CN107623011A - 用于x射线探测器的薄膜晶体管阵列基板和x射线探测器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于X射线探测器的薄膜晶体管阵列基板及其X射线探测器，包括：基板、栅极布线、栅极绝缘层、有源层、源电极和漏电极、第一绝缘层、光电二极管、第二绝缘层、数据线、遮光金属层、透明电极层以及第三绝缘层，其中，光电二极管形成在像素区域中，并且包括电连接到源电极的下部电极、形成在下部电极上的光电导层、以及形成在光电导层上的上部电极；数据线，形成在该第二绝缘层上，并自贯穿第一绝缘层及第二绝缘层的接触孔电连接漏电极；遮光金属层，形成于该第二绝缘层上，遮光金属层与有源层交叠；透明电极层，形成于该第二绝缘层上，透明电极层电连接上部电极，且透明电极层电连接于遮光金属层。

Description

用于X射线探测器的薄膜晶体管阵列基板和X射线探测器

技术领域

本发明涉及用于X射线探测器的薄膜晶体管(TFT)阵列基板和具有TFT阵列基板的X射线探测器。更具体地，本发明涉及用于X射线探测器，能够提高可靠性的TFT阵列基板和具有所述TFT阵列基板的X射线探测器。

背景技术

通常，X射线是易于穿过物体的短波长辐射，并且X射线的透射率根据该物体的密度来确定。即，可以通过穿过物体的X射线量来间接观察该物体的内部状态。X射线检测器是检测穿过物体的X射线量的设备。X射线检测器检测X射线的透射率并且通过显示设备来显示物体的内部状态。X射线检测器通常可以用作医学检查器、非破坏性检查器等。

目前在国内外市场上流通的X射线平板探测器都是基于非晶硅薄膜晶体管(ThinFilm Transistor，TFT)阵列检测技术发展起来的。从原理上分为两种：一种是间接能量转换型，如西门子、菲利浦、GE、PerkinElmer公司的产品，一种是直接能量转换型，如HOLOGIC公司产品。其中，由于间接能量转换型X射线平板探测器具有转换效率高、动态范围广、空间分辨率高、环境适应性强等优点，所以是目前X射线平板探测器市场的主流。经过几十年的发展，TFT技术已很成熟，空间分辨率很高，成本也大幅度降低。

间接能量转换型平板探测器亦分两步完成工作：第一步，X射线经过闪烁晶体(碘化铯或磷)产生可见光；第二步，可见光被入射到平板上的PIN结二极管的本征硅层时，在硅中产生电子和空穴。P-型硅(“p-Si”)层的上层被在约5V到约7V之间的负电压偏置，负电荷的电子向与p-Si层的方向不同的n型硅(“n-Si”)层的方向移动。移动到n-Si层的电子经过TFT基板上的源极-漏极层，并在读出集成电路(“ROIC”)上聚集。TFT电路的栅极层被驱动以读出聚集的电子。从每个像素读出的信号是具有光电流单元的模拟信号。所述模拟信号根据入射到每个像素单元的光的数量而有所不同。例如，入射到闪烁体的X射线的强度根据对象的密度而不同。根据光的数量和像素单元而有所不同的模拟信号通过ADC被数字化，以使数字图像显示在屏幕上。

但是，随着影像解析度要求的提升，像素单元的尺寸越来越小，由原本200μm到目前的150μm，在像素单元的尺寸不断缩小的发展趋势下，TFT结构受现有的制程能力的限制而在每个像素单元中有较为固定的尺寸，如何使得光电二极管(Photodiode)还需维持一定的填充系数(Fill Factor)是个需克服的课题。

此外，像素单元的尺寸不断缩小，数据线(Data line)所产生的热噪声(thermalnoise)与光电二极管的填充系数(Fill Factor)是影响影像品质的主要因素。热噪声(thermal noise)正比于C*R1/2。其中，R是Data line的阻抗，C包含导电层(栅极、源电极、漏电极、数据线及/或公共电极)重叠所产生的电容。

因此，如何兼具降低热噪声(thermal noise)与维持较大的填充系数(FillFactor)会是当前需面临的课题。

发明内容

因此，本发明针对一种数字X射线检测器的薄膜晶体管阵列基板，其基本上消除了由于现有技术的限制和缺点而引起的一个或更多个问题。

本发明的目的之一在于提供一种用于X射线检测器的薄膜晶体管阵列基板，以降低数据线上的热噪声，同时提高光电二极管的填充系数。

一种用于X射线探测器的薄膜晶体管阵列基板包括：基板；栅极布线，形成在该基板上，包括栅极线和电连接到该栅极线的栅电极；栅极绝缘层，覆盖该栅极布线；有源层，形成在该栅绝缘层上，且与该栅电极交叠；源电极和漏电极，形成于该有源层上，该源电极与该漏电极相互间隔开；第一绝缘层，形成在该源电极和该漏电极上，且该第一绝缘层具有第一开孔，部分该源电极自该第一开孔中暴露出；光电二极管，形成在像素区域中，并且包括电连接到该源电极的下部电极、形成在下部电极上的光电导层、以及形成在光电导层上的上部电极，光电导层使用外部提供的光来产生电子和空穴；第二绝缘层，形成在该光电二极管上，具有接触孔及第二开孔，该接触孔贯穿该第二绝缘层及该第一绝缘层并使得部分该漏电极自该第一接触孔中暴露出，且该光电二极管的部分该上部电极自该第二开孔暴露出；数据线，形成在该第二绝缘层上，并自该接触孔电连接该漏电极；遮光金属层，形成于该第二绝缘层上，且该遮光金属层在该基板上垂直投影遮盖该有源层在该基板上的垂直投影；透明电极层，形成于该第二绝缘层上，该透明电极层电连接自该第二开孔中暴露中的该上部电极，且该透明电极层电连接于该遮光金属层；以及，第三绝缘层，覆盖该数据线、该遮光金属层及该透明电极层。

在本发明一实施例中，该数据线与该遮光金属层于不同的制程步骤中形成。

在本发明一实施例中，该遮光金属层包括低熔点合金。

在本发明一实施例中，该低熔点合金的熔点低于232℃。

在本发明一实施例中，该低熔点合金包括铋、锡、铅及铟的至少其中之一。

在本发明一实施例中，该透明电极层的材料为选自金属导电氧化物、金属网格线或者导电石墨烯。

在本发明一实施例中，该透明电极层为公共电极层。

在本发明一实施例中，该有源层为非晶硅薄膜层、低温多晶硅薄膜层、非晶硅薄膜层与氧化铟镓锡金属薄膜层的层叠体或者有机半导体层。

本发明的另一目的在于提供一种X射线探测器，包括：闪烁体，用于将X射线转换为可见光；以及，如上所述的用于X射线探测器的薄膜晶体管阵列基板，用于识别可见光，并形成数据信号。

在本发明一实施例中，闪烁体由选自掺铊碘化铯、掺铽硫氧化钆、碲化镉和高纯硅中的至少一种组成。

与现有技术相比，本发明藉由在不同的制程步骤中分别形成数据线及遮光金属，且遮光金属与透明导电层电性连接，以降低数据线上的热噪声，同时提高光电二极管的填充系数。此外，遮光金属层采用低熔点金属，在遮光金属层与栅极短接时，利用低熔点的特性，遮光金属层熔断使得对应像素单元不能被点亮，避免了因遮光金属层与栅极短接时形成的亮点。

附图说明

图1为本发明的用于X射线检测器的薄膜晶体管阵列基板的像素单元的平面图；

图2为图1中的像素单元沿着虚线A-A’的截面示意图；

图3A至图3L为图1中的像素单元形成过程的剖面示意图。

具体实施方式

为使得对本发明的内容有更清楚及更准确的理解，现在将结合附图详细说明，说明书附图示出本发明的实施例的示例，其中，相同的标号表示相同的元件。可以理解的是，说明书附图示出的比例并非本发明实际实施的比例，其仅为示意说明为目的，并未依照原尺寸作图。

图1为本发明的用于X射线检测器的薄膜晶体管阵列基板的像素单元的平面图；图2为图1中的像素单元沿着虚线A-A’的截面示意图。

如图1及图2所示，薄膜晶体管阵列基板检测从能量源中发射的X射线，将检测到的X射线转换成电信号并且输出所述电信号。薄膜晶体管阵列基板包括：多条栅极线101；多条数据线107，多条数据线107沿着与栅极线101垂直的方向布置，以限定各个单元区域；以及多个感光像素100，多个感光像素100通过栅极线101和数据线107在各个单元区域中以矩阵形式布置。

每个感光像素100包括：光电二极管105，所述光电二极管105检测X射线并且输出检测信号(例如，光检测电压)；以及至少一个开关器件，至少一个开关器件响应于扫描脉冲来发送从光电二极管105输出的检测信号。例如，所述开关器件是薄膜晶体管(TFT)。

光电二极管105感测从X射线能量源(未图示)中发射的X射线并且输出感测到的信号作为检测信号。光电二极管105是通过光电效应将入射光(X射线)转换成电检测信号的设备，并且例如是PIN(具有包括按照p型半导体层、本征(I)半导体层和n型半导体层的顺序层叠的结构)二极管。

具体来讲，用于X射线检测器的薄膜晶体管阵列基板上，每一感光像素100包括：栅极线101，栅极线101用于提供扫描信号；数据线107，数据线107沿着与栅极线101垂直的方向布置以输出数据；光电二极管(PIN-二极管)105，光电二极管105形成在由栅极线101和数据线107限定的像素区域中以执行光电转换；薄膜晶体管(TFT)，所述薄膜晶体管形成在栅极线101与数据线107之间的各交叉处，以根据栅极线101的扫描信号导通并且将在光电二极管105中进行光电转换的信号输出到数据线107。

如图2及图3所示，在基板111上形成栅极布线，栅极布线包括栅极线101和自栅极线突出的栅电极1011，并且在栅极布线的整个表面上方形成栅绝缘层1012。

于栅极绝缘层1012上对应栅电极1011的区域形成有源层102，并且在有源层102的两侧形成源电极S和漏电极D，以构成薄膜晶体管。其中，有源层102与栅电极1011交叠，源电极S和漏电极D相互间隔开。

在包括漏极4a和源极4b的基板111的整个表面上方形成第一绝缘层103，并且通过图案化制程选择性地移除被布置在薄膜晶体管的源电极S上的第一绝缘层103，以形成第一开孔1031，其中，部分源电极S自第一开孔1031中暴露出。

在第一绝缘层103上形成光电二极管105的下部电极1041，使得通过第一开孔1031将下部电极1041连接到薄膜晶体管的源电极S，在下部电极1041上形成具有p型半导体层、本征半导体层和n型半导体层的光电二极管105，并且在光电二极管105上形成光电二极管105的上部电极1042。

第二绝缘层106形成在第一绝缘层103上，布置在设置有光电二极管105的上部电极1042的基板111的整个表面上方，通过图案化制程选择性地去除被布置在薄膜晶体管的源极S上的第一绝缘层103和第二绝缘层106以形成接触孔1061，并且选择性地去除被布置在上部电极1042上方的第二绝缘层106以形成第二开孔1062。

在第二绝缘层106上形成通过接触孔1061连接到薄膜晶体管的漏电极D的数据线107，在薄膜晶体管的沟道区域或谓有源层102的上部形成遮光金属层108，其中，遮光金属层108的在基板111上的垂直投影遮盖有源层102在基板111上的垂直投影。其中，数据线107与遮光金属层108于不同的制程步骤中分开形成，且数据线107与遮光金属层108的材料也不相同。较佳地，通过化学气相沉积的方式，于第二绝缘层106上，先沉积数据线107，再沉积遮光金属层108。遮光金属层108例如为低熔点合金，低熔点合金的熔点低于232℃，包括铋、锡、铅及铟的至少其中之一。

在第二绝缘层106上形成通过第二开孔1062连接到光电二极管105的上部电极1042的透明导电层109(如图1中斜线区域所示)。其中，透明电极层109为公共电极层；透明电极层109的材料为选自金属导电氧化物、金属网格线或者导电石墨烯。另外，在所述基板111的整个表面上方形成第三绝缘层110，第三绝缘层110例如为保护层，用于保护下部的线路及元件不受损伤。

本实施例中，数据线107与遮光金属层108分开沉积并使遮光金属层108与透明导电层109(公共电极)桥接在一起。相较于现有的X射线探测器件中，薄膜晶体管的数据线与遮光金属一并形成或者遮光金属与公共电极一并形成的结构，本发明中数据线107与遮光金属层108电性隔绝，可以降低数据线107的热噪声。此外，由于采用透明导电层109作为公共电极，且透明导电层109的一端桥接或谓跨接于遮光金属层108，使得光电二极管105的填充系数(Fill Factor)相较于使用金属合金作为公共电极设计，可提升至73％。因此，本发明中的上述用于X射线探测器的阵列基板具有较大填充系数(Fill Factor)与较低的热噪声(Thermal noise)的优点。

另外，本发明的又一发明重点在于，遮光金属层108使用低熔点合金，熔点低于232℃。具体来讲，阵列基板在制备完成，往往需要通过电性检测，当检测到异常时，通常情况下，会使用激光(laser)对异常进行修复，而阵列基板进行时，由于TFT中各膜层之间的厚度实质上都很薄，因此激光修复(Laser repair)过程中，遮光金属层108容易与栅极布线例如栅极线101、栅电极1011发生短路，而由于遮光金属层108电连接透明导电层(公共电极)109Vcom连接，因此，一旦遮光金属层108与栅极布线造成短路，就会形成像素亮点，为了避免此类问题的发生。即使，遮光金属层108与栅极布线发生短路时，栅极布线与遮光金属层108的短接处的电流密度会比较大，而电流密度变大容易产生热量，且遮光金属层108采用低熔点合金，在热量的作用下，促使遮光金属层108自身进行熔断，以断开电性连接，进而像素亮点被修复。

在本发明一实施例中，有源层102为非晶硅薄膜层、低温多晶硅薄膜层、非晶硅薄膜层与氧化铟镓锡金属薄膜层的层叠体或者有机半导体层。栅极绝缘层1012、第一绝缘层103、第二绝缘层106及第三绝缘层110为选自硅的氮化物、硅的氧化物或者硅的氮氧化物等。栅极布线及数据线107例如为选自金属材料。然，本发明不限于此，根据其他实施例，栅极布线及数据线107也可以使用其他导电材料。例如：合金、金属材料的氮化物、金属材料的氧化物、金属材料的氮氧化物、或其它合适的材料、或是金属材料与其它导电材料的堆叠层。

本发明的另一目的在于提供一种X射线探测器，包括：闪烁体，用于将X射线转换为可见光；以及，如上所述的用于X射线探测器的薄膜晶体管阵列基板，用于识别可见光，并形成数据信号。其中，闪烁体由选自掺铊碘化铯、掺铽硫氧化钆、碲化镉和高纯硅中的至少一种组成。

综上所述，本发明藉由分开形成数据线与遮光金属层，且遮光金属层与透明导电层电连接，使得本发明用于X射线探测器的薄膜晶体管阵列基板上的光电二极管具有较大的填充系数，且数据线可具有较小的热噪声，以使得X射线检测器在高解析度显示需求下，仍然能够维持好的显示品质。

当然，本发明还可有其他多种实施例，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所附的权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种用于X射线探测器的薄膜晶体管阵列基板，其特征在于，包括：

基板；

栅极布线，形成在该基板上，包括栅极线和电连接到该栅极线的栅电极；

栅极绝缘层，覆盖该栅极布线；

有源层，形成在该栅绝缘层上，且与该栅电极交叠；

源电极和漏电极，形成于该有源层上，该源电极与该漏电极相互间隔开；

第一绝缘层，形成在该源电极和该漏电极上，且该第一绝缘层具有第一开孔，部分该源电极自该第一开孔中暴露出；

光电二极管，形成在像素区域中，并且包括电连接到该源电极的下部电极、形成在该下部电极上的光电导层、以及形成在该光电导层上的上部电极，该光电导层使用外部提供的光来产生电子和空穴；

第二绝缘层，形成在该光电二极管上，具有接触孔及第二开孔，该接触孔贯穿该第二绝缘层及该第一绝缘层并使得部分该漏电极自该第一接触孔中暴露出，且该光电二极管的部分该上部电极自该第二开孔暴露出；

数据线，形成在该第二绝缘层上，并自该接触孔电连接该漏电极；

遮光金属层，形成于该第二绝缘层上，且该遮光金属层在该基板上垂直投影遮盖该有源层在该基板上的垂直投影；

透明电极层，形成于该第二绝缘层上，该透明电极层电连接自该第二开孔中暴露中的该上部电极，且该透明电极层电连接于该遮光金属层；以及，

第三绝缘层，覆盖该数据线、该遮光金属层及该透明电极层。

2.如权利要求1所述的用于X射线探测器的薄膜晶体管阵列基板，其特征在于，该数据线与该遮光金属层于不同的制程步骤中形成。

3.如权利要求1所述的用于X射线探测器的薄膜晶体管阵列基板，其特征在于，该遮光金属层包括低熔点合金。

4.如权利要求3所述的用于X射线探测器的薄膜晶体管阵列基板，其特征在于，该低熔点合金的熔点低于232℃。

5.如权利要求4所述的用于X射线探测器的薄膜晶体管阵列基板，其特征在于，该低熔点合金包括铋、锡、铅及铟的至少其中之一。

6.如权利要求1所述的用于X射线探测器的薄膜晶体管阵列基板，其特征在于,该透明电极层的材料为选自金属导电氧化物、金属网格线或者导电石墨烯。

7.如权利要求1所述的用于X射线探测器的薄膜晶体管阵列基板，其特征在于，该透明电极层为公共电极层。

8.如权利要求1所述的用于X射线探测器的薄膜晶体管阵列基板，其特征在于，该有源层为非晶硅薄膜层、低温多晶硅薄膜层、非晶硅薄膜层与氧化铟镓锡金属薄膜层的层叠体或者有机半导体层。

9.一种X射线探测器，其特征在于，包括：

闪烁体，用于将X射线转换为可见光；以及，

如权利要求1-8任意一项所述的用于X射线探测器的薄膜晶体管阵列基板，用于识别可见光，并形成数据信号。

10.如权利要求9所述的X射线探测器，其特征在于，闪烁体由选自掺铊碘化铯、掺铽硫氧化钆、碲化镉和高纯硅中的至少一种组成。