TW201119073A - Photo-sensor device with amorphous oxide base semiconductor and fabrication - Google Patents

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201119073 六、發明說明: 【發明所屬之技術領域】 本發明為提供一種非晶系氧化物半導體的光感測器裝 置與其製作方法,尤指一種新的氧化物感光材料,以 應用於主動式顯示面板上。 【先前技術】 目刚常見到的光感測器’主要利用材料本身之光 電導效應(photoconductive effect),產生特性之變 化’常見之應用包含光敏電阻、光電二極體、光電晶 體等;光敏電阻以硫化録(CdS )、砸化錫(CdSe )等 材料做成,又以CdS和CdSe的結晶比之變化可做成cd (S Se)(硫化硒化鎘),皆以cdS通稱;而其表面會 塗上一層保護材質,如電鍍金屬、玻璃或樹脂塗料, 以便CdS可被使用於各種高熱高濕的不良環境。 光電二極體則利用PN型半導體在光照射下會產生 電位差’接上負載即產生光電流,光電二極體有下列 特徵’所以其應用範圍非常廣泛,(a)照射光能量與輸 出的電流呈現良好之線性(b)響應速度快(c)輸出電流 的溫度變化少;而光電晶體部份,於其中二極體接面 部份產生光電流,再利用三極體的電流增益特性,使 將得到之接面光電流之訊號放大;然而,上述技術皆 需倚賴整塊半導體材料為基板以及使用高溫製程,此 201119073 將造成製程成本的增加並且限制了其應用的層面。 研究氧化銦鋅層(a-IZO)對於光反應之特性時,發 現在照光後起始電壓會產生明顯的飄移,並且會緩慢 的回復到原來之特性,這些光反應現象可以用氧化銦 辞層(a- ΙΖ0)薄膜中電子跟〇2(gas;)、〇2之動態平衡式來 解釋’同時也可以用電荷汲取(charge pumping)之技 術去確認他的機制特性並且加速它的電性回復;因此 我們可以運用氧化銦辞層(a-IZ〇)對光的反應行為來 去應用在一些光感測元件。 半導體氧化物薄膜電晶體之優勢在於很高的載子 移動率及光穿透率;然而一般常用之半導體氧化物材 料(如ZnO)在自然情況下都是結晶態,會受限於晶體缺 陷之影響,所以經由濺鍍長成非結晶型態的In2〇3摻雜 之ZnO薄膜在近幾年是被廣泛的被大家研究;氧化銦 鋅層(a-IZO)的能帶大概是3. 8〜3.9eV並且有很高的載 子移動率跟很高的光穿透度;儘管如此,我們依然發 現薄膜對於可見光依然有影響性。目前的研究文獻 中’針對光反應的明確機制並無太多詳盡的探討,此 外也沒有將這個光反應的現象進一步地應用於感測技 術中。 故’上述問題,將是在此領域技術者所欲解決之 困難與技術發展的重要課題所在。 201119073 【發明内容】 隨著液晶平面顯示器技術的蓬勃發展,薄膜電晶 體(Thin Film Transistor; TFT)元件的應用獲得極大的 重視,TFT元件結構相似於傳統金氧半場效電晶體 (MOSFET)的結構,因此已被廣泛地應用於平面顯示面 板陣列電路中的開關(Switch)單元以及驅動(Driver)裝 置;在系統面板(System on Panel; SoP)技術的發展上, 若能利用新穎之感光材料’再搭配薄膜電晶體元件的 結構整合於顯示陣列電路中,將能開發出可偵測週遭 光源的光感測器,並提供給顯示系統,控制顯示面板 背光源強度以達到節省能源、綠色科技之目標。 故’本發明之發明人有鑒於上述先前技術所述之 不足’提出一種非晶系氧化物半導體的光感測器裝置 與其製作方法,於主動式顯示面板上應用,其可以對 外在光產生特殊光感應,並維持一段時間特性不變; 亦可藉由電壓施加方式,令其原特性快速恢復,其主 要具有下列之目的: 本發明之第1目的在於:簡化傳統PNP或NPN型 等製程方式,採用薄膜電晶體結構,與現今之液晶平 面顯示陣列技術相容;並採用低溫沉膜技術,有效降 低感測元件製程成本。 本發明之第2目的在於:提出新穎式氧化物材料, 201119073 增加電晶體元件操作電流與載子移動率;相較於傳統 之低溫非晶矽薄膜電晶體,本發明在低溫下製作出的 薄膜電aa體元件增快的操作速度,以及可達44 68 cm2/V.s·的高載子移動率。 本發明之第3目的在於:本發明所提出的光感測器 το件在受到光照射後,做為感測訊號的電性參數起始 電壓(threshold voltage; Vth)可維持在相同位準一段時 間(超過12小時),可供電路系統紀錄及應用;並藉由外 加觸發電壓的施加,可控制起始電壓回復時間,達到快 速恢復之特性(低於10分鐘)。 【實施方式】 為了達成上述各項目的及功效,於此謹搭配圖 式’舉一較佳實施例,俾便在此領域中具通常知識者 能夠就各項目的據以實施。 首先,請參閱第一圖,為本發明之方塊流程圖,圖 中π楚指出,本發明為底部閘極的薄膜電晶體,並且搭 配共平面之結構製程於玻璃基板上,一開始利用直流濺 鍍系統先形成一層100 nm厚的M〇w薄膜作為元件的 閘極S1,再來利用電漿化學氣相沉積的方法長一層3〇〇 nm厚的SiNx作為介電層S2’然後用濺鍍系統形成1〇〇 nm厚的1TO作為源極/汲極電極S3 ,最後操作交流錢 鍍系統在1〇〇瓦的操作功率下’沉積a_IZ〇薄臈,其靶 201119073 材比例為1:1(Ιη203: ZnO),並且在Ar/02 = 2/1混合氣 體比例下,將壓力控制在3xl〇-3torr之腔體内於室溫形 成50 nm的薄膜作為主動層(a_IZ〇 ) S4,並且利用黃 光微影跟濕式蝕刻的技術來定位出通道S5,其濕式蝕 刻溶液為稀釋過的HC1溶液,其蝕刻速度大概是1〇 入/s;最後這些元件經過350它的氮氣環境退火一小時 S6 ;照光時所用的光源是〇Sram的鹵素燈,操作於 150W,光強為63315 1χ;電荷汲取跟電性上的量測是 利用Keithley 4200 ’在進行實驗的時候元件是在常壓的 黑箱裡面量測。 圖二(a)描繪在不同vD操作下,a-IZO薄膜電晶體 之電性曲線,元件萃取出的起始電壓、次臨界擺幅、有 效的載子移動率在VD為IV的操作下分別為0 75V、 750mv /decade、44.68cm2/Vs,而插圖則是 a_IZ〇 薄膜 在玻璃基板上對光之穿透率;量測出的電性特性結果分 別在不同階段量測,包括一開始的暗態、照光的瞬間、 照光10分鐘、還有關掉光源後靜置0〜720分鐘;發現 a-IZO薄膜電晶體的電性特性在照光下起始電壓會有向 左移動的趨勢,起始電壓在Vd=11v下由起始暗態的 0.22V變化到照光1〇分鐘後的]1 spy,在移開光源 後,a-IZO薄膜電晶體的起始電壓又會往右偏移到 •9.1V,不會回復到原本的暗態下的電性,在經過一段 201119073 720分鐘的放置後’電性特性又會回復到原本暗態下的 特性’如圖二(b)所描述的情形。 圖二為電何波取(Charge pumping)的示意圖;以往 對於氧化物半導體薄膜的研究物理跟化學吸附氧氣的 特性關係如下(1)、(2)兩式, 〇2(gas) + e·^ 〇2(s〇lid)' (1) 〇2(gas) *^h+ + 02(s〇lid)· (2) 而e、h+分別代表電子與電洞,一固定5 v閘極電壓會 使得a-IZO薄膜’形成電子聚集於通道當中,並且使照 光反應式向右邊進行;在實施例中的〇2(gas)是存在於空 氣中而且很容易因為捕捉電子而形成〇2(s〇nd)-; 一般 a-IZO薄膜電晶體是屬於n型的半導體,存在許多電 子,而化學反應式也會處於動態平衡的狀態,所以這表 示整個淨反應會朝向右邊去反應,〇2(gas)藉由吸附電子 而變成〇2(solid),這也就代表〇2(s。丨⑷-的形成會造成原 本用來導通的電子大量減少,而造成起始電壓向右邊偏 移;相反的,若反應式是向左邊偏移的話,起始電壓也 會向左邊偏移。 圖四(a)所示為a-izo薄膜電性曲線二,與沒有施 加電壓之元件比較,沒施加電壓之恢復時間為72〇分鐘 (如圖四b),加速電性回復是因為在a IZ〇薄膜中聚集 出了許多額外的電子,這些電子會驅使方程式⑴向右 201119073 移動’結果〇2(SQ|id)的增加會加速照光後元件起始電壓 向右偏移的速度,並且回到原始暗態的電性,其中又可 以發現在未施加5V電壓跟施加5V電壓元件的電性曲 線是相互吻合,這也就代表說這在進行電荷汲取的過程 中對於元件是沒有劣化的影響;也把施加的電荷汲取電 壓跟恢復時間作圖’如圖四(b),發現當電荷没取電廢 達到35V時’元件恢復時間只要1〇分鐘,由圖也可以 推論電荷沒取電壓越大時,a_IZ〇薄膜元件恢復之速度 也就越快。 圖五簡單地描繪出光偵測器之電路,一個固定的閘 極電壓VGS可以被用來偵測a_IZ〇薄膜電晶體的開關, 藉由照光前後起始電壓明顯的變化;以實施例來說, Vgs可以設定為-2V ’當在暗態下(Vth = 〇.25V),-2V的 Vgs會讓薄膜電晶體關閉,導致輸出電壓就為Vdd,但 是輸出功率因為沒有電流的關係依舊為零;然而,當元 件照光後起始電壓會開始向左飄移,這就有可能造成元 件在VGS為-2V的操作下導通,造成輸出的電壓接近為 零,也代表光偵測不需要消耗太多功率,且電荷汲取的 方法可以加速元件在偵測到光後快速之恢復,並不會影 響到a-IZO薄膜元件之電性。 综合上述,以上為本發明之一較佳實施例,非因 此即拘限本發明之專利範圍,本案專利範圍仍應以後 201119073 附之專利申請範圍所定義為準。
201119073 【圖式簡單說明】 第一圖係本發明方塊流程圖 第二圖係本發明之a-IZO薄膜電性曲線圖一 第三圖係本發明之電荷汲取的示意圖 第四圖係本發明之a-IZO薄膜電性曲線圖二 第五圖係本發明之光偵測器電路構圖 • 【主要元件符號說明】 S1 〜S6 1. 光感測薄膜電晶體元件 2. 負載電阻 3. 掃描信號端 4. 主要控制訊號操作端 5. 輸出訊號端 11

Claims (1)

  1. 201119073 七、申請專利範圍: 1、 一種非晶系氧化物半導體的光感測器裝置,特別指 一種感光電路’其主要由光感測薄膜電晶體元件 (light sensing TFTs)與負載電阻(LOAD)兩個元件構 成,其包括有: 一光感測薄膜電晶體元件(light sensing TFTs),麵接電 源輸出端與接地之間; 一負載電阻’耦接於光感測薄膜電晶體元件(light sensing TFTs)汲極端點與主要控制訊號操作端之間; 一掃描信號端(Scan line),其耦接於光感測薄膜電晶體 元件(light sensing TFTs)閘極端點; 一輸出判定照光與否之訊號端,用以判斷照光與否,其 耦接於光感測薄膜電晶體元件(light sensing TFTs)閘 極部份; 一主要控制訊號操作端(VDD) ’其搞接於負載的一個端 點上,以控制其裝置; 藉此’透過新氧化物半導體材料主動以矩陣式顯示面 板。 2、 如申請專利範圍第1項所述之一種非晶系氧化物半 導體的光感測器裝置,其中上述薄膜電晶體受一組掃 描信號端(Scan line)之電壓訊號控制,可施加電壓於 氧化物半導體為主動層之薄膜電晶體,使其起始電壓 201119073 (vth)恢復至初始位置。 3、 如申料利㈣第2項所述之—種非晶系氧化物半 導體的光感測器裝置,其中掃描信號端(Sean Hne)可 依薄膜電晶體之起始電壓(Vth),判定照光與否,再回 饋訊號至週邊電路系統當中。 4、 如申請專利第丨項料之—種非以氧化物半 導體的光感測器裝置,其中薄膜電晶體元件部份所使 用之氧化物半導體,由低溫物理氣相沉積法製成為薄 膜。 5、 如ΐ請專利㈣第2項所述之—種非^氧化物半 導體的光感測器裝置,其中掃描信號端(Sean㈣可 藉由增大輸入電壓方式,改變薄膜電晶體之起始電壓 (Vth)之恢復時間,使薄膜電晶體快速回到原始之 狀態。 6、 如申請專利範㈣5項所述之一種非晶系氧化物半 導體的光感測器裝置,其中起始電壓(Vth)飄移範 圍大於0.5伏特以上。 7、 如申請專利範圍第!項料之一種非晶系氧化物半 導體的光感測器裝置,此一種非晶系氧化物半導體的 光感測器裝置製作之掃描線與施加電壓加速恢復部 份為同一條訊號線。 8、 一種非晶系氧化物半導體的光感測器之製造方法, 13 201119073 其係使用如申請專利範圍第1項所述之元件,包含下 列步驟: (1) 直流濺鍍系統形成一層MoW薄膜作為元件的閘極; (2) 電漿化學氣相沉積方法產生SiNx作為介電層; (3) 用濺鍍系統形成IT0作為源極/汲極電極; (4) 操作父流賤錄系統,在氬氣及氧氣之混合氣體中於 室溫形成氧化銦辞(a-IZO)薄膜作為主動層; (5) 利用黃光微影跟濕式蝕刻的技術來定位出通道其 濕式蝕刻以稀釋過之HC丨溶液來做為a_IZ〇的蝕刻溶 液; (6) 在300〜400°C的氮氣環境退火。 9、如申請專利範圍第8項所述之—種非晶系氧化物半 導體的光感測器之製造方法,此沉積之氧化銦辞層 a-IZO 之材料比例為 ι:1(Ιη2〇3:ζη〇)。 1 〇、如申請專利範圍第8項所述之一種非晶系氧化物 半導體的光感測器之製造方法,其稀釋過的肥溶液 來做為a-IZO的飯刻溶液時,其银刻速度㈣l〇A/s。 11、如中請專利範圍第8項所述之—種非晶系氧化物 半導體的光感測器之製造方法,其於〜4〇〇它之氮 氣環境退火約為一小時。
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