CN111009539B - 图像传感器装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种包括具有整流特性的元件和薄膜晶体管的装置，该装置包括具有允许电流从上电极流到下电极的整流特性的第一元件、n沟道薄膜晶体管和控制电极。n沟道薄膜晶体管包括半导体膜、栅电极、第一信号电极和第二信号电极。控制电极面对栅电极，半导体膜设置在控制电极与栅电极之间。第二信号电极与下电极连接。控制电极与下电极连接。当在平面上观察时，半导体膜的在第一信号电极侧的第一沟道端的至少一部分位于控制电极的区域内。当在平面上观察时，半导体膜的在第二信号电极侧的第二沟道端远离控制电极。

Description

图像传感器装置
技术领域
本发明涉及一种包括具有整流特性的元件和薄膜晶体管的装置。
背景技术
已知这样的装置：该装置包括具有允许电流基本上仅在一个方向上流动的整流特性的元件。例如，图像传感器包括由多个像素组成的像素阵列，每个像素包括具有整流特性的光电二极管(PD)以及与光电二极管的下电极连接以控制流过光电二极管的电流的薄膜晶体管(TFT)。
在制造这种装置时，静电电荷会被注入到具有整流特性的元件的下电极，而破坏该元件和与该元件的下电极连接的薄膜晶体管。为了提高产品产量，需要防止静电破坏的措施。
发明内容
本发明的一个方面是一种装置，所述装置包括：第一元件，所述第一元件具有允许电流从上电极流到下电极的整流特性；n沟道薄膜晶体管，所述n沟道薄膜晶体管包括半导体膜、栅电极、第一信号电极和第二信号电极；以及控制电极，所述控制电极面对所述栅电极，所述半导体膜设置于所述控制电极与所述栅电极之间。所述第二信号电极与所述下电极连接。所述控制电极与所述下电极连接。当在平面上观察时，所述半导体膜的在第一信号电极侧的第一沟道端的至少一部分位于所述控制电极的区域内。当在平面上观察时，所述半导体膜的在第二信号电极侧的第二沟道端远离控制电极。
本发明的一个方面是一种装置，所述装置包括：第一元件，所述第一元件具有允许电流从下电极流到上电极的整流特性；n沟道薄膜晶体管，所述n沟道薄膜晶体管包括半导体膜、栅电极、第一信号电极和第二信号电极；以及控制电极，所述控制电极面对所述栅电极，所述半导体膜设置于所述控制电极与所述栅电极之间。所述第二信号电极与所述下电极连接。所述控制电极与所述下电极连接。当在平面上观察时，所述半导体膜的在第一信号电极侧的第一沟道端远离所述控制电极。当在平面上观察时，所述半导体膜的在第二信号电极侧的第二沟道端的至少一部分位于所述控制电极的区域内。
本发明的一个方面防止或减少对具有整流特性的元件和薄膜晶体管的静电破坏。
应该理解的是，前面的一般性描述和下面的详细描述都是示例性和说明性的，而不旨在限制本发明。
附图说明
图1A是示出图像传感器的结构示例的框图；
图1B是示出像素的等效电路的结构示例的电路图；
图2A是示出对像素的光电二极管和薄膜晶体管的静电破坏的示意图；
图2B是示出对像素的光电二极管和薄膜晶体管的静电破坏的示意图；
图3A示出了比较例中的像素中的静电电荷的行为；
图3B示出了比较例中的像素中的静电电荷的行为；
图4示意性地示出了一实施方式中的像素的剖面结构；
图5是该实施方式中的像素的俯视图；
图6是比较例的像素的俯视图；
图7A是示出布置在薄膜晶体管的源极侧上的控制电极的功能的示意图；
图7B是用于示出布置在薄膜晶体管的漏极侧上的控制电极的功能的示意图；
图8A示出了在测量存储在光电二极管中的电荷时，薄膜晶体管的电极处的电位V1与光电二极管的下电极处的电位V2之间的关系；
图8B示出了当静电的正电荷注入光电二极管的下电极时的上述电位的关系；
图9A是薄膜晶体管的俯视图；
图9B是薄膜晶体管的剖视图；
图10示出了像素的另一结构示例；
图11示出了像素的又一结构示例；
图12是具有另一结构的像素的剖视图；以及
图13是图12中所示的像素的俯视图。
具体实施方式
在下文中，将参考附图描述实施方式。应当注意，实施方式仅是用于实现本发明的示例，而不是限制本发明的技术范围。附图可能放大元件的尺寸和/或形状，以清楚地理解本说明书。
图1A是示出图像传感器的结构示例的框图。图像传感器10的示例用于拍摄透射的X射线的图像。图像传感器10包括像素矩阵101、扫描电路170和检测器电路150。像素矩阵101包括以矩阵排列的像素102。像素矩阵101形成在传感器基板100上。传感器基板100例如是由玻璃制成的绝缘基板。
像素102设置在多条信号线106和多条栅极线(扫描线)105之间的交叉点处。在图1A中，信号线106设置成竖直地延伸并且彼此水平地远离。栅极线105设置为水平地延伸并且彼此竖直地远离。每个像素102与偏置线107中的一条偏置线连接，偏置线107设置成竖直地延伸并且在图1A中彼此水平地远离。在图1A中，仅一个像素设有附图标记102、仅一条信号线设有附图标记106、仅一条栅极线设有附图标记105和仅一条偏置线设有附图标记107。
每条信号线106与不同的像素列连接。每条栅极线105与不同的像素行连接。信号线106与检测器电路150连接，并且栅极线105与扫描电路170连接。每条偏置线107与共同偏置线108连接。偏置电位施加到共同偏置线108的焊盘109。
图1B是示出像素102的等效电路的结构示例的电路图。像素102包括作为光电转换元件的光电二极管103和作为开关元件的薄膜晶体管(TFT)104。薄膜晶体管104的栅极端子与栅极线105连接，薄膜晶体管104的源极端子和漏极端子中的一者与信号线106连接，薄膜晶体管104的源极端子和漏极端子中的另一者与光电二极管103的阴极端子连接。在图1B的示例中，光电二极管103的阳极端子与偏置线107连接。
薄膜晶体管104是非晶硅(a-Si)薄膜晶体管或氧化物半导体薄膜晶体管。薄膜晶体管104具有n型导电性。假设薄膜晶体管104是氧化物半导体薄膜晶体管，进行以下描述。
用作X射线成像装置的图像传感器10通过取出与从每个光电二极管103照射到外部的X射线照射量成比例地存储的信号电荷来读取信号。通过使像素102的薄膜晶体管104导通，可以取出信号电荷。具体地，当光进入光电二极管103时，产生信号电荷并将其存储在光电二极管103中。
扫描电路170逐个选择栅极线105以施加脉冲而使薄膜晶体管104导通。光电二极管103的阳极端子与偏置线107连接，信号线106通过检测器电路150被供给基准电位。因此，光电二极管103被充有偏置线107的偏置电位与基准电位之间的压差。确定该差分电压，使得阴极电位高于阳极电位，以使光电二极管103反向偏置。
将光电二极管103再充电到反向偏压所需的电荷取决于入射在光电二极管103上的光量。检测器电路150通过对直到光电二极管103再充电到反向偏压为止流过的电流进行积分来读取信号电荷。
存储在光电二极管103中的电荷由于入射光和即使在光电二极管103未被光照射时流过的暗漏电流也不可避免地减少。因此，在读取信号电荷的操作中，在薄膜晶体管104中，与信号线106连接的端子处的电压等于或高于与光电二极管103连接的端子处的电压。也就是说，在检测信号电荷中，与信号线106连接的端子是漏极，并且与光电二极管103连接的端子是源极。
参照图2A和图2B，描述了对像素的光电二极管103和薄膜晶体管104的静电破坏。如图2A所示，在制造图像传感器10时，可以将静电电荷211注入光电二极管103和薄膜晶体管104之间的连接部。作为对光电二极管103和薄膜晶体管104的静电破坏的结果，如图2B所示，生成泄漏路径213。
图3A和图3B示出了比较例的像素内的静电电荷的行为。图3A示出了当负静电电荷注入光电二极管103的下电极时像素的剖面结构。图3B示出了当正静电电荷注入光电二极管103的下电极时该像素的剖面结构。
在以下描述中，图像传感器10的放置有待测量的物体的侧被称为前侧。在图3A和图3B的示例中，光电二极管103的与传感器基板100相对的侧是前侧。在像素的构成要素之间的位置关系中，将更靠近传感器基板100的一侧称为下侧，将相对侧称为上侧。
像素中包括的薄膜晶体管114和光电二极管103具有层叠结构。薄膜晶体管114包括形成在绝缘传感器基板100上方的栅电极302、栅电极302上方的栅极绝缘层(膜)303、以及栅极绝缘层303上方的氧化物半导体层(膜)304。
图3A和图3B中的薄膜晶体管114具有底栅结构；栅电极302设置成低于氧化物半导体层304。薄膜晶体管114还包括源/漏电极(第一信号电极)305和栅极绝缘层303上方的源/漏电极(第二信号电极)306。源/漏电极305和306与氧化物半导体层304连接。源/漏电极305和306与岛状氧化物半导体层304的侧面接触，并且还与氧化物半导体层304的顶面的一部分接触。
根据载流子的流动，源/漏电极305和306中的一者是源电极，另一者是漏电极。在检测光电二极管103的电荷时，电极305是漏电极，电极306是源电极。在稍后将描述的释放静电电荷时，电极305是源电极，电极306是漏电极。
栅极绝缘层303被设置为完全覆盖栅电极302。栅极绝缘层303设置在栅电极302和氧化物半导体层304之间、栅电极302和源/漏电极305之间、以及栅电极302和源/漏电极306之间。
第一层间绝缘层(膜)307被设置为覆盖整个薄膜晶体管114。具体地，第一层间绝缘层307覆盖氧化物半导体层304的顶面、源/漏电极305的顶面和源/漏电极306的顶面。
传感器基板100例如由玻璃或树脂制成。栅电极302是导电体，并且可以由掺杂有杂质的金属或硅制成。栅极绝缘层303可以由氧化硅或氮化硅制成。用于氧化物半导体层304的氧化物半导体是包括In、Ga和Zn中的至少一者的氧化物半导体，例如，非晶InGaZnO(a-InGaZnO)或微晶InGaZnO。也可以使用其它的氧化物半导体，例如，a-InSnZnO和a-InGaZnSnO。
源/漏电极305和306是导电体，并且可以由诸如Mo、Ti、Al或Cr的金属、其合金、或这些金属或合金的层叠体制成。第一层间绝缘层307是无机或有机绝缘体。尽管图3A和图3B所示的薄膜晶体管114具有底栅结构，但是薄膜晶体管114可以具有顶栅结构。
光电二极管103设置在第一层间绝缘层307上方。图3A和图3B中所示的光电二极管103的示例是PIN二极管。PIN二极管在膜厚度中具有厚的耗尽层以有效地检测光。光电二极管103包括夹在上电极312与第一层间绝缘层307上方的下电极308之间的半导体层叠体。下电极308通过第一层间绝缘层307的通孔321中的互连部与薄膜晶体管114的源/漏电极306连接。
下电极308是导电体，并且可以由诸如Cr、Mo或Al的金属、其合金、或这些金属或合金的层叠体制成。上电极312是使来自闪烁体316的光透过的透明电极，并且例如可以由ITO制成。
光电二极管103包括下电极308上方的n型非晶硅层(膜)309、n型非晶硅层309上方的本征非晶硅层(膜)310、本征非晶硅层(膜)310上方的p型非晶硅层(膜)311。上电极312设置在p型非晶硅层311上方。待检测的光经由上电极312(p型非晶硅层311)进入光电二极管103。
第二层间绝缘层(膜)313设置为覆盖光电二极管103。具体地，第二层间绝缘层313设置在第一层间绝缘层307、下电极308的一部分和上电极312的上方。第二层间绝缘层313是无机或有机绝缘体。
偏置线107设置在第二层间绝缘层313上方。偏置线107通过设置在第二层间绝缘层313的通孔322中的互连部与上电极312连接。偏置线107是导电体并且可以由诸如Mo、Ti或Al的金属、其合金、或这些金属或合金的层叠体制成。
钝化层(膜)315被设置为覆盖偏置线107和第二层间绝缘层313。钝化层315完全覆盖像素矩阵101。钝化层315是无机或有机绝缘体。闪烁体316设置在钝化层315上方。
闪烁体316完全覆盖像素矩阵101。闪烁体316通过被放射线激发而发光。具体地，闪烁体316将接收的X射线转换成具有光电二极管103可检测的波长的光。光电二极管103存储取决于来自闪烁体316的光的量的信号电荷。
如图3A所示，当负静电电荷(-Q)371被注入光电二极管103的下电极308时，由于光电二极管的整流特性，负电荷经由光电二极管103和偏置线107移动到外部。因此，光电二极管103和薄膜晶体管114不会被负电荷破坏。
然而，如图3B所示，当正静电电荷(+Q)372被注入到光电二极管103的下电极308时，正电荷不通过光电二极管103或薄膜晶体管114移动到外部，这意味着没有释放正电荷的路径。因此，光电二极管103和薄膜晶体管114可能被正电荷破坏。
从参照图3A和图3B的描述可以理解的是，准备释放正电荷的路径可以避免光电二极管103和薄膜晶体管114受到静电破坏。该实施方式中的图像传感器10包括控制电极，该控制电极具有特定结构，以使得静电电荷能够从薄膜晶体管移出，而不会显著地干扰检测器电路150检测由待测量的物体产生的电荷。
图4示意性地示出了本发明的一实施方式中的像素102的剖面结构。与图3A和图3B中所示的比较例相比，该实施方式中的像素102还包括控制电极331。控制电极331是薄膜晶体管104的构成要素。如稍后所述，控制电极331使正电荷能够从光电二极管103的下电极308通过薄膜晶体管104流出到信号线106。
控制电极331设置在第一层间绝缘层307上方。当在平面上观察时(当从图4的顶部或在层叠方向上观察时)，控制电极331覆盖薄膜晶体管104的电极305的面向电极306的端部351。控制电极331与电极305和氧化物半导体层304重叠，第一层间绝缘层307设置于控制电极331与电极305以及氧化物半导体层304之间。相反，当在平面上观察时，控制电极331远离薄膜晶体管104的电极306的面对电极305的端部361。
栅电极302与电极305、电极306和氧化物半导体层304重叠；具体地，当在平面上观察时，电极305的端部351、电极306的端部361以及它们之间的氧化物半导体层304的部分位于栅电极302的区域内。当在平面上观察图4的例子时，整个氧化物半导体层304位于栅电极302的区域内。栅电极302不需要与整个半导体层304重叠。
控制电极331与光电二极管103的下电极308连接，以保持在相同的电位。图5是该实施方式中的像素102的俯视图。图6是比较例的像素的俯视图。除了控制电极331和将控制电极331与光电二极管103的下电极308连接的连接部332之外，这些像素的结构是相同的。
如图5所示，栅极线105从图5的左侧延伸到右侧。信号线106从图5的顶部延伸到底部。栅电极302与栅极线105连续；这些是连续的金属膜的一部分。栅电极302垂直于栅极线105延伸的方向从栅极线105突出。
薄膜晶体管的源/漏电极305与信号线106连续；这些是连续的金属膜的一部分。源/漏电极305垂直于信号线106延伸的方向从信号线106突出。源/漏电极306是岛状电极并且远离源/漏电极305。
当在平面上观察时，氧化物半导体层304被设置为与栅电极302重叠。源/漏电极305设置在氧化物半导体层304的一侧，源/漏电极306设置在相对侧。源/漏电极306部分地被光电二极管103的下电极308覆盖，并且通过通孔321与下电极308连接。
控制电极331经由连接部332与下电极308连续。控制电极331和下电极308由相同的材料形成并且形成于同一层。具体地，控制电极331、连接部332和下电极308是连续的金属膜的一部分；它们通过相同的工艺(金属膜形成及其图案化)同时被制备。
控制电极331与源/漏电极305和氧化物半导体层304重叠，以使控制电极331覆盖将源/漏电极305和氧化物半导体层304连接的部分。当在平面上观察时，控制电极331远离源/漏电极306。控制电极331可以由与用于下电极308的材料不同的材料制成。
当在平面上观察图5的示例时，光电二极管103的整个上电极312位于下电极308的区域内。偏置线107从图5的底部延伸到顶部。偏置线107与上电极312重叠，并且通过通孔322与上电极312连接。
接下来，描述控制电极331的功能。图7A是示出设置在薄膜晶体管的源极侧的控制电极335的功能的示意图。图7B是示出设置在薄膜晶体管的漏极侧的控制电极337的功能的示意图。如图7A所示，当施加到设置在源极侧的控制电极335的控制电位增大时，薄膜晶体管的栅极阈值电压Vth显著地降低。
然而，如图7B所示，即使当施加到设置在漏极侧的控制电极337的控制电位增大时，薄膜晶体管的栅极阈值电压Vth降低很小。如这些图所示，根据控制电极是设置在源极侧还是漏极侧，栅极阈值电压Vth的变化显著地不同。在氧化物半导体薄膜晶体管上明显地观察到图7A和图7B中所示的特性。
图8A和图8B示出了该实施方式中的像素102中的电位的关系。图8A示出了在常规操作中薄膜晶体管104的电极305处的电位V1与光电二极管103的下电极308处的电位V2之间的关系，其用于测量存储在光电二极管103中的电荷。电极305处的电位V1高于下电极308处的电位V2。也就是说，电极305是漏电极，与下电极308连接的电极306是源电极。
图8B示出了当正静电电荷注入光电二极管103的下电极308时，这些电位的关系。如参照图3A和图3B所描述的，正静电电荷被存储到下电极308上。因此，电极305处的电位V1低于下电极308处的电位V2。也就是说，电极305是源电极，与下电极308连接的电极306是漏电极。
如参照图7A所描述的，当设置在源极侧的控制电极的电位增大时，薄膜晶体管的栅极阈值电压降低。如参照图8B所描述的，在正静电电荷注入光电二极管103的下电极308的情况下，电极305是源电极。
因此，控制电极331位于薄膜晶体管104的源极侧。此外，控制电极331相对于源电极305具有正电位，因为控制电极331具有与下电极308相同的电位。因此，薄膜晶体管104的栅极阈值电压Vth由于控制电极331的电位而显著降低，使得注入下电极308的正电荷经由薄膜晶体管104释放到信号线106。
相反，设置在漏极侧的控制电极不会如参照图7B描述的那样很大程度地影响栅极阈值电压。如参照图8A所述，常规操作中的电极305是漏电极。也就是说，控制电极331设置在薄膜晶体管104的漏极侧。因此，在常规操作中，栅极阈值电压Vth由于控制电极331产生的变化很小，这不会干扰检测器电路150读取信号。
如上所述，在图像传感器10常规操作时，薄膜晶体管104的与信号线106连接的电极305成为漏电极。然而，当像素102被供给正静电电荷时，薄膜晶体管104的与光电二极管103连接的电极306成为漏电极。作为仅在电极305侧设置控制电极331的结果，薄膜晶体管104的栅极阈值电压Vth在常规操作中变化很小，并且仅在光电二极管103被供给正电荷时大幅变化。
总之，该实施方式的像素结构使薄膜晶体管的栅极阈值电压降低，以仅在正静电电荷被注入时释放电荷，但在常规操作过程中栅极阈值电压改变很小使得对读取信号的干扰小。
接下来，详细描述包括控制电极331的薄膜晶体管104的结构。图9A是薄膜晶体管104的俯视图。图9B是薄膜晶体管104的横截面图。氧化物半导体层304具有沟道宽度W和沟道长度L。沟道由沟道端341和沟道端342限定，沟道端341是氧化物半导体层304与源/漏电极305接触的区域的一端，沟道端342是氧化物半导体层304与源/漏电极306接触的区域的一端。氧化物半导体层304未掺杂杂质；沟道端341和沟道端342的位置与源/漏电极305的端部351和源/漏电极306的端部361的位置一致。
当在平面上(层叠方向上)观察时，控制电极331设置为覆盖沟道端341并且远离沟道端342。为了降低薄膜晶体管104的栅极阈值电压Vth，提高源极的沟道端处的电位是重要的。用控制电极331覆盖沟道端341使得正静电电荷能够有效地释放。
为了使控制电极331可靠地覆盖沟道端341，图9A和图9B所示的示例中的控制电极331与电极305和氧化物半导体层304二者重叠。在图9A所示的示例中，控制电极331从一端到另一端覆盖整个沟道端341。这种结构有效地释放正静电电荷。在另一示例中，控制电极331可以部分地覆盖沟道端341。
控制电极331不覆盖另一个沟道端342，而是远离该另一个沟道端342。这种结构实现了在常规操作中对读取信号的干扰很小。在示例中，控制电极331的端部334比沟道的中心更靠近电极305。也就是说，端部334比靠近沟道端342更靠近沟道端341。这种结构有效地减小了对读取信号的干扰。
控制电极331对于氧化物半导体薄膜晶体管特别有效。除非设置控制电极331，否则氧化物半导体产生非常小的正漏电流并且传输非常少的正静电电荷。因此，对光电二极管103和薄膜晶体管104的静电破坏的可能性增大。同时，氧化物半导体具有高载流子迁移率；控制电极331从氧化物半导体层304中有效地释放正静电电荷。
在与前述示例不同的使得半导体层包括作为源极和漏极的具有高载流子密度的区域的结构中，沟道被限定在具有高载流子密度的源极区域和具有高载流子密度的漏极区域之间，并且这些区域的边界是载流子密度变化的位置。
其它结构示例
在下文中，描述了其它结构示例。图10示出了像素102的另一结构示例。主要描述与图4中的结构的不同之处。薄膜晶体管104的控制电极331是设置成比光电二极管103的下电极308低的金属层，并且比下电极308更靠近氧化物半导体层304。
具体地，第三层间绝缘层(膜)401设置在控制电极331上方。第三层间绝缘层401设置在控制电极331和第一层间绝缘层307上方以覆盖控制电极331。光电二极管103的下电极308设置在第三层间绝缘层401上方。控制电极331通过连接部333与下电极308连接，连接部333包括设置在第三层间绝缘层401的通孔中的导电部。
将控制电极331设置得更靠近氧化物半导体层304增大了栅极阈值电压的偏移量。即使在低电压下，正静电电荷也经由薄膜晶体管104释放。
图11示出了像素102的又一个结构示例。主要描述与图4中的结构的不同之处。光电二极管103是肖特基二极管。肖特基二极管是利用在金属和半导体之间的接合部发生的肖特基效应的光电二极管。在该二极管103中省略了图4中的结构示例中包括的n型非晶硅层309。
在采用肖特基二极管的图像传感器10中，控制电极331也有效地防止对薄膜晶体管104和光电二极管103的静电破坏。
图12和图13示出了像素102的又一个结构示例。主要描述与图4中的结构的不同之处。图12是像素102的剖视图，图13是像素102的俯视图。如图12所示，该结构示例中的光电二极管103与图4中的结构示例中的光电二极管103的不同之处在于层叠的顺序。具体地，n型非晶硅层309与p型非晶硅层311互换。
换句话说，p型非晶硅层311位于下电极308和本征非晶硅层310之间，并且n型非晶硅层309位于本征非晶硅层310和上电极312之间。闪烁体316设置在传感器基板100的下表面上。图12所示的图像传感器10的前部是图的底部。待测物体放置在传感器基板100下方。
由来自被测物体的X射线激发的来自闪烁体316的光经由下电极308进入p型非晶硅层311。下电极308是用于来自闪烁体316的光的透明电极，并且例如可以由ITO制成。上电极312可以由诸如Cr、Mo或Al的金属、其合金或这些金属和合金的层叠体制成。
控制电极331设置在薄膜晶体管104的源/漏电极306侧。具体地，当在平面上观察时，控制电极331覆盖薄膜晶体管104的电极306的端部361。控制电极331与电极306和氧化物半导体层304重叠，第一层间绝缘层307设置于控制电极331与电极306和氧化物半导体层304之间。然而，当在平面上观察时，控制电极331远离薄膜晶体管104的电极305的端部351。
从参照图9A和图9B提供的描述中可以理解，当在平面上(在层叠方向上)观察时，控制电极331被设置为覆盖沟道端342并且远离沟道端341。尽管该示例中的控制电极331从一端到另一端覆盖整个沟道端342，但是在另一示例中控制电极331可以部分地覆盖沟道端342。控制电极331不覆盖而是远离另一个沟道端341。在一个示例中，控制电极331的一端定位成比沟道的中心更靠近电极306。
控制电极331通过连接部452与薄膜晶体管104的电极305连接，以保持在与电极305相同的电位。如图13所示，控制电极331和连接部452是连续的，并且它们是连续的金属膜的一部分。控制电极331和连接部452由与下电极308相同的材料形成并且形成于与下电极308相同的层。控制电极331和连接部452可以通过相同的工艺与下电极308同时被制备。
连接部452通过设置在第一层间绝缘层307中的通孔453与薄膜晶体管104的电极305连接。控制电极331和连接部452可以由与光电二极管103的下电极308相同的材料或不同的材料制成。
接下来，描述控制电极331的功能。该示例的像素102的操作中的极性与参照图8A和图8B描述的操作中的极性相反。当正静电电荷(+Q)被注入光电二极管103的下电极308时，正电荷通过光电二极管103流出到外部。因此，光电二极管103和薄膜晶体管104不会被正电荷破坏。
然而，当负静电电荷(-Q)被注入光电二极管103的下电极308时，负电荷不能从光电二极管103移出到外部。当负电荷存储在下电极308中时，电极305的电位高于电极306的电位。因此，电极305是漏电极，电极306是源电极。
控制电极331处于与电极305相同的电位，其高于电极306的电位。控制电极331的电场作用于沟道端342上以降低薄膜晶体管104的栅极阈值电压。由于栅极阈值电压的降低，存储在下电极308中的负电荷流过氧化物半导体层304。
在常规操作中检测信号电荷时，与信号线106连接的电极305的电位低于与光电二极管103连接的电极306的电位。也就是说，电极305是源电极，并且电极306是漏电极。因此，由于控制电极331，栅极阈值电压几乎没有变化，从而不会干扰信号电荷的检测。
参照图9A和图9B提供的描述适用于图12和图13中所示的结构。具体地，控制电极331在电极306侧从一端到另一端覆盖整个沟道端342。这种结构有效地释放了负静电电荷。在另一示例中，控制电极331可以部分地覆盖沟道端342。
控制电极331不覆盖另一个沟道端341，而远离该另一个沟道端341。这种结构实现了在常规操作中对读取信号电荷的干扰很小。在一个示例中，控制电极331在电极305侧的端部比靠近沟道端341更靠近沟道端342。这种结构更有效地减小了对读取信号电荷的干扰。
此外，图10中所示的结构适用于图12和图13的结构。也就是说，控制电极331设置在比下电极308更靠近电极306的层上。换句话说，控制电极331设置在比电极306高并且比下电极308低的层上。而且，光电二极管103可以是如图11中所示的肖特基二极管。
本实施方式中的包括控制电极的结构可应用于具有与X射线不同的波长的光(诸如可见光)的图像传感器。另外，该结构不仅适用于图像传感器，而且适用于包括具有整流特性的元件以及与该元件的下电极连接的薄膜晶体管的其它装置，在该装置中，薄膜晶体管的源极和漏极在常规操作和放电操作之间互换。
如上所述，已经描述了本发明的实施方式；然而，本发明不限于前述实施方式。本领域技术人员可以在本发明的范围内容易地修改、追加或变换前述实施方式中的每个元件。一个实施方式的结构的一部分可以用另一个实施方式的结构代替，或者一实施方式的结构可以并入到另一个实施方式的结构中。

Claims (14)

1.一种图像传感器装置，包括：
第一元件，所述第一元件具有允许正电流从上电极流到下电极的整流特性；
n沟道薄膜晶体管，所述n沟道薄膜晶体管包括半导体膜、栅电极、第一信号电极和第二信号电极；以及
控制电极，所述控制电极面对所述栅电极，所述半导体膜设置在所述控制电极和所述栅电极之间，
其中，所述第二信号电极与所述下电极连接，
其中，所述控制电极与所述下电极连接，
其中，当在平面上观察时，所述半导体膜的在第一信号电极侧的第一沟道端的至少一部分位于所述控制电极的区域内，并且
其中，当在平面上观察时，所述半导体膜的在第二信号电极侧的第二沟道端远离所述控制电极。
2.一种图像传感器装置，包括：
第一元件，所述第一元件具有允许正电流从下电极流到上电极的整流特性；
n沟道薄膜晶体管，所述n沟道薄膜晶体管包括半导体膜、栅电极、第一信号电极和第二信号电极；以及
控制电极，所述控制电极面对所述栅电极，所述半导体膜设置在所述控制电极和所述栅电极之间，
其中，所述第二信号电极与所述下电极连接，
其中，所述控制电极与所述下电极连接，
其中，当在平面上观察时，所述半导体膜的在第一信号电极侧的第一沟道端远离所述控制电极，并且
其中，当在平面上观察时，所述半导体膜的在第二信号电极侧的第二沟道端的至少一部分位于所述控制电极的区域内。
3.根据权利要求1或2所述的图像传感器装置，其中，所述第一元件是光电二极管。
4.根据权利要求1或2所述的图像传感器装置，其中，所述半导体膜是氧化物半导体膜。
5.根据权利要求1或2所述的图像传感器装置，其中，所述栅电极设置成低于所述半导体膜。
6.根据权利要求1所述的图像传感器装置，其中，当在平面上观察时，整个所述第一沟道端位于所述控制电极的区域内。
7.根据权利要求2所述的图像传感器装置，其中，当在平面上观察时，整个所述第二沟道端位于所述控制电极的区域内。
8.根据权利要求1所述的图像传感器装置，其中，所述控制电极的在第二沟道端侧的端部比靠近所述第二沟道端更靠近所述第一沟道端。
9.根据权利要求2所述的图像传感器装置，其中，所述控制电极的在第一沟道端侧的端部比靠近所述第一沟道端更靠近所述第二沟道端。
10.根据权利要求1或2所述的图像传感器装置，其中，所述控制电极和所述下电极由相同的材料制成并且设置于同一层。
11.根据权利要求1所述的图像传感器装置，其中，所述控制电极设置在所述下电极的层与所述第一信号电极的层之间的层上。
12.根据权利要求2所述的图像传感器装置，其中，所述控制电极设置在所述下电极的层与所述第二信号电极的层之间的层上。
13.根据权利要求1所述的图像传感器装置，其中，当在平面上观察时，所述半导体膜的所述第一沟道端和所述第二沟道端设置在所述栅电极的远端之间。
14.根据权利要求2所述的图像传感器装置，其中，当在平面上观察时，所述半导体膜的所述第一沟道端和所述第二沟道端设置在所述栅电极的远端之间。
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