TW201601301A - 感測裝置 - Google Patents

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Abstract

一種感測裝置，包括多個感測畫素，該些感測畫素排列成陣列，且各感測畫素包括主動元件以及感測元件。感測元件與主動元件電性連接，其中感測元件包括第一電極層、非晶矽層、第二電極層以及石墨烯層。非晶矽層配置在第一電極層上。第二電極層配置在非晶矽層上，其中第二電極層具有開口。石墨烯層與該第二電極層及非晶矽層接觸。

Description

感測裝置
本發明是有關於一種感測裝置，且特別是有關於一種感測元件包括非晶矽層及石墨烯層的感測裝置。
在現今的影像偵測陣列(image sensing array)中，每一感測畫素主要包括一個薄膜電晶體(thin film transistor，TFT)以及一個PIN二極體(PIN diode)，其中薄膜電晶體作為讀取的開關元件，PIN二極體則扮演將光能轉換成電子訊號的感測元件。
一般而言，為了使影像偵測陣列具有良好的量子效率(Quantum Efficiency，QE)，又稱入射光子-電子轉換效率(Incident Photon-to-electron Conversion Efficiency，IPCE)，通常需要沉積足夠厚的PIN層(厚度大約為1.0μm~1.5μm)，此使得用以保護PIN層的保護層也需要足夠厚的厚度(大約1.5μm)。如此一來，習知的影像偵測陣列不但具有較厚的厚度，且沉積PIN層的製程時間長、費用高。此外，習知的影像偵測陣列一般需要11道微影蝕刻製程(Photolithography and Etching Process，PEP)才能完成製作，使得製程複雜度高。因此，如何減少製造影像偵測陣列所使用的 微影蝕刻製程數及降低製程複雜度是目前研發的重點之一。
本發明提供一種感測裝置，其易於大面積製造，並且可減少微影蝕刻的製程數。
本發明的感測裝置包括多個感測畫素，該些感測畫素排列成陣列，其中各感測畫素包括主動元件以及感測元件。感測元件與主動元件電性連接，其中感測元件包括第一電極層、非晶矽層、第二電極層以及石墨烯層。非晶矽層配置在第一電極層上。第二電極層配置在非晶矽層上，其中第二電極層具有開口。石墨烯層與第二電極層及非晶矽層接觸。
基於上述，在本發明的感測裝置中，由於感測元件藉由使用非晶矽層與石墨烯層構成的接面來達成感測光線的目的，使得感測裝置能夠符合大面積化生產的要求。另外，本發明的感測裝置可透過減少的微影蝕刻製程數來製造，藉此可降低製程複雜度及製程時間。
為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。
10、20、30、40‧‧‧感測裝置
100‧‧‧基板
102‧‧‧第一電極層
104、306、406‧‧‧第二電極層
106、206、304‧‧‧石墨烯層
AS‧‧‧非晶矽層
BP1‧‧‧第一保護層
BP2、BP2’‧‧‧第二保護層
BP3‧‧‧第三保護層
CH‧‧‧通道層
CL、CL’、CL”‧‧‧覆蓋層
D‧‧‧汲極
G‧‧‧閘極
GI‧‧‧閘極絕緣層
L1‧‧‧第一訊號線
L2‧‧‧第二訊號線
L3、L3’、L3”‧‧‧第三訊號線
OP1‧‧‧第一開口
OP2、OP2’‧‧‧第二開口
OP3‧‧‧開口
P、P’、P”‧‧‧感測畫素
S‧‧‧源極
SE、SE’‧‧‧感測元件
TFT‧‧‧主動元件
圖1是本發明一實施方式之感測裝置的上視示意圖。
圖2A至圖2H是本發明一實施方式之感測裝置的製作方法的流程上視圖。
圖3A至3H是本發明一實施方式之感測裝置的製作方法的流程剖面圖。
圖4是本發明另一實施方式之感測裝置的剖面示意圖。
圖5A至圖5B是本發明又一實施方式之感測裝置的製作方法的流程上視圖。
圖6A至6B是本發明又一實施方式之感測裝置的製作方法的流程剖面圖。
圖7是本發明再一實施方式之感測裝置的上視示意圖。
圖1是本發明一實施方式之感測裝置的上視示意圖。
請參照圖1，感測裝置10包括基板100及多個感測畫素P。基板100的材質例如是玻璃、石英、有機聚合物、或是不透光/反射材料(例如：導電材料、金屬、晶圓、陶瓷、或其它可適用的材料)、或是其它可適用的材料。感測畫素P配置在基板100上。
在下文中，將參照圖2A至圖2H以及圖3A至圖3H，針對感測裝置10的製作方法作詳細說明。值得一提的是，感測裝置10包括多個感測畫素P，並且該些感測畫素P彼此鄰接排列成多列與多行，以形成一陣列，然而為了清楚說明本發明，圖2A至圖2H以及圖3A至圖3H僅繪示出感測裝置10中的其中一個感測畫 素P。
圖2A至圖2H是本發明一實施方式之感測裝置的製作方法的流程上視圖。圖3A至圖3H是本發明一實施方式之感測裝置的製作方法的流程剖面圖。圖3A至圖3H的剖面位置對應於圖2A至圖2H之剖面線I-I’的位置。
請同時參照圖2A及圖3A，於基板100上形成閘極G與第一訊號線L1，其中閘極G與第一訊號線L1電性連接。詳細而言，閘極G與第一訊號線L1可透過第一道微影蝕刻製程而形成。 基於導電性的考量，閘極G與第一訊號線L1一般是使用金屬材料。然而，本發明並不限於此，閘極G與第一訊號線L1也可以使用金屬以外的其他導電材料，例如：合金、金屬材料的氮化物、金屬材料的氧化物、金屬材料的氮氧化物、或是金屬材料與其它導電材料的堆疊層。在本實施方式中，閘極G與第一訊號線L1屬於同一膜層。也就是說，閘極G與第一訊號線L1是由同一金屬層所構成。
接著，請同時參照圖2B及圖3B，於基板100上形成閘極絕緣層GI，閘極絕緣層GI覆蓋閘極G與第一訊號線L1。閘極絕緣層GI通常可以利用物理氣相沉積法或化學氣相沉積法全面性地沉積在基板100上。閘極絕緣層GI的材質例如是氧化矽(SiOx)、氮化矽(SiNx)或氮氧化矽等無機材質。為了圖式清楚，在圖2B中省略閘極絕緣層GI的繪示。
接著，於閘極絕緣層GI上形成通道層CH，通道層CH 於垂直投影方向與閘極G至少部分重疊。在本實施例中，通道層CH位於閘極G的上方，且覆蓋閘極G。詳細而言，通道層CH可透過第二道微影蝕刻製程而形成。在本實施方式中，通道層CH的材質為非晶矽半導體材料。
另外一提的是，於閘極絕緣層GI上形成通道層CH後， 感測裝置10的製作方法可更包括於基板100的周邊區內的閘極絕緣層GI中形成一接觸窗(未繪示)，以於後續製程中形成用以與外部電路連接的連接線，其中外部電路例如是驅動晶片或軟性印刷電路(flexible printed circuit，FPC)。詳細而言，所述接觸窗可透過第三道微影蝕刻製程而形成。
接著，請同時參照圖2C及圖3C，於基板100上形成源 極S、汲極D、第二訊號線L2及第一電極層102，其中源極S與第二訊號線L2電性連接，汲極D與第一電極層102電性連接，且位於通道層CH兩側。
詳細而言，源極S、汲極D、第二訊號線L2及第一電極 層102可透過第四道微影蝕刻製程而形成。基於導電性的考量，源極S、汲極D、第二訊號線L2及第一電極層102一般是使用金屬材料。然而，本發明並不限於此，源極S、汲極D、第二訊號線L2及第一電極層102也可以使用金屬以外的其他導電材料，例如：合金、金屬材料的氮化物、金屬材料的氧化物、金屬材料的氮氧化物、或是金屬材料與其它導電材料的堆疊層。在本實施方式中，源極S、汲極D、第二訊號線L2及第一電極層102屬於同 一膜層。也就是說，源極S、汲極D、第二訊號線L2及第一電極層102是由同一金屬層所構成。
另外，第一訊號線L1和第二訊號線L2彼此交錯設置。 也就是說，第一訊號線L1的延伸方向與第二訊號線L2的延伸方向不平行。在圖2C中，第一訊號線L1的延伸方向與第二訊號線L2的延伸方向例如是大致上垂直。
值得說明的是，在本實施方式中，在製作完源極S以及汲極D之後，主動元件TFT便初步製作完成，其中主動元件TFT包括閘極G、閘極絕緣層GI、通道層CH、源極S以及汲極D。進一步而言，由於通道層CH的材質為非晶矽半導體材料，因此主動元件TFT即為一種非晶矽薄膜電晶體。
接著，請同時參照圖2D及圖3D，於基板100上形成第一保護層BP1，以覆蓋主動元件TFT以及第一電極層102，其中第一保護層BP1具有第一開口OP1，且第一開口OP1暴露出部分的第一電極層102。詳細而言，第一保護層BP1可透過第五道微影蝕刻製程而形成。第一保護層BP1的材質例如是氧化矽、氮化矽或氮氧化矽等無機材質。
接著，請同時參照圖2E及圖3E，於第一保護層BP1上形成非晶矽層AS，其中非晶矽層AS填入第一開口OP1以與第一電極層102接觸。詳細而言，非晶矽層AS可透過第六道微影蝕刻製程而形成。非晶矽層AS的厚度介於500埃(Å)至15000埃(Å)之間，且較佳介於2000埃(Å)至10000埃(Å)之間。
接著，請同時參照圖2F及圖3F，於基板100上形成第二 保護層BP2，以覆蓋第一保護層BP1以及非晶矽層AS，其中第二保護層BP2具有第二開口OP2，且第二開口OP2對應於第一保護層BP1的第一開口OP1並暴露出部分的非晶矽層AS。詳細而言，第二保護層BP2可透過第七道微影蝕刻製程而形成。第二保護層BP2的材質例如是氧化矽、氮化矽或氮氧化矽等無機材質。第二保護層BP2的厚度介於500Å至15000Å之間，且較佳介於2000埃(Å)至10000埃(Å)之間。詳細而言，由於非晶矽層AS的厚度可降低至500Å至15000Å之間，故用以保護非晶矽層AS的第二保護層BP2的厚度也可降低，藉此可減少沉積製程所花費的時間及費用。
接著，請同時參照圖2G及圖3G，於第二保護層BP2上形成第二電極層104與第三訊號線L3，其中第二電極層104具有開口OP3，且開口OP3對應於第二保護層BP2的第二開口OP2暴露出部分的非晶矽層AS。此外，在本實施方式中，於第二保護層BP2上更包含覆蓋層CL，覆蓋層CL設置於主動元件TFT的上方，且覆蓋主動元件TFT的通道層CH。覆蓋層CL與第二電極層104連接在一起，也就是第二電極層104與覆蓋層CL彼此電性連接。 由於主動元件TFT的通道層CH材質為非晶矽，非晶矽為具有光電轉換的半導體材質，若無覆蓋層CL將通道層CH遮蔽，在照光時容易在通道層CH產生光載子，光載子會使通道導通，而將使主動元件TFT無法關閉而失去開關的功能。另外，在本實施方式中， 第三訊號線L3與第二電極層104是連接在一起的導電圖案。因此，第二電極層104與第三訊號線L3彼此電性連接。
詳細而言，在本實施方式中，第二電極層104、覆蓋層CL與第三訊號線L3可透過第八道微影蝕刻製程而形成。第二電極層104、覆蓋層CL與第三訊號線L3可以是單層結構，或是由多層彼此堆疊的堆疊結構。當第二電極層104、覆蓋層CL與第三訊號線L3為單層結構時，第二電極層104、覆蓋層CL與第三訊號線L3的材質例如是銅、鎳、鐵、金、銅鎳合金或金鎳合金；當第二電極層104、覆蓋層CL與第三訊號線L3為堆疊結構時，第二電極層104、覆蓋層CL與第三訊號線L3例如是鎳/金雙層金屬層、鈦/金雙層金屬層、鈦/鋁/鈦三層金屬層或鉬/鋁/鉬三層金屬層。
另外一提的是，在本實施方式中，第二保護層BP2是透過第七道微影蝕刻製程而形成，而第二電極層104、覆蓋層CL與第三訊號線L3是透過第八道微影蝕刻製程而形成，亦即第二保護層BP2和第二電極層104、覆蓋層CL與第三訊號線L3是透過不同道微影蝕刻製程形成，但本發明並不限於此。在其他實施方式中，第二保護層BP2和覆蓋層CL、第二電極層104與第三訊號線L3也可以透過同一道微影蝕刻製程形成。
接著，請同時參照圖2H及圖3H，於第二電極層104、覆蓋層CL與第三訊號線L3上形成石墨烯層106，其中石墨烯層106全面覆蓋第二電極層104、覆蓋層CL、第三訊號線L3與非晶矽層AS，且與非晶矽層AS接觸。一般而言，石墨烯是由碳原子 以sp2混成軌道組成六角型呈蜂巢晶格(honeycomb crystal lattice)的薄層。也就是說，單層石墨烯是只有一個碳原子厚度的二維材料。在本實施方式中，石墨烯層106的層數介於一層至五層之間。
另外，石墨烯層106可以是摻雜三族元素的P型石墨烯層，也可以是未經摻雜的石墨烯層。石墨烯層106可以採用化學氣相沉積製程或電漿輔助化學氣相沉積製程加以製作。具體而言，形成石墨烯層106的方法例如是透過在化學氣相沉積系統腔體或電漿輔助化學氣相沉積系統腔體中通入例如甲烷或乙炔等含有碳原子的反應氣體以及氫氣、氬氣來沉積未摻雜的石墨烯層；或是在前述反應氣體中加入乙硼烷(B2H6)或三甲基硼(B(CH3)3)等含有三族元素的反應氣體來沉積P型石墨烯層，其中化學氣相沉積溫度區間為200℃至400℃。
值得說明的是，在本實施方式中，在製作完石墨烯層106之後，感測元件SE便初步製作完成，其中感測元件SE包括第一電極層102、非晶矽層AS、第二電極層104以及石墨烯層106。詳細而言，由於非晶矽層AS本身的電特性偏向微量摻雜的N型半導體材料(slightly n-type semiconductor)，而當石墨烯層106為P型石墨烯層時，其本身的特性為P型半導體材料，故此時非晶矽層AS與石墨烯層106的接觸表面為一PN接面(PN junction)，而感測元件SE為一具有感光功能的PN二極體(PN diode)感測元件。詳細而言，感測元件SE的電流-電壓特性曲線(I-V curve)在反向電壓區的暗態漏電流小，且照光電流正比於 照射的光子量，故可作為用以感測光線的光感測元件。另外，當石墨烯層106為未經摻雜的石墨烯層時，其本身的特性則為零能階的金屬層，故此時非晶矽層AS與石墨烯層106接觸表面為一蕭基接面(Schottky junction)，而感測元件SE即為一具有感光功能的蕭基二極體(Schottky diode)感測元件，且亦可作為用以感測光線的光感測元件。另外一提的是，雖然非晶矽層AS本身的電特性已是偏向微量摻雜的N型半導體材料，但是根據實際上元件特性的需要，也可以對非晶矽層AS摻雜五族元素以形成特性為N型半導體材料的N型非晶矽層。
從另一觀點而言，感測裝置10是以包括由非晶矽層AS與可以是P型石墨烯或未經摻雜的石墨烯層的石墨烯層106構成PN二極體或蕭基二極體的感測元件SE來取代習知感測裝置所使用的PIN二極體或蕭基二極體。由於非晶矽層AS的厚度介於500Å至15000Å之間且石墨烯層106的層數介於一層至五層之間，所以本發明之感測裝置10與習知感測裝置相比，在厚度減少的情況下，感測元件SE仍可提供良好的入射光子-電子轉換效率。
另外，在本實施方式中，形成第二電極層104與第三訊號線L3的同時，更形成覆蓋通道層CH的覆蓋層CL。也就是說，在本實施方式中，不需額外進行微影蝕刻製程來形成覆蓋層CL，而可在一道微影蝕刻製程中，同時製作出第二電極層104、覆蓋層CL與第三訊號線L3。
接著，請繼續參照圖2H及圖3H，在製作完石墨烯層106 之後，於基板100上可更包括形成第三保護層BP3。第三保護層BP3覆蓋主動元件TFT以及感測元件SE，用以防止主動元件TFT以及感測元件SE受到外界之濕氣、熱量及雜訊等影響，並保護主動元件TFT以及感測元件SE免於外力的破壞。第三保護層BP3通常可以利用物理氣相沉積法或化學氣相沉積法全面性地沉積在基板100上。第三保護層BP3的材質例如是氧化矽、氮化矽或氮氧化矽等無機材質。為了圖式清楚，在圖2H中省略第三保護層BP3的繪示。
另外，於基板100上全面性地沉積第三保護層BP3後， 感測裝置10的製作方法可更包括在位於周邊區內的第三保護層BP3中形成一接觸窗(未繪示)，以作為第一訊號線L1、第二訊號線L2與第三訊號線L3和例如是驅動晶片或軟性印刷電路等的外部電路連接之用。詳細而言，所述接觸窗可透過第九道微影蝕刻製程而形成。
藉由進行上述所有步驟(圖2A至圖2H及圖3A至圖3H)後，將可完成本發明一實施方式之感測裝置10的製作。詳細而言，在上述實施方式中，感測裝置10可藉由九道微影蝕刻製程來完成製作。也就是說，感測裝置10可透過微影蝕刻製程數較少於習知的微影蝕刻製程數來製造，藉此可降低製程複雜度及製程時間。
接著，在下文中，將參照圖1、圖2H及圖3H對本發明一實施方式之感測裝置10的結構進行說明。
請再次參照圖1、圖2H及圖3H，感測裝置10包括排列 成陣列的多個感測畫素P，其中每一感測畫素P包括第一訊號線L1、第二訊號線L2、第三訊號線L3、主動元件TFT以及感測元件SE。主動元件TFT包括閘極G、閘極絕緣層GI、通道層CH、源極S以及汲極D。感測元件SE與主動元件TFT電性連接。感測元件SE包括第一電極層102、非晶矽層AS、第二電極層104以及石墨烯層106。非晶矽層配置在第一電極層上102。第二電極層104配置在非晶矽層AS上。石墨烯層106覆蓋第二電極層104，且與非晶矽層AS接觸。此外，感測裝置10可更包括覆蓋層CL、第一保護層BP1、第二保護層BP2及第三保護層BP3。此外，感測裝置10中各構件的材質、形成方法、功效與相關描述已於上文中進行詳盡地說明，故於此不再贅述。
進一步而言，感測裝置10是透過第一電極層102與汲極D是連接在一起的導電圖案，以實現感測元件SE電性連接於主動元件TFT的連接方式。另外，感測裝置10是透過閘極G與第一訊號線L1是連接在一起的導電圖案及源極S與第二訊號線L2是連接在一起的導電圖案，以實現第一訊號線L1與第二訊號線L2傳遞主動元件TFT產生之訊號的作用；以及感測裝置10是透過第二電極層104與第三訊號線L3是連接在一起的導電圖案，以實現透過第三訊號線L3對感測畫素P提供一共用電壓的作用。
另外，在非晶矽層AS的厚度介於500Å至15000Å之間且石墨烯層106的層數介於一層至五層之間的情況下，感測元件SE即可提供良好的入射光子-電子轉換效率，藉此與習知使用PIN 二極體的感測裝置相比，感測裝置10的整體厚度可降低。
另外，在本實施方式中，由於主動元件TFT為一種非晶矽薄膜電晶體，且感測元件SE包括由非晶矽層AS與屬於P型半導體的石墨烯層106構成的PN二極體或非晶矽層AS與屬於未摻雜的石墨烯層106構成的蕭基二極體，藉此使得感測裝置10能夠符合大面積化生產的要求，進而增加感測裝置10的應用性及商業價值。舉例而言，感測裝置10可應用於14吋x17吋或17吋x17吋的醫療用數位X光放射攝影、檢查旅客行李內容物的海關X光機等的大尺寸感光裝置)。
圖4是本發明另一實施方式之感測裝置的剖面示意圖。 請同時參照圖3H及圖4，此實施方式之感測裝置20與圖3H之感測裝置10相似，因此與圖3H相同或相似的元件以相同或相似的符號表示，且不再重覆贅述。圖4之感測裝置20與圖3H之感測裝置10的差異僅在於：圖4的石墨烯層206僅局部覆蓋第二電極層104，並且由開口OP2的邊緣延伸至開口OP2內，而覆蓋於開口OP2暴露出的非晶矽層AS上；反觀圖3H，圖3H的石墨烯層106全面覆蓋第二電極層104。也就是說，本實施方式的石墨烯層106為具有圖案化的膜層，其形成方法例如是進行圖案化製程或局部成長。
圖5A至圖5B是本發明又一實施方式之感測裝置的製作方法的流程上視圖。圖6A至圖6B是本發明又一實施方式之感測裝置的製作方法的流程剖面圖。圖6A至6B的剖面位置對應於圖 5A至圖5B之剖面線I-I’的位置，且圖5A、圖6A為接續圖2E、圖3E之後所進行的步驟。此外，藉由進行圖5A至圖5B及圖6A至圖6B所示的所有步驟後，將可完成本發明又一實施方式之感測裝置30的製作，其中感測裝置30的上視示意圖請參考圖1。製作感測裝置30的詳細描述如下。
首先，請同時參照圖5A及圖6A，於非晶矽層AS上形成石墨烯層304，其中石墨烯層304局部覆蓋非晶矽層AS。也就是說，於垂直投影方向上，石墨烯層304的面積小於非晶矽層AS的面積。一般而言，石墨烯是由碳原子以sp2混成軌道組成六角型呈蜂巢晶格(honeycomb crystal lattice)的薄層。也就是說，單層石墨烯是只有一個碳原子厚度的二維材料。在本實施方式中，石墨烯層304的層數介於一層至五層之間。
另外，石墨烯層304可以是摻雜三族元素的P型石墨烯層，也可以是未經摻雜的石墨烯層。石墨烯層304可以採用轉印方式來形成。詳細而言，形成石墨烯層304的方法例如是先使用高分子材料製作的週期性印章(stamp)，接著以微米壓印方式將預先成長的P型石墨烯層或未摻雜的石墨烯層吸附在所述印章上，再轉印到非晶矽層AS上。
接著，請同時參照圖5B及圖6B，於第一保護層BP1上形成第二電極層306與第三訊號線L3’。第二電極層306局部覆蓋石墨烯層304，且具有第二開口OP2’，其中第二開口OP2’對應於第一保護層BP1的第一開口OP1並暴露出部分的石墨烯層304。 詳而言之，第二電極層306係覆蓋於石墨烯層304的側邊，以及圍繞石墨烯層304週邊而覆蓋於石墨烯層304之部分的上表面。 此外，在本實施方式中，於第一保護層BP1上更包含覆蓋層CL’，覆蓋層CL’設置於主動元件TFT的上方，覆蓋主動元件TFT的通道層CH。覆蓋層CL’與第二電極層104連接在一起，也就是第二電極層104與覆蓋層CL彼此電性連接。由於主動元件TFT的通道層CH材質為非晶矽，非晶矽為具有光電轉換的半導體材質，若無覆蓋層CL’將通道層CH遮蔽，在照光時容易在通道層CH產生光載子，光載子會使通道導通，而使得主動元件TFT將無法關閉而失去開關的功能。另外，在本實施方式中，第三訊號線L3’與第二電極層306是連接在一起的導電圖案。因此，第二電極層306與第三訊號線L3’彼此電性連接。
第二電極層306、覆蓋層CL’與第三訊號線L3’可以是單層結構，或是由多層彼此堆疊的堆疊結構。當第二電極層306、覆蓋層CL’與第三訊號線L3’為單層結構時，第二電極層306、覆蓋層CL’與第三訊號線L3’的材質例如是銅、鎳、鐵、金、銅鎳合金或金鎳合金；當第二電極層306、覆蓋層CL’與第三訊號線L3’為堆疊結構時，第二電極層306、覆蓋層CL’與第三訊號線L3’例如是鎳/金雙層金屬層、鈦/金雙層金屬層、鈦/鋁/鈦三層金屬層或鉬/鋁/鉬三層金屬層。
值得說明的是，在本實施方式中，在製作完第二電極層306之後，感測元件SE’便初步製作完成，其中感測元件SE’包括 第一電極層102、非晶矽層AS、第二電極層306以及石墨烯層304。詳細而言，由於非晶矽層AS本身的電特性偏向微量摻雜的N型半導體材料(slightly n-type semiconductor)，而當石墨烯層304為P型石墨烯層時，其本身的特性為P型半導體材料，故此時非晶矽層AS與石墨烯層304的接觸表面為一PN接面(PN junction)，而感測元件SE’為一具有感光功能的PN二極體(PN diode)感測元件。感測元件SE’的電流-電壓特性曲線(I-V curve)在反向電壓區的暗態漏電流小，且照光電流正比於照射的光子量，故可作為用以感測光線的光感測元件SE。另外，當石墨烯層304為未經摻雜的石墨烯層時，其本身的特性則為零能階的金屬層，故此時非晶矽層AS與石墨烯層106接觸表面為一蕭基接面(Schottky junction)，而感測元件SE’則為一具有感光功能的蕭基二極體(Schottky diode)感測元件，且亦可作為用以感測光線的光感測元件。另外一提的是，雖然非晶矽層AS本身的電特性已是偏向微量摻雜的N型半導體材料，但是根據實際上元件特性的需要，也可以對非晶矽層AS摻雜五族元素以形成特性為N型半導體金屬材料的N型非晶矽層。
在本實施方式中，由於主動元件TFT為一種非晶矽薄膜電晶體，且感測元件SE’包括由非晶矽層AS與屬於P型石墨烯層的石墨烯層304構成的PN二極體或非晶矽層AS與屬於未摻雜的石墨烯層的石墨烯層304構成的蕭基二極體，藉此使得感測裝置30能夠符合大面積化生產的要求，進而增加感測裝置30的應用性 及商業價值。舉例而言，感測裝置30可應用於14吋x17吋或17吋x17吋的醫療用數位X光放射攝影、檢查旅客行李內容物的海關X光機等的大尺寸感光裝置)。
此外，在非晶矽層AS的厚度介於500Å至15000Å之間且石墨烯層304的層數介於一層至五層之間的情況下，感測元件SE’即可提供良好的入射光子-電子轉換效率，此表示與習知使用PIN二極體的感測裝置相比，感測裝置30的整體厚度可降低。
另外，在本實施方式中，形成第二電極層306與第三訊號線L3’的同時，更形成覆蓋通道層CH的覆蓋層CL’。也就是說，在本實施方式中，不需額外進行微影蝕刻製程來形成覆蓋層CL’，而可在一道微影蝕刻製程中，同時製作出第二電極層306、覆蓋層CL’與第三訊號線L3’。
另外，感測裝置30是透過第二電極層306、覆蓋層CL’與第三訊號線L3’是連接在一起的導電圖案，以實現透過第三訊號線L3’對感測畫素P’提供一共用電壓的作用。
接著，請繼續參照圖5B及圖6B，在製作完第二電極層306、覆蓋層CL’與第三訊號線L3’之後，於基板100上可更包括形成第二保護層BP2’。第二保護層BP2’覆蓋主動元件TFT以及感測元件SE’，用以防止主動元件TFT以及感測元件SE’受到外界之濕氣、熱量及雜訊等影響，並保護主動元件TFT以及感測元件SE’免於外力的破壞。第二保護層BP2’通常可以利用物理氣相沉積法或化學氣相沉積法全面性地沉積在基板100上。第二保護層BP2’ 的材質例如是氧化矽、氮化矽或氮氧化矽等無機材質。為了圖式清楚，在圖5B中省略第二保護層BP2’的繪示。
另外，於基板100上全面性地沉積第二保護層BP2’後，感測裝置30的製作方法可更包括在位於周邊區內的第二保護層BP2’中形成一接觸窗(未繪示)，以作為第一訊號線L1、第二訊號線L2與第三訊號線L3’和例如是驅動晶片或軟性印刷電路等的外部電路連接之用。
圖7是本發明再一實施方式之感測裝置的上視示意圖。 請同時參照圖5B及圖7，此實施方式之感測裝置40與圖5B之感測裝置30相似，因此與圖5B相同或相似的元件以相同或相似的符號表示，且不再重覆贅述。
詳細而言，圖7之感測裝置40與圖5B之感測裝置30的差異在於：圖7之覆蓋層CL”與第二電極層406不相接。也就是說，在圖7的實施方式中，覆蓋層CL”與第二電極層406為分離之導電圖案，而在圖5B的實施方式中，覆蓋層CL’與第二電極層306為一連續的導電圖案。另外，圖7之第三訊號線L3”透過接觸窗C與第二電極層406電性連接，第二電極層406與第三訊號線L3”屬於不同膜層，且具有接觸窗C的第二保護層(未繪示)位於第二電極層406與第三訊號線L3”之間，而在圖5B的實施方式中，第二電極層306與第三訊號線L3’以及覆蓋層CL’屬於同一膜層，為彼此連接在一起的導電圖案。從另一觀點而言，在圖7的實施方式中，感測裝置40是透過接觸窗C連接第二電極層406與 第三訊號線L3”，以實現藉由第三訊號線L3”提供感測畫素P”一共用電壓的作用，而在圖5B的實施方式中，感測裝置30是透過第二電極層306與第三訊號線L3’是連接在一起的導電圖案，以實現藉由第三訊號線L3’提供感測畫素P’一共用電壓的作用。
綜上所述，在本發明的感測裝置中，感測畫素包括第一訊號線、第二訊號線、第三訊號線、主動元件及感測元件，其中感測元件包括由非晶矽層與石墨烯層構成的PN二極體或蕭基二極體，藉此使得感測裝置能夠在具有良好入射光子-電子轉換效率的情況下，降低其整體厚度，並且使得感測裝置能夠符合大面積化生產的要求。另外，由於在一道微影蝕刻製程中，可同時製作第二電極層及定義出覆蓋層，以及可透過化學氣相沉積製程或轉印方式等來形成石墨烯層，本發明的感測裝置透過較少的微影蝕刻步驟即可完成製作，藉此可降低製程複雜度及製程時間。
雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。
10‧‧‧感測裝置
100‧‧‧基板
102‧‧‧第一電極層
104‧‧‧第二電極層
106‧‧‧石墨烯層
AS‧‧‧非晶矽層
BP1‧‧‧第一保護層
BP2‧‧‧第二保護層
BP3‧‧‧第三保護層
CH‧‧‧通道層
CL‧‧‧覆蓋層
D‧‧‧汲極
G‧‧‧閘極
GI‧‧‧閘極絕緣層
L1‧‧‧第一訊號線
L2‧‧‧第二訊號線
OP1‧‧‧第一開口
OP2‧‧‧第二開口
OP3‧‧‧開口
P‧‧‧感測畫素
S‧‧‧源極
SE‧‧‧感測元件
TFT‧‧‧主動元件

Claims (16)

  1. 一種感測裝置，包括多個感測畫素，該些感測畫素排列成陣列，且各該感測畫素包括：一主動元件；以及一感測元件，與該主動元件電性連接，其中該感測元件包括：一第一電極層；一非晶矽層，配置在該第一電極層上；一第二電極層，配置在該非晶矽層上，其中該第二電極層具有一開口；以及一石墨烯層，與該第二電極層及該非晶矽層接觸。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的感測裝置，其中該開口暴露該非晶矽層，且該石墨烯層全面覆蓋該第二電極層與該非晶矽層。
  3. 如申請專利範圍第1項所述的感測裝置，其中該石墨烯層局部覆蓋該第二電極層，並且由該開口的邊緣延伸至該開口內，覆蓋於該開口暴露之該非晶矽層上。
  4. 如申請專利範圍第1項所述的感測裝置，其中該石墨烯層位於該非晶矽層與第二電極層之間，該石墨烯層局部覆蓋該非晶矽層，該第二電極層局部覆蓋該石墨烯層上，使得該開口暴露該石墨烯層。
  5. 如申請專利範圍第1項所述的感測裝置，更包含一覆蓋層，設置於該主動元件上方。
  6. 如申請專利範圍第5項所述的感測裝置，其中該覆蓋層與 該第二電極層電性相接。
  7. 如申請專利範圍第1項所述的感測裝置，其中該第二電極層的材質包括銅、鎳、鐵、金、鎳/金雙層金屬層、鈦/金雙層金屬層、銅鎳合金、金鎳合金、鈦/鋁/鈦三層金屬層或鉬/鋁/鉬三層金屬層。
  8. 如申請專利範圍第1項所述的感測裝置，其中該非晶矽層的厚度介於500埃至15000埃之間，該石墨烯層的層數介於一層至五層之間。
  9. 如申請專利範圍第1項所述的感測裝置，其中該石墨烯層可為P型石墨烯層或未摻雜的石墨烯層。
  10. 如申請專利範圍第1項所述的感測裝置，更包括一第一保護層，覆蓋該主動元件以及該感測元件的該第一電極層，其中該第一保護層具有一第一開口，該第一開口暴露該第一電極層，且該非晶矽層填入該第一開口以與該第一電極層接觸。
  11. 如申請專利範圍第10項所述的感測裝置，更包括一第二保護層，覆蓋該第一保護層以及該非晶矽層，其中該第二保護層具有一第二開口，該第二開口對應該第二電極層的該開口且暴露該非晶矽層。
  12. 如申請專利範圍第11項所述的感測裝置，其中該第二保護層的厚度介於500埃至15000埃之間。
  13. 如申請專利範圍第10項所述的感測裝置，更包括一第二保護層，覆蓋該第二電極層以及該石墨烯層，其中該第二保護層 具有一接觸窗，暴露出該第二電極層。
  14. 如申請專利範圍第13項所述的感測裝置，更包括一訊號線，其中該訊號線透過該接觸窗電性連接於該第二電極層。
  15. 如申請專利範圍第1項所述的感測裝置，其中該主動元件包括：一閘極、一閘極絕緣層與一通道層，其中該閘極絕緣層位於該閘極與該通道層之間，該通道層於垂直投影方向與該閘極至少部分重疊；以及一源極以及一汲極，位於該通道層兩側，其中該感測元件的該第一電極層與該汲極電性連接。
  16. 如申請專利範圍第15項所述的感測裝置，更包含一覆蓋層，設置於該通道層上方。
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