CN1156023C - 光电转换设备 - Google Patents
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Abstract
与TFT相同工艺形成光电转换装置，实现高S/N比率、稳定及高速阅读，光电转换设备包括具有第一电极层、半导体层、和第二电极层的光电转换装置，具有第一和第二主电极的开关装置，电源，和阅读电路；第一电极层电连接到第一主电极，第二电极层电连接到电源，第二主电极电连接到阅读电路，在从电源给第二电极层施加电场的更新驱动中接通开关，确定光电转换装置的第一电极层上的电位。
Description
技术领域
本发明涉及一种光电转换设备及其驱动方法，尤其涉及一种用作例如扫描器或X射线图像拍摄设备的图像输入装置，并沿一维或两维排列均具有光电转换器件和开关装置的多个象素构成的光电转换设备，及其驱动方法。
背景技术
近年来，作为扫描器，数字复印机、或X射线图像拍摄设备的阅读系统，一种用于阅读图像的具有下述结构的一维或二维的传感器已被投入使用，在上述结构中，包含以能形成薄膜的氢化非晶硅(a-Si)为代表的半导体材料构成的光电转换器件和信号处理单元被形成在大面积基片上。尤其是，a-Si或多晶硅(poly-Si)不但可用作光电转换材料、而且可用作薄膜场效应晶体管(TFT)的半导体材料，因此，光电转换半导体层和TFT半导体层可同时形成。
另外，在光电转换设备中，电容器被连接到信号输出线上，或信号输出线具有电容器，且使该电容器初始化(更新)。
该光电转换器件中也具有一个电容器元件，储存在该光电转换器件中的电荷被初始化(被更新)，以防止对下一个信号阅读产生不利影响。
但是，当该光电转换器件仅一个电极的电压被例如用一个开关控制时，初始化(更新)可以进行，但这一操作需要时间。因此，这种结构不能有效满足高速操作的要求。
发明内容
本发明是考虑到上述问题而提出的，本发明的目的是提供一种能进行高速阅读操作的光电转换设备及其驱动方法。
本发明的另一个目的是提供一种能够输出一个具有较高S/N比信号的光电转换设备及其驱动方法。
本发明的又一个目的是提供一种具有稳定阅读特性的光电转换设备及其驱动方法。
本发明的再一个目的是提供一种光电转换设备，包括：一个光电转换器件，该光电转换器件具有一个第一电极层、分别阻止具有正极性或负极性的第一载流子和具有负极性或正极性的第二载流子的通过的一个绝缘层、一个半导体层、一个第一载流子注入阻挡层和一个第二电极层，以上的各层以上述顺序被叠置在一个绝缘基底上；具有一个源极、一个漏极和用于控制所述源极和漏极之间的电连接的栅极的一个薄膜场效应晶体管；一个可控第一电源；以及一个阅读电路，其中所述光电转换器件的所述第一电极层被连接到所述薄膜场效应晶体管的源极和漏极中的一个，所述光电转换器件的所述第二电极层被连接到所述可控第一电源，且所述薄膜场效应晶体管的源极和漏极中的另一个被连接到所述阅读电路，且其中所述阅读电路具有一个电容装置和一个开关装置，该开关装置具有至少两个端，所述电容装置的一端被连接到所述薄膜场效应晶体管的源极和漏极中的所述另一个，所述开关装置的第一端被连接到所述薄膜场效应晶体管的源极和漏极中的所述另一个，所述开关装置的第二端被连接到一个第二电源或被接地，且在用于把一个电场从所述第一电源沿着用于把第一载流子从所述半导体层引导到所述光电转换器件的所述第二电极层的方向而加到所述第二电极层的更新驱动中，所述薄膜场效应晶体管和开关装置被接通以固定所述光电转换器件的所述第一电极层的一侧的电位。
为实现上述目的，根据本发明，可简化同时形成有光电转换器件和TFT的光电转换设备的驱动系统电路，且当设置大量象素时，阅读速度可提高。另外，由于该光电转换器件也可被初始化，故可实现更稳定、准确的阅读。
在该设备中，该光电转换器件最好在第一电极层和半导体层之间有一个绝缘层，用于阻止分别具有负和正极性的第一和第二载流子通过，在该半导体层和第二电极层之间有一个载流子注入阻挡层，用于防止第一载流子被注入该半导体层。
该薄膜场效应晶体管最好包括一个具有用于控制源极和漏极之间的电连接的栅电极，一个绝缘层，一个半导体层，以及彼此有间隙且经一个电阻接触层形成在该半导体层上的源极和漏极。
该光电转换器件最好在第一电极层和半导体层之间具有一个绝缘层、用于阻止分别具有负和正极性的第一和第二载流子通过，在该半导体层和第二电极层之间具有一个载流子注入阻挡层，用于防止第一载流子注入半导体层，以及
该薄膜场效应晶体管包括一个具有用于控制源极和漏极间电连接的栅电极、一个绝缘层、一个半导体层、以及彼此有间隙且经一个电阻接触层形成在该半导体上的源极和漏极。
光电转换器件的第一电极层与薄膜晶体管的栅电极，光电转换器件的绝缘层与薄膜晶体管的绝缘层，光电转换器件的半导体层与薄膜晶体管的半导体层，光电转换器件的第一载流子注入阻挡层与薄膜晶体管的电阻接触层，以及光电转换器件的第二电极层与薄膜晶体管的源极和漏极最好分别用相同材料制成。这样，由于相同材料的层可同时制成，故制造更加方便。
对半导体层，可使用氢化非晶硅或多晶硅。
注入阻挡层最好包括掺入n或p型元素的半导体层。
阅读电路可具有一个电容器装置和一个开关装置，该电容器装置的一端可连接到该光电转换设备的薄膜场效应晶体管的源极或漏极，该开关装置的一端可连接到该光电转换设备的薄膜场效应晶体管的该源极或漏极，以及该开关装置的另一端可连接到该第二电源。
该设备还包括用于在更新驱动中接通该开关装置、从而确定该光电转换器件第一电极层上的电位。
可设置多个象素，每个象素具有连接到薄膜晶体管源极或漏极的该光电转换器件的该第一电极层，用于确定该电位的装置可以具有一个用来接收启动脉冲和时钟并与该时钟同步地顺序输出移位脉冲的移位寄存器和一个逻辑操作装置，并且输入一个更新驱动脉冲，以便更新驱动，且从该移位寄存器将该移位脉冲输出到该逻辑操作装置，以产生一个施加到各象素薄膜晶体管的一个栅电极的信号，经逻辑计算该更新驱动脉冲和移位脉冲而得到一个栅驱动脉冲。
该逻辑操作装置可由薄膜晶体管构成。
该移位寄存器可由薄膜晶体管构成。
在上述方法中，用于更新该光电转换器件的施加电压最好包括沿着将存储在该光电转换器件中的电荷导向该第二电极层的方向所施加的电场。
附图说明
图1是表示光电转换器件实例的截面图。
图2是表示光电转换器件基本驱动电路实例的示意电路图。
图3是表示光电转换设备的光电转换单元实例的截面图。
图4是图3所示的光电转换设备的示意电路图。
图5是图4所示电路的时序图。
图6是表示图4所示电路更详细设置的示意电路图。
图7是图6所示电路的时序图。
图8是另一实施例的光电转换设备的示意电路图。
图9是图8所示电路的时序图。
具体实施方式
下面说明可适用于本发明的光电转换器件的实例。
图1是说明可用于光电转换设备的光电转换器件层结构实例的截面图。图2是表示可适用于该光电转换器件的驱动电路实例的示意电路图。
图1表示一个pin型光电二极管的层结构。在图1中，pin型光电二极管具有一个绝缘基底1、一个下层电极2、一个P型半导体层3(下文称作P层)，一个本征半导体层4(下文称i层)，一个n型半导体层5(下文称n层)，和一个由例如ITO(Indium Tin Oxide，氧化铟锡)制成的透明电极6。图2示出一个用于偏置该电源和测量该光电转换器件中所提供电流(即，用于驱动该光电转换器件)的电路。参见图2，该电路包括一个如pin型光电二极管的光电转换器件7，一个电源8，和一个诸如电流放大器的检测单元9。图2所示光电二极管7的阴极与图1所示透明电极6的一侧对应，光电二极管7的阳极与图1所示下电极2的一侧对应。电源8被设置成使正电压施加到与该阳极侧相对的阴极侧。
如图1所示，当外部光入射并经n层被i层4吸收时，产生了电子和空穴。电源8将一个电场施加到i层4。于是，电子移向阴极侧，即穿过n层5到达透明电极6，而空穴移向阳极侧，即下层电极2侧。这时，光电流流过该光传感器。当没有外部光入射时，均不会产生电子和空穴。由于n层5对透明电极6中的空穴起注入阻挡层的作用，p层3对下层电极2中的电子起注入阻挡层的作用，因此没有光电流流动。该光电流依据外部光的存在/不存在而变化。当这种变化被检测单元9检测时，则该光电二极管像根据光量改变电流值的光传感器那样工作。
但是，这样的光传感器可能具有下列问题。
(1)由于必须形成两个注入阻挡层，故各层的成膜条件很难做到最佳，具体地说，对各层界面的控制很困难。层中的缺陷会产生暗电流，故不能得到具有高S/N比的所需传感器。
(2)假定在与具有转移光电转换电荷功能的TFT的基底相同的基底上形成该光电二极管。图1所示的光电转换器件具有的结构层包含一个透明电极、一个P层、一个i层、一个n层、和一个来自光入射侧的电极。但是，该TFT具有不同的层结构、例如该层结构包括一个电极、一个绝缘膜、一个i层、一个n层、和一个从上述同一方向可被看到的电极。因此，这些装置的层不能用相同的方法同时形成。该制作过程必然变得复杂，其结果在成本和产量方面都有缺陷。
基于对这些问题的考虑，下面结合图3所示的截面图介绍一个光电转换设备的象素部分的结构，该设备的光电转换器件具有与TFT相同的层结构。
图3表示一个光电转换器件10、一个TFT 11和一个连接部分(接触孔)的截面。在图3中，绝缘基底17例如由玻璃构成。光电转换器件10的下层电极18通过例如真空沉积，经沉积铝或铬在绝缘层17上形成。由氮化硅或氧化硅构成的绝缘层19形成在下层电极18上，以阻止电子和空穴通过。由例如氢化非晶硅的本征半导体构成的半导体层20形成在绝缘层19上。形成为一个n+型非晶硅层的注入阻挡层21，用于防止空穴从电极22侧注入到半导体层20。上层电极22由铝或ITO制成。
参阅图3，TFT的栅电极23形成在绝缘基底17上。绝缘层24形成在该栅电极23上。半导体层25形成在绝缘层24上。形成n+型层26，以与该n+型层26欧姆接触。源极和漏极27和28形成在n+型层26上。TFT11的源极27经连接部分101的接触孔32被连接到光电转换器件10的下层电极18。
下面介绍图3所示光电转换设备的制造方法。制造该光电转换设备的同时形成了光电转换器件10、连接部分和TFT装置11。首先，在绝缘基底17上形成由铝或铬构成的光电转换器件10的下层电极18以及栅电极23。接着进行图形化，以形成氮化硅或氧化硅的绝缘层19和24，例如氢化非晶硅的本征半导体的半导体层20和25，以及像氢化非晶硅的n+层一样的注入阻挡层21和26。经蚀刻除去包含连接部分接触孔32的外部电路接触部分和靠近光电转换器件10的部分。进行图案形化，以形成上层电极22、源极27、和漏极28。一个连接线被熔合到该外部电路连接部分，从而制成该光电转换设备。虽然，在该实例中，注入阻挡层被成形为一个n+层，但它也可是一个p+层。就是说，该注入阻挡层可以是一个含硼或磷的半导体层。在这一方法中，通过将所谓的MOS工艺应用到绝大多数步骤，可使光电转换器件10、连接部分，和TFT装置11同时形成。
下面介绍图3所示的使用一组该光电转换器件和TFT的光电转换的最佳实例。
图4是说明本发明第一实施例的光电转换设备的示意电路图。图5是本发明该光电转换设备的驱动时序图。
参见图4，该光电转换设备包括光电转换器件10、薄膜场效应晶体管11、一个可被控制的电源12、和阅读电路13。在图4中，薄膜场效应晶体管11由一个薄膜场效应晶体管(TFT)构成，阅读电路13由一个电容器装置14、一个开关装置15，和一个放大器16构成。
对于光电转换器件10，字符A与下层电极18侧对应，字符B与上层电极22侧对应。在具有图3所示结构的光电转换器件10的阅读操作中，将一个正电位相对下层电极18加到上层电极22上。被半导体层20吸收的光所产生的电子和空穴被该电场分别导向上层电极22侧和漏极28侧，形成了光电流。但是，空穴不能穿过绝缘层19，而被储存在半导体层20与绝缘层19之间的界面。因此，本发明的光电转换器件10需要更新驱动，以便将储存在半导体层20中的空穴沿导向上层电极22侧的方向提供一个电场(即，在更新中，上层电极22的电位V1相对阅读中的电位V2小[V1＜V2]，见图5所示)。一个更新脉冲施加到图3所示的上层电极22。
图5是本发明光电转换设备的驱动时序图。在图5中，Vs代表施加到该光电转换器件10上层电极22侧的电压波形；Vg代表施加到TFT 11栅电极的电压波形；Cres代表施加到该电容器复位开关15上电压波形(在这种情况下，当电压达到“H”时，开关接通)。
下面介绍本发明的光电转换设备的三种操作。
(a)更新操作(图5中的(1))
电源12的电压Vs被设置为V1，以接通TFT 11和开关装置15，从而将储存在光电转换器件10中的第一载流子更新。
(b)储存操作(图5中的(2))
在更新操作(a)之后，电源12的电压Vs被设置为V2，以关断TFT 11，从而启动该储存操作。在这期间，与入射光量对应的电荷被储存在光电转换器件10中。在图5中，当自该更新操作一预定时间过后，电压Cres到达“L”，即，关闭开关15。不过，开关15还可在更新操作结束的同时被关闭。
(c)转移操作(图5中的阅读(3))
最后，接通TFT 11以将储存在光电转换器件10中的电荷转移到电荷储存电容器14中，以使该电荷被阅读放大器16阅读。
在图4所示的电路设置中，TFT 11必须在更新驱动中关断，同时，必须接通阅读电路13的电容器复位开关15，以便确定光电转换器件10的下层电极18的电位。具体说，当下层电极18，即该光电转换器件的第一电极的电位被确定时，可更新光电转换器件10，且可重新检测和阅读外部光量。
图6表示在本发明的光电转换设备中，用于同时进行更新驱动和TFT 11接通操作的具体设置的电路图。参见图6，时钟发生器29在要求的时刻给光电转换设备提供一个信号。缓冲器30将来自时钟发生器29的信号转变成可提供电源的一个适当的电压。这个电路还包括一个逻辑操作装置(此处为一个加法器)31。与图4中相同的标号在图6中表示相同的部件。
图7是图6所示电路的驱动时序图。图7中的定时信号φ1和φ2是从图6所示的时钟发生器29中输出的。只有当定时信号φ1和φ2都是低电平时，电压Vg才是低电平，此时关闭TFT 11。经反转信号φ2而得到、且由缓冲器30转变成一个适当电压(图7中的V1和V2)的信号Vs被加到光电转换器件10上。
首先，启动更新操作。来自时钟发生器29的定时信号φ1达到“L”，定时信号φ2达到“H”。从逻辑操作装置31输出一个高脉冲，以接通TFT 11。同时，缓冲器30的输出定为V1。电容器复位脉冲Cres从时钟电路(未示出)施加到开关装置15，而使开关装置15接通。当施加到光电转换器件10的电压Vs定为V1，且TFT 11和开关15接通时，储存在光电转换器件10中的第一载流子(本说明书中的空穴)被去除，即被更新。电容器14的电位也被定为第二电源的电位。
接着，定时信号φ1和φ2被定为“L”(在本说明书中，电容器复位脉冲Cres也同时定为“L”)，以便接通TFT 11和开关装置15。将偏压VS＝V2施加到光电转换器件10上，以便储存与预定时间内的外部光量相对应的电荷。
随后，定时信号φ1达到“H”，定时信号φ2达到“L”。TFT 11被接通，使得储存在光电转换器件10中的电荷转移到电容器14，而从放大器16输出电容器14的电位。当该光电转换器件的更新→储存→阅读的循环被这个简单电路分布重复时，可阅读外部光量。
当更新驱动和TFT接通操作同时进行时，就能高速准确地阅读。
下面介绍本发明的另一个实施例。
图8是用于说明本发明另一实施例的光电转换设备的示意电路图。图9是该光电转换设备的驱动时序图。参见图8，该光电转换设备包括一个用于接收一个启动脉冲SIN和一个时钟脉冲ENB、并随后将移位脉冲S1到S5与时钟脉冲ENB同步输出的移位寄存器82，逻辑操作装置31a至31e，光电转换器件10a至10e，TFT 11a至11e，一个缓冲器30，用于将控制施加到各光电转换器件10a至10e上层电极22上的电压的一个脉冲(更新脉冲)VS转变成一个适当的电压，和一个阅读电路13，该阅读电路13至少在输入信号线和参考电位之间包括一个根据控制脉冲信号接通和关断的开关装置。在图8中，根据逻辑计算来自移位寄存器
的移位脉冲S1至S5，得到的栅脉冲Va1至Vg5，以及该更新脉冲Vs分别被加到TFT11a至11e的栅电极。图9表示图8所示电路在各个部分的信号时序。
在图8所示的电路分布中，施加时钟脉冲ENB，并根据一个启动脉冲SIN开始操作。移位脉冲S1至S5相继达到“H”。当移位脉冲S1至S5达到“H”时，栅脉冲Vg1至Vg5相应地达到“H”。在这期间，更新脉冲Vs定为“L”，而将一个偏压施加到光电转换器件10a至10e。当栅脉冲Vg1至Vg5是“H”时，光电转换器件10a至10e中的光电荷经TFT 11a至11e分别转移到阅读电路13中。阅读电路13将输入的光电荷输出到一个外部电路。当更新脉冲Vs达到“H”时，即使移位脉冲S1至S5处于“L”，栅脉冲Vg1至Vg5也会处在“H”。TFT 11a至11e被同时接通，同时，阅读电路13中的开关装置(未示出)也被接通，于是，连接到对应TFT的光电转换器件10a至10e的各侧上的电位被定为该参考电位。在这种状态下，将一个偏压加到光电转换器件10a至10e上，以便从缓冲器30中去除第一载流子，从而使光电转换器件被更新。
在这一结构中，可实现多个光电转换器件的更新→储存→阅读的基本循环，从而直接从光电转换器件10a至10e中阅读时序光电荷。因为该结构不需要阅读时序电荷的特殊装置，因而可简化。
在这种电路结构中，更新驱动(用于将储存在半导体层20和各光电转换器件10a至10e绝缘层19之间界面中的载流子导向上层电极22)可与各TFT 11a至11e栅电极的接通操作同时进行，不论光电转换器件是一维的或是如多象素的二维排列，所有的象素均可同时更新，从而显著地提高了光电转换设备的阅读速度。
如上所述，根据本发明，在该光电转换设备的驱动系统电路中，同时形成的光电转换器件和TFT可被简化，因此，在排列有大量象素时，可提高阅读速度。
另外，根据本发明，由于该光电转换器件也可被初始化，故可实现更稳定和准确的阅读。
本发明不应限制在上述说明中，在本发明的范围和构思内，显然可以恰当地做出某些变化和改进。
Claims (10)
1、一种光电转换设备，包括：
一个光电转换器件，该光电转换器件具有一个第一电极层、阻止具有正极性或负极性的第一载流子和具有负极性或正极性的第二载流子的通过的一个绝缘层、一个半导体层、一个第一载流子注入阻挡层和一个第二电极层，以上的各层以上述顺序被叠置在一个绝缘基底上；
具有一个源极、一个漏极和用于控制所述源极和漏极之间的电连接的栅极的一个薄膜场效应晶体管；
一个可控第一电源；以及
一个阅读电路，其中
所述光电转换器件的所述第一电极层被连接到所述薄膜场效应晶体管的源极和漏极中的一个，所述光电转换器件的所述第二电极层被连接到所述可控第一电源，且所述薄膜场效应晶体管的源极和漏极中的另一个被连接到所述阅读电路，且其中
所述阅读电路具有一个电容装置和一个开关装置，该开关装置具有至少两个端，所述电容装置的一端被连接到所述薄膜场效应晶体管的源极和漏极中的所述另一个，所述开关装置的第一端被连接到所述薄膜场效应晶体管的源极和漏极中的所述另一个，所述开关装置的第二端被连接到一个第二电源或被接地，且在用于把一个电场从所述第一电源沿着用于把第一载流子从所述半导体层引导到所述光电转换器件的所述第二电极层的方向而加到所述第二电极层的更新驱动中，所述薄膜场效应晶体管和开关装置被接通以固定所述光电转换器件的所述第一电极层的一侧的电位。
2、如权利要求1所述的设备，其中在所述光电转换器件中，在所述第一电极层和所述半导体层之间，有一个用于阻止第一和第二载流子通过的绝缘层，在所述半导体层和所述第二电极层之间，有一个用于防止所述第一载流子和第二载流子之一被注入所述半导体层的载流子注入阻挡层。
3、如权利要求1所述的设备，其中所述薄膜场效应晶体管还包括一个绝缘层和一个半导体层，所述源极和漏极彼此间有一个间隙，且所述源极和漏极被形成在一个欧姆接触层上，而该欧姆接触层被形成在所述半导体层上。
4、如权利要求1所述的设备，其中在所述光电转换器件中，在所述第一电极层和所述半导体层之间，有一个用于阻止第一和第二载流子通过的绝缘层，且在所述半导体层和所述第二电极层之间，有一个用于防止该第一载流子被注入所述半导体层中的一个载流子注入阻挡层，且
所述薄膜场效应晶体管还包括一个绝缘层和一个半导体层，所述源极和漏极彼此间有一个间隙，且所述源极和漏极被形成在一个欧姆接触层上，而该欧姆接触层被形成在所述半导体层上。
5、如权利要求4所述的设备，其中所述光电转换器件的所述第一电极层和所述薄膜场效应晶体管的所述栅电极，所述光电转换器件的所述绝缘层和所述薄膜场效应晶体管的所述绝缘层，所述光电转换器件的所述半导体层和所述薄膜场效应晶体管的所述半导体层，所述光电转换器件的所述第一载流子注入阻挡层和所述薄膜场效应晶体管的欧姆接触层，以及所述光电转换器件的所述第二电极层和所述薄膜场效应晶体管的源极和漏极均分别由同一材料制成。
6、如权利要求5所述的设备，其中所述半导体层主要由选自氢化非晶硅和多晶硅构成的材料组中的材料制成。
7、如权利要求1所述的设备，其中所述半导体层主要由选自氢化非晶硅和多晶硅构成的材料组中的材料制成。
8、如权利要求2所述的设备，其中所述注入阻挡层包括一个掺杂n型或p型元素的半导体层。
9、如权利要求5所述的设备，其中所述注入阻挡层包括一个掺杂n型或p型元素的半导体层。
10、如权利要求1所述的设备，其特征在于，设置了多个象素，每一个象素均具有连接到一薄膜场效应晶体管的一个源极或漏极的所述光电转换器件的所述第一电极层，
具有一个用于接收启动脉冲和时钟并与该时钟同步地顺序输出移位脉冲的用于确定所述光电转换器件的所述第一电极层的一侧的电位的移位寄存器和一个逻辑操作器件，以及
一个用于更新驱动的更新驱动脉冲和从所述移位寄存器输出的一个移位脉冲被输入到一个逻辑操作器件，以产生一个信号，该信号用于将通过逻辑计算该更新驱动脉冲和该移位脉冲所得到一个门驱动脉冲信号施加到各象素的所述薄膜场效应晶体管的栅电极，
用于更新所述光电转换器件的电压的施加包括施加一个电场，该电场沿着把存储在所述光电转换器件中的电荷引导到所述第二电极层的方向。
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