CN110349981B - 一种显示屏集成红外像素的光侦测装置 - Google Patents

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Abstract

本发明通过在显示单元的下方设置光侦测器件，使得光侦测器件位于用户的生理特征信息成像的光轴位置或是近轴位置，相较于摄像头独立于显示屏设置在显示屏外围边缘的结构，本发明可以及时捕捉到用户的生理特征信息(如眼球活动信息)，减少影像侦测响应时间，提高用户体验。此外，将光侦测器件设置于显示单元的下方，并通过集成红外像素的显示单元发出红外光，相较于摄像头独立突出设置于显示屏区域外的结构，可以有效缩小移动设备的整体厚度，使得穿戴式设备或是移动设备更加轻薄、更适用于柔性穿戴式设备或是移动设备、满足市场的需求。

Description

一种显示屏集成红外像素的光侦测装置
技术领域
本发明涉及光学器件领域领域，特别涉及一种显示屏集成红外像素的光侦测装置。
背景技术
目前，液晶显示(LCD)屏或有源阵列式有机发光二极管(AMOLED)显示屏，皆是以薄膜电晶管(TFT)结构扫描并驱动单一像素，以实现屏上像素阵列之显示功能。形成TFT开关功能的主要结构为金属氧化物半导体场效晶体管(MOSFET)，其中熟知的半导体层主要材料有非晶硅、多晶硅、氧化铟镓锌(IGZO)、或是混有碳纳米材料之有机化合物等等。由于光侦测二极管(PhotoDiode)的结构亦可采用此类半导体材料制备，且生产设备也兼容于TFT阵列的生产设备，因此近年来TFT光侦测二极管开始以TFT阵列制备方式作生产，并广泛应用在X光感测平板器件，如中华人民共和国专利CN103829959B、CN102903721B所描述。
相较于传统结晶材料制备之影像传感器件，上述TFT光感测阵列薄膜材料之光能隙(Bandgap)皆以可见光为主要吸收范围，因此较易受环境可见光之干扰形成噪声，导致信号噪声比(SNR)较低。受限于此，TFT光感测阵列初期的应用乃是以X光感测平板器件应用为主，主因即为X光属短波长光且准直性高，X光影像先入射到感测平板上配置之光波长转换材料，将X光影像转换较长波长之可见光再直接于感测平板内部传输至TFT光感测阵列薄膜上，避免了周围环境之可见光形成噪声干扰，如上述中华人民共和国专利CN103829959B、CN102903721B所描述。
若欲将此类熟知的可见光传感器薄膜配置在原显示屏结构内，受限于显示像素开口孔径等问题，光侦测二极管阵列感测的真实影像已是发生绕射等光学失真的影像，且因光学信号穿透显示屏多层结构，并且在光学显示信号、触摸感测信号并存的情况下，欲从低信噪比场景提取有用光学信号具备很高的困难度，技术困难等级达到近乎单光子成像之程度，必须需藉由算法依光波理论运算重建方能解析出原始影像。为了避开此一技术难点，熟知将可见光传感器薄膜配置在原显示屏结构内会需要额外的光学增强器件，或是仅将光传感器薄膜配置在显示屏侧边内，利用非垂直反射到达侧边之光线进行光影像重建，例如：中华人民共和国专利CN101359369B所述。
由上述熟知光传感器薄膜的现有技术可以看出，现有的光侦测装置存在光电转换率低、无法满足大面积薄膜阵列器件的问题，欲配置光侦测阵列薄膜在显示屏结构内，需要对光侦测结构进行改善以使得拓展侦测的光敏波长范围以及提高其对应的光电转换量子效率。此外，现有的光侦测装置在进行眼球追踪、虹膜识别等操作时，其结构是通过屏外摄像头结构来识别眼球或虹膜影像。以眼球追踪为例，由于屏外摄像头位置偏离光轴，其在采集眼球信息时存在精确度不高、响应时间慢、画面延迟等问题，给用户带来了不良的感官体验，甚至引发头晕、呕吐等症状。
发明内容
为此，需要提供一种光侦测的技术方案，用于解决现有的光侦测装置在应用于眼球追踪等应用场景时，存在的采集影像信息精准度不高、响应时间慢、画面延迟、用户体验差等问题。
为实现上述目的，发明人提供了一种显示屏集成红外像素的光侦测装置，所述装置自上而下包括显示单元、光侦测器件和处理芯片；
所述显示单元包括PxQ个显示像素区，每一显示像素区内设置有R分量像素发光层、G分量像素发光层和B分量像素发光层；所述PxQ个显示像素区中还至少存在着一个显示像素区内设置有红外像素发光层，所述红外像素发光层用于在接收到处理芯片发出的红外显示驱动信号后，发出红外光信号；
所述光侦测器件用于侦测红外光信号，所述处理芯片用于根据红外光信号生成红外光影像信息；所述红外光器件包括MxN个像素侦测区，每一像素侦测区对应设置一像素侦测结构，每一像素侦测结构包括由一个以上薄膜电晶管所组成的一组像素薄膜电路以及一个光侦测单元；所述光侦测单元包括红外光敏二极管或红外光敏电晶管。
进一步地，设置有红外像素发光层的显示像素区的数量为多个，且均匀分布于所述显示单元上。
进一步地，所述薄膜电晶管为包含有低温多晶硅、铟镓锌氧化物、碳纳米中任意一种的有机薄膜晶体管，薄膜电晶管组成的阵列的电子迁移率大于0.5cm2/Vs。
进一步地，所述光侦测单元为光敏二极管所形成的阵列，所述光敏二极管所形成的阵列包括光敏二极管感应区，所述光敏二极管感应区包括光敏二极管层，所述光敏二极管层包括p型半导体层、i型半导体层、n型半导体层，p型半导体层、i型半导体层、n型半导体层自上而下堆叠设置，所述i型半导体层为微晶硅结构或非结晶硅化锗结构。
进一步地，所述微晶硅结构为硅烷与氢气通过化学气相沉积成膜的半导体层，微晶硅的结构的结晶度大于40％，且其禁带宽度小于1.7eV。
进一步地，所述非结晶硅化锗结构为硅烷、氢气与锗烷通过化学气相沉积成膜的非结晶半导体层，且其禁带宽度小于1.7eV。
进一步地，所述p型半导体层的上端面设置有第一光学器件，所述第一光学器件用于降低光线在p型半导体层的上端面的反射率、或是减小光线在p型半导体层的折射角度以增加光入射量。
进一步地，所述n型半导体层的下端面还设置有第二光学器件，所述第二光学器件用于提高光线在n型半导体层的下端面的反射率。
进一步地，所述光侦测单元为光敏电晶管所形成的阵列，所述光敏电晶管所形成的阵列包括光敏电晶管感应区，所述光敏电晶管感应区设置有光敏薄膜晶体管，所述光敏薄膜晶体管包括栅极、源极、漏极、绝缘层、光吸收半导体层；所述光敏薄膜晶体管为倒立共平面式结构，所述倒立共平面式结构包括：所述栅极、绝缘层、源极纵向自下而上设置，所述漏极与所述源极横向共面设置；绝缘层包裹所述栅极，以使得栅极与源极、栅极与漏极之间均不接触；源极和漏极之间间隙配合，源极和漏极横向之间形成光敏漏电流通道，所述光吸收半导体层设置于光敏漏电流通道内。
进一步地，所述源极和漏极的数量均为多个，源极和源极之间相互并联，漏极和漏极之间相互并联；所述源极和漏极之间间隙配合，源极和漏极横向之间形成光敏漏电流通道包括：相邻的源极之间形成第一间隙，一个漏极置于所述第一间隙内，相邻的漏极之间形成第二间隙，一个源极置于所述第二间隙内，源极和漏极之间交错设置且间隙配合。
本发明通过在显示单元的下方设置光侦测器件，使得光侦测器件位于用户的生理特征信息成像的光轴位置或是近轴位置，相较于摄像头独立于显示屏设置在显示屏外围边缘的结构，本发明可以及时捕捉到用户的生理特征信息(如眼球活动信息)，减少影像侦测响应时间，提高用户体验。此外，将光侦测器件设置于显示单元的下方，并通过集成红外像素的显示单元发出红外光，相较于摄像头独立突出设置于显示屏区域外的结构，可以有效缩小移动设备的整体厚度，使得穿戴式设备或是移动设备更加轻薄、更适用于柔性穿戴式设备或是移动设备、满足市场的需求。
附图说明
图1为本发明一实施方式涉及的显示屏集成红外像素的光侦测装置的示意图；
图2为本发明一实施方式涉及的像素侦测区的电路示意图；
图3为本发明一实施方式涉及的像素侦测结构的示意图；
图4为本发明另一实施方式涉及的像素侦测结构的示意图；
图5为本发明一实施方式涉及的源极和漏极结构配合的示意图；
图6为本发明一实施方式涉及的光学器件的分布方式的示意图；
图7为本发明一实施方式涉及的光侦测器件的制备方法的流程图；
图8为本发明一实施方式所述的光侦测器件制备过程中的示意图；
图9为本发明另一实施方式所述的光侦测器件制备过程中的示意图；
图10为本发明另一实施方式所述的光侦测器件制备过程中的示意图；
图11为本发明另一实施方式所述的光侦测器件制备过程中的示意图；
图12为本发明一实施方式涉及的显示屏集成红外像素的光侦测装置的应用场景的示意图。
附图标记：
1、栅极；
2、源极；
3、漏极；
4、绝缘层；
5、光吸收半导体层；
101、触摸屏或盖板玻璃；
102、显示单元；
103、低折射率胶；
104、光侦测器件；
105、软性电路板；
106、主电路板；109、处理芯片；
107、封装阻隔层。
具体实施方式
为详细说明技术方案的技术内容、构造特征、所实现目的及效果，以下结合具体实施例并配合附图详予说明。
请参阅图1，为本发明一实施方式涉及的光侦测装置的示意图。所述装置为具有触摸显示屏的设备，如手机、平板电脑、个人数字助理等智能移动设备，还可以是个人计算机、工业装备用计算机等电子设备。
所述装置自上而下包括显示单元102、光侦测器件104和处理芯片109。所述处理芯片109为具有数据处理功能的电子元件，如CPU(中央处理器)、DSP(数字信号处理器)、DSP(微处理器)等。处理芯片分别与光侦测器件、显示单元电连接，处理芯片可以集成设置于主电板板106，主电路板106设于显示单元的下方。所述显示单元102为以有源阵列薄膜晶体管作为扫描驱动与传输数据的显示屏，所述显示单元包括MOLED显示屏、LCD液晶显示屏、微发光二极管显示屏、量子点显示屏、或是电子墨水显示屏。
当显示单元102为LCD液晶显示屏或电子墨水显示屏时，显示单元还包括设置于光侦测器件下方的背光单元，光侦测器件设置于背光单元和LCD液晶显示屏或电子墨水显示屏之间，所述背光单元集成有可见光或是红外光光源。由于LCD液晶显示屏和电子墨水显示屏不属于自发光元件，因而在安装时需要在光侦测器件的下方增加背光单元，从而实现显示单元能够发出红外光源的方案。背光单元可以为LCD背光模组，也可以为其他具有自发光功能的电子元件。
当显示单元102为AMOLED显示屏、微发光二极管显示屏、量子点显示屏中的任意一种时，由于AMOLED显示屏、微发光二极管显示屏、量子点显示屏属于自发光元件，因而可以在显示单元上集成可见光自发光像素或自发光红外光像素，从而实现显示单元能够发出红外光源的方案。
具体地，所述显示单元102包括PxQ个显示像素区，每一显示像素区内设置有R分量像素发光层、G分量像素发光层和B分量像素发光层；所述PxQ个显示像素区中还至少存在着一个显示像素区内设置有红外像素发光层，所述红外像素发光层用于在接收到处理芯片发出的红外显示驱动信号后，发出红外光信号。
显示屏上集成R分量像素发光层、G分量像素发光层和B分量像素发光层已得到大量推广使用，本发明的一个创新点是在于在显示屏上集成红外像素发光层，集成的方法与集成R分量像素发光层、G分量像素发光层和B分量像素发光层的方法类似，此处不再赘述。
在本实施方式中，红外像素发光层的材质可以采用环金属铱配合物或锇配合物，关于这两种配合物生产红外像素发光层的方案可以参考以下论文：“Mohammad taghisharbati,Farhad panahi,Alireza gharavi,Farzin emami,and Khodabakhsh niknam,“Fabrication of a near infrared OLED,”IEEE LEOS Annual Meeting ConferenceProceedings,p90(2009)。
在本实施方式中，设置有红外像素发光层的显示像素区的数量为多个，且均匀分布于所述显示单元上。简言之，对于每个显示像素区内设置有一个显示像素结构(包括显示像素发光层)，每一个显示像素结构对应显示图像上的一个像素，而传统的一个显示像素结构中集成有R分量像素发光层、G分量像素发光层和B分量像素发光层。本发明在此基础上作出进一步改进，选取其中的部分(至少为一个)显示像素结构不仅集成RGB三者像素，还集成有红外像素，以使得显示屏可以实现发出红外光功能。
集成有红外像素发光层的显示像素结构既可以是显示屏上的所有全部显示像素结构，也可以只是部分显示像素结构。优选的，考虑到生产成本，集成有红外像素发光层的显示像素结构为部分显示像素结构。例如某个显示屏包含1000x800个显示像素区，对应的显示像素结构为1000x800个，则在设计时可以每100个显示像素结构中具有一个显示像素结构集成有红外像素发光层，即具有红外像素发光层的显示像素结构共有10x80个，以使得显示屏实现发出红外光功能。
在某些实施例中，所述显示单元102的上方还设置有触摸屏或盖板玻璃101，从而满足不同终端产品的需求。优选的，显示屏的透光率大于3％，从而在实现光侦测功能过程中，透过显示屏的光线的光通量足够大，进而被设置于显示屏下方的光侦测器件接收，从而实现光侦测功能。
在某些实施例中，所述显示单元102的下端面与光侦测器件104的上端面通过低折射率胶103粘合，所述低折射率胶的折射率小于1.4。低折射率胶一方面可以起到粘合作用，使得光侦测单元紧固于显示单元的底面，不易发送脱落；另一方面采用低折射率的胶，当光线透过显示单元照射入光侦测器件时，由于低折射率胶的折射作用(胶的折射率低于光侦测单元上与之接触的部位的折射率，通常情况下光侦测单元上与低折射率胶接触的部位的折射率在1.4以上)，使得光线在低折射率胶位置发生折射后，可以尽可能以垂直方向入射至光侦测器件，可以有效提高光电转换率。在本实施方式中，所述低折射率胶的材质为具有碳-氟键的有机化合胶材。
在某些实施例中，所述光侦测器件104与主电路板106通过软性电路板105进行连接，所述软性电路板105包括具有影像信号读取识别功能的芯片。所述识别功能的芯片包括指纹影像读取芯片、指纹识别算法芯片等，芯片型号如Analog Devices公司的ADAS1256芯片。软性电路板又称柔性线路板、挠性线路板，简称软板或FPC，是相对于普通硬树脂线路板而言，软性电路板具有配线密度高、重量轻、厚度薄、配线空间限制较少、灵活度高等优点。软性电路板的设置可以使得光侦测装置整体更加轻薄化，满足市场需求。
在某些实施例中，所述光侦测器件104和主电路板106之间还设置有封装阻隔层107，封装阻隔层(以下称为“阻水阻氧层”)可以起到阻水阻氧的作用，所述阻水阻氧层包括多层无机层镀膜以及有机层镀膜交替堆叠形成的材料，所述阻水阻氧层成膜于聚合物基材上。优选的，所述无机层包括：氧化铝(Al2O3)、氧化硅(SiOX)、氮化硅(SiNX)；所述有机层包括：基于丙烯酸树脂(Acrylic)的高分子材料或基于聚对二甲苯(Parylene)的高分子材料。上述方案可以使得弱光成像得以在具备阻隔层的结构下实现，并集成光侦测器件在适合柔性显示装备的基材上制备。
在本实施方式中，所述光侦测器件104为TFT影像感测阵列薄膜，所述光侦测器件104用于侦测红外光信号，所述处理芯片109用于根据红外光信号生成红外光影像信息；所述红外光器件包括MxN个像素侦测区。每一像素侦测区对应设置一像素侦测结构，每一像素侦测结构包括由一个以上薄膜电晶管所组成的一组像素薄膜电路以及一个光侦测单元。每一像素侦测结构对应侦测一个像素，因而TFT影像感测阵列薄膜可以用于侦测MXN个像素，以形成相应影像。所述光侦测单元包括红外光敏二极管或红外光敏电晶管。光侦测器件侦测的波长范围包含可见光波段或是红外光波段。
以光侦测器件为光敏二极管阵列薄膜为例，每一个像素侦测区对应的像素侦测结构的基本电路组成如图2所示。光敏二极管为形成光侦测单元之主要传感器件，栅极扫描线以固定之帧速率(Frame Rate)将薄膜晶体管(TFT)操作在打开模式，当所述光侦测器件侦测到光信号，打开之薄膜晶体管即可将电容电压数据传输到读取芯片。具体可以参考以下文献：M.J.Powell,I.D.French,J.R.Hughes,N.C.Bird,O.S.Davies,C.Glasse,andJ.E.Curran,“Amorphous silicon image sensor arrays,”Mater.Res.Soc.Symp.Proc.,vol.258,pp.1127(1992,)、【2】B.Razavi,“Design of Analog CMOS IntegratedCircuits,”McGraw-Hill,2000。
在本实施方式中，所述薄膜电晶管为包含有低温多晶硅、铟镓锌氧化物、碳纳米中任意一种的有机薄膜晶体管，薄膜电晶管组成的阵列的电子迁移率大于0.5cm2/Vs。低温多晶硅的全称是“Low Temperature Poly-Silicon(LTPS，多晶硅又简称为p-Si，下同)”，它是多晶硅技术的一个分支。对LCD显示器来说，采用多晶硅液晶材料有许多优点，如薄膜电路可以做得更薄更小、功耗更低等等。
对于每一个像素侦测结构而言，有以下几种实现方式：
实施例一：
所述TFT影像感测阵列薄膜(即光侦测器件)为光敏二极管所形成的阵列，每一像素侦测结构包括光敏二极管感应区。现有的液晶显示(LCD)面板或有机发光二极管(OLED)显示面板，皆是以TFT结构驱动扫描单一像素，以实现面板上像素阵列的显示功能。形成TFT开关功能的主要结构为半导体场效晶体管(FET)，其中熟知的半导体层材料主要有非晶硅、多晶硅、氧化铟镓锌(IGZO)、或是混有碳纳米材料之有机化合物等等。由于光感测二极管的结构亦可采用此类半导体材料制备，且生产设备也兼容于TFT阵列的生产设备，因此近年来TFT光侦测二极管(即光敏二极管)开始以TFT阵列制备方式进行生产。现有的光敏二极管的具体结构可以参考美国专利US6943070B2、中华人民共和国专利CN204808361U中对光侦测器件结构的描述。TFT影像感测阵列薄膜的生产工艺与显示面板TFT结构不同的是：原本在显示面板的像素开口区域，在生产工艺上改为光感测区域。其TFT制备方式可以采用薄型玻璃为基材，亦可采用耐高温塑性材料为基材，如美国专利US6943070B2所述。
现有的TFT影像感测阵列薄膜易受周围环境光或者显示屏像素所发出的可见光的反射、折射等因素影响，造成光学干扰，严重影响内嵌于显示面板下方的TFT影像感测阵列薄膜的信号噪声比(SNR)，为了提高信号噪声比，如图3所示，本发明对每个像素侦测结构中的光侦测单元做了进一步改进，使得改进后的TFT影像感测阵列薄膜可以侦测识别用户生理特征(如眼球)反射回的红外信号。具体结构如下：
所述光敏二极管层包括p型半导体层、i型半导体层、n型半导体层，p型半导体层、i型半导体层、n型半导体层自上而下堆叠设置，所述i型半导体层为微晶硅结构或非结晶硅化锗结构。所述微晶硅结构为硅烷与氢气通过化学气相沉积成膜的半导体层，微晶硅的结构的结晶度大于40％，且其禁带宽度小于1.7eV。所述非结晶硅化锗结构为硅烷、氢气与锗烷通过化学气相沉积成膜的非结晶半导体层，且其禁带宽度小于1.7eV。
禁带宽度(Band gap)是指一个带隙宽度(单位是电子伏特(eV))，固体中电子的能量是不可以连续取值的，而是一些不连续的能带，要导电就要有自由电子存在，自由电子存在的能带称为导带(能导电)，被束缚的电子要成为自由电子，就必须获得足够能量从价带跃迁到导带，这个能量的最小值就是禁带宽度。禁带宽度是半导体的一个重要特征参量，其大小主要决定于半导体的能带结构，即与晶体结构和原子的结合性质等有关。
在室温下(300K)，锗的禁带宽度约为0.66ev，硅烷中含有锗元素，当掺入锗元素后，会使得i型半导体层的禁带宽度下降，当满足小于1.7eV时，说明i型半导体层可以接收可见光至红外光(或近红外光)波长范围内的光信号。通过调整化学气象沉积的GeH4浓度，可以将含有非晶或微晶硅化锗结构的光敏二极管的操作波长范围扩展到光波长600nm到2000nm的范围。
实施例二：
在采用实施例一的基础上，为了提高光电转换之量子效率，非结晶硅化锗结构的光电二极管也可采用双结以上p型/i型/n型结构堆叠形成。该光电二极管第一结层p型/i型/n型材料仍然为非晶硅结构，第二结层以上p型/i型/n型材料可以为微晶结构、多晶结构或是掺有可扩展光敏波长范围之化合物材料。简言之，可以采用多组p型/i型/n型结构上下堆叠来实现组成光敏二极管结构，对于每一个p型/i型/n型结构，则采用实施例一所描述的光敏二极管结构。
实施例三：
在采用实施例一或实施例二的基础上，对于每一个p型/i型/n型结构而言，其所包含的p型半导体层可以为大于两层的多层结构。例如p型半导体层为三层结构，自上而下包括第一p型半导体层(p1层)、第二p型半导体层(p2层)、第三p型半导体层(p3层)。其中，p1层可以采用非结晶结构且重掺杂硼(含硼浓度为标准工艺的两倍以上)；p2和p3采用微晶结构，且正常掺杂硼(按照标准工艺浓度掺杂)，依靠厚度减薄的p2层和p3层减少对光线的吸收，使得光线尽可能多地进入i层并被i层所吸收，提高光电转换率；另一方面p2层和p3层采用正常的硼掺杂可以有效避免由于p1层的重掺杂导致劣化内建电位。当p型半导体层包括为其他层数的多层结构与此类似，此处不再赘述。
同样的，n型半导体层也可以为大于两层的多层结构。例如n型半导体层为三层结构，自上而下包括第一n型半导体层(n1层)、第二n型半导体层(n2层)、第三n型半导体层(n3层)。其中，n3层可以采用非结晶结构且重掺杂磷(含磷量为标准工艺两倍以上)；n1和n2采用微晶结构，且正常掺杂磷(按照标准生产工艺)，依靠厚度减薄的n1层和n2层减少对光线的吸收，使得光线尽可能多地进入i层并被i层所吸收，提高光电转换率；另一方面n1层和n2层采用正常的磷掺杂可以有效避免由于n3层的重掺杂导致劣化内建电位。当n型半导体层包括为其他层数的多层结构与此类似，此处不再赘述。
实施例四：
本实施例是针对实施例一或二或三的进一步改进，如图7中的(a)所示，具体包括：在所述p型半导体层的上端面设置有第一光学器件，所述第一光学器件用于降低光线在p型半导体层的上端面的反射率、或是减小光线在p型半导体层的折射角度以增加光入射量。减小光线在p型半导体层的折射角度，可以让光线尽可能地以接近于垂直方向射入p型半导体层，使得光线尽可能地被p型半导体层下方的i型半导体层所吸收，从而进一步提高光敏二极管的光电转换率。当p型半导体层为多层结构时，第一光学器件设置于最上方的一层p型半导体层的上端面。
所述第一光学器件包括折射率呈周期性变化的光子晶体结构或微透镜阵列结构、或是折射率呈非周期性变化的漫散射结构。所述第一光学器件的折射率小于p型半导体层的折射率，可以使得光线在第一光学器件发生折射后，入射角小于折射角，即光线尽可能地以接近于垂直方向射入p型半导体层。
实施例五：
本实施例是针对实施例一或二或三或四的进一步改进，如图6中的(b)(c)所示，所述n型半导体层的下端面还设置有第二光学器件，所述第二光学器件用于提高光线在n型半导体层的下端面的多重反射率。所述多重反射率是指光线在经过第二光学器件反射后进入i型半导体层，再次被i型半导体层所吸收，吸收后的光线又再次经过第二光学器件反射后进入i型半导体层，如此反复多次，提高i型半导体层的光电转换率。当n型半导体层为多层结构时，第二光学器件设置于最下方的一层n型半导体层的下端面。
所述第二光学器件包括折射率呈周期性变化的光子晶体结构、或是折射率呈非周期性变化的漫散射结构，且所述第二光学器件的折射率小于n型半导体层的折射率。这样，可以使得光线在n型半导体层的下端面尽可能发生反射，以便反射后的光线再次被i型半导体层所吸收，进而适量放大属于i型半导体层可吸收的光波长范围内的信号，提高该波长范围内的光电流量。
实施例六：
如图4所示，所述TFT影像感测阵列薄膜(即光侦测器件)为光敏电晶管所形成的阵列，每一像素侦测结构中的光侦测单元包括设置有光敏薄膜晶体管，所述光敏薄膜晶体管包括栅极1、源极2、漏极3、绝缘层4、光吸收半导体层5；所述光敏薄膜晶体管为倒立共平面式结构，所述倒立共平面式结构包括：所述栅极1、绝缘层4、源极2纵向自下而上设置，所述漏极3与所述源极2横向共面设置；绝缘层4包裹所述栅极1，以使得栅极1与源极2、栅极1与漏极3之间均不接触；源极2和漏极3之间间隙配合，源极2和漏极3横向之间形成光敏漏电流通道，所述光吸收半导体层5设置于光敏漏电流通道内。
一般藉由栅极电压控制TFT操作在关闭状态时，源极到漏极之间不会有电流通过；然而当TFT受光源照射时，由于光的能量在半导体激发出电子-空穴对，TFT结构的场效应作用会使电子-空穴对分离，进而使TFT产生光敏漏电流。这样的光敏漏电流特性让TFT阵列可应用在光侦测或光侦测之技术上。相较于一般采用TFT漏电流作光敏薄膜晶体管之器件，本发明以倒立共平面型场效晶体管结构将光吸收半导体层配置于最上方吸光层，大幅增加了光电子的激发，提高了光电转换效率。
如图7所示，为本发明一实施方式涉及的光侦测单元的制备方法的流程图。所述方法用于制备实施例六的光侦测单元所包含的光敏薄膜晶体管，具体包括以下步骤：
首先进入步骤S801在像素薄膜晶体管的基材上通过化磁控溅射镀膜出栅极。像素薄膜晶体管的基材可以采用硬板，也可以采用柔性材料(如聚酰亚胺)；
而后进入步骤S802在所述栅极的上方通过化学气相沉积或是磁控溅射镀膜出绝缘层；
而后进入步骤S803在所述绝缘层的上方通过化学气相沉积镀膜出源极和漏极的n型掺杂半导体层，并通过磁控溅射镀膜出源极和漏极的金属层，通过黄光蚀刻工艺定义出预设结构的源极和漏极，得到源极和漏极横向共面，且间隙配合，并使得源极和漏极横向之间形成光敏漏电流通道；
而后进入步骤S804在所述光敏漏电流通道内化学气相沉积镀膜出光吸收半导体层。
实施例七：
以熟知的场效晶体管结构而言，作为扫描驱动与数据传输开关的TFT不需特别针对源极和漏极之间收集光电流的结构作设计；然而对场效晶体管应用在光敏漏电流的侦测上，如果被光线激发的电子-空穴对被场效分离后，受电场驱动的飘移(Drift)路径太长，极有可能在光电子未能顺利抵达电极之前，就已经与空穴作再结合(Recombination)，或是被光吸收半导体层本身的悬空键结(Dangling Bond)缺陷给捕获，无法有效地贡献作光侦测的光电流输出。
为了改善光敏漏电流受源极与漏极之间通道长度的影响，以达到可增加吸收光半导体面积却不致于劣化光电转换效率的目的，本实施例中对实施例四的源极和漏极进行一步改进，提出了一源极与漏极的新型结构。
如图5所示，所述源极和漏极的数量均为多个，源极和源极之间相互并联，漏极和漏极之间相互并联；所述源极和漏极之间间隙配合，源极和漏极横向之间形成光敏漏电流通道包括：相邻的源极之间形成第一间隙，一个漏极置于所述第一间隙内，相邻的漏极之间形成第二间隙，一个源极置于所述第二间隙内，源极和漏极之间交错设置且间隙配合。每一源极与相邻的漏极之间的距离小于电子飘移距离，所述电子飘移距离为电子在场效作用下能够生存的距离。这样，在每一个侦测像素里，所属同一像素的多个源极都相互并联，且所属同一像素的多个漏极也都相互并联，可以有效降低光激发电子与空穴再复合的机率，提高了场效应作用下电极收集光电子的成功机率，最大化地改善了TFT漏电流光敏薄膜晶体管的光敏度。
如图8至11所示，为逐步制备实施例七涉及的光侦测单元所包含的光敏薄膜晶体管的过程，其大体步骤与制备实施例六的光敏薄膜晶体管类似。区别在于，在制备源极和漏极时，步骤S803中“通过黄光蚀刻工艺定义出预设结构的源极和漏极，得到源极和漏极横向共面，且间隙配合，并使得源极和漏极横向之间形成光敏漏电流通道”包括：通过黄光蚀刻工艺定义出源极电极组和漏极电极组，每一个源极电极组包括多个源极，源极和源极之间相互并联；每一个漏极电极组包括多个漏极，漏极和漏极之间相互并联；相邻的源极之间形成第一间隙，一个漏极置于所述第一间隙内，相邻的漏极之间形成第二间隙，一个源极置于所述第二间隙内，源极和漏极之间交错设置且间隙配合。
在某些实施例中，所述光侦测器件用于接收侦测触发信号，处于光侦测状态，并接收侦测部位(如指纹、眼球、虹膜等)反射的光信号以捕捉用户的侦测部位信息，并输出相应影像。优选的，侦测触发信号为红外光侦测信号，当光侦测器件接收到该信号后，将处于侦测反射进入光侦测器件的红外光。显示屏上的红外像素发光层用于接收到红外显示驱动信号，发出红外光；也可以用于接收到红外显示驱动关闭信号后，停止红外像素发光层工作，此时显示单元只起到RGB像素分量显示功能。
在某些实施例中，所述显示单元上设置有光侦测感应区，所述光侦测感应区包括多个光侦测感应子区域，每一光侦测感应子区域的下方对应设置一个光侦测器件。所述装置还包括存储介质，所述存储介质存储有计算机程序。以追踪眼球活动识别为例，所述计算机程序被处理器执行时实现以下步骤：接收到对眼球识别子区域(即光侦测感应子区域)的启动指令，侦测控制电路开启所述眼球识别子区域(即光侦测感应子区域)的下方的光侦测器件；或者，接收到对眼球识别子区域的关闭指令，侦测控制电路开启所述眼球识别子区域的下方的光侦测器件。如图12所述，光侦测器件的面积既可以覆盖整个显示屏，也可以占显示屏总面积的1/2至3/4，具体根据实际需要进行设置，各个光侦测器件整体的中心与显示屏的中心位置重合，以保证在进行生理特征信息侦测时，光轴不会偏离。
本发明通过在显示单元的下方设置光侦测器件，使得光侦测器件位于用户的生理特征信息成像的光轴位置或是近轴位置，相较于摄像头独立于显示屏设置在显示屏外围边缘的结构，本发明可以及时捕捉到用户的生理特征信息(如眼球活动信息)，减少影像侦测响应时间，提高用户体验。此外，将光侦测器件设置于显示单元的下方，并通过集成红外像素的显示单元发出红外光，相较于摄像头独立突出设置于显示屏区域外的结构，可以有效缩小移动设备的整体厚度，使得穿戴式设备或是移动设备更加轻薄、更适用于柔性穿戴式设备或是移动设备、满足市场的需求。
需要说明的是，尽管在本文中已经对上述各实施例进行了描述，但并非因此限制本发明的专利保护范围。因此，基于本发明的创新理念，对本文所述实施例进行的变更和修改，或利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，直接或间接地将以上技术方案运用在其他相关的技术领域，均包括在本发明的专利保护范围之内。

Claims (25)

1.一种显示屏集成红外像素的光侦测装置，其特征在于，所述装置包括显示单元、光侦测器件和处理芯片；所述光侦测器件位于所述显示单元的下方；
所述显示单元包括多个显示像素区，每一显示像素区内设置有显示像素发光层；所述多个显示像素区中还至少存在着一个显示像素区内设置有红外像素发光层；
所述红外像素发光层用于在接收到红外显示驱动信号后，发出红外光信号；还用于接收到红外显示驱动关闭信号后，所述红外像素发光层停止发出红外光信号，所述显示像素发光层用于发光显示；
所述光侦测器件用于接收用户侦测部位反射的侦测红外光信号；
所述处理芯片用于根据所述光侦测器件接收到的红外光信号生成用户侦测部位的红外光影像信息。
2.如权利要求1所述的显示屏集成红外像素的光侦测装置，其特征在于，所述光侦测器件包括多个像素侦测结构，每一像素侦测结构包括像素电路以及光侦测单元。
3.如权利要求2所述的显示屏集成红外像素的光侦测装置，其特征在于，所述光侦测单元包括红外光敏二极管或红外光敏电晶管。
4.如权利要求1所述的显示屏集成红外像素的光侦测装置，其特征在于，设置有红外像素发光层的显示像素区的数量为多个，且均匀分布于所述显示单元上。
5.如权利要求1所述的显示屏集成红外像素的光侦测装置，其特征在于，所述显示像素发光层包括：R分量像素发光层、G分量像素发光层和/或B分量像素发光层。
6.如权利要求2所述的显示屏集成红外像素的光侦测装置，其特征在于，所述像素电路包括至少一个薄膜电晶管，所述薄膜电晶管为有机薄膜晶体管。
7.如权利要求6所述的显示屏集成红外像素的光侦测装置，其特征在于，所述像素电路包括多个薄膜电晶管组成的阵列，所述薄膜电晶管组成的阵列的电子迁移率大于0.5cm2/Vs。
8.如权利要求2所述的显示屏集成红外像素的光侦测装置，其特征在于，所述光侦测单元为光敏二极管所形成的阵列，所述光敏二极管所形成的阵列包括光敏二极管感应区，所述光敏二极管感应区包括光敏二极管层，所述光敏二极管层包括至少一组由p型半导体层、i型半导体层、和n型半导体层形成的堆叠结构，所述i型半导体层为微晶硅结构或非结晶硅化锗结构。
9.如权利要求8所述的显示屏集成红外像素的光侦测装置，其特征在于，所述微晶硅结构为硅烷与氢气通过化学气相沉积成膜的半导体层，微晶硅的结构的结晶度大于40％，且其禁带宽度小于1.7eV。
10.如权利要求8所述的显示屏集成红外像素的光侦测装置，其特征在于，所述非结晶硅化锗结构为硅烷、氢气与锗烷通过化学气相沉积成膜的非结晶半导体层，且其禁带宽度小于1.7eV。
11.如权利要求8所述的显示屏集成红外像素的光侦测装置，其特征在于，所述光敏二极管层包括多组由p型半导体层、i型半导体层、和n型半导体层形成的堆叠结构，所述多组堆叠结构的i型半导体层分别由不同材料形成。
12.如权利要求8所述的显示屏集成红外像素的光侦测装置，其特征在于，所述p型半导体层包括由第一p型半导体层和第二p型半导体层形成的多层结构，所述第一p型半导体层采用非结晶结构，所述第二p型半导体层采用微晶结构，且所述第一p型半导体层掺杂硼的浓度高于所述第二p型半导体层掺杂硼的浓度；和/或
所述n型半导体层包括由第一n型半导体层和第二n型半导体层形成的多层结构，所述第一n型半导体层采用微晶结构，所述第二n型半导体层采用非结晶结构，且所述第二n型半导体层掺杂磷的浓度高于所述第一n型半导体层掺杂磷的浓度。
13.如权利要求8所述的显示屏集成红外像素的光侦测装置，其特征在于，所述p型半导体层的上端面设置有第一光学器件，所述第一光学器件用于降低光线在p型半导体层的上端面的反射率、或是减小光线在p型半导体层的折射角度以增加光入射量。
14.如权利要求8所述的显示屏集成红外像素的光侦测装置，其特征在于，所述n型半导体层的下端面还设置有第二光学器件，所述第二光学器件用于提高光线在n型半导体层的下端面的反射率。
15.如权利要求1所述的显示屏集成红外像素的光侦测装置，其特征在于，所述光侦测装置设置于所述显示单元沿其厚度方向的一侧。
16.如权利要求2所述的显示屏集成红外像素的光侦测装置，其特征在于，所述光侦测单元为光敏电晶管所形成的阵列，所述光敏电晶管所形成的阵列包括光敏电晶管感应区，所述光敏电晶管感应区设置有光敏薄膜晶体管，所述光敏薄膜晶体管包括栅极、源极、漏极、绝缘层、光吸收半导体层。
17.如权利要求16所述的显示屏集成红外像素的光侦测装置，其特征在于，所述光敏薄膜晶体管为倒立共平面式结构，所述倒立共平面式结构包括：所述栅极、绝缘层、源极纵向自下而上设置，所述漏极与所述源极横向共面设置；绝缘层包裹所述栅极，以使得栅极与源极、栅极与漏极之间均不接触；源极和漏极之间间隙配合，源极和漏极横向之间形成光敏漏电流通道，所述光吸收半导体层设置于光敏漏电流通道内。
18.如权利要求16或17所述的显示屏集成红外像素的光侦测装置，其特征在于，所述源极和漏极的数量均为多个，源极和源极之间相互并联，漏极和漏极之间相互并联；所述源极和漏极之间间隙配合，源极和漏极横向之间形成光敏漏电流通道包括：相邻的源极之间形成第一间隙，一个漏极置于所述第一间隙内，相邻的漏极之间形成第二间隙，一个源极置于所述第二间隙内，源极和漏极之间交错设置且间隙配合。
19.如权利要求1所述的显示屏集成红外像素的光侦测装置，其特征在于，还包括主电路板，所述处理芯片设置于所述主电路板上，所述光侦测器件和所述主电路板之间还设置有封装阻隔层，所述封装阻隔层用于阻水阻氧的作用。
20.如权利要求19所述的显示屏集成红外像素的光侦测装置，其特征在于，所述封装阻隔层成膜于聚合物基材上。
21.如权利要求19所述的显示屏集成红外像素的光侦测装置，其特征在于，所述封装阻隔层包括多层无机层镀膜以及有机层镀膜交替堆叠形成的材料。
22.如权利要求21所述的显示屏集成红外像素的光侦测装置，其特征在于，所述无机层镀膜包括：氧化铝、氧化硅、氮化硅。
23.如权利要求21所述的显示屏集成红外像素的光侦测装置，其特征在于，所述有机层镀膜包括：基于丙烯酸树脂的高分子材料或基于聚对二甲苯的高分子材料。
24.一种如权利要求16至18任一项所述的光侦测装置的光侦测单元的制备方法，其特征在于，包括：
在像素基材上形成所述栅极；
在所述栅极上形成所述绝缘层；
在所述绝缘层上形成所述源极和所述漏极的n型掺杂半导体层、以及所述源极和所述漏极的金属层，定义出具有预设结构的所述源极和所述漏极，得到所述源极和所述漏极横向共面，且间隙配合，并使得所述源极和所述漏极横向之间形成光敏漏电流通道；
在所述光敏漏电流通道内形成所述光吸收半导体层。
25.如权利要求24所述的光侦测装置的光侦测单元的制备方法，其特征在于，“定义出具有预设结构的所述源极和所述漏极，得到所述源极和所述漏极横向共面，且间隙配合，并使得所述源极和所述漏极横向之间形成光敏漏电流通道”包括：
定义出源极电极组和漏极电极组，每一个源极电极组包括多个源极，源极和源极之间相互并联；每一个漏极电极组包括多个漏极，漏极和漏极之间相互并联；相邻的源极之间形成第一间隙，一个漏极置于所述第一间隙内，相邻的漏极之间形成第二间隙，一个源极置于所述第二间隙内，源极和漏极之间交错设置且间隙配合。
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