一种X射线探测器件及其制作方法与流程

本发明属于半导体器件技术领域，具体涉及一种x射线探测器件及其制作方法。

背景技术：

x射线探测在医疗、工业、安检等方面得到广泛的应用。x射线探测分为直接探测和间接探测两种，间接探测是采用闪烁体将x射线转换成可见光，然后通过光电探测器件将光信号转换成电信号；直接探测是指直接采用合适的光电导材料将x射线转换成电信号。相对于间接探测技术，直接探测技术具有较高的更高的灵敏度和分辨率。随着数字技术的发展，研究直接探测x射线的平板探测器成为人们的研发热点。

目前唯一商用的直接探测x射线的平板探测器是基于非晶硒(a-se)的平板探测器，非晶硒x射线平板探测器具有较宽的动态范围，能够满足低能x射线成像如乳房x线照相术的要求(～20kev)。但非晶硒平板x射线探测器为两端结构，不具有电荷增益功能，故不具有信号放大功能，故信噪比低。

技术实现要素：

为了解决上述问题，本发明的第一目的在于：提供一种x射线探测器件及其制作方法，该x射线探测器件同时具有传感器和开关的功能，将其应用于x射线探测和成像中能够有效提高平板x探测器的分辨率、灵敏度和信噪比。

为实现本发明的目的，采用以下技术方案：

一种x射线探测器件，包括：

衬底；

底部栅电极，其形成在所述衬底上；

栅绝缘层，形成在底部栅电极上；

源电极和漏电极，形成在栅绝缘层上且相互隔开；

光电半导体层，吸收x射线，其形成在所述源电极和漏电极上；

顶部电极，其形成在所述光电半导体层上，且所述顶部电极为导体材料，或者重掺杂的半导体材料。所述顶部电极与光电半导体层的接触为金属欧姆接触或金属肖特基接触或pn结接触。

本发明实施例的x射线探测器件，通过在光电半导体层上形成一层顶部电极，使用时，在顶部电极上施加偏压，光电半导体层中形成电场，电场的存在使得x光照产生的电子空穴对迅速分离，增大了光生载流子的寿命，并将光生载流子注入到导电沟通中，能够有效增大光电流，提高了x射线探测器件的光电特性，从而提高使用了本发明实施例的x射线探测器件的灵敏度。

作为一种具体的实施例，所述栅绝缘层覆盖所述底部栅电极和衬底。

作为一种具体的实施例，所述源电极和漏电极与所述底部栅电极之间具有一交叠区。通过漏极、源极与底部栅极形成一交叠区，使得导电沟道中的电场分布更佳。

作为一种具体的实施例，所述光电半导体层形成在所述源电极和漏电极之间且覆盖全部源电极和漏电极。

作为一种具体的实施例，所述顶部电极覆盖整个光电半导体层。

为了使得由顶部电极向光电半导体层的电场均匀，使得光生载流子能够尽可能多的被注入到导电沟道中，从而被漏源极收集，形成光电信号，本发明实施例采用顶部电极覆盖整个光电半导体层。当然，所述顶部电极也可以只覆盖部分光电半导体层，但其光生电子空穴对的分离能力则相对削弱，光响应灵敏度也会相应有所下降。

进一步地，所述底部栅电极的下表面与衬底相连，上表面与栅绝缘层的下表面相连；栅绝缘层的上表面与源电极、漏电极的下表面相连；源电极、漏电极的上表面与光电半导体层的下表面相连；光电半导体层上表面与顶部电极的下表面相连。

作为一种具体的实施例，所述顶部电极的材料为金、银、铜、铝、钼、镍、氧化铟锡、氧化铟锌、透明导电塑料、导电化合物中的任意一种或多种，或者重掺杂半导体材料。具体，当所述顶部电极与光电半导体层的接触为金属欧姆或肖特基接触时，所述顶部电极为金、银、铜、铝、钼、镍、氧化铟锡、氧化铟锌、透明导电塑料、导电化合物中的任意一种或多种；当所述顶部电极与光电半导体层的接触为pn结接触时，所述顶部电极为重掺杂半导体材料。也即所述金顶部电极的材料具有优良的导电性，容易在顶部形成较大的电场，使半导体产生更多载流子。

作为一种具体的实施例，所述光电半导体层的材料为非晶硒，氧化铅，碘化汞，钙钛矿结构半导体光电材料中的任意一种或多种。所述光电半导体层的载流子浓度随着x剂量大小变化而变化。所述半导体材料的迁移率较高，对x光照的响应灵敏，制备工艺简单，造价较低，不仅能够有效提高器件性能，还能够使得生产成本降低。

作为一种具体的实施例，所述底部栅电极的材料为铝、钼、铬、钛、镍、金属以及氧化铟锡、氧化铟锌、透明导电塑料、导电玻璃中的任意一种或多种。

作为一种具体的实施例，所述源电极和漏电极的材料为铝、钼、铬、钛、镍中的任意一种或多种。

作为一种具体的实施例，所述栅绝缘层的材料为非晶硅、氮化硅、二氧化硅的任意一种或多种。

作为一种具体的实施例，所述衬底的材料为玻璃或者塑料。

相应地，本发明实施例还提供了一种x射线探测器件的制作方法，其包括：

在衬底上制备底部栅电极；

制备覆盖所述衬底和底部栅电极的栅绝缘层；

在所述栅绝缘层上制备源电极和漏电极，所述源电极、漏电极与所述底部栅电极之间具有交叠区；

在源电极和漏电极上制备光电半导体层，所述光电半导体层形成在所述源电极和漏电极之间且覆盖全部源电极和漏电极；

制备覆盖整个光电半导体层的顶部电极，所述顶部电极为导体材料或重掺杂半导体材料。

作为一种具体的实施例，所述在衬底上制备底部栅电极具体为：

采用溅射镀膜法在衬底的表面生长一层金属薄膜，并将所述金属薄膜光刻成预定图形，形成底部栅电极。

所述制备覆盖所述衬底和底部栅电极的栅绝缘层具体为：利用薄膜沉积工艺，在底部栅电极的上表面沉积形成覆盖所述衬底和底部栅电极的栅绝缘层。

所述在所述栅绝缘层上制备源电极和漏电极具体为：采用溅射镀膜法在栅绝缘层的上表面生长一层金属薄膜，并将所述金属薄膜光刻成预定图形，形成源电极和漏电极。

所述在源电极和漏电极上制备光电半导体层具体为：采用薄膜沉积工艺在源电极和漏电极极表面、以及源电极和漏电极之间沉积形成光电半导体层。

所述制备覆盖整个光电半导体层的顶部电极具体为：采用溅射镀膜法在所述光电半导体层的表面生长一层导体材料形成顶部电极，或者用离子注入法生长重掺杂半导体材料构成顶部电极。

其中，上述溅射镀膜法可以是磁控溅射等。

所述导体材料为金、银、铜、铝、钼、镍、氧化铟锡、氧化铟锌、透明导电塑料、导电化合物中的任意一种或多种。

所述光电半导体层的材料为非晶硒，氧化铅，碘化汞，钙钛矿结构半导体光电材料中的任意一种或多种。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明，其中：

图1是本发明所述的x射线探测器件的截面图；

图2是本发明所述的x射线探测器件在同一光强条件下，不同顶部电极偏压下的转移曲线图；

图3是本发明所述的x射线探测器件在不同强度x光照条件下的转移曲线图；

图4是本发明所述的x射线探测器件在相同电学偏压下，不同x光照强度下的输出电流曲线图；

图5是本发明所述的x射线探测器件在光照条件下等效电路图；

图6是本发明所述的x射线探测器件在不加光照情况下，顶部电极加不同电压下的转移曲线图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例一：

本发明所述的x射线探测器件可用于制备间接x射线探测器，即先将x射线转化为可见光，然后进行光电探测的器件。

本发明实施例的x射线探测器件包括：衬底17；底部栅电极16，其形成在所述衬底17上；栅绝缘层15，形成在底部栅电极16上；源电极13和漏电极14，形成在栅绝缘层15上；光电半导体层12，其形成在所述源电极13和漏电极14上；顶部电极11，其形成在所述光电半导体层12上，所述顶部电极与光电半导体层的接触为金属欧姆、肖特基接触或pn结接触。其中，当所述顶部电极与光电半导体层的接触为金属欧姆或肖特基接触时，所述顶部电极11为导体材料；当所述顶部电极与光电半导体层的接触为pn结接触时，所述顶部电极11为重掺杂半导体材料。

需要说明的是，由于光电半导体层在光照下的电子空穴对复合严重，以至于不等光生电子注入到导电沟道中，已经复合殆尽，光电特性比较差。

本发明实施例的x射线探测器件，通过在光电半导体层12上形成一层由导体材料或重掺杂半导体材料形成的顶部电极11，使用时，在顶部电极11上施加偏电压，在光电半导体层中形成电场，电场的存在使得光照产生的电子空穴对迅速分离，增大了光生载流子的寿命，并将光生载流子注入到导电沟通中，能够有效增大光电流，提高了x射线探测器件的光电特性，从而提高使用了本发明实施例的x射线探测器件的触摸屏的灵敏度。同时，由于光电特性提高，使得本发明实施例的x射线探测器件同时具有光电开关和光电传感器的功能。

应当理解的是，本发明实施例的x射线探测器件同时具有光电传感器和光电开关的功能，即本发明实施例的x射线探测器件即可以作为光电开关使用，也可以作为光电传感器使用。

其中，如图1所示，本发明实施例的栅绝缘层15覆盖所述底部栅电极16和衬底17。

所述源电极13和漏电极14与所述底部栅电极之间具有一交叠区。通过漏极、源极与底部栅极形成一交叠区，使得导电沟道中的电场分布更佳。应当理解的是，所述源电极13与所述底部栅电极之间具有一交叠区，漏电极14与所述底部栅电极之间也具有一交叠区。

所述光电半导体层12形成在所述源电极13和漏电极14之间且覆盖全部源电极和漏电极。

为了使得由顶部电极向光电半导体层的电场均匀，使得光生载流子能够尽可能多的被注入到导电沟道中，从而被漏源极收集，形成光电信号，本发明实施例采用顶部电极覆盖整个光电半导体层。当然，所述顶部电极也可以只覆盖部分光电半导体层，但其光生电子空穴对的分离能力则相对削弱，光响应灵敏度也会相应有所下降。

进一步地，所述底部栅电极16的下表面与衬底17相连，上表面与栅绝缘层15的下表面相连；栅绝缘层15的上表面与源电极13、漏电极14的下表面相连；源电极13、漏电极14的上表面与光电半导体层12的下表面相连；光电半导体层12上表面与顶部电极11的下表面相连。

其中，所述顶部电极的导体材料为金、银、铜、铝、钼、镍、氧化铟锡、氧化铟锌、透明导电塑料、导电化合物等材料中的任意一种或多种。在本实施例中，所述金、银、铜、铝、钼、镍、氧化铟锡、氧化铟锌、透明导电塑料、导电化合物等材料，以及重掺杂半导体材料均为透明或者半透明导体材料，不仅有优良的导电性，容易在顶部形成较大的电场，而且能够使得光照损失小，半导体接受到的光子数多。

所述光电半导体层的材料为非晶硒，氧化铅，碘化汞，钙钛矿结构半导体光电材料中的任意一种或多种。所述光电半导体层的的载流子浓度随着光照强度和波长变化而变化。所述半导体材料的迁移率较高，对光照的响应灵敏，制备工艺简单，造价较低，不仅能够有效提高器件性能，还能够使得生产成本降低。

所述底部栅电极的材料为铝、钼、铬、钛、镍、金属以及氧化铟锡、氧化铟锌、透明导电塑料、导电玻璃中的任意一种或多种。

所述源电极和漏电极的材料为铝、钼、铬、钛、镍中的任意一种或多种。所述底部栅电极材料和漏电极和源电极的材料，其电导率高，可有效减少噪声。

所述栅绝缘层的材料为非晶硅、氮化硅、二氧化硅的任意一种或多种。

所述衬底的材料为玻璃和/或塑料。

本发明实施例的x射线探测器件同时具有光电传感器和光电开关的功能。

其中，当x射线探测器件的输出电流小于一定电流时，其处于关闭状态；当输出电流大于或等于一定电流时，其处于开启状态，起到光电开关的作用。例如，在实际电路中，认为当该x射线探测器件输出电流小于1na时,该x射线探测器件处于关闭状态，当该x射线探测器件输出电流大于或等于1na时，该x射线探测器件处于开启状态。

且通过改变顶部电极11的电压，本发明实施例的x射线间接探测器件开启电压能够受到调制。如图2所示，在光照强度为1mw/cm²条件下，不同顶部电极偏压分别为0.0v、-0.2v、-0.4v、-0.6v、-0.8v、-1v、-1.2v、-1.4v的转移曲线图，从图中可以看出，通过改变顶部电极11的电压，该x射线探测器件的开启电压能够受到调制。其中，图2、3、6中电压vbg为底部栅电极电压，ids或ids为漏电极输出电流，vs为顶部电极电压。

其中，本发明实施例的x射线间接探测器件还可以作为光电传感器使用。

如图3所示，在一定范围内，当采用不同强度的光照射至本发明实施例的x射线探测器件，其中开启电压发生漂移。光强越强，漂移越明显，即光照越强，器件开启所需要的底部栅极16的电压越小。相同底部栅电极16电压vbg下，光照越强，漏极14输出的电流ids越大。通过采用不同光强照射到所述x射线探测器件，可得到不同的源极13输出电流。以不同光强得到的对应电流建立数据库，在其他环境下，通过x射线探测器件暴露在不同光照环境先的电流强度，就可得到该环境下光的强度，此时x射线探测器件起到光电传感器的作用。

如图4所示，漏极13电压为1.5v，底部栅电极16电压为2.5v，顶部电极11电压分别为-0.9v,-1.0v、-1.1v输出电流随光强变化图，从图中可以看出，在一定范围内，输出电流ioutput随着光强变化而增大。

如图5所示，为在光照下该x射线探测器件的等效电路图。在顶部电极加上电压后，相当于反向偏置的光电二极管，电荷将注入到导电沟道中。其中顶部电极电压vtg＜0，底部栅电极电压vbg＞0。

进一步，本发明实施例的x射线探测器件，在不加光照的条件下，可通过在顶部电极加反向电压，以控制x射线探测器件的开启或关闭，以将x射线探测器件用作电学开关使用。

如图6所示，为不加光照情况下，顶部电极11加不同电压下的转移曲线图，并且漏极13电压为1.5v，该四端器件的转移曲线的开启电压受顶部电极11加载的电压影响很大。顶部电极11加反向电压越小，该器件越容易开启。所以可以通过顶部电压来控制器件的开启或关闭，作为电学开关使用。

下面详细描述一下本发明实施例的x射线探测器件的制作方法，其具体包括以下步骤：

(1)在衬底上制备底部栅电极；具体地，采用溅射镀膜法在衬底的表面生长一层金属薄膜，并将所述金属薄膜光刻成预定图形，形成底部栅电极。

(2)制备覆盖所述衬底和底部栅电极的栅绝缘层；具体地，利用薄膜沉积工艺，在底部栅电极的上表面沉积形成覆盖所述衬底和底部栅电极的栅绝缘层。

(3)在所述栅绝缘层上制备源电极和漏电极，所述源电极、漏电极与所述底部栅电极之间具有交叠区；具体地，采用溅射镀膜法在栅绝缘层的上表面生长一层金属薄膜，并将所述金属薄膜光刻成预定图形，形成源电极和漏电极。

(4)在源电极和漏电极上制备光电半导体层，所述光电半导体层形成在所述源电极和漏电极之间且覆盖全部源电极和漏电极；具体地，采用薄膜沉积工艺在源电极和漏电极的极表面、以及源电极和漏电极之间沉积形成光电半导体层。

(5)制备覆盖整个光电半导体层的顶部电极，所述顶部电极为导体材料或重掺杂半导体材料。具体地：采用溅射镀膜法在所述光电半导体层的表面生长一层导体材料形成顶部电极，或采用离子注入法生长重掺杂半导体材料形成顶部电极。其中，所述溅射镀膜法可以是磁控溅射等。

其中，所述导体材料为金、银、铜、铝、钼、镍、氧化铟锡、氧化铟锌、透明导电塑料、导电化合物中的任意一种或多种。所述光电半导体层的材料为非晶硒，氧化铅，碘化汞，钙钛矿结构半导体材料中的任意一种或多种。

实施例二：

本发明实施例所述的x射线探测器件的结构可用制备直接x射线探测器。其中，本实施例的x射线探测器件的结构、工作原理和制备过程与实施例1所述的技术方案基本相同，其主要区别在于：本实施例的顶部电极的导体材料和重掺杂半导体材料无需为透明或者半透明。同时，本实施例的x射线探测器件的光电半导体层优选采用禁带宽度较宽的材料，如氧化铅(pbo)，碘化汞(hgi2)等。

实施例三：

本发明所述的x射线探测器件结构可用制备间接x射线平板探测器。其中，本实施例的x射线探测器件的结构、工作原理和制备过程与实施例1所述的技术方案基本相同，其主要区别在于：在制备间接x射线平板探测器时，需要将实施例1所述的间接x射线探测器制备成阵列。

实施例四：

本发明所述的x射线探测器件结构可用制备直接x射线平板探测器。其中，本实施例的x射线探测器件的结构、工作原理和制备过程与实施例2所述的技术方案基本相同，其主要区别在于：在制备直接x射线平板探测器时，需将实施例2所述的直接x射线探测器制备成阵列。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，故凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何修改、等同变化与修饰,均仍属于本发明技术方案的范围内。