一种光电二极管、X射线探测器及其制备方法与流程

本发明属于半导体制造技术领域，具体涉及一种光电二极管、x射线探测器及其制备方法。

背景技术：

x射线检测广泛应用于医疗、安全、无损检测、科研等领域，在国计民生中日益发挥着重要作用。目前，比较常见的x射线检测技术是20世纪90年代末出现了x射线数字照相(digitalradiography，dr)检测技术。x射线数字照相系统中使用了平板探测器(flatpaneldetector)，其像元尺寸可小于0.1mm，因而其成像质量及分辨率几乎可与胶片照相媲美，同时还克服了胶片照相中表现出来的缺点，也为图像的计算机处理提供了方便。

根据电子转换模式不同，数字化x射线照相检测可分为直接转换型(directdr)和间接转换型(indirectdr)。直接转化型x射线平板探测器由射线接收器、命令处理器和电源组成。射线接收器中包含有大面积非晶硒传感器阵列以及读出电路等，x射线直接照射在非晶硒传感器阵列上，通过非晶硒传感器阵列将每个像素的电荷信号读出并转化为数字信号并传送到计算机图像处理系统集成为x射线影像。

发明人发现现有技术中至少存在如下问题：非晶硒传感器阵列是直接转化型x射线平板探测器的关键组成，其限制了可见光的吸收效率，其对于x射线剂量、x射线成像的分辨率、图像的响应速度等关键指标有很大不良影响，现有的直接转化型x射线平板探测器的暗电流大，开关比低，器件电信号噪声大。

技术实现要素：

本发明针对现有的直接转化型x射线平板探测器的暗电流大，开关比低，器件电信号噪声大的问题，提供一种光电二极管、x射线探测器及其制备方法。

解决本发明技术问题所采用的技术方案是：

一种光电二极管，包括：

衬底；

位于衬底之上的第一结构层；

位于第一结构层之上的第二结构层，所述第二结构层具有第一掺杂剂；

位于第二结构层之上的第三结构层；

位于第三结构层上的第四结构层，所述第四结构层具有第二掺杂剂；

一对电极，其中第一电极与所述第一结构层和第二结构层连接，且第二电极位于第四结构层之上。

优选的是，所述第一掺杂剂为n型掺杂剂，所述第二掺杂为p型掺杂剂。

优选的是，所述第一结构层、第二结构层、第三结构层、第四结构层的材料包括氮化镓。

优选的是，所述第一结构层的厚度为100-300nm；所述第二结构层的厚度为100-300nm，所述第三结构层的厚度为1000-2000nm，所述第四结构层的厚度为100-300nm。

优选的是，所述第一结构层与第二结构层的图形至衬底的正投影的面积相同，所述第三结构层与第四结构层的图形至衬底的正投影的面积相同，所述第三结构层的图形至衬底的正投影小于第二结构层的图形至衬底的正投影的面积，且落入第二结构层的图形至衬底的正投影的范围内。

本发明还公开一种x射线探测器，包括上述的电二极管；其中，所述衬底上还设有薄膜晶体管，所述第一电极作为所述薄膜晶体管的源漏极。

本发明还公开一种光电二极管的制备方法，包括在衬底上依次沉积形成第一结构层，掺杂第一掺杂剂的第二结构层，第三结构层，以及掺杂第二掺杂剂的第四结构层的步骤；

以及形成与所述第一结构层和第二结构层连接的第一电极的步骤，在第四结构层上形成第二电极的步骤。

优选的是，还包括形成所述第一结构层，第二结构层，第三结构层，以及第四结构层的图形的步骤。

本发明还公开一种x射线探测器的制备方法，包括以下步骤：

采用上述的方法形成光电二极管；

再在所述衬底上形成薄膜晶体管。

优选的是，所述薄膜晶体管包括栅极，其中，所述栅极与所述第二电极同层制备。

本发明的光电二极管包括多个结构层，其中在第二结构层与第四结构层分别掺杂不同的掺杂剂，其作用是提高光电二极管的转化效率，降低光电二极管暗电流，提高其开关比，实现对光电二极管性能的有效控制。本发明的光电二极管适用于各种x射线探测器。

附图说明

图1为本发明的实施例1、实施例2的光电二极管的结构示意图；

图2为本发明的实施例3的x射线探测器的结构截面示意图；

图3为本发明的实施例3的x射线探测器的结构仰视示意图；

图4为本发明的实施例4的光电二极管的制备方法流程图；

其中，附图标记为：100、衬底；11、第一结构层；12、第二结构层；13、第三结构层；14、第四结构层；15、第二电极；16、第一电极；21、有源层；22、栅极绝缘层；23、栅极；24、保护层；3、光刻胶。

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作进一步详细描述。

实施例1：

本实施例提供一种光电二极管，如图1所示，包括衬底100；位于衬底100之上的第一结构层11；位于第一结构层11之上的第二结构层12，所述第二结构层12具有第一掺杂剂；位于第二结构层12之上的第三结构层13；位于第三结构层13上的第四结构层14，所述第四结构层14具有第二掺杂剂；一对电极，其中第一电极16与所述第一结构层11和第二结构层12连接，第二电极15位于第四结构层14之上。

本实施例的光电二极管包括多个结构层，其中在第二结构层12与第四结构层14分别掺杂不同的掺杂剂，其作用是提高光电二极管的转化效率，降低光电二极管暗电流，提高其开关比，实现对光电二极管性能的有效控制。

实施例2：

本实施例提供一种光电二极管，如图1所示，包括衬底100；位于衬底100之上的第一结构层11；位于第一结构层11之上的第二结构层12，所述第二结构层12具有第一掺杂剂；位于第二结构层12之上的第三结构层13；位于第三结构层13上的第四结构层14，所述第四结构层14具有第二掺杂剂；一对电极，其中第一电极16与所述第一结构层11和第二结构层12连接，第二电极15位于第四结构层14之上。其中，一对电极中的一者为阳极，另一者为阴极，电极的极性由向电极所施加的信号决定。

作为本实施例中的第一种可选实施方案，第一电极16作为阳极，第二电极15作为阴极，所述第一掺杂剂为n型掺杂剂，所述第二掺杂为p型掺杂剂。或者作为本实施例中的第二种可选实施方案，第一电极16作为阴极，第二电极15作为阳极，所述第一掺杂剂为p型掺杂剂，所述第二掺杂为n型掺杂剂。也就是说，p型掺杂剂所在的结构层与阴极相接触，n型掺杂剂所在的结构层与阳极相接触。本实施例以第一种方案进行详细说明。

在本公开的实施例对应的附图中，显示了第一结构层11、第二结构层12、第三结构层13、第四结构层14在衬底上的叠层分布关系。附图所示各结构层的大小、厚度等仅为示意。在工艺实现中，各结构层在衬底上的投影面积可以相同，也可以不同，例如可以各结构层在衬底上的投影面积可以是第一结构层>第二结构层>第三结构层>第四结构层，也可以是第一结构层>第二结构层>第三结构层＝第四结构层，也可以是第一结构层＝第二结构层>第三结构层>第四结构层，诸如此类，此处不再列举，可以通过mask刻蚀工艺实现所需的各结构层投影面积；同时，附图所示结构也不限定各结构层的几何形状，例如可以是附图所示的矩形，还可以是梯形，或其它刻蚀所形成的形状，同样可通过mask刻蚀实现。

在一个实施例中，为了减少mask工艺，所述第一结构层11与第二结构层12的图形至衬底100的正投影的面积相同，所述第三结构层13与第四结构层14的图形至衬底100的正投影的面积相同，所述第三结构层13的图形至衬底100的正投影小于第二结构层12的图形至衬底100的正投影的面积，且落入第二结构层12的图形至衬底100的正投影的范围内。

在一个实施例中，第二结构层12相较于第三结构层13在衬底100的正投影的面积的面积大，其作用是便于使第二结构层12与阳极连接。

优选的是，所述第一结构层11的厚度为100-300nm；所述第二结构层12的厚度为100-300nm，所述第三结构层13的厚度为1000-2000nm，所述第四结构层14的厚度为100-300nm。

优选的是，所述第一结构层11、第二结构层12、第三结构层13、第四结构层14的材料包括氮化镓(gan)。

也就是说，本实施例的光电二极管为氮化镓基pin光电二极管，在第二结构层12与第四结构层14分别掺杂n型掺杂剂、p型掺杂剂，从而提高光电二极管的转化效率，降低光电二极管暗电流，提高其开关比，实现对光电二极管性能的有效控制。其中，开关比指的是光电二极管在x射线照射下的电流和暗电流的比值，一般现有技术中的非晶硒的照射电流为100na，本实施例的光电二极管的照射电流也为100na，但是本实施例的光电二极管的暗电流要比现有技术非晶硒小，所以本实施例的光电二极管的暗电流开关比较大。

基于本公开的技术方案，所述光电二极管暗电流可以降低到不高于1na，例如0.1～1na，所述光电二极管的开关比得到显著提高，例如不低于1000。

在本领域，开关比这个术语通常简化为用数量级表示。例如，现有技术中非晶硒的光电二极管开关比一般为2个数量级，即电流和暗电流的比值为100倍或该级别的水平；以上述表述方式，本实施例的光电二极管的开关比为3个数量级。

实施例3：

本实施例提供一种x射线探测器，如图2、图3所示，包括上述实施例的光电二极管；其中，所述衬底100上还设有薄膜晶体管，具体的，薄膜晶体管包括有源层21、栅极绝缘层22、栅极23，其中，所述第一电极16作为所述薄膜晶体管的源漏极。

作为本实施例中的一种优选实施方案，如图2所示，所述薄膜晶体管为顶栅型薄膜晶体管。

这样，tft器件中的有源层21受到其上方栅极23金属的保护，当x射线探测基板工作时，不会有光照射到有源层21，避免了光照对有源层21性能的影响。具体的，参见图2，栅极23至衬底的正投影的面积要大于有源层21至衬底的正投影的面积，这样设计的作用是：栅极23可以保护有源层21不受到x-ray照射。

显然，上述各实施例的具体实施方式还可进行许多变化；例如：光电二极管的各结构层的厚度可以根据需要进行调整，具体工艺参数可以根据实际情况进行改变。

实施例4：

本实施例提供一种光电二极管的制备方法，如图2-4所示，包括以下步骤：

s01a、在衬底100上，优选采用金属有机化合物化学气相沉淀(metal-organicchemicalvapordeposition，mocvd)，依次沉积形成第一结构层11，掺杂第一掺杂剂的第二结构层12，第三结构层13，以及掺杂第二掺杂剂的第四结构层14的步骤；其中，第一结构层11、第二结构层12、第四结构层14的厚度均为100-300nm，第三结构层13的厚度为1000-2000nm。

在该步骤中，使用mocvd技术制备gan基pin光电二极管，能够精确控制掺杂浓度，能够实现对光电二极管性能的有效控制。

s01b、形成所述第一结构层11，第二结构层12，第三结构层13，以及第四结构层14的图形，优选通过采用半色调工艺经过涂光刻胶3、曝光、显影、后烘形成各层的图形。

其中，s01b的具体步骤参见图4，采用bcl3+cl2的气体组合以及o2为主的灰化气体相结合的干法刻蚀技术一步工艺实现pin图形化。采用半色调(halftone)工艺，单次干刻实现图形化，减少一道掩膜，节约成本。

实施例5：

本实施例提供一种x射线探测器的制备方法，如图2-4所示，包括以下步骤：

s01、采用上述的s01a、s01b的方法形成光电二极管；

s02、再在所述衬底100上形成薄膜晶体管。

具体的，s02包括以下步骤：

s02a、在第四结构层14上形成第一电极16(即源漏极)：具体的，沉积材料，例如mo/al/ti/cu/nd/nb，经涂胶、曝光、显影、后烘并刻蚀实现第一电极16的图形化。

s02b、沉积有源层21的材料。例如α-si:h/ltps/igzo/itzo/znon，经涂胶、曝光、显影、后烘并刻蚀实现有源层21的图形化。

s02c、涂胶、曝光、显影、后烘并刻蚀实现栅极绝缘层22的材料，例如sixoy/sixny/sixoynz/alxoy/tixoy，图形化。

s02d、沉积栅极23金属层的材料，例如mo/al/ti/cu/nd/nb，经涂胶、曝光、显影、后烘并刻蚀实现栅极23金属层以及第二电极15(即阴极)的图形化。

其中，栅极23金属层和阴极同时制备，减少一道掩膜，节约成本。

s02e、涂覆保护层24的材料，例如sixoy/sixny/sixoynz/alxoy/tixoy/树脂等材料，并曝光、显影、后烘实现图形化。

由于光电二极管的制备温度较高，达到500℃，因此在此先进行光电二极管的制备，再进行薄膜晶体管的制备，避免高温工艺对薄膜晶体管性能造成不良影响。

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。