一種紫外圖像傳感器的像素單元結構及其製備方法
2023-05-01 22:19:46
專利名稱：一種紫外圖像傳感器的像素單元結構及其製備方法
技術領域：
本發明是關於固體圖像傳感技術，具體涉及一種紫外圖像傳感器的像素單元結構及其 製備方法。
背景技術：
紫外探測技術廣泛應用於軍事和民用兩個方面。其應用主要包括白天弱光源條件下的 災害報警，有機汙染的航空遙感監測，高能物理研究及其空間探測，衛星紫外通訊，軍事 上的光電對抗和紅外/紫外雙波段制導等。高靈敏紫外探測目前一般採用對紫外敏感的光 電倍增管和類似的真空器件，以及以紫外增強型矽光電二極體為代表的固體圖像傳感器。 與固體圖像傳感器相比，真空器件存在體積大、工作電壓高等缺點；而矽器件則對可見光 響應靈敏，應用範圍受到限制。隨著對寬禁帶半導體材料研究的深入，人們開始考慮採用 對可見光響應極小的寬禁帶半導體材料製備本徵型紫外光電傳感器。
Zn0 (氧化鋅)是一種寬禁帶的金屬氧化物半導體材料，禁帶寬度為3.37eV，激子結合 能達60mV。與GaN和SiC等其它寬禁帶半導體相比，ZnO薄膜在紫外區具有更高的光電導特 性，更好的化學和熱穩定性，較低的電子誘生缺陷等優勢。這些都有利於製作高性能的紫 外傳感器。而且，ZnO原材料豐富，成膜容易，因此ZnO基紫外圖像傳感器的研究逐漸成為 近年來紫外傳感器研究的熱點。
目前紫外圖像傳感器的像素結構主要有金屬一半導體一金屬(MSM)結構和P—N結型 結構。其中，MSM結構又分為光電導型和肖特基型結構；PN結型結構主要為異質pn結型
和同質pn結型結構。上述紫外圖像傳感器像素的光電轉化器件均為二極體結構，其靈敏 度和解析度都十分有限。
發明內容
本發明克服了現有技術中的不足，提供了一種高靈敏度和高解析度的紫外圖像傳感器 的像素單元結構，以及該傳感器像素單元的製備方法。
本發明的技術方案是
一種紫外圖像傳感器的像素單元結構，其特徵在於，包括一襯底，在襯底上集成兩個 薄膜電晶體，其中， 一個薄膜電晶體為驅動電晶體，該驅動電晶體包括柵電極、柵介質、有源層、源/漏電極、遮光層和鈍化層；另一個薄膜電晶體為探測電晶體，該探測電晶體包 括柵電極、柵介質、有源層、源/漏電極和鈍化層。所述驅動電晶體的柵電極與圖像傳感器 的行掃描線相連，所述驅動電晶體的漏電極與圖像傳感器的列數據線相連，所述探測晶體 管的漏電極與所述驅動電晶體的源電極相連，所述探測電晶體的源電極接地或接到下一行 的掃描線，所述探測電晶體的柵電極接地或偏置。所述探測電晶體的有源層為寬禁帶半導體材料，禁帶寬度大於3eV。所述驅動電晶體和探測電晶體的柵介質為氮化矽或氧化矽或金屬氧化物薄膜。 所述驅動電晶體和探測電晶體可採用背柵結構，也可以採用頂柵結構，如採用頂柵結 構，其襯底為透紫外光的材料。針對驅動電晶體和探測電晶體採用背柵結構，像素單元結構的製備方法包括1) 在襯底上澱積一層導電薄膜，然後光刻和刻蝕形成圖像傳感器的行掃描線，以及驅 動電晶體和探測電晶體的柵電極；2) 澱積一層絕緣介質膜作為驅動電晶體和探測電晶體的柵介質；3) 生長一層寬禁帶半導體薄膜，然後形成驅動電晶體和探測電晶體的有源區；4) 光刻和刻蝕柵介質層，在與圖像傳感器的行掃描線對應位置上形成接觸孔；5) 光刻後濺射一層導電薄膜，然後採用剝離技術形成列數據線、驅動電晶體的源電極 和探測電晶體的源電極，該數據線的一部分成為驅動電晶體的漏電極，探測電晶體的源電 極和圖像傳感器的行掃描線通過接觸孔相連；6) 澱積一層鈍化層；7) 澱積一層金屬薄膜，並光刻和刻蝕在位於驅動電晶體的有源區的上方形成遮光層。 針對驅動電晶體和探測電晶體採用頂柵結構，像素單元結構的製備方法包括1) 在襯底上澱積一層金屬薄膜，然後光刻和刻蝕形成驅動電晶體的遮光層；2) 澱積一層絕緣介質膜作為遮光層的隔離層；3) 澱積一層金屬導電薄膜，然後光刻和刻蝕形成圖像傳感器的列數據線，該數據線的 一部分成為驅動電晶體的漏電極、驅動電晶體的源電極、探測電晶體的漏電極和探測晶體 管的源電極；4) 生長一層寬禁帶半導體薄膜，然後光刻和刻蝕形成驅動電晶體和探測電晶體的有源區；5) 澱積一層絕緣介質膜作為驅動電晶體和探測電晶體的柵介質；6) 光刻和刻蝕柵介質，在與探測電晶體源極相對應的位置上形成和下一行掃描線接觸的通孔；7)澱積一層金屬薄膜，然後光刻和刻蝕形成圖像傳感器的行掃描線，以及驅動電晶體 和探測電晶體的柵電極，探測電晶體的源電極和下一行掃描線通過上述通孔相連。上述襯底可以是玻璃片、矽片、陶瓷或其它固體片狀支撐體。 所述寬禁帶半導體材料的禁帶寬度大於3eV。 所述柵介質為氮化矽、氧化矽或絕緣的金屬氧化物。 與現有技術相比，本發明的有益效果是本發明紫外傳感器的像素單元採用了具有信號放大功能的三極體結構，使傳感器具有 更高的靈敏度。且採用寬禁帶的半導體薄膜電晶體，而不是傳統的單晶半導體器件，使紫 外圖像傳感器的製作具有更大的靈活性和更低的成本。此外，本發明的像素傳感器還含有 一驅動電晶體，該電晶體使得每個像素單元的信號可獨立讀出，從而簡化了讀出電路，也 顯著提高紫外圖像傳感器的解析度。
圖1是紫外圖像傳感器像素陣列(4X4)的平面示意圖； 圖2.1~2.5是驅動電晶體和探測電晶體採用背柵結構時的加工工藝示意圖； 圖2.1(a)是行掃描線和柵電極形成的工藝步驟圖，圖2.1(b)是圖2.1(a)的剖視圖； 圖2.2(a)是柵介質澱積和有源層形成的工藝步驟圖，圖2.2(b)是圖2.2(a)的剖視圖； 圖2.3(a)是探測電晶體源電極與掃描線接觸孔形成的工藝步驟圖，圖2.3(b)是圖2.3(a) 的剖視圖；圖2.4(a)是列數據線和電晶體源漏電極形成的工藝步驟圖，圖2.4(b)是圖2.4(a)的剖視圖；圖2.5(a)是鈍化層和遮光層形成的工藝步驟圖，圖2.5(b)是圖2.5(a)的剖視圖； 圖3.1~3.5是驅動電晶體和探測電晶體採用頂柵結構時的加工工藝示意圖； 圖3.1(a)是驅動電晶體的遮光層及其絕緣層形成的工藝步驟圖，圖3.1(b)是圖3.1(a)的 剖視圖；圖3.2(a)是列數據線和電晶體源漏電極形成的工藝步驟圖，圖3.2(b)是圖3.2(a)的剖視圖；圖3.3(a)是電晶體有源層形成的工藝步驟圖，圖3.3(b)是圖3.3(a)的剖視圖；圖3.4(a)是電晶體柵介質和探測管源電極與下一行掃描線的接觸孔形成的工藝步驟圖，圖3.4(b)是圖3.4(a)的剖視圖；圖3.5(a)是行掃描線和電晶體柵電極形成的工藝步驟圖，圖3.5(b)是圖3.5(a)的剖視圖。
具體實施方式
下面結合附圖和具體實施方式
對本發明作進一步詳細描述 採用本發明的紫外圖像傳感器像素陣列部分的等效電路如圖l所示，包含行掃描線、列數據線、驅動電晶體T1和紫外探測電晶體T2。行掃描線平行分布，列數據線平行分布， 行掃描線與列數據線垂直交叉，交叉處掃描線和數據線由絕緣層隔離。掃描線與數據線圍 成的每一個矩形區域為像素區域。每一個像素由一個驅動電晶體Tl和一個探測電晶體T2 構成。驅動電晶體Tl的柵電極與相應掃描線相連，漏電極與相應數據線相連。探測晶體 管T2的柵電極與源電極相連共同接地、漏電極與驅動電晶體T1的源電極相連。探測晶體 管T2的柵電極與源電極接地的方式有兩種。 一種是如圖1所示的那樣，接到下一行的掃 描線上，另一種是接到專門設置的接地電極。圖像探測陣列形成於一剛性襯底，襯底材料 可以是玻璃片、矽片、陶瓷或其它可用材料。行掃描線和列數據線以及公共接地線為金屬或其它導電薄膜構成的布線。 探測薄膜電晶體T2的有源層為寬禁帶半導體材料，禁帶寬度大於3eV。探測薄膜晶 體管T2的器件結構為底(背)柵或頂柵結構。驅動薄膜電晶體T1的有源層不必為寬禁帶半導體材料，但考慮到製造的簡單性，可 與T2採用相同的有源層材料。驅動薄膜電晶體T1的器件結構可為底(背)柵結構也可為 頂柵結構，但考慮到製造的簡單性，可與T2採用相同的柵結構。此時，Tl需添加一遮光 層。每一個像素單元由一個驅動電晶體T1和探測電晶體T2組成。當某一掃描線為高電平 (其它均為底電平)時，該行的像素被選通。此時與該掃描線相連的驅動電晶體T1導通， 如相應數據線上給定一電位，則該數據線上的電流為流過T1和T2的電流。由於T2的柵 電極和源端處於零偏置狀態，即T2處於關態，故數據線上電流由T2的關態電流決定，暗 態下很小。同一數據線上其它非選通像素的Tl處於關態，對數據線電流的貢獻很小可忽 略。當有光照射時，選通像素的探測電晶體的關態電流與照射光的性質有關。由於該探測 電晶體的有源層為寬禁帶半導體材料，該關態電流對可見光不靈敏，主要對紫外光有響應。 因此該關態電流直接取決於入射紫外光的強度。這樣通過讀出此時數據線的電流，就得到 相應像素點的紫外線的強度。當一行的像素信息讀完後，掃描線變為低電平時，下一行為高電平，成為選通行，重複上述過程，直到所有行像素的信息被全部讀出，在顯示器上形 成一幅紫外光強度分布圖像。本發明的電晶體為背柵結構的紫外圖像傳感器的像素單元製作方法的一具體實施例， 包括圖2.1至圖2.5:(1) 採用玻璃片為襯底1，厚度為0.5~1 mm。(2) 如圖2.1所示，在玻璃襯底1上採用濺射方法澱積一層50 nm 150 nm的金屬鋁膜， 然後光刻和刻蝕形成行掃描線2、相鄰下一行掃描線3、驅動電晶體的柵電極2'和探測晶 體管的柵電極3'。(3) 採用濺射方法澱積一層50nm 200nm的氧化鉿介質10，作為驅動和探測電晶體 的柵介質。(4) 如圖2.2所示，採用射頻磁控濺射方法澱積一層20 nm 150 nm的MgxZn^"0 (— 種寬禁帶的金屬氧化物半導體，x=0 0.35)，然後光刻和刻蝕形成驅動和探測電晶體的有 源區4。(5) 如圖2.3所示，光刻和刻蝕氧化鉿介質，在掃描線3上形成接觸孔5。掃描線2上 相同位置也應同時形成一接觸孔與上側相鄰像素對應，因屬上一像素的接觸孔，故圖中並 未畫出。(6) 如圖2.4所示，光刻形成光刻膠圖形，然後帶膠濺射金屬鋁膜並剝離形成列數據線 6 (該數據線的一部分覆蓋有源區，成為驅動電晶體的漏電極)、驅動電晶體的源電極和 探測電晶體的漏電極7和探測電晶體的源電極8。 8和3通過接觸孔5相連。(7) 如圖2.5所示，採用磁控濺射方法澱積一層200 500nm的SiN鈍化層9。接著採 用磁控濺射方法澱積一層20 100nm的金屬鋁，並光刻和刻蝕在驅動電晶體的有源區上方 形成遮光層20。本發明的電晶體為頂柵結構的圖像傳感器的像素單元製作方法的一具體實施例，包括 圖3.1至圖3.5:(1) 採用透紫外光的玻璃片為襯底1，厚度為0.5~1 mm。(2) 如圖3.1所示，在玻璃襯底1上採用濺射方法澱積一層20 nm的金屬鋁膜，然後光 刻和刻蝕形成驅動電晶體的遮光層32。然後PECVD澱積一層100 nm的氮化矽薄膜33。(3) 如圖3.2所示，磁控濺射澱積一層100 nm的金屬Al薄膜，然後光刻和刻蝕形成列 數據線34 (該數據線的一部分成為驅動電晶體的漏電極)、驅動電晶體的源電極35 (探 測電晶體的漏電極)和探測電晶體的源 極36。(4) 如圖3.3所示，採用磁控濺射方法澱積一層20 nm 100 nm的MgxZrid-x)O (—種寬 禁帶的金屬氧化物半導體，x二0 0.35)薄膜，光刻和刻蝕形成電晶體的有源區37。
(5) 如圖3.4所示，採用射頻磁控濺射方法澱積一層50nm 150nm的氧化鉿38，作 為驅動和探測電晶體的柵介質，然後光刻和刻蝕形成探測電晶體源極與下一行掃描線間的 通孔39。
(6) 如圖3.5所示，澱積一層100 200nm的金屬Al薄膜，然後光刻和刻蝕形成行掃 描線和驅動電晶體柵電極40、下一行掃描和探測電晶體的柵電極41。探測電晶體的源電 極36和掃描線41通過接觸孔39相連。
以上通過詳細實施例描述了本發明所提供的紫外圖像傳感器的像素單元結構及其制 備方法，本領域的技術人員應當理解，在不脫離本發明實質的範圍內，可以對本發明做一 定的變形或修改；其製備方法也不限於實施例中所公開的內容。
權利要求
1、一種紫外圖像傳感器的像素單元結構，其特徵在於，包括一襯底，在襯底上集成兩個薄膜電晶體，其中，一個薄膜電晶體為驅動電晶體，該驅動電晶體包括柵電極、柵介質、有源層、源/漏電極、遮光層和鈍化層；另一個薄膜電晶體為探測電晶體，該探測電晶體包括柵電極、柵介質、有源層、源/漏電極和鈍化層，所述驅動電晶體的柵電極與圖像傳感器的行掃描線相連，所述驅動電晶體的漏電極與圖像傳感器的列數據線相連，所述探測電晶體的漏電極與所述驅動電晶體的源電極相連，所述探測電晶體的源電極接地或接到下一行的行掃描線，所述探測電晶體的柵電極接地或偏置。
2、 如權利要求1所述的像素單元結構，其特徵在於，所述探測電晶體的有源層為寬 禁帶半導體材料，禁帶寬度大於3eV。
3、 如權利要求1或2所述的像素單元結構，其特徵在於，所述驅動電晶體和探測晶 體管的柵介質為氮化矽、氧化矽或絕緣的金屬氧化物。
4、 如權利要求1所述的像素單元結構，其特徵在於，所述驅動電晶體和探測電晶體採 用背柵結構。
5、 如權利要求1所述的像素單元結構，其特徵在於，所述驅動電晶體和探測電晶體採 用頂柵結構，其襯底為透紫外光的材料。
6、 一種紫外圖像傳感器的像素單元的製備方法，其步驟包括1) 在襯底上澱積一層導電薄膜，然後光刻和刻蝕形成圖像傳感器的行掃描線，以及驅 動電晶體的柵電極和探測電晶體的柵電極；2) 澱積一層絕緣介質膜作為驅動電晶體和探測電晶體的柵介質；3) 生長一層寬禁帶半導體薄膜，形成驅動電晶體和探測電晶體的有源區；4) 光刻和刻蝕柵介質層，在與圖像傳感器的行掃描線對應位置上形成接觸孔；5) 濺射一層導電薄膜，然後採用剝離技術形成圖像傳感器的列數據線、驅動電晶體的 源電極和探測電晶體的源電極，其中，所述數據線的一部分成為驅動電晶體的漏電極，探 測電晶體的源電極和圖像傳感器的行掃描線通過上述接觸孔相連；6) 澱積一層鈍化層；7) 澱積一層金屬薄膜，光刻和刻蝕在位於驅動電晶體的有源區的上方形成遮光層。
7、 一種紫外圖像傳感器的像素單元的製備方法，其步驟包括1) 在襯底上澱積一層金屬薄膜，然後光刻和刻蝕形成驅動電晶體的遮光層；2) 澱積一層絕緣介質膜作為遮光層的隔離層；3) 澱積一層金屬導電薄膜，然後光刻和刻蝕形成圖像傳感器的列數據線，該數據線的一部分成為驅動電晶體的漏電極、驅動電晶體的源電極、探測電晶體的漏電極和探測晶體 管的源電極；4) 生長一層寬禁帶半導體薄膜，然後光刻和刻蝕形成驅動電晶體和探測電晶體的有源區；5) 澱積一層絕緣介質膜作為驅動電晶體和探測電晶體的柵介質；6) 光刻和刻蝕柵介質，在與探測電晶體源極相對應的位置上形成和圖像傳感器的下一 行掃描線接觸的通孔；7) 澱積一層金屬薄膜，然後光刻和刻蝕形成圖像傳感器的行掃描線，以及驅動電晶體 和探測電晶體的柵電極，其中，探測電晶體的源電極和圖像傳感器的下一行掃描線通過上述通孔相連。
8、 如權利要求6或7所述的製備方法，其特徵在於，所述襯底是玻璃片、矽片、陶 瓷或其它固體片狀支撐體。
9、 如權利要求6或7所述的製備方法，其特徵在於，所述寬禁帶半導體材料的禁帶 寬度大於3eV。
10、 如權利要求6或7所述的製備方法，其特徵在於，所述柵介質為氮化矽、氧化矽 或絕緣的金屬氧化物。
全文摘要
本發明公開了一種紫外圖像傳感器的像素單元及其製備方法。該傳感器像素單元包括一襯底，在襯底上集成兩個薄膜電晶體，一個薄膜電晶體為驅動電晶體，包括柵電極、柵介質、有源層、源/漏電極、遮光層和鈍化層；另一個薄膜電晶體為探測電晶體，該探測電晶體包括柵電極、柵介質、有源層、源/漏電極和鈍化層。驅動電晶體的柵電極與圖像傳感器的行掃描線相連，驅動電晶體的漏電極與圖像傳感器的列數據線相連；探測電晶體的漏電極與驅動電晶體的源電極相連，探測電晶體的源電極接地或接到下一行的行掃描線，探測電晶體的柵電極接地或偏置。本發明不同於傳統的單晶半導體器件，具有更強的靈活性和更低的成本，其解析度和靈敏度得到顯著提高。
文檔編號H01L27/146GK101661944SQ20081011887
公開日2010年3月3日 申請日期2008年8月26日 優先權日2008年8月26日
發明者張盛東, 漪 王, 金玉豐 申請人:北京大學