CN103762251B - 一种双栅极光电薄膜晶体管、像素电路及像素阵列 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种可以用于间接探测型数字X-射线探测仪器的双栅极光电薄膜晶体管。在用于间接X射线探测的像素单元中，光电探测元件与信号读取的薄膜晶体管集成在一个双栅极光电薄膜晶体管中。双栅极光电薄膜晶体管既可实现了薄膜晶体管的开关和信号放大性能，也可以实现光电晶体管的感应功能和信号电荷的储存功能。这种方案具有高信噪比、高分辨率、制作工艺简单、集成度高的优点，可以充分利用像素面积，从而可以实现高灵敏度的探测。

Description

一种双栅极光电薄膜晶体管、像素电路及像素阵列

技术领域

本发明涉及一种双栅极光电薄膜晶体管的结构、制备工艺及像素电路。

背景技术

X射线成像是医院最普遍应用的诊断技术之一。像胸透，乳腺透，血管仪和胃肠仪等都已经被广泛应用于医疗实践中，成为帮助医生诊断病患的重要工具。近几年来，平板显示技术的发展带动了用于生物医学成像的平板X射线成像技术的蓬勃发展，它已经构成生物医学成像领域的一个重要的分支。目前，数字平板X射线成像仪已经投入市场，成为传统X射线成像技术的强有力竞争者。其突出的优点在于数字化、高灵敏度和高分辨率等。这些优点对于帮助医生进行疾病特别是癌症的早期准确诊断起到了重要作用。

一个数字平板X射线成像仪主要包括X射线管，数字平板探测器，以及数字图像处理计算机。其中数字平板探测器是核心部分。它不仅决定了系统的成像能力，也占了50%以上的成本。

数字平板探测器由像素阵列和外围电路组成，其中像素是其基本单元，它又可细分为探测感应和信号开关两大部分。其中探测感应部分很大程度上决定了像素乃至整个阵列的性能，是数字平板探测器中最核心的部分。

根据探测的原理，用于X-射线成像的数字平板探测器可以分为直接探测型和间接探测型两种。直接探测型是将X-射线直接转换为电信号输出；间接探测是先将X-射线转换为可见光信号，然后在将光信号转化成电信号。其中，间接探测型是目前X-射线成像的数字平板探测器采用的主要工作模式。本发明主要针对间接探测型X-射线数字平板探测器中的像素技术。

目前已有的间接探测型X-射线数字平板探测器的探测像素单元可分为三种类型：

1）如图1，由光敏二极管作感应单元配合开关薄膜晶体管（ThinFilmTransistor-TFT）；

2）如图2，由金属－半导体－金属（MSM）光电导感应单元配合开关TFT；

3）如图3，由光电薄膜晶体管配合开关TFT。

在上述的探测像素单元中,负责可见光探测的元件(如光敏二极管,MSM光电导或光电薄膜晶体管)与负责信号读取的开关薄膜晶体管是分开的，导致像素的性能较差，灵敏度较低，制作工艺复杂，集成度低。针对现有技术的这种像素单元，需要作出改进。

发明内容

本发明在于克服现有技术的缺点于不足，提供了一种开关性能强、集成度高、灵敏度高的双栅极光电薄膜晶体管像素技术。

本发明是通过以下的技术方案实现的：一种双栅极光电薄膜晶体管，包括：基板、暗栅极、第一介电层、沟道层、源极、漏极、第二介电层以及光栅极。该暗栅极设置于该基板上。该第一介电层设置于该基板上并覆盖住该暗栅极。该源极与该漏极设置在该第一介电层上并对应地与该第一介电层的两端相接触。该沟道层设置于该第一介电层上并覆盖该源极与该漏极。该第二介电层设置于该沟道层上。该光栅极设置于该第二介电层上。其中，该光栅极由导电的透明电极材料制作，该暗栅极由金属或金属合金制作。相比于现有技术，本发明提出了一种用于光电探测电路的双栅极光电薄膜晶体管，其最大的创新是将探测感应单元跟信号读取晶体管集成到一个双栅极光电薄膜晶体管中。既利用了薄膜晶体管的开关性能，也利用了光电晶体管的感应功能和放大功能，合三者为一。采用双栅极薄膜光电晶体管的最大优势在于节省了开关薄膜晶体管的空间，实现了较大的像素填充比，进而提高了灵敏度。另外，器件的制备工艺比较简单，集成比较容易，有效降低了制备成本。像素电路简单，一个器件就可以完成从感应，信号存储，到信号读取输出的全过程。而且，利用双栅极薄膜晶体管本身的放大功能，可以实现低剂量、高灵敏度的主动像素（ActivePixel）X-射线探测。

进一步，该基板为玻璃基板或柔性基板如塑料或不锈钢薄板。

进一步，该光栅极包含铟锡氧化物、铟锌氧化物、铝掺杂氧化锌或半透明薄膜金属，该暗栅极包含钼、铬或者铝等或其合金。通过对材料的优化设计，可以达到该透明导电材料和介电材料之间的光学耦合，提高光电转换效率。

进一步，该沟道层由非晶硅制作形成或采用其它半导体薄膜材料如氧化物等。

进一步，该第一介电层与该第二介电层由氧化硅薄膜或氮化硅薄膜材料制作形成。也可以采用其它薄膜介电材料如氧化铝、氧化钛和氧化铪等。

进一步，该第一介电层与该第二介电层的厚度范围为10纳米到1微米。这种材料和厚度的介电层，在光学上，它具有较高的透光率以及与透明电极材料之间很好的光学耦合，在电学上，它要满足像素存储电容的要求，满足底部开关薄膜晶体管对开关速度的要求，且满足对光的充分吸收以及保证开关薄膜晶体管的正常操作。

进一步，该沟道层的厚度范围为50纳米到一个微米。需要既满足对光的吸收，也满足电学的要求。

进一步，还包括设置在光栅极上的增透膜，该增透膜为单层或多层结构。目的是减少光在传输过程中的光损失。

本发明的另一个目的是提供一种应用上述双栅极光电薄膜晶体管的像素电路与像素阵列。

一种像素电路包括上述的一个双栅极光电薄膜晶体管、重置端、读取端、偏置端以及数据输出端；该重置端与晶体管的光栅极电连接，该读取端与晶体管的暗栅极电连接，该偏置端与晶体管的漏极电连接，该数据输出端与晶体管的源极电连接。进一步，该晶体管的漏极与暗栅极短接。可以省去一个端口，简化电路布线。

一种像素阵列，包括多个上述的一种像素电路，每个像素电路的晶体管对应一个像素点；其中，同一行像素电路的重置端相互电连接；同一行像素电路的读取端相互电连接；同一列像素电路的数据输出端相互电连接；扫描时，读取端选择需扫描像素点的行，数据输出端输出每一列中被选择的像素的信号。

本发明的核心是双栅极薄膜光电晶体管，与传统的双栅极薄膜晶体管最大的不同是：1）引入一个光栅极；2）优化沟道层的厚度同时满足了光电感应和开关功能；3）器件操作简单，主要适应光电感应的要求。

附图说明

图1是光敏二极管配合TFT的探测像素单元电路

图2是光电导配合TFT的探测像素单元电路

图3是光电薄膜晶体管配合TFT的探测像素单元电路

图4是双栅极薄膜光电晶体管的剖面结构图之一

图5是双栅极薄膜光电晶体管的剖面结构图之二

图6是双栅极晶体管中通过延长沟道宽度和源极以提高薄沟道层吸收

图7是双栅极光电薄膜晶体管的典型制备制程。

图8是双栅极晶体管像素电路

图9是像素电路的时序

图10是简化为三端口的双栅极像素电路

图11是代表性的基于双栅极光电薄膜晶体管的3X3像素阵列

图12是非晶硅双栅极薄膜光电晶体管的光学图片

图13是非晶硅双栅极薄膜光电晶体管的转移特性曲线和输出特性曲线

图14是非晶硅双栅极薄膜光电晶体管在不同光照强度下的输出特性曲线

图15是非晶硅双栅极薄膜光电晶体管在明暗交替变化时的信号响应曲线

图16是非晶硅双栅极薄膜光电晶体管对光照强度的信号响应曲线

图17是基于双栅极光电薄膜晶体管的间接X-射线探测器

下面参见附图及具体实施例，对本发明作进一步说明。

具体实施方式

请参阅图4，其是本发明的一种双栅极光电薄膜晶体管的剖面结构图之一。所述双栅极光电薄膜晶体管包括基板1、暗栅极2、第一介电层3、源极4、漏极5、沟道层6、第二介电层7以及光栅极8。该基板1可以为玻璃基板、塑料基板或其他基板；在本发明中，采用玻璃基板。该暗栅极2设置于该基板1上，其由金属或金属合金制作，钼、铬或者铝等或其合金。该第一介电层3设置于该基板1上并覆盖住该暗栅极2。该源极4与该漏极5设置在该第一介电层3上并对应地与该第一介电层3的两端相接触；该沟道层6设置于该第一介电层3上并覆盖该源极4与该漏极5；在本发明中，该沟道层6通过非晶硅形成。该第二介电层7设置于该沟道层6上。该光栅极8设置于该第二介电层7上，其由导电的透明电极材料制作，包含铟锡氧化物、铟锌氧化物、铝掺杂氧化锌薄膜或半透明薄膜金属。

双栅极光电薄膜晶体管的工作原理如下：该双栅极光电薄膜晶体管是一个四端器件，由光栅极8，暗栅极2，源极4和漏极5组成。位于顶部的光栅极8，主要保证光能顺利进入感应层。顶部的薄膜晶体管可以看成是一个金属－氧化物－半导体（MetalOxideSemiconductor－MOS）电容。底部栅极薄膜晶体管主要起到开关的作用，用于信号的读取和放大。光从透明光栅极8顶部射入，被沟道层6吸收，形成大量感应电荷，光电子在顶部光栅极负偏压的作用下，富集在底部，当底部开关薄膜晶体管开启的时候，大量的光电子就可以输出，而这些光电子可以利用底部薄膜晶体管的放大作用，得到进一步放大，换言之，底部薄膜晶体管相当于一个嵌入式内部放大器。沟道的厚度可以经过细致设计，即满足对光的吸收，也满足电学的要求。为了减少光在传输过程中的光损失，可以在光栅极8上面引入抗反射增透膜，增加光的透射，减少因界面反射造成的光损失，抗反射增透膜可以是单层的或者多层的设计；也可以利用对某一个特定波长的光进行滤波实现针对一个或多个特定波长的光子的透射，而不让其它波长的光透过。这一部分的光学耦合设计也需要考虑位于顶部的X射线转换屏材料的光学特性，比如发光以及折射等。

作为本发明的一个变形实施例，本发明的双栅极光电薄膜晶体管的的光栅极8可以设置在基板1之上，其剖面结构如图5所示，其中，该光栅极8设置于该基板1上；该第一介电层3设置于该基板1上并覆盖住该光栅极8；该源极4与该漏极5，设置在该第一介电层3上并对应地与该第一介电层3的两端相接触；该沟道层6设置于该第一介电层3上，并覆盖该源极4与该漏极5；该第二介电层7，该设置于该沟道层6上；该暗栅极2设置于该第二介电层7上。由于光栅极8用于感应光，在本实施例中，基板1须采用透光性强的玻璃基板1。本实施例的晶体管的原理与上一实施例相同，光从底部玻璃基板1射入，经过光栅极8，被沟道层6吸收后产生光电子，利用顶部晶体管的放大和开关功能实现信号的输出。同样，为了减少光损失，可以在玻璃基板1与光栅极8之间引入抗反射或者折射率匹配的材料。

除了以上两个基本结构外，某些情况下,沟道层6的厚度必须很薄才能满足一些特定的应用，这样光子就不能被完全有效吸收，为了提高对光子的吸收，可以采用延长沟道宽度以及利用金属漏极5反射的方法，如图6所示。

以本发明的实施例一中的结构为例，图7是制备双栅极光电薄膜晶体管的典型制程。工艺步骤的描述如下：

（a）如图7a,在透明的玻璃基板1上沉积暗栅极2材料，厚度为50至300nm；通过光刻方法定义暗栅极2图形；通过刻蚀方法形成暗栅极2。

（b）如图7b,,沉积栅极绝缘层材料，厚度为50至300nm。

（c）如图7c,沉积源、漏电极材料，厚度为50至300nm；通过光刻方法定义源、漏电极图形；通过刻蚀方法形成源、漏电极。

（d）如图7d,沉积掺杂的氢化非晶硅，厚度为30至100nm；通过光刻方法定义欧姆接触层图形；通过刻蚀方法形成欧姆接触层。

（e）如图7e,沉积本征的氢化非晶硅，厚度为50至500nm；通过光刻方法定义硅岛；通过刻蚀方法形成硅岛。

（f）如图7f,沉积栅极绝缘层材料，厚度为50至300nm。

（g）如图7g,沉积光栅极8材料，厚度为50至300nm；通过光刻方法定义光栅极8图形，通过刻蚀方法形成光栅极8。

（h）如图7h,沉积保护层材料，厚度为50至300nm；通过光刻方法定义开孔图形；通过刻蚀方法开孔。

请参阅图8，其是应用本发明的一种双栅极光电薄膜晶体管的像素电路图。该像素电路具有重置端A、读取端B、偏置端C以及数据输出端D。该重置端A与晶体管的光栅极8电连接，该读取端B与晶体管的暗栅极2电连接，该偏置端C与晶体管的漏极5电连接，该数据输出端D与晶体管的源极4电连接。

请参阅图9，其是该像素电路的时序示意图。像素的操作可以分为三个阶段：S1：重置；S2：集成；S3：读出。在重置阶段，光栅极8加正压或零压，顶部晶体管处于正向偏压，暗栅极2加负压，底部晶体管处于反向偏压，漏极5处于负压状态，顶部MOS电容的电荷被清空。这时候，整个像素处于待命状态；接着在集成阶段，光栅极8加负压，顶部晶体管处于反向偏压，暗栅极2加负压，底部晶体管处于反向偏压，漏极5仍然处于负压状态，顶部MOS电容开始充电，电荷量随光电子产生而增加；然后紧接着是读出阶段，保持光栅极8的负压状态，暗电极开始施加正压，而且漏极5也开始施加正压，此时，在MOS电容里的光电子开始在电场作用下，向外输出，完成电荷的转移以及一个像素的数据读出操作。

可以看出读取端B和重置端C的动作是一致的，为了简化电路的布线，可以如图10所示，将底部的暗栅极2跟漏极5短接，这样可以减少一个端口。

间接X射线探测器主要由将X射线信号转换为可见光信号的转换屏和众多光电探测像素组成的探测阵列组成。其中，一个双栅极薄膜晶体管构成一个像素，每个单一像素是独立工作的，通过光电效应，把光信号转换成电信号。

请参阅图11，其是本发明的一种像素阵列的电路图。在本实施例中，以3x3像素阵列为例。每个像素电路的晶体管对应一个像素点；其中，同一行像素电路的重置端A相互电连接；同一行像素电路的读取端B相互电连接；同一列像素电路的数据输出端D相互电连接；扫描时，读取端B选择需扫描像素点的行，数据输出端D输出每一列中被选择的像素的信号。由成千上万个像素组成的阵列配合将X-射线转换成光信号的转换屏就组成了间接转换的数字平板X-射线探测器。根据不同数字X-射线成像的要求，可以设计不同的行和列的数目以满足不同生物医学影像用数字探测器的需求。

本发明的双栅极薄膜光电晶体管的器件测试的初步结果如下：

采用图7所示的制备双栅极光电薄膜晶体管的典型制程图，采用非晶硅作为沟道层6制作出如图5所示结构的双栅极薄膜光电晶体管。图12是其光学显微镜照片。图13是非晶硅双栅极薄膜光电晶体管的转移特性曲线和输出特性曲线，其中，V_DG为暗栅极电压，I_D为漏极输出电流，V_PG为光栅极电压，V_D为漏极电压。由图13可以看到，其转移特性和输出特性跟一般的单一栅极薄膜晶体管的类似。

在一定的光照条件下，当光栅极8处于反向偏压（V_PG＝－1V），非晶硅双栅极薄膜光电晶体管的信号增强明显，如图14所示，可以看出电流－电压转移特性曲线随着光照的增强而向负偏压方向移动，证明了光照影响了顶部薄膜晶体管的阈值电压。所以，在开启状态，顶部薄膜晶体管的电流输出将与阈值电压的变化成正比，也就是说在光照情况下，输出电流是经过了薄膜晶体管的信号放大。

图15为顶部薄膜晶体管在开启状态下（V_DG=20V），光电流的时间响应。在同一光照条件下，光电响应具有重复性。

图16为顶部薄膜晶体管在不同光照条件下（0.61Lux到2.71Lux白光），其光电流的变化情况。可以看出，光电流与光照强度呈一定的线性关系。

以上的测试结果初步证明双栅极薄膜晶体管在光电探测领域的应用是可行的。双栅极光电薄膜晶体管与X射线转换屏9相结合将构成一个间接X射线探测器，如图17所示。

相比于现有技术，本发明提出了一种用于光电探测电路的双栅极光电薄膜晶体管，其最大的创新是将探测感应单元跟信号读取晶体管集成到一个双栅极光电薄膜晶体管中。既利用了薄膜晶体管的开关性能，也利用了光电晶体管的感应功能和存储功能，合二为一。采用双栅极薄膜光电晶体管的最大优势是节省了空间，实现了较大的像素填充比，进而提高了灵敏度和分辨率。另外，器件的制备工艺比较简单，集成比较容易，有效降低了制备成本。像素电路简单，一个器件就可以完成从感应，信号存储，到信号读取输出的全过程。而且，利用双栅极薄膜晶体管本身的放大功能，可以实现低剂量、高灵敏度的X-射线探测。可以认为该设计是一个单一薄膜晶体管构成的主动像素电路。

以上仅为本发明的最佳实施方式而已，并不用以限制本发明。凡依据本发明公开的内容，本领域的普通技术人员能够显而易见地想到的一些雷同、替代方案，均应落入本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种像素电路，其特征在于：该像素电路包括一个双栅极光电薄膜晶体管、重置端、读取端、偏置端以及数据输出端；

所述双栅极光电薄膜晶体管包括：

基板；

暗栅极，设置在该基板上；该暗栅极由金属或金属合金制作；

第一介电层，设置在该基板上并覆盖住该暗栅极；

源极与漏极，设置在该第一介电层上并对应地与该第一介电层的两端相接触；

沟道层，设置在该第一介电层上并覆盖该源极与该漏极；

第二介电层，设置在该沟道层上；

光栅极，设置于该第二介电层上；该光栅极由导电的透明电极材料制作；

或所述双栅极光电薄膜晶体管包括：

基板，该基板为玻璃基板；

光栅极，设置于该基板上；

第一介电层，设置于该基板上并覆盖住该光栅极；

源极与漏极，设置在该第一介电层上并对应地与该第一介电层的两端相接触；

沟道层，设置于该第一介电层上并覆盖该源极与该漏极；

第二介电层，设置于该沟道层上；

暗栅极，设置于该第二介电层上；

其中，该光栅极由导电的透明电极材料制作，该暗栅极由金属或金属合金制作；

该重置端与所述光栅极电连接，该读取端与所述暗栅极电连接，该偏置端与所述漏极电连接，该数据输出端与所述源极电连接；所述重置端分三阶段分别输出正电压、负电压、负电压至所述光柵极；所述偏置端分三阶段分别输出负电压、负电压、正电压至所述漏极；所述读取端分三阶段分别输出负电压、负电压、正电压至所述暗柵极。

2.根据权利要求1所述的一种像素电路，其特征在于：所述漏极与暗栅极短接。

3.一种像素阵列，其特征在于：包括多个如权利要求2中所述的一种像素电路，每个像素电路的双栅极光电薄膜晶体管对应一个像素点；其中，同一行像素电路的重置端相互电连接；同一行像素电路的读取端相互电连接；同一列像素电路的数据输出端相互电连接；扫描时，读取端选择需扫描像素点的行，数据输出端输出每一列中被选择的像素的信号。