本申請要求于2015年7月14日提交的美國專利申請No.62/192,110的權(quán)益，其內(nèi)容通過引用并入本文。

技術(shù)領(lǐng)域

本公開總的來說涉及數(shù)字成像系統(tǒng)，更具體地涉及用于數(shù)字成像系統(tǒng)中的輻射檢測的裝置。

背景技術(shù)：

傳統(tǒng)上，X射線診斷過程將X射線圖像圖案記錄在鹵化銀膠片上。這些系統(tǒng)引導(dǎo)撞擊X射線輻射的初始均勻圖案穿過待研究的對象，用X射線輻射增強(qiáng)屏攔截X射線輻射的調(diào)制后圖案，將增強(qiáng)后圖案記錄在鹵化銀膠片上，并且以化學(xué)方法將潛在圖案轉(zhuǎn)化成永久且可見的圖像，其被稱為射線照片。

通過使用輻射敏感材料層直接捕獲射線照相的圖像作為電子電荷的調(diào)制后圖案來產(chǎn)生射線照片。根據(jù)入射X射線輻射的強(qiáng)度，使用規(guī)則排列的離散固態(tài)輻射傳感器陣列來量化在像素區(qū)域內(nèi)由X射線輻射電氣地或者光學(xué)地產(chǎn)生的電子電荷。

近來，用于采用了在大面積顯示器中使用的有源矩陣技術(shù)的數(shù)字輻射學(xué)的大面積平板數(shù)字X射線成像器已經(jīng)得到了快速發(fā)展。有源矩陣包括由大面積可兼容半導(dǎo)體材料制成的薄膜晶體管(TFT)的二維陣列(其中的每個元素被稱為像素)。存在兩種常規(guī)方法用于直接或間接地制造平板X射線檢測器。直接法主要使用厚的光電導(dǎo)膜(例如，非晶硒)作為被直接聯(lián)接到有源矩陣的X射線到電子電荷的轉(zhuǎn)換層。在間接法中，熒光屏或閃爍體(例如，CsI、GdOS等)用來將X射線轉(zhuǎn)換成可見光子，隨后使用附加像素級光傳感器將可見光子轉(zhuǎn)換成電子電荷，附加像素級光傳感器是利用有源矩陣陣列上的TFT制造的。

制造立式光電二極管的關(guān)鍵挑戰(zhàn)在于需要對TFT制造工藝特別是厚的非晶硅層、專門的p摻雜接觸層以及復(fù)雜的反應(yīng)離子蝕刻(RIE)側(cè)壁的蝕刻工藝進(jìn)行改進(jìn)以防止光學(xué)串?dāng)_。這些挑戰(zhàn)降低了制造產(chǎn)量并且抬高了制造成本。制造橫向MSM光電導(dǎo)體的關(guān)鍵挑戰(zhàn)包括較高電場下的高暗電流以及因非均勻電場而引起的光響應(yīng)的非均勻性。此外，橫向MSM光電導(dǎo)體不是空間有效的，導(dǎo)致低的有效量子效率(EQE)。這些問題中的每一個都會降低成像器的性能，這是為什么MSM設(shè)備現(xiàn)今在工業(yè)中并未用于大面積數(shù)字X射線成像的關(guān)鍵原因。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本公開提供一種針對用于數(shù)字成像系統(tǒng)中的輻射檢測的裝置的系統(tǒng)和方法。裝置可被看作光電導(dǎo)元件。

在一個實(shí)施例中，光電導(dǎo)元件包括橫向金屬-絕緣體-半導(dǎo)體-絕緣體-金屬(MISIM)檢測器元件。絕緣體也可被看作阻擋層。MISIM檢測器元件可以例如通過位于檢測器元件和讀出電路元件之間的電介質(zhì)層中的通孔而聯(lián)接到讀出電路元件。

在一個實(shí)施例中，裝置包括：吸收入射光子的半導(dǎo)體層、以及連接到半導(dǎo)體層并位于半導(dǎo)體層的相對側(cè)上的兩個電極。兩個電極優(yōu)選彼此錯開。在實(shí)際的實(shí)現(xiàn)方式中，使用絕緣體或阻擋層將電極中的至少一個與半導(dǎo)體層電氣隔離。通常在高電壓偏置下的絕緣接觸或絕緣電極即使在高電場條件下也保持低的暗電流。施加高電場使得裝置諸如MISIM檢測器、元件能夠以比常規(guī)的金屬-半導(dǎo)體-金屬(MSM)光電導(dǎo)體設(shè)計(jì)更快的速度操作，并且還提高了由撞擊在半導(dǎo)體層上的光子產(chǎn)生的電子空穴對的收集效率(并由此提高EQE)。與傳統(tǒng)的光電二極管結(jié)構(gòu)相比，本公開的結(jié)構(gòu)更簡單并且相應(yīng)地制造成本更低。此外，與傳統(tǒng)的MSM光電導(dǎo)體不同，本公開的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生更高的性能，因?yàn)樽x出電路元件可被嵌入于MISIM檢測器元件的下方從而產(chǎn)生用于光吸收的更大的面積。并且，使高壓電極遠(yuǎn)離TFT電子器件提高了可靠性。此外，整個光電導(dǎo)元件可在大面積TFT顯示器制造工藝中被實(shí)現(xiàn)，該工藝比用于PIN光電二極管的專門工藝更加可靠并且更加易于使用。結(jié)合以下詳細(xì)的描述和附圖，將理解本公開的多個方面中的這些以及其它的優(yōu)點(diǎn)。

因此，提供了一種用于數(shù)字成像系統(tǒng)中的輻射檢測的新穎的裝置。

附圖說明

現(xiàn)在將僅通過示例的方式并參考附圖對本公開的實(shí)施例進(jìn)行描述。

圖1示出根據(jù)本公開的射線照相的成像環(huán)境的總圖；

圖2示出根據(jù)本公開的二維有源矩陣成像陣列的結(jié)構(gòu)；

圖3示出根據(jù)本公開的像素電路架構(gòu)；

圖4a至圖4e示出金屬-絕緣體-半導(dǎo)體-絕緣體-金屬(MISIM)檢測器元件的不同實(shí)施例的橫截面；

圖5示出根據(jù)本公開的底柵和頂柵薄膜晶體管(TFT)配置的橫截面；

圖6a至圖6g示出根據(jù)本公開的、使用被放置在讀出電路元件的頂部、底部和側(cè)面(共面配置)上的MISIM檢測器元件的光電導(dǎo)元件的實(shí)現(xiàn)方式的不同橫截面；

圖7是對制造檢測器元件的方法進(jìn)行概述的流程圖。

具體實(shí)施方式

本公開涉及一種用于數(shù)字成像系統(tǒng)中的輻射檢測的裝置。裝置可包括光電導(dǎo)元件，該光電導(dǎo)元件包括檢測器元件，諸如金屬-絕緣體-半導(dǎo)體-絕緣體-金屬(MISIM)檢測器元件。在一個實(shí)施例中，檢測器元件與用于射線照相成像系統(tǒng)的讀出電路元件集成。

在優(yōu)選實(shí)施例中，裝置包括位于半導(dǎo)體層的相對側(cè)上的電極對，該電極對彼此錯開。在一個實(shí)施例中，該電極對相對于彼此水平隔開，并且在垂直平面中彼此不重疊。在另一實(shí)施例中，該電極對在垂直于半導(dǎo)體層的平面中彼此錯開。

圖1示出了射線照相的成像環(huán)境的總圖。如所示，X射線源10產(chǎn)生朝向?qū)ο?2(例如患者的手)發(fā)射的X射線束或X射線11，用于通過射線照相檢測器系統(tǒng)(RDS)14進(jìn)行成像。可以在計(jì)算機(jī)16上查看X射線的結(jié)果。在可被看作間接成像系統(tǒng)的當(dāng)前實(shí)施例中，射線照相檢測器系統(tǒng)14包括閃爍體15。在直接成像系統(tǒng)中，X射線11在射線照相檢測器系統(tǒng)14內(nèi)產(chǎn)生電子電荷而不需要閃爍體15。

對于一些射線照相檢測器系統(tǒng)14而言，同步硬件18是必需的，用以獲得X射線源10與對撞擊X射線束11進(jìn)行采樣的射線照相檢測器系統(tǒng)14之間的正確定時。在本公開中，射線照相檢測器系統(tǒng)14包括基于有源矩陣技術(shù)的大面積平板檢測器，以實(shí)現(xiàn)對象12的成像。

通常，待成像的對象12被放置在輻射源10和射線照相檢測器系統(tǒng)14之間。穿過對象12的X射線11與射線照相檢測器系統(tǒng)14相互作用。在間接成像中，X射線11在它們穿過熒光屏或閃爍體15(諸如結(jié)構(gòu)化的碘化銫(CsI)、硫氧化釓(GOS)或鈣氧化鎢(CaWO₄))時產(chǎn)生可見光子。隨后這些間接產(chǎn)生的可見光子進(jìn)一步在射線照相檢測器系統(tǒng)14內(nèi)產(chǎn)生電子電荷。

圖2是射線照相檢測器系統(tǒng)14的示意圖。RDS 14包括具有像素元件的二維矩陣的有源矩陣像素陣列20，在像素元素中由入射X射線直接或間接產(chǎn)生的電子電荷被感測并被存儲。為了使用每個像素中所存儲的電荷，柵極線21通常被行切換控制22順序地驅(qū)動，使得一行中的所有像素將它們所存儲的電荷輸出到數(shù)據(jù)線23上，該數(shù)據(jù)線23在每個有源矩陣像素陣列20的列的末端聯(lián)接到電荷放大器24。電荷放大器24將像素電荷數(shù)據(jù)發(fā)送到模數(shù)轉(zhuǎn)換器(A/D)26，在該模數(shù)轉(zhuǎn)換器26中模擬信號被轉(zhuǎn)換為數(shù)字表達(dá)。數(shù)字表達(dá)隨后被存儲在存儲器28中，等待在由控制邏輯29所確定的時刻傳輸給計(jì)算機(jī)16。電荷放大器除了其放大功能之外還可執(zhí)行多路復(fù)用功能。

圖3是用于圖2中所描述的有源矩陣像素陣列20中的一個像素的像素級電路的一個實(shí)施例的示意圖。有源矩陣像素陣列20通常包括多個像素。在每個像素內(nèi)的是吸收入射光子并產(chǎn)生電子電荷的雙端子MISIM檢測器元件30?？蛇x的雙端子電容器32對轉(zhuǎn)換后的電子電荷進(jìn)行存儲，并且讀出電路元件(通常為三電極薄膜晶體管(TFT)開關(guān)34)將電子電荷從像素中傳送出去。MISIM檢測器元件30的一個電極連接到與有源矩陣像素陣列20中的其它像素共用的高電位偏置端子33，并且電容器32的一個電極連接到也與有源矩陣像素陣列20中的其它像素共用的低電位接地端子35。TFT開關(guān)34的漏電極連接到MISIM檢測器30的第二電極和電容器32的第二端子。TFT 34的源電極連接到像素數(shù)據(jù)線36，該像素數(shù)據(jù)線36聯(lián)接到圖2中所描述的多條數(shù)據(jù)線23中的一條。TFT 34的柵電極連接到像素柵極線38，該像素柵極線38聯(lián)接到多條柵極線21中的一條。

轉(zhuǎn)向圖4a，其示出了具有交錯配置下的電極的MISIM檢測器元件30的第一實(shí)施例的示意圖。檢測器元件包括基底層40，第一接觸或第一電極42被沉積或圖案化在基底層40的頂上。第一阻擋層46被沉積在基底層40的頂上從而將第一電極42封裝。半導(dǎo)體或半導(dǎo)體層44被沉積在第一阻擋層46的頂上，然后第二阻擋層47被沉積在半導(dǎo)體層44的頂上?？梢钥闯?，第一阻擋層46和第二阻擋層47位于半導(dǎo)體層44的彼此相對的表面上。

第二電極48被沉積或圖案化在第二阻擋層47上。如圖4a所示，第一電極和第二電極可被看作位于半導(dǎo)體層44的相對側(cè)上。在一些實(shí)施例中，抗反射層49是可選的，并且對于MISIM檢測器元件30的操作而言不是必需的。然而，在間接轉(zhuǎn)換成像中，抗反射層49通過增加撞擊在其中光子會被吸收的半導(dǎo)體層44上的可見光子的百分比來提高性能。

如在圖4a中可以看出，第一電極和第二電極在垂直于半導(dǎo)體層44的平面中彼此錯開。換句話說，關(guān)于圖4a的立式檢測器，第一電極與第二電極水平地分離，并且在垂直平面中與第二電極不重疊。在優(yōu)選實(shí)施例中，第一電極和第二電極彼此不重疊。阻擋層中的任何一個可以作為阻擋層及抗反射層而起到雙重功能。

在當(dāng)前實(shí)施例中，第一接觸和第二接觸中的一個聯(lián)接到第一阻擋層或第二阻擋層，或者連接到兩者。在一些實(shí)施例中(其中較高的暗電流和較低的EQE是可接受的)，第一阻擋層46或第二阻擋層47或者兩者可用歐姆接觸和/或肖特基接觸來代替。除了X射線數(shù)字成像之外，MISIM檢測器元件的其它應(yīng)用可包括生物指紋成像、觸摸顯示器和姿態(tài)顯示器。在生物指紋成像中，MISIM檢測器元件優(yōu)選對于光波長和近紅外線(600-900nm)敏感用于多光譜成像。在該實(shí)施例中，對半導(dǎo)體層44的厚度進(jìn)行選擇，使得半導(dǎo)體層能夠吸收紅外線波長以及光波長。替代地，半導(dǎo)體層44可以用針對紅外線具有增強(qiáng)敏感性的材料來代替，例如硅納米線、量子點(diǎn)或其它適當(dāng)?shù)臒o機(jī)或有機(jī)的半導(dǎo)體材料。對于觸摸顯示器或姿態(tài)顯示器，因?yàn)镸ISIM檢測器元件具有簡單明了的制造工藝，并且在優(yōu)選實(shí)施例中直接與大面積薄膜電子處理相兼容，因此MISIM檢測器元件可被直接集成到薄膜LCD、OLED和LED顯示器中以生產(chǎn)高性能、成本效益好的顯示傳感器像素單元。

轉(zhuǎn)向圖4b，其示出了交錯配置下的MISIM檢測器元件30的第二實(shí)施例的示意圖。檢測器元件30包括基底層40，第一電極42被沉積或圖案化在基底層40的頂上。第一阻擋層46被沉積在基底層40的頂上從而將第一電極42封裝。半導(dǎo)體層44被沉積在第一阻擋層46的頂上，然后第二阻擋層47被沉積在半導(dǎo)體層44的頂上?？梢钥闯?，第一阻擋層46和第二阻擋層47位于半導(dǎo)體層44的彼此相對的表面上。

第二電極48被沉積或圖案化在第二阻擋層47上，該第二電極48可被抗反射層49封裝。在當(dāng)前實(shí)施例中，第一電極和第二電極中的一個聯(lián)接到第一阻擋層或第二阻擋層。在一些實(shí)施例中，抗反射層49是可選的，并且對于MISIM檢測器元件30的操作而言不是必需的。然而，在間接轉(zhuǎn)換成像中，抗反射層49通過增加撞擊在其中光子會被吸收的半導(dǎo)體層44上的可見光子的百分比來提高性能。

與圖4a的實(shí)施例一樣，可以看到電極在水平平面和垂直平面中都彼此錯開。再者，在一些實(shí)施例中(其中較高的暗電流和較低的EQE是可接受的)，阻擋層中的任何一個或者兩個可以是可選的或者可以用歐姆接觸和/或肖特基接觸來代替。

轉(zhuǎn)向圖4c，其示出了交錯配置下的MISIM檢測器元件30的第三實(shí)施例的示意圖。檢測器元件30包括基底層40，抗反射層49可被沉積在基底層40的頂上。如關(guān)于圖4b所討論的，抗反射層49是可選層。第一電極42被沉積或圖案化在抗反射層(或如果不存在抗反射層則為基底層)的頂上。第一阻擋層46被沉積在抗反射層49或基底層40的頂上從而將第一電極42封裝。半導(dǎo)體層44被沉積在第一阻擋層46的頂上，然后第二阻擋層47被沉積在半導(dǎo)體層44的頂上?？梢钥闯?，第一阻擋層46和第二阻擋層47位于半導(dǎo)體層44的彼此相對的表面上。

第二電極48被沉積或圖案化在第二阻擋層47上。在當(dāng)前實(shí)施例中，第一電極和第二電極中的一個聯(lián)接到第一阻擋層或第二阻擋層。

與圖4a的實(shí)施例一樣，可以看到電極在水平平面和垂直平面中都彼此錯開。再者，在一些實(shí)施例中(其中較高的暗電流和較低的EQE是可接受的)，阻擋層中的任何一個或兩個可以是可選的或者可以用歐姆接觸和/或肖特基接觸來代替。

圖4d示出了頂部電極配置下的MISIM檢測器元件30的第四實(shí)施例的橫截面。在該實(shí)施例中，光學(xué)抗反射層49被沉積在基底層40的頂上。然后半導(dǎo)體層44被沉積在抗反射層49的頂上，或者如果不存在抗反射層則被沉積在基底層40的頂上。然后阻擋層46被沉積在半導(dǎo)體44上。然后一對電極42和48被沉積或圖案化在阻擋層46上。該對電極可被看作為彼此水平地分離。

圖4e示出了底部電極配置下的MISIM檢測器30的第五實(shí)施例的橫截面。在該實(shí)施例中，首先在基底層40的頂上存在一對圖案化的電極42和48，接著是阻擋層46、半導(dǎo)體層44和可選的抗反射層49。

暗電流是傳統(tǒng)MSM檢測器的關(guān)鍵問題，因?yàn)樗档土藱z測器的動態(tài)范圍和圖像質(zhì)量，并且它是施加在偏置接觸48上的電場的函數(shù)。大電場對于從半導(dǎo)體層44上的撞擊光子中產(chǎn)生的電子載流子的電荷分離而言是必需的。如果在暗電流減少時可以將光電流保持在高水平，或者替代地，如果可以向偏置接觸48施加更高的電勢以增加電荷分離效率及相應(yīng)的光電流而不增加暗電流，則更大的光電流對暗電流之比是可能的，這相當(dāng)于更好的動態(tài)范圍、更高的對比度、更高的量子效率以及更好的數(shù)字圖像。迄今為止用于偏置接觸48和感測接觸42的歐姆接觸或肖特基接觸都無法實(shí)現(xiàn)敏感醫(yī)學(xué)射線照相成像應(yīng)用所需的暗電流密度(約10pA/mm²或更小)。然而，對于不太嚴(yán)格的應(yīng)用(例如在生物指紋掃描或觸摸感測領(lǐng)域中)而言，歐姆接觸和肖特基接觸可能就足夠了。

在本公開的一個方面中，本公開使用與阻擋層聯(lián)接的交錯MISIM接觸架構(gòu)，該阻擋層同時：(1)當(dāng)沒有光子撞擊在半導(dǎo)體層上時減小暗電流，以及(2)當(dāng)光子撞擊在半導(dǎo)體層上時實(shí)現(xiàn)高的光電流。絕緣接觸通常被認(rèn)為是不可行的，因?yàn)轭A(yù)期的慢的響應(yīng)時間以及電荷積聚在絕緣層上的潛在性，這會導(dǎo)致可靠性問題。

為了實(shí)現(xiàn)這兩個目標(biāo)，在本公開中，仔細(xì)選擇阻擋層46和47的材料，以便：提供與半導(dǎo)體層之間的低陷阱密度界面，防止或減少從偏置電極和感測電極(例如具有寬帶隙)到半導(dǎo)體層的電荷載流子的注入，并且具有這樣的介電強(qiáng)度，其使得阻擋層46和47能夠在器件操作期間可重復(fù)地在所施加的偏置以及阻擋層46的厚度被優(yōu)化以考慮到半導(dǎo)體層44的暗電導(dǎo)率和光電導(dǎo)率這兩者時在軟(可逆)擊穿狀態(tài)下被操作，該介電強(qiáng)度也是半導(dǎo)體層44的厚度、所施加的電偏置以及材料特性的函數(shù)。

當(dāng)光子撞擊在半導(dǎo)體層44上從而導(dǎo)致半導(dǎo)體層44的電阻率減小時，阻擋層46在軟(即可逆)擊穿模式下進(jìn)行操作，從而允許從偏置接觸48和感測接觸42穿過阻擋層46到半導(dǎo)體層44的垂直傳導(dǎo)路徑。在軟擊穿狀態(tài)下進(jìn)行操作將允許穿過阻擋層46的傳導(dǎo)，其能夠克服響應(yīng)時間的挑戰(zhàn)，同時通過限制偏置接觸48和感測接觸42的注入電流仍保持低的暗電流。使用太厚或具有高介電擊穿強(qiáng)度的阻擋層46會產(chǎn)生糟糕的結(jié)果，或者替代地，選擇不兼容的阻擋層46的材料會產(chǎn)生與半導(dǎo)體層44之間糟糕的界面，使得陷阱和缺陷會導(dǎo)致MISIM檢測器30的量子效率的下降。

對于圖4a和圖4b的實(shí)施例，當(dāng)采用絕緣阻擋接觸時，增強(qiáng)了交錯化設(shè)計(jì)，因?yàn)樾枰獙⒏唠妷菏┘拥絺鞲衅髌媒佑|48。使偏置接觸48進(jìn)一步遠(yuǎn)離TFT(即，其在半導(dǎo)體層44的頂部上，而TFT和感測接觸42在半導(dǎo)體層44的底側(cè)上)，從而有助于提高傳感器和TFT的可靠性，并且減少由于偏置接觸48而損壞傳感器信號的任何過量的漏電流。

在實(shí)驗(yàn)中，確定了使用450nm的非晶硅半導(dǎo)體層44與200nm的聚酰亞胺阻擋層46一起會良好地工作。阻擋層47也可以是200nm的聚酰亞胺阻擋層。這種組合產(chǎn)生用于綠光的、具有高EQE(高于65％)的界面。替代地，如果對于藍(lán)光需要高的外部量子效率，則對于相同的非晶硅與聚酰亞胺材料的組合，半導(dǎo)體層44的厚度可能需要減小，這需要阻擋層46的厚度的相應(yīng)再優(yōu)化。如果半導(dǎo)體層44從非晶硅改變?yōu)榻饘傺趸?，比如IGZO(銦鎵鋅氧化物)或甚至多晶硅，這兩者都具有不同的材料特性和吸收系數(shù)，則可以在制造前通過計(jì)算來重新考慮或重新優(yōu)化阻擋層材料的選擇(出于界面目的)、厚度和所施加的最大偏置電壓。如果在半導(dǎo)體層的頂部直接在入射光子的路徑中使用諸如非晶氮化硅等可選的抗反射層，則在EQE中進(jìn)行額外的改進(jìn)是可行的。

此外，應(yīng)當(dāng)注意，對阻擋層46進(jìn)行圖案化，并且針對偏置接觸48和感測接觸42都采用絕緣接觸，或者替代地，僅針對一個接觸采用絕緣接觸(例如，取決于所使用的偏置而針對偏置接觸48或針對感測接觸42)是可行的。

(例如偏置接觸48或感測接觸42或阻擋層46的)圖案化工藝也可能潛在地侵蝕半導(dǎo)體層44的界面，因?yàn)槠湓趫D案化工藝期間暴露于空氣和化學(xué)物質(zhì)。然而如圖4a至圖4d所示，通?？缭狡媒佑|48和感測接觸42的阻擋層會提供與半導(dǎo)體層44之間改進(jìn)后的界面，其具有更少的缺陷和陷阱還封裝了半導(dǎo)體層44，從而保持更高的量子效率。在替代實(shí)施例中，如果進(jìn)行謹(jǐn)慎的半導(dǎo)體處理，則可以使用在其中偏置接觸48和感測接觸42中的只有一個被絕緣的MISIM檢測器元件。

此外，正如所指出的，可以以在半導(dǎo)體層44的相對側(cè)上各一個的方式來放置偏置接觸48和感測接觸42，只要它們由水平距離隔開使得光子吸收和傳輸保持在水平(橫向)方向上。此外，如果使用透明材料來制成偏置接觸48和感測接觸42，則頂部電極配置或底部電極配置都可以從任一方向中同樣良好地對可見光子進(jìn)行檢測。透明材料包括但并不限于鋁、鉬、鉻、氧化銦錫(ITO)、氧化鋅(ZnO)、氧化銦鎵鋅(IGZO)以及聚(3,4-乙烯二氧噻吩)聚苯乙烯磺酸鹽(PEDOT:PSS)。

圖5a示出了底柵、反向交錯的薄膜晶體管(TFT)結(jié)構(gòu)，其中基底50(例如玻璃或塑料)包括圖案化的柵電極52，隨后是柵極絕緣體54、半導(dǎo)體層56和限定源極接觸58和漏極接觸59的圖案化接觸層。圖5b示出了頂柵、反向交錯的TFT結(jié)構(gòu)，其具有反向配置下的層。兩者都是當(dāng)今顯示器行業(yè)在使用中的非晶硅TFT的實(shí)現(xiàn)方式。如本領(lǐng)域技術(shù)人員所理解的，針對CMOS(互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體)、IGZO和多晶硅晶體管，可繪制出類似的橫截面。

在圖6a至圖6g中的至少一個中所示的光電導(dǎo)元件的實(shí)現(xiàn)方式可被映射到圖3中所示的像素電路上，其中晶體管柵電極63連接到像素柵極線38，源電極61連接到像素數(shù)據(jù)線36(參見圖3)，并且偏置電極67連接到偏置節(jié)點(diǎn)33。由于MISIM檢測器元件具有如前所述的感測電極66與偏置電極67之間的固有內(nèi)部電容，因此圖3中所示的電容器32是可選的。此外，如本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解的那樣，圖6a至圖6g可被映射到諸如有源像素傳感器或光子計(jì)數(shù)電路等其它的像素讀出電路。

將TFT讀出電路元件放置在MISIM檢測器元件下面的另一個挑戰(zhàn)在于，在偏置電極67和/或感測電極66上的正常工作電壓會對TFT操作產(chǎn)生影響，特別是如果采用底柵TFT配置的話，正如圖6a至圖6g中的至少一個中的情況。這里，背柵極75(例如，優(yōu)選聯(lián)接到柵電極63以使漏電流最小化)被包含以確保TFT不會由于頂部上的電極之一而被無意中導(dǎo)電。如果采用頂柵TFT配置，則由于頂柵將被用作靜電屏蔽，從而能夠減輕對背柵極75的需要，并且能夠降低偏置電極67或感測電極66意外地將TFT偏置為導(dǎo)通的可能性，或防止偏置電極67或感測電極66意外地將TFT偏置為導(dǎo)通。

在圖6a至圖6g中的至少一個中所示的設(shè)備架構(gòu)中，閃爍層68(類似于閃爍體15)被沉積或放置在MISIM檢測器元件的頂部，由于半導(dǎo)體層70完全暴露于來自閃爍層68的入射光，因此導(dǎo)致對入射光的更高的吸收，并因此有更好的EQE。如果閃爍層68被沉積或放置在底部(即，與玻璃60相鄰)，則由于玻璃60的厚度而可能存在空間分辨率的損失，并且如果感測電極和偏置電極是不透明的并且阻擋光線到達(dá)非晶硅半導(dǎo)體層70而可能存在EQE中的損失。此外，由于所公開的光電導(dǎo)元件不像PIN光電二極管那樣使用p+摻雜層，因此藍(lán)色發(fā)光閃爍磷光體可以工作。

圖6a和圖6b中所示的實(shí)施方式分別使用在底部電極MISIM檢測器和交錯電極MISIM檢測器下面的底柵TFT。圖6c中所示的實(shí)施方式使用共面配置下的頂柵TFT和底部電極MISIM檢測器。圖6d和圖6e中所示的實(shí)施方式分別使用在底部電極MISIM檢測器和交錯電極MISIM檢測器下面的頂柵TFT。圖6f和圖6g示出了在MISIM檢測器元件的頂部上制造讀出電路元件的兩種可能的注入法。圖6f使用頂部電極MISIM檢測器和頂柵TFT，其中圖6g使用頂部電極MISIM檢測器和底柵TFT開關(guān)。應(yīng)當(dāng)注意，在兩者共面或完全重疊的配置下使用頂柵TFT開關(guān)或底柵TFT開關(guān)與頂部電極MISIM檢測器或底部電極MISIM檢測器或交錯電極MISIM檢測器這兩者的組合而形成的附加實(shí)現(xiàn)方式是可行的。(MISIM檢測器在TFT之上或TFT在MISIM檢測器之上)。此外，使用透明的感測電極66和偏置電極67還可使頂部電極MISIM檢測器、底部電極MISIM檢測器和交錯電極MISIM檢測器能夠具有相匹配的性能而被可互換地使用。

圖6a示出了使用物理地嵌入在非晶硅MISIM檢測器元件下方的讀出電路元件來實(shí)現(xiàn)的光電導(dǎo)元件的橫截面。MISIM檢測器元件包括：梳狀配置下的感測電極66和偏置電極67；將感測電極66和偏置電極67中的至少一個覆蓋的聚酰亞胺阻擋層71(或者替代地，任何寬帶隙有機(jī)/非有機(jī)絕緣體，例如但不限于非晶氮化硅、非晶氧化硅、非晶氮氧化硅、苯并環(huán)丁烯(BCB)、聚對二甲苯、聚苯乙烯、或者諸如PTCBI、CuPc等任何n/p型有機(jī)/非有機(jī)阻擋層，等等)；非晶硅(a-Si:H)半導(dǎo)體層70(或者替代地，硫化鉬、氧化銦鎵鋅、多晶硅、非晶硒、碘化汞、氧化鉛、微晶硅、納米晶硅、晶體硅、并五苯、PTCBI、CuPc、小分子有機(jī)半導(dǎo)體、或聚合物有機(jī)半導(dǎo)體)；以及可選的抗反射涂層69(例如，非晶氮化硅(a-SiNx:H))。

所示出的讀出電路元件采用底柵非晶硅TFT當(dāng)作開關(guān)。TFT包括非晶氮化硅(a-SiNx:H)柵極介電層72、非晶硅(a-Si:H)半導(dǎo)體層73、非晶氮化硅(a-SiNx:H)鈍化層74、以及摻雜歐姆接觸層62。

替代地，讀出電路元件可采用各種有源像素傳感器或光子計(jì)數(shù)像素讀出電路。有源像素電路包括替代圖3中所示的TFT開關(guān)電路34的像素上前置放大器電路。

由于在感測電極66與偏置電極67之間產(chǎn)生的固有電容，因此MISIM檢測器元件具有比尺寸相當(dāng)?shù)腜IN光電二極管更低的固有電容，其與PIN光電二極管(例如1um)相比被放置地相距更遠(yuǎn)(例如5um)。具體地，與PIN光電二極管(對于100微米的像素而言通常約為1pF)相比，MISIM檢測器元件的較低電容(這里對于100微米的像素而言約為0.2pF)使得MISIM檢測器元件與有源像素傳感器讀出元件的組合在信噪比(SNR)方面優(yōu)越。SNR發(fā)生了改善，這是因?yàn)檩斎腚姾蓪ISIM檢測器元件的電壓增益由于MISIM檢測器元件的按比例的較低電容而按比例地高于如果使用PIN二極管的情況。

將讀出電路元件嵌入在MISIM檢測器元件下面還具有使光吸收面積增加或最大化的優(yōu)點(diǎn)。這變得更為重要，因?yàn)榕c僅需要一個TFT的開關(guān)34相比，有源像素傳感器電路通常在讀出電路元件中使用多于一個晶體管。因此，將讀出電路元件嵌入在MISIM檢測器元件下方有利于使性能和EQE最大化。

TFT漏電極76通過層間電介質(zhì)65中的通孔64連接到感測電極66中的一個，其中電介質(zhì)65將MISIM檢測器元件和讀出電路元件物理地分離。電介質(zhì)可選自多種材料，包括非晶氮化硅、非晶氧化硅、非晶氮氧化硅、聚酰亞胺、苯并環(huán)丁烯(BCB)、聚對二甲苯、丙烯酸和聚苯乙烯或其它常見的無機(jī)或有機(jī)電介質(zhì)。

電介質(zhì)65的選擇是重要的，特別是因?yàn)槭褂肕ISIM檢測器元件因絕緣接觸而需要使用潛在高的電壓。偏置電極67或感測電極66上的高電壓可在TFT電極(例如背柵極75、源極61或漏極76)之間產(chǎn)生高的垂直電場，從而導(dǎo)致電介質(zhì)65的局部擊穿。

然而，每種材料具有不同的介電強(qiáng)度和擊穿電壓，并且相應(yīng)地需要對層的厚度進(jìn)行調(diào)節(jié)。除了旨在優(yōu)化層間電介質(zhì)的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)工藝之外，這種針對高電壓彈性的設(shè)計(jì)還用作平坦化層和用作低k的電介質(zhì)以減少寄生耦合電容。例如，如果將BCB用于具有1MV/cm的擊穿電壓的電介質(zhì)65，并且將偏置電極67設(shè)置為500V的電位，則需要至少5um的BCB以防止電介質(zhì)65的意外擊穿。所需的BCB的厚度現(xiàn)在遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了在TFT工業(yè)中通常用于層間電介質(zhì)的厚度。使用非常厚的電介質(zhì)65的層需要克服檢測器元件和讀出電路元件之間的集成挑戰(zhàn)。

如果使偏置電極67和感測電極66的層變薄(例如50-100nm)以避免后續(xù)的阻擋層71和半導(dǎo)體層70的階梯覆蓋問題，則圖6a中所示的非晶硅MISIM檢測器元件將良好地工作。這里，例如，如果在傳統(tǒng)工藝中制造具有陡峭側(cè)壁角的通孔，則MISIM檢測器元件下面的5um厚的電介質(zhì)65的層可能會導(dǎo)致功能性(EQE損失)和可靠性(連通性差)的問題。因此，為了允許適當(dāng)?shù)倪B續(xù)性和覆蓋范圍，電介質(zhì)65中的通孔64可以具有傾斜或成角度的側(cè)壁。對于BCB，發(fā)現(xiàn)45度或更平緩的角度對于該任務(wù)而言將會適當(dāng)?shù)毓ぷ?，但是正如本領(lǐng)域技術(shù)人員將會理解的，其它的側(cè)壁角度與感測電極66和偏置電極67的厚度的組合也可以通過適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)而進(jìn)行工作。

圖6b示出了具有下面的讀出電路的MISIM檢測器的另一種集成的截面圖。為了增加可靠性并減少電介質(zhì)65被擊穿的可能性(由于在偏置接觸處使用潛在高的電壓)，采用了用于MISIM檢測器的交錯電極配置(圖4b)。應(yīng)當(dāng)注意，感測電極66和偏置電極67的布置優(yōu)選按照使得偏置電極和下面的TFT之間的垂直電場處于減小或最小值的方式。在一個實(shí)施例中，感測電極可被用來屏蔽用于下面的TFT和線的電場。因此，TFT的尺寸、像素的面積、電介質(zhì)65及其厚度的選擇、第一阻擋層71和第二阻擋層77的選擇以及半導(dǎo)體層(例如a-Si:H)70的厚度會對感測電極66和偏置電極67的寬度和間距產(chǎn)生影響。圖6c示出使用共面實(shí)現(xiàn)方式的光電導(dǎo)元件的橫截面。元件部件可被映射到圖3中所示的像素級電路，其包括非晶硅MISIM檢測器元件30、電容器32和非晶硅TFT開關(guān)34。在圖6c中，MISIM檢測器的橫截面81包括：公知的梳狀電極配置下的偏置電極67和感測電極66、以及聚酰亞胺阻擋層71(或者替代地，諸如非晶氮化硅、非晶氧化硅、非晶氮氧化硅、苯并環(huán)丁烯(BCB)、聚對二甲苯、聚苯乙烯等任何寬帶隙有機(jī)/非有機(jī)絕緣體或者諸如PTCBI、CuPc等任何n/p型有機(jī)/非有機(jī)阻擋層，等等)、非晶硅半導(dǎo)體層70(或者替代地，硫化鉬、氧化銦鎵鋅、多晶硅、非晶硒、碘化汞、氧化鉛、微晶硅、納米晶硅、晶體硅、PTCBI和CuPc中的一種或多種)、非晶氮化硅層72、以及另外的非晶氮化硅鈍化層82。電容器的橫截面80示出了與感測電極66共享的底板以及連接到地78的頂部電容器板，通常為低電位。這種情況下的電容器的電介質(zhì)是非晶氮化硅74，并且與MISIM檢測器的橫截面81中的抗反射層共享。TFT的橫截面79包括被連接到源自圖3的像素數(shù)據(jù)線36上的源電極61。還示出了連接到圖3中的像素柵極線38上的柵電極63。漏電極76連接到感測電極66并且形成電容器的橫截面80中所示的電容器的一個板。對于TFT的橫截面79而言，非晶硅層73是有源層，其可以與MISIM檢測器的橫截面81共享。TFT柵極電介質(zhì)由非晶氮化硅層74形成，其可以與在MISIM檢測器的橫截面81中示出的抗反射層和電容器的電介質(zhì)層共享。

圖6c中所示的共面設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)之一是允許多個層的共享使用，例如，TFT柵極電介質(zhì)可用作MISIM檢測器30(圖3)的抗反射涂層。相比之下，在PIN二極管中，獨(dú)特的非晶硅PIN隔離工藝和吸收綠色光子所需的厚的半導(dǎo)體層通常排除了除金屬接觸之外的任何層的共享。此外，PIN二極管側(cè)壁需要被謹(jǐn)慎蝕刻并鈍化以減少過多的漏電流。在MISIM檢測器30(圖3)中，由于傳導(dǎo)路徑是水平的，因此水平界面是最重要的。如前所述，使用阻擋層46有助于保護(hù)半導(dǎo)體層44的界面。因此，即使MISIM檢測器30在標(biāo)準(zhǔn)TFT開關(guān)34制造工藝中被建造，器件性能也將長期保持穩(wěn)定。應(yīng)當(dāng)注意，圖6c的共面設(shè)計(jì)也可適于使用圖4a和圖4b中所描述的交錯傳感器。

圖6d和圖6e是MISIM檢測器30與TFT開關(guān)34的其它兩種可能的集成。圖6d和圖6e分別示出了在底部電極MISIM檢測器和交錯電極MISIM檢測器下面注入頂柵TFT的橫截面。如圖6d和圖6e中所示，這兩種設(shè)計(jì)可能需要層間金屬接觸，以便將MISIM檢測器30連接到TFT開關(guān)。

轉(zhuǎn)向圖7，其示出了對檢測器元件制造的方法進(jìn)行概述的流程圖。最初，在基底的頂上，抗反射層被沉積在基底層的頂上(700)。應(yīng)當(dāng)理解，根據(jù)檢測器元件的設(shè)計(jì)，這是可選的。然后，根據(jù)檢測器元件的設(shè)計(jì)，在基底層或抗反射層的頂上沉積第一電極(702)。

然后，在第一電極的頂上沉積第一阻擋層(704)。與抗反射層一樣，根據(jù)檢測器元件的設(shè)計(jì)，第一阻擋層可以是可選的。然后，在第一阻擋層或第一電極上沉積半導(dǎo)體層(706)。

然后，可以在半導(dǎo)體層的頂上沉積可選的第二阻擋層(708)。然后，根據(jù)檢測器元件的設(shè)計(jì)，在第二阻擋層或半導(dǎo)體層的頂上沉積第二電極(710)。

根據(jù)本公開，第一電極和第二電極位于半導(dǎo)體層的相對側(cè)上，并且在垂直于半導(dǎo)體層的平面中彼此錯開。在優(yōu)選實(shí)施例中，第一電極和第二電極錯開，使得它們彼此不重疊。

最后，可以在第二電極的頂上沉積另一可選的抗反射層(712)。

在前面的描述中，為了解釋的目的，闡述了許多細(xì)節(jié)以便提供對實(shí)施例的透徹理解。然而，對本領(lǐng)域技術(shù)人員而言顯而易見的是，這些具體細(xì)節(jié)可能并不是必需的。在其它情況下，可以以框圖形式示出公知的結(jié)構(gòu)以免混淆理解。例如，沒有提供關(guān)于這里所描述的實(shí)施例的元件是否被實(shí)現(xiàn)為軟件例程、硬件電路、固件或它們的組合的具體細(xì)節(jié)。

本公開的實(shí)施例或其組件可被提供為或者可被表示為存儲在機(jī)器可讀介質(zhì)(也稱為計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)、處理器可讀介質(zhì)或具有被包含于其中的計(jì)算機(jī)可讀程序代碼的計(jì)算機(jī)可用介質(zhì))中的計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品。機(jī)器可讀介質(zhì)可以是任何適當(dāng)?shù)挠行?、非暫時性介質(zhì)，包括磁性、光學(xué)或電氣的存儲介質(zhì)，其包括磁盤、光盤只讀存儲器(CD-ROM)、存儲器設(shè)備(易失性或非易失性)或類似的存儲機(jī)制。機(jī)器可讀介質(zhì)可包括各種指令集、代碼序列、配置信息或其它數(shù)據(jù)，其在被執(zhí)行時使得處理器或控制器執(zhí)行根據(jù)本公開的實(shí)施例的方法中的步驟。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將理解，實(shí)現(xiàn)所描述的實(shí)現(xiàn)方式所必需的其它指令和操作也可被存儲在機(jī)器可讀介質(zhì)上。存儲在機(jī)器可讀介質(zhì)上的指令可由處理器、控制器或其它適當(dāng)?shù)奶幚碓O(shè)備執(zhí)行，并且可與電路連接以執(zhí)行所描述的任務(wù)。

上述實(shí)施例僅旨在是示例。在不脫離僅由本文所附權(quán)利要求所唯一限定的范圍的情況下，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以對特定實(shí)施例進(jìn)行變更、修改和變動。