CN105244404B - 集成光电传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种集成光电传感器，该集成光电传感器包括衬底以及依次设置在该衬底上的第一电极层、绝缘层、半导体材料层以及第二电极层，该第一电极层包括一晶体管的栅极，该半导体材料层包括该晶体管的沟道以及一光敏元件的感光部分，该第二电极层包括该晶体管的源极与漏极以及该光敏元件的第一电极与第二电极，其中，该第二电极与该源极或者该漏极连接。本发明所提供集成光电传感器，体积小，结构简单，便于大规模生产从而降低成本。
Description
技术领域
本发明涉及传感器领域，特别涉及一种集成光电传感器。
背景技术
在光电检测技术领域内，光电传感器是一种被普遍应用的检测装置，光电传感器将检测到的光信号转换成与之对应的电信号。通常，光电传感器输出的电信号为微弱的电流，为了满足对信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等功能的要求，在实际应用中，需采用放大电路将该微弱的电流信号放大并转换成电压信号输出给后续电路进行处理。其中，最简单的方法是将传感器与大额电阻串联。请参考图1，图1为现有技术中的一种光电传感器的电路结构示意图。如图1所示，该光电传感器10包括光电二极管11、电阻12和输出端Vout，该光电二极管11的正极连接一电源VDD，负极连接该输出端Vout，并经由该电阻12接地。当有光照射到该光电二极管11上的时候，该光电二极管11产生微弱的电流，该微弱的电流流经该电阻12时，该电阻12两端产生电压信号，使该输出端Vout输出一个相对较大的电压。
目前，电子工业中一个主要的驱动力是希望获得更大的功能集成，如将多种元器件集成在一起使之具有体积小、重量轻、引出线和焊接点少、可靠性高等优点，并且便于大规模生产以降低成本。对于图1所示的光电传感器10，如果将能将电阻12与光电二极管11上集成在一起，对降低传感器产品的成本、减小产品尺寸将有重要的意义。然而，在实际制备过程中，难以将电阻12以薄膜的形式与光电二极管11集成在同一片衬底上，因此，如图1所示，光电二极管11通常只能采用外接电阻12或运算放大器来实现将其传出的微弱电流信号放大并转换成电压信号，因此导致了光电传感器10体积过大，结构复杂。
发明内容
本发明的目的包括提供一种集成光电传感器，以解决现有技术中光电传感器体积过大，结构复杂的问题。
具体地，本发明的实施例提供一种集成光电传感器，该集成光电传感器包括衬底以及依次设置在该衬底上的第一电极层、绝缘层、半导体材料层以及第二电极层，该第一电极层包括一晶体管的栅极，该半导体材料层包括该晶体管的沟道以及一光敏元件的感光部分，该第二电极层包括该晶体管的源极与漏极以及该光敏元件的第一电极与第二电极，其中，该第二电极与该源极或者该漏极连接。
优选地，该第二电极层进一步包括一第一通孔，该第一通孔形成在该两个电极之间，该第一通孔曝露出该感光部分，使该感光部分可以接收外部光线。
优选地，该集成光电传感器进一步包括设置在该第二电极层上的遮光层，该遮光层用于遮住该晶体管。
优选地，该第二电极层进一步包括一第二通孔，该第二通孔形成在该源极与该漏极之间，该遮光层形成在该源极、该漏极以及该半导体材料层对应该第二通孔的地方上。
优选地，该光敏元件为光电二极管，该第一电极为该光电二极管的正极，该第二电极为该光电二极管的负极。
优选地，该半导体材料层的材料为氧化锌。
优选地，该绝缘层的材料为氧化硅。
本发明的实施例还提供一种集成光电传感器，该集成光电传感器包括集成在同一衬底上的光敏元件和薄膜晶体管，该光敏元件用于接收外部光线并产生电信号，该薄膜晶体管用于放大该电信号并输出放大后的电信号，其中，该光敏元件包括第一电极与第二电极，该薄膜晶体管包括控制端、第一通路端与第二通路端，该第一电极用于连接一电源，该第二电极连接该第一通路端，且该第一通路端作为该集成光电传感器的输出端输出经该薄膜晶体管放大的电信号，该第二通路端接地，该控制端用于接收一控制信号。
优选地，该光敏元件为光电二极管，该第一电极为该光电二极管的正极，该第二电极为该光电二极管的负极。
优选地，该薄膜晶体管的控制端为栅极，该第一通路端与该第二通路端分别为源极和漏极。
由于本发明所提供的集成光电传感器利用薄膜晶体管用作放大功能，并且将光敏元件与薄膜晶体管集成在同一衬底上，由于该光敏元件与该薄膜晶体管共用衬底、绝缘层以及半导体材料层，使该集成光电传感器的体积小，结构简单，从而解决了现有技术中光电传感器只能采用外接运算放大器或电阻来实现放大电信号的功能从而导致的光电传感器体积过大，结构复杂的问题。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图，详细说明如下。
附图说明
图1为现有技术中的一种光电传感器的电路结构示意图。
图2为本发明的实施例所提供的一种集成光电传感器的电路结构示意图。
图3为图2所示的一种集成光电传感器的剖面结构示意图。
具体实施方式
为更进一步阐述本发明为达成预定目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提出的集成光电传感器的具体实施方式、方法、步骤、结构、特征及功效，详细说明如后。
有关本发明的前述及其他技术内容、特点及功效，在以下配合参考图式的较佳实施例详细说明中将可清楚的呈现。通过具体实施方式的说明，当可对本发明为达成预定目的所采取的技术手段及功效得以更加深入且具体的了解，然而所附图式仅是提供参考与说明之用，并非用来对本发明加以限制。
请参考图2，图2为本发明的实施例所提供的一种集成光电传感器的电路结构示意图。如图2所示，该集成光电传感器20包括集成在同一衬底上的光敏元件21和晶体管22，该光敏元件21用于接收外部光线并产生电信号，该晶体管22为薄膜晶体管，用于放大该电信号并输出放大后的电信号。其中，该光敏元件21包括第一电极2040与第二电极2041，该光敏元件21可为光电二极管，该第一电极2040为该光电二极管的正极，该第二电极2041为该光电二极管的负极。该晶体管22包括控制端、第一通路端与第二通路端，该控制端为栅极2014，该第一通路端与该第二通路端分别为源极2042和漏极2043。该第一电极2040用于连接一电源VDD，该第二电极2041连接该第一通路端，且该第一通路端作为该集成光电传感器20的输出端Vout输出经该晶体管22放大的电信号，该第二通路端接地，该控制端用于接收一控制信号Vgs，该控制信号Vgs用于使该晶体管22导通以对光敏元件21产生的电信号进行放大。
在该集成光电传感器20工作时，该晶体管22经由控制端所接收的控制信号Vgs开启，源极和漏极导通。当有外部光线照射到该光敏元件21上时，该光敏元件21产生微弱的电流，由于该晶体管22有一定的导通电阻(当该晶体管22的半导体材料层为氧化锌时，该导通电阻在约为10K欧姆)，从该光敏元件21流出的微弱电流流经该晶体管22时，使该晶体管22在源极和漏极之间产生一个电压信号，该输出端Vout输出该电压信号，完成将电流放大并转化成电压的过程。
请参考图3，图3为图2所示的集成光电传感器20的一种剖面结构示意图。该集成光电传感器20包括衬底200以及依次设置在该衬底200上的第一电极层201、绝缘层202、半导体材料层203、第二电极层204以及遮光层205，该第一电极层201包括晶体管22的栅极2014，该半导体材料层203包括该晶体管22的沟道以及该光敏元件21的感光部分，该第二电极层204包括该晶体管22的源极2042与漏极2043以及该光敏元件21的第一电极2040与第二电极2041，其中，该第二电极2041与该源极2042连接，该遮光层205用于遮住该晶体管22。
该第二电极层204进一步包括第一通孔206和第二通孔(未标示)，该第一通孔206形成在该第一电极2040与第二电极2041之间，该第一通孔206曝露出该感光部分，使该感光部分可以接收外部光线，该第二通孔形成在该源极2042与该漏极2043之间，该遮光层205形成在该源极2042、该漏极2043以及该半导体材料层203对应该第二通孔的地方上。
优选地，该半导体材料层的材料为氧化锌。
优选地，该绝缘层的材料为氧化硅。
需要说明的是，该半导体材料层203不限于氧化锌材料，也可以是可以使该晶体管22的导通电阻比较大的其他半导体材料，并且在其他实施方式中，该光敏元件21、晶体管22的半导体材料层203也可是不同半导体材料。
请再参考图3，该集成光电传感器20的制造过程包括以下步骤：
步骤1，提供衬底200，并在该衬底200上形成该第一电极层201。在本步骤中，首先在该衬底200上依次形成一第一金属层与一光阻层，接着利用一光掩模对光阻层进行一道曝光工艺，以形成图案化的光阻层；再利用图案化的光阻层作为蚀刻掩模以蚀刻该第一金属层以形成第一电极层201，该第一电极层201包括晶体管22的栅极2014。
步骤2，形成绝缘层202。绝缘层202可通过低温化学气相沉积法或旋转涂布法形成在衬底200和第一电极层201上，但不限于此。绝缘层202的材料为氧化锌，但不限于此，也可以是无机材料(例如、氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、碳化硅、氧化铪、氧化铝等)或有机材料(例如为苯并环丁烯、环烯类、聚酰亚胺类、聚酰胺类、聚酯类、聚醇类、聚环氧乙烷类、聚苯类、树脂类、聚醚类、聚酮类等)。
步骤3，形成半导体材料层203。在绝缘层202上通过例如是化学气相沉积法形成一半导体材料层203。半导体材料层203的材料为氧化硅，但不限于此，也可以是无机材料、有机材料或者是有机无机复合材料。
步骤4，形成第二电极层204。在本步骤中，首先在该半导体材料层203依次形成一第二金属层与一光阻层，接着利用一光掩模对光阻层进行一道曝光工艺，以形成图案化的光阻层；再利用图案化的光阻层作为蚀刻掩模以蚀刻该第二金属层以形成第二电极层204，该第二电极层204包括光敏元件21的第一电极2040和第二电极2041，晶体管22的源极2042和漏极2043，并且在该第一电极2040和该第二电极2041之间形成第一通孔206，在该源极2042和该漏极2043之间形成第二通孔(未标示)。
步骤5，形成遮光层205。在本步骤中，首先在该第二电极层204上依次形成一遮光材料层与一光阻层，接着利用一光掩模对光阻层进行一道曝光工艺，以形成图案化的光阻层；再利用图案化的光阻层作为蚀刻掩模以蚀刻该遮光层以在该源极2042、该漏极2043以及该第二通孔的上方形成一层遮光层205。
至此，该集成光电传感器20上的各元件的制作基本完成。
由于本发明所提供的集成光电传感器20利用晶体管22的放大功能，并且将光敏元件21与晶体管22集成在同一衬底200上，由于该光光敏元件21与该晶体管22共用衬底200、绝缘层202以及半导体材料层203，使该集成光电传感器20的体积小，结构简单，从而解决了现有技术中光电传感器只能采用外接运算放大器或电阻来实现电压放大的功能从而导致的光电传感器体积过大，结构复杂的问题。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。
Claims (9)
1.一种集成光电传感器，其特征在于，该集成光电传感器包括衬底以及依次设置在该衬底上的第一电极层、绝缘层、半导体材料层、第二电极层，该第一电极层包括一晶体管的栅极，该半导体材料层包括该晶体管的沟道以及一光敏元件的感光部分，该第二电极层为图案化的金属层，该第二电极层包括该晶体管的源极与漏极以及该光敏元件的第一电极与第二电极，其中，该第二电极与该源极连接，该集成光电传感器进一步包括设置在该第二电极层上的遮光层，该遮光层用于遮住该晶体管。
2.根据权利要求1所述的集成光电传感器，其特征在于，该第二电极层进一步包括一第一通孔，该第一通孔形成在该第一电极与该第二电极之间，该第一通孔曝露出该感光部分，使该感光部分可以接收外部光线。
3.根据权利要求1所述的集成光电传感器，其特征在于，该第二电极层进一步包括一第二通孔，该第二通孔形成在该源极与该漏极之间，该遮光层形成在该源极、该漏极以及该半导体材料层对应该第二通孔的地方上。
4.根据权利要求1所述的集成光电传感器，其特征在于，该光敏元件为光电二极管，该第一电极为该光电二极管的正极，该第二电极为该光电二极管的负极。
5.根据权利要求1所述的集成光电传感器，其特征在于，该半导体材料层的材料为氧化锌。
6.根据权利要求1所述的集成光电传感器，其特征在于，该绝缘层的材料为氧化硅。
7.一种集成光电传感器，其特征在于，该集成光电传感器包括集成在同一衬底上的光敏元件和薄膜晶体管，该光敏元件用于接收外部光线并产生电信号，该薄膜晶体管用于放大该电信号并输出放大后的电信号，其中，该光敏元件包括第一电极与第二电极，该薄膜晶体管包括控制端、第一通路端与第二通路端，该第一电极用于连接一电源，该第二电极连接该第一通路端，且该第一通路端作为该集成光电传感器的输出端输出经该薄膜晶体管放大的电信号，该第二通路端接地，该控制端用于接收一控制信号。
8.根据权利要求7所述的集成光电传感器，其特征在于，该光敏元件为光电二极管，该第一电极为该光电二极管的正极，该第二电极为该光电二极管的负极。
9.根据权利要求7所述的集成光电传感器，其特征在于，该薄膜晶体管的控制端为栅极，该第一通路端与该第二通路端分别为源极和漏极。
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