CN101661944A

CN101661944A - 一种紫外图像传感器的像素单元结构及其制备方法

Info

Publication number: CN101661944A
Application number: CN200810118876A
Authority: CN
Inventors: 张盛东; 王漪; 金玉丰
Original assignee: Peking University
Current assignee: Peking University
Priority date: 2008-08-26
Filing date: 2008-08-26
Publication date: 2010-03-03
Anticipated expiration: 2028-08-26
Also published as: CN101661944B

Abstract

本发明公开了一种紫外图像传感器的像素单元及其制备方法。该传感器像素单元包括一衬底，在衬底上集成两个薄膜晶体管，一个薄膜晶体管为驱动晶体管，包括栅电极、栅介质、有源层、源/漏电极、遮光层和钝化层；另一个薄膜晶体管为探测晶体管，该探测晶体管包括栅电极、栅介质、有源层、源/漏电极和钝化层。驱动晶体管的栅电极与图像传感器的行扫描线相连，驱动晶体管的漏电极与图像传感器的列数据线相连；探测晶体管的漏电极与驱动晶体管的源电极相连，探测晶体管的源电极接地或接到下一行的行扫描线，探测晶体管的栅电极接地或偏置。本发明不同于传统的单晶半导体器件，具有更强的灵活性和更低的成本，其分辨率和灵敏度得到显著提高。

Description

一种紫外图像传感器的像素单元结构及其制备方法

技术领域

本发明是关于固体图像传感技术，具体涉及一种紫外图像传感器的像素单元结构及其制备方法。

背景技术

紫外探测技术广泛应用于军事和民用两个方面。其应用主要包括白天弱光源条件下的灾害报警，有机污染的航空遥感监测，高能物理研究及其空间探测，卫星紫外通讯，军事上的光电对抗和红外/紫外双波段制导等。高灵敏紫外探测目前一般采用对紫外敏感的光电倍增管和类似的真空器件，以及以紫外增强型硅光电二极管为代表的固体图像传感器。与固体图像传感器相比，真空器件存在体积大、工作电压高等缺点；而硅器件则对可见光响应灵敏，应用范围受到限制。随着对宽禁带半导体材料研究的深入，人们开始考虑采用对可见光响应极小的宽禁带半导体材料制备本征型紫外光电传感器。

ZnO(氧化锌)是一种宽禁带的金属氧化物半导体材料，禁带宽度为3.37eV，激子结合能达60mV。与GaN和SiC等其它宽禁带半导体相比，ZnO薄膜在紫外区具有更高的光电导特性，更好的化学和热稳定性，较低的电子诱生缺陷等优势。这些都有利于制作高性能的紫外传感器。而且，ZnO原材料丰富，成膜容易，因此ZnO基紫外图像传感器的研究逐渐成为近年来紫外传感器研究的热点。

目前紫外图像传感器的像素结构主要有金属一半导体一金属(MSM)结构和P-N结型结构。其中，MSM结构又分为光电导型和肖特基型结构；PN结型结构主要为异质pn结型和同质pn结型结构。上述紫外图像传感器像素的光电转化器件均为二极管结构，其灵敏度和分辨率都十分有限。

发明内容

本发明克服了现有技术中的不足，提供了一种高灵敏度和高分辨率的紫外图像传感器的像素单元结构，以及该传感器像素单元的制备方法。

本发明的技术方案是：

一种紫外图像传感器的像素单元结构，其特征在于，包括一衬底，在衬底上集成两个薄膜晶体管，其中，一个薄膜晶体管为驱动晶体管，该驱动晶体管包括栅电极、栅介质、有源层、源/漏电极、遮光层和钝化层；另一个薄膜晶体管为探测晶体管，该探测晶体管包括栅电极、栅介质、有源层、源/漏电极和钝化层。所述驱动晶体管的栅电极与图像传感器的行扫描线相连，所述驱动晶体管的漏电极与图像传感器的列数据线相连，所述探测晶体管的漏电极与所述驱动晶体管的源电极相连，所述探测晶体管的源电极接地或接到下一行的扫描线，所述探测晶体管的栅电极接地或偏置。

所述探测晶体管的有源层为宽禁带半导体材料，禁带宽度大于3eV。

所述驱动晶体管和探测晶体管的栅介质为氮化硅或氧化硅或金属氧化物薄膜。

所述驱动晶体管和探测晶体管可采用背栅结构，也可以采用顶栅结构，如采用顶栅结构，其衬底为透紫外光的材料。

针对驱动晶体管和探测晶体管采用背栅结构，像素单元结构的制备方法包括：

1)在衬底上淀积一层导电薄膜，然后光刻和刻蚀形成图像传感器的行扫描线，以及驱动晶体管和探测晶体管的栅电极；

2)淀积一层绝缘介质膜作为驱动晶体管和探测晶体管的栅介质；

3)生长一层宽禁带半导体薄膜，然后形成驱动晶体管和探测晶体管的有源区；

4)光刻和刻蚀栅介质层，在与图像传感器的行扫描线对应位置上形成接触孔；

5)光刻后溅射一层导电薄膜，然后采用剥离技术形成列数据线、驱动晶体管的源电极和探测晶体管的源电极，该数据线的一部分成为驱动晶体管的漏电极，探测晶体管的源电极和图像传感器的行扫描线通过接触孔相连；

6)淀积一层钝化层；

7)淀积一层金属薄膜，并光刻和刻蚀在位于驱动晶体管的有源区的上方形成遮光层。

针对驱动晶体管和探测晶体管采用顶栅结构，像素单元结构的制备方法包括：

1)在衬底上淀积一层金属薄膜，然后光刻和刻蚀形成驱动晶体管的遮光层；

2)淀积一层绝缘介质膜作为遮光层的隔离层；

3)淀积一层金属导电薄膜，然后光刻和刻蚀形成图像传感器的列数据线，该数据线的一部分成为驱动晶体管的漏电极、驱动晶体管的源电极、探测晶体管的漏电极和探测晶体管的源电极；

4)生长一层宽禁带半导体薄膜，然后光刻和刻蚀形成驱动晶体管和探测晶体管的有源区；

5)淀积一层绝缘介质膜作为驱动晶体管和探测晶体管的栅介质；

6)光刻和刻蚀栅介质，在与探测晶体管源极相对应的位置上形成和下一行扫描线接触的通孔；

7)淀积一层金属薄膜，然后光刻和刻蚀形成图像传感器的行扫描线，以及驱动晶体管和探测晶体管的栅电极，探测晶体管的源电极和下一行扫描线通过上述通孔相连。

上述衬底可以是玻璃片、硅片、陶瓷或其它固体片状支撑体。

所述宽禁带半导体材料的禁带宽度大于3eV。

所述栅介质为氮化硅、氧化硅或绝缘的金属氧化物。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明紫外传感器的像素单元采用了具有信号放大功能的三极管结构，使传感器具有更高的灵敏度。且采用宽禁带的半导体薄膜晶体管，而不是传统的单晶半导体器件，使紫外图像传感器的制作具有更大的灵活性和更低的成本。此外，本发明的像素传感器还含有一驱动晶体管，该晶体管使得每个像素单元的信号可独立读出，从而简化了读出电路，也显著提高紫外图像传感器的分辨率。

附图说明

图1是紫外图像传感器像素阵列(4×4)的平面示意图；

图2.1～2.5是驱动晶体管和探测晶体管采用背栅结构时的加工工艺示意图；

图2.1(a)是行扫描线和栅电极形成的工艺步骤图，图2.1(b)是图2.1(a)的剖视图；

图2.2(a)是栅介质淀积和有源层形成的工艺步骤图，图2.2(b)是图2.2(a)的剖视图；

图2.3(a)是探测晶体管源电极与扫描线接触孔形成的工艺步骤图，图2.3(b)是图2.3(a)的剖视图；

图2.4(a)是列数据线和晶体管源漏电极形成的工艺步骤图，图2.4(b)是图2.4(a)的剖视图；

图2.5(a)是钝化层和遮光层形成的工艺步骤图，图2.5(b)是图2.5(a)的剖视图；

图3.1～3.5是驱动晶体管和探测晶体管采用顶栅结构时的加工工艺示意图；

图3.1(a)是驱动晶体管的遮光层及其绝缘层形成的工艺步骤图，图3.1(b)是图3.1(a)的剖视图；

图3.2(a)是列数据线和晶体管源漏电极形成的工艺步骤图，图3.2(b)是图3.2(a)的剖视图；

图3.3(a)是晶体管有源层形成的工艺步骤图，图3.3(b)是图3.3(a)的剖视图；

图3.4(a)是晶体管栅介质和探测管源电极与下一行扫描线的接触孔形成的工艺步骤图，图3.4(b)是图3.4(a)的剖视图；

图3.5(a)是行扫描线和晶体管栅电极形成的工艺步骤图，图3.5(b)是图3.5(a)的剖视图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述：

采用本发明的紫外图像传感器像素阵列部分的等效电路如图1所示，包含行扫描线、列数据线、驱动晶体管T1和紫外探测晶体管T2。行扫描线平行分布，列数据线平行分布，行扫描线与列数据线垂直交叉，交叉处扫描线和数据线由绝缘层隔离。扫描线与数据线围成的每一个矩形区域为像素区域。每一个像素由一个驱动晶体管T1和一个探测晶体管T2构成。驱动晶体管T1的栅电极与相应扫描线相连，漏电极与相应数据线相连。探测晶体管T2的栅电极与源电极相连共同接地、漏电极与驱动晶体管T1的源电极相连。探测晶体管T2的栅电极与源电极接地的方式有两种。一种是如图1所示的那样，接到下一行的扫描线上，另一种是接到专门设置的接地电极。图像探测阵列形成于一刚性衬底，衬底材料可以是玻璃片、硅片、陶瓷或其它可用材料。

行扫描线和列数据线以及公共接地线为金属或其它导电薄膜构成的布线。

探测薄膜晶体管T2的有源层为宽禁带半导体材料，禁带宽度大于3eV。探测薄膜晶体管T2的器件结构为底(背)栅或顶栅结构。

驱动薄膜晶体管T1的有源层不必为宽禁带半导体材料，但考虑到制造的简单性，可与T2采用相同的有源层材料。驱动薄膜晶体管T1的器件结构可为底(背)栅结构也可为顶栅结构，但考虑到制造的简单性，可与T2采用相同的栅结构。此时，T1需添加一遮光层。

每一个像素单元由一个驱动晶体管T1和探测晶体管T2组成。当某一扫描线为高电平(其它均为底电平)时，该行的像素被选通。此时与该扫描线相连的驱动晶体管T1导通，如相应数据线上给定一电位，则该数据线上的电流为流过T1和T2的电流。由于T2的栅电极和源端处于零偏置状态，即T2处于关态，故数据线上电流由T2的关态电流决定，暗态下很小。同一数据线上其它非选通像素的T1处于关态，对数据线电流的贡献很小可忽略。当有光照射时，选通像素的探测晶体管的关态电流与照射光的性质有关。由于该探测晶体管的有源层为宽禁带半导体材料，该关态电流对可见光不灵敏，主要对紫外光有响应。因此该关态电流直接取决于入射紫外光的强度。这样通过读出此时数据线的电流，就得到相应像素点的紫外线的强度。当一行的像素信息读完后，扫描线变为低电平时，下一行为高电平，成为选通行，重复上述过程，直到所有行像素的信息被全部读出，在显示器上形成一幅紫外光强度分布图像。

本发明的晶体管为背栅结构的紫外图像传感器的像素单元制作方法的一具体实施例，包括图2.1至图2.5：

(1)采用玻璃片为衬底1，厚度为0.5～1mm。

(2)如图2.1所示，在玻璃衬底1上采用溅射方法淀积一层50nm～150nm的金属铝膜，然后光刻和刻蚀形成行扫描线2、相邻下一行扫描线3、驱动晶体管的栅电极2’和探测晶体管的栅电极3’。

(3)采用溅射方法淀积一层50nm～200nm的氧化铪介质10，作为驱动和探测晶体管的栅介质。

(4)如图2.2所示，采用射频磁控溅射方法淀积一层20nm～150nm的Mg_xZn_(1-x)O(一种宽禁带的金属氧化物半导体，x＝0～0.35)，然后光刻和刻蚀形成驱动和探测晶体管的有源区4。

(5)如图2.3所示，光刻和刻蚀氧化铪介质，在扫描线3上形成接触孔5。扫描线2上相同位置也应同时形成一接触孔与上侧相邻像素对应，因属上一像素的接触孔，故图中并未画出。

(6)如图2.4所示，光刻形成光刻胶图形，然后带胶溅射金属铝膜并剥离形成列数据线6(该数据线的一部分覆盖有源区，成为驱动晶体管的漏电极)、驱动晶体管的源电极和探测晶体管的漏电极7和探测晶体管的源电极8。8和3通过接触孔5相连。

(7)如图2.5所示，采用磁控溅射方法淀积一层200～500nm的SiN钝化层9。接着采用磁控溅射方法淀积一层20～100nm的金属铝，并光刻和刻蚀在驱动晶体管的有源区上方形成遮光层20。

本发明的晶体管为顶栅结构的图像传感器的像素单元制作方法的一具体实施例，包括图3.1至图3.5：

(1)采用透紫外光的玻璃片为衬底1，厚度为0.5～1mm。

(2)如图3.1所示，在玻璃衬底1上采用溅射方法淀积一层20nm的金属铝膜，然后光刻和刻蚀形成驱动晶体管的遮光层32。然后PECVD淀积一层100nm的氮化硅薄膜33。

(3)如图3.2所示，磁控溅射淀积一层100nm的金属Al薄膜，然后光刻和刻蚀形成列数据线34(该数据线的一部分成为驱动晶体管的漏电极)、驱动晶体管的源电极35(探测晶体管的漏电极)和探测晶体管的源电极36。

(4)如图3.3所示，采用磁控溅射方法淀积一层20nm～100nm的Mg_xZn_(1-x)O(一种宽禁带的金属氧化物半导体，x＝0～0.35)薄膜，光刻和刻蚀形成晶体管的有源区37。

(5)如图3.4所示，采用射频磁控溅射方法淀积一层50nm～150nm的氧化铪38，作为驱动和探测晶体管的栅介质，然后光刻和刻蚀形成探测晶体管源极与下一行扫描线间的通孔39。

(6)如图3.5所示，淀积一层100～200nm的金属Al薄膜，然后光刻和刻蚀形成行扫描线和驱动晶体管栅电极40、下一行扫描和探测晶体管的栅电极41。探测晶体管的源电极36和扫描线41通过接触孔39相连。

以上通过详细实施例描述了本发明所提供的紫外图像传感器的像素单元结构及其制备方法，本领域的技术人员应当理解，在不脱离本发明实质的范围内，可以对本发明做一定的变形或修改；其制备方法也不限于实施例中所公开的内容。

Claims

1、一种紫外图像传感器的像素单元结构，其特征在于，包括一衬底，在衬底上集成两个薄膜晶体管，其中，一个薄膜晶体管为驱动晶体管，该驱动晶体管包括栅电极、栅介质、有源层、源/漏电极、遮光层和钝化层；另一个薄膜晶体管为探测晶体管，该探测晶体管包括栅电极、栅介质、有源层、源/漏电极和钝化层，所述驱动晶体管的栅电极与图像传感器的行扫描线相连，所述驱动晶体管的漏电极与图像传感器的列数据线相连，所述探测晶体管的漏电极与所述驱动晶体管的源电极相连，所述探测晶体管的源电极接地或接到下一行的行扫描线，所述探测晶体管的栅电极接地或偏置。

2、如权利要求1所述的像素单元结构，其特征在于，所述探测晶体管的有源层为宽禁带半导体材料，禁带宽度大于3eV。

3、如权利要求1或2所述的像素单元结构，其特征在于，所述驱动晶体管和探测晶体管的栅介质为氮化硅、氧化硅或绝缘的金属氧化物。

4、如权利要求1所述的像素单元结构，其特征在于，所述驱动晶体管和探测晶体管采用背栅结构。

5、如权利要求1所述的像素单元结构，其特征在于，所述驱动晶体管和探测晶体管采用顶栅结构，其衬底为透紫外光的材料。

6、一种紫外图像传感器的像素单元的制备方法，其步骤包括：

1)在衬底上淀积一层导电薄膜，然后光刻和刻蚀形成图像传感器的行扫描线，以及驱动晶体管的栅电极和探测晶体管的栅电极；

3)生长一层宽禁带半导体薄膜，形成驱动晶体管和探测晶体管的有源区；

5)溅射一层导电薄膜，然后采用剥离技术形成图像传感器的列数据线、驱动晶体管的源电极和探测晶体管的源电极，其中，所述数据线的一部分成为驱动晶体管的漏电极，探测晶体管的源电极和图像传感器的行扫描线通过上述接触孔相连；

6)淀积一层钝化层；

7)淀积一层金属薄膜，光刻和刻蚀在位于驱动晶体管的有源区的上方形成遮光层。

7、一种紫外图像传感器的像素单元的制备方法，其步骤包括：

2)淀积一层绝缘介质膜作为遮光层的隔离层；

6)光刻和刻蚀栅介质，在与探测晶体管源极相对应的位置上形成和图像传感器的下一行扫描线接触的通孔；

7)淀积一层金属薄膜，然后光刻和刻蚀形成图像传感器的行扫描线，以及驱动晶体管和探测晶体管的栅电极，其中，探测晶体管的源电极和图像传感器的下一行扫描线通过上述通孔相连。

8、如权利要求6或7所述的制备方法，其特征在于，所述衬底是玻璃片、硅片、陶瓷或其它固体片状支撑体。

9、如权利要求6或7所述的制备方法，其特征在于，所述宽禁带半导体材料的禁带宽度大于3eV。

10、如权利要求6或7所述的制备方法，其特征在于，所述栅介质为氮化硅、氧化硅或绝缘的金属氧化物。