CN102738182A - 一种非晶系氧化物半导体的光传感器装置与其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种非晶系氧化物半导体之光传感器装置与其制作方法，特色在于新氧化物感光材料以应用于主动式显示面板上，可以对其外在光产生特殊光感应，并维持一段时间特性不改变；亦可藉由电压施加方式，令其原特性快速恢复。

Description

一种非晶系氧化物半导体的光传感器装置与其制作方法

【技术领域】

本发明为提供一种非晶系氧化物半导体的光传感器装置与其制作方法，尤指一种新的氧化物感光材料，以应用于主动式显示面板上。 

【现有技术】

目前常见到的光传感器，主要利用材料本身之光电导效应(photoconductive effect)，产生特性之变化，常见之应用包含光敏电阻、光电二极管、光敏晶体管等；光敏电阻以硫化镉(CdS)、硒化镉(CdSe)等材料做成，又以CdS和CdSe的结晶比之变化可做成Cd(SSe)(硫化硒化镉)，皆以CdS通称；而其表面会涂上一层保护材质，如电镀金属、玻璃或树脂涂料，以便CdS可被使用于各种高热高湿的不良环境。 

光电二极管则利用PN型半导体在光照射下会产生电位差，接上负载即产生光电流，光电二极管有下列特征，所以其应用范围非常广泛：(a)照射光能量与输出的电流呈现良好之线性，(b)响应速度快，(c)输出电流的温度变化少；而光敏晶体管部份，于其中二极管接面部份产生光电流，再利用三极体的电流增益特性，使将得到之接面光电流之讯号放大；然而，上述技术皆需倚赖整块半导体材料为基板以及使用高温制程，此将造成制程成本的增加并且限制了其应用的层面。 

研究氧化铟锌层(a-IZO)对于光反应之特性时，发现在照光后起始电压会产生明显的飘移，并且会缓慢的回复到原来之特性，这些光反应现象可以用氧化铟锌层(a-IZO)薄膜中电子跟O_2(gas)、O₂-之动态平衡式来解释，同时也可以用电荷汲取(charge pumping)之技术去确认他的机制特性并且加速它的电性回复；因此我们可以运用氧化铟锌层(a-IZO)对光的反应行为来应用在一些光感测组件。 

半导体氧化物薄膜晶体管之优势在于很高的载子移动率及光穿透率；然 而一般常用之半导体氧化物材料(如ZnO)在自然情况下都是结晶态，会受限于晶体缺陷之影响，所以经由溅镀长成非结晶型态的In₂O₃掺杂之ZnO薄膜在近几年广泛的被大家研究；氧化铟锌层(a-IZO)的能带大概是3.8～3.9eV并且有很高的载子移动率跟很高的光穿透度；尽管如此，我们依然发现薄膜对于可见光依然有影响性。目前的研究文献中，针对光反应的明确机制并无太多详尽的探讨，此外也没有将这个光反应的现象进一步地应用于感测技术中。 

故，上述问题，将是在此领域技术者所欲解决之困难与技术发展的重要课题所在。 

【发明内容】

随着液晶平面显示器技术的蓬勃发展，薄膜晶体管(Thin Film Transistor；TFT)组件的应用获得极大的重视，TFT组件结构相似于传统金氧半场效晶体管(MOSFET)的结构，因此已被广泛地应用于平面显示面板阵列电路中的开关(Switch)单元以及驱动(Driver)装置；在系统面板(System on Panel；SoP)技术的发展上，若能利用新颖之感光材料，再搭配薄膜晶体管组件的结构整合于显示阵列电路中，将能开发出可侦测周遭光源的光传感器，并提供给显示系统，控制显示面板背光源强度以达到节省能源、绿色科技之目标。 

故，本发明之发明人有鉴于上述先前技术所述之不足，提出一种非晶系氧化物半导体的光传感器装置与其制作方法，于主动式显示面板上应用，其可以对外由光产生特殊光感应，并维持一段时间特性不变；亦可藉由电压施加方式，令其原特性快速恢复，其主要具有下列之目的： 

本发明之第1目的在于：简化传统PNP或NPN型等制程方式，采用薄膜晶体管结构，与现今之液晶平面显示阵列技术兼容；并采用低温沉膜技术，有效降低感测组件制程成本。 

本发明之第2目的在于：提出新颖式氧化物材料，增加晶体管组件操作电流与载子移动率；相较于传统之低温非晶硅薄膜晶体管，本发明在低温下制作出的薄膜晶体管组件增快的操作速度，以及可达44.68cm²/V.s.的高载子移动率。 

本发明之第3目的在于：本发明所提出的光传感器组件在受到光照射后，做为感测讯号的电性参数-起始电压(threshold voltage；Vth)可维持在相同位准一段时间(超过12小时)，可供电路系统记录及应用；并藉由外加触发电压的施加，可控制起始电压回复时间，达到快速恢复之特性(低于10分钟)。 

【图式简单说明】 

图1系本发明方块流程图 

图2(a)系本发明之a-IZO薄膜电性曲线图一 

图2(b)系施加的电荷汲取电压跟恢复时间作图 

图3系本发明之电荷汲取的示意图 

图4(a)系本发明之a-IZO薄膜电性曲线图二 

图4(b)系施加的电荷汲取电压跟恢复时间作图 

图5系本发明之光侦测器电路构图 

【实施例】

为了达成上述各项目的及功效，于此谨搭配图式，举一较佳实施例，俾便在此领域中具通常知识者能够就各项目的据以实施。 

首先，请参阅图1，为本发明之方块流程图，图中清楚指出，本发明为底部闸极的薄膜晶体管，并且搭配共平面之结构制程于玻璃基板上，一开始利用直流溅镀系统先形成一层100nm厚的MoW薄膜作为组件的闸极S1，再来利用电浆化学气相沉积的方法长一层300nm厚的SiNx作为介电层S2，然后用溅镀系统形成100nm厚的ITO作为源极/汲极电极S3，最后操作交流溅镀系统在100瓦的操作功率下，沉积a-IZO薄膜，其靶材比例为1∶1(In₂O₃∶ZnO)，并且在Ar/O₂＝2/1混合气体比例下，将压力控制在3×10^-3torr之腔体内于室温形成50nm的薄膜作为主动层(a-IZO)S4，并且利用黄光微影跟湿式蚀刻的技术来定位出通道S5，其湿式蚀刻溶液为稀释过的HCl溶液，其蚀刻速度大概是10 

最后这些组件经过350℃的氮气环境退火一小时S6；照光时所用的光源是OSRAM的卤素灯，操作于150W，光强为63315lx；电荷汲取跟电性上的量测是利用Keithley 4200，在进行实验的时候组件是在常压的黑箱里面量测。 

图2(a)描绘在不同VD操作下，a-IZO薄膜晶体管之电性曲线，组件萃 取出的起始电压、次临界摆幅、有效的载子移动率在VD为1V的操作下分别为0.75V、750mv/decade、44.68cm²/Vs，而插图则是a-IZO薄膜在玻璃基板上对光之穿透率；量测出的电性特性结果分别在不同阶段量测，包括一开始的暗态、照光的瞬间、照光10分钟、还有关掉光源后静置0～720分钟；发现a-IZO薄膜晶体管的电性特性在照光下起始电压会有向左移动的趋势，起始电压在V_D＝11V下由起始暗态的0.22V变化到照光10分钟后的-11.89V，在移开光源后，a-IZO薄膜晶体管的起始电压又会往右偏移到-9.1V，不会回复到原本的暗态下的电性，在经过一段720分钟的放置后，电性特性又会回复到原本暗态下的特性，如图2(b)所描述的情形。 

图3为电荷汲取(Charge pumping)的示意图；以往对于氧化物半导体薄膜的研究物理跟化学吸附氧气的特性关系如下(1)、(2)两式， 

O_2(gas)+e^-→O_2(solid)-        (1) 

O_2(gas)→h⁺+O_2(solid)-        (2) 

而e-、h+分别代表电子与电洞，一固定5V闸极电压会使得a-IZO薄膜，形成电子聚集于信道当中，并且使照光反应式向右边进行；在实施例中的O_2(gas)是存在于空气中而且很容易因为捕捉电子而形成O_2(solid)-；一般a-IZO薄膜晶体管是属于n型的半导体，存在许多电子，而化学反应式也会处于动态平衡的状态，所以这表示整个净反应会朝向右边去反应，O_2(gas)藉由吸附电子而变成O_2(solid)-，这也就代表O_2(solid)-的形成会造成原本用来导通的电子大量减少，而造成起始电压向右边偏移；相反的，若反应式是向左边偏移的话，起始电压也会向左边偏移。 

图4(a)所示为a-IZO薄膜电性曲线二，与没有施加电压之组件比较，没施加电压之恢复时间为720分钟(如图4b)，加速电性回复是因为在a-IZO薄膜中聚集出了许多额外的电子，这些电子会驱使方程式(1)向右移动，结果O_2(solid)-的增加会加速照光后组件起始电压向右偏移的速度，并且回到原始暗态的电性，其中又可以发现在未施加5V电压跟施加5V电压组件的电性曲线是相互吻合，这也就代表说这在进行电荷汲取的过程中对于组件是没有劣化的影响；也把施加的电荷汲取电压跟恢复时间作图，如图4(b)，发现当电荷汲取电压达到35V时，组件恢复时间只要10分钟，由图也可以推论电荷 汲取电压越大时，a-IZO薄膜组件恢复之速度也就越快。 

图5简单地描绘出光侦测器之电路，一个固定的闸极电压V_GS可以被用来侦测a-IZO薄膜晶体管的开关，藉由照光前后起始电压明显的变化；以实施例来说，V_GS可以设定为-2V，当在暗态下(V_th＝0.25V)，-2V的V_GS会让薄膜晶体管关闭，导致输出电压就为V_DD，但是输出功率因为没有电流的关系依旧为零；然而，当组件照光后起始电压会开始向左飘移，这就有可能造成组件在V_GS为-2V的操作下导通，造成输出的电压接近为零，也代表光侦测不需要消耗太多功率，且电荷汲取的方法可以加速组件在侦测到光后快速之恢复，并不会影响到a-IZO薄膜组件之电性。 

综合上述，以上为本发明之一较佳实施例，非因此即拘限本发明之专利范围，本案专利范围仍应以所附之专利申请范围所定义为准。 

Claims (11)

1.一种非晶系氧化物半导体的光传感器装置，特别指一种感光电路，其主要由光感测薄膜晶体管组件与负载电阻组件构成，其包括有：

一光感测薄膜晶体管组件，耦接电源输出端与接地之间；

一负载电阻，耦接于光感测薄膜晶体管组件汲极端点与主要控制讯号操作端之间；

一扫描信号端，其耦接于光感测薄膜晶体管组件闸极端点；

一输出判定照光与否之讯号端，用以判断照光与否，其耦接于光感测薄膜晶体管组件闸极部份；

一主要控制讯号操作端，其耦接于负载的一个端点上，以控制其装置；

藉此，透过新氧化物半导体材料主动以矩阵式显示面板。

2.根据权利要求1所述的非晶系氧化物半导体的光传感器装置，其中上述薄膜晶体管受一组扫描信号端之电压讯号控制，可施加电压于氧化物半导体为主动层之薄膜晶体管，使其起始电压恢复至初始位置。

3.根据权利要求2所述的非晶系氧化物半导体的光传感器装置，其中扫描信号端可依薄膜晶体管之起始电压，判定照光与否，再回馈讯号至外围电路系统当中。

4.根据权利要求1所述的非晶系氧化物半导体的光传感器装置，其中薄膜晶体管组件部份所使用的氧化物半导体，由低温物理气相沉积法制成为薄膜。

5.根据权利要求2所述的非晶系氧化物半导体的光传感器装置，其中扫描信号端可藉由增大输入电压方式，改变薄膜晶体管之起始电压之恢复时间，使薄膜晶体管快速回到原始之状态。

6.根据权利要求5所述的非晶系氧化物半导体的光传感器装置，其中起始电压飘移范围大于0.5伏特。

7.根据权利要求1所述的非晶系氧化物半导体的光传感器装置，此一种非晶系氧化物半导体的光传感器装置制作之扫描线与施加电压加速恢复部份为同一条讯号线。

8.根据权利要求1-7中任一项的非晶系氧化物半导体的光传感器之制造方法，包含下列步骤：

(1)直流溅镀系统形成一层MoW薄膜作为组件的闸极；

(2)电浆化学气相沉积方法产生SiNx作为介电层；

(3)用溅镀系统形成ITO作为源极/汲极电极；

(4)操作交流溅镀系统，在氩气及氧气之混合气体中于室温形成氧化铟锌(a-IZO)薄膜作为主动层；

(5)利用黄光微影跟湿式蚀刻的技术来定位出通道，其中湿式蚀刻以稀释过之HCl溶液来做为a-IZO的蚀刻溶液；

(6)在300～400℃的氮气环境退火。

9.根据权利要求8所述的非晶系氧化物半导体的光传感器之制造方法，此沉积之氧化铟锌层a-IZO之材料比例In₂O₃∶ZnO为1∶1。

10.根据权利要求8所述的非晶系氧化物半导体的光传感器之制造方法，其稀释过的HCl溶液来做为a-IZO的蚀刻溶液时，其蚀刻速度约为10

11.根据权利要求8所述的非晶系氧化物半导体的光传感器之制造方法，其于300～400℃之氮气环境退火约为一小时。

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