CN105679883A - 基于ZnO半导体的数字化X射线影像探测器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于ZnO半导体的数字化X射线影像探测器及其制备方法，包括基于ZnO半导体的光电转换器件、控制器、多路放大器、多路选择器、模数转换器及数据输出电路，基于ZnO半导体的光电转换器件的位线依次经多路放大器、多路选择器及模数转换器与数据输出电路相连接，控制器的输出端与基于ZnO半导体的光电转换器件的字线及偏压线、多路选择器的控制端、模数转换器的控制端及数据输出电路的控制端相连接。本发明的成本较低，性能稳定，使用寿命较长，并且制作方法简单。
Description
技术领域
本发明属于半导体X射线影像探测器件领域，涉及一种基于ZnO半导体的数字化X射线影像探测器及其制备方法。
背景技术
X线影像是目前临床常规诊断和无损检测手段之一，对各类疾病的诊断、金属探伤和安全检查等方面均具有重要意义。直接能量转换X射线影像探测器不仅具备高分辨率可以清晰显示物体细节，而且具有高灵敏度可大幅降低曝光射线量，被认为是平板探测器的最终发展方向。直接转换平板探测器主要由X射线光电探测器和薄膜晶体管阵列构成。
目前广泛应用的直接能量转化平板探测器采用a-Se光电探测材料。但是a-Se平板探测器的生产工艺不成熟，工作电压高，所以寿命短，故障率高，整体性能质量不高而且制造和维护成本较高。其它用于FPXI的X射线光电导膜层材料包括，多晶TlBr、PbI2、HgI2、CdZnTe和PbO等，其中HgI2、PbI2因其在大面积生长、高阻暗电流小以及大电荷收集效率方面获得突破，近年来已经被用于研制商用FPXI器件；由于来自材料和工艺的环保要求，碘化物、含铅材料、含镉材料以及含砷材料(a-Se敏感膜添加As以提高其稳定性)对环境有潜在的威胁，ZnO、GaN、SiC等宽禁带半导体材料在X射线探测器应用研究开始逐渐受到关注，但现有的X射线探测器件的成本较高，且性能稳定性较差。
在薄膜晶体管方面，从70年代开始，多晶硅和非晶硅TFT就被广泛研究并且最先实现产业化，但是多晶硅和非晶硅TFT的迁移率较低，在光照下性能退化，并且存在大尺寸均匀性问题，然而采用多晶硅和非晶硅TFT为衬底制备的X射线探测器件成本较高，使用寿命较短。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种基于ZnO半导体的数字化X射线影像探测器及其制备方法，该探测器的成本较低，性能稳定，使用寿命较长，并且制作方法简单。
为达到上述目的，本发明所述的基于ZnO半导体的数字化X射线影像探测器包括基于ZnO半导体的光电转换器件、控制器、多路放大器、多路选择器、模数转换器及数据输出电路，基于ZnO半导体的光电转换器件的位线依次经多路放大器、多路选择器及模数转换器与数据输出电路相连接，控制器的输出端与基于ZnO半导体的光电转换器件的字线及偏压线、多路选择器的控制端、模数转换器的控制端及数据输出电路的控制端相连接。
基于ZnO半导体的光电转换器件包括阵列分布的若干光电转换模块，所述光电转换模块包括玻璃衬底、源电极层、漏电极层、第一ZnO膜层、栅介质层、栅电极层、第二ZnO膜层、金属电极层、绝缘层、字线、偏压线及位线；
位线、源电极层及漏电极层位于玻璃衬底上，位线与源电极层相连接，漏电极层与位线及源电极层分离，第一ZnO膜层的两侧覆盖于漏电极层上表面的一侧与源电极层的上表面上，栅介质层与栅电极层自下到上依次设于第一ZnO膜层上，且栅介质层及栅电极层均与漏电极层分离，第二ZnO膜层及金属电极层自下到上依次设于漏电极层上表面的另一侧上，绝缘层覆盖于栅电极层及金属电极层的上表面，绝缘层上开设有第一引线孔及第二引线孔，字线及偏压线设于绝缘层的上表面，且字线与偏压线分离，字线的出线端穿过第一引线孔与栅电极层相连接，偏压线的出线端穿过第二引线孔与金属电极层相连接，各光电转换模块中字线的入线端及偏压线的入线端均与控制器的输出端相连接，各光电转换模块中的位线与多路放大器的输入端相连接。
本发明所述的基于ZnO半导体的数字化X射线影像探测器的制备方法包括以下步骤：
1)清洗并吹干玻璃衬底的表面；
2)在玻璃衬底的镀第一金属膜，再第一金属膜的上表面进行旋转涂胶、曝光及显影，并将第一金属膜刻蚀成位线、源电极层及漏电极层，然后再进行去胶；
3)在步骤2)得到的产品上镀第一ZnO膜，并在第一ZnO膜的上表面进行旋转涂胶、曝光及显影，再将第一ZnO膜刻蚀成第一ZnO膜层，然后再进行去胶；
4)在步骤3)得到的产品上镀栅介质膜，再在栅介质膜的上表面进行旋转涂胶、曝光及显影，再将栅介质膜刻蚀成栅介质层，然后再进行去胶；
5)在步骤4)得到的样品上镀第二ZnO膜，并在第二ZnO膜的上表面进行旋转涂胶、曝光及显影，再将第二ZnO膜刻蚀成第二ZnO膜层，然后再进行去胶；
6)在步骤5)得到的产品上旋转涂胶、曝光及显影，再镀金属膜，然后去胶，制备得到栅电极层及金属电极层；
7)在步骤6)得到的产品中镀绝缘层，并在绝缘层的上表面进行旋转涂胶、曝光及显影，再在绝缘层上刻蚀出第一引线孔及第二引线孔，然后再进行去胶；
8)在步骤7)得到的产品上镀第二金属膜，并在第二金属膜的上表面进行旋转涂胶、曝光及显影，再将第二金属膜刻蚀成字线及偏压线，然后再进行去胶；
9)将步骤8)得到产品放置到真空环境中进行热处理，得基于ZnO半导体的数字化X射线影像探测器。
步骤1)的具体操作为：将玻璃衬底在超声环境中依次放置到丙酮、乙醇和去离子水中各10min，然后再通过氮气吹干。
步骤3)中第一ZnO膜的厚度为150nm-250nm。
步骤2)、步骤3)、步骤4)、步骤5)、步骤7)及步骤8)的旋转涂胶的过程中甩胶机先以转速为900rpm-1100rpm甩胶15s，再以转速为2500rpm-3500rpm甩胶50s。
步骤2)、步骤3)、步骤4)、步骤5)、步骤7)及步骤8)中曝光及显影的具体操作过程均为：将旋转涂胶处理后的产品放置到紫外光下50s-100s，然后再显影40s-50s。
步骤3)中在步骤2)得到的产品上镀第一ZnO膜的具体操作过程为：采用纯度为99.99％的ZnO陶瓷靶、在氩气流量为10sccm、氧气流量为5sccm、溅射气压为1.2Pa、功率为120W、基底温度为250℃的条件下采用溅射法溅射20min-40min。
步骤5)中在步骤4)得到的样品上镀第二ZnO膜的具体操作过程为：采用纯度为99.99％的ZnO陶瓷靶、在氩气流量为10sccm、溅射气压为1.2Pa、功率为120W的条件下采用溅射法溅射10h。
步骤6)中旋转涂胶的过程中甩胶机先以转速为900rpm-1100rpm甩胶15s，然后以转速为2500rpm-3500rpm甩胶50s。
步骤6)中曝光及显影的具体操作过程为：将旋转涂胶处理后的样品放置到紫外光下50s-70s，然后再显影40s-50s。
步骤9)中将步骤8)得到产品放置到真空环境中进行热处理的过程为：将步骤8)得到的产品放置到高温炉中，再将高温炉加热至400℃-700℃，同时对高温炉进行抽真空，使高温炉内的气压小于10-4Pa，并保持60min。
本发明具有以下有益效果：
本发明所述的基于ZnO半导体的数字化X射线影像探测器包括基于ZnO半导体的光电转换器件、控制器、多路放大器、多路选择器、模数转换器及数据输出电路，通过基于ZnO半导体的光电转换器件将X射线信号直接转化为电信号，所述电信号依次经多路放大器、多路选择器及模数转换器后经数据输出电路输出，从而实现数字化X射线影像。本发明以ZnO材料为主体，制备成本较低，并且ZnO材料具有较强的耐辐照特性，从而有效的提高基于ZnO半导体的数字化X射线影像探测器的耐辐射特性及使用寿命。本发明所述的基于ZnO半导体的数字化X射线影像探测器的制备方法中基于ZnO半导体的光电转换器件由若干阵列分布的光电转换模块组成，从而使基于ZnO半导体的光电转换器件具有较高的灵敏度，同时衬底采用玻璃衬底，均匀性较好。另外在制备过程中，本发明采用旋转涂胶、曝光、显影及刻蚀的方法来进行各层的制备，制备工艺较为简单，制作成本较低。
附图说明
图1为本发明中光电转换模块的结构示意图；
图2为图1中A-A方向的截面图；
图3为图1中ZnOTFT的电路图；
图4为本发明中基于ZnO半导体的光电转换器件13的结构示意图；
图5为本发明的结构示意图；
图6为本发明中步骤2)得到的产品的结构示意图；
图7为本发明中步骤3)得到的产品的结构示意图；
图8为本发明中步骤4)得到的产品的结构示意图；
图9为本发明中步骤5)得到的产品的结构示意图；
图10为本发明中步骤6)得到的产品的结构示意图；
图11为本发明中步骤7)得到的产品的结构示意图；
图12为本发明中步骤8)得到的产品的结构示意图。
其中，1为玻璃衬底、2为漏电极层、3为源电极层、4为第一ZnO膜层、5为栅介质层、6为栅电极层、7为第二ZnO膜层、8为金属电极层、9为绝缘层、10为字线、11为偏压线、12为位线、13为基于ZnO半导体的光电转换器件、14为多路放大器、15为多路选择器、16为模数转换器、17为数据输出电路、18为控制器。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
参考图5，本发明所述的基于ZnO半导体的数字化X射线影像探测器包括基于ZnO半导体的光电转换器件13、控制器18、多路放大器14、多路选择器15、模数转换器16及数据输出电路17，基于ZnO半导体的光电转换器件13的位线12依次经多路放大器14、多路选择器15及模数转换器16与数据输出电路17相连接，控制器18的输出端与基于ZnO半导体的光电转换器件13的字线10及偏压线11、多路选择器15的控制端、模数转换器16的控制端及数据输出电路17的控制端相连接。
参考图1、图2、图3及图4，基于ZnO半导体的光电转换器件13包括阵列分布的若干光电转换模块，所述光电转换模块包括玻璃衬底1、源电极层3、漏电极层2、第一ZnO膜层4、栅介质层5、栅电极层6、第二ZnO膜层7、金属电极层8、绝缘层9、字线10、偏压线11及位线12；位线12、源电极层3及漏电极层2位于玻璃衬底1上，位线12与源电极层3相连接，漏电极层2与位线12及源电极层3分离，第一ZnO膜层4的两侧覆盖于漏电极层2上表面的一侧与源电极层3的上表面上，栅介质层5与栅电极层6自下到上依次设于第一ZnO膜层4上，且栅介质层5及栅电极层6均与漏电极层2分离，第二ZnO膜层7及金属电极层8自下到上依次设于漏电极层2上表面的另一侧上，绝缘层9覆盖于栅电极层6及金属电极层8的上表面，绝缘层9上开设有第一引线孔及第二引线孔，字线10及偏压线11设于绝缘层9的上表面，且字线10与偏压线11分离，字线10的出线端穿过第一引线孔与栅电极层6相连接，偏压线11的出线端穿过第二引线孔与金属电极层8相连接，各光电转换模块中字线10的入线端及偏压线11的入线端均与控制器18的输出端相连接，各光电转换模块中的位线12与多路放大器14的输入端相连接。
本发明所述的基于ZnO半导体的数字化X射线影像探测器的制备方法包括以下步骤：
1)清洗并吹干玻璃衬底1的表面；
2)参考图6，在玻璃衬底1的镀第一金属膜，再第一金属膜的上表面进行旋转涂胶、曝光及显影，并将第一金属膜刻蚀成位线12、源电极层3及漏电极层2，然后再进行去胶；
3)参考图7，在步骤2)得到的产品上镀第一ZnO膜，并在第一ZnO膜的上表面进行旋转涂胶、曝光及显影，再将第一ZnO膜刻蚀成第一ZnO膜层4，然后再进行去胶；
4)参考图8，在步骤3)得到的产品上镀栅介质膜，再在栅介质膜的上表面进行旋转涂胶、曝光及显影，再将栅介质膜刻蚀成栅介质层5，然后再进行去胶；
5)参考图9，在步骤4)得到的样品上镀第二ZnO膜，并在第二ZnO膜的上表面进行旋转涂胶、曝光及显影，再将第二ZnO膜刻蚀成第二ZnO膜层7，然后再进行去胶；
6)参考图10，在步骤5)得到的产品上旋转涂胶、曝光及显影，再镀金属膜，然后去胶，制备得到栅电极层6及金属电极层8；
7)参考图11，在步骤6)得到的产品中镀绝缘层9，并在绝缘层9的上表面进行旋转涂胶、曝光及显影，再在绝缘层9上刻蚀出第一引线孔及第二引线孔，然后再进行去胶；
8)参考图12，在步骤7)得到的产品上镀第二金属膜，并在第二金属膜的上表面进行旋转涂胶、曝光及显影，再将第二金属膜刻蚀成字线10及偏压线11，然后再进行去胶；
9)将步骤8)得到产品放置到真空环境中进行热处理，得基于ZnO半导体的数字化X射线影像探测器。
步骤1)的具体操作为：将玻璃衬底1在超声环境中依次放置到丙酮、乙醇和去离子水中各10min，然后再通过氮气吹干。
步骤3)中第一ZnO膜的厚度为150nm-250nm。
步骤2)、步骤3)、步骤4)、步骤5)、步骤7)及步骤8)的旋转涂胶的过程中甩胶机先以转速为900rpm-1100rpm甩胶15s，再以转速为2500rpm-3500rpm甩胶50s。
步骤2)、步骤3)、步骤4)、步骤5)、步骤7)及步骤8)中曝光及显影的具体操作过程均为：将旋转涂胶处理后的产品放置到紫外光下50s-100s，然后再显影40s-50s。
步骤3)中在步骤2)得到的产品上镀第一ZnO膜的具体操作过程为：采用纯度为99.99％的ZnO陶瓷靶、在氩气流量为10sccm、氧气流量为5sccm、溅射气压为1.2Pa、功率为120W、基底温度为250℃的条件下采用溅射法溅射20min-40min。
步骤5)中在步骤4)得到的样品上镀第二ZnO膜的具体操作过程为：采用纯度为99.99％的ZnO陶瓷靶、在氩气流量为10sccm、溅射气压为1.2Pa、功率为120W的条件下采用溅射法溅射10h。
步骤6)中旋转涂胶的过程中甩胶机先以转速为900rpm-1100rpm甩胶15s，然后以转速为2500rpm-3500rpm甩胶50s。
步骤6)中曝光及显影的具体操作过程为：将旋转涂胶处理后的样品放置到紫外光下50s-70s，然后再显影40s-50s。
步骤9)中将步骤8)得到产品放置到真空环境中进行热处理的过程为：将步骤8)得到的产品放置到高温炉中，再将高温炉加热至400℃-700℃，同时对高温炉进行抽真空，使高温炉内的气压小于10-4Pa，并保持60min。
ZnOX射线光电传感器包括光电导型和肖特基结型X射线探测器；绝缘层9采用SiO2、Al2O3或SiNx；偏压线11、位线12和字线10采用金属Cr、Al、Ag、Cu或Au。
Claims (10)
1.一种基于ZnO半导体的数字化X射线影像探测器，其特征在于，包括基于ZnO半导体的光电转换器件(13)、控制器(18)、多路放大器(14)、多路选择器(15)、模数转换器(16)及数据输出电路(17)，基于ZnO半导体的光电转换器件(13)的位线(12)依次经多路放大器(14)、多路选择器(15)及模数转换器(16)与数据输出电路(17)相连接，控制器(18)的输出端与基于ZnO半导体的光电转换器件(13)的字线(10)及偏压线(11)、多路选择器(15)的控制端、模数转换器(16)的控制端及数据输出电路(17)的控制端相连接。
2.根据权利要求1所述的基于ZnO半导体的数字化X射线影像探测器，其特征在于，基于ZnO半导体的光电转换器件(13)包括阵列分布的若干光电转换模块，所述光电转换模块包括玻璃衬底(1)、源电极层(3)、漏电极层(2)、第一ZnO膜层(4)、栅介质层(5)、栅电极层(6)、第二ZnO膜层(7)、金属电极层(8)、绝缘层(9)、字线(10)、偏压线(11)及位线(12)；
位线(12)、源电极层(3)及漏电极层(2)位于玻璃衬底(1)上，位线(12)与源电极层(3)相连接，漏电极层(2)与位线(12)及源电极层(3)分离，第一ZnO膜层(4)的两侧覆盖于漏电极层(2)上表面的一侧与源电极层(3)的上表面上，栅介质层(5)与栅电极层(6)自下到上依次设于第一ZnO膜层(4)上，且栅介质层(5)及栅电极层(6)均与漏电极层(2)分离，第二ZnO膜层(7)及金属电极层(8)自下到上依次设于漏电极层(2)上表面的另一侧上，绝缘层(9)覆盖于栅电极层(6)及金属电极层(8)的上表面，绝缘层(9)上开设有第一引线孔及第二引线孔，字线(10)及偏压线(11)设于绝缘层(9)的上表面，且字线(10)与偏压线(11)分离，字线(10)的出线端穿过第一引线孔与栅电极层(6)相连接，偏压线(11)的出线端穿过第二引线孔与金属电极层(8)相连接，各光电转换模块中字线(10)的入线端及偏压线(11)的入线端均与控制器(18)的输出端相连接，各光电转换模块中的位线(12)与多路放大器(14)的输入端相连接。
3.一种如权利要求2所述的基于ZnO半导体的数字化X射线影像探测器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)清洗并吹干玻璃衬底(1)的表面；
2)在玻璃衬底(1)的镀第一金属膜，再第一金属膜的上表面进行旋转涂胶、曝光及显影，并将第一金属膜刻蚀成位线(12)、源电极层(3)及漏电极层(2)，然后再进行去胶；
3)在步骤2)得到的产品上镀第一ZnO膜，并在第一ZnO膜的上表面进行旋转涂胶、曝光及显影，再将第一ZnO膜刻蚀成第一ZnO膜层(4)，然后再进行去胶；
4)在步骤3)得到的产品上镀栅介质膜，再在栅介质膜的上表面进行旋转涂胶、曝光及显影，再将栅介质膜刻蚀成栅介质层(5)，然后再进行去胶；
5)在步骤4)得到的样品上镀第二ZnO膜，并在第二ZnO膜的上表面进行旋转涂胶、曝光及显影，再将第二ZnO膜刻蚀成第二ZnO膜层(7)，然后再进行去胶；
6)在步骤5)得到的产品上旋转涂胶、曝光及显影，再镀金属膜，然后去胶，制备得到栅电极层(6)及金属电极层(8)；
7)在步骤6)得到的产品中镀绝缘层(9)，并在绝缘层(9)的上表面进行旋转涂胶、曝光及显影，再在绝缘层(9)上刻蚀出第一引线孔及第二引线孔，然后再进行去胶；
8)在步骤7)得到的产品上镀第二金属膜，并在第二金属膜的上表面进行旋转涂胶、曝光及显影，再将第二金属膜刻蚀成字线(10)及偏压线(11)，然后再进行去胶；
9)将步骤8)得到产品放置到真空环境中进行热处理，得基于ZnO半导体的数字化X射线影像探测器。
4.根据权利要求3所述的基于ZnO半导体的数字化X射线影像探测器的制备方法，其特征在于，步骤1)的具体操作为：将玻璃衬底(1)在超声环境中依次放置到丙酮、乙醇和去离子水中各10min，然后再通过氮气吹干。
5.根据权利要求3所述的基于ZnO半导体的数字化X射线影像探测器的制备方法，其特征在于，步骤3)中第一ZnO膜的厚度为150nm-250nm。
6.根据权利要求3所述的基于ZnO半导体的数字化X射线影像探测器的制备方法，其特征在于，
步骤2)、步骤3)、步骤4)、步骤5)、步骤7)及步骤8)的旋转涂胶的过程中甩胶机先以转速为900rpm-1100rpm甩胶15s，再以转速为2500rpm-3500rpm甩胶50s；
步骤2)、步骤3)、步骤4)、步骤5)、步骤7)及步骤8)中曝光及显影的具体操作过程均为：将旋转涂胶处理后的产品放置到紫外光下50s-100s，然后再显影40s-50s。
7.根据权利要求3所述的基于ZnO半导体的数字化X射线影像探测器的制备方法，其特征在于，步骤3)中在步骤2)得到的产品上镀第一ZnO膜的具体操作过程为：采用纯度为99.99％的ZnO陶瓷靶、在氩气流量为10sccm、氧气流量为5sccm、溅射气压为1.2Pa、功率为120W、基底温度为250℃的条件下采用溅射法溅射20min-40min。
8.根据权利要求3所述的基于ZnO半导体的数字化X射线影像探测器的制备方法，其特征在于，步骤5)中在步骤4)得到的样品上镀第二ZnO膜的具体操作过程为：采用纯度为99.99％的ZnO陶瓷靶、在氩气流量为10sccm、溅射气压为1.2Pa、功率为120W的条件下采用溅射法溅射10h。
9.根据权利要求3所述的基于ZnO半导体的数字化X射线影像探测器的制备方法，其特征在于，
步骤6)中旋转涂胶的过程中甩胶机先以转速为900rpm-1100rpm甩胶15s，然后以转速为2500rpm-3500rpm甩胶50s；
步骤6)中曝光及显影的具体操作过程为：将旋转涂胶处理后的样品放置到紫外光下50s-70s，然后再显影40s-50s。
10.根据权利要求3所述的基于ZnO半导体的数字化X射线影像探测器的制备方法，其特征在于，步骤9)中将步骤8)得到产品放置到真空环境中进行热处理的过程为：将步骤8)得到的产品放置到高温炉中，再将高温炉加热至400℃-700℃，同时对高温炉进行抽真空，使高温炉内的气压小于10-4Pa，并保持60min。
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