TW201913196A - 紅外光偵測薄膜、紅外光偵測器件、紅外光偵測顯示裝置及紅外光偵測薄膜的製備方法 - Google Patents

紅外光偵測薄膜、紅外光偵測器件、紅外光偵測顯示裝置及紅外光偵測薄膜的製備方法 Download PDF

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Abstract

本發明提供了一種紅外光偵測薄膜、紅外光偵測器件、紅外光偵測顯示裝置、紅外光偵測薄膜的製備方法，相較於依據TFT漏電流原理製作之紅外光敏薄膜晶體管之器件，本發明以底部閘極式場效晶體管結構將光伏閘極設置於源極和汲極間隙內，大幅增加了光電子的激發。在每一個偵測像素裡，源極與源極相互並聯，汲極與汲極也都相互並聯，相鄰的源極和汲極之間間隔設置，降低了光激發之電子與空穴再複合機率，增加了場效應作用下電極收集光電子的成功機率，最大化地改善了依據TFT漏電流原理製作之紅外光敏薄膜晶體管的光敏感度。

Description

紅外光偵測薄膜、紅外光偵測器件、紅外光偵測顯示裝置及紅外光偵測薄膜的製備方法
本發明是有關於一種光學器件領域，特別是指一種紅外光偵測薄膜、紅外光偵測器件、紅外光偵測顯示裝置、紅外光偵測薄膜的製備方法。
液晶顯示(LCD)螢幕或主動式有機發光二極管顯示(AMOLED)螢幕，皆是以薄膜晶體管(TFT)結構掃描並驅動單一畫素，以實現顯示螢幕上畫素陣列之顯示功能。形成TFT開關功能的主要結構為半導體場效晶體管 (FET)，其中熟知的半導體層主要材料有非晶矽、多晶矽、氧化銦鎵鋅(IGZO)、或是混有碳奈米材料之有機化合物等等。由於紅外光偵測二極管(Photo Diode)的結構亦可採用此類半導體材料製備，且生產設備也相容於TFT陣列的生產設備，因此近年來TFT驅動與掃描的紅外光偵測二極管開始以TFT陣列製備方式作生產，並廣泛應用在X光感測平板器件，如中華人民共和國專利CN103829959B、CN102903721B所描述。
實際上在紅外光偵測的應用上，TFT結構即具備光敏功能的特性：一般藉由閘極電壓控制TFT操作在關閉狀態時，源極到汲極之間不會有電流通過；然而當TFT受光源照射時，由於光的能量在半導體激發出電子-空穴對，TFT結構的場效應作用會使電子-空穴對分離，進而使TFT產生漏電流。這樣的漏電流特性讓TFT陣列逐漸被應用在紅外光偵測或紅外光偵測之技術上，例如中華人民共和國專利CN100568072C、CN105044952A所描述。若將此類熟知的TFT可見光感測陣列薄膜配置在顯示螢幕結構內，可作為將紅外光偵測功能集成在顯示螢幕之一種實現方案。
然而傳統的TFT器件結構設計在紅外光偵測應用上，仍有必須要改善的特性：正常環境光的照明可能包含從最暗區域到最亮區域的3個數量級以上(60 dB)的變化，使用操作在關閉區的TFT漏電流進行紅外光偵測應用，需要增加TFT的光敏感度 (photosensitivity)、提高器件的信號雜訊比(SNR)，並避免增加了整體系統的複雜性以及功耗。
除此之外，如果將TFT陣列薄膜應用作顯示螢幕內的影像傳感器件，受限於顯示螢幕的厚度以及顯示畫素開口孔徑等問題，TFT陣列感測之真實影像已是發生繞射等光學失真之影像，且因光學信號穿透顯示螢幕多層結構，並且在光學顯示信號、觸摸感測信號並存的情況下，欲從低信號雜訊比場景提取有用光學信號具備很高的困難度，技術困難等級達到近乎單光子成像之程度，必須需藉由算法依光波理論運算重建方能解析出原始影像。為了避開此一技術難點，熟知將可見光傳感器薄膜配置在原顯示螢幕結構內會需要額外的光學增強器件，或是僅將光傳感器薄膜配置在顯示螢幕側邊內，利用非垂直反射到達側邊之光線進行光影像重建，例如：中華人民共和國專利CN101359369B所述。然而雖然此類技術可避開了弱光成像的技術難點，額外的光學器件增加了紅外光偵測顯視屏的厚度，在顯示螢幕側邊的配置方式也無法滿足用戶的全螢幕體驗。
在實際應用過程中，可以採用一層p型/i型/n型結構作為紅外光偵測薄膜的紅外光敏二極管，以實現紅外光偵測功能。對於p型/i型/n型結構，p層要求摻雜含硼氣體，生產工藝流程較為複雜。硼為重污染氣體，加工生產過程中容易對環境造成污染，增加環境治理成本。
為此，需要提供一種紅外光偵測的技術方案，用於解決現有的紅外光偵測薄膜存在的光電轉化率低、易污染、工藝複雜、成本高等問題。
因此，本發明之第一目的，即在提供一種紅外光偵測薄膜。
於是，本發明紅外光偵測薄膜包括一個紅外光敏薄膜晶體管，該紅外光敏薄膜晶體管包括一個閘極、至少一個源極、至少一個汲極、一個絕緣層單元、一個多數載流子通道層、及一個光伏閘極；該絕緣層單元包括一個第一絕緣層和一個第二絕緣層；該紅外光敏薄膜晶體管為底部閘極式結構，其中，該閘極、第一絕緣層、多數載流子通道層、與源極沿縱向自下而上設置，該第一絕緣層包覆閘極，以使得閘極與源極、閘極與汲極之間均不接觸；該汲極與該源極橫向共面設置，多數載流子通道層連接源極和汲極；源極和汲極之間間隔設置，光伏閘極設置於源極和汲極之間的間隙內；該第二絕緣層包覆源極和汲極，以使得源極與光伏閘極、汲極與光伏閘極之間均不接觸。
本發明之第二目的在於提供一種紅外光偵測器件
本發明紅外光偵測器件包括至少一個個像素偵測區，每一個像素偵測區設置有一個用來掃描驅動與傳輸數據且由一個以上之薄膜晶體管所組成的像素薄膜電路、以及一紅外光偵測薄膜，該紅外光偵測薄膜為前文所述的紅外光偵測薄膜。
本發明之第三目的在於提供一種紅外光偵測顯示裝置。
本發明紅外光偵測顯示裝置，包括一個界定出一個紅外光偵測感應區的顯示單元，以及一個設置在該紅外光偵測感應區下方的紅外光偵測器件組，該紅外光偵測器件組包括至少一個前文所述的紅外光偵測器件。
本發明之第四目的在於提供一種紅外光偵測薄膜的製備方法。
本發明紅外光偵測薄膜的製備方法包括以下步驟： 在一個含有像素薄膜晶體管的基材上通過化磁控濺射鍍膜出一個閘極； 在該閘極的上方通過化學氣相沉積或是磁控濺射鍍膜出一個第一絕緣層； 在該第一絕緣層的上方通過化學氣相沉積鍍膜出一個多數載流子通道層； 在該多數載流子通道層的上方通過化學氣相沉積鍍膜出至少一個源極和至少一個汲極的n型摻雜半導體層，並通過磁控濺射鍍膜出源極和汲極的金屬層，通過黃光蝕刻工藝定義出預設結構的源極和汲極，得到源極和汲極之間橫向共面，且間隔設置； 在該源極和汲極的上方通過化學氣相沉積或是磁控濺射分別鍍膜出一個第二絕緣層；及 在該源極和汲極之間的間隙內鍍膜出一個光伏閘極。
本發明之功效在於：紅外光偵測器件包括至少一個像素偵測區，該至少一個像素偵測區設置有一個用來掃描驅動與傳輸數據且由一個以上之薄膜晶體管所組成的像素薄膜電路、以及一紅外光偵測薄膜。該紅外光偵測薄膜包括紅外光敏薄膜晶體管，該紅外光敏薄膜晶體管包括閘極、源極、汲極、絕緣層、多數載流子通道層、及光伏閘極；該絕緣層包括第一絕緣層和第二絕緣層；該紅外光敏薄膜晶體管為底部閘極式結構，該閘極、第一絕緣層、多數載流子通道層、與源極是沿縱向自下而上設置，該第一絕緣層包覆閘極，以使得閘極與源極、閘極與汲極之間均不接觸；該汲極與該源極橫向共面設置，多數載流子通道層連接源極和汲極；源極和汲極之間間隔設置，光伏閘極設置於源極和汲極之間的間隙內；該第二絕緣層包覆源極和汲極，以使得源極與光伏閘極、汲極與光伏閘極之間均不接觸。
相較於依據TFT漏電流原理製作之紅外光敏薄膜晶體管之器件， 本發明以底部閘極式場效晶體管結構將光伏閘極設置於源極和汲極間隙內，大幅增加了光電子的激發。在每一個偵測像素裡，源極與源極相互並聯，汲極與汲極也都相互並聯，相鄰的源極和汲極之間間隔設置，降低了光激發之電子與空穴再複合機率，增加了場效應作用下電極收集光電子的成功機率，最大化地改善了依據TFT漏電流原理製作之紅外光敏薄膜晶體管的光敏感度。本發明無需摻雜含硼氣體即可實現，有效減少了紅外光偵測薄膜生產過程中對環境的污染，降低了生產成本。
本發明將就以下實施例來作進一步說明，但應瞭解的是，該實施例僅為例示說明之用，而不應被解釋為本發明實施之限制。
在本發明被詳細描述之前，應當注意在以下的說明內容中，類似的元件是以相同的編號來表示。
圖1是本發明紅外光偵測薄膜的第一實施例的結構示意圖。該紅外光偵測薄膜是設置在一基材8上，包括TFT（Thin Film Transistor）電路區域和紅外光偵測薄膜晶體管區域，該紅外光偵測薄膜晶體管區域設置有紅外光敏薄膜晶體管。本發明主要是針對紅外光敏薄膜晶體管進行改進，以增強紅外光敏薄膜晶體管的光敏感度並提升信號雜訊比，使得由包含有該紅外光敏薄膜晶體管的紅外光偵測薄膜所組成的紅外光偵測器件可以適用於高光敏度的應用場景需求(如設置於顯示螢幕下方進行紅外光偵測功能)。
該紅外光敏薄膜晶體管形成在基材8上，包括一個閘極1、一個源極2、一個汲極3、一個絕緣層單元、一個多數載流子通道層5、一個光伏閘極7；該絕緣層單元包括第一絕緣層4和第二絕緣層6；該紅外光敏薄膜晶體管為底部閘極式結構，該閘極1、第一絕緣層4、多數載流子通道層5、與源極2沿縱向自下而上設置，該第一絕緣層4包覆閘極1，以使得閘極1與源極2、閘極1與汲極3之間均不接觸；該汲極3與該源極2橫向共面設置，多數載流子通道層5連接源極2和汲極3；源極2和汲極3之間間隔設置，光伏閘極7設置於源極2和汲極3之間的間隙內；該第二絕緣層6包覆源極2和汲極3，以使得源極2與光伏閘極7、汲極3與光伏閘極7之間均不接觸。多數載流子是半導體物理的概念。
多數載流子通道，顧名思義，就是多數載流子所傳輸的通道。在半導體材料中，有電子和空穴兩種載流子。如果半導體中電子濃度大時，電子就是多數載流電子，空穴就是少數載流電子。相反，如果該半導體中空穴濃度大時，空穴就是多數載流電子，電子就是少數載流電子。在本實施例中，該多數載流子通道層5為電子傳輸的通道，電子在源極2和汲極3之間傳輸以形成電流。
一般藉由閘極電壓控制TFT操作在關閉狀態時，源極2到汲極3之間不會有電流通過；然而當TFT受光源照射時，由於光的能量在光伏閘極7激發出電子-空穴對，TFT結構的場效應作用會使電子-空穴對分離，電流通過多數載流子通道層5傳輸導通源極2和汲極3。這樣的光敏特性讓TFT陣列可應用在紅外光偵測或紅外光偵測之技術上。相較於一般依據TFT漏電流原理製作之紅外光敏薄膜晶體管之器件，本發明採用底部閘極式場效晶體管結構，並將光伏閘極7設置於源極2和汲極3間隙內，大幅增加了光電子的激發，提高了光電轉換效率。
以熟知的場效晶體管結構而言，作為掃描驅動與數據傳輸開關的TFT不需特別針對源極2和汲極3之間收集光電流的結構作設計；然而對場效晶體管應用在光偵測用途而言，如果被光線激發的電子-空穴對被場效分離後，受電場驅動的飄移(Drift)路徑太長，極有可能在光電子未能順利抵達電極之前，就已經與空穴作再結合(Recombination)，或是被光伏閘極7本身的懸空鍵結(Dangling Bond)缺陷給捕獲，無法有效地貢獻作為紅外光偵測的光電流輸出。為了改善電流傳輸受源極2與汲極3之間通道長度的影響，以達到可增加吸收光伏閘極7面積(光線照射有效面積越大，光電子激發越多，光電轉換效率越高)，卻不致於劣化光電轉換效率的目的，本發明提出了一源極2與汲極3的新型結構。
如圖2所示，該紅外光敏薄膜晶體管包括多個源極2和多個汲極(圖2中以5個源極2和4個汲極3為例)，該等源極2和該等源極2之間相互並聯，該等汲極3和該等汲極3之間相互並聯；該“源極2和汲極3之間間隔設置”包括：兩相鄰的源極2之間形成一個第一間隙，一個汲極3置於該第一間隙內，兩相鄰的汲極3之間形成第二間隙，一個源極2置於該第二間隙內，源極2和汲極3之間交錯間隔設置。每一源極2與相鄰的汲極3之間的距離小於電子飄移距離，該電子飄移距離為電子在場效作用下能夠生存的距離。這樣，在每一個偵測像素裡，所屬同一像素的多個源極2都相互並聯，且所屬同一像素的多個汲極3也都相互並聯，可以有效降低光激發電子與空穴再複合的機率，同時增大光伏閘極7的面積，提高了場效應作用下電極收集光電子的成功機率，最大化地改善了TFT紅外光敏薄膜晶體管的光敏度。
在某些實施例中，該多數載流子通道層5為未作摻雜的本質非晶矽結構，該非晶矽結構乃是由矽烷與氫氣通過化學氣相沉積所形成，非晶矽結構的結晶度小於40%，且禁帶寬度為1.7 eV～1.8eV。未作摻雜的本質結構是指除了矽烷與氫氣之外，不摻雜其他氣體並通過化學氣相沉積成膜的結構。禁帶寬度(Band gap)是指一個帶隙寬度[單位是電子伏特(eV)]，固體中電子的能量是不可以連續取值的，而是一些不連續的能帶，要導電就要有自由電子存在，自由電子存在的能帶稱為導帶(能導電)，被束縛的電子要成為自由電子，就必須獲得足夠能量從價帶躍遷到導帶，這個能量的最小值就是禁帶寬度。禁帶寬度是半導體的一個重要特徵參數，其大小主要決定於半導體的能帶結構，即與晶體結構和原子的結合性質等有關。
在另一些實施例，該多數載流子通道層5為未作摻雜的本質微晶矽結構，該微晶矽結構乃是由矽烷與氫氣通過化學氣相沉積所形成，微晶矽的結構的結晶度大於40%，且其禁帶寬度為小於1.7 eV。
為了使得包含有光偵測薄膜所組成的器件(即TFT影像感測陣列薄膜)能夠識別的光信號波長從可見光範圍擴展至紅外光範圍，在本實施方式中，該光伏閘極7為具有紅外光誘發光電壓功能的半導體層，且其禁帶寬度小於0.95 eV，從而將紅外光敏薄膜晶體管的操作波長範圍擴展到光波長1200nm 到2000 nm 的範圍，有效提高了TFT影像感測陣列薄膜的應用場景。在實際應用過程中，可以將紅外光偵測器件置於顯示螢幕下方，以實現指紋識別、眼球追蹤、虹膜識別等功能。
在某些實施例中，該源極2與汲極3皆是由自下而上為n型摻雜半導體層與金屬層所形成的結構，該n型摻雜半導體層是指其結構為矽烷、氫氣與磷化氫通過化學氣相沉積所形成的半導體層。優選的，n型摻雜半導體層為重摻雜磷化氫成膜的半導體層，重摻雜磷化氫是指摻雜的磷化氫濃度是標準工藝濃度的兩倍以上。
在某些實施例中，第一絕緣層4將閘極1與源極2、閘極1與汲極3隔離開來；第二絕緣層6將光伏閘極7與源極2、光伏閘極7與汲極3之間隔離開來，防止不同電極之間相互短路。第一絕緣層4的材料和第二絕緣層6的材料為絕緣材料，該絕緣材料是電工絕緣材料，按國家標準GB2900.5規定絕緣材料的定義是“用來使器件在電氣上絕緣的材料”，也就是能夠阻止電流通過的材料。第一絕緣層和第二絕緣層可以採用同一絕緣材料，也可以採用不同的絕緣材料，具體根據實際需要確定。
在某些實施例中，在該光伏閘極7的上端面設置有一光學器件，該光學器件用於降低光線在光伏閘極7的上端面的反射率、或是減小光線在光伏閘極7的折射角度以增加光入射量。降低光線在光伏閘極7的上端面的反射率、或者減小光線在光伏閘極7的折射角度，可以讓光線盡可能地以接近於垂直方向射入光伏閘極，使得光線盡可能地被光伏閘極所吸收，從而進一步提高紅外光敏薄膜晶體管的光電轉換率。
在某些實施例中，該光學器件包括但不限於：折射率呈週期性變化的光子晶體結構或微透鏡陣列結構、或是折射率呈非週期性變化的漫散射結構，且該光學器件的折射率小於光伏閘極7的折射率。該光學器件的折射率小於光伏閘極7的折射率，可以使得光線在光學器件上發生折射後，入射角小於折射角，即光線盡可能地以接近於垂直方向射入光伏閘極7。由於多數載流子通道層5採用非晶矽或微晶矽結構，其折射率往往較高，因而在實際應用過程中，光學器件的折射率也可以設置為小於多數載流子通道層5的折射率，以便滿足相應要求。
在某些實施例中，該光學器件是採用化學氣相沉積或濺射鍍膜方式將氧化物及其衍生化合物、或氮化物及其衍生化合物製備成膜。該氧化物及其衍生化合物包括但不限於：SiOX 所示氧化矽、五氧化二鈮 (Nb2 O5 )、氧化鋅(ZnO)、氧化銦錫(ITO)、氧化鈦(TiO2 )；該氮化物及其衍生化合物包括但不限於：SiNX 所示氮化矽。
在某些實施例中，該光伏閘極7為凝膠半導體量子點材料或奈米碳有機半導體材料。該凝膠半導體量子點材料包括但不限於：以雙-三甲基矽-硫酸鹽(C6 H18 O4 SSi2 )、1-十八烷烯(C18 H36 )、氧化鉛合成的硫化鉛量子點。該奈米碳有機半導體材料包括但不限於：以甲苯作溶劑製備的碳奈米管及碳奈米球形成的異質接面層。
發明人還提供了一種紅外光偵測器件，該紅外光偵測器件包括至少一個個像素偵測區，每一像素偵測區設置有一個用於掃描驅動與傳輸數據且由一個以上薄膜晶體管所組成的像素薄膜電路、以及一紅外光偵測薄膜，該紅外光偵測薄膜為前文所描述的紅外光偵測薄膜。每個像素偵測區用於感知一個像素，例如顯示螢幕的分辨率為1920x1080，則紅外光偵測器件包括1920x1080個像素偵測區，每一像素偵測區均設置有紅外光偵測薄膜。紅外光偵測器件為多個紅外光偵測薄膜組成的陣列器件，在實際應用場景中，可以將紅外光偵測器件置於顯示螢幕的底部，實現真正的顯示螢幕內影像感測功能。
如圖3所示，本發明紅外光偵測顯示裝置的第一實施例包括一個界定出一個紅外光偵測感應區90的顯示單元9、一片位於該顯示單元9上並用於保護該顯示單元9的玻璃蓋板10、一個電連接該顯示單元9的驅動積體電路11，一個設置在該紅外光偵測感應區90下方的紅外光偵測器件組12及一個基材8，該紅外光偵測器件組12包括至少一個光偵測器件。該紅外光偵測器件為如前文所述的紅外光偵測器件。該顯示裝置為具有觸摸顯示螢幕的電子設備，如手機、平板電腦、個人數字助理等智能移動設備，還可以是個人計算機、工業裝備用計算機等電子設備。該顯示單元9包括但不限於：以薄膜晶體管作為掃描驅動與傳輸數據的顯示螢幕，包括主動式有機發光二極管顯示(AMOLED)螢幕、LCD液晶顯示螢幕、微發光二極管顯示螢幕、量子點顯示螢幕、或是電子墨水顯示螢幕。
參閱圖4，在某些實施例中，當該顯示單元9為LCD液晶顯示螢幕或電子墨水顯示螢幕時，該紅外光偵測顯示裝置還包含一個位在該紅外光偵測器件組12下方的背光單元12，該紅外光偵測器件組12設置於背光單元13和LCD液晶顯示螢幕9之間。由於LCD液晶顯示螢幕和電子墨水顯示螢幕不屬自發光元件，因而在安裝時需要在紅外光偵測器件組12的下方增加背光單元13。背光單元13可以為LCD背光模組，也可以為其他具有自發光功能的電子元件。在另一些實施例中，當該顯示單元9為AMOLED顯示螢幕或自帶發光功能的其他顯示螢幕時，由於OLED顯示螢幕屬自發光元件，因而無需設置背光單元13。通過上述兩種方案的設置，可以有效滿足不同廠家的生產需求，提高裝置的適用範圍。
在某些實施例中，紅外光偵測器件組12包括一個設置於顯示單元9下方的紅外光偵測器件。在另一些實施例中，該紅外光偵測感應區包括複數個紅外光偵測感應子區域，且該紅外光偵測器件組12包括複數個分別對應設置在該等紅外光偵測感應子區域下方的紅外光偵測器件。該顯示裝置還包括紅外光偵測器件控制電路，該紅外光偵測器件控制電路用於在接收啟動信號時，控制紅外光偵測器件組12開啟，或用於在接收到關閉信號時，控制紅外光偵測器件組12關閉。
以紅外光偵測感應區的數量為兩個為例，兩個紅外光偵測感應子區域可以一上一下或一左一右均勻分佈於螢幕中，也可以以其他排列方式分佈於螢幕中。下面對具有兩個紅外光偵測感應子區域的裝置的應用過程做具體說明：在使用過程中，接收用戶觸發的啟動信號，將兩個紅外光偵測感應子區域下方的紅外光偵測器件都設置成開啟狀態。優選的實施例中，兩個紅外光偵測感應子區域構成的範圍覆蓋了整個顯示螢幕，這樣可以保證當兩個紅外光偵測感應子區域下方的紅外光偵測器件都設置成開啟狀態時，進入顯示螢幕的光信號可以被下方的TFT影像感測陣列薄膜(即紅外光偵測器件)所吸收。在其他實施例中，兩個紅外光偵測感應子區域構成的範圍也可以占整個顯示螢幕面積的2/3、3/4等。當然，用戶也可以根據自身喜好，設置某一個紅外光偵測感應子區域下方的紅外光偵測器件開啟，另一個紅外光偵測感應子區域下方的紅外光偵測器件關閉。在不需要對裝置進行操作時，還可以將兩個紅外光偵測感應子區域下方的紅外光偵測器件均設置為關閉狀態。
在其他實施例中，紅外光偵測感應子區域的數量還可以為其他數值(即大於兩個)，具體可以根據實際需要進行設置。簡言之，各個紅外光偵測感應子區域下方的紅外光偵測器件下方處於開啟或關閉，可以根據用戶自身喜好進行設置。
如圖5所示，本發明紅外光偵測薄膜的製備方法包括以下步驟：
首先進入步驟S401，在像素薄膜晶體管的基材8上通過化磁控濺射鍍膜一個出閘極1。像素薄膜晶體管的基材8可以採用硬板，也可以採用柔性材料(如聚醯亞胺)；
而後進入步驟S402，在該閘極1的上方通過化學氣相沉積或是磁控濺射鍍膜出一個第一絕緣層4；
而後進入步驟S403，在該第一絕緣層4的上方通過化學氣相沉積鍍膜出一個多數載流子通道層5；
而後進入步驟S404，在該多數載流子通道層5的上方通過化學氣相沉積鍍膜出至少一個源極2和至少一個汲極3的n型摻雜半導體層，並通過磁控濺射鍍膜出源極2和汲極3的金屬層，通過黃光蝕刻工藝定義出預設結構的源極2和汲極3，得到源極2和汲極3之間橫向共面，且間隔設置；
而後進入步驟S405，在該源極2和汲極3的上方通過化學氣相沉積或是磁控濺射分別鍍膜出一個第二絕緣層6；
而後進入步驟S406，在該源極2和汲極3之間的間隙內鍍膜出一個光伏閘極7。在本實施方式中，鍍膜出光伏閘極7可以採用以下方式實現：蒸鍍、塗布、噴塗、網印中的一種或多種。
如圖6至圖14所示，該步驟“通過黃光蝕刻工藝定義出預設結構的源極2和汲極3，得到源極2和汲極3橫向共面，且間隔設置”包括：通過黃光蝕刻工藝定義出一個源極電極組和一個汲極電極組，該源極電極組包括多個源極2，源極2和源極2之間相互並聯；該汲極電極組包括多個汲極3，汲極3和汲極3之間相互並聯；兩相鄰的源極2之間形成一個第一間隙，一個汲極3置於該第一間隙內，兩相鄰的汲極3之間形成一個第二間隙，一個源極2置於該第二間隙內，源極2和汲極3之間交錯間隔設置。
在某些實施例中，該多數載流子通道層5為未作摻雜的本質非晶矽結構，該非晶矽結構通過以下方式製備：在採用化學氣相沉積鍍膜過程中，將氫氣混入矽烷以使得該非晶矽結構的結晶度小於40%，且其禁帶寬度1.7 eV～1.8eV。
在某些實施例中，該多數載流子通道層5為未作摻雜的本質微晶矽結構，該微晶矽結構通過以下方式製備：在採用化學氣相沉積鍍膜過程中，將氫氣混入矽烷以使得該微晶矽結構的結晶度大於40%，且其禁帶寬度小於1.7 eV。
在某些實施例中，該源極2與汲極3皆是由自下而上為n型摻雜半導體層與金屬層所形成的結構，該n型摻雜半導體層通過以下方式製備：將矽烷、氫氣與磷化氫通過化學氣相沉積成膜形成n型摻雜半導體層。
在某些實施例中，該紅外光偵測薄膜的製備方法還包括：在該光伏閘極7上端面設置有一光學器件，該光學器件用於降低光線在光伏閘極7的上端面的反射率、或是減小光線在光伏閘極7的折射角度以增加光入射量。這樣，可以使得光線盡可能地以接近於垂直方向射入多數載流子通道層，使得光線盡可能地被光伏閘極7所吸收，從而進一步提高紅外光敏薄膜晶體管的光電轉換率。
在某些實施例中，該光學器件包括折射率呈週期性變化的光子晶體結構或微透鏡陣列結構、或是折射率呈非週期性變化的漫散射結構，且該光學器件的折射率小於光伏閘極7的折射率。該光學器件的折射率小於光伏閘極7的折射率，可以使得光線在光學器件上發生折射後，入射角小於折射角，即光線盡可能地以接近於垂直方向射入光伏閘極7，提高光電轉換效率。
在某些實施例中，該光學器件是採用化學氣相沉積或濺射鍍膜方式將氧化物及其衍生化合物、或氮化物及其衍生化合物製備成膜。該氧化物及其衍生化合物包括但不限於：SiOX 所示氧化矽、五氧化二鈮 (Nb2 O5 )、氧化鋅(ZnO)、氧化銦錫(ITO)、氧化鈦(TiO2 )；該氮化物及其衍生化合物包括但不限於：SiNX 所示氮化矽。
本發明具有以下優點：紅外光偵測器件包括至少一個像素偵測區，該至少一像素偵測區設置有一個用來掃描驅動與傳輸數據且由一個以上薄膜晶體管所組成的像素薄膜電路、以及一紅外光偵測薄膜。該紅外光偵測薄膜包括紅外光敏薄膜晶體管，該紅外光敏薄膜晶體管包括閘極、源極、汲極、絕緣層單元、多數載流子通道層、及光伏閘極；該絕緣層單元包括第一絕緣層和第二絕緣層；該紅外光敏薄膜晶體管為底部閘極式結構，該閘極、第一絕緣層、多數載流子通道層、與源極沿縱向自下而上設置，該第一絕緣層包覆閘極，以使得閘極與源極、閘極與汲極之間均不接觸；該汲極與該源極橫向共面設置，多數載流子通道層連接源極和汲極；源極和汲極之間間隔設置，光伏閘極設置於源極和汲極之間的間隙內；該第二絕緣層包覆源極和汲極，以使得源極與光伏閘極、汲極與光伏閘極之間均不接觸。
相較於依據TFT漏電流原理製作之紅外光敏薄膜晶體管之器件， 本發明以底部閘極式場效晶體管結構將光伏閘極設置於源極和汲極間隙內，大幅增加了光電子的激發。在每一個偵測像素裡，源極與源極相互並聯，汲極與汲極也都相互並聯，相鄰的源極和汲極之間間隙配合，降低了光激發之電子與空穴再複合機率，增加了場效應作用下電極收集光電子的成功機率，最大化地改善了依據TFT漏電流原理製作之紅外光敏薄膜晶體管的光敏感度。本發明無需摻雜含硼氣體即可實現，有效減少了紅外光偵測薄膜生產過程中對環境的污染，降低了生產成本。
需要說明的是，在本文中，諸如第一和第二等之類的關係術語僅僅用來將一個實體或者操作與另一個實體或操作區分開來，而不一定要求或者暗示這些實體或操作之間存在任何這種實際的關係或者順序。而且，術語“包括”、“包含”或者其任何其他變體意在涵蓋非排他性的包含，從而使得包括一系列要素的過程、方法、物品或者終端設備不僅包括那些要素，而且還包括沒有明確列出的其他要素，或者是還包括為這種過程、方法、物品或者終端設備所固有的要素。在沒有更多限制的情況下，由語句“包括……”或“包含……”限定的要素，並不排除在包括所述要素的過程、方法、物品或者終端設備中還存在另外的要素。此外，在本文中，“大於”、“小於”、“超過”等理解為不包括本數；“以上”、“以下”、“以內”等理解為包括本數。
惟以上所述者，僅為本發明之實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，凡是依本發明申請專利範圍及專利說明書內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。
1‧‧‧閘極
2‧‧‧源極
3‧‧‧汲極
4‧‧‧第一絕緣層
5‧‧‧多數載流子通道層
6‧‧‧第二絕緣層
7‧‧‧光伏閘極
8‧‧‧基材
9‧‧‧顯示單元
90‧‧‧紅外光偵測感應區
10‧‧‧玻璃蓋板
11‧‧‧驅動積體電路
12‧‧‧紅外光偵測器件組
13‧‧‧背光單元
本發明之其他的特徵及功效，將於參照圖式的實施方式中清楚地呈現，其中： 圖1是一結構示意圖，說明本發明紅外光偵測薄膜的第一實施例； 圖2是一結構示意圖，說明本發明紅外光偵測薄膜的第二實施例之源極和汲極的設置配合； 圖3是一結構示意圖，說明本發明紅外光偵測顯示裝置的第一實施例； 圖4是一結構示意圖，說明本發明紅外光偵測顯示裝置的第二實施例； 圖5是一流程圖，說明本發明紅外光偵測薄膜的製備方法； 圖6是一俯視圖，說明本發明紅外光偵測薄膜的製備方法的步驟S401； 圖7是圖6的側視圖； 圖8是一俯視圖，說明本發明紅外光偵測薄膜的製備方法的步驟S402； 圖9是圖8的側視圖； 圖10是一俯視圖，說明本發明紅外光偵測薄膜的製備方法的步驟S403； 圖11是圖10的側視圖； 圖12是一俯視圖，說明本發明紅外光偵測薄膜的製備方法的步驟S404及S405； 圖13是圖12的側視圖； 圖14是一俯視圖，說明本發明紅外光偵測薄膜的製備方法的步驟S406；及 圖15是圖14的側視圖。

Claims (29)

  1. 一種紅外光偵測薄膜，包含： 一個紅外光敏薄膜晶體管，包括一個閘極、至少一個源極、至少一個汲極、一個絕緣層組、一個多數載流子通道層、及一個光伏閘極；該絕緣層組包括第一絕緣層和第二絕緣層；該紅外光敏薄膜晶體管為底部閘極式結構，其中，該閘極、該第一絕緣層、該多數載流子通道層、與源極沿縱向自下而上設置，該第一絕緣層包覆該閘極，以使得該閘極與該源極、該閘極與該汲極之間均不接觸；該汲極與該源極橫向共面設置，該多數載流子通道層連接該源極和該汲極；該源極和該汲極是間隔設置，該光伏閘極設置於該源極和該汲極之間的間隙內；該第二絕緣層包覆該源極和該汲極，以使得該源極與該光伏閘極、該汲極與該光伏閘極之間均不接觸。
  2. 如請求項1所述的紅外光偵測薄膜，其中，該紅外光敏薄膜晶體管包括多個源極和多個汲極，該等源極和該等源極之間相互並聯，該等汲極和該等汲極之間相互並聯；兩相鄰的該等源極之間形成一個第一間隙，一個汲極置於該第一間隙內，兩相鄰的該等汲極之間形成一個第二間隙，一個源極置於該第二間隙內，該等源極和該等汲極之間為交錯間隔設置。
  3. 如請求項1所述的紅外光偵測薄膜，其中，該多數載流子通道層為未作摻雜的本質非晶矽結構，該非晶矽結構是由矽烷與氫氣通過化學氣相沉積成膜所形成，該非晶矽結構的結晶度小於40%，且其禁帶寬度為1.7 eV～1.8eV。
  4. 如請求項1所述的紅外光偵測薄膜，其中，該多數載流子通道層為未作摻雜的本質微晶矽結構，該微晶矽結構是由矽烷與氫氣通過化學氣相沉積成膜所形成，該微晶矽結構的結晶度大於40%，且其禁帶寬度為小於1.7 eV。
  5. 如請求項1所述的紅外光偵測薄膜，其中，該光伏閘極為具有紅外光誘發光電壓功能的半導體層，且其禁帶寬度小於0.95 eV。
  6. 如請求項5所述的紅外光偵測薄膜，其中，該光伏閘極為凝膠半導體量子點材料或奈米碳有機半導體材料。
  7. 如請求項1所述的紅外光偵測薄膜，其中，該源極與該汲極皆是由自下而上為一個n型摻雜半導體層與一個金屬層所形成的結構，該n型摻雜半導體層是由矽烷、氫氣與磷化氫通過化學氣相沉積成膜所形成。
  8. 如請求項1所述的紅外光偵測薄膜，其中，在該光伏閘極的上端面設置有一光學器件，該光學器件是用於降低光線在該光伏閘極的上端面的反射率、或是減小光線在該光伏閘極的折射角度，以增加光入射量。
  9. 如請求項8所述的紅外光偵測薄膜，其中，該光學器件是選自於折射率呈週期性變化的光子晶體結構或微透鏡陣列結構、或是折射率呈非週期性變化的漫散射結構，且該光學器件的折射率小於該光伏閘極的折射率。
  10. 如請求項8所述的紅外光偵測薄膜，其中，該光學器件是採用化學氣相沉積或濺射鍍膜方式將氧化物及其衍生化合物、或氮化物及其衍生化合物製備成膜。
  11. 如請求項10所述的紅外光偵測薄膜，其中，該氧化物及其衍生化合物是選自於SiOX 所示的氧化矽、五氧化二鈮、氧化鋅、氧化銦錫、或氧化鈦；該氮化物及其衍生化合物為SiNX 所示的氮化矽。
  12. 一種紅外光偵測器件，包括：至少一個像素偵測區，該至少一個像素偵測區設置有由一個用來掃描驅動與傳輸數據且由一個以上薄膜晶體管所組成的像素薄膜電路、以及一紅外光偵測薄膜，該紅外光偵測薄膜是如請求項1至11中任一項所述的紅外光偵測薄膜。
  13. 一種紅外光偵測顯示裝置，包括：一個界定出一個紅外光偵測感應區的顯示單元，以及一個設置在該紅外光偵測感應區下方的紅外光偵測器件組，該紅外光偵測器件組包括至少一個如請求項12所述的紅外光偵測器件。
  14. 如請求項13所述的紅外光偵測顯示裝置，其中，該顯示單元包括以薄膜晶體管作為掃描驅動與傳輸數據的顯示螢幕，且該顯示螢幕是選自於主動式有機發光二極管顯示螢幕、液晶顯示螢幕、微發光二極管顯示螢幕、量子點顯示螢幕、或是電子墨水顯示螢幕。
  15. 如請求項14所述的紅外光偵測顯示裝置，其中，當該顯示螢幕為LCD液晶顯示螢幕或電子墨水顯示螢幕時，該紅外光偵測顯示裝置還包括一個位在該紅外光偵測器件組下方的背光單元，該紅外光偵測器件組設置於該背光單元和該液晶顯示螢幕之間。
  16. 如請求項13所述的紅外光偵測顯示裝置，其中，該紅外光偵測感應區包括複數個紅外光偵測感應子區域，且該紅外光偵測器件組包括複數個分別對應設置在該等紅外光偵測感應子區域下方的紅外光偵測器件。
  17. 如請求項13或16所述的紅外光偵測顯示裝置，還包括紅外光偵測器件控制電路，該紅外光偵測器件控制電路用於在接收啟動信號時，控制該紅外光偵測器件組開啟，或用於在接收到關閉信號時，控制該紅外光偵測器件組關閉。
  18. 一種紅外光偵測薄膜的製備方法，包括以下步驟： 在一個含有像素薄膜晶體管的基材上通過化磁控濺射鍍膜出一個閘極； 在該閘極的上方通過化學氣相沉積或是磁控濺射鍍膜出一個第一絕緣層； 在該第一絕緣層的上方通過化學氣相沉積鍍膜出一個多數載流子通道層； 在該多數載流子通道層的上方通過化學氣相沉積鍍膜出至少一個源極和至少一個汲極的n型摻雜半導體層，並通過磁控濺射鍍膜出該源極和該汲極的金屬層，通過黃光蝕刻工藝定義出預設結構的該源極和該汲極，得到該源極和該汲極之間橫向共面，且間隔設置； 在該源極和該汲極的上方通過化學氣相沉積或是磁控濺射分別鍍膜出一個第二絕緣層；及 在該源極和該汲極之間的間隙內鍍膜出一個光伏閘極。
  19. 如請求項18所述的紅外光偵測薄膜的製備方法，其中，該步驟“通過黃光蝕刻工藝定義出預設結構的該源極和該汲極，得到該源極和該汲極橫向共面，且間隔設置”包括：通過黃光蝕刻工藝定義出一個源極電極組和一個汲極電極組，每一個源極電極組包括多個源極，該等源極和該等源極之間相互並聯；每一個汲極電極組包括多個汲極，該等汲極和該等汲極之間相互並聯；兩相鄰的源極之間形成一個第一間隙，一個汲極置於該第一間隙內，兩相鄰的汲極之間形成一第二間隙，一個源極置於該第二間隙內，該等源極和該等汲極之間交錯間隔設置。
  20. 如請求項18所述的紅外光偵測薄膜的製備方法，其中，該多數載流子通道層為未作摻雜的本質非晶矽結構，該非晶矽結構通過以下方式製備：在採用化學氣相沉積鍍膜過程中，將氫氣混入矽烷以使得該非晶矽結構的結晶度小於40%，且禁帶寬度為1.7 eV～1.8eV。
  21. 如請求項18所述的紅外光偵測薄膜的製備方法，其中，該多數載流子通道層為未作摻雜的本質微晶矽結構，該微晶矽結構通過以下方式製備：在採用化學氣相沉積鍍膜過程中，將氫氣混入矽烷以使得該微晶矽結構的結晶度大於40%，且禁帶寬度為小於1.7 eV。
  22. 如請求項18所述的紅外光偵測薄膜的製備方法，其中，該光伏閘極為具有紅外光誘發光電壓功能的半導體層，且其禁帶寬度為小於0.95 eV。
  23. 如請求項22所述的紅外光偵測薄膜的製備方法，其中，該光伏閘極是選自於凝膠半導體量子點材料或奈米碳有機半導體材料。
  24. 如請求項18所述的紅外光偵測薄膜的製備方法，其中，該源極與該汲極皆是由自下而上為n型摻雜半導體層與金屬層所形成的結構，該n型摻雜半導體層通過以下方式製備：將矽烷、氫氣與磷化氫通過化學氣相沉積成膜形成該n型摻雜半導體層。
  25. 如請求項18所述的紅外光偵測薄膜的製備方法，還包括：在該光伏閘極上端面設置有一光學器件，該光學器件用於降低光線在該光伏閘極的上端面的反射率、或是減小光線在該光伏閘極的折射角度以增加光入射量。
  26. 如請求項25所述的紅外光偵測薄膜的製備方法，其中，該光學器件是選自於折射率呈週期性變化的光子晶體結構或微透鏡陣列結構、或是折射率呈非週期性變化的漫散射結構，且該光學器件的折射率小於該光伏閘極的折射率。
  27. 如請求項26所述的紅外光偵測薄膜的製備方法，其中，該光學器件是採用化學氣相沉積或濺射鍍膜方式將氧化物及其衍生化合物、或氮化物及其衍生化合物製備成膜。
  28. 如請求項27所述的紅外光偵測薄膜的製備方法，其中，該氧化物及其衍生化合物是選自於SiOX 所示的氧化矽、五氧化二鈮、氧化鋅、氧化銦錫、或氧化鈦；該氮化物及其衍生化合物為SiNX 所示的氮化矽。
  29. 如請求項18所述的紅外光偵測薄膜的製備方法，其中，該鍍膜出該光伏閘極的方法是選自於蒸鍍、塗布、噴塗、網印或前述的組合。
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