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TW202018483A - 光偵測陣列薄膜、光偵測陣列薄膜的製作方法，及光偵測陣列薄膜的驅動方法 - Google Patents

光偵測陣列薄膜、光偵測陣列薄膜的製作方法，及光偵測陣列薄膜的驅動方法 Download PDF

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TW202018483A
TW202018483A TW108134104A TW108134104A TW202018483A TW 202018483 A TW202018483 A TW 202018483A TW 108134104 A TW108134104 A TW 108134104A TW 108134104 A TW108134104 A TW 108134104A TW 202018483 A TW202018483 A TW 202018483A
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Abstract

本發明提供了一種光偵測陣列薄膜，包含一光偵測單元，且該光偵測單元選自光敏二極管或光敏電晶管。其中，該光敏二極管包括至少一組半導體結構層，該至少一組半導體結構層具有自上而下堆疊設置的一第一p型、第一i型、第一n型、第二p型、第二i型，及第二n型半導體層，該第一i型及第二i型半導體層選自禁帶寬度在預設範圍內的材料。該光敏電晶管的閘極、絕緣層與源極為縱向自下而上設置，其汲極與源極橫向共平面設置，且該閘極、源極與該汲極均不接觸，該光吸收半導體層設置於該絕緣層上，並介於該源極與汲極之間。此外，本發明還同時提供該光偵測陣列薄膜的製作方法及驅動方法。

Description

光偵測陣列薄膜、光偵測陣列薄膜的製作方法，及光偵測陣列薄膜的驅動方法
本發明是有關於一種光學器件領域，特別是指一種光偵測薄膜、製造方法，及其驅動方法。
目前的顯示面板技術，不論是液晶顯示(LCD)螢幕、主動式有機發光二極管顯示(AMOLED)螢幕、或微發光二極管顯示(micro-LED)螢幕，皆是以薄膜電晶管(TFT)結構掃描並驅動單一圖元，以實現螢幕上圖元陣列之顯示功能。形成TFT開關功能的主要結構為半導體場效晶體管 (FET)，其中熟知的半導體層主要材料有非晶矽、多晶矽、氧化銦鎵鋅(IGZO)、或是混有碳奈米材料的有機化合物等等。由於光偵測二極管(Photo Diode)的結構亦可採用此類半導體材料製備，且生產設備也相容於TFT陣列的生產設備，所製備的光敏二極管又可直接與TFT組合並以TFT實現對光敏二極管進行掃描與驅動功能。因此，近年來TFT光偵測二極管開始以TFT陣列製備方式生產，並廣泛應用在X光感測平板器件，如中華人民共和國專利CN103829959B、CN102903721B所描述。
相較於傳統結晶材料製備的影像傳感器件，上述TFT光偵測陣列薄膜材料之光禁帶寬度(Band gap)皆以可見光為主要吸收範圍，因此較易受環境可見光之幹擾形成雜訊，導致信號雜訊比(SNR)較低。受限於此，TFT光感測陣列初期的應用乃是以X光感測平板器件應用為主，主要原因即為X光屬短波長光且準直性高，X光影像先入射到感測平板上配置之光波長轉換材料，將X光影像轉換較長波長之可見光再直接於感測平板內部傳輸至TFT光偵測陣列薄膜上，避免了周圍環境之可見光形成雜訊幹擾，如上述中華人民共和國專利CN103829959B、CN102903721B所描述。
若將此類熟知的TFT可見光偵測陣列薄膜配置在顯示螢幕結構內，可作為將光偵測功能組合在顯示螢幕之一種實現方案。然而受限於顯示螢幕的厚度以及顯示圖元開口孔徑等因素，光偵測二極管陣列感測的真實影像已是發生繞射等光學失真之影像，且因光學信號穿透顯示螢幕多層結構，並且在光學顯示信號、觸摸感測信號並存的情況下，欲從低信號雜訊比場景提取有用光學信號具備很高的困難度，技術困難等級達到近乎單光子成像之程度，必須借由相關演算法依光波理論運算重建方能解析出原始影像。為了避開此一技術難點，熟知將可見光傳感器薄膜配置在原顯示螢幕結構內會需要額外的光學增強器件，或是僅將光傳感器薄膜配置在顯示螢幕側邊內，利用非垂直反射到達側邊之光線進行光影像重建，例如：中華人民共和國專利CN101359369B所述。然而雖然此類技術可避開了弱光成像的技術難點，額外的光學器件增加了光偵測顯示螢幕的厚度，在顯示螢幕側邊的配置方式則無法滿足用戶的全螢幕體驗。
如圖1所示，觸摸顯示螢幕自上而下包括蓋板玻璃10、觸摸螢幕20、含有顯示圖元301的自發光二極管顯示螢幕30，在觸摸顯示螢幕的下方可以置入光偵測陣列薄膜40，從而實現對用戶的生理特徵進行偵測識別。以指紋識別為例，圖1所示的結構在實現指紋訊息採集時至少存在著以下問題： (1) 位於手指正下方的顯示圖元301照射到手指後，在蓋板玻璃10的上表面會發生光穿透、光反射以及光散射等不同光學現象，不論是指紋的凸紋或是凹紋，真正能形成亮、暗的有效反射光信號非常微弱，要區分出指紋的凸紋或是凹紋更是難上加難；(2) 受限於蓋板玻璃10、觸摸螢幕20、顯示螢幕30等結構的材料與相關厚度，即使反射光信號夠強，當經過了蓋板玻璃10、觸摸螢幕20、顯示螢幕30，到達光偵測陣列薄膜40後，光強度已經嚴重減弱(通常削減了95%以上)，同時反射光信號在經過顯示螢幕的TFT開口也會發生光學失真現象，影響了指紋訊息的採集； (3) 自發光二極管顯示螢幕30的每個顯示圖元其發光準直性低，即發光角度很廣，這些大角度發光容易與相鄰或間隔的圖元光源所要照射的指紋發生幹擾，導致採集到的指紋訊息不準確。
為此，需要提供一種光偵測的技術方案，用於解決現有的光偵測結構在偵測生理特徵訊息時由於進入光偵測陣列薄膜的反射光信號強度削減嚴重，導致捕捉的生理特徵訊息紋路區分不明顯、訊息採集不準確等問題。
因此，本發明之目的，即在提供一種光偵測陣列薄膜。
於是，本發明光偵測陣列薄膜，包含一光偵測單元，且該光偵測單元包括光敏二極管或光敏電晶管。
其中，該光敏二極管包括至少一組半導體結構層，該至少一組半導體結構層具有自上而下堆疊設置的一層第一p型半導體層、一層第一i型半導體層、一層第一n型半導體層、一層第二p型半導體層、一層第二i型半導體層，及一層第二n型半導體層，該第一i型及第二i型半導體層選自禁帶寬度在預設範圍內的材料。
該光敏電晶管包括閘極、絕緣層、至少一個源極、至少一個汲極，及光吸收半導體層，該閘極、該絕緣層與該至少一個源極為縱向自下而上設置，該絕緣層包覆該閘極，該至少一個汲極與該至少一個源極橫向共平面設置於該絕緣層上，以使得該閘極、該至少一個源極與該至少一個汲極均不接觸，該光吸收半導體層設置於該絕緣層上，並介於該至少一個源極與至少一個汲極之間。
本發明之另一目的在於提供一種光偵測陣列薄膜的製作方法。該光偵測陣列薄膜包含多個呈陣列分佈的光敏電晶管。
於是，本發明該製作方法包括以下步驟。
於一基材上形成一閘極。
形成一覆蓋該閘極的絕緣層。
於該絕緣層上形成一n型摻雜半導體層。
於該n型摻雜半導體層上形成一金屬層。
利用黃光蝕刻移除部分的該n型摻雜半導體層及對應的金屬層至令該絕緣層表面露出，得到彼此間隔且橫向共平面的至少一源極、至少一汲極，及各自對應位於該至少一源極和至少一汲極上的電極。
於該至少一源極及至少一汲極之間露出的該絕緣層的表面形成一光吸收半導體層，以得到該光敏電晶管。
又，本發明之再一目的在於提供一種光偵測陣列薄膜的光偵測陣列薄膜的驅動方法，其中，該光偵測陣列薄膜的結構如前所述。
於是，本發明該驅動方法包括：利用時序交替地對該光偵測陣列薄膜進行觸發，以使該光偵測陣列薄膜可被觸發，而處於光偵測狀態或發出光源狀態，其中，該光偵測狀態是用於接收偵測觸發信號，該發出光源狀態是用於接收光源觸發信號。
本發明之功效在於：解決現有的光偵測結構在偵測生理特徵訊息時由於進入光偵測陣列薄膜的反射光信號強度削減嚴重，導致捕捉的生理特徵訊息紋路區分不明顯、訊息採集不準確等問題。
本發明將就以下實施例來作進一步說明，但應瞭解的是，該實施例僅為例示說明之用，而不應被解釋為本發明實施之限制。
在本發明被詳細描述之前，應當注意在以下的說明內容中，類似的元件是以相同的編號來表示。
請參閱圖7，為本發明光偵測裝置的一實施例的結構示意圖。該光偵測裝置可以應用於偵測、識別生理特徵訊息，該生理特徵訊息包括具有凹凸變化紋路的生理特徵訊息，如指紋、掌紋等。本發明的實施例以偵測、識別指紋訊息為例，對本發明涉及的光偵測裝置的應用場景作進一步說明。
該光偵測裝置自上而下包括一個蓋板玻璃1、觸摸螢幕2、自發光二極管顯示螢幕3、光學膠4、光學器件5、光偵測陣列薄膜6；該觸摸螢幕2貼合於蓋板玻璃1的下表面，該光學膠4貼合於自發光二極管顯示螢幕3的下表面；該光學膠4的折射率小於蓋板玻璃1的折射率，該自發光二極管顯示螢幕3包括多個顯示圖元(圖未示)。為了便於說明，本發明的所有附圖將蓋板玻璃1和觸摸螢幕2簡化為一體，以蓋板玻璃1顯示，在描述光路變化時，將光路在蓋板玻璃1/觸摸螢幕2表面發生的變化簡化為光路在蓋板玻璃1表面所發生的變化。
當將光偵測陣列薄膜6配置在顯示螢幕3結構的下方時，藉由單個顯示圖元或顯示圖元陣列(可以是一行或一列顯示圖元，也可以是週期性變化或非週期變化排列的多個顯示圖元)作為光源照射到蓋板玻璃1上方的指紋後，光線將發生反射。由於照射到指紋凸紋的光線大部分被凸紋皮膚所吸收，而凹紋與蓋板玻璃1之間的空氣間隙能讓照射到凹紋的光線部分反射，因此光偵測陣列薄膜6的光敏圖元能夠接收到指紋凹、凸紋的不同亮、暗特徵，光偵測陣列薄膜6可以根據反射光信號表現出的亮暗特徵重構出指紋的凸紋與凹紋影像。
請參閱圖2，本發明的顯示螢幕為自發光二極管顯示螢幕，顧名思義，其是由自發光二極管圖元陣列所組成的顯示螢幕，如有機發光二極管顯示(OLED)螢幕、微發光二極管顯示(micro-LED)螢幕等。該顯示螢幕包括多個顯示圖元(如圖2所示，以M×N個為例)，為了便於對每個顯示圖元發出光信號的光路變化進行詳細說明，本發明將顯示螢幕上第N行第M列的顯示圖元記為Pmn ，其他顯示圖元的光路變化同理可得。為了更好地描述顯示圖元的光路變化，本發明光偵測裝置的自發光二極管顯示螢幕的厚度小於蓋板玻璃厚度的1/10，且顯示螢幕與蓋板玻璃的折射率較為接近，因而在計算光路變化時，反射光信號在顯示螢幕表面發生的變化相較於蓋板玻璃而言，可以忽略不計，以便簡化說明。
請參閱圖3，為本發明光偵測裝置的實施例的單一顯示圖元發光反射的光路變化示意圖。圖3中上方圓表示單一顯示圖元Pmn發出橫截面的半徑小於Rc 的光束的俯視圖，半徑為Rc 的光線對應到蓋板玻璃上表面的入射角為θc ，如圖3中虛線對應的位置。
由於蓋板玻璃1的折射率n2 大約為1.5，空氣折射率n1 大約為1.0，因此當第(m,n)個顯示圖元的光源以大角度向上照射時，照射到蓋板玻璃1表面入射角度θ大於θc [θc = sin-1 (n1 /n2 ) ]的光線會發生全反射。假設θc 對應到圓座標r軸的投影長度為Rc ，在以該第(m, n)個發光顯示圖元位置Pmn 為原點、且以Rc 為半徑的虛線圓外的光線，為能夠在蓋板玻璃1上表面發生全反射的光射線。當在蓋板玻璃1上表面入射角度大於θc 的光射線照射在接觸於蓋板玻璃1上表面的指紋的凸紋時，由於凸紋肌膚的折射率已經破壞了原有全反射的條件，導致相對凸紋位置的反射信號無法在蓋板玻璃1內發生全反射，使得部分反射光信號通過蓋板玻璃1下表面進入光偵測陣列薄膜6形成亮紋。相對地，由於指紋的凹紋與蓋板玻璃1之間存在空氣間隙，因此對於凹紋位置的反射光信號會維持全反射，而無法抵達光偵測陣列薄膜6而形成暗紋。
簡言之，相較於在圖3虛線圓以內的光射線，即蓋板玻璃1的上表面的入射角度大於θc 的光射線，更能作為偵測有空氣間隙的指紋凹紋區域。因此一個有效的光學式顯示螢幕下的指紋識別技術，需要以Rc 作為特徵尺寸，以有效的照光組合去照射或是掃描蓋板玻璃1上的手指部位，才可得到針對指紋影像的高敏感反射區。假設觸摸蓋板玻璃1的厚度為h，則Rc = h．tan-1 (θc )。
當顯示螢幕3上的第(m,n)個顯示圖元的光源發出的光束以大角度向上照射時，雖然照射到蓋板玻璃1的上表面的入射角度θ大於θc 的射線[θc = sin-1 (n1 /n2 )]，對間隔著空氣間隙的指紋凹紋會有較為精準的全反射，然而照射到蓋板玻璃1表面過大的入射角度，全反射回到光偵測陣列薄膜6的光傳遞路徑也越來越長，這將導致有用的光影像訊息也衰減得更加嚴重。當這一部分反射光信號到達到光偵測陣列薄膜6時，已成為不帶有可參考價值的雜訊幹擾。因此也需要定義出第(m,n)個顯示圖元作為光源照射位元於蓋板玻璃1上方的指紋時，最大可用訊息的光偵測範圍。
請參閱圖4和圖5，由於光學膠4的折射率(n3 )的折射率小於蓋板玻璃1的折射率(n2 )，因此在蓋板玻璃1的上表面發生第一全反射(以下簡稱“全反射1”)。進入光學膠4表面的光射線中，入射角度ψ大於ψc 的射線會在光學膠表面發生第二全反射(以下簡稱“全反射2”)，ψc = sin-1 (n3 /n2 )。假設ψc 對應到圓座標r軸的投影長度為Rc ’= h．tan-1 (ψc )，在以該第(m,n)個顯示圖元位置Pmn 為原點、2Rc ’為半徑的虛線圓外的光線，即為能夠在光學膠4表面發生全反射2的光射線。而對於能夠在光學膠4表面發生全反射2的光射線，相較於在以2Rc’為半徑的虛線圓以內的光射線而言，由於反射光信號路徑過長，已經不帶有具備高精度指紋訊息之光射線，因此將被折射率n3 > n2 的光學膠4以全反射2的方式過濾掉。
綜合圖4和圖5可知，對於單個顯示圖元而言，其發出的光束中能夠發生全反射1與全反射2的光束，是具備較高精度指紋訊息對應的光信號。以此為依據，可以定義出在實現螢幕下指紋識別技術時，以自發光二極管顯示螢幕3的第(m,n)個顯示圖元作為光源照射指紋後，光偵測陣列薄膜6可以採集到相對靈敏與有效指紋區域，乃是以該第(m,n)個顯示圖元位置Pmn 為原點、Rc 至2Rc ’範圍為半徑的虛線同心圓環狀帶光束區域，若投影到圓座標r方向，則是Rc > r > 2Rc ’的區域範圍，即為光偵測陣列薄膜6能夠從自發光二極管顯示螢幕3的單一顯示圖元發出的光源中取得的最適合的指紋光學訊息，具體如圖6所示。
對於大於2Rc ’區域以外的光射線，如前所述，可以採用相應折射率的光學膠4進行過濾，即使得大於2Rc ’區域以外的光射線在光學膠4表面發生全反射，而不會進入到光偵測陣列薄膜6中，進而影響到指紋訊息影像的採集。而對於小於Rc 區域的光射線，本發明是通過在光偵測陣列薄膜6上方設置光學器件5的方式進行過濾。在本實施方式中，該光學器件5可為遮光式光學器件、相位變化式光學器件或前述兩者的組合，該遮光式光學器件是選自於週期性針孔陣列、或非週期性針孔陣列，該相位變化式光學器件是選自於折射率呈週期性變化的光子晶體結構或微透鏡陣列結構、或是折射率呈非週期性變化的漫散射結構。
優選地，該針孔的形狀可以是圓孔或方孔，光學器件5可以通過編碼孔徑(coded aperture)的壓縮取樣方法得到，以指紋識別為例，指紋訊息識別僅需亮、暗兩個灰階的應用要求，通過對空間頻率的濾波設計 (在本實施例中，具體是需要過濾顯示圖元照射到蓋板玻璃表面θ>θc 以及θ>ψc 的光射線) ，將光學器件的編碼孔徑設計為具有導光功能之器件，可以實現在Rc > r > 2Rc ’區域高解析度的亮、暗光信號擷取，以及使得經過光學器件5的反射光信號以盡可能垂直方向(入射角度小於預設角度)射入光偵測陣列薄膜6。編碼孔徑(coded aperture)的壓縮取樣方法的參考文獻如下：Stephen R. Gottesman 所著“Coded apertures：past, present, and future application and design,” (Proceeding of SPIE ,Vol . 6714, 2007) ，本篇文章以簡單的一維模型說明編碼孔徑可廣泛應用在需要高解析度、廣視角的薄型光學器件的設計方法。簡言之，通過編碼孔徑(coded aperture)的壓縮取樣方法，可以根據預定的參數要求(即要求通過光學器件後過濾掉r>Rc 區域範圍的光射線)設計出相應的光學器件，具體步驟為現有技術，此處不再贅述。
在另一些具體例中，光學器件也可以採用數字全像術(holography)設計得到，通過數字全像術 (或稱計算器產生全像術)，可以根據預定的參數要求(即要求通過光學器件後過濾掉r>Rc 區域範圍的光射線)設計出相應的光學器件，具體步驟可以參考如下文獻：M. A. Seldowitz, J. P. Allebach, and D.W. Sweeney, “Synthesis ofdigital holograms by direct binary search,” Appl. Opt. 26, 2788–2798 (1987)。本篇文獻提出可以使用計算器以特定演算法設計出相應的數字全像術光學器件，進而實現具有高解析度的輸出影像。
請參閱圖8，本發明還提供了一種生理特徵偵測識別方法，該方法應用於光偵測裝置，該光偵測裝置自上而下包括一個蓋板玻璃、一個觸摸螢幕、一個自發光二極管顯示螢幕、一層光學膠、一個光學器件及一層光偵測陣列薄膜；該觸摸螢幕貼合於蓋板玻璃的下表面，該光學膠貼合於自發光二極管顯示螢幕的下表面；該光學膠的折射率小於蓋板玻璃的折射率，該自發光二極管顯示螢幕包括多個顯示圖元；該光偵測裝置還包括處理晶片；該方法包括以下步驟：
首先進入步驟S801，處理晶片在觸摸螢幕偵測到生理特徵部位的觸控信號時，發送顯示驅動信號至自發光二極管顯示螢幕。以指紋訊息識別為例，當觸摸螢幕檢測到用戶手指置於蓋板玻璃的上表面時，則觸發該觸控信號。
而後進入步驟S802，該等顯示圖元在接收到處理晶片顯示驅動信號時，發出多個光信號，該等光信號在蓋板玻璃的上表面發生反射，形成多個反射光信號。由於顯示螢幕和蓋板玻璃具有一定的透光度，因而該等顯示圖元發出的該等光信號在蓋板玻璃的上表面不僅會發生反射，也會發生透射，即直接透過蓋板玻璃的上表面進入到空氣中，而只有在蓋板玻璃的上表面發生反射的該等光信號才會最終進入到光偵測陣列薄膜時，進而形成對應的影像信號，因而本發明是針對反射光信號進行進一步篩選處理。
而後進入步驟803，該光學膠改變該等反射光信號的光路，對該等反射光信號中在光學膠的入射角大於第一臨界角的多個反射光信號進行過濾，得到多個第一反射光信號，並使得該等第一反射光信號進入光學器件。該第一臨界角為每一反射光信號能夠在光學膠表面發生全反射的臨界角。簡言之，就是通過折射率小於蓋板玻璃的光學膠，過濾光線路徑過長的光信號，即r>2Rc ’區域的光射線。
而後進入步驟S804，光學器件改變該等第一反射光信號的光路，對該等第一反射光信號中在光學器件表面的入射角小於第二臨界角的多個第一反射光信號進行過濾，得到多個第二反射光信號，並使得該等第二反射光信號以小於預設角度的入射角進入光偵測陣列薄膜。該第二臨界角為每一反射光信號能夠在蓋板玻璃上表面發生全反射的臨界角。簡言之，就是通過光學器件過濾r>Rc 區域的光射線，並使得經過光學器件的光線(光線在座標軸上對應的半徑r滿足Rc > r > 2Rc ’)盡可能垂直地射入光偵測陣列薄膜，提高光通量以便生理特徵訊息被更好地捕捉。
而後進入步驟S805，處理晶片根據光偵測陣列薄膜接收的該等第二反射光信號生成生理特徵識別影像訊息並輸出。即針對每一個顯示圖元發出的光束均擷取出滿足Rc > r > 2Rc ’區域範圍內的光束，而後再對各個顯示圖元在這一區域內的光信號進行信號疊加，重建出完整的生理特徵識別影像訊息並輸出。
在某些實施例中，該顯示螢幕包括多個顯示圖元(如M×N個)，該方法包括：處理晶片根據預設時序電信號依次驅動自發光二極管顯示螢幕上的單個顯示圖元或顯示圖元陣列發出光信號，以在蓋板玻璃的上表面形成多個光點或多個光點組合來掃描生理特徵部位，形成多個反射光信號。例如顯示螢幕上的顯示圖元第一行為P11 ，P12 … P1N ，第二行為P21 ，P22 … P2N ，以此類推，第N行為PM1 ，PM2 … PMN 。通過預設時序電信號，處理晶片可以是逐行、逐列驅動顯示螢幕上的多個顯示圖元，也可以是驅動週期性變化離散顯示圖元(如先驅動第一行P11 、P13 、P15 ，再驅動第二行P21 、P23 、P25 ，再驅動第三行P31 、P33 、P35 ，以此類推)，當然也可以依次驅動非週期變化排列的多個顯示圖元。簡言之，驅動顯示螢幕上各個顯示圖元發光的順序可以根據實際需要進行選擇。
在某些實施例中，該光偵測陣列薄膜包括多個圖元偵測區(如P×Q個)，每一圖元偵測區對應設置一圖元偵測結構，每一圖元偵測結構包括一組由一個以上薄膜電晶管所組成的圖元薄膜電路以及一光偵測單元；該光偵測單元是選自於光敏二極管或光敏電晶管。對於每一個光偵測單元而言，有以下幾種實現方式：
實施例一：
該TFT影像感測陣列薄膜（即光偵測陣列薄膜）為光敏二極管所形成的陣列，該光敏二極管所形成的陣列包括光敏二極管感應區。現有的液晶顯示(LCD)面板或有機發光二極管(OLED)顯示面板，皆是以TFT結構驅動掃描單一圖元，以實現面板上圖元陣列的顯示功能。形成TFT開關功能的主要結構為半導體場效晶體管 (FET)，其中熟知的半導體層材料主要有非晶矽、多晶矽、氧化銦鎵鋅(IGZO)、或是混有碳奈米材料之有機化合物等等。由於光偵測二極管的結構亦可採用此類半導體材料製備，且生產設備也相容於TFT陣列的生產設備，因此近年來TFT光偵測二極管(即光敏二極管)開始以TFT陣列製備方式進行生產。現有的光敏二極管的具體結構可以參考美國專利US 6943070B2、中華人民共和國專利 CN 204808361U中對光偵測陣列薄膜結構的描述。TFT影像感測陣列薄膜的生產工藝與顯示面板TFT結構不同的是：原本在顯示面板的圖元開口區域，在生產工藝上改為光感測區域。其TFT製備方式可以採用薄型玻璃為基材，亦可採用耐高溫塑性材料為基材，如美國專利US 6943070B2所述。
現有的TFT影像感測陣列薄膜易受周圍環境光或者顯示螢幕的顯示圖元所發出的可見光的反射、折射等因素影響，造成光學幹擾，嚴重影響內嵌於顯示面板下方的TFT影像感測陣列薄膜的信號雜訊比(SNR)，為了提高信號雜訊比，如圖9所示，本發明的光偵測陣列薄膜做了進一步改進，使得改進後的TFT影像感測陣列薄膜可以偵測識別用戶身體部分反射回的紅外光信號。參閱圖9，該光偵測陣列薄膜是設置在一個基板9(玻璃基材或柔性基材)上，且包括一個薄膜電晶體區域7及一個光偵測二極管區域8，該薄膜電晶體區域7包含一層閘極金屬電極71、一層第一絕緣層72、一層本質非晶矽通道層73、一個n+摻雜非晶矽(n-a-Si)的汲極源極接觸端子74、一層漏極源極金屬電極75，及一層第二絕緣層76。該光偵測二極管區域8包括一個光偵測二極管，該光偵測二極管包括該閘極金屬電極71、該第一絕緣層72、該漏極源極金屬電極75、該第二絕緣層76、一個光敏二極管層81，及一層金屬氧化物透明電極82，該光敏二極管層81的具體結構如下：
該光敏二極管層81包括自上而下堆疊設置的一層第一p型半導體層、一層第一i型半導體層、一層第一n型半導體層，一層第二p型半導體層、一層第二i型半導體層及一層第二n型半導體層，該第一及第二i型半導體層為微晶矽結構或非結晶矽化鍺結構。該微晶矽結構為矽烷與氫氣通過化學氣相沉積所形成的半導體層，微晶矽結構的結晶度大於40%，且其禁帶寬度小於1.7 eV。該非結晶矽化鍺結構為矽烷、氫氣與鍺烷通過化學氣相沉積所形成的非結晶半導體層，且其禁帶寬度小於1.7 eV。
禁帶寬度(Band gap)是指一個帶隙寬度[單位是電子伏特(eV)]，固體中電子的能量是不可以連續取值的，而是一些不連續的能帶，要導電就要有自由電子存在，自由電子存在的能帶稱為導帶(能導電)，被束縛的電子要成為自由電子，就必須獲得足夠能量從價帶躍遷到導帶，這個能量的最小值就是禁帶寬度。禁帶寬度是半導體的一個重要特徵參數，其大小主要決定於半導體的能帶結構，即與晶體結構和原子的結合性質等有關。
在室溫下(300K)，鍺的禁帶寬度約為0.66 eV，矽烷中含有鍺元素，當摻入鍺元素後，會使得i型半導體層的禁帶寬度下降，當滿足小於1.7 eV時，說明i型半導體層可以接收可見光至紅外光(或近紅外光)波長範圍內的光信號。通過調整化學氣相沉積的GeH4濃度，可以將含有非晶或微晶矽化鍺結構的光敏二極管的操作波長範圍擴展到光波長 600nm 到2000 nm 的範圍。
實施例二：
在採用實施例一的基礎上，為了提高光電轉換之量子效率，非晶矽光電二極管層也可以是具有兩個以上堆疊的p型/i型/n型結構(如第一結構層、第二結構層….所堆疊而成)。該光電二極管層的第一結構層的p型/i型/n型材料仍然為非晶矽結構，第二結構層或第二結構層以上的p型/i型/n型材料可以為微晶結構、多晶結構或是摻有可擴展光敏波長範圍之化合物材料。簡言之，可以採用多組p型/i型/n型結構上下堆疊的結構層來實現組成光敏二極管結構，對於每一個p型/i型/n型結構，則採用實施例一所描述的光敏二極管結構。
實施例三：
在採用實施例一或實施例二的基礎上，對於每一個p型/i型/n型結構而言，其所包含的p型半導體層可以為大於兩層的多層結構。例如p型半導體層為三層結構，自上而下包括第一p型半導體層(p1層)、第二p型半導體層(p2層)、第三p型半導體層(p3層)。其中，p1層可以採用非結晶結構且重摻雜硼(含硼濃度為標準工藝的兩倍以上)；p2層和p3層採用微晶結構，且正常摻雜硼(按照標準工藝濃度摻雜)，依靠厚度減薄的p2層和p3層減少對光線的吸收，使得光線盡可能多地進入i型半導體層並被i型半導體層所吸收，提高光電轉換率；另一方面，p2層和p3層採用正常的硼摻雜可以有效避免由於p1層的重摻雜所導致劣化內建電位。包括其他層數之p型半導體層的多層結構與此類似，此處不再贅述。
同樣地，n型半導體層也可以為大於兩層的多層結構。例如n型半導體層為三層結構，自上而下包括第一n型半導體層(n1層)、第二n型半導體層(n2層)、第三n型半導體層(n3層)。其中，n3層可以採用非結晶結構且重摻雜磷(含磷量為標準工藝兩倍以上)；n1層和n2層採用微晶結構，且正常摻雜磷(按照標準生產工藝)，依靠厚度減薄的n1層和n2層減少對光線的吸收，使得光線盡可能多地進入i型半導體層並被i型半導體層所吸收，提高光電轉換率；另一方面n1層和n2層採用正常的磷摻雜可以有效避免由於n3層的重摻雜導致劣化內建電位。包括其他層數之n型半導體層的多層結構與此類似，此處不再贅述。
實施例四：
TFT影像感測陣列薄膜(即光偵測陣列薄膜)包括一個光敏電晶管感應區，該光敏電晶管感應區設置有多個呈陣列排列的光敏薄膜晶體管。如圖10所示，每一個光敏薄膜晶體管包括閘極101、源極102、汲極103、絕緣層104及光吸收半導體層105；該光敏薄膜晶體管為倒立共平面式結構，該倒立共平面式結構包括：該閘極101、絕緣層104及源極102是縱向自下而上設置，該汲極103與該源極102是橫向共平面設置；絕緣層104包覆該閘極101，以使得閘極101與源極102、閘極101與汲極103之間均不接觸；源極102和汲極103之間是間隔設置，源極102和汲極103橫向之間形成光敏漏電流通道，該光吸收半導體層105設置於光敏漏電流通道內。
一般藉由閘極電壓控制TFT操作在關閉狀態時，源極到汲極之間不會有電流通過；然而當TFT受光源照射時，由於光的能量在半導體激發出電子-空穴對，TFT結構的場效應作用會使電子-空穴對分離，進而使TFT產生光敏漏電流。這樣的光敏漏電流特性讓TFT陣列可應用在光偵測裝置或光偵測技術上。相較於一般依據TFT漏電流所製作的光敏薄膜晶體管器件，本發明運用倒立共平面型場效晶體管結構，將光吸收半導體層配置於最上方吸光層，大幅增加了光電子的激發，提高了光電轉換效率。
如圖12所示，為本發明光偵測陣列薄膜的實施例四的光敏薄膜晶體管(即光偵測陣列薄膜)的製備流程，具體包括以下步驟：
首先進入步驟S1301，在圖元薄膜晶體管的基材上通過化磁控濺射鍍膜出閘極。圖元薄膜晶體管的基材可以採用硬板，也可以採用柔性材料(如聚醯亞胺)；
而後進入步驟S1302，在該閘極的上方通過化學氣相沉積或是磁控濺射鍍膜出絕緣層；
而後進入步驟S1303，在該絕緣層的上方通過化學氣相沉積鍍膜出源極和汲極的n型摻雜半導體層，並通過磁控濺射鍍膜出源極和汲極的金屬層，通過黃光蝕刻工藝定義出預設結構的源極和汲極，得到源極和汲極橫向共面，且間隔設置，並使得源極和汲極橫向之間形成光敏漏電流通道；
而後進入步驟S1304，在該光敏漏電流通道內化學氣相沉積鍍膜出光吸收半導體層。
實施例五：
以熟知的場效晶體管結構而言，作為掃描驅動與數據傳輸開關的TFT不需特別針對源極和汲極之間收集光電流的結構作設計；然而對場效晶體管應用在光敏漏電流的偵測上，如果被光線激發的電子-空穴對被場效分離後，受電場驅動的飄移(Drift)路徑太長，極有可能在光電子未能順利抵達電極之前，就已經與空穴作再結合(Recombination)，或是被光吸收半導體層本身的懸空鍵結(Dangling Bond)缺陷給捕獲，無法有效地貢獻作光偵測的光電流輸出。為了改善光敏漏電流受源極與汲極之間通道長度的影響，以達到可增加吸收光半導體面積卻不致於劣化光電轉換效率的目的，本實施例中對實施例四的源極和汲極進行一步改進，提出了一源極與汲極的新型結構。
如圖11所示，該光敏薄膜晶體管包括多個源極和多個汲極(圖11中以5個源極102及4個汲極103為例)，該等源極和該等源極之間相互並聯，該等汲極和該等汲極之間相互並聯；”該源極和汲極之間是間隔設置，源極和汲極橫向之間形成光敏漏電流通道”包括：兩相鄰的源極之間形成一個第一間隙，一個汲極置於該第一間隙內，兩相鄰的汲極之間形成一個第二間隙，一個源極置於該第二間隙內，源極和汲極之間交錯間隔設置。每一源極與相鄰的汲極之間的距離小於電子飄移距離，該電子飄移距離為電子在場效作用下能夠生存的距離。這樣，在每一個偵測圖元裡，所屬同一圖元的多個源極都相互並聯，且所屬同一圖元的多個汲極也都相互並聯，可以有效降低光激發電子與空穴再複合的機率，提高了場效應作用下電極收集光電子的成功機率，最大化地改善了TFT漏電流光敏薄膜晶體管的光敏度。
在逐步製備實施例五的光敏薄膜晶體管(即光偵測陣列薄膜)的過程，其大體步驟與製備實施例四的光敏薄膜晶體管類似。區別在於，在製備源極和汲極時，步驟S1303中“通過黃光蝕刻工藝定義出預設結構的源極和汲極，得到源極和汲極橫向共面，且間隔設置，並使得源極和汲極橫向之間形成光敏漏電流通道”包括：通過黃光蝕刻工藝定義出一個源極電極組和一個汲極電極組，每一個源極電極組包括多個源極，源極和源極之間相互並聯；每一個汲極電極組包括多個汲極，汲極和汲極之間相互並聯；兩相鄰的源極之間形成一個第一間隙，一個汲極置於該第一間隙內，兩相鄰的汲極之間形成一個第二間隙，一個源極置於該第二間隙內，源極和汲極之間交錯間隔設置。
在某些實施例中，該光偵測陣列薄膜用於接收偵測觸發信號，處於光偵測狀態，並接收偵測部位(如指紋、眼球、虹膜等)反射的光信號以捕捉用戶的偵測部位訊息；以及用於接收光源觸發信號，處於發出光源(如紅外光源)狀態。優選地，光源觸發信號與偵測觸發信號交替切換，並符合一預設頻率。以光偵測陣列薄膜為光敏二極管所形成的陣列為例，在實際應用過程中，可藉由TFT作掃描驅動外加一偏壓(包括正向偏壓，或零偏壓或負偏壓)在p型/i型/n型光電二極管之間，實現TFT影像感測陣列薄膜發出紅外光功能。
具體地，可交替在p型/i型/ n型紅外光敏二極管之間施加正向偏壓，或零偏壓或負偏壓，以觸發該第一觸發信號或第二觸發信號。以紅外光敏二極管所形成的陣列有10列圖元點陣為例，在第一週期內對p型/i型/n型紅外光敏二極管施加正向偏壓，使得10列圖元點陣均處於發出紅外光狀態；在第二週期內對p型/i型/n型紅外光敏二極管施加零偏壓或負偏壓，使得10列圖元點陣均處於紅外光偵測狀態，用於捕捉用戶眼球反射回的紅外光訊息，並生成相應的紅外圖像輸出；在第三週期內又對p型/i型/n型紅外光敏二極管施加正向偏壓，使得10列圖元點陣均處於發出紅外光狀態，反復交替，以此類推。進一步地，光源觸發信號(即第一觸發信號)與偵測觸發信號(即第二觸發信號)交替切換，切換的頻率符合一預設頻率。相鄰的週期之間的時間間隔可以根據實際需要而設置，優選時間間隔可以設置為TFT陣列驅動掃描每一幀 (Frame) 紅外光敏二極管陣列至少能接收到一幀完整的影像訊號所需的時間，即預設頻率為每經過上述時間間隔進行一次切換。
在某些實施例中，該顯示單元上設置有光偵測感應區，該光偵測感應區包括多個光偵測感應子區域，每一光偵測感應子區域的下方對應設置一個光偵測陣列薄膜。該裝置還包括存儲介質，該存儲介質存儲有計算機程式。以指紋識別為例，該計算機程式被處理器執行時實現以下步驟：接收到對指紋識別子區域(即光偵測感應子區域)的啟動指令，偵測控制電路開啟該指紋識別子區域(即光偵測感應子區域)的下方的光偵測陣列薄膜；或者，接收到對指紋識別子區域的關閉指令，偵測控制電路開啟該指紋識別子區域的下方的光偵測陣列薄膜。
以指紋識別子區域的數量為兩個為例，兩個指紋識別子區域可以一上一下或一左一右均勻分佈於螢幕中，也可以其他排列方式分佈於螢幕中。下面對具有兩個指紋識別子區域的終端的應用過程做具體說明：在使用過程中，接收用戶觸發的啟動信號，將兩個指紋識別子區域下方的光偵測陣列薄膜(即光偵測陣列薄膜)都設置成開啟狀態。優選的實施例中，兩個指紋識別子區域構成的範圍覆蓋了整個顯示螢幕，這樣可以保證當兩個指紋識別子區域下方的光偵測陣列薄膜都設置成開啟狀態時，進入顯示螢幕的光信號可以被下方的TFT影像感測陣列薄膜(即光偵測陣列薄膜)所吸收，從而即時捕捉到用戶的指紋訊息或身體部分訊息。當然，用戶也可以根據自身喜好，設置某一個指紋識別子區域下方的光偵測陣列薄膜開啟，另一個指紋識別子區域下方的光偵測陣列薄膜關閉。
綜上所述，本發明光偵測裝置通過設計的光學膠和光學器件，篩選出各個顯示圖元對應的有效區域範圍內的反射光，而後再通過處理晶片對各個顯示圖元有效區域範圍內的光信號進行疊加，從而重建出完整的生理特徵識別影像。由於有效區域範圍內的反射光信號最能反應生理特徵的紋路訊息(如指紋凸紋和凹紋對應形成的亮紋、暗紋)，因而重建出生理特徵影像更加準確，有效提升了生理特徵識別精準度，故確實能達成本發明之目的。
惟以上所述者，僅為本發明之實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，凡是依本發明申請專利範圍及專利說明書內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。
1:蓋板玻璃 2:觸摸螢幕 3:自發光二極體顯示螢幕 31:顯示圖元 4:光學膠 5:光學器件 6:光偵測陣列薄膜 7:薄膜電晶體區域 71:閘極金屬電極 72:第一絕緣層 73:本質非晶矽通道層 74:汲極源極接觸端子 75:漏極源極金屬電極 76:第二絕緣層 8:光偵測二極管區域 81:光敏二極管層 82:金屬氧化物透明電極 9:基板 10:蓋板玻璃 20:觸摸螢幕 30:自發光二極體顯示螢幕 301:顯示圖元 40:光偵測陣列薄膜 101:閘極 102:源極 103:汲極 104:絕緣層 105:光吸收半導體層
本發明之其他的特徵及功效，將於參照圖式的實施方式中清楚地呈現，其中： 圖1為一示意圖，說明已知觸摸顯示螢幕的結構； 圖2為一示意圖，說明本發明光偵測裝置的一具體例的自發光二極管顯示螢幕的顯示圖元排列； 圖3為一示意圖，說明本發明光偵測裝置的一具體例的單一顯示圖元發光反射的光路變化； 圖4為一示意圖，說明本發明光偵測裝置的一具體例於設置光學膠後的單一顯示圖元發光反射的光路變化； 圖5為一示意圖，說明本發明光偵測裝置的一具體例於設置光學膠和光學器件後的單一顯示圖元發光反射的光路變化； 圖6為一示意圖，說明本發明光偵測裝置的一具體例的單一顯示圖元對應的有效發光區域； 圖7為一示意圖，說明本發明光偵測裝置的一具體例的結構； 圖8為一流程圖，說明本發明生理特徵偵測識別方法的一具體例的流程； 圖9為一示意圖，說明本發明光偵測裝置的光偵測陣列薄膜的實施例一的結構； 圖10為一示意圖，說明本發明光偵測裝置的光偵測陣列薄膜的實施例四中的光敏薄膜晶體管的結構； 圖11為一示意圖，說明本發明光偵測裝置的光偵測陣列薄膜的實施例四中的源極和汲極的結構；及 圖12為一流程圖，說明本發明光偵測裝置的光偵測陣列薄膜的實施例四中的光敏薄膜晶體管的製備流程。
1:蓋板玻璃
2:觸摸螢幕
3:自發光二極管顯示螢幕
31:顯示圖元
4:光學膠
5:光學器件
6:光偵測陣列薄膜

Claims (21)

  1. 一種光偵測陣列薄膜，包含一光偵測單元，且該光偵測單元包括光敏二極管或光敏電晶管，其中， 該光敏二極管包括至少一組半導體結構層，該至少一組半導體結構層具有自上而下堆疊設置的一層第一p型半導體層、一層第一i型半導體層、一層第一n型半導體層、一層第二p型半導體層、一層第二i型半導體層，及一層第二n型半導體層，該第一i型及第二i型半導體層選自禁帶寬度在預設範圍內的材料；以及 該光敏電晶管包括閘極、絕緣層、至少一個源極、至少一個汲極，及光吸收半導體層，該閘極、該絕緣層與該至少一個源極為縱向自下而上設置，該絕緣層包覆該閘極，該至少一個汲極與該至少一個源極橫向共平面設置於該絕緣層上，以使得該閘極、該至少一個源極與該至少一個汲極均不接觸，該光吸收半導體層設置於該絕緣層上，並介於該至少一個源極與至少一個汲極之間。
  2. 如請求項1所述的光偵測陣列薄膜，其中，該第一i型及第二i型半導體層選自結晶度在預設範圍內的微晶矽結構或非結晶矽化鍺結構，及/或該第一i型及第二i型半導體層的禁帶寬度滿足：該第一i型及第二i型半導體層可以接收可見光至紅外光或近紅外光波長範圍內的光信號。
  3. 如請求項1所述的光偵測陣列薄膜，其中，該光敏二極管具有多組堆疊而成的半導體結構層，第一組半導體結構層為非晶矽結構，該第二組及第二組以上的半導體結構層選自微晶結構或多晶結構。
  4. 如請求項3所述的光偵測陣列薄膜，其中，該微晶結構或該多晶結構具有可擴展光敏波長範圍的化合物材料。
  5. 如請求項1至4其中任一項所述的光偵測陣列薄膜，其中，該半導體結構層具有自上而下堆疊設置的一層第一p型半導體層、一層第一i型半導體層、一層第一n型半導體層、一層第二p型半導體層、一層第二i型半導體層、一層第二n型半導體層、一層第三p型半導體層、一層第三i型半導體層，及一層第三n型半導體層。
  6. 如請求項5所述的光偵測陣列薄膜，該第三i型半導體層為選自結晶度在預設範圍內的微晶矽結構，或非結晶矽化鍺結構；及/或，該第三i型半導體層的禁帶寬度滿足：該第三i型半導體層可以接收可見光至紅外光波長範圍內的光信號。
  7. 如請求項5所述的光偵測陣列薄膜，其中，該第一p型半導體層具有非結晶結構且重摻雜硼，該第二p型半導體層及第三p型半導體層為微晶結構，且正常摻雜磷硼。
  8. 如請求項5所述的光偵測陣列薄膜，其中，該第三n型半導體層具有非結晶結構且重摻雜磷，該第一n型半導體層及第二n型半導體層為微晶結構，且正常摻雜磷。
  9. 如請求項1所述的光偵測陣列薄膜，其中，該光敏電晶管包括多個源極和多個汲極，該等源極與該等汲極彼此成一間隙交錯設置，且該等源極之間相互並聯，該等汲極之間相互並聯。
  10. 如請求項7所述的光偵測陣列薄膜，其中，任一源極與相鄰的汲極之間的距離小於電子飄移距離。
  11. 一種光偵測陣列薄膜的製作方法，該光偵測陣列薄膜包含多個呈陣列分佈的光敏電晶管，該製作方法包含： 於一基材上形成一閘極； 形成一覆蓋該閘極的絕緣層； 於該絕緣層上形成一n型摻雜半導體層； 於該n型摻雜半導體層上形成一金屬層； 利用黃光蝕刻移除部分的該n型摻雜半導體層及對應的金屬層至令該絕緣層表面露出，得到彼此間隔且橫向共平面的至少一源極、至少一汲極，及各自對應位於該至少一源極和至少一汲極上的電極:及 於該至少一源極及至少一汲極之間露出的該絕緣層的表面形成一光吸收半導體層，以得到該光敏電晶管。
  12. 如請求項11所述的製作方法，其中，該黃光蝕刻是定義出多個源極和多個汲極，該等源極彼此並聯，該等汲極彼此並聯，且該等源極和汲極彼此間隔交錯排列。
  13. 如請求項11所述的製作方法，其中，該閘極是利用磁控濺鍍方式形成，該絕緣層是利用化學氣相沉積或磁控濺鍍方式形成於該閘極，該n型摻雜半導體層是利用化學氣相沉積方式形成，該金屬層是利用磁控濺鍍方式形成，且該光吸收半導體層是利用化學氣相沉積方式形成。
  14. 一種光偵測陣列薄膜的驅動方法，其中，該光偵測陣列薄膜的結構如請求項1所述，該驅動方法包含利用時序交替地對該光偵測陣列薄膜進行觸發，以使該光偵測陣列薄膜可被觸發，而處於光偵測狀態或發出光源狀態，其中，該光偵測狀態是用於接收偵測觸發信號，該發出光源狀態是用於接收光源觸發信號。
  15. 如請求項述的驅動方法，其中，該光偵測狀態是可接收自偵測部位反射的光信號，該發出光源狀態是可用於發出光源。
  16. 如請求項14所述的驅動方法，其中，該偵測觸發信號及光源觸發信號交替切換，且符合一預設頻率。
  17. 如請求項14~16其中任一項所述的驅動方法，其中，該光偵測陣列薄膜包含多個圖元偵測結構，每一個圖元偵測結構包括一組由一個以上薄膜電晶管所組成的圖元薄膜電路，以及一光偵測單元，該光偵測單元具有如請求項1所述的光敏二極管，該訊號處理方法是利用時序交替地對該光敏二極管加正向偏壓、零偏壓或負偏壓，以觸發該光敏二極管處於可發光的發出光源狀態，及一可用於接收入射光的光偵測狀態，
  18. 如請求項17所述的驅動方法，其中，該光敏二極管為可發出並偵測紅外光的紅外光光敏二極管。
  19. 如請求項18所述的驅動方法，其中，是利用週期性交替切換方式觸發該光偵測陣列薄膜，以令該光偵測陣列薄膜以第一週期及第二週期交互替換，於該第一週期時，對該光敏二極管加正向偏壓，令該光敏二極管發出紅外光而處於發出光源狀態，於該第二週期時，對該光敏二極管施加零偏壓或負偏壓，令該光敏二極管處於紅外光偵測狀態，以用於接收入射的紅外光訊息。
  20. 一種感測顯示裝置的驅動方法，包含一顯示裝置、及多個如請求項1所述的光偵測陣列薄膜，其中，該顯示裝置設置有光偵測感應區，該光偵測感應區包括多個光偵測感應子區域，每一光偵測感應子區域的下方對應設置一個該光偵測陣列薄膜，該驅動方法包含，當該顯示裝置接收到光偵測感應子區域的啟動或關閉指令時，即開啟或關閉對應該光偵測感應子區域的光偵測陣列薄膜。
  21. 如請求項20所述的驅動方法，其中，該顯示裝置還具有一與該光偵測陣列薄膜電連接的偵測控制電路，以及存儲有計算機程式的存儲介質，當該顯示裝置的偵測控制電路接收到光偵測感應子區域的啟動或關閉指令時，即藉由該控制電路開啟或關閉對應該光偵測感應子區域的光偵測陣列薄膜。
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