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CN108963015B - 一种光侦测薄膜、器件、显示装置、光敏二极管的制备方法 - Google Patents

一种光侦测薄膜、器件、显示装置、光敏二极管的制备方法 Download PDF

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CN108963015B CN201710348713.0A CN201710348713A CN108963015B CN 108963015 B CN108963015 B CN 108963015B CN 201710348713 A CN201710348713 A CN 201710348713A CN 108963015 B CN108963015 B CN 108963015B
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Shanghai Harvest Intelligence Tech Co Ltd
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Abstract

本发明提供了一种光侦测薄膜、器件、显示装置、光敏二极管的制备方法，光侦测薄膜包括光侦测二极管区域，所述光侦测二极管区域包括光敏二极管，每一光敏二极管电性连接至其对应的该薄膜晶体管，所述光侦测二极管区域的每一光敏二极管是由双结或双结以上p型/i型/n型结构串接堆叠形成。光电二极管第一层p型/i型/n型材料为非晶硅结构，第二p型/i型/n型材料或第二层以上的p型/i型/n型材料可以为微晶硅结构、或是掺有可扩展光敏波长范围之非结晶化合物材料。相较于采用只包含一层p型/i型/n型结构的光侦测薄膜的器件，本发明可以有效提高器件的光电转换量子效率以及拓展光侦测的波长范围。

Description

一种光侦测薄膜、器件、显示装置、光敏二极管的制备方法
技术领域
本发明涉及光学器件领域领域，特别涉及一种光侦测薄膜、器件、显示装置、光敏二极管的制备方法。
背景技术
目前，液晶显示(LCD)屏或有源阵列式有机发光二极管(AMOLED)显示屏，皆是以薄膜电晶管(TFT)结构扫描并驱动单一画素，以实现屏上画素阵列之显示功能。形成TFT开关功能的主要结构为半导体场效晶体管(FET)，其中熟知的半导体层主要材料有非晶硅、多晶硅、氧化铟镓锌(IGZO)、或是混有碳纳米材料之有机化合物等等。由于光侦测二极管(PhotoDiode)的结构亦可采用此类半导体材料制备，且生产设备也兼容于TFT阵列的生产设备，因此近年来TFT光侦测二极管开始以TFT阵列制备方式作生产，并广泛应用在X光感测平板器件，如中华人民共和国专利CN103829959B、CN102903721B所描述。
相较于传统结晶材料制备之影像传感器件，上述TFT光感测阵列薄膜材料之光禁带宽度(Band gap)皆以可见光为主要吸收范围，因此较易受环境可见光之干扰形成噪声，导致信号噪声比(SNR)较低。受限于此，TFT光感测阵列初期的应用乃是以X光感测平板器件应用为主，主因即为X光属短波长光且准直性高，X光影像先入射到感测平板上配置之光波长转换材料，将X光影像转换较长波长之可见光再直接于感测平板内部传输至TFT光感测阵列薄膜上，避免了周围环境之可见光形成噪声干扰，如上述中华人民共和国专利CN103829959B、CN102903721B所描述。
若将此类熟知的TFT可见光感测阵列薄膜配置在显示屏结构内，可作为将光侦测功能集成在显示屏之一种实现方案。然而受限于显示屏的厚度以及显示画素开口孔径等问题，光侦测二极管阵列感测之真实影像已是发生绕射等光学失真之影像，且因光学信号穿透显示屏多层结构，并且在光学显示信号、触摸感测信号并存的情况下，欲从低信噪比场景提取有用光学信号具备很高的困难度，技术困难等级达到近乎单光子成像之程度，必须需藉由算法依光波理论运算重建方能解析出原始影像。为了避开此一技术难点，熟知将可见光传感器薄膜配置在原显示屏结构内会需要额外的光学增强器件，或是仅将光传感器薄膜配置在显示屏侧边内，利用非垂直反射到达侧边之光线进行光影像重建，例如：中华人民共和国专利CN101359369B所述。然而虽然此类技术可避开了弱光成像的技术难点，额外的光学器件增加了光侦测显视屏的厚度，在显视屏侧边的配置方式也无法满足用户的全屏体验。
如图1所示，现有的光传感器薄膜的光敏二极管通常只包含有一层p型/i型/n型结构，其光电转换率低，无法满足高光敏度的薄膜阵列器件需求，不易扩大具有集成光侦测功能的显示器之应用范围。由上述熟知光传感器薄膜的现有技术可以看出，欲配置光侦测阵列薄膜在显示屏结构内，需要对光侦测结构进行改善，以拓展侦测的光敏波长范围以及提高其对应的光电转换量子效率。
发明内容
为此，需要提供一种光侦测的技术方案，用于解决现有的光侦测薄膜存在的光电转化率低的问题。
为实现上述目的，发明人提供了一种光侦测薄膜，所述光侦测薄膜包括光侦测二极管区域，所述光侦测二极管区域包括光敏二极管，所述光敏二极管包括上下堆叠设置的多个光敏薄膜层，每个光敏薄膜层包括自上而下依次堆叠设置的p型半导体层、i型半导体层和n型半导体层。
可选地，所述多个光敏薄膜层的i型半导体层分别适于接收不同波长范围内的光信号。
可选地，所述光敏二极管包括第一光敏薄膜层和第二光敏薄膜层；所述第一光敏薄膜层包括第一p型半导体层、第一i型半导体层、第一n型半导体层；所述第二光敏薄膜层包括第二p型半导体层、第二i型半导体层、第二n型半导体层；其中，所述第一i型半导体层适于接收可见光波长范围内的光信号，所述第二i型半导体层适于接收可见光至红外光、或可见光至近红外光波长范围内的光信号。
可选地，所述第一i型半导体层为非晶硅结构，所述第二i型半导体层为微晶硅结构或非结晶硅化锗结构。
可选地，所述非晶硅结构为硅烷与氢气通过化学气相沉积成膜的半导体层，所述非晶硅结构的结晶度小于40％，且其禁带宽度为1.7eV～1.8eV。
可选地，所述微晶硅结构为硅烷与氢气通过化学气相沉积成膜的半导体层，所述微晶硅结构的结晶度大于40％，且其禁带宽度小于1.7eV。
可选地，所述非结晶硅化锗结构为硅烷、氢气与锗烷通过化学气相沉积成膜的非结晶半导体层，且其禁带宽度小于1.7eV。
可选地，所述第一n型半导体层设置于所述第二p型半导体层的上方，所述第一p型半导体层的上端面设置有第一光学器件，所述第一光学器件用于降低光线在所述第一p型半导体层的上端面的反射率、或是减小光线在所述第一p型半导体层的折射角度以增加光入射量。
可选地，所述第一光学器件包括折射率呈周期性变化的光子晶体结构或微透镜阵列结构、或是折射率呈非周期性变化的漫散射结构，且所述第一光学器件的折射率小于所述第一p型半导体层的折射率。
可选地，所述第一n型半导体层设置于所述第二p型半导体层的上方，所述第一n型半导体层的下端面或第二n型半导体层的下端面还设置有第二光学器件，所述第二光学器件用于提高光线在所述第一n型半导体层的上端面或所述第二n型半导体层的上端面的反射率、或是用于提高光线在所述第一n型半导体层的下端面以及所述第二n型半导体层的上端面之间的多重反射率。
可选地，所述第二光学器件包括折射率呈周期性变化的光子晶体结构、或是折射率呈非周期性变化的漫散射结构，且所述第二光学器件之材料折射率皆小于所述第一n型半导体层或所述第二n型半导体层的折射率。
可选地，所述第一光学器件或所述第二光学器件是采用化学汽相沉积或溅射镀膜方式将氧化物及其衍生化合物或氮化物及其衍生化合物制备成膜。
可选地，所述氧化物及其衍生化合物包括：氧化硅(SiOX)、五氧化二铌(Nb2O5)、氧化锌(ZnO)、氧化铟锡(ITO)、氧化钛(TiO2)；所述氮化物及其衍生化合物包括：氮化硅(SiNX)。
本发明还提供了一种光侦测器件，所述光侦测器件包括MxN个像素侦测区，每一像素侦测区对应设置有由一个以上薄膜电晶管所组成一组扫描驱动与传输数据的像素薄膜电路、以及一光侦测薄膜，所述光侦测薄膜为上述光侦测薄膜。
本发明还提供了一种光侦测显示装置，所述显示装置包括显示单元，所述显示单元上设置有光侦测感应区，所述光侦测感应区下方设置有光侦测器件，所述光侦测器件为上述光侦测器件。
可选地，所述显示单元乃是以有源阵列薄膜晶体管作为扫描驱动与传输数据的显示屏，包括AMOLED显示屏、LCD液晶显示屏、微发光二极管显示屏、量子点显示屏、或是电子墨水显示屏。
可选地，当所述显示单元为LCD液晶显示屏时，所述光侦测器件的下方还设置有背光单元，所述光侦测器件设置于所述背光单元和所述LCD液晶显示屏之间。
可选地，所述光侦测感应区包括至少两个光侦测感应子区域，每一光侦测感应子区域的下方对应设置一所述光侦测器件。
可选地，所述显示装置还包括光侦测器件电路，所述光侦测器件控制电路用于在接收启动信号时，控制光侦测器件开启，或用于在接收到关闭信号时，控制光侦测器件关闭。
本发明还提供了一种光敏二极管的制备方法，所述方法包括：在像素薄膜电晶管的基材上制备第二光敏薄膜层；制备第一光敏薄膜层；以及将所述第一光敏薄膜层和所述第二光敏薄膜层上下堆叠得到所述光敏二极管；其中，所述第一光敏薄膜层和所述第二光敏薄膜层均包括自上而下依次堆叠设置的p型半导体层、i型半导体层和n型半导体层。
可选地，在所述像素薄膜电晶管的基材上制备所述第二光敏薄膜层包括：在所述像素薄膜电晶管的基材上制备第二n型半导体层、第二i型半导体层、第二p型半导体层，所述第二i型半导体层适于接收可见光至红外光、或可见光至近红外光波长范围内的光信号；将所述第二p型半导体层、所述第二i型半导体层、和所述第二n型半导体层按照从上到下的顺序进行堆叠得到所述第二光敏薄膜层；制备所述第一光敏薄膜层包括：制备第一n型半导体层、第一i型半导体层、第一p型半导体层，所述第一i型半导体层适于接收可见光波长范围内的光信号；以及将所述第一p型半导体层、所述第一i型半导体层、和所述第一n型半导体层按照从上到下的顺序进行堆叠得到所述第一光敏薄膜层。
可选地，所述第一i型半导体层通过非晶硅结构制备而成，所述第二i型半导体层通过微晶硅结构、或非结晶硅化锗结构制备而成。
可选地，所述第二i型半导体层通过微晶硅结构制备而成包括：在采用化学气相沉积镀膜过程中，将氢气混入硅烷以使得半导体层的结晶度达到大于40％，得到所述第二i型半导体层。
可选地，所述第二i型半导体层通过非结晶硅化锗结构制备而成包括：在采用化学气相沉积镀膜过程中，将锗烷以及氢气混入硅烷以形成非结晶硅化锗结构得到所述第二i型非结晶半导体层。
可选地，所述制备方法还包括：在所述第一p型半导体层的上端面设置第一光学器件，所述第一光学器件用于降低光线在所述第一p型半导体层的上端面的反射率、或是减小光线在所述第一p型半导体层的折射角度以增加光入射量。
可选地，所述第一光学器件包括折射率呈周期性变化的光子晶体结构或微透镜阵列结构、或是折射率呈非周期性变化的漫散射结构，且所述第一光学器件之材料折射率皆小于所述第一p型半导体层的折射率。
可选地，所述制备方法还包括：在所述第一n型半导体层的下端面或所述第二n型半导体层的下端面设置第二光学器件，所述第二光学器件用于提高光线在所述第一n型半导体层的上端面或所述第二n型半导体层的上端面的反射率、或是用于提高光线在所述第一n型半导体层的下端面以及所述第二n型半导体层的上端面之间的多重反射率。
可选地，所述第二光学器件包括折射率呈周期性变化的光子晶体结构、或是折射率呈非周期性变化的漫散射结构，且所述第二光学器件之材料折射率皆小于所述第一n型半导体层或所述第二n型半导体层的折射率。
可选地，所述第一光学器件或所述第二光学器件通过以下方法制备：采用化学汽相沉积或溅射镀膜方式将氧化物及其衍生化合物或氮化物及其衍生化合物制备成膜。
可选地，所述氧化物及其衍生化合物包括：氧化硅(SiOX)、五氧化二铌(Nb2O5)、氧化锌(ZnO)、氧化铟锡(ITO)、氧化钛(TiO2)；所述氮化物及其衍生化合物包括：氮化硅(SiNX)。
本发明实施例的光侦测薄膜具有以下优点：所述光侦测薄膜包括光侦测二极管区域，所述光侦测二极管区域包括光敏二极管，所述光敏二极管是由双结或双结以上p型/i型/n型结构串接堆叠形成，相较于采用只包含一层p型/i型/n型结构的光侦测薄膜而言，本发明实施例的光侦测薄膜能够有效地提高光电转换量子效率。
进一步地，所述光电二极管第一层p型/i型/n型材料为非晶硅结构，第二层p型/i型/n型材料或第二层以上的p型/i型/n型材料可以为微晶硅结构、或是掺有可扩展光敏波长范围之非结晶化合物材料，能够拓展所述光侦测薄膜的光侦测的波长范围(例如可以将原有可见光范围拓展至红外光或近红外光范围)。
附图说明
图1为现有的光侦测薄膜的结构示意图；
图2为本发明一实施方式的光侦测薄膜的光敏二极管的结构示意图；
图3为本发明另一实施方式的光侦测薄膜的光敏二极管的结构示意图；
图4为本发明另一实施方式的光侦测薄膜的光敏二极管的结构示意图；
图5为本发明一实施方式的光侦测薄膜的结构示意图；
图6为本发明一实施方式的光侦测显示装置的结构示意图；
图7为本发明一实施方式的光敏二极管的制备方法的流程图。
具体实施方式
为详细说明技术方案的技术内容、构造特征、所实现目的及效果，以下结合具体实施例并配合附图详予说明。
请参阅图5，为本发明一实施方式的光侦测薄膜的结构示意图。所述光侦测薄膜包括TFT区域和光侦测二极管区域，所述光侦测二极管区域包括光敏二极管。本发明主要是针对光敏二极管进行改进，以增强光敏二极管的光电转化率，使得包含有该光敏二极管的光侦测薄膜所组成的器件可以适用于高光敏度的应用场景需求(如置于显示屏下方进行光侦测功能)。
如图2所示，所述光敏二极管包括第一光敏薄膜层和第二光敏薄膜层；所述第一光敏薄膜层包括第一p型半导体层(图2中的p1层)、第一i型半导体层(图2中的i1层)、第一n型半导体层(图2中的n1层)，所述第一p型半导体层、第一i型半导体层、第一n型半导体层从上至下依次堆叠设置；所述第二光敏薄膜层包括第二p型半导体层(图2中的p2层)、第二i型半导体层(图2中的i2层)、第二n型半导体层(图2中的n2层)。所述第二p型半导体层、第二i型半导体层、第二n型半导体层从上至下依次堆叠设置；所述第一光敏薄膜层和第二光敏薄膜层上下堆叠设置，所述第一n型半导体层设置于第二p型半导体层的上方。相较于原有只包含一层p型/i型/n型结构的光敏二极管，上述光敏二极管采用双结p型/i型/n型结构串接堆叠形成，有效提高了光电转换率，满足了应用需求。
在其他实施例中，光敏二极管还可以采用双结以上的p型/i型/n型结构串接堆叠形成。例如由3个p型/i型/n型结构串接堆叠形成，自上而下包括第一光敏薄膜层、第二光敏薄膜层和第三光敏薄膜层，第一光敏薄膜层和第二光敏薄膜层的堆叠方式如前所述，第三光敏薄膜层包括第三p型半导体层、第三i型半导体层和第三n型半导体层，第二n型半导体层设置于第三p型半导体层的上方。光敏二极管采用其他数量的结p型/i型/n型结构串接堆叠与此类似，此处不再赘述。
为了使得包含有该光敏二极管的光侦测薄膜所组成的器件(即TFT影像感测阵列薄膜)能够识别的光信号波长从可见光范围扩展至红外光范围，在本实施方式中，所述第一i型半导体层为非晶硅结构，所述第二i型半导体层为微晶硅结构或非结晶硅化锗结构。具体地，第一i型半导体层的材料采用非晶硅结构，使得第一i型半导体层可以用于接收可见光波长范围内的光信号；第二i型半导体层采用微晶硅结构或非结晶硅化锗结构，使得，第二i型半导体层以用于接收可见光至红外光(或近红外光)波长范围内的光信号，从而有效提高了TFT影像感测阵列薄膜的应用场景。
在某些实施例中，所述非晶硅结构为硅烷与氢气通过化学气相沉积成膜的半导体层，非晶硅结构的结晶度小于40％，且其禁带宽度1.7eV～1.8eV。所述微晶硅结构为硅烷与氢气通过化学气相沉积成膜的半导体层，微晶硅的结构的结晶度大于40％，且其禁带宽度小于1.7eV。禁带宽度(Band gap)是指一个带隙宽度(单位是电子伏特(eV))，固体中电子的能量是不可以连续取值的，而是一些不连续的能带，要导电就要有自由电子存在，自由电子存在的能带称为导带(能导电)，被束缚的电子要成为自由电子，就必须获得足够能量从价带跃迁到导带，这个能量的最小值就是禁带宽度。禁带宽度是半导体的一个重要特征参量，其大小主要决定于半导体的能带结构，即与晶体结构和原子的结合性质等有关。
在某些实施例中，所述非结晶硅化锗结构为硅烷、氢气与锗烷通过化学气相沉积成膜的非结晶半导体层，且其禁带宽度小于1.7eV。所述非结晶硅化锗结构包括微晶硅化锗结构或非晶硅化锗结构。在室温下(300K)，锗的禁带宽度约为0.66eV，硅烷中含有锗元素，当掺入锗元素后，会使得第二i型半导体层的禁带宽度下降，当满足小于1.7eV时，说明第二i型半导体层可以接收可见光至红外光(或近红外光)波长范围内的光信号。通过调整化学气象沉积的GeH4浓度，可以将含有非晶或微晶硅化锗结构的光敏二极管的操作波长范围扩展到光波长600nm到1000nm的范围。
如图3中的(a)所示，所述第一p型半导体层的上端面设置有第一光学器件，所述第一光学器件用于降低光线在第一p型半导体层的上端面的反射率、或是减小光线在第一p型半导体层的折射角度以增加光入射量。减小光线在第一p型半导体层的折射角度，可以让光线尽可能地以接近于垂直方向射入第一p型半导体层，使得光线尽可能地被第一p型半导体层下方的第一i型半导体层所吸收，从而进一步提高光敏二极管的光电转换率。
在某些实施例中，所述第一光学器件包括折射率呈周期性变化的光子晶体结构或微透镜阵列结构、或是折射率呈非周期性变化的漫散射结构。所述第一光学器件的折射率小于第一p型半导体层的折射率，可以使得光线在第一光学器件发生折射后，入射角小于折射角，即光线尽可能地以接近于垂直方向射入第一p型半导体层。
如图3中的(b)(c)所示，所述第一n型半导体层的下端面或第二n型半导体层的下端面还设置有第二光学器件，所述第二光学器件用于提高光线在第一n型半导体层的上端面或第二n型半导体层的上端面的反射率、或是用于提高光线在第一n型半导体层的下端面以及第二n型半导体层的上端面之间的多重反射率。以设置于第一n型半导体层的上端面的第二光学器件为例，所述多重反射率是指光线在经过第二光学器件反射后进入第一i型半导体层，再次被第一i型半导体层所吸收，吸收后的光线又再次经过第二光学器件反射后进入第一i型半导体层，如此反复多次，提高第一i型半导体层的光电转换率。设置于第二n型半导体层的上端面的第二光学器件同理可得，多重反射率是指光线在第二n型半导体层的上端面发生多次反射，反射的光线被第二i型半导体层反复吸收，进而提高第二i型半导体层的光电转换率。
在某些实施例中，所述第二光学器件包括折射率呈周期性变化的光子晶体结构、或是折射率呈非周期性变化的漫散射结构。所述第二光学器件之材料折射率皆小于第一n型半导体层或第二n型半导体层的折射率。这样可以让光线在第一n型半导体层或第二n型半导体层尽可能发生反射，以便被第一i型半导体层或第二i型半导体层所吸收，进而适量放大属于第二i型半导体层可吸收的光波长范围内的信号，提高该波长范围内的光电流量。
如图4的(a)(b)(c)所示，在某些实施例中，在某一双结p型/i型/n型结构串接堆叠的光敏二极管中，可以同时设置第一光学器件和第二光学器件，也可以设置两者的任意排列组合，包括：在第一p型半导体层的上端面设置第一光学器件，且在第一n型半导体层的下端面设置第二光学器件(图4中的(a))；在第一n型半导体层的下端面和第二n型半导体层的下端面均设置有第二光学器件(图4中的(b))；在第一p型半导体层的上端面设置第一光学器件，且在第一n型半导体层的下端面和第二n型半导体层的下端面均设置有第二光学器件(图4中的(c))。当光敏二极管包括是由双结p型/i型/n型结构串接堆叠而成时(即光敏二极管由两个以上的光敏薄膜层上下堆叠而成)，第一光学器件和第二光学器同样可以以任意排列组合设置于光敏二极管的相应位置，只需满足最上方的光敏薄膜层的p型半导体层设置第一光学器件、光敏薄膜层与光敏薄膜层之间、以及最下方的光敏薄膜层的n型半导体层设置第二光学器件即可。
在某些实施例中，所述第一光学器件或第二光学器件是采用化学汽相沉积或溅射镀膜方式将氧化物及其衍生化合物或氮化物及其衍生化合物制备成膜。所述氧化物及其衍生化合物包括：氧化硅(SiOX)、五氧化二铌(Nb2O5)、氧化锌(ZnO)、氧化铟锡(ITO)、氧化钛(TiO2)；所述氮化物及其衍生化合物包括：氮化硅(SiNX)。
发明人还提供了一种光侦测器件，所述光侦测器件包括MxN个像素侦测区，每一像素侦测区对应设置有由一个以上薄膜电晶管所组成一组扫描驱动与传输数据的像素薄膜电路、以及一光侦测薄膜，所述光侦测薄膜为前文所述的光侦测薄膜。每个像素侦测区用于感知一个像素，每一像素侦测区均设置有光侦测薄膜。光侦测器件为多个光侦测薄膜组成的阵列器件，在实际应用场景中，可以将光侦测器件配置于显示屏的底部，或是将影像感测阵列薄膜集成在显示屏之有源阵列薄膜晶体管层，实现真正的显示屏内影像感测功能。显示屏自上而下一般包括盖板玻璃、触摸传感器、LCD或LED像素显示器件以及驱动像素显示的有源阵列薄膜晶体管层。本发明提供的光侦测器件可以设置于显示屏之有源阵列薄膜晶体管层的下方，也可以与显示屏之有源阵列薄膜晶体管层集成在一起，以实现光侦测功能。
如图6所示，为本发明一实施方式的光侦测显示装置的结构示意图。
所述显示装置包括显示单元，所述显示单元上设置有光侦测感应区，所述光侦测感应区下方设置有光侦测器件，所述光侦测器件为上文描述的光侦测器件。所述显示装置为具有触摸显示屏的电子设备，如是手机、平板电脑、个人数字助理等智能移动设备，还可以是个人计算机、工业装备用计算机等电子设备。在实际应用场景中，所述显示装置还可以与光学成像器件相结合，光学成像器件设置于所述显示单元与用户眼睛之间。用户眼球投影先在光学成像器件中成像，成像的投影位于显示单元上眼球活动识别区范围内，进而被眼球活动识别下方的传感单元捕捉，通过光学成像器件与显示单元之间的配合，可以达到模拟VR设备的效果。
在某些实施例中，所述显示单元乃是以有源阵列薄膜晶体管作为扫描驱动与传输数据的显示屏，包括AMOLED显示屏、LCD液晶显示屏、微发光二极管显示屏、量子点显示屏、或是电子墨水显示屏。。当所述显示单元为LCD液晶显示屏时，所述光侦测器件的下方还设置有背光单元，所述光侦测器件设置于背光单元和LCD液晶显示屏之间。由于LCD液晶显示屏不属于自发光元件，因而在安装时需要在光侦测器件的下方增加背光单元。背光单元可以为LCD背光模组，也可以为其他具有自发光功能的电子元件。在另一些实施例中，当所述显示单元为AMOLED显示屏时，由于OLED显示屏属于自发光元件，因而无需设置背光单元。通过上述两种方案的设置，可以有效满足不同厂家的生产需求，提高装置的适用范围。在这些习知的显示屏技术当中，欲实现光侦测显示屏功能，可以如图6示意图所示乃是将显示面板与影像感测阵列薄膜分开配置，另外可行的实施例乃是将影像感测阵列薄膜集成在显示屏之有源阵列薄膜晶体管层，本发明提供之光侦测器件技术不限于这两种分开或是集成之结构。显示屏自上而下一般包括盖板玻璃、触摸传感器、LCD或LED像素显示器件以及驱动像素显示的有源阵列薄膜晶体管层。本发明提供的光侦测器件可以设置于显示屏之有源阵列薄膜晶体管层的下方，也可以与显示屏之有源阵列薄膜晶体管层集成在一起，以实现光侦测功能。
在某些实施例中，所述光侦测感应区包括至少两个光侦测感应子区域，每一光侦测感应子区域的下方对应设置一光侦测器件。所述显示装置还包括光侦测器件电路，所述光侦测器件控制电路用于在接收启动信号时，控制光侦测器件开启，或用于在接收到关闭信号时，控制光侦测器件关闭。
以光侦测感应区的数量为两个为例，两个光侦测感应子区域可以一上一下或一左一右均匀分布于屏幕中，也可以以其他排列方式分布于屏幕中。下面对具有两个光侦测感应子区域的装置的应用过程做具体说明：在使用过程中，接收用户触发的启动信号，将两个光侦测感应子区域下方的光侦测器件都设置成开启状态。优选的实施例中，两个光侦测感应子区域构成的范围覆盖了整个显示屏，这样可以保证当两个光侦测感应子区域下方的光侦测器件都设置成开启状态时，进入显示屏的光信号可以被下方的TFT影像感测阵列薄膜(即光侦测器件)所吸收。在其他实施例中，两个光侦测感应子区域构成的范围也可以占整个显示屏面积的2/3、3/4等。当然，用户也可以根据自身喜好，设置某一个光侦测感应子区域下方的光侦测器件开启，另一个光侦测感应子区域下方的光侦测器件关闭。在不需要对装置进行操作时，还可以将两个光侦测感应子区域下方的光侦测器件均设置为关闭状态。
在其他实施例中，光侦测感应子区域的数量还可以为其他数值(即两个以上)，具体可以根据实际需要进行设置。简言之，各个光侦测感应子区域下方的光侦测器件下方处于开启或关闭，可以根据用户自身喜好进行设置。
如图7所示，为本发明一实施方式的光敏二极管的制备方法的流程图。所述方法可以应用于制造光电转换率更高的光敏二极管，所述方法包括以下步骤：
首先进入步骤S701在像素薄膜电晶管的基材上制备第二n型半导体层、第二i型半导体层、第二p型半导体层。所述第二i型半导体层通过微晶硅结构、或是非晶或微晶硅化锗结构制备而成。在本实施方式中，所述像素薄膜电晶管的基材的材质可以为玻璃或柔性材料，优选为柔性材料，这样可以使得安装影像感测阵列薄膜后的显示屏厚度更加轻薄，有效提高用户体验。而后进入步骤S702将第二p型半导体层、第二i型半导体层、第二n型半导体层按照从上到下的顺序进行堆叠得到第二光敏薄膜层；
而后进入步骤S703制备第一n型半导体层、第一i型半导体层、第一p型半导体层，所述第一i型半导体层通过非晶硅结构制备而成；
而后进入步骤S704将第一p型半导体层、第一i型半导体层、第一n型半导体层按照从上到下的顺序进行堆叠得到第一光敏薄膜层；
而后进入步骤S705将第一光敏薄膜层和第二光敏薄膜层上下堆叠得到光敏二极管。
在其他实施例中，光敏二极管还可以采用双结p型/i型/n型结构串接堆叠形成。例如由3个p型/i型/n型结构串接堆叠形成，自上而下包括第一光敏薄膜层、第二光敏薄膜层和第三光敏薄膜层，第一光敏薄膜层和第二光敏薄膜层的堆叠方式如前所述，第三光敏薄膜层包括第三p型半导体层、第三i型半导体层和第三n型半导体层，第二n型半导体层设置于第三p型半导体层的上方。生产三结p型/i型/n型结构的光敏二极管的制备方法与双结的类似，此处不再赘述。
在其他实施例中，“第二i型半导体层通过微晶硅结构制备而成”包括：在采用化学气相沉积镀膜过程中，将氢气混入硅烷以使得半导体层的结晶度达到大于40％，得到第二i型半导体层。优选的，制备得到的第二i型半导体层的禁带宽度小于1.7eV。
在某些实施例中，“第二i型半导体层通过非结晶硅化锗结构制备而成”包括：在采用化学气相沉积镀膜过程中，将锗烷以及氢气混入硅烷以形成非结晶硅化锗结构得到第二i型非结晶半导体层。优选的，制备得到的第二i型半导体层的禁带宽度小于1.7eV。在室温下(300K)，锗的禁带宽度约为0.66ev，硅烷中含有锗元素，当掺入锗元素后，会使得第二i型半导体层的禁带宽度下降，当满足小于1.7eV时，说明第二i型半导体层可以接收可见光至红外光(或近红外光)波长范围内的光信号。通过调整化学气象沉积的GeH4浓度，可以将含有非晶或微晶硅化锗结构的光敏二极管的操作波长范围扩展到光波长600nm到1000nm的范围。
在某些实施例中，所述方法包括步骤：在第一p型半导体层的上端面设置有第一光学器件，所述第一光学器件用于降低光线在第一p型半导体层的上端面的反射率、或是减小光线在第一p型半导体层的折射角度以增加光入射量。优选的，所述第一光学器件包括折射率呈周期性变化的光子晶体结构或微透镜阵列结构、或是折射率呈非周期性变化的漫散射结构，且所述第一光学器件之材料折射率皆小于第一p型半导体层的折射率。这样可以让光线尽可能地以接近于垂直方向射入第一p型半导体层，使得光线尽可能地被第一p型半导体层下方的第一i型半导体层所吸收，进一步提高光敏二极管的光电转换率。
在某些实施例中，所述方法包括步骤：在第一n型半导体层的下端面或第二n型半导体层的下端面还设置有第二光学器件，所述第二光学器件用于提高光线在第一n型半导体层的上端面或第二n型半导体层的上端面的反射率、或是用于提高光线在第一n型半导体层的下端面以及第二n型半导体层的上端面之间的多重反射率。在本实施方式中，所述第二光学器件包括折射率呈周期性变化的光子晶体结构、或是折射率呈非周期性变化的漫散射结构，且所述第二光学器件之材料折射率皆小于第一n型半导体层或第二n型半导体层的折射率。
在本实施方式中，所述第一光学器件或第二光学器件通过以下方法制备：采用化学汽相沉积或溅射镀膜方式将氧化物及其衍生化合物或氮化物及其衍生化合物制备成膜。优选的，所述氧化物及其衍生化合物包括：氧化硅(SiOX)、五氧化二铌(Nb2O5)、氧化锌(ZnO)、氧化铟锡(ITO)、氧化钛(TiO2)；所述氮化物及其衍生化合物包括：氮化硅(SiNX)。
在某些实施方式中，所述第一p型半导体层、第二p型半导体层分别可以为单层结构或是多层结构，其结构为硅烷、氢气与B(CH3)3、或是硅烷、氢气与硼烷通过化学气相沉积成膜的半导体层。所述第一n型半导体层、第二n型半导体层分别可以为单层结构或是多层结构，其结构为硅烷、氢气与磷化氢通过化学气相沉积成膜的半导体层。即对于第一p型半导体层、第二p型半导体层而言，其可以进一步细分由多个第一p型半导体子层或多个第二p型半导体子层组成。每一第一p型半导体子层或第二p型半导体子层均为硅烷、氢气与B(CH3)3、或是硅烷、氢气与硼烷通过化学气相沉积成膜的半导体层，且每一第一p型半导体子层或第二p型半导体子层各个气体之间的混合比例可以不尽相同。
本发明具有以下优点：光侦测器件包括MxN个像素侦测区，每一像素侦测区对应设置有由一个以上薄膜电晶管所组成一组扫描驱动与传输数据的像素薄膜电路、以及一光侦测薄膜；每一光侦测薄膜包括光侦测二极管区域，所述光侦测二极管区域包括光敏二极管，每一光敏二极管电性连接至其对应的薄膜晶体管，所述光侦测二极管区域的每一光敏二极管是由双结或双结以上p型/i型/n型结构串接堆叠形成，相较于采用只包含一层p型/i型/n型结构的光侦测薄膜而言，本发明实施例的光侦测器件能够有效地提高光电转换量子效率。
进一步地，所述光电二极管第一层p型/i型/n型材料为非晶硅结构，第二层p型/i型/n型材料或第二层以上的p型/i型/n型材料可以为微晶硅结构、或是掺有可扩展光敏波长范围之非结晶化合物材料，能够拓展所述光侦测薄膜的光侦测的波长范围(例如可以将原有可见光范围拓展至红外光或近红外光范围)。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者终端设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者终端设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括……”或“包含……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者终端设备中还存在另外的要素。此外，在本文中，“大于”、“小于”、“超过”等理解为不包括本数；“以上”、“以下”、“以内”等理解为包括本数。
本领域内的技术人员应明白，上述各实施例可提供为方法、装置、或计算机程序产品。这些实施例可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。上述各实施例涉及的方法中的全部或部分步骤可以通过程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可以存储于计算机设备可读取的存储介质中，用于执行上述各实施例方法所述的全部或部分步骤。所述计算机设备，包括但不限于：个人计算机、服务器、通用计算机、专用计算机、网络设备、嵌入式设备、可编程设备、智能移动终端、智能家居设备、穿戴式智能设备、车载智能设备等；所述的存储介质，包括但不限于：RAM、ROM、磁碟、磁带、光盘、闪存、U盘、移动硬盘、存储卡、记忆棒、网络服务器存储、网络云存储等。
上述各实施例是参照根据实施例所述的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到计算机设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机设备以特定方式工作的计算机设备可读存储器中，使得存储在该计算机设备可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机设备上，使得在计算机设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
尽管已经对上述各实施例进行了描述，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例做出另外的变更和修改，所以以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利保护范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围之内。

Claims (22)

1.一种光侦测显示装置，其特征在于，所述显示装置包括显示单元，所述显示单元上设置有光侦测感应区，所述光侦测感应区下方设置有光侦测器件或者光侦测器件与显示屏的有源阵列薄膜晶体管层集成在一起；
所述光侦测器件包括多个像素侦测区，每一像素侦测区对应设置有由一个以上薄膜电晶管所组成一组扫描驱动与传输数据的像素薄膜电路、以及一光侦测薄膜；所述光侦测器件用于实现光侦测功能；
所述光侦测感应区包括至少两个光侦测感应子区域，每一光侦测感应子区域的下方对应设置一光侦测器件；所述显示装置还包括光侦测器件电路，所述光侦测器件控制电路用于在接收启动信号时，控制至少两个光侦测感应子区域中的其中一个光侦测器件开启，或用于在接收到关闭信号时，控制至少两个光侦测感应子区域的另一个光侦测器件关闭。
2.如权利要求1所述的光侦测显示装置，其特征在于，
所述光侦测薄膜包括光侦测二极管区域，所述光侦测二极管区域包括光敏二极管，其特征在于，所述光敏二极管包括第一光敏薄膜层和第二光敏薄膜层；所述第一光敏薄膜层包括第一p型半导体层、第一i型半导体层、第一n型半导体层，所述第一p型半导体层、第一i型半导体层、第一n型半导体层从上至下依次堆叠设置；所述第二光敏薄膜层包括第二p型半导体层、第二i型半导体层、第二n型半导体层；所述第二p型半导体层、第二i型半导体层、第二n型半导体层从上至下依次堆叠设置；所述第一光敏薄膜层和第二光敏薄膜层上下堆叠设置，所述第一n型半导体层设置于第二p型半导体层的上方；所述第一i型半导体层为非晶硅结构，所述第二i型半导体层为微晶硅结构或非结晶硅化锗结构。
3.如权利要求2所述的光侦测显示装置，其特征在于，所述非晶硅结构为硅烷与氢气通过化学气相沉积成膜的半导体层，非晶硅结构的结晶度小于40%，且其禁带宽度1.7 eV～1.8eV。
4.如权利要求2所述的光侦测显示装置，其特征在于，所述微晶硅结构为硅烷与氢气通过化学气相沉积成膜的半导体层，微晶硅的结构的结晶度大于40%，且其禁带宽度小于1.7eV。
5.如权利要求2所述的光侦测显示装置，其特征在于，所述非结晶硅化锗结构为硅烷、氢气与锗烷通过化学气相沉积成膜的非结晶半导体层，且其禁带宽度小于1.7 eV。
6.如权利要求2所述的光侦测显示装置，其特征在于，所述第一p型半导体层的上端面设置有第一光学器件，所述第一光学器件用于降低光线在第一p型半导体层的上端面的反射率、或是减小光线在第一p型半导体层的折射角度以增加光入射量。
7.如权利要求6所述的光侦测显示装置，其特征在于，所述第一光学器件包括折射率呈周期性变化的光子晶体结构或微透镜阵列结构、或是折射率呈非周期性变化的漫散射结构，且所述第一光学器件的折射率小于第一p型半导体层的折射率。
8.如权利要求2所述的光侦测显示装置，其特征在于，所述第一n型半导体层的下端面或第二n型半导体层的下端面还设置有第二光学器件，所述第二光学器件用于提高光线在第一n型半导体层的上端面或第二n型半导体层的上端面的反射率、或是用于提高光线在第一n型半导体层的下端面以及第二n型半导体层的上端面之间的多重反射率。
9.如权利要求8所述的光侦测显示装置，其特征在于，所述第二光学器件包括折射率呈周期性变化的光子晶体结构、或是折射率呈非周期性变化的漫散射结构，且所述第二光学器件之材料折射率皆小于第一n型半导体层或第二n型半导体层的折射率。
10.如权利要求6至9项中任一项所述的光侦测显示装置，其特征在于，所述第一光学器件或第二光学器件是采用化学汽相沉积或溅射镀膜方式将氧化物及其衍生化合物或氮化物及其衍生化合物制备成膜。
11.如权利要求10所述的光侦测显示装置，其特征在于，所述氧化物及其衍生化合物包括：氧化硅(SiOX)、五氧化二铌 (Nb2O5)、氧化锌(ZnO)、氧化铟锡(ITO)、氧化钛(TiO2)；所述氮化物及其衍生化合物包括：氮化硅(SiNX)。
12.如权利要求1所述的光侦测显示装置，其特征在于，所述显示单元乃是以有源阵列薄膜晶体管作为扫描驱动与传输数据的显示屏，包括AMOLED显示屏、LCD液晶显示屏、微发光二极管显示屏、量子点显示屏、或是电子墨水显示屏。
13.如权利要求12所述的光侦测显示装置，其特征在于，当所述显示单元为LCD液晶显示屏时，所述光侦测器件的下方还设置有背光单元，所述光侦测器件设置于背光单元和LCD液晶显示屏之间。
14.一种如权利要求1至13任一项所述的光侦测显示装置的光侦测薄膜的制备方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
在像素薄膜电晶管的基材上制备第二n型半导体层、第二i型半导体层、第二p型半导体层，所述第二i型半导体层通过微晶硅结构或非结晶硅化锗结构制备而成；
将第二p型半导体层、第二i型半导体层、第二n型半导体层按照从上到下的顺序进行堆叠得到第二光敏薄膜层；
制备第一n型半导体层、第一i型半导体层、第一p型半导体层，所述第一i型半导体层通过非晶硅结构制备而成；
将第一p型半导体层、第一i型半导体层、第一n型半导体层按照从上到下的顺序进行堆叠得到第一光敏薄膜层；
将第一光敏薄膜层和第二光敏薄膜层上下堆叠得到光侦测薄膜。
15.如权利要求14的光侦测薄膜的制备方法，其特征在于，“第二i型半导体层通过微晶硅结构制备而成”包括：在采用化学气相沉积镀膜过程中，将氢气混入硅烷以使得半导体层的结晶度达到大于40%，得到第二i型半导体层。
16.如权利要求14的光侦测薄膜的制备方法，其特征在于，“第二i型半导体层通过非结晶硅化锗结构制备而成”包括：在采用化学气相沉积镀膜过程中，将锗烷以及氢气混入硅烷以形成非结晶硅化锗结构得到第二i型半导体层。
17.如权利要求14的光侦测薄膜的制备方法，其特征在于，所述方法包括步骤：
在第一p型半导体层的上端面设置有第一光学器件，所述第一光学器件用于降低光线在第一p型半导体层的上端面的反射率、或是减小光线在第一p型半导体层的折射角度以增加光入射量。
18.如权利要求17所述的光侦测薄膜的制备方法，其特征在于，所述第一光学器件包括折射率呈周期性变化的光子晶体结构或微透镜阵列结构、或是折射率呈非周期性变化的漫散射结构，且所述第一光学器件之材料折射率皆小于第一p型半导体层的折射率。
19.如权利要求14的光侦测薄膜的制备方法，其特征在于，所述方法包括步骤：
在第一n型半导体层的下端面或第二n型半导体层的下端面还设置有第二光学器件，所述第二光学器件用于提高光线在第一n型半导体层的上端面或第二n型半导体层的上端面的反射率、或是用于提高光线在第一n型半导体层的下端面以及第二n型半导体层的上端面之间的多重反射率。
20.如权利要求19的光侦测薄膜的制备方法，其特征在于，所述第二光学器件包括折射率呈周期性变化的光子晶体结构、或是折射率呈非周期性变化的漫散射结构，且所述第二光学器件之材料折射率皆小于第一n型半导体层或第二n型半导体层的折射率。
21.如权利要求19至20项中任一项所述的光侦测薄膜的制备方法，其特征在于，所述第一光学器件或第二光学器件通过以下方法制备：
采用化学汽相沉积或溅射镀膜方式将氧化物及其衍生化合物或氮化物及其衍生化合物制备成膜。
22.如权利要求21所述的光侦测薄膜的制备方法，其特征在于，所述氧化物及其衍生化合物包括：氧化硅(SiOX)、五氧化二铌 (Nb2O5)、氧化锌(ZnO)、氧化铟锡(ITO)、氧化钛(TiO2)；所述氮化物及其衍生化合物包括：氮化硅(SiNX)。
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