CN112002721B - 薄膜晶体管阵列基板、像素电路、x射线探测器及其驱动方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种薄膜晶体管阵列基板、像素电路、X射线探测器及其驱动方法，涉及光电技术领域，所述薄膜晶体管阵列基板包括水平排布的扫描线和读取扫描线、垂直排布的数据线和偏压线，以及由扫描线和数据线交叉限定的多个像素单元，每个像素单元包括位于光电导区的光电导薄膜晶体管和位于读取端的读取薄膜晶体管，本发明利用aSi薄膜晶体管的光电导效应，对光电流积分并控制放大倍数，实现像素内信号放大，在降低放射剂量的同时也能够实现放大倍数的精准控制；同时简化了像素结构和工艺结构。
Description
技术领域
本发明属于光电技术领域，具体涉及一种薄膜晶体管阵列基板、像素电路、X射线探测器及其驱动方法。
背景技术
近年来，由半导体材料制成的用以捕获X射线的平板探测器的放射摄像成像装置在医疗设备、工业无损检测以及公共安全等领域的应用越来越广泛。
平板式X射线图像探测器一般分为两种薄膜晶体管阵列技术。第一种为间接探测式图像探测器。例如，在上述基板上制成的TFT像素阵列之上，淀积一层光电变换薄膜（如氢化非晶硅二极管薄膜），并且覆盖一层能够将X射线转换成可见光的材料，如荧光膜(phosphors)或者闪烁膜(scintillattor),就可以制成一个大面积的平板式X射线图像探测器。间接探测式图像探测器相与传统的X射线感光胶片以及CCD摄像机聚焦荧光板的方式相比，其优越性体现在采集图像的瞬时性、完全数字化图像、体积的小型化和高灵敏度带来的对于患者的较低曝光量。
第二种探测器是直接探测式图像探测器。在这种探测器里面，不使用荧光膜或者闪烁膜，而是使用将X射线直接转换成电子或空穴的半导体光电导薄膜，比如非晶硒(a-Se)或者氧化铅(PbO)等半导体薄膜材料。直接探测式图像探测器不仅结构简单，而且因为没有荧光膜或者闪烁膜内的光线的扩散和散射，也就没有图像解像度的衰减，从而可以获得更加清晰和高精细的图像。
在直接探测式探测器中，像素作为探测器的基本敏感元件，每一个像素将其受到的光电导体的电荷流转换为电信号。源自不同像素的电信号在矩阵-读取阶段期间收集，然后经处理和存储以形成图像的方式数字化。
然而，在像素内部，因为薄膜晶体管制造工艺的影响，薄膜晶体管的阈值电压Vth会产生漂移，从而对器件输出信号造成一定的干扰。此外，现有的探测器制造工艺也面临mask数量多成本大以及刷新率不高等问题。
发明内容
本发明提供一种薄膜晶体管阵列基板、像素电路、X射线探测器及其驱动方法，目的在于利用保留薄膜晶体管进行扫描读取的基本思路，减少像素内薄膜晶体管的使用，尽可能降低工艺问题造成的薄膜晶体管的阈值电压Vth漂移对器件输出信号造成的干扰；同时，本发明采用光生电导效应作为光感器件的基本原理，进行光生信号像素内放大，提高像素增益系数，在量子效率（EQE）不变的情况下，尽可能提高像素输出信号；本发明还可以增大像素填充因子，防止由于开口率降低造成的DQE损失。
本发明的技术方案如下：
本发明公开了一种薄膜晶体管阵列基板，用于X射线探测器，包括水平排布的扫描线和读取扫描线、垂直排布的数据线和偏压线，以及由扫描线和数据线交叉限定的多个像素单元，每个像素单元包括位于光电导区的光电导薄膜晶体管和位于读取端的读取薄膜晶体管，其中，所述像素单元具体包括：
基板；
栅金属层，位于基板上方，包括位于光电导区的第一栅极和位于读取端的第二栅极；
栅极绝缘层，覆盖栅金属层，所述栅极绝缘层在第一栅极上方设有第一开孔；
半导体层，位于栅极绝缘层上方，包括位于光电导区的第一半导体和位于读取端的第二半导体；
源极和漏极，覆盖部分半导体层和部分栅极绝缘层，所述源极和漏极分别位于半导体层的两侧；
第一绝缘层，覆盖栅极绝缘层、源极和漏极，所述第一绝缘层在第一开孔上设有第二开孔；
第一金属层，覆盖位于光电导区的部分第一绝缘层和部分第一栅极，所述第一金属层在第一开孔内与第一栅极接触；
第二绝缘层，覆盖第一绝缘层和第一金属层；
有机层，覆盖第二绝缘层；
第二金属层，覆盖位于读取端的有机层；
第三绝缘层，覆盖有机层和第二金属层。
优选地，光电导薄膜晶体管为顶栅结构，读取薄膜晶体管为底栅结构。
优选地，所述半导体层的制作材料为aSi。
优选地，第一金属层的制作材料为ITO。
本发明还公开了一种X射线探测器，包括上述的薄膜晶体管阵列基板。
本发明还公开了一种像素电路，用于上述的X射线探测器，包括光电导薄膜晶体管和读取薄膜晶体管，
其中，光电导薄膜晶体管的栅极连接扫描线，光电导薄膜晶体管的源极连接读取薄膜晶体管的漏极，光电导薄膜晶体管的漏极连接偏压线；
读取薄膜晶体管的栅极连接读取扫描线，读取薄膜晶体管的源极连接数据线，读取薄膜晶体管的漏极连接光电导薄膜晶体管的源极。
本发明还公开了一种X射线探测器的驱动方法，采用上述的像素电路，用于像素内图像信号的放大，上述驱动方法分为两个阶段：读取阶段和重置阶段；在同一帧内，
读取阶段：当给入光图像后，每行扫描线依序加载低电平，光电导薄膜晶体管的栅极关闭，每行读取扫描线依序加载高电平，读取薄膜晶体管的栅极打开，数据线和偏压线产生读取电压差，积分器输出积分电流并给出图像信号，一帧结束后，读取薄膜晶体管的栅极关闭，光源关闭；
重置阶段：光电导薄膜晶体管的栅极输入高电平和低电平的脉冲信号进行重置；
进行下一帧并重复上述过程。
优选地，通过延长读取薄膜晶体管的栅极打开时间，增加信号放大倍数。
优选地，通过增大扫描线对光电导薄膜晶体管栅极的加载电压，增加信号放大倍数。
优选地，通过增加光电导薄膜晶体管沟道面积，可增加信号放大倍数。
本发明能够带来以下至少一项有益效果：
1、本发明的X射线探测器在 X射线源投射时读取，X射线源不关闭，降低X射线源的闪烁频率，从而可以进一步提高刷新频率；
2、本发明用光电导效应替代PIN二极管光生伏特效应，可以有效减少反应和存储时间；
3、本发明利用aSi薄膜晶体管的光电导效应，对光电流积分并控制放大倍数，实现像素内信号放大，在降低放射剂量的同时也能够实现放大倍数的精准控制；
4、本发明将光电导薄膜晶体管T1与读取薄膜晶体管T2同层设计，简化了像素结构和工艺结构，减少了光罩的使用，直接降低成本；
5.本发明提高了背板刷新频率，增加动态显示效果。
附图说明
下面将以明确易懂的方式，结合附图说明优选实施方式，对本发明予以进一步说明。
图1是本发明薄膜晶体管阵列基板的像素单元的平面图；
图2为图1中的像素单元沿着虚线A-A’的示意图；
图3是本发明的X射线探测器在X射线照射条件下的等效电路图；
图4是本发明像素电路的时序示意图。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对照附图说明本发明的具体实施方式。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图，并获得其他的实施方式。
为使图面简洁，各图中只示意性地表示出了与本发明相关的部分，它们并不代表其作为产品的实际结构。另外，以使图面简洁便于理解，在有些图中具有相同结构或功能的部件，仅示意性地绘示了其中的一个，或仅标出了其中的一个。在本文中，“一个”不仅表示“仅此一个”，也可以表示“多于一个”的情形。
下面以具体实施例详细介绍本发明的技术方案。
本发明提供一种用于X射线探测器的薄膜晶体管阵列基板，薄膜晶体管阵列基板包括水平排布的多条扫描线和多条读取扫描线、垂直排布的多条数据线和多条偏压线，以及由扫描线和数据线交叉限定的多个像素单元，图1是本发明薄膜晶体管阵列基板的像素单元的平面图，如图1所示，Date和Bias分别是数据线和偏压线，Gate和Gate_read分别是扫描线和读取扫描线。每个像素单元均连接一条扫描线、读取扫描线、数据线以及偏压线。
其中，每个像素单元包括位于光电导区100的光电导薄膜晶体管T1和位于读取端200的读取薄膜晶体管T2。光电导薄膜晶体管T1为顶栅结构，读取薄膜晶体管T2为底栅结构。
具体的，图2为图1中的像素单元沿着虚线A-A’的示意图，如图2所示，所述像素单元包括：基板01；栅金属层02，位于基板01上方，包括位于光电导区100的第一栅极021和位于读取端200的第二栅极022；其中，第一栅极021即形成连接光电导薄膜晶体管T1栅极的扫描线，第二栅极022即形成底栅结构的读取薄膜晶体管T2的栅极。栅金属层02的制作材料可以是Mo、Nb合金或者是金属Cu，膜层厚度为350-2800 Å。
像素单元还包括：栅极绝缘层03，覆盖栅金属层02，所述栅极绝缘层03在第一栅极021上方设有第一开孔031；半导体层04，位于栅极绝缘层03上方，包括位于光电导区100的第一半导体041和位于读取端200的第二半导体042；源极051和漏极052，覆盖部分半导体层04和部分栅极绝缘层03，所述源极051和漏极052相互间隔开且分别位于半导体层04的两侧；其中，栅极绝缘层03的制作材料可以是SiN或SiO，膜层厚度为550-3575Å；半导体层04的制作材料为aSi，膜层厚度为4000Å左右；源极051和漏极052的制作材料可以是Mo、Nb合金或者是金属Cu，膜层厚度为350-2800 Å。
需要说明的是，源极051和漏极052覆盖半导体层04的交叠部分会形成导电的欧姆接触区，在欧姆接触区半导体由aSi转化为n+aSi，n+aSi的厚度约为300Å。
像素单元还包括：第一绝缘层06，覆盖栅极绝缘层03、源极051和漏极052，所述第一绝缘层06在第一开孔031上设有第二开孔061；第一金属层07，覆盖位于光电导区100的部分第一绝缘层06和部分第一栅极021，所述第一金属层07在第一开孔031内与第一栅极021接触，覆盖第一绝缘层06的部分第一金属层07位于源极051和漏极052的上方；第二绝缘层08，覆盖第一绝缘层06和第一金属层07；有机层09，覆盖第二绝缘层08；第二金属层10，覆盖位于读取端200的有机层09；第三绝缘层11，覆盖有机层09和第二金属层10。其中，第一绝缘层06的制作材料可以是SiN，膜层厚度为1500-3000Å；第一金属层07的制作材料可以是ITO，膜层厚度约为1000Å；第二绝缘层08的制作材料可以是SiN，膜层厚度约为2000Å；有机层09的制作材料为有机材料，膜层厚度约为18000Å；第二金属层10的制作材料可以是Ti，膜层厚度约为2000Å；第三绝缘层11的制作材料可以是SiN，膜层厚度约为5000Å。
需要说明的是，第一金属层07作为顶栅结构的光电导薄膜晶体管T1的栅极，通过第一开孔031与第一栅极021进行接触，此外，因第一金属层07使用ITO材料，所以光电导薄膜晶体管T1的栅极可以用于重置和电位保持。
本发明的光电导薄膜晶体管T1采用顶栅结构，当光电导薄膜晶体管T1处于关闭状态下，背沟道区会对入射光信号产生光电导效应，从而进行信号输出。本发明的读取薄膜晶体管T2采用常规的底栅设计，顶部的第二金属层10作为遮光层可以进行沟道保护。
本发明公开了一种X射线探测器，包括上述的薄膜晶体管阵列基板01。
本发明还公开了一种像素电路，用于上述的X射线探测器，图3是本发明的X射线探测器在X射线照射条件下的等效电路图，Date和Bias分别是数据线和偏压线，Gate和Gate_read分别是扫描线和读取扫描线。如图3所示，像素电路包括光电导薄膜晶体管T1和读取薄膜晶体管T2。
其中，光电导薄膜晶体管T1的栅极连接扫描线，光电导薄膜晶体管T1的源极051连接读取薄膜晶体管T2的漏极052，光电导薄膜晶体管T1的漏极052连接偏压线。
读取薄膜晶体管T2的栅极连接读取扫描线，读取薄膜晶体管T2的源极051连接数据线，读取薄膜晶体管T2的漏极052连接光电导薄膜晶体管T1的源极051。
本发明还包括一种X射线探测器的驱动方法，采用上述的像素电路，用于像素内图像信号的放大。图4是该像素电路的时序示意图，Vdate和Vbias分别是数据线的输出信号和偏压线的输出信号，Vgate是扫描线的输出信号，lighting是光源输入信号。如图4所示，上述驱动方法分为两个阶段：读取阶段和重置阶段。在同一帧内：
读取阶段：当给入光图像后，每行扫描线依序加载低电平，光电导薄膜晶体管T1的栅极关闭，此时光电导薄膜晶体管T1的背沟道区域显示绝缘体，但是背沟道区域会因受到光入射而感光，当光源持续给入光电子，背沟道区域的感光电导率会逐步增加。每行读取扫描线依序加载高电平，读取薄膜晶体管T2的栅极打开，此时，因读取薄膜晶体管T2上方有第二金属层10作为遮光层，所以读取薄膜晶体管T2的背沟道区域不感光，且因整个读取过程光源持续给入，所以数据线和偏压线之间会产生读取电压差Vdata-bias，之后源极051驱动电路输出积分电流并给出图像信号，一帧结束后，读取薄膜晶体管T2的栅极关闭，光源关闭。需要说明的是，在整个读取阶段，光电导薄膜晶体管T1的栅极都处于关闭状态，而光源不关闭，降低光源的闪烁频率，从而可以进一步提高刷新频率，此处的光源一般指X射线源。
其中，读取电压差Vdata-bias受到的电阻主要为读取薄膜晶体管T2的开态电阻和光电导薄膜晶体管T1的关态电阻，电阻因光强的变化而有不同的大小，一般的，源极051驱动电路输出的积分电流大约为uA级别。
重置阶段：光电导薄膜晶体管T1的栅极输入高电平和低电平的脉冲信号进行重置。完成一帧扫描后，整个显示区所有像素的光电导薄膜晶体管T1的栅极首先输入高电平，此时光电导薄膜晶体管T1的背沟道被进行重置，随后光电导薄膜晶体管T1的栅极输入低电平。
最后进行下一帧并重复上述过程。
优选的，为了增加信号放大倍数，本发明可以通过延长读取薄膜晶体管T2的栅极打开时间，增大读取电压差Vdata-bias并延长积分时间，进而靠增加积分电流的输出大小来增加信号放大倍数。或者，本发明也可以通过增大扫描线对光电导薄膜晶体管T1栅极的加载电压，来增加信号放大倍数，从而降低噪声。
本发明通过合理控制读取薄膜晶体管T2的打开时间、偏压线的加载电压以及光电导薄膜晶体管T1的尺寸，可以有效减少反应和存储时间，还可以进一步提高刷新频率，实现动态显示。
不同于常见的多TFT内放大原理，本发明的X射线探测器在薄膜晶体管阵列基板上采用光电导薄膜晶体管T1和读取薄膜晶体管T2，用光电导效应替代PIN二极管光生伏特效应，可以有效减少反应和存储时间。本发明利用aSi薄膜晶体管的光电导效应，对光电流积分并控制放大倍数，实现像素内信号放大，在降低放射剂量的同时也能够实现放大倍数的精准控制。
此外，本发明将光电导薄膜晶体管T1与读取薄膜晶体管T2同层设计，简化了像素结构和工艺结构，减少了光罩的使用，直接降低成本。
应当说明的是，以上所述仅是本发明的优选实施方式，但是本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在本发明的技术构思范围内，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，对本发明的技术方案进行多种等同变换，这些改进、润饰和等同变换也应视为本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种薄膜晶体管阵列基板，用于X射线探测器，其特征在于，包括水平排布的扫描线和读取扫描线、垂直排布的数据线和偏压线，以及由扫描线和数据线交叉限定的多个像素单元，每个像素单元包括位于光电导区的光电导薄膜晶体管和位于读取端的读取薄膜晶体管，其中，所述像素单元具体包括：
基板；
栅金属层，位于基板上方，包括位于光电导区的第一栅极和位于读取端的第二栅极；
栅极绝缘层，覆盖栅金属层，所述栅极绝缘层在第一栅极上方设有第一开孔；
半导体层，位于栅极绝缘层上方，包括位于光电导区的第一半导体和位于读取端的第二半导体；
源极和漏极，覆盖部分半导体层和部分栅极绝缘层，所述源极和漏极分别位于半导体层的两侧；
第一绝缘层，覆盖栅极绝缘层、源极和漏极，所述第一绝缘层在第一开孔上设有第二开孔；
第一金属层，覆盖位于光电导区的部分第一绝缘层和部分第一栅极，所述第一金属层在第一开孔内与第一栅极接触；
第二绝缘层，覆盖第一绝缘层和第一金属层；
有机层，覆盖第二绝缘层；
第二金属层，覆盖位于读取端的有机层；
第三绝缘层，覆盖有机层和第二金属层；
其中，第一金属层位于源极和漏极的上方作为顶栅结构的光电导薄膜晶体管的栅极。
2.根据权利要求1所述的薄膜晶体管阵列基板，其特征在于，光电导薄膜晶体管为顶栅结构，读取薄膜晶体管为底栅结构。
3.根据权利要求1所述的薄膜晶体管阵列基板，其特征在于，所述半导体层的制作材料为aSi。
4.根据权利要求1所述的薄膜晶体管阵列基板，其特征在于，第一金属层的制作材料为ITO。
5.一种X射线探测器，其特征在于，包括权利要求1-4任一所述的薄膜晶体管阵列基板。
6.一种像素电路，用于权利要求5所述的X射线探测器，其特征在于，包括光电导薄膜晶体管和读取薄膜晶体管，
其中，光电导薄膜晶体管的栅极连接扫描线，光电导薄膜晶体管的源极连接读取薄膜晶体管的漏极，光电导薄膜晶体管的漏极连接偏压线；
读取薄膜晶体管的栅极连接读取扫描线，读取薄膜晶体管的源极连接数据线，读取薄膜晶体管的漏极连接光电导薄膜晶体管的源极。
7.一种X射线探测器的驱动方法，采用权利要求6所述的像素电路，用于像素内图像信号的放大，其特征在于，上述驱动方法分为两个阶段：读取阶段和重置阶段；在同一帧内，
读取阶段：当给入光图像后，每行扫描线依序加载低电平，光电导薄膜晶体管的栅极关闭，每行读取扫描线依序加载高电平，读取薄膜晶体管的栅极打开，数据线和偏压线产生读取电压差，积分器输出积分电流并给出图像信号，一帧结束后，读取薄膜晶体管的栅极关闭，光源关闭；
重置阶段：光电导薄膜晶体管的栅极输入高电平和低电平的脉冲信号进行重置；进行下一帧并重复上述读取阶段和重置阶段。
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