CN109713076A - 平板探测基板及其制备方法、平坦探测器 - Google Patents
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Abstract
本发明为平板探测基板及其制备方法、平坦探测器，提供一种平板探测基板及其制备方法、平板探测器，属于探测器技术领域。本发明的平板探测基板，包括：基底，位于所述基底上的多个检测单元；每个所述检测单元包括：偏压电极和感应电极；所述平板探测基板还包括：覆盖在所述偏压电极和所述感应电极之上的半导体层；且所述半导体层的厚度大于100nm。
Description
技术领域
本发明属于探测器技术领域，具体涉及一种平板探测基板及其制备方法、平板探测器。
背景技术
不同于传统的P-I-N光电二极管类探测器，金属-半导体-金属叉指电极结构的光电探测器不需要进行P型掺杂，制备工艺简单，具有成本低，与薄膜晶体管及场效应晶体管等制作工艺兼容，易集成，响应速度快，暗电流小，填充率高等诸多优势，在医疗成像及工业检测领域占据举足轻重的地位。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一，提供一种平坦探测基板及其制备方法、平板探测器。
解决本发明技术问题所采用的技术方案是一种平板探测基板，包括：基底，位于所述基底上的多个检测单元；每个所述检测单元包括：偏压电极和感应电极；所述平板探测基板还包括：覆盖在所述偏压电极和所述感应电极之上的半导体层；且所述半导体层的厚度大于100nm。
优选的是，所述半导体层与所述偏压电极和所述感应电极直接接触。
优选的是，所述半导体层的材料包括a-Si。
优选的是，所述半导体层包括依次设置在所述基底上方的第一半导体层和第二半导体层；其中，所述第二半导体层的迁移率高于所述第一半导体层的迁移率。
优选的是，在所述偏压电极和所述感应电极之间设置有绝缘单元，所述半导体层覆盖所述偏压电极、所述感应电极，以及所述绝缘单元；其中，所述绝缘单元的材料包括：无机绝缘材料。
优选的是，所述绝缘单元的厚度在100nm-300nm。
优选的是，所述偏压电极和所述感应电极所在层和所述半导体层之间还设置有介电层，所述介电层的材料包括金属氧化物。
优选的是，所述偏压电极和所述感应电极的材料包括金属；
所述介电层的材料由所述金属氧化得到。
优选的是，每个检测单元中的所述偏压电极和所述感应电极呈交叉梳状结构。
优选的是，每个所述检测单元中还包括：薄膜晶体管；其中，所述薄膜晶体管的漏极电连接所述感应电极。
解决本发明技术问题所采用的技术方案是一种平板探测基板的制备方法，包括：在基底上形成多个检测单元；形成所述检测单元包括：形成偏压电极和感应电极，以及覆盖在所述偏压电极和所述感应电极之上的半导体层；其中，所述半导体层的厚度大于100nm。
优选的是，所述半导体层与所述偏压电极和所述感应电极直接接触。
优选的是，所述半导体层包括依次设置在所述基底上方的第一半导体层和第二半导体层；其中，所述第二半导体层的迁移率高于所述第一半导体层的迁移率；形成所述半导体层的步骤包括：
采用第一沉积速率沉积形成第一半导体层；
采用第二沉积速率沉积形成第二半导体层；其中，所述第一沉积速率大于所述第二沉积速率。
优选的是，在形成所述半导体层之前，还包括：
在所述偏压电极和所述感应电极之间形成绝缘单元的步骤；其中，所述绝缘单元的材料包括：无机绝缘材料。
优选的是，所述偏压电极和所述感应电极的材料包括金属；在所述偏压电极和所述感应电极所在层和所述半导体层之间设置有介电层；所述介电层的材料包括金属氧化物；形成所述偏压电极和所述感应电极和所述介电层包括：
形成金属材料层；
对所述金属材料层表面进行氧化处理，并通过构图工艺形成包括所述偏压电极、所述感应电极和所述介电层图形。
解决本发明技术问题所采用的技术方案是一种平板探测器，包括上述的平板探测基板。
附图说明
图1为本发明的实施例1的一种平板探测基板的结构示意图；
图2为本发明的实施例1的另一种平板探测基板的结构示意图；
图3为应于本发明的实施例1的平板探测基板的平板探测器所产生的暗电流的示意图；
图4为应于现有的平板探测器所产生的暗电流的示意图；
图5为本发明的实施例1的平板探测基板的制备方法的流程图；
图6为本发明的实施例2的平板探测基板的结构示意图；
图7为本发明的实施例3的平板探测基板的结构示意图。
其中附图标记为：10、基底；11、偏压电极；12、感应电极；13、半导体层；14、薄膜晶体管；15、遮光图案；16、层间绝缘层；161、第一层间绝缘层；162、第二层间绝缘层；17、连接电极；171、第一连接电极；172、第二连接电极；18、绝缘单元；19、介电层。
具体实施方式
为使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述。
相比于金属-半导体直接接触的结构，KAI公司设计了一种常规金属-半导体-金属叉指电极结构，即在叉指电极和半导体层之间填充聚酰亚胺(PI)绝缘层的新型结构的探测器，可显著减小暗电流，提高探测效率。光照条件下，探测器半导体层接收光，内部产生电荷，电阻大幅度下降，从而通过光伏效应将光信号转化为电信号，而此时的外置偏压大部分施加在电阻很高的PI绝缘层上，当电压足够高时，PI绝缘层可以通过电子的F-N隧穿效应导通，半导体材料中产生的电信号可以通过薄膜晶体管的导通和关闭实现读取和存储，进而达到检测的目的。
但此类结构光电探测器一般是沉积金属(如Mo/Al)做叉指电极，因为PI绝缘层膜厚的限制(200nm-300nm),并且需要完全覆盖金属，故金属一般要求做的很薄(50nm)，这导致金属电极在制备的过程中容易发生氧化，金属电极上的氧化层增加了载流子在PI绝缘层中的隧穿难度，电阻增大，影响良率；且通过向孔槽内沉积金属实现传感电极和薄膜晶体管漏电极搭接实现信号传输，而金属的爬坡性能不好，沉积覆盖性差，容易出现断裂现象造成信号传输中断。一般金属呈柱状结构，刻蚀之后边角十分陡直，坡度角很大，做薄之后也会影响后续膜层的沉积覆盖性，边角处易出现接触不良。而PI绝缘层本身在制作工艺中很难实现膜厚均匀，Max-Min膜厚差达到70nm-80nm，尤其在金属附近更为突出。而PI绝缘层作为介电层，膜厚均匀性要求控制在20nm，否则在探测器产品中出现大片Mura。为解决前述技术问题，本发明提供以下实施例。
实施例1：
如图1所示，本实施例提供一种平板探测基板，其包括：基底10，位于所述基底10上多个检测单元，设置在多个检测单元之上的半导体层13；其中，每个检测单元包括：偏压电极11和感应电极12，半导体层13覆盖在偏压电极11和感应电极12之上；且该半导体层13的厚度大于100nm。
由于半导体层13材料的原因，其对光的有效厚度小于100nm,即在光照的情况下，半导体层13的光载流子有效使用为小于100nm的厚度。如果半导体层13的厚度大于100nm，那么以半导体层13的入光面为基准，超过厚度100nm的部分则起到介质层的作用，在暗态、低压下是绝缘的，而且半导体层13的厚度越厚电阻越大。而在本实施例中厚度大于100nm的半导体层13设置在检测单元的偏压电极11和感应电极12之上，此时半导体层13以其入光面为基准小于100nm的部分用以根据其所接受到的光信号生成相应的电信号，剩余的部分则用作介电层，起到绝缘降低漏电流的作用。
其中，在本实施例中优选的将半导体层13设计为直接与偏压电极11和感应电极12接触，此时，半导体层13具有双层功能，即光电换层和介质层的功能，这样一来，可以省去检测单元和半导体层13之间的聚酰亚胺(PI)绝缘层的设置，从而可以避免PI绝缘层和半导体层13的界面问题，同时还可以节省一步工艺步骤。进一步的，为使得半导体层13可以更好的起到介电层、减低暗电流的作用，优选的将半导体层13的厚度不小于450nm。
其中，在本实施例的平板探测基板中，偏压电极11和感应电极12均可以采用金属材料，二者的结构呈交叉梳状结构。
其中，在本实施例的平板探测基板中，半导体层13的材料包括a-Si。当然，半导体层13的材料也不局限于这一种材料，也可以是与a-Si性质相同或相近的半导体材料。其中，半导体层13的厚度在100nm-600nm左右，根据具体应用基板可以调整半导体层13的厚度。其中，如图2所示，在本实施例的平板探测基板中，半导体层13包括依次设置在所述基底10上方的第一半导体层131和第二半导体层132；第二半导体层132的迁移率高于第一半导体层131的迁移率，也即第一半导体层131的迁移率相较第二半导体层132的迁移率为低迁移率，第二半导体层132的迁移率相较第一半导体层131的迁移率为高迁移率，这样一来，高迁移率的第二半导体层132用作光电转层，低迁移率的第一半导体层131用作介电层。
其中，在本实施例的平板探测基板中，每个检测单元均还包括薄膜晶体管14；具体的，薄膜晶体管14的栅极与检测控制线连接，源极连接读取线，漏极连接感应电极12；在光照条件下，半导体层13接收光，内部产生电荷，电阻大幅度下降，从而通过光伏效应将光信号转化为电信号，而此时的外置偏压大部分施加在电阻很高的半导体层13的介电层部分上，当电压足够高时，半导体层13的介电层部分可以通过电子的F-N隧穿效应导通，半导体材料中产生的电信号可以通过检测控制线上写入的信号，控制薄膜晶体管14的导通和关闭实现读取和存储，进而达到检测的目的。
为了更清楚说明仅采用厚度大于100nm的半导体层的平板探测基板，较现有技术中的采用PI绝缘层配合半导体层的平坦探测基板的性能更好，以下分别通过应用本实施例中和现有技术中的平板探测基板的平板探测器进行测试，其中，平板探测基板中的半导体材料采用a-Si。
具体的，如图3和4所示，其中附图中的横坐标和纵坐标分别表示平板探测器基板上的检测单元的列位置和行位置。
对于图3表示，应用本实施例的平板探测基板的平板探测器，在给偏压电极施加5-10V左右的电压、窗口时间(光照时间，例如X光的光照时间)为0.4-4.4s时，平板探测基板中各个检测单元所产生的暗电流的情况，可以看出的是平板探测基板中各个检测单元所产生的暗电流是均匀的，且平均暗电流Avg Ioff为45.603fA。对于图4表示，应用现有的平板探测基板的平板探测器，在给偏压电极施加200V左右的电压、窗口时间为0.4-4.4s时，平板探测基板中各个检测单元所产生的暗电流的情况，可以看出的是平板探测基板中各个检测单元所产生的暗电流是非常不均匀的，且平均暗电流Avg Ioff为99.01fA。
综上，相较现有技术，应用本实施例的平板探测基板的平板探测器的暗电流明显均一，且暗电流较小，故应用本实施例的平板探测基板的平板探测器的性能较优。
而且，按照上述的测试条件，在对应用本实施例的平板探测基板的平板探测器的暗电流的线性度进行测试时，发现较现有技术而言，本实施例的暗电流的线性度为0.999796，而现有技术的暗电流的线性度为0.999659，明显本实施例的暗电流的线性度较优，故本实施例中的应用本实施例的平板探测基板的平板探测器的图像检测更加精准。相应的，在本实施例中还提供一种上述平板探测基板的制备方法，如图5所示，该方法具体可以包括如下步骤：
步骤一、在基底10上，通过构图工艺形成各个检测单元中的薄膜晶体管14的各层结构。
步骤二、在完成步骤一的基底10上形成层间绝缘层16，并在层间绝缘层16对应薄膜晶体管14的漏极的位置刻蚀过孔，之后通过构图工艺形成包括覆盖该过孔的连接电极17。
其中，步骤一形成中的薄膜晶体管14可以是顶栅型薄膜晶体管14，也可以是底栅型薄膜晶体管14。而当薄膜晶体管14采用底栅型薄膜晶体管14时，为了防止光线照射至薄膜晶体管14的有源层破坏薄膜晶体管14的开关特性，在薄膜晶体管14所在层之上还形成对应薄膜晶体管14的有源层的遮光图案15。当遮光图案15采用金属材料时，需要在薄膜晶体管14所在层之上先依次形成第一层间绝缘层161和第一缓冲层，之后再通过构图工艺形成遮光图案15；在形成遮光图案15之后再形成第二层间绝缘层162。也就是说，在步骤二中所形成层间绝缘层16包括前述第一层间绝缘层161和第二层间绝缘层162。而为保证金属材料的遮光图案15产生漏电流，第一层间绝缘层161和第二层间绝缘层162的厚度较厚，故在形成第二层间绝缘层162刻蚀贯穿第一层间绝缘层161和第二层间绝缘层162的过孔，再形成覆盖过孔的连接电极17很有可能造成连接电极17的断裂，因此，可以在形成第一层间绝缘层161之后刻蚀第一过孔，在形成第一过孔之后形成与薄膜晶体管14漏极连接的第一连接电极171；在形成第一连接电极171之后形成第二层间绝缘层162，并在第二层间绝缘层162中刻蚀第二过孔，并在第二过孔所在位置裸露出第一连接电极171，之后形成覆盖第二过孔的第二连接电极172，第二连接电极172与第一连接电极171电连接。也就是说第一过孔和第二过孔构成步骤二中所形成的过孔；第一连接电极171和第二连接电极172构成步骤二中所形成的连接电极17。
步骤三、在完成步骤二的基底10上，通过构图工艺形成包括检测单元中的偏压电极11和感应电极12的图形；其中，每个检测单元中的感应电极12通过该检测单元中的连接电极17与薄膜晶体管14的漏极连接。
其中，偏压电极11和感应电极12通常采用金属材料，因此在形成偏压电极11和感应电极12的图形之前，优选的可以在形成偏压电极11和感应电极12之前在层间绝缘层16之上形成第二缓冲层。
步骤四、在完成步骤三的基底10上，形成半导体层13；其中，半导体层13的厚度大于100nm。
具体的，半导体层13可以包括依次设置在基底10上方的第一半导体层131和第二半导体层132；其中，第二半导体层132的迁移率高于第一半导体层131的迁移率。也即，第一半导体层131的迁移率为低迁移率，第二半导体层132的迁移率为高迁移率；其中，高迁移率＞0.75cm/vs，低迁移率＜0.5cm/vs。
为方便制备，第一半导体层131和第二半导体层132的材料均可以采用a-Si。以下对形成高迁移率的第二半导体层132和低迁移率的第一半导体层131的方法进行说明。
首先，采用第一沉积速率沉积，形成低迁移率的a-Si材料层，以形成第一半导体层131；之后，采用第二沉积速率沉积，形成高迁移率的a-Si材料层，以形成第二半导体层132；其中，第一沉积速率大于第二沉积速率。此时，高迁移率的第二半导体层131相当于光电转层；低迁移率的第一半导体层131相当于介质层，因此在本实施例的制备方法可以省略PI绝缘层的制备，故可以简化制备工艺。
实施例2：
如图6所示，本实施例提供一种平板探测器基板，该平板探测基板的结构与实施例1中的平板探测基板的结构大致相同，区别在于，在偏压电极11和感应电极12之间均设置有绝缘单元18(在此需要说明的是，由于工艺原因该绝缘单元18通常会覆盖与之相邻的偏压电极11的边缘和感应电极12的边缘)，；该绝缘单元18的材料包括无机绝缘材料。平坦探测器的半导体层13偏压电极11、感应电极12、绝缘单元18之上。
由于本实施例的平板探测基板包括设置在偏压电极11和感应电极12之间的绝缘单元18，且该绝缘单元18的材料包括无机材料，因此，在偏压电极11和感应电极12的边缘位置相较PI绝缘层，无机材料的绝缘单元18更容易流平，避免了PI绝缘层出现的均一性问题。而且在本实施例中，可以无需设置PI绝缘层，可以大大降低平板探测基板的制备难度，同时还可以提高产能。特别的，在现有技术中驱动平板探测器工作需要200V以上的电压，省略了PI绝缘层，只需10-20V的工作电压，从而大大减低功耗。
其中，在本实施例中，绝缘单元18的具体可以是氧化硅薄膜、氮化硅薄膜、或者氧化硅、氮化硅复合薄膜。该绝缘单元18的厚度在100nm-300nm左右，当然，具体厚度值可以根据具体的基板结构具体设定。
对于本实施例中的平板探测基板的其余结构可以采用与实施例1中相同的结构，故在此不再一一进行说明。
相应的，在本实施例中还提供了一种上述平板探测基板的制备方法，该制备方法与实施例1中的制备方法大致相同，区别在于，步骤三和步骤四之间增加通过构图工艺形成包括绝缘单元18的步骤；其中，该绝缘单元18的材料包括无机绝缘材料。
而对于该平板探测基板的其余结构的制备与实施例1中的制备工艺相同，故在此不再一一进行说明。
实施例3：
如图7所示，本实施例提供一种平板探测器基板，该平板探测基板的结构与实施例1中的平板探测基板的结构大致相同，区别在于，在偏压电极11和感应电极12所在层与半导体层13之间设置有介电层19，该介电层19的材料为金属氧化物。由于在偏压电极11和感应电极12所在层与半导体层13之间设置金属氧化物的介电层19，可以降低平板探测器基板半导体层13产生的暗电流，在工作时，金属氧化物会被击穿，从而实现电流传输。
具体的，当本实施例中偏压电极11和感应电极12采用金属材料时，介电层19的金属氧化物材料可以采用由偏压电极11和感应电极12所采用金属材料进行氧化得到，这样一来，可以节省工艺步骤，同时可以降低成本。
其中，金属材料可以包括铜(Cu)、钼(Mo)及铝(Al)中的任意一种。当然，金属材料也不局限于此，可以根据工艺条件选用具体的金属材料。
对于本实施例中的平板探测基板的其余结构可以采用与实施例1中相同的结构，故在此不再一一进行说明。
相应的，在本实施例中还提供了一种上述平板探测基板的制备方法，该制备方法与实施例1中的制备方法大致相同，区别在于，步骤三和步骤四之间增加形成介电层19的步骤；其中，该介电层材料金属氧化物。
其中，当本实施例中偏压电极11和感应电极12采用金属材料时，介电层的金属氧化物材料可以采用由偏压电极11和感应电极12所采用金属材料进行氧化得到。
形成偏压电极11、感应电极12和介电层19的步骤具体包括：
在形成层间绝缘层16的基底10之上形成金属材料层；采用热氧化的方式形成金属氧化物层；在此需要说明的是，金属材料层只有背离基底10的部分被氧化，剩余部分不被氧化。最后，通过构图工艺形成包括偏压电极11、感应电极12和介电层19图形；其中，介电层覆盖在偏压电极11和感应电极12之上。而且采用热氧化方式制作形成的金属氧化物层致密性很高，相比金属上沉积氧化硅、氮化硅等绝缘层的绝缘效果更好。
其中，金属材料可以包括铜(Cu)、钼(Mo)及铝(Al)中的任意一种。当然，金属材料也不局限于此，可以根据工艺条件选用具体的金属材料。其中，金属材料层的厚度在3000左右，所形成的介电层的厚度在5nm-20nm左右。
而对于该平板探测基板的其余结构的制备与实施例1中的制备工艺相同，故在此不再一一进行说明。
实施例4：
本实施例中提供一种平板探测器，其包括实施例1-3中的任意一种平板探测基板，该平板探测器还可以包括设置在半导体层13之上的平坦化层等结构。
其中，本实施例中平板探测器可以是X-ray平板探测器。
由于本实施例中的平板探测器包括实施例1-3中的任意一种平板探测基板，其中半导体层13的厚度大于100nm的半导体层13设置在检测单元的偏压电极11和感应电极12之上，此时半导体层13以其入光面为基准小于100nm的部分用以根据其所接受到的光信号生成相应的电信号，剩余的部分则用作介电层，起到绝缘降低漏电流的作用。
可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。
Claims (17)
1.一种平板探测基板，包括：基底，位于所述基底上的多个检测单元；每个所述检测单元包括：偏压电极和感应电极；其特征在于，所述平板探测基板还包括：覆盖在所述偏压电极和所述感应电极之上的半导体层；且所述半导体层的厚度大于100nm。
2.根据权利要求1所述的平板探测基板，其特征在于，所述半导体层与所述偏压电极和所述感应电极直接接触。
3.根据权利要求1所述的平板探测基板，其特征在于，所述半导体层的材料包括a-Si。
4.根据权利要求1所述的平板探测基板，其特征在于，所述半导体层包括依次设置在所述基底上方的第一半导体层和第二半导体层；其中，所述第二半导体层的迁移率高于所述第一半导体层的迁移率。
5.根据权利要求4所述的平板探测基板，其特征在于，所述第一半导体层的迁移率小于0.5cm/vs；所述第二半导体层的迁移率大于0.75cm/vs。
6.根据权利要求1所述的平板探测基板，其特征在于，在所述偏压电极和所述感应电极之间设置有绝缘单元，所述半导体层覆盖所述偏压电极、所述感应电极，以及所述绝缘单元；其中，所述绝缘单元的材料包括：无机绝缘材料。
7.根据权利要求6所述的平板探测基板，其特征在于，所述绝缘单元的厚度在100nm-300nm。
8.根据权利要求1所述的平板探测基板，其特征在于，所述偏压电极和所述感应电极所在层和所述半导体层之间还设置有介电层，所述介电层的材料包括金属氧化物。
9.根据权利要求8所述的平板探测基板，其特征在于，所述偏压电极和所述感应电极的材料包括金属；
所述介电层的材料由所述金属氧化得到。
10.根据权利要求1所述的平板探测基板，其特征在于，每个检测单元中的所述偏压电极和所述感应电极呈交叉梳状结构。
11.根据权利要求1所述的平板探测基板，其特征在于，每个所述检测单元中还包括：薄膜晶体管；其中，所述薄膜晶体管的漏极电连接所述感应电极。
12.一种平板探测基板的制备方法，包括：在基底上形成多个检测单元；其特征在于，形成所述检测单元包括：形成偏压电极和感应电极，以及覆盖在所述偏压电极和所述感应电极之上的半导体层；其中，所述半导体层的厚度大于100nm。
13.根据权利要求12所述的平板探测基板的制备方法，其特征在于，所述半导体层与所述偏压电极和所述感应电极直接接触。
14.根据权利要求12所述的平板探测基板的制备方法，其特征在于，所述半导体层包括依次设置在所述基底上方的第一半导体层和第二半导体层；其中，所述第二半导体层的迁移率高于所述第一半导体层的迁移率；形成所述半导体层的步骤包括：
采用第一沉积速率沉积形成第一半导体层；
采用第二沉积速率沉积形成第二半导体层；其中，所述第一沉积速率大于所述第二沉积速率。
15.根据权利要求12所述平板探测基板的制备方法，其特征在于，在形成所述半导体层之前，还包括：
在所述偏压电极和所述感应电极之间形成绝缘单元的步骤；其中，所述绝缘单元的材料包括：无机绝缘材料。
16.根据权利要求12所述平板探测基板的制备方法，其特征在于，所述偏压电极和所述感应电极的材料包括金属；在所述偏压电极和所述感应电极所在层和所述半导体层之间设置有介电层；所述介电层的材料包括金属氧化物；形成所述偏压电极和所述感应电极和所述介电层包括：
形成金属材料层；
对所述金属材料层表面进行氧化处理，并通过构图工艺形成包括所述偏压电极、所述感应电极和所述介电层图形。
17.一种平板探测器，其特征在于，包括权利要求1-11中任一项所述的平板探测基板。
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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