CN103259983A - 一种平板图像传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种平板图像传感器，至少包括：光电二极管，用于将光能转换成电荷信号；复位二极管，连接于所述光电二极管，用于对所述光电二极管进行复位；放大晶体管，其第一极连接外部电源，栅极连接于所述光电二极管的输出端，用于对所述光电二极管输出的电荷信号进行放大；以及读出晶体管，其第一极连接于所述放大晶体管的第二极，栅极用于输出扫描信号，用于控制放大晶体管电荷信号的读出。本发明采用复位二极管对图像传感器进行复位，在不增加成本及工艺难度的同时，有效降低漏电流，并大大的提高了图像传感器的复位速度，提高了图像传感器的速度和精度。本发明工艺和结构简单，适用于工业生产。
Description
技术领域
本发明涉及一种图像传感器，特别是涉及一种平板图像传感器。
背景技术
平板图像传感器，特别是大尺寸图像传感器，面积通常数十厘米，数百万至千万像素。通常应用于医疗辐射成像、工业探伤、安检等领域。
大型平板图像传感器，如图1所示，一般包括图1：基板1(可以是玻璃或塑料等材料)，所有的传感器都放置于基板上；像素2及3，像素以二维阵列排布在基板上，每个像素一般包括一个光电二极管（photodiode）2及一个薄膜晶体管（TFT）3；用于控制各像素的扫描线4及数据线5；用于提供光电二极管电压的公共电极6。其基本原理是，公共电极施加一负电压(比如-8V)将光电二极管置于反偏状态，数据线接0V左右，扫描线接-10V左右将TFT关闭；当光照后，光电二极管产生光电荷，扫描线电压变为15V左右将TFT打开，光电二极管产生的光电荷通过数据线流到外部电路，完成一行数据读取，TFT关闭，再进行下一行扫描。
其缺点是：由于像素不具备任何放大功能，而且photodiode转换效率始终小于1，而且由于光电二极管不能占据整个像素区，所以读出的电荷量始终小于入射光的量，导致信噪比低，在曝光较低的时候图像质量差。比如这在医疗x射线透视成像领域，需要在图像传感器前端设地转换层将x射线转换为可见光，其输出的可见光非常微弱。而在x射线成像时增大曝光剂量对人体是有害的，所以应尽量降低曝光剂量。
为了降低曝光剂量，提高信噪比，发展出像素放大电路，其结构与CMOS图像传感器类似，CMOS图像传感器在硅晶圆上用常规的CMOS工艺形成。而大平板图像传感器通常需要数十厘米的尺寸，在晶圆上无法形成。所以一般使用在玻璃或其他基板上用TFT/photodiode形成。
Farhad Taghibakhsh在论文《Active Pixel Sensor Architectures for High ResolutionLarge Area Digital Imaging》中描述一种典型的APS结构，如图2所示，T1为放大功能的薄膜晶体管（AMP TFT），T2为重置功能的薄膜晶体管（Reset TFT），T3为读出功能的薄膜晶体管（Read TFT），Detector为光电转换器件（如光电二极管）。其基本原理是：
等待状态：T1工作在饱和区，T2，T3工作在截止区，即栅接负电压（如-10V），Vbias接正电压（如6V)，扫描线（read address）接负电压(如-10V)，像素输出端（Pixeloutput）接电荷放大器将电荷信号转为电压信号。
曝光状态：光电转换器件产生电荷△Qpixel，在T1的栅极形成电压变化△Vg。
读出状态：扫描线（read address）施加15V左右脉冲，脉冲宽度为T，由于△Vg引起T1源漏电流变化△Id，△Id*T即为最后读到的电荷。
复位回到等待状态：T3栅极扫描线（read address）回到负压，T2栅极扫描线（readaddress）施加正脉冲将T2打开，将T1栅极复位到Vdd。
其问题是：如果TFT使用非晶硅形成，由于非晶硅阈值电压（Vth）漂移而导致性能不稳定，同时非晶硅电子迁移率低而难以提高放大倍数。如果TFT使用多晶硅或氧化物半导体，电子迁移率分别为～10和100，同时其Vth漂移也相对较小，但其截止区或关态的漏电流太大(10-13，10-12次方量级)，通过T2将△Qpixel(10-13次方量级)漏掉。限制了其在该技术上的应用。
另一专利EP2027717B1提供了一种图像传感器，其结构如图3所示，通过光电二极管的Vcom(即图中RST)进行复位(Reset)，避免了图2中T2的漏电流过大而引起有效信号Qpixel漏掉问题。但缺点是，由于Vcom（RST）的寄生电容非常大，无法达到快速复位的目的。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种平板图像传感器，用于解决现有技术中平板图像传感器漏电流过大或者复位速度太慢等问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种平板图像传感器，至少包括：
光电二极管，用于将光能转换成电荷信号；
复位二极管，连接于所述光电二极管，用于对所述光电二极管进行复位；
放大晶体管，其第一极连接外部电源，栅极连接于所述光电二极管的输出端，用于对所述光电二极管输出的电荷信号进行放大；
读出晶体管，其第一极连接于所述放大晶体管的第二极，栅极用于输出扫描信号，用于控制放大晶体管电荷信号的读出。
作为本发明的平板图像传感器的一种优选方案，还包括积分电路，用于将所述读出晶体管输出的电荷信号进行积分后输出电压信号。
作为本发明的平板图像传感器的一种优选方案，所述积分电路包括运算放大器及电容，其中，所述运算放大器的第一输入端连接于所述读出晶体管的第二极、第二输入端接地，所述电容的第一端连接于所述运算放大器的第一输入端、第二端连接于所述运算放大器的输出端。
作为本发明的平板图像传感器的一种优选方案，所述光电二极管与复位二极管为非晶硅PIN结构的二极管。
作为本发明的平板图像传感器的一种优选方案，所述放大二极管与读出晶体管的材料为氧化物半导体或多晶硅材料。
作为本发明的平板图像传感器的一种优选方案，在曝光阶段，所述光电二极管曝光以进行光电转换，所述复位二极管避光以降低漏电流。
作为本发明的平板图像传感器的一种优选方案，在曝光阶段，所述复位二极管置于反偏压，以降低漏电荷。
作为本发明的平板图像传感器的一种优选方案，在读出阶段，所述复位二极管置于反偏压，以降低漏电荷。
作为本发明的平板图像传感器的一种优选方案，在复位阶段，所述复位二极管置于正偏压，以复位所述光电二极管。
如上所述，本发明提供一种平板图像传感器，至少包括：光电二极管，用于将光能转换成电荷信号；复位二极管，连接于所述光电二极管，用于对所述光电二极管进行复位；放大晶体管，其第一极连接外部电源，栅极连接于所述光电二极管的输出端，用于对所述光电二极管输出的电荷信号进行放大；以及读出晶体管，其第一极连接于所述放大晶体管的第二极，栅极用于输出扫描信号，用于控制放大晶体管电荷信号的读出。本发明采用复位二极管对图像传感器进行复位，在不增加成本及工艺难度的同时，有效降低漏电流，并大大的提高了图像传感器的复位速度，提高了图像传感器的速度和精度。本发明工艺和结构简单，适用于工业生产。
附图说明
图1显示为现有技术中的大型平板图像传感器结构示意图。
图2显示为现有技术中的APS结构图像传感器的结构示意图。
图3显示为现有技术中通过光电二极管的Vcom进行复位的图像传感器的结构示意图。
图4显示为本发明的平板图像传感器的电路结构示意图。
图5显示为本发明实施例1中平板图像传感器的平面布局示意图。
图6显示为本发明图5中的平板图像传感器A-A’截面结构示意图。
图7显示为本发明实施例2中平板图像传感器的平面布局示意图。
图8显示为本发明图7中的平板图像传感器B-B’截面结构示意图。
元件标号说明
光电二极管 101
复位二极管 102
放大晶体管 103
读出晶体管 104
电容 201
运算放大器 202
基板 301
第一金属层 302
第一绝缘层 303
第二金属层 304
IGZO氧化物 305及306
第二绝缘层 307
非晶硅层 308及309
第一透明导电层ITO 310
第三绝缘层 311
第二透明导电层ITO common 312
第三金属层 313
第四绝缘层 314
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
请参阅图4～图8。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
实施例1
如图4～图6所示，本实施示例提供一种平板图像传感器，至少包括：
光电二极管101，用于将光能转换成电荷信号；
复位二极管102，连接于所述光电二极管101，用于对所述光电二极管101进行复位；
放大晶体管103，其第一极连接外部电源，栅极连接于所述光电二极管101的输出端，用于对所述光电二极管101输出的电荷信号进行放大；
读出晶体管104，其第一极连接于所述放大晶体管103的第二极，栅极用于输出扫描信号，用于控制放大晶体管103电荷信号的读出。
作为示例，所述平板图像传感器还包括积分电路，用于将所述读出晶体管104输出的电荷信号进行积分后输出电压信号。
作为示例，所述积分电路包括运算放大器202及电容201，其中，所述运算放大器202的第一输入端连接于所述读出晶体管104的第二极、第二输入端接地，所述电容201的第一端连接于所述运算放大器202的第一输入端、第二端连接于所述运算放大器202的输出端。
作为示例，所述光电二极管101与复位二极管102为非晶硅PIN结构的二极管，当然，在其它的实施例中，所述光电二极管101与复位二极管102也可以由其他高感光率低漏电流的材料制成。
作为示例，所述放大二极管与读出晶体管104的材料为氧化物半导体或多晶硅材料，在本实施例中，所述放大二极管与读出晶体管104的材料为氧化铟镓锌IGZO，当然，在其它的实施例中，所述放大二极管与读出晶体管104的材料也可以是由其他迁移率高同时阈值电压Vth稳定的半导体制成。
作为示例，所述平板图像传感器包括一基板及多个像素，所述基板为玻璃、塑料等，多个像素集成在该基板上。
作为示例，在曝光阶段，所述光电二极管101曝光以进行光电转换，所述复位二极管102避光以降低漏电流。
作为示例，在曝光阶段，所述复位二极管102置于反偏压，以降低漏电荷。
作为示例，在读出阶段，所述复位二极管102置于反偏压，以降低漏电荷。
作为示例，在复位阶段，所述复位二极管102置于正偏压，以复位所述光电二极管101。
如图1所示，所述平板图像传感器的工作原理为：
在通常情况，复位电压（Vrst）置于负电压(如-5V)将复位二极管102置于反偏压下，可得到极低的反向漏电流(如果是非晶硅形成的光电二极管101可能得10-15次方级的漏电流)。在曝光及读出的过程中都只有极少数的电荷（Qpixel）漏掉。
在复位时，复位电压（Vrst）置于正电压(如5V)将复位二极管102置于正偏压下，可得到10-6次方级别的正向电流，足以很快将光电二极管101复位。
如图5及图6所示，本实施例还提供一种平板图像传感器的具体制作方法，包括步骤：
1）提供一基板301，于该基板上形成第一金属层302，然后通过成膜、曝光、刻蚀工艺形成放大晶体管和读出晶体管的栅极和扫描线（read address），或称为栅极线（Gate line）。
2）形成第一绝缘层303，然后通过成膜、曝光，刻蚀工艺形成放大晶体管和读出晶体管的栅绝缘层。
3）形成第二金属层304，然后通过成膜、曝光、刻蚀工艺形成放大晶体管和读出晶体管的源漏极以及光电二极管及复位二极管的底电极。
4）形成IGZO氧化物305及306，然后通过成膜、曝光，刻蚀工艺形成放大晶体管和读出晶体管的有源区。
5）形成第二绝缘层307，然后通过成膜、曝光，刻蚀工艺形成放大晶体管和读出晶体管的保护层。
6）形成非晶硅层308及309，包括N+层、本征层及P+层。
7）形成第一透明导电层ITO310，然后通过成膜，曝光，刻蚀工艺形成光电二极管及复位二极管的顶电极，同时起到保护光电二极管及复位二极管作用。
8）非晶硅层的刻蚀，将各像素及各像素中的光电二极管及复位二极管分开，形成光电二极管及复位二极管。
9）形成第三绝缘层311，然后通过成膜，曝光，刻蚀工艺形成光电二极管及复位二极管的保护层。
10）形成第二透明导电层ITO common312，然后通过成膜，曝光，刻蚀工艺形成透明的Vcom电极。
11）形成第三金属层313，然后通过成膜，曝光，刻蚀工艺形成Vrst信号线。
12）形成第四绝缘层314，用于保护器件。
实施例2
如图4及图7～图8所示，本实施例提供一种平板图像传感器，其基本电路结构及制作方法如实施例1。其中，在制作过程中，省略步骤10），并采用步骤11）中形成的第三金属层313作为Vcom电极，此制作方法减少了工艺步骤和工艺难度，可以有效降低成本。
综上所述，本发明提供一种平板图像传感器，至少包括：光电二极管101，用于将光能转换成电荷信号；复位二极管102，连接于所述光电二极管101，用于对所述光电二极管101进行复位；放大晶体管103，其第一极连接外部电源，栅极连接于所述光电二极管101的输出端，用于对所述光电二极管101输出的电荷信号进行放大；以及读出晶体管104，其第一极连接于所述放大晶体管103的第二极，栅极用于输出扫描信号，用于控制放大晶体管103电荷信号的读出。本发明采用复位二极管102对图像传感器进行复位，在不增加成本及工艺难度的同时，有效降低漏电流，并大大的提高了图像传感器的复位速度，提高了图像传感器的速度和精度。本发明工艺和结构简单，适用于工业生产。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
Claims (9)
1.一种平板图像传感器，其特征在于，至少包括：
光电二极管，用于将光能转换成电荷信号；
复位二极管，连接于所述光电二极管，用于对所述光电二极管进行复位；
放大晶体管，其第一极连接外部电源，栅极连接于所述光电二极管的输出端，用于对所述光电二极管输出的电荷信号进行放大；
读出晶体管，其第一极连接于所述放大晶体管的第二极，栅极用于输出扫描信号，用于控制放大晶体管电荷信号的读出。
2.根据权利要求1所述的平板图像传感器，其特征在于：还包括积分电路，用于将所述读出晶体管输出的电荷信号进行积分后输出电压信号。
3.根据权利要求2所述的平板图像传感器，其特征在于：所述积分电路包括运算放大器及电容，其中，所述运算放大器的第一输入端连接于所述读出晶体管的第二极、第二输入端接地，所述电容的第一端连接于所述运算放大器的第一输入端、第二端连接于所述运算放大器的输出端。
4.根据权利要求1所述的平板图像传感器，其特征在于：所述光电二极管与复位二极管为非晶硅PIN结构的二极管。
5.根据权利要求1所述的平板图像传感器，其特征在于：所述放大二极管与读出晶体管的材料为氧化物半导体或多晶硅材料。
6.根据权利要求1所述的平板图像传感器，其特征在于：在曝光阶段，所述光电二极管曝光以进行光电转换，所述复位二极管避光以降低漏电流。
7.根据权利要求1所述的平板图像传感器，其特征在于：在曝光阶段，所述复位二极管置于反偏压，以降低漏电荷。
8.根据权利要求1所述的平板图像传感器，其特征在于：在读出阶段，所述复位二极管置于反偏压，以降低漏电荷。
9.根据权利要求1所述的平板图像传感器，其特征在于：在复位阶段，所述复位二极管置于正偏压，以复位所述光电二极管。
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