CN110458036B

CN110458036B - 指纹识别模组及其制备方法、相关装置

Info

Publication number: CN110458036B
Application number: CN201910646830.4A
Authority: CN
Inventors: 宋继越
Original assignee: Wuhan China Star Optoelectronics Technology Co Ltd
Current assignee: Wuhan China Star Optoelectronics Technology Co Ltd
Priority date: 2019-07-17
Filing date: 2019-07-17
Publication date: 2022-04-05
Anticipated expiration: 2039-07-17
Also published as: CN110458036A

Abstract

本发明实施例公开了一种指纹识别模组及其制备方法、相关装置，指纹识别模组包括感光薄膜晶体管基板，感光薄膜晶体管基板包括衬底基板、栅极层、导电层和用于感光的铁电材料层；栅极层位于衬底基板之上；铁电材料层位于栅极层之上，铁电材料层在衬底基板上的投影与栅极层在衬底基板上的投影部分或全部重叠；导电层位于铁电材料层之上，导电层在衬底基板上的投影与铁电材料层在衬底基板上的投影部分或全部重叠。本发明实施例中指纹识别模组中采用铁电材料层作为感光传感器替代传统材料制作的感光传感器，由于铁电材料中的内建场源于铁电材料中的铁电极化，因此突破了传统材料禁带对光伏电压的限制，从而提高了光学指纹识别模组的灵敏度。

Description

指纹识别模组及其制备方法、相关装置

技术领域

本发明涉及光学指纹识别技术领域，具体涉及一种指纹识别模组及其制备方法、相关装置。

背景技术

目前，指纹识别技术已经广泛应用于平板、手机等中小尺寸面板中，指纹识别技术的发展过程中，指纹识别技术从电容式指纹识别技术到光学指纹识别技术发展。

光学指纹识别技术采用光的反射原理，当手指放在感光传感器上方时，指纹的谷和脊对光的反射不一样，感光传感器所接收到的反射光强就不一样，产生不同大小的光电流，从而抓取指纹的特征点，进行人的身份识别。

现有光学指纹识别技术采用的感光传感器主要式由PN结(PN junction)、PIN二极管(PIN Diode)构成，而这种基于PN结或PIN二极管的感光传感器制备工艺复杂且不够灵敏。

发明内容

本发明实施例提供一种指纹识别模组及其制备方法、相关装置，所述指纹识别模组中采用铁电材料层作为感光传感器替代传统材料制作的感光传感器，由于铁电材料中的内建场源于铁电材料中的铁电极化，存在于整个材料内部，突破了传统材料禁带对光伏电压的限制，从而提高了光学指纹识别模组的灵敏度。

为解决上述问题，第一方面，本申请本发明一种指纹识别模组，所述指纹识别模组包括感光薄膜晶体管基板，所述感光薄膜晶体管基板包括衬底基板、栅极层、导电层和用于感光的铁电材料层；

所述栅极层位于所述衬底基板之上；所述铁电材料层位于所述栅极层之上，所述铁电材料层在所述衬底基板上的投影与所述栅极层在所述衬底基板上的投影部分或全部重叠；所述导电层位于所述铁电材料层之上，所述导电层在所述衬底基板上的投影与所述铁电材料层在所述衬底基板上的投影部分或全部重叠。

进一步的，所述铁电材料层中的铁电材料的禁带宽度范围为[1.631ev，3.179ev]。

进一步的，所述铁电材料层中的铁电材料的禁带宽度范围为[2.500ev，2.700ev]。

进一步的，所述铁电材料为铁酸铋(BiFeO₃)。

进一步的，所述导电层为氧化铟锡层。

第二方面，本申请提供一种指纹识别装置；所述指纹识别装置包括第一方面中所述的指纹识别模组。

进一步的，所述指纹识别装置包括多个显示屏，且所述多个显示屏中的至少一个显示屏内设置有所述指纹识别模组。

第三方面，本申请提供一种指纹识别模组的制备方法，所述方法包括：

提供衬底基板，在所述衬底基板上制备栅极层；

在所述栅极层上制备铁电材料层，所述铁电材料层在所述衬底基板上的投影与所述栅极层在所述衬底基板上的投影部分或全部重叠；

在所述铁电材料层上制备导电层，所述导电层在所述衬底基板上的投影与所述铁电材料层在所述衬底基板上的投影部分或全部重叠；

将所述铁电材料层和导电层进行图案化处理。

进一步的，在所述栅极层上制备铁电材料层包括：

通过化学溶液法，在所述栅极层上制备铁电材料薄膜，形成铁电材料层。

进一步的，所述化学溶液法采用的溶液包括醋酸铋、醋酸铁和丙酸。

进一步的，所述溶液中还包括乙醇胺。

有益效果:本发明实施例中通过提供一种指纹识别模组，指纹识别模组包括感光薄膜晶体管基板，感光薄膜晶体管基板包括衬底基板、栅极层、导电层和用于感光的铁电材料层；栅极层位于衬底基板之上；铁电材料层位于栅极层之上，铁电材料层在衬底基板上的投影与栅极层在衬底基板上的投影部分或全部重叠；导电层位于铁电材料层之上，导电层在衬底基板上的投影与铁电材料层在衬底基板上的投影部分或全部重叠，指纹识别模组中采用铁电材料层作为感光传感器替代传统材料制作的感光传感器，由于铁电材料中的内建场源于铁电材料中的铁电极化，存在于整个材料内部，而非PN结附近的耗尽层，因此突破了传统材料禁带对光伏电压的限制，从而提高了光学指纹识别模组的灵敏度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供一种指纹识别模组的一个实施例结构示意图。

图2是本发明实施例提供一种BiFeO₃极化后分离电子空穴对的一个实施例示意图。

图3是本发明实施例提供一种感光薄膜晶体管工作区间的一个实施例示意图。

图4是本发明实施例提供一种指纹识别模组的制备方法的一个实施例流程示意图。

图5是本发明实施例提供一种指纹识别模组的制备方法的另一个实施例流程示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

指纹识别模组是利用了生物识别技术实现指纹识别，所谓生物识别技术就是，通过计算机与光学、声学、生物传感器和生物统计学原理等高科技手段密切结合，利用人体固有的生理特性，(如指纹、指静脉、人脸、虹膜等)和行为特征(如笔迹、声音、步态等)来进行个人身份的鉴定。由于人体特征具有人体所固有的不可复制的独一性，每个人包括指纹在内的皮肤纹路在图案、断点和交叉点上各不相同，呈现唯一性且终生不变。据此，我们就可以把一个人同他的指纹对应起来，通过将他的指纹和预先保存的指纹数据进行比较，就可以验证它的真实身份，这就是指纹识别技术。

指纹识别模组中包括感光传感器，目前，指纹识别模组中采用的感光传感器主要是由PN结、PIN二极管构成，而这种基于PN结或PIN二极管的感光传感器制备工艺复杂且不够灵敏。具体是因为当光的能量hv大于感光传感器材料的禁带宽度Eg时，激发出电子-空穴对，由于PN结耗尽区内建电场的作用，使得电子-空穴对分离，从而产生光伏电压或光生电流，通过产生的光伏电压作用在TFT的栅极层上或者将光生电流通过TFT的源漏极引出，形成主动式或者被动式的指纹识别感光传感器。但是，这种基于PN结或PIN二极管的感光传感器所产生的光伏电压受限于材料禁带宽度和内建电场，一般不超过1V。

基于此，本发明实施例提供一种指纹识别模组及其制备方法、相关装置，以下分别进行详细说明。

首先，本发明实施例中提供一种指纹识别模组，所述指纹识别模组包括感光薄膜晶体管基板，所述感光薄膜晶体管基板包括衬底基板、栅极层、导电层和用于感光的铁电材料层；

如图1所示，为本发明实施例中指纹识别模组的一个实施例结构示意图，其中，指纹识别模组包括感光薄膜晶体管基板，所述感光薄膜晶体管基板105包括衬底基板101、栅极层102、导电层103和用于感光的铁电材料层104；其中，所述衬底基板101一般为玻璃基板。

所述栅极层102位于所述衬底基板101之上；所述铁电材料层104位于所述栅极层102之上，所述铁电材料层104在所述衬底基板101上的投影与所述栅极层102在所述衬底基板101上的投影部分或全部重叠；所述导电层103位于所述铁电材料层104之上，所述导电层103在所述衬底基板101上的投影与所述铁电材料层104在所述衬底基板101上的投影部分或全部重叠。其中，所述该指纹识别模组可用于顶栅或底栅结构的薄膜晶体管基板中。

其中，所述感光薄膜晶体管基板还包括遮光层、缓冲层、半导体层、介电层等层级，本申请对其他层级不作限定，具体是实际情况而定。

铁电材料是指具有铁电效应的一类材料，它是热释电材料的一个分支，所有的铁电材料都同时具备铁电性和压电性，铁电性是指在一定温度范围内材料会产生自发极化，其中，铁电材料在电场下发生极化，当外加电场撤去后，其材料内部还保持剩余极化，电偶极矩将朝同一个方向排列。极化强度在垂直于畴壁的方向上可以产生一个小电压，可以看作一个电压源，如BiFeO₃薄膜中，每个71度畴壁处会有0.01V左右的电压，而材料中有许多畴壁，这些小的电压源串联起来，形成较大的电压，可以突破材料的带隙限制。

指纹识别模组还可以包括开关薄膜晶体管基板106，所述开关薄膜晶体管基板106中的开关薄膜晶体管的阈值电压可控制在1V左右，且可容用于控制显示面板的显示开关状态，而感光薄膜晶体管基板105中的感光薄膜晶体管的阈值电压可以控制在0V左右，且可用于指纹识别。

具体的，本申请实施例所述的指纹识别模组适用于各种指纹打卡设备，例如企业指纹打卡机、指纹识别门锁、手机和个人电脑，本申请实施例并不对此做限定，具体视情况而定。

本发明实施例中通过提供一种指纹识别模组，指纹识别模组包括感光薄膜晶体管基板，感光薄膜晶体管基板包括衬底基板101、栅极层102、导电层103和用于感光的铁电材料层104；栅极层102位于衬底基板101之上；铁电材料层104位于栅极层102之上，铁电材料层104在衬底基板101上的投影与栅极层102在衬底基板101上的投影部分或全部重叠；导电层103位于铁电材料层104之上，导电层103在衬底基板101上的投影与铁电材料层104在衬底基板101上的投影部分或全部重叠，指纹识别模组中采用铁电材料层104作为感光传感器替代传统材料制作的感光传感器，由于铁电材料中的内建场源于铁电材料中的铁电极化，存在于整个材料内部，突破了传统材料禁带对光伏电压的限制，从而提高了光学指纹识别模组的灵敏度。

在上述实施例的基础上，在本申请的另一个具体实施例中，所述铁电材料层中的铁电材料的禁带宽度范围为[1.631ev，3.179ev]。

一般说来，显示设备发出的光源为可见光，因此，当该指纹识别模组应用于显示设备时，对应设置的铁电材料的感光光波波长范围为[390,760]，根据Eg＝1240/λ计算可得：Eg的范围为[1.631ev，3.179ev]，其中，Eg为铁电材料的禁带宽度，λ为可见光对应的波长。

具体的，本申请实施例中的指纹识别模组为光学指纹识别模组，其中光学指纹识别模组采用了光学指纹识别技术，光学指纹识别技术借助光学技术采集指纹，将手指放在光学镜片上，手指在内置光源照射下，用棱镜将其投射在电荷耦合器件(CCD)上，进而形成脊线(指纹图像中具有一定宽度和走向的纹线)呈黑色、谷线(纹线之间的凹陷部分)呈白色的数字化的、可被指纹设备算法处理的多灰度指纹图象。光学指纹技术经过较长时间的应用考验，一定程度上适应温度的变异，较为廉价，可达到500DPI的较高分辨率等。

在上述实施例的基础上，在本申请的另一个具体实施例中，所述铁电材料层中的铁电材料的禁带宽度范围为[2.500ev，2.700ev]，在指纹识别模组采用该禁带宽度范围内的铁电材料，进一步的提高了光学指纹识别模组的灵敏度。

在上述实施例的基础上，在本申请的另一个具体实施例中，所述铁电材料为铁酸铋(BiFeO₃)。由于BiFeO₃的禁带宽度Eg约为2.67eV，故可利用464nm以下的可见光波段(380～460nm)进行探测，而在(380～460nm)的光波段对应的为蓝光。具体的，当使用的铁电材料为BiFeO₃时，使用BiFeO₃的指纹识别模组的对显示设备在对应识别区域的光源应发射蓝光，如图2所示，为BiFeO₃极化后分离电子空穴对示意图，其中，X方向为极化方向，Y方向为电场方向，上级板201和下级板202相对设置，BiFeO₃极化后，材料内部产生内建电场，将光照后产生的电子空穴对分离，从而产生光伏电压，如图3所示，为感光薄膜晶体管工作区间示意图，此光伏电压作用于感光TFT的栅极上，如果感光TFT工作在亚阈值区附近，栅极电压的变化，可以使源漏极之间的电流发生几个数量级的变化。通过开关TFT控制，读取源漏极电流变化，达到指纹识别的目的。

在上述实施例的基础上，在本申请的一个具体实施例中，所述导电层可以为氧化铟锡(Indium tin oxide，ITO)层。本申请对所述导电层材料并不做限定，具体视实际情况而定。

为了更好实施本发明实施例中指纹识别模组，在指纹识别模组的基础之上，本发明实施例中还提供一种指纹识别装置，所述指纹识别装置包括如上述实施例所述的指纹识别模组。

通过采用如上实施例中描述的指纹识别模组，进一步提升了该指纹识别装置的识别性能。

在上述实施例的基础上，在本申请的另一个具体实施例中，所述指纹识别装置包括多个显示屏，且所述多个显示屏中的至少一个显示屏内设置有所述指纹识别模组。

一般说来，目前具有多个显示屏的设备已经开始普及，当用户在多个显示屏之间进行切换使用且进入主页前都是需要进行解锁的，如果多个显示屏中只有其中一个显示屏能进行解锁，会导致用户使用障碍，甚至使用户需要在多个屏幕进行试探，这明显降低了用户的使用体验效果，因此当在多个显示屏中的至少一个显示屏内设置有所述指纹识别模组能够有效的增加用户的使用体验效果。

为了更好实施本发明实施例中指纹识别模组，在指纹识别模组的基础之上，本发明实施例中还提供一种指纹识别模组的制备方法，如图4所示，为本发明实施例提供一种指纹识别模组的制备方法的一个实施例流程示意图，所述指纹识别模组的制备方法包括：

401、提供衬底基板，在所述衬底基板上制备栅极层。

具体的，在所述衬底基板上制备栅极层之前还制备有金属钼层、缓冲层、半导体层和栅极绝缘层等，且是通过镀膜、曝光、蚀刻、显影等步骤进行制备。

402、在所述栅极层上制备铁电材料层，所述铁电材料层在所述衬底基板上的投影与所述栅极层在所述衬底基板上的投影部分或全部重叠。

其中，铁电材料层与栅极层之间电连接，因此当只有部分连接也可。

403、在所述铁电材料层上制备导电层，所述导电层在所述衬底基板上的投影与所述铁电材料层在所述衬底基板上的投影部分或全部重叠。

404、将所述铁电材料层和导电层进行图案化处理。

具体的，根据实际要求，将铁电材料层进行图案化处理，且经过图案处理后的铁电材料单元长度可以为20um～50um，宽度可以为20um，本申请实施例并不对铁电材料单元长度和宽度进行限定，具体视情况而定。

其中，图案化处理完毕后，内部隔离层、源\漏层和绝缘层保护层的沉积可与常规LTPS工艺路线一致。

本发明实施例中通过提供了指纹识别模组的制备方法，相比传统的PIN二极管简单，无需制备三层不同掺杂浓度的材料，从而有效的降低了制造工艺的复杂性，提高了生产效率。

在上述实施例的基础上，在本申请的另一个具体实施例中，如图5所示，为本发明实施例提供一种指纹识别模组的制备方法的另一个实施例流程示意图，所述指纹识别模组的制备方法包括：

501、提供衬底基板，在所述衬底基板上制备遮光层，并通过曝光蚀刻方式进行图案化。

其中，所述遮光层材料为金属钼。

502、在所述遮光层上制备缓冲层。

503、在所述缓冲层上制备半导体层多晶硅a-Si，通过准分子激光退火将a-Si转化为多晶硅poly-Si，并通过曝光蚀刻方式进行图案化。

其中，所述缓冲层材料为SiN_x/SiO_x叠层。

504、在所述半导体层上制备介电绝缘层。

505、在所述介电绝缘层上制备栅极层。

506、在所述栅极层上制备铁电材料层，所述铁电材料层在所述衬底基板上的投影与所述栅极层在所述衬底基板上的投影部分或全部重叠。

507、在所述铁电材料层上制备导电层，所述导电层在所述衬底基板上的投影与所述铁电材料层在所述衬底基板上的投影部分或全部重叠。

508、将所述铁电材料层和导电层进行图案化处理。

在上述实施例的基础上，在本申请的另一个具体实施例中，在所述栅极层上制备铁电材料层包括：

在上述实施例的基础上，在本申请的一个具体实施例中，所述化学溶液法采用的溶液包括醋酸铋、醋酸铁和丙酸。具体的，在低温下，只需采用一层铁酸铋材料，替代传统的PIN二极管的三层结构，并且无需掺杂或生长P型和N型材料，且所述化学溶液法采用的溶液是将醋酸铋、醋酸铁溶解于丙酸溶液中形成的混合溶液。

在化学溶液法采用的溶液包括醋酸铋、醋酸铁和丙酸的基础上，在本申请的另一个具体实施例中，所述溶液中还可以包括乙醇胺。具体的，乙醇胺可以使溶液更加稳定，本申请实施例并不对乙醇胺做限定，只要能使稳定的稳定性增加即可。

在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见上文其他实施例中的详细描述，此处不再赘述。

具体实施时，以上各个单元或结构可以作为独立的实体来实现，也可以进行任意组合，作为同一或若干个实体来实现，以上各个单元或结构的具体实施可参见前面的方法实施例，在此不再赘述。

以上各个操作的具体实施可参见前面的实施例，在此不再赘述。

以上对本发明实施例所提供的一种指纹识别模组及其制备方法、相关装置进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims

1.一种指纹识别模组，其特征在于，所述指纹识别模组包括感光薄膜晶体管基板，所述感光薄膜晶体管基板包括衬底基板、栅极层、导电层和用于感光的铁电材料层；

所述栅极层位于所述衬底基板之上；所述铁电材料层位于所述栅极层之上，所述铁电材料层在所述衬底基板上的投影与所述栅极层在所述衬底基板上的投影部分或全部重叠；所述导电层位于所述铁电材料层之上，所述导电层在所述衬底基板上的投影与所述铁电材料层在所述衬底基板上的投影部分或全部重叠；

所述指纹识别模组还包括开关薄膜晶体管基板，所述开关薄膜晶体管基板与所述感光薄膜晶体管基板电连接，所述开关薄膜晶体管基板用于读取源漏极电流变化，以实现指纹识别。

2.根据权利要求1所述的指纹识别模组，其特征在于，所述铁电材料层中的铁电材料的禁带宽度范围为[1.631ev，3.179ev]。

3.根据权利要求2所述的指纹识别模组，其特征在于，所述铁电材料层中的铁电材料的禁带宽度范围为[2.500ev，2.700ev]。

4.根据权利要求1所述的指纹识别模组，其特征在于，所述铁电材料为铁酸铋。

5.根据权利要求1所述的指纹识别模组，其特征在于，所述导电层为氧化铟锡层。

6.一种指纹识别装置，其特征在于，所述指纹识别装置包括如权利要求1～5任一项所述的指纹识别模组。

7.根据权利要求6所述的指纹识别装置，其特征在于，所述指纹识别装置包括多个显示屏，且所述多个显示屏中的至少一个显示屏内设置有所述指纹识别模组。

8.一种指纹识别模组的制备方法，其特征在于，所述方法包括感光薄膜晶体管基板的制备，制备方法如下：

提供衬底基板，在所述衬底基板上制备栅极层；

将所述铁电材料层和导电层进行图案化处理，从而得到感光薄膜晶体管基板；

所述方法还包括，制备开关薄膜晶体管基板，以得到指纹识别模组；

所述开关薄膜晶体管基板与所述感光薄膜晶体管基板电连接，所述开关薄膜晶体管基板用于读取源漏极电流变化，以实现指纹识别。

9.根据权利要求8所述的指纹识别模组的制备方法，其特征在于，在所述栅极层上制备铁电材料层包括：

10.根据权利要求9所述的指纹识别模组的制备方法，其特征在于，所述化学溶液法采用的溶液包括醋酸铋、醋酸铁和丙酸。

11.根据权利要求10所述的指纹识别模组的制备方法，其特征在于，所述溶液中还包括乙醇胺。