CN103474441A - 光检测器及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

一种光检测器及其制造方法，此光检测器包括第一基板以及光转换元件。第一基板具有感应元件阵列，此感应元件阵列用以接收特定波长范围的频谱。光转换元件位于感应元件阵列上，其中光转换元件包括光转换材料层以及经掺杂的光转换材料柱状结构层，经掺杂的光转换材料柱状结构层的发光频谱与特定波长范围重迭，且光转换材料层的发光频谱与特定波长范围不重迭。采用本发明可避免在沉积经掺杂的光转换材料柱状结构层的初期形成不规则的晶粒，进而可改善光散射的问题使影像的分辨率增加。

Description

光检测器及其制造方法
技术领域
本发明是有关于一种光检测器及其制造方法，且特别是有关于一种具有光转换元件的光检测器及其制造方法。
背景技术
光检测器可吸收光能而转换成电子信号，并借此量测光通量或光功率，因此已广泛地应用在数字照相机、录像机、夜视镜、自动照明设备、保全系统等各种领域中。柱状结构的光转换材料为目前常用的光转换元件的材料之一。然而，现有技术在沉积柱状结构的光转换材料的初期会形成不规则的晶粒(grain)导致光散射的问题，进而使影像的分辨率不好。
发明内容
本发明提供一种光检测器及其制造方法，可改善光散射的问题进而使影像的分辨率增加。
本发明提出一种光检测器，包括第一基板以及光转换元件。第一基板具有感应元件阵列，此感应元件阵列用以接收特定波长范围的频谱。光转换元件位于感应元件阵列上，其中光转换元件包括光转换材料层以及经掺杂的光转换材料柱状结构层。经掺杂的光转换材料柱状结构层的发光频谱与特定波长范围重迭，且光转换材料层的发光频谱与特定波长范围不重迭。
其中，该光检测器包括X光检测器。
其中，该感应元件阵列包括非晶硅的光二极管，且非晶硅的光二极管的该特定波长范围的频谱介于450纳米至620纳米之间。
其中，该光转换材料层包括纯碘化铯，且纯碘化铯的发光频谱介于290纳米至340纳米之间。
其中，该经掺杂的光转换材料柱状结构层包括掺杂铊的碘化铯或是掺杂钠的碘化铯。
起作用，掺杂铊的碘化铯的发光频谱介于450纳米至650纳米之间，且掺杂钠的碘化铯的发光频谱介于370纳米至500纳米之间。
其中，该光转换材料层的厚度介于10微米至100微米之间，该经掺杂的光转换材料柱状结构层的厚度介于100微米至1000微米之间。
其中，该光检测器更包括一第二基板，设置在该第一基板的对向侧，其中该光转换元件设置在该第二基板上，该第二基板与该光转换元件之间更包括设置一反射层，且该光转换材料层位于该反射层以及该经掺杂的光转换材料柱状结构层之间。
其中，该光检测器更包括一保护层，位于该反射层与该光转换元件之间。
其中，该光检测器更包括一覆盖层，覆盖该光转换元件的一上表面以及至少一侧表面。
其中，该光检测器更包括一填充层，填充于该光转换元件与该感应元件阵列之间。
其中，该光转换元件设置在该第一基板上并覆盖该感应元件阵列，该光转换元件的该上表面被覆盖一反射层，且该经掺杂的光转换材料柱状结构层位于该光转换材料层以及该反射层之间。
其中，该光检测器，更包括至少一覆盖层，覆盖该反射层。
本发明另提出一种光检测器的制造方法，其包括以下步骤。提供第一基板。在第一基板上形成感应元件阵列。于感应元件阵列上形成光转换元件，其中光转换元件包括光转换材料层以及经掺杂的光转换材料柱状结构层。
其中，光检测器的制造方法更包括：
提供一第二基板，其中该光转换元件形成在该第二基板上；
形成一反射层于该第二基板与该光转换元件之间，且该光转换材料层位于该反射层以及该经掺杂的光转换材料柱状结构层之间；以及
组立该第一基板与该第二基板，使得该经掺杂的光转换材料柱状结构层位于该光转换材料层与该感应元件阵列之间。
其中，该光转换元件形成在该第一基板上并覆盖该感应元件阵列，且该光转换元件的该上表面上更包括形成一反射层，以使得该经掺杂的光转换材料柱状结构层位于该光转换材料层以及该反射层之间。
其中，形成该光转换元件的方法包括：
在一蒸镀腔室内设置一光转换材料蒸镀源以及一掺杂材料蒸镀源；
在该蒸镀腔室内装设至少一基板；
使用该光转换材料蒸镀源对该基板进行一蒸镀步骤，以于该基板上形成该光转换材料层；以及
使用该光转换材料蒸镀源以及该掺杂材料蒸镀源对该基板进行一共蒸镀步骤，以于该光转换材料层上形成该经掺杂的光转换材料柱状结构层。
其中，该光转换材料蒸镀源包括一纯碘化铯蒸镀源，该掺杂材料蒸镀源包括一铊蒸镀源或是一钠蒸镀源。
其中，于进行该蒸镀步骤以及该共蒸镀步骤时，该基板的温度为摄氏100～200度，该光转换材料蒸镀源的温度为摄氏620～680度，该掺杂材料蒸镀源的蒸镀速率为1～20埃/秒，且该蒸镀腔室内的压力为1×10-2～1×10-4托耳。
其中，该光转换材料层的厚度介于10微米至100微米之间，该经掺杂的光转换材料柱状结构层的厚度介于100微米至1000微米之间。
基于上述，在本发明的光检测器及其制造方法中，光转换元件包括光转换材料层以及经掺杂的光转换材料柱状结构层，其中经掺杂的光转换材料柱状结构层的发光频谱与特定波长范围重迭，且光转换材料层的发光频谱与特定波长范围不重迭。在形成经掺杂的光转换材料柱状结构层之前，由于本发明是先形成具有较佳柱状结构的光转换材料层，再于此光转换材料层上形成经掺杂的光转换材料柱状结构层，因此可避免在沉积经掺杂的光转换材料柱状结构层的初期形成不规则的晶粒，进而可改善光散射的问题使影像的分辨率增加。
为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合所附图式作详细说明如下。
附图说明
图1A至图1E为依照本发明的一实施例的一种光检测器的制造方法的剖面示意图。
图2A至图2B为依照本发明的另一实施例的一种光检测器的制造方法的剖面示意图。
图3为依照本发明的一实施例的蒸镀腔室的剖面示意图。
10、10’：第一基板
20、20’：第二基板
30：填充层
50、50’：光检测器
100、200、350：基板
110：感应元件阵列
120、170：保护层
130：光转换元件
130a：上表面
130b：侧表面
140：光转换材料层
150：经掺杂的光转换材料柱状结构层
160：反射层
180：覆盖层
300：蒸镀腔室
310：光转换材料蒸镀源
320：掺杂材料蒸镀源
330a、330b：载钵
340：蒸镀承载器
360、370：挡板
具体实施方式
本发明的目的及优点，通过下列实施例中伴随图式与元件符号的详细叙述后，将更为显着。
图1A至图1E为依照本发明的一实施例的一种光检测器50的制造方法的剖面示意图。
请参照图1A，首先，提供基板100。基板100可为非反射基板(例如是玻璃基板、碳基板或其它非反射材质基板)或是反射基板(例如是铝基板或其它反射材质基板)。在基板100上形成感应元件阵列110，此感应元件阵列110是用以接收特定波长范围的频谱(spectrum)。举例来说，感应元件阵列110可包括非晶硅的光二极管(photodiode)，其吸收频谱例如是介于450nm至620nm的波长范围。接着，在具有感应元件阵列110的基板100上形成保护层120，且保护层120至少覆盖感应元件阵列110。保护层120的材质例如是氮化硅、氧化硅、氮氧化硅或是其它光穿透率较佳的材料，其形成方法例如是化学气相沉积法或是其它合适的工艺方法。如此一来，本实施例的第一基板10包括基板100、感应元件阵列110以及保护层120。
请参照图1B，提供另一基板200。基板200可为非反射基板(例如是玻璃基板、碳基板或其它非反射材质基板)或是反射基板(例如是铝基板或其它反射材质基板)。
接着，请参照图1C，在一实施例中，当基板200为非反射基板(例如是玻璃基板、碳基板或其它非反射材质基板)时，较佳的是在基板200上进一步形成反射层160。此反射层160是用以使特定波长范围的频谱穿透且使其它波长范围的频谱反射。举例来说，反射层160可设计成使X光穿透且使可见光反射。反射层160的材质例如是包括铝、银、铬、铜、镍、钛、镁、铂、金或是其它金属，其形成方法例如是化学气相沉积法或物理气相沉积法。然而，本发明不限于此。在另一实施例中，当基板200为反射基板(例如是铝基板或其它反射材质基板)时，可不需在基板200上另外形成反射层160。值得一提的是所述铝基板较佳的是具有较小的粗糙度(如镜面)，以使基板200对特定波长的光线(例如是可见光)进行有效地反射。接着，在反射层160上形成保护层170，此保护层170是用以防止反射层160与其后所形成的光转换元件产生交互作用。保护层170的材质例如是二氧化硅、二氧化钛、三氧化二铝、氧化镁、氮化硅或其它光穿透率较佳的材料，其形成方法例如是化学气相沉积法、物理气相沉积法或旋转涂布法。
请参照图1D，之后，在保护层170上形成光转换元件130，此光转换元件130可将一特定波长范围的光线转换成另一特定波长范围的光线。举例来说，光转换元件130例如是闪烁体(scintillator)，其可将X光转换成可见光。在本发明中，光转换元件130包括光转换材料层140以及位于光转换材料层140上的经掺杂的光转换材料柱状结构层150。光转换材料层140的厚度实质上介于10微米至100微米之间，且光转换材料柱状结构层150的厚度实质上介于100微米至1000微米之间。在一实施例中，光转换材料层140的材质包括纯碘化铯(CsI)，其放射频谱约为290～340nm。而经掺杂的光转换材料柱状结构层150的材质包括掺杂铊的碘化铯(CsI:Tl)或是掺杂钠的碘化铯(CsI:Na)。掺杂铊的碘化铯(CsI:Tl)的放射频谱约为450～650nm，且掺杂钠的碘化铯(CsI:Na)的放射频谱约为370～500nm。根据另一实施例，上述经掺杂的光转换材料柱状结构层150中可进一步掺杂铕离子(Eu+)或钐离子(Sm+)。由于铕离子(Eu+)和钐离子(Sm+)与掺杂铊的碘化铯(CsI:Tl)发射出绿光。因此若在掺杂铊的碘化铯(CsI:Tl)中掺杂Eu+或Sm+可减少辉光效应。
承上所述，本发明的经掺杂的光转换材料柱状结构层150的发光频谱(450～650nm或370～500nm)与感应元件阵列110所接收的特定波长范围(450～620nm)的频谱重迭，且光转换材料层140的发光频谱(290～340nm)与感应元件阵列110所接收的特定波长范围(450～620nm)的频谱不重迭。换言之，由于上述的纯碘化铯的发光频谱在290纳米至340纳米之间，掺杂铊的碘化铯的发光频谱在450纳米至650纳米之间以及掺杂钠的碘化铯的发光频谱在370纳米至500纳米之间，且感应元件阵列110的非晶硅的光二极管的吸收频谱在450纳米至620纳米之间，因此当X光通过光转换元件130的经掺杂的光转换材料柱状结构层150时所转换成的光线(450～650nm或370～500nm)可被感应元件阵列110有效吸收，且通过光转换材料层140时所发射出的光线(290～340nm)因与感应元件阵列110吸收光谱不匹配因而不会被感应元件阵列110吸收。如此一来，位于光转换元件130底部的具有不规则的晶粒(grain)的光转换材料层140所导致的光散射就不会被感应元件阵列110吸收，因而可提高检测质量。
上述光转换元件130的形成方法包括以下步骤。如图3所示，首先在蒸镀腔室300内的载钵(boat)330a与330b上分别设置光转换材料蒸镀源310以及掺杂材料蒸镀源320。在一实施例中，光转换材料蒸镀源310包括纯碘化铯蒸镀源，而掺杂材料蒸镀源320包括铊蒸镀源或是钠蒸镀源。另外，在蒸镀腔室300内装设至少一基板350，其设置在蒸镀承载器(holder)340上。虽然图3的蒸镀腔室300内仅绘示一个基板，然，本发明不限于此，亦可装设两个以上的基板同时进行蒸镀步骤。另外，在本实施例中，基板350为图1C所示的已形成反射层160与保护层170的基板200。
本发明的光转换元件130的形成方法包括蒸镀步骤与共蒸镀步骤。首先，对基板350进行蒸镀步骤。即，打开挡板(shutter)360且加热光转换材料蒸镀源310，以于基板350上形成光转换材料层140。此蒸镀步骤所形成的光转换材料层140的厚度实质上介于10微米至100微米之间。接着，对基板350进行共蒸镀步骤。即，同时打开挡板360、370且同时加热光转换材料蒸镀源310以及掺杂材料蒸镀源320，以于光转换材料层140上形成经掺杂的光转换材料柱状结构层150。此共蒸镀步骤所形成的经掺杂的光转换材料柱状结构层150的厚度实质上介于100微米至1000微米之间。上述蒸镀步骤以及共蒸镀步骤的其它反应条件如下：基板350的温度为摄氏100～200度，光转换材料蒸镀源310的温度为摄氏620～680度，掺杂材料蒸镀源320的蒸镀速率为1～20埃/秒，且蒸镀腔室300内的压力为1×10-2～1×10-4托耳(Torr)。
于形成光转换元件130之后，请再参照图1D，接着，形成覆盖层180覆盖整个第二基板20的表面。然而，本发明不限于此。覆盖层180亦可仅覆盖光转换元件130的上表面130a以及至少一侧表面130b。此覆盖层180覆盖光转换元件130的表面，可保护光转换元件130减少其与环境中的水气与氧气反应，以有效地延长产品寿命。覆盖层180的材质例如是玻璃或聚合物等。聚合物例如是包括聚对二甲苯(parylene)、聚酰亚胺(polyimide，PI)或聚乙烯对苯二甲酸酯(polyethylene terephthalate，PET)等。如此一来，本实施例的第二基板20包括基板200、反射层160、保护层170、光转换元件130以及覆盖层180。
请参照图1E，然后，组立图1A的第一基板10与图1D的第二基板20，并在光转换元件130与感应元件阵列110之间填入填充层30，以黏合第一基板10与第二基板20而形成光检测器50。详言之，填充层30是位于光转换元件130的上表面130a上的覆盖层180与感应元件阵列110上的保护层120之间。填充层30例如是硅烷基类化合物、UV胶、透明光学胶(optically clear adhesive)、玻璃胶或热固化胶等黏性材料。
由图1E的实施例可知，光检测器50包括基板100、基板200以及光转换元件130。基板100具有感应元件阵列110，此感应元件阵列110用以接收特定波长范围的频谱。基板200设置在基板100的对向侧。光转换元件130位于感应元件阵列110与基板200之间，其中光转换元件130包括光转换材料层140以及经掺杂的光转换材料柱状结构层150。经掺杂的光转换材料柱状结构层150的发光频谱与感应元件阵列110所接收的特定波长范围的频谱重迭，且光转换材料层140的发光频谱与感应元件阵列110所接收的特定波长范围的频谱不重迭。更详细而言，光转换元件130设置在基板200上。基板200与光转换元件130之间可更包括设置反射层160，且光转换材料层140位于反射层160以及经掺杂的光转换材料柱状结构层150之间。此外，本发明的光检测器50可更包括保护层170、覆盖层180及填充层30。保护层170位于反射层160与光转换元件130之间。覆盖层180覆盖光转换元件130的上表面130a以及至少一侧表面130b。填充层30填充于光转换元件130与感应元件阵列110之间。
值得一提的是，在上一实施例中，如图1A至图1E所示光转换元件130是先形成在第二基板20上再与第一基板10黏合。也就是说，蒸镀腔室300内所蒸镀的基板350为图1C所示的已形成反射层160与保护层170的基板200。然而，本发明不限于此。在另一实施例中，如下文所述(如图2A至图2B所示)光转换元件130亦可以是直接形成在基板100上。也就是说，蒸镀腔室300内所蒸镀的基板350亦可以是已形成有感应元件阵列110与保护层120的基板100(如图1A所示的第一基板10)。
图2A至图2B为依照本发明的另一实施例的一种光检测器50’的制造方法的剖面示意图。此实施例与上述图1A至图1E的实施例相似，因此相同的元件以相同的符号表示，且不再重复说明。
请参照图2A，首先，在已形成有感应元件阵列110与保护层120的基板100上形成光转换元件130。此光转换元件130的形成方法可使用图3所示的蒸镀腔室300进行如上所述的蒸镀步骤与共蒸镀步骤，其中位于蒸镀腔室300中的基板350为已形成有感应元件阵列110与保护层120的基板100。
在已形成有感应元件阵列110与保护层120的基板100上形成光转换元件130之后，请参照图2B，接着，在光转换元件130的上表面130a上依序形成保护层170与反射层160。然后，形成覆盖层180以覆盖整个第一基板10’的表面，而形成光检测器50’。然而，本发明不限于此。覆盖层180也可仅覆盖光转换元件130的上表面130a以及至少一侧表面130b。如此一来，本实施例的第一基板10’包括基板100、感应元件阵列110、保护层120、光转换元件130、保护层170、反射层160以及覆盖层180。
图2B的实施例所示的光检测器50’包括基板100以及光转换元件130。基板100具有感应元件阵列110，此感应元件阵列110用以接收特定波长范围的频谱。光转换元件130位于基板100上并覆盖感应元件阵列110，其中光转换元件130包括光转换材料层140以及位于光转换材料层140上的经掺杂的光转换材料柱状结构层150。经掺杂的光转换材料柱状结构层150的发光频谱与感应元件阵列110所接收的特定波长范围的频谱重迭，且光转换材料层140的发光频谱与感应元件阵列110所接收的特定波长范围的频谱不重迭。更详细而言，光转换元件130设置在基板100的感应元件阵列110上。光转换元件130的上表面130a被反射层160覆盖，且经掺杂的光转换材料柱状结构层150位于光转换材料层140以及反射层160之间。图2B的实施例可更包括至少一覆盖层180覆盖反射层160。
综上所述，在本发明的光检测器及其制造方法中，光转换元件包括光转换材料层(例如纯碘化铯)以及经掺杂的光转换材料柱状结构层(例如掺杂铊的碘化铯或是掺杂钠的碘化铯)，其中经掺杂的光转换材料柱状结构层的发光频谱与感应元件阵列所接收的特定波长范围的频谱重迭，且光转换材料层的发光频谱与感应元件阵列所接收的特定波长范围的频谱不重迭。在形成经掺杂的光转换材料柱状结构层之前，由于本发明是先形成具有柱状结构的光转换材料层，再于此光转换材料层上形成经掺杂的光转换材料柱状结构层，因此可避免在沉积经掺杂的光转换材料柱状结构层的初期形成不规则的晶粒，进而可改善光散射的问题使影像的分辨率增加。本发明先进行蒸镀步骤形成具有较佳柱状结构的光转换材料层，再进行共蒸镀步骤形成具有更佳柱状结构的经掺杂的光转换材料柱状结构层，故本发明的光转换元件具有良好的柱状结构及优异的导光(lightguide)功能。
当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明权利要求的保护范围。

Claims (20)

1.一种光检测器，其特征在于，包括：
一第一基板，其具有一感应元件阵列，该感应元件阵列用以接收一特定波长范围的频谱；以及
一光转换元件，位于该感应元件阵列上，其中该光转换元件包括一光转换材料层以及一经掺杂的光转换材料柱状结构层，该经掺杂的光转换材料柱状结构层的发光频谱与该特定波长范围重迭，且该光转换材料层的发光频谱与该特定波长范围不重迭。
2.根据权利要求1所述的光检测器，其特征在于，该光检测器包括X光检测器。
3.根据权利要求1所述的光检测器，其特征在于，该感应元件阵列包括非晶硅的光二极管，且非晶硅的光二极管的该特定波长范围的频谱介于450纳米至620纳米之间。
4.根据权利要求1所述的光检测器，其特征在于，该光转换材料层包括纯碘化铯，且纯碘化铯的发光频谱介于290纳米至340纳米之间。
5.根据权利要求1所述的光检测器，其特征在于，该经掺杂的光转换材料柱状结构层包括掺杂铊的碘化铯或是掺杂钠的碘化铯。
6.根据权利要求5所述的光检测器，其特征在于，掺杂铊的碘化铯的发光频谱介于450纳米至650纳米之间，且掺杂钠的碘化铯的发光频谱介于370纳米至500纳米之间。
7.根据权利要求1所述的光检测器，其特征在于，该光转换材料层的厚度介于10微米至100微米之间，该经掺杂的光转换材料柱状结构层的厚度介于100微米至1000微米之间。
8.根据权利要求1所述的光检测器，其特征在于，更包括一第二基板，设置在该第一基板的对向侧，其中该光转换元件设置在该第二基板上，该第二基板与该光转换元件之间更包括设置一反射层，且该光转换材料层位于该反射层以及该经掺杂的光转换材料柱状结构层之间。
9.根据权利要求8所述的光检测器，其特征在于，更包括一保护层，位于该反射层与该光转换元件之间。
10.根据权利要求8所述的光检测器，其特征在于，更包括一覆盖层，覆盖该光转换元件的一上表面以及至少一侧表面。
11.根据权利要求8所述的光检测器，其特征在于，更包括一填充层，填充于该光转换元件与该感应元件阵列之间。
12.根据权利要求1所述的光检测器，其特征在于，该光转换元件设置在该第一基板上并覆盖该感应元件阵列，该光转换元件的该上表面被覆盖一反射层，且该经掺杂的光转换材料柱状结构层位于该光转换材料层以及该反射层之间。
13.根据权利要求12所述的光检测器，其特征在于，更包括至少一覆盖层，覆盖该反射层。
14.一种光检测器的制造方法，其特征在于，包括：
提供一第一基板；
形成一感应元件阵列于该第一基板上；以及
于该感应元件阵列上形成一光转换元件，其中该光转换元件包括一光转换材料层以及一经掺杂的光转换材料柱状结构层。
15.根据权利要求14所述的光检测器的制造方法，其特征在于，更包括:
提供一第二基板，其中该光转换元件形成在该第二基板上；
形成一反射层于该第二基板与该光转换元件之间，且该光转换材料层位于该反射层以及该经掺杂的光转换材料柱状结构层之间；以及
组立该第一基板与该第二基板，使得该经掺杂的光转换材料柱状结构层位于该光转换材料层与该感应元件阵列之间。
16.根据权利要求14所述的光检测器的制造方法，其特征在于，该光转换元件形成在该第一基板上并覆盖该感应元件阵列，且该光转换元件的该上表面上更包括形成一反射层，以使得该经掺杂的光转换材料柱状结构层位于该光转换材料层以及该反射层之间。
17.根据权利要求15或16所述的光检测器的制造方法，其特征在于，形成该光转换元件的方法包括：
在一蒸镀腔室内设置一光转换材料蒸镀源以及一掺杂材料蒸镀源；
在该蒸镀腔室内装设至少一基板；
使用该光转换材料蒸镀源对该基板进行一蒸镀步骤，以于该基板上形成该光转换材料层；以及
使用该光转换材料蒸镀源以及该掺杂材料蒸镀源对该基板进行一共蒸镀步骤，以于该光转换材料层上形成该经掺杂的光转换材料柱状结构层。
18.根据权利要求17所述的光检测器的制造方法，其特征在于，该光转换材料蒸镀源包括一纯碘化铯蒸镀源，该掺杂材料蒸镀源包括一铊蒸镀源或是一钠蒸镀源。
19.根据权利要求17所述的光检测器的制造方法，其特征在于，于进行该蒸镀步骤以及该共蒸镀步骤时，该基板的温度为摄氏100～200度，该光转换材料蒸镀源的温度为摄氏620～680度，该掺杂材料蒸镀源的蒸镀速率为1～20埃/秒，且该蒸镀腔室内的压力为1×10-2～1×10-4托耳。
20.根据权利要求14所述的光检测器的制造方法，其特征在于，该光转换材料层的厚度介于10微米至100微米之间，该经掺杂的光转换材料柱状结构层的厚度介于100微米至1000微米之间。
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