的第二方向上的投影长度，且所述第一开口在阵列的第二方向上的投影完全覆盖所述第一电极在阵列的第二方向上的投影；所述第二开口的长度大于或等于所述第一电极在阵列的第一方向上的投影宽度，且所述第二开口在阵列的第一方向上的投影完全覆盖所述第一电极在阵列的第一方向上的投影。

可选地，所述第一开口和所述第二开口贯通形成“l”形。

可选地，所述第一电极和所述第二电极采用相同材料且同层设置，所述光线探测单元还包括绝缘层，所述绝缘层位于所述光电转换层与所述第一电极和所述第二电极之间；

所述开口贯穿所述绝缘层。

可选地，所述绝缘层包括无机绝缘层或有机绝缘层，所述无机绝缘层的厚度范围为100～500埃；所述有机绝缘层的厚度范围为1000～2000埃。

可选地，所述光线探测单元还包括电信号输出电路，所述电信号输出电路设置于所述第一电极和所述第二电极的靠近所述基底的一侧，所述电信号输出电路与所述第一电极和所述第二电极之间还设置有平坦化层，所述电信号输出电路通过开设在所述平坦化层中的过孔连接所述第一电极。

可选地，所述电信号输出电路包括开关晶体管，所述第一电极连接所述开关晶体管的第一极；

或者，所述电信号输出电路包括复位晶体管、电容、放大晶体管和开关晶体管，所述第一电极连接所述复位晶体管的第二极、所述电容的第一极以及所述放大晶体管的栅极；所述放大晶体管的第二极连接所述开关晶体管的第一极。

可选地，所述光电转换层采用氢化非晶硅材料，所述电信号输出电路中的晶体管的有源层均采用半导体金属氧化物材料。

本发明还提供一种光线探测设备，包括上述光线探测基板。

本发明还提供一种上述光线探测基板的制备方法，包括：在基底上形成多个光线探测单元，形成所述光线探测单元包括在所述基底上依次形成第一电极和第二电极、光电转换层，形成所述光电转换层包括在其上开设开口的步骤。

本发明的有益效果：本发明所提供的光线探测基板，通过使开口在基底上的正投影位于间隔区，即开口开设在光电转换层与第一电极和第二电极的非叠置区域，能够在通过刻蚀形成光电转换层以及开口的图形时，避免对位于光电转换层下方的第一电极和第二电极造成刻蚀，以避免第一电极和第二电极膜层变薄，还能避免后续退火工艺中对开口处裸露的第一电极和/或第二电极造成氧化，从而确保该光线探测基板的光电特性不会受到损害。

本发明所提供的光线探测设备，通过采用上述实施例中的光线探测基板，提升了该光线探测设备的光电特性，同时还能确保该光线探测设备中集成的tft特性都正常。

附图说明

图1为现有msm光线探测基板中a-si:h层上开孔设计方案的结构示意图；

图2为现有msm光线探测基板中a-si:h层开孔区域与未开孔区域的断面照片；

图3为现有msm光线探测基板中a-si:h层整面覆盖时hv电极与sense电极之间的电流传输示意图；

图4为本发明实施例中光线探测基板的俯视示意图；

图5为本发明实施例中光线探测基板沿图4中aa剖切线的局部结构剖视图；

图6为本发明实施例中电信号输出电路的电路图；

图7为本发明另一实施例中电信号输出电路的电路图；

图8为本发明另一实施例中光线探测基板的局部结构剖视图。

其中附图标记为：

1、基底；2、光线探测单元；21、第一电极；22、第二电极；23、光电转换层；100、开口；101、第一开口；102、第二开口；l、第一方向；p、第二方向；3、绝缘层；4、电信号输出电路；5、平坦化层；6、孔；7、像素；8、sense电极；9、hv电极；10、遮光金属层。

具体实施方式

为使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明一种光线探测基板及其制备方法、光线探测设备作进一步详细描述。

金属-半导体-金属(metal-semiconductor-metal，msm)光线探测结构具有响应速度快、电容小、工艺简单以及容易集成等优点而广泛应用于半导体探测领域中，尤其是可与各类tft背板集成为x-ray(x射线)平板探测器。msm光线探测器中半导体通常采用氢化非晶硅a-si:h。tft背板中用于对电信号进行输出的tft的有源层通常采用半导体金属氧化物，如igzo。

由于msm光线探测器中a-si:h(氢化非晶硅)层的影响，当与tft背板集成时，tft特性易受a-si:h沉积过程(等离子增强化学气相沉积制程中腔室内富含h离子)以及覆盖tft背板的a-si:h层中h离子扩散的影响而发生阈值电压vth漂移，原理为msm光线探测器中a-si:h层与igzo有源层的tft背板集成时，tft特性易受a-si:h层中h离子的影响使得igzo沟道被h离子注入，h离子作为施主缺陷使沟道导体化，tft阈值电压vth发生负向漂移。因此需要对沉积a-si:h层后的玻璃基板进行退火处理使得膜层中的h离子可以得到释放，缓解vth漂移从而使tft特性达到正常。然而，对于msm光线探测结构中整面a-si:h层的设计，由于其覆盖范围过大，导致即使长时间退火，msm光线探测基板边缘膜层内部h离子释放依然不彻底，结果导致msm光线探测基板边缘tft的阈值电压可以得到恢复，但msm光线探测基板中心处的tft特性仍然不正常；同时，当msm光线探测基板最表层有整面的a-si:h层覆盖时，由于膜层中吸附的水汽和其他气体等会在退火时释放，这时整面覆盖的a-si:h层会阻隔气体释放从而使得膜层内部蒸汽压过高导致膜层剥离(peeling)的现象发生。

基于以上两个问题，相关的技术方案是在沉积a-si:h层后对其进行图形化刻蚀形成像素周期的孔道，然后再退火。图形化开孔的好处在于，周期性的开孔可作为放气通路，既可以促进水汽释放，也可以促进h离子释放，从而不仅使得a-si:h层剥离问题得到解决，而且使得msm光线探测基板任意一处的tft特性都可以通过退火得以恢复。相关技术中，aps(activepixelsensor，有源像素图像传感器)型msm光线探测基板中a-si:h层上开孔有三种图形化设计方案，如图1所示，分别是：a、msm光线探测基板上阵列排布的各像素四周开孔6；b、msm光线探测基板上tft有源层仅沟道上方开孔6；c、msm光线探测基板上tft整个有源层上方开孔6。但上述三类开孔设计中都存在一个问题，即a-si:h层开孔位置与其下方msm金属膜层图形有一定交叠，导致a-si:h层图形化刻蚀会对msm金属膜层产生过刻，即a-si:h层图形化刻蚀会导致msm金属膜层被刻蚀变薄甚至消失(如图2所示)，其后的退火会氧化孔内裸露的msm金属电极，因此造成msm光电特性受到损害，不利于msm光电流的传导。msm金属电极被刻蚀变薄以及msm金属电极孔内裸露部分被氧化造成msm光电特性受损的原因为：电极作为电流传输的导线，其电阻对于光电流十分敏感，通常电阻与厚度成反比，厚度减薄和表面氧化会大大增加金属电极的电阻，不利于光电流的传导，从而导致msm光电特性受损。

另外，目前的x-raymsm光线探测基板常规设计中，msm金属电极与上方a-si:h层整面覆盖的设计容易导致msm光线探测基板上相邻像素7产生光电流信号的串扰，如图3所示，中间e型电极为sense电极8(即低电势电极，该电极最终连接到roic)，周围其他电极为hv电极9(即高电势电极，该电极上施加恒定高电压信号)。当a-si:h在金属上方整面覆盖时，光线探测中，电流可通过多条路径(如图3中所有箭头)从hv电极9传导至sense电极8，这其中不仅有像素7内部hv电极9与sense电极8之间的电流传输，也包含像素7间hv电极9与sense电极8之间的电流传输；像素7间的电流会造成信号串扰。

针对目前msm光线探测基板所存在的问题，本发明实施例提供一种光线探测基板，如图4和图5所示，包括基底1和设置在基底1上的多个光线探测单元2，光线探测单元2呈阵列排布；光线探测单元2包括第一电极21、第二电极22和光电转换层23，光电转换层23位于第一电极21和第二电极22的背离基底1的一侧，光电转换层23在基底1上的正投影覆盖第一电极21和第二电极22，第一电极21和第二电极22在基底1上的正投影之间具有间隔区，光电转换层23上开设有开口100，开口100在基底1上的正投影位于间隔区。

其中，光电转换层23采用氢化非晶硅材料(a-si:h)。光线探测基板中集成有tft，且每个光线探测单元2中均集成有tft，tft用于对光电转换获得的电流进行输出。tft的有源层采用半导体金属氧化物材料，如igzo(铟镓锌氧化物)，该材料有源层的tft的电流输出特性更佳。

通过使开口100在基底1上的正投影位于间隔区，即开口100开设在光电转换层23与第一电极21和第二电极22的非叠置区域，能够在通过刻蚀形成光电转换层23以及开口100的图形时，避免对位于光电转换层23下方的第一电极21和第二电极22造成刻蚀，以避免第一电极21和第二电极22膜层变薄，还能避免后续退火工艺中对开口100处裸露的第一电极21和/或第二电极22造成氧化，从而确保该光线探测基板的光电特性不会受到损害。

另外，通过在光电转换层23中开设开口100，能够在该光线探测基板的后续退火工艺中促进光电转换层23中h离子的释放，避免h离子扩散对光线探测基板中tft特性的影响；而且由于各个光线探测单元2的光电转换层23上均开设有开口100，所以能进一步确保经过后续退火工艺后该光线探测基板上任意一处的tft特性都能正常。同时，光电转换层23中开设的开口100还能在退火工艺中促进水汽和其他气体的释放，从而避免光电转换层23在退火工艺中出现剥离的情况出现。

可选的，本实施例中，开口100在基底1上的正投影与第一电极21在基底1上的正投影之间的距离大于或等于2μm，开口100在基底1上的正投影与第二电极22在基底1上的正投影之间的距离大于或等于2μm。如此设置，能够进一步确保光电转换层23上开口100区与第一电极21和第二电极22图形区无交叠，从而进一步确保光电转换层23的图形化刻蚀过程不会对第一电极21和第二电极22造成刻蚀，进而进一步确保该光线探测基板的光电特性不会受到损害。

可选的，第一电极21和第二电极22的厚度均小于或等于2000埃。本实施例中，如第一电极21和第二电极22的厚度均为500埃。第一电极21和第二电极22采用金属导电材料，如钼。相关的技术中，由于a-si:h层中的开孔位置与其下方的msm金属膜层图形具有一定的交叠，导致在对a-si:h层刻蚀的过程中会对msm金属产生过刻，这就需要msm金属膜层厚度大于2000埃，才能维持msm光线探测器的光探测灵敏度。本实施例中，光电转换层23上开口100位置在第一电极21和第二电极22的的间隔区中，因而开口100区与第一电极21和第二电极22无交叠，因此不会对第一电极21和第二电极22造成刻蚀，因此第一电极21和第二电极22也就无需使用过厚的金属膜层。在该光线探测基板中，第一电极21和第二电极22同层设置，施加电场为横向传输，因此两个电极间电阻与金属膜层厚度成反比，降低电极的金属膜层厚度相当于增大两个电极间的电阻，如此有助于降低该光线探测基板的暗态电流，进而降低暗噪声，这对于低剂量光线探测十分有帮助。

本实施例中，第一电极21和第二电极22的坡度角范围均为大于0°且小于90°。相关技术中，msm金属电极沿其厚度方向的截面形状为倒梯形，即msm金属电极的坡度角通常大于90°，这使得msm金属电极上表面宽，下表面窄，上表面边缘尖锐，在msm金属电极加高压的情况下，容易漏电，产生较大的暗电流。本实施例中，第一电极21和第二电极22坡度角的设置，使第一电极21和第二电极22的沿其厚度方向的截面形状为正梯形，电极上表面边缘的尖锐程度得到了削减，从而有利于降低暗电流。

可选地，本实施例中，各光线探测单元2中，第一电极21和第二电极22沿阵列的第一方向l依次排布，并构成叉指电极；沿阵列的第二方向p排布的相邻两个光线探测单元2中，上一个光线探测单元2的第一电极21与下一个光线探测单元2的第二电极22相邻；开口100包括第一开口101和第二开口102，第一开口101位于沿阵列第一方向l相邻的两个光线探测单元2之间；第二开口102位于沿阵列第二方向p相邻的两个光线探测单元2之间。其中，第一方向l为行方向，第二方向p为列方向。当然，也可以是第一方向为列方向，第二方向为行方向。第一开口101和第二开口102，可以延伸至相互连通形成一体结构的开口，也可以相互断开为相互独立的两个开口。由于当光电转换层23上无上述第一开口101和第二开口102时，光电转换层23所转换的电流可通过多条路径在第一电极21和第二电极22之间传导，这其中不仅包括光线探测单元2内部第一电极21和第二电极22之间的电流传输，也包括相邻光线探测单元2之间第一电极21和第二电极22的电流传输；通过在第一方向l相邻的光线探测单元2之间设置第一开口101，并在第二方向p相邻的光线探测单元2之间设置第二开口102，由于相邻光线探测单元2之间的电流传输路径上的光电转换层23至少部分被刻蚀掉了，所以使相邻光线探测单元2之间的电流传输路径至少部分被切断了，因此会使相邻光线探测单元2之间的电流传输降低，从而能够抑制相邻光线探测单元2之间的信号串扰，提升光线探测基板的光线探测效果。

进一步可选地，本实施例中，沿阵列的第二方向p，第一电极21在阵列的第二方向p上的投影长度小于第二电极22在阵列的第二方向p上的投影长度；沿阵列的第一方向l，第一电极21在阵列的第一方向l上的投影宽度小于第二电极22在阵列的第一方向l上的投影宽度；第一开口101为条形，第一开口101的长度方向沿阵列的第二方向p；第二开口102为条形，第二开口102的长度方向沿阵列的第一方向l；第一开口101的长度大于或等于第一电极21在阵列的第二方向p上的投影长度，且第一开口101在阵列的第二方向p上的投影完全覆盖第一电极21在阵列的第二方向p上的投影；第二开口102的长度大于或等于第一电极21在阵列的第一方向l上的投影宽度，且第二开口102在阵列的第一方向l上的投影完全覆盖第一电极21在阵列的第一方向l上的投影。如此设置，第一开口101能够完全切断沿阵列第一方向l相邻的光线探测单元2之间的电流传输路径，第二开口102能够完全切断沿阵列第二方向p相邻的光线探测单元2之间的电流传输路径，从而使相邻光线探测单元2之间的电流传输大大降低，进而能够进一步抑制相邻光线探测单元2之间的信号串扰，提升光线探测基板的光线探测效果。

本实施例中，第一开口101和第二开口102贯通形成“l”形。如此能够彻底抑制相邻光线探测单元2之间的信号串扰，提升光线探测基板的光线探测效果。

可选地，第一电极21和第二电极22采用相同材料且同层设置，光线探测单元2还包括绝缘层3，绝缘层3位于光电转换层23与第一电极21和第二电极22之间；开口100贯穿绝缘层3。其中，绝缘层3为无机绝缘层，无机绝缘层的厚度范围为100～500埃。无机绝缘层采用氮化硅材料或氧化硅材料。绝缘层3能在光线探测基板无光照时起到绝缘层的作用，从而阻断无光照时第一电极21和第二电极22之间的电流传输，进而起到降低光线探测基板暗电流，降低噪音的作用；当光线探测基板有光照时，由于绝缘层3厚度较薄，所以基本相当于导通，不会影响第一电极21和第二电极22之间的电流传输。

其中，开口100的垂直于基底1的截面形状为矩形或者底边为半圆弧形。

需要说明的是，绝缘层3也可以是有机绝缘层，有机绝缘层的厚度范围为1000～2000埃。光电转换层23的厚度范围为4000～8000埃。

可选地，光线探测单元2还包括电信号输出电路4，电信号输出电路4设置于第一电极21和第二电极22的靠近基底1的一侧，电信号输出电路4与第一电极21和第二电极22之间还设置有平坦化层5，电信号输出电路4通过开设在平坦化层5中的过孔连接第一电极21。电信号输出电路4用于将光电转换层23转换的电流信号输出，如输出至成像设备用于光线探测信息的成像。其中，平坦化层5采用树脂材料，树脂材料能做的比较厚，从而使平坦化层5能更好地使形成有电信号输出电路4的基底1表面趋于平坦，进而有利于使光线探测基板的光线探测效果更好。

另外，电信号输出电路4的上方还设置有遮光金属层10，遮光金属层10用于遮挡从光线探测单元2侧照射至电信号输出电路4上的光线，由于电信号输出电路4包括晶体管电路，所以遮光金属层10的设置能够避免晶体管在光线照射下电性能发生变化，如漏电流增大，确保晶体管的特性正常。

本实施例中，如图6所示，电信号输出电路4包括复位晶体管t1、电容c、放大晶体管t2和开关晶体管t3，第一电极21连接复位晶体管t1的第二极、电容c的第一极以及放大晶体管t2的栅极；放大晶体管t2的第二极连接开关晶体管t3的第一极。另外，复位晶体管t1的栅极连接驱动信号，复位晶体管t1的第一极连接复位信号。放大晶体管t2的第一极向第二极输出放大后的电流信号。开关晶体管t3的栅极连接驱动信号，开关晶体管t3的第二极输出放大后的电流信号。即本实施例中的光线探测基板为aps(activepixelsensor，有源像素图像传感器)型。

可选地，在一些实施例中，如图7和图8所示，电信号输出电路4也可以只包括开关晶体管t3，第一电极21连接开关晶体管t3的第一极。开关晶体管t3的栅极连接驱动信号，开关晶体管t3的第二极输出光电转换层23转换的电流信号。即光线探测基板也可以为pps(passivepixelsensor，无源像素图像传感器)型。

基于光线探测基板的上述结构，本发明实施例还提供一种光线探测基板的制备方法，包括：在基底上形成多个光线探测单元，形成光线探测单元包括在基底上依次形成第一电极和第二电极、光电转换层，形成光电转换层包括在其上开设开口的步骤。

其中，光电转换层先采用曝光工艺曝光，后通过反应离子刻蚀工艺刻蚀形成，曝光工艺包括光刻胶的涂覆、曝光、显影等步骤，开口的形成只要对光电转换层的曝光掩膜板进行改变即可。另外，开口的形成也可以通过更改曝光程序形成。因为均是传统工艺，这里不再赘述。

本实施例中，光线探测基板的具体制备过程为：

在形成有电信号输出电路和平坦化层的基底上，沉积钼膜层，钼膜层厚度为500埃，先进行钼膜层图形化工艺制备第一电极和第二电极；再通过等离子增强化学气相沉积法在其上沉积绝缘层，绝缘层厚度为200埃；然后通过等离子增强化学气相沉积法在其上沉积光电转换层膜，光电转换层膜厚度为5000埃；再通过曝光工艺和反应离子刻蚀工艺(rie)将开口区域的光电转换层膜刻蚀掉，150℃空气退火4小时。

电信号输出电路和平坦化层在基底上的制备均采用传统工艺，这里不再赘述。

本发明实施例所提供的光线探测基板，通过使开口在基底上的正投影位于间隔区，即开口开设在光电转换层与第一电极和第二电极的非叠置区域，能够在通过刻蚀形成光电转换层以及开口的图形时，避免对位于光电转换层下方的第一电极和第二电极造成刻蚀，以避免第一电极和第二电极膜层变薄，还能避免后续退火工艺中对开口处裸露的第一电极和/或第二电极造成氧化，从而确保该光线探测基板的光电特性不会受到损害。另外，通过在光电转换层中开设开口，能够在该光线探测基板的后续退火工艺中促进光电转换层中h离子的释放，避免h离子扩散对光线探测基板中tft特性的影响；而且由于各个光线探测单元的光电转换层上均开设有开口，所以能进一步确保经过后续退火工艺后该光线探测基板上任意一处的tft特性都能正常。同时，光电转换层中开设的开口还能在退火工艺中促进水汽和其他气体的释放，从而避免光电转换层在退火工艺中出现剥离的情况出现。

本发明实施例还提供一种光线探测设备，包括上述实施例中的光线探测基板。

通过采用上述实施例中的光线探测基板，提升了该光线探测设备的光电特性，同时还能确保该光线探测设备中集成的tft特性都正常。

可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。