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CN118763088A - 放射线感测装置 - Google Patents

放射线感测装置 Download PDF

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CN118763088A
CN118763088A CN202410764088.8A CN202410764088A CN118763088A CN 118763088 A CN118763088 A CN 118763088A CN 202410764088 A CN202410764088 A CN 202410764088A CN 118763088 A CN118763088 A CN 118763088A
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gate
sensing device
layer
radiation sensing
radiation
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王智弘
林信宏
吴智濠
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Innolux Display Corp
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Publication date
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Abstract

本发明公开了一种放射线感测装置。放射线感测装置包括基板、多个半导体元件以及至少一感光元件。半导体元件设置于基板上且至少一个半导体元件包括第一闸极、主动层以及第二闸极。主动层设置在第一闸极上，而第二闸极设置在主动层上。在待机状态中，第二闸极具有正偏压。感光元件设置于基板上，且感光元件不与第二闸极电性连接。第二闸极可用以于待机状态中具有正偏压，藉此对半导体元件受放射线照射后所产生的电性影响进行改善。

Description

放射线感测装置
本申请是申请日为2019年05月22日、申请号为201910431245.2、发明名称为“放射线感测装置”的发明专利申请的分案申请。
技术领域
本发明涉及一种放射线感测装置，特别涉及一种具有半导体元件的放射线感测装置。
背景技术
光感应技术随着科技发展已应用于许多电子产品以及检测设备中，而其中可侦测放射线(例如X射线)的光感应技术为相当受瞩目的应用之一。由于具有低辐射剂量、电子影像成像快速以及影像易于检视、重制、撷取、传送及分析等优点，数字式放射线感测装置已逐渐取代传统利用底片侦测放射线的方式，而成为目前数字医学影像发展的趋势。一般的数字式放射线感测装置是利用感光元件接收放射线能量并转换成电子信号，并利用半导体开关元件来控制信号的读取动作。然而，受到放射线照射时的能量或/及剂量的影响，半导体开关元件中的迭层(例如半导体通道层、闸极介电层或/及通道钝化层等)可能会因此产生变化，而影响半导体开关元件的电性表现，例如可能造成半导体开关元件的临界电压(threshold voltage，Vth)发生负偏移的现象进而导致放射线感测装置操作失效等问题。
发明内容
本发明的目的之一在于提供一种放射线感测装置，利用第二闸极于待机状态中具有正偏压，藉此使半导体元件受放射线照射后所产生的电性影响可被回复，而使半导体元件的电性表现回复至正常状态，进而可避免放射线照射影响放射线感测装置的正常操作，并延长产品的使用寿命。
本发明的一实施例提供一种放射线感测装置，包括基板、多个半导体元件以及至少一感光元件。至少一半导体元件设置于基板上，且半导体元件包括第一闸极、主动层以及第二闸极。主动层设置在第一闸极上，第二闸极设置在主动层上，且在待机状态中，第二闸极具有正偏压。感光元件设置于基板上，且感光元件不与第二闸极电性连接。
附图说明
图1所示为本发明实施例的放射线系统的示意图。
图2所示为本发明第一实施例的放射线感测装置的部分示意图。
图3a、图3b以及图3c所示为本发明第一实施例的放射线感测装置的部分电路示意图。
图4所示为本发明实施例的放射线系统的时序图。
图5所示为本发明实施例的放射线感测装置中的半导体元件的汲极电流对闸极电压的关系曲线示意图。
图6所示为本发明第一实施例的一变化实施例的放射线感测装置的示意图。
图7所示为本发明第一实施例的另一变化实施例的放射线感测装置的示意图。
图8所示为本发明第二实施例的放射线感测装置的示意图。
图9所示为本发明第二实施例的放射线感测装置的部分电路示意图。
附图标记说明：10-基板；12-闸极介电层；13-绝缘层；14-保护层；15-第三导电层；16-第一绝缘层；17-第四导电层；18-第二绝缘层；19-第五导电层；20-第一导电层；21-第四绝缘层；22-第三绝缘层；24-第二导电层；901-放射线产生装置；902-处理器装置；101-104-放射线感测装置；CS-电容器结构；D1-第一方向；D2-第二方向；DE-汲极；DL-资料线；E1-第一端点电极；E2-第二端点电极；G1-第一闸极；G2-第二闸极；L1-第一关系线；L2-第二关系线；O1-开口；O2-开口；O3-开口；O4-开口；O5-开口；O6-开口；O7-开口；O8-开口；OB-物件；P1-第一半导体层；P2-本质半导体层；P3-第二半导体层；PU-感光元件；SC-主动层；SE-源极；SL-扫描线；T-半导体元件；V1-第一电压；V2-第二电压。
具体实施方式
本发明通篇说明书与后附的权利要求中会使用某些词汇来指称特定的组成元件。本领域技术人员应理解，设备制造商可能会以不同的名称来指称相同的元件。本发明并不意在区分那些功能相同但名称不同的元件。在下文说明书与权利要求书中，“包含”与“包括”等词为开放式词语，因此其应被解释为“包括有但不限定为…”之意。
应当理解，当元件或层被称为在另一元件或层“上”或与另一元件或层“连接”时，它可以直接在另一元件或层上或直接与另一元件或层连接，或者还可以存在插入的元件或层。相反地，当元件被称为“直接”在另一元件或上或者“直接”与另一元件或层连接时，不存在插入元件。
应当理解，下文列举多个实施例分别说明不同的技术特征，但此些技术特征可在彼此未互相冲突的状态下以不同方式混合使用或彼此结合。
请参考图1与图2。图1所示为本发明实施例的放射线系统的示意图，而图2所示为本发明第一实施例的放射线感测装置101的部分示意图。如图1所示，在一些实施例中，对象OB(例如人或其他生物或非生物)可位于放射线产生装置901与放射线感测装置101之间，利用放射线产生装置901向对象OB照射放射线，对象OB后方的放射线感测装置101进行放射线感测，放射线感测装置101可将所接收的放射线能量转换成电子信号，而经由与放射线感测装置101连接的处理器装置902(例如计算机装置)进行信号处理，进而产生对应的放射线影像。
请参考图2、图3a、图3b以及图3c。图2所示为第一实施例的放射线感测装置101的部分示意图，而图3a、图3b以及图3c所示为第一实施例的放射线感测装置101的部分电路示意图。如图2所示，本实施例的放射线感测装置101可包括一基板10以及多个半导体元件T。然而，为了简洁地说明本发明的技术特征，在本发明的图式中仅绘示出一个半导体元件T。半导体元件T设置于基板10上，且多个半导体元件T中的至少一个包括一第一闸极G1、一主动层SC以及一第二闸极G2。主动层SC设置在第一闸极G1上，而第二闸极G2设置在主动层SC上。进一步说明，在一些实施例中，半导体元件T可更包括一闸极介电层12、一源极SE以及一汲极DE。闸极介电层12可设置于第一闸极G1与主动层SC之间，而源极SE与汲极DE可设置于主动层SC以与门极介电层12上，但并不以此为限。此外，放射线感测装置101可更包括一保护层14，设置于源极SE、汲极DE和主动层SC上，而第二闸极G2可设置于保护层14上。在一些实施例中，保护层14亦可被视为钝化层或通道钝化层，但并不以此为限。
在一些实施例中，放射线感测装置101可更包括至少一感光元件PU设置于基板10上，感光元件PU可包括光电二极管(photodiode)、电容器结构或其他适合的光电转换元件。举例来说，感光元件PU可包括一第一半导体层P1、一本质(Intrinsic)半导体层P2以及一第二半导体层P3沿一垂直于基板10表面的方向(例如第一方向D1)上设置，故本质半导体层P2可夹置于第一半导体层P1与第二半导体层P3之间。第一半导体层P1可与一第一端点电极E1电性连接，而第二半导体层P3可与一第二端点电极E2电性连接。
如图2所示，在一些实施例中，放射线感测装置101可更包括一第一绝缘层16、一第二绝缘层18、一第一导电层20以及一第三绝缘层22。第一绝缘层16可设置第二闸极G2以及保护层14上，而上述的第一端点电极E1可设置于第一绝缘层16上，且第一端点电极E1可通过开口O1与汲极DE电性连接，开口O1可由汲极DE上方的保护层14与第一绝缘层16的侧壁形成，但并不以此为限。第二绝缘层18可设置第一绝缘层16上，亦可设置于第一端点电极E1、感光元件PU以及第二端点电极E2上。第一导电层20可设置于第二绝缘层18上，且第一导电层20可通过开口O2与感光元件PU以及第二端点电极E2电性连接，进而向感光元件PU与第二端点电极E2提供参考电压(例如图3中所示的第二电压V2)，开口O2可由感光元件PU上方的第二绝缘层18的侧壁形成，但并不以此为限。第三绝缘层22可设置于第一导电层20以及第二绝缘层18上。
在一些实施例中，基板10可为硬质基板或是可挠性基板，且基板10的材料可包括玻璃、塑料、陶瓷、聚酰亚胺(Polyimide，PI)、聚对苯二甲酸乙二酯(PolyethyleneTerephthalate，PET)、前述的排列组合或其他适合作为基板的材料。上述的第一闸极G1、第二闸极G2、源极SE、汲极DE、第一端点电极E1、第二端点电极E2以及第一导电层20可分别包括导电材料例如金属导电材料、透明导电材料或其他适合种类的导电材料。上述的金属导电材料可包括铝、铜、银、铬、钛、钼的其中至少一者、上述材料的复合层或上述材料的合金。上述的透明导电材料可包括氧化铟锡(indium tin oxide,ITO)、氧化铟锌(indium zincoxide,IZO)、氧化铝锌(aluminum zinc oxide,AZO)或其他适合的透明导电材料。上述的闸极介电层12、保护层14、第一绝缘层16、第二绝缘层18以及第三绝缘层22的材料可分别包括无机材料例如氮化硅(silicon nitride)、氧化硅(silicon oxide)、氮氧化硅(siliconoxynitride)、氧化铝(Al2O3)与氧化铪(HfO2)、有机材料例如丙烯酸类树脂(acrylicresin)或其它适合的介电材料。此外，上述的主动层SC的材料可包括非晶硅半导体材料、多晶硅半导体材料、有机半导体材料、氧化物半导体材料(例如氧化铟镓锌，IGZO)或其他适合种类的半导体材料。值得说明的是，本发明的放射线感测装置并不以图2所示的结构状态或/及上述的材料特性为限，其他适合的结构或/及材料亦可用于本发明的放射线感测装置中。
如图2、图3a、图3b以及图3c所示，半导体元件T的第一闸极G1可连接至一扫描线SL，半导体元件T的源极SE可电性连接至一数据线DL，半导体元件T的汲极DE可与感光元件PU电性连接，而感光元件PU的另一端可连接至一参考电压(例如第二电压V2)。值得说明的是，本发明的源极SE与汲极DE的连接状况可互相更换，换句话说，在一些实施例中，汲极DE可电性连接至数据线DL，而源极SE可与感光元件PU电性连接。此外，第二闸极G2并未与源极SE、汲极DE、主动层SC电性连接。在一些实施例中，如图3a所示，第二闸极G2不与感光元件PU电性连接。在一些实施例中，如图3b所示，第二闸极G2与感光元件PU电性连接。
在一些实施例中，感光元件PU可以非晶硅(a-Si)薄膜沉积制成，举例来说，本质半导体层P2可为一本质非晶硅半导体层，第一半导体层P1可为一P型半导体层(例如P型掺杂的非晶硅半导体层)，而第二半导体层P3可为一N型半导体层(例如N型掺杂的非晶硅半导体层)，此状态下的感光元件PU可被视为一PIN型的光电二极管(其对应的电路图可为图3a)。此外，在一些实施例中，第一半导体层P1可为一N型半导体层(例如N型掺杂的非晶硅半导体层)，而第二半导体层P3可为一P型半导体层(例如P型掺杂的非晶硅半导体层)，此状态下的感光元件PU可被视为一NIP型的光电二极管(其对应的电路图可为图3c)，但并不以此为限。此外，在一些实施例中，放射线感测装置可包括多个上述的半导体元件T以及对应的感光元件PU以一数组方式排列设置，而此放射线感测装置可被视为一主动矩阵式放射线感测面板，但并不以此为限。
请参考图1与图4。图4所示为本发明实施例的放射线系统的时序图。如图4所示，本实施例的放射线感测装置101的操作方法可包括下列步骤。在一些实施例中，放射线感测装置101于开机后可先进入待机模式，而放射线产生装置901在正式进行放射线(例如X射线)照射之前，可由操作人员将照射开始信号传递至放放射线产生装置901与射线感测装置101，也就是放射线感测装置101接收到照射开始信号时，放射线感测装置101由待机模式进入一摄影模式。值得注意的是，提供如上述的放射线感测装置101，然后，使放射线感测装置101进入一待机状态，且在此待机状态中，第二闸极G2具有正偏压。
于摄影模式中，可藉由部分特定感光元件PU来感测放射线的能量，将所接收的放射线能量蓄积，然后放射线产生装置901可接受照射停止信号，停止放射线照射，藉此使放射线感测装置101可进行全面性的扫描而执行影像读取动作。最后，于影像读取动作结束时停止摄影模式，回到上述的待机状态。举例来说，在尚未照射停止之前，可经由第一闸极G1控制半导体元件T为关闭状态，藉此使感光元件PU受放射线照射而进行电荷蓄积动作。相对地，在执行影像读取动作时，可经由第一闸极G1控制半导体元件T为开启状态，藉此对感光元件PU进行信号读取。
在本发明的操作方法中，在放射线感测装置101接收照射开始信号至完成影像读取动作的这一段时间(例如图4中所示的影像模式)之外，放射线感测装置101可被视为处于待机状态。在待机状态下，可经由第一闸极G1控制半导体元件T为关闭状态，藉此使感光元件PU进行像素复位动作，以准备下一次的放射线照射。值得说明的是，在待机状态中，第二闸极G2可具有正偏压(例如图3中所示的第一电压V1)，回复半导体元件T受放射线照射后所产生的电性影响，而使得半导体元件T的电性表现可回复至正常状态。在一些实施例中，于上述的摄影模式中，第二闸极G2可未被施加电压，但并不以此为限。
进一步说明，在一些实施例中，受到放射线照射时的能量或/及剂量的影响，半导体元件T中的迭层(例如主动层SC、闸极介电层12或/及保护层14等)会因此产生变化而影响半导体开关元件的电性表现。举例来说，主动层SC本身以及主动层SC靠近其他介电层(例如闸极介电层12与保护层14)处的能带可能会受到放射线照射影响而向下弯曲，进而导致半导体元件T的临界电压(threshold voltage，Vth)发生负偏移。然而，在本发明中，可利用于放射线感测装置处于待机状态时于第二闸极G2施加正偏压，使保护层14中的电子累积于靠近主动层SC的一侧，藉此使主动层SC的能带回复到被放射线照射之前的正常状态。换句话说，于待机状态下以第二闸极G2施加正偏压一特定时间之后，可使主动层SC的能带上升至正常状态，并使半导体元件T的临界电压朝正的方向偏移，而回复至原本半导体元件T的正常临界电压。
举例来说，本实施例的操作方法可利用第二闸极G2于放射线感测装置101在待机状态时具有正偏压，用以进行一回复(recovery)处理，而此回复处理的处理时间可介于1分钟至60分钟之间、5分钟至20分钟之间、5分钟至10分钟之间或其他适合的时间范围。换句话说，在一些实施例中，第二闸极G2可于放射线感测装置101在待机状态下的部分时间具有正偏压，而达到上述的处理效果，但并不以此为限。在一些实施例中，亦可视需要于全部的待机状态下均以第二闸极具有正偏压。此外，于待机状态时施加于第二闸极G2的信号可包括直流信号、交流信号或其他适合型态的信号，而于回复处理中施加于第二闸极G2的正偏压可介于5伏特至20伏特之间或其他适合的电压值范围，可依照设计调整，于此不限制。在一些实施例中，于上述的回复处理时，第一闸极G1可未被施加电压，但并不以此为限。在一些实施例中，当半导体元件T受放射线照射影响而导致临界电压负偏移程度严重时，亦可于上述的回复处理或/及上述的待机模式时对第一闸极G1施加正偏压而达到关闭半导体元件T的效果。换句话说，第一闸极G1亦可于待机装态中具有正偏压，但并不以此为限。
请参考图5。图5所示为本实施例的放射线感测装置101中的半导体元件T的汲极电流(ID)对闸极电压(VG)的关系曲线(I-V curve)示意图，其中第一关系线L1代表半导体元件受放射线照射后，汲极电流对闸极电压的关系曲线，而第二关系线L2代表半导体元件受放射线照射后，并经过上述的回复处理后的汲极电流对闸极电压的关系曲线。从第一关系线L1可知半导体元件T受放射线照射影响而导致临界电压负偏移的现象，然后，从第二关系线L2可知经由于待机状态下利用第二闸极G2具有正偏压而达到回复的效果。换句话说，半导体元件T于上述的回复处理后的临界电压可高于半导体元件T于回复处理前的临界电压。
藉由本发明的放射线感测装置101以及其操作方法，可使半导体元件T受放射线照射后所产生的电性影响被回复，而使得半导体元件T的电性表现回复至正常状态，进而可避免放射线照射影响放射线感测装置101的正常操作并延长产品的使用寿命。举例来说，在一些实施例中，若仅对迭层(例如主动层SC、闸极介电层12或/及保护层14等)的制程进行调整可使临界电压的负偏移回复约1伏特，但以本发明利用第二闸极G2具有正偏压的方式则可使临界电压的负偏移回复约4伏特，且以本发明的方式可不需调整各迭层的制程条件，故可避免产生其他的负面影响(例如对于稳定度或/及可靠度的负面影响)。
下文将针对本发明的不同实施例进行说明，且为简化说明，以下说明主要针对各实施例不同的部分进行详述，而不再对相同的部分作重复赘述。此外，本发明的各实施例中相同的元件以相同的标号进行标示，用以方便在各实施例间互相对照。
请参考图6。图6所示为本发明第一实施例的一变化实施例的放射线感测装置102的示意图。如图6所示，放射线感测装置102可更包括一绝缘层13设置于主动层SC上，而源极SE与汲极DE可设置于绝缘层13上。在本实施例中，绝缘层13可称做蚀刻停止层，用以于形成源极SE与汲极DE的制程中保护主动层SC。
请参考图7。图7所示为本发明第一实施例的另一变化实施例的放射线感测装置103的示意图。如图7所示，绝缘层13更可以夹设于源极SE与汲极DE以及主动层SC之间。绝缘层13可具有一第一开口(例如开口O3)与一第二开口(例如开口O4)，源极SE与汲极DE可分别通过开口O3与开口O4与主动层SC电性连接，开口O3与开口O4可由主动层SC上方的绝缘层13的侧壁形成，但并不以此为限。
请参考图8与图9。图8所示为本发明第二实施例的放射线感测装置104的示意图，而图9所示为第二实施例的放射线感测装置104的部分电路示意图。如图8与图9所示，在放射线感测装置104中，感光元件PU可选择性包括一电容器(capacitor)结构CS，而电容器结构CS可由两个导电层以及夹设于此两个导电层之间的介电材料所形成，例如由第四导电层17、第五导电层19以及第二绝缘层18所形成，但并不以此为限。此外，放射线感测装置104可更包括一第三导电层15、一第四绝缘层21以及一第二导电层24。第三导电层15可设置于保护层14上，而第一绝缘层16可设置第三导电层15上，且第三导电层15可通过开口O5与源极SE电性连接，以及开口O6与汲极DE电性连接，而开口O5与开口O6可由源极SE与汲极DE上方的保护层14的侧壁形成。上述的第四导电层17可设置于第一绝缘层16上，且第四导电层17可通过贯穿第三导电层15上方的第一绝缘层16的开口O7而与第三导电层15形成接触。换句话说，第四导电层17可通过第三导电层15而与半导体元件T的汲极DE形成电性连接，但并不以此为限。第五导电层19可设置于第二绝缘层18上，而第一导电层20可设置于第五导电层19并与其电性连接，藉此将一参考电压(例如图9中所示的第二电压V2)施加到第五导电层19。
此外，第四绝缘层21可设置第一导电层20、第五导电层19以及第二绝缘层18，第三绝缘层22可设置第四绝缘层21上，第二导电层24可设置于第三绝缘层22上，且第二导电层24可通过开口O8与第四导电层17的性连接，开口O8可由第四导电层17上方的第二绝缘层18、第四绝缘层21与第三绝缘层22的侧壁形成但并不以此为限。值得说明的是，本实施例的电容器结构CS搭配特殊材料设置于CS上面，例如硒(Selenium)，或其他适合的材料来进行感测，而上述实施例中的光电二极管可搭配闪烁体层(未绘示)来将放射线转换成可见光，使得光电二极管可进行光感测，但并不以此为限。
综上所述，在本发明的放射线感测装置以及其操作方法中，可利用第二闸极于待机状态中具有正偏压，藉此回复半导体元件受放射线照射后所产生的电性影响，而使得半导体元件的电性表现回复至正常状态，进而可避免放射线照射影响放射线感测装置的正常操作，并延长产品的使用寿命。
以上所述仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种放射线感测装置，其特征在于，包括：
一基板；
多个半导体元件，设置于该基板上，该多个半导体元件中的至少一个包括：
一第一闸极；
一主动层，设置在该第一闸极上；以及
一第二闸极，设置在该主动层上，其中，在待机状态中，该第二闸极具有正偏压；以及
至少一感光元件，设置于该基板上，该至少一感光元件不与该第二闸极电性连接。
2.如权利要求1所述的放射线感测装置，其特征在于，该至少一感光元件包括一第一半导体层、一本质半导体层以及一第二半导体层，其中该本质半导体层夹置于该第一半导体层与该第二半导体层之间。
3.如权利要求2所述的放射线感测装置，其特征在于，该多个半导体元件中的该至少一个还包括一源极以及一汲极，该源极与该汲极中的一者与该第一半导体层电性连接，其中该第一半导体层为一P型半导体层，且该第二半导体层为一N型半导体层。
4.如权利要求2所述的放射线感测装置，其特征在于，该多个半导体元件中的该至少一个还包括一源极以及一汲极，该源极与该汲极中的一者与该第一半导体层电性连接，其中该第一半导体层为一N型半导体层，且该第二半导体层为一P型半导体层。
5.如权利要求1所述的放射线感测装置，其特征在于，该至少一感光元件与该多个半导体元件中的该至少一个电性连接，其中该至少一感光元件包括一电容器结构。
6.如权利要求1所述的放射线感测装置，其特征在于，该第一闸极于该待机状态中具有正偏压。
7.如权利要求1所述的放射线感测装置，其特征在于，还包括一绝缘层，设置于该主动层上。
8.如权利要求7所述的放射线感测装置，其特征在于，该绝缘层具有一第一开口与一第二开口，该多个半导体元件中的该至少一个更包括一源极以及一汲极，该源极通过该第一开口与该主动层电性连接，且该汲极通过该第二开口与该主动层电性连接。
9.如权利要求1所述的放射线感测装置，其特征在于，该第一闸极于该待机状态中未被施加电压。
10.如权利要求1所述的放射线感测装置，其特征在于，该第二闸极的该正偏压介于5伏特至20伏特之间。
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